JP4162606B2 - 光変調素子、光変調素子アレイ、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から入射される入射光の透過率を変化させて光変調を行う光変調素子、該光変調素子をアレイ化した光変調素子アレイ、及び該光変調素子アレイを用いた画像形成装置に関する。

従来、画像を形成するためのデバイスとして、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が知られている。ＤＭＤは、シリコン基板上に集積回路を形成し、その集積回路上に微小サイズの鏡を画素の数だけ配置し、この鏡に照射される光源からの光の反射量を制御することで光変調を行い、画像を形成するデバイスである。このＤＭＤに関連する文献として特許文献１記載のものがある。

特開平８−３３４７０９号公報

ＤＭＤは、鏡に光を反射させることで光変調を行うデバイスである。反射型の光変調素子は、入射光と出射光が光変調素子に対して同じ側に存在するため、周辺光学系の構成が複雑になるという問題点があり、小型化には不向きである。これに対し、透過型の光変調素子は、入射光と出射光が光変調素子に対して反対側に存在するため、周辺光学系の構成がシンプルになるという利点がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光の透過率を制御して光変調を行う小型化が可能な透過型の光変調素子を提供することを目的とする。

本発明の光変調素子は、光源から入射される入射光の透過率を変化させて光変調を行う光変調素子であって、前記入射光に対して透明な平面基板と、前記平面基板上に設けられる第１の電極と、前記第１の電極の上方に間隔を空けて配置される第２の電極を含み、前記第１の電極及び第２の電極に印加される印加電圧により発生する静電気力に応じて変形する、前記平面基板上方に設けられる変形部材と、前記変形部材に形成される光学機能膜とを備え、前記光学機能膜は、前記光学機能膜への前記入射光の入射角に応じて当該入射光の透過率が変化する入射角依存性を有し、前記静電気力に応じて前記平面基板に対して傾斜自在なものである。

この構成により、第１の電極及び第２の電極に電圧を印加することで光学機能膜を傾斜させることができるため、この光学機能膜に光源からの入射光を入射することで、その傾斜に応じて入射光の入射角が変化し、それに応じて入射光の透過率が変化する。したがって、透過型の光変調素子を簡易な構成で実現することができる。又、光路上の制約を少なくすることができるため、小型化が可能となる。

又、本発明の光変調素子は、前記変形部材が、前記静電気力の発生しない状態で前記平面基板に対して平行な面を有し、前記平行な面は前記静電気力の発生した状態で前記平面基板に対して傾斜する傾斜面を含むものであり、前記光学機能膜が、前記傾斜面に形成されるものである。

又、本発明の光変調素子は、前記光学機能膜が、前記平面基板に対して平行な状態で前記入射光を反射させ、前記平面基板に対して傾斜した状態で前記入射光を透過させるものである。

この構成により、光学機能膜で反射した光が迷光となるのを防ぐことができると共に、光の透過及び反射の制御を精度良く行うことができる。又、光変調素子の作成精度を落とすことも可能となる。

又、本発明の光変調素子は、前記光学機能膜が、前記傾斜面のうち前記第１の電極と重ならない位置に形成されたものである。

又、本発明の光変調素子は、前記変形部材が平面状の部材であり、前記変形部材を前記静電気力の働く方向に回動可能に支持するヒンジ部を備えるものである。

この構成により、平面状の部材である変形部材を静電気力に応じて回動させることができるため、この回動動作により光学機能膜を傾斜自在にすることができる。

又、本発明の光変調素子は、前記変形部材が、前記平面基板の前記第１の電極の上方に架設されたものである。

この構成により、第２の電極を静電気力によって第１の電極側に引き寄せて変形部材を変形させることができるため、この変形により光学機能膜を傾斜自在にすることができる。

又、本発明の光変調素子は、前記第２の電極に対向する第３の電極を前記第２の電極の上方に備えるものである。

この構成により、第１の電極と第２の電極との間に発生する静電気力と、第２の電極と第３の電極との間に発生する静電気力とを利用して変形部材の変形を制御することができるため、光変調を高速に行うことが可能となる。

又、本発明の光変調素子は、前記光学機能膜が、誘電体多層膜を含むものである。

又、本発明の光変調素子は、前記光学機能膜が、コレステリック液晶層を用いたものを含むものである。

この構成により、光学機能膜の製造コストを抑えることができる。又、コレステリック液晶層は入射角依存性が強いため、光学機能膜の傾斜角度を少し変化させるだけで光の透過及び反射を制御することができ、光変調素子の設計自由度を向上させることができる。

本発明の光変調素子アレイは、前記光変調素子を、同一平面上で１次元状又は２次元状に複数配列したものである。

又、本発明の光変調素子アレイは、前記入射光が前記平面基板の下方から入射してくるものであり、前記入射光を平行光化する平行光化手段を備えるものである。

又、本発明の光変調素子アレイは、前記入射光が前記平面基板の下方から入射してくるものであり、前記平面基板の下方に、前記複数の光変調素子の各々に対応するマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを備えるものである。

本発明の画像形成装置は、前記光変調素子アレイと、前記光源と、前記光変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備える。

本発明によれば、光の透過率を制御して光変調を行う小型化が可能な透過型の光変調素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図である。本実施形態の光変調素子は、露光装置、投影装置、及び表示装置等の画像形成装置に用いるものであり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）により製造されるものである。

光変調素子１０は、平面基板１１と、平面基板１１上に設けられる電極１２，１３と、電極１２，１３上に形成される絶縁膜１４と、電極１２，１３の上方に一定の間隔を空けて配置される電極１５と、電極１５の表面に形成される光学機能膜１６と、電極１５を回動自在に支持するヒンジ部１７，１８と、ヒンジ部１７，１８を支持する支持部１９，２０とを備える。

平面基板１１は、図１中の下方から入射してくる光源からの入射光に対して透明な部材で構成され、例えばガラス基板等である。光源からの光は、平面基板１１を透過し、その後、光学機能膜１６に入射する。

絶縁膜１４は、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）等の絶縁性を有する膜である。

支持部１９，２０は、平面基板１１上に立設され、それぞれヒンジ部１７，１８を支持する。

電極１５は、電極１２又は１３と電極１５とに印加される電圧により発生する静電気力により、その静電気力の働く方向にヒンジ部１７，１８を中心に回動することで状態が変化する変形部材であり、電極１２又は１３と電極１５とに電圧が印加されない状態で平面基板１１と平行になる平面状の電極である。電極１５の光学機能膜１６で覆われる領域内には、図１中の点線で示すように、開口ａが形成されており、この開口ａに光源からの光が入射するようになっている。電極１５は、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。

電極１２，１３は、図１の上方から見て光学機能膜１６と重ならない領域に配置され、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。

光学機能膜１６は、例えば、誘電体多層膜である。誘電体多層膜は、高屈折率材料と低屈折率材料を順次積層して構成したものであって、その光学特性としては、入射光をその波長によって選択的に反射する機能を有し、選択反射する波長が入射角の増加に応じて短波長側にシフトする特性を有する。誘電体多層膜によれば、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択が可能な反射膜を形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路を選択することができる。光学機能膜１６は、電極１５の開口ａを覆う位置に形成される。図１では、光学機能膜１６が、電極１５の平面基板１１側の面の反対面に形成されているが、電極１５の平面基板１１側の面の開口ａを覆う位置に形成しても良い。光学機能膜１６は、電極１５の表面に限らず、その内部に形成しても良い。光学機能膜１６は、膜厚や膜間隔等を調整することで任意の入射角依存性をもったものを形成することができる。

図２は、光学機能膜１６である誘電体多層膜の設計値の一例を示した図である。誘電体多層膜は、ＴｉＯ_２（二酸化チタン）とＳｉＯ_２とを交互に重ねた１５層の多層膜であり、ＴｉＯ_２の膜厚は５７．６５ｎｍ、ＳｉＯ_２の膜厚は９４．５ｎｍである。

図３は、図２に示した設計値で形成した誘電体多層膜の入射角依存性を示した図である。
波長が５５０ｎｍの光を誘電体多層膜に入射すると、誘電体多層膜に入射する光の入射角が０度の場合（誘電体多層膜に光が垂直に入射した場合）、図３（ａ）に示すように、５５０ｎｍの波長の光は透過せずに反射する。誘電体多層膜に入射する光の入射角が１３度の場合、図３（ｂ）に示すように５５０ｎｍの波長の光は透過する。誘電体多層膜に入射する光の入射角が１８度の場合、図３（ｃ）に示すように５５０ｎｍの波長の光は入射角が１３度のときよりも多く透過する。このような入射角依存性を誘電体多層膜に持たせておくことで、誘電体多層膜への入射光の入射角を変化させることにより、光の透過及び反射を制御することが可能となる。

以下、光変調素子１０の動作について図面を参照して説明する。以下では、光源からの光の波長が５５０ｎｍとし、光学機能膜１６として誘電体多層膜を使用し、誘電体多層膜を図２に示す設計値に基づいて形成したものとして説明する。
図４（ａ）は、図１の電極１３と電極１５に電圧が印加されていない状態における、図１のＡ−Ａ断面図である。図４（ｂ）は、図１の電極１３と電極１５に電圧が印加されている状態における、図１のＡ−Ａ断面図である。

電極１３と電極１５に電圧が印加されていない状態では、電極１３と電極１５との間に静電気力が発生しないため、図４（ａ）に示すように、電極１５は平面基板１１に対して平行の状態となる。この状態では、光学機能膜１６に入射する光の入射角は０度となるため、図３（ａ）に示したように、光源からの光は透過せずに反射する。

電極１３と電極１５に電圧を印加した状態では、電極１３と電極１５との間に静電気力が発生するため、図４（ｂ）に示すように、電極１５は平面基板１１に対して傾斜した状態となる。この傾斜角θが１８度とすると、この状態では、光学機能膜１６に入射する光の入射角は１８度となるため、図３（ｃ）に示したように、光源からの光は透過する。

このように、光変調素子１０は、電極１３と電極１５に電圧を印加して光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を透過させ、電極１３と電極１５に電圧を印加しないで光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を反射させるといった簡易な動作により光変調を行うことができるため、透過型の光変調素子を簡易な構成で実現することができる。

又、光変調素子１０は、光学機能膜１６に入射する光を透過させるものであるが、光学機能膜１６は光源からの光の波長に対しては光の吸収がほとんどないものであるため、光利用効率の高い光変調が可能となる。又、強い光を用いた場合においても、光の吸収による発熱を小さく抑えることが可能である。

又、光変調素子１０は、光学機能膜１６の入射角依存性を変えるだけで、様々な波長の光を出射する光源に対応することができるという利点を有する。

又、光変調素子１０は、図１の下方から光学機能膜１６に対して光を入射する構成のため、光路上の制約がほとんどなく、小型化が可能となる。

又、光変調素子１０を同一平面状で１次元状又は２次元状に複数配列した光変調素子アレイを用いることで、露光装置、投影装置、及び表示装置等の画像形成装置の小型化を図ることができる。

尚、図１では、光学機能膜１６の下方に電極１２，１３を配置しないようにしているが、電極１２，１３を透明電極にした場合には、光学機能膜１６の下方に電極１２，１３を配置しても良い。又、電極１５を透明電極にした場合には、開口ａを設けなくても良い。又、電極１２，１３，１５を透明電極にした場合には、電極１５上の光学機能膜１６の形成位置に制限はない。

又、上記では、電極１５全体を変形部材としているが、電極１２，１３と対向する位置にのみ電極があれば良く、その他の部分については電極である必要はない。

又、上記では、光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を反射させているが、光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を反射させ、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を透過させるように光学機能膜１６を設計しておいても良い。
光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を反射させる場合には、その反射光が平面基板１１内で反射を繰り返し、迷光となってしまうが、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を反射させる場合には、その反射光が光の入射側にそのまま戻るため、迷光の発生を防ぐことができる。又、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にする場合、光学機能膜１６が不安定な状態に陥りやすいため、この状態で光を透過させようとすると、光の透過制御を正確に行えない可能性が生じる。ところが、光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を透過させる場合は、電極１２又は１３と電極１５とにより光学機能膜１６の傾斜角の制御を精度良く行うことができるため、光の透過制御を正確に行うことが可能となる。

又、上記では、光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を反射させているが、光を透過又は反射させるべき光学機能膜１６の傾斜角は任意に設定可能である。例えば、静電気力が発生しない状態で光学機能膜１６が平面基板１１に対して１０度傾斜しており、静電気力が発生した状態で光学機能膜１６が平面基板１１に対して更に１０度傾斜するような構成でも良い。この場合は、傾斜の度合いによって透過か反射かを光学機能膜１６の特性を変更して決めておけば良い。本実施形態のように、光学機能膜１６を平面基板１１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜１６を平面基板１１に対して平行にして光を反射させる構成の場合は、光変調素子１０の製造精度を上げる必要がないため、製造コストの削減に繋がる。

又、本実施形態の光変調素子１０では、光学機能膜１６として、誘電体多層膜以外に、例えばコレステリック液晶層を用いたものを利用することができる。

図５は、光学機能膜１６として、コレステリック液晶層を用いたものの概略構成の断面図である。
この場合の光学機能膜１６は、ＩＴＯ等からなる一対の透明電極５１と、その内側に形成された配向層５２と、配向層５２に囲まれたコレステリック液晶層５３とからなる。

この構成のコレステリック液晶層５３によるフィルタリング効果を以下に説明する。コレステリック液晶層５３は、コレステリック液晶分子が層に対して平行に配向され、層の垂直方向に対して螺旋構造を呈している。
コレステリック液晶層５３の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、複屈折率をΔｎ、平均屈折率をｎとすると、複屈折率Δｎは（１）式で表せる。

Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ （１）
また、平均屈折率ｎは、近似的に（２）式により表せる。
ｎ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２ （２）

さらに、コレステリック液晶層５３の螺旋ピッチをＰ［nm］とした場合、コレステリック液晶層５３はブラッグ反射の原理で選択的に反射する特性を示す。即ち、入射角θ［deg］でコレステリック液晶層５３に入射した光が選択的に反射された場合の入射光の中心波長λ（θ）［nm］は（３）式で表せる。
λ（θ）＝λ（０）・cos［sin^-1（sinθ／ｎ）］ （３）

ただし、入射光は空気（屈折率＝１）から入射させるものとする。ここで、λ（０）［nm］は入射角がθ₀、即ち、層に対して垂直入射したときの中心波長であり、（４）式で表せる。
λ（０）＝ｎ・Ｐ （４）
また、反射波長幅Δλ［nm］は（５）式で表せる。
Δλ＝Δｎ・Ｐ （５）

従って、コレステリック液晶層５３の物性値である常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、螺旋ピッチＰを制御して層を形成することにより、入射角θに応じて変化する任意の反射中心波長λ（θ）と、所望の反射波長幅Δλを有した光学フィルタを形成できる。例えば、螺旋ピッチＰの調整は、螺旋ピッチの異なる２種以上の材料を混合して調整する等の製法により可能である。
さらに、対象とする入射光の波長域が広い場合は、コレステリック液晶層の選択反射波長域も広げる必要がある。この場合は、螺旋ピッチが厚み方向で連続的に異なるように液晶を配向させることで反射波長域を広げることができる。また、異なる選択反射波長域のコレステリック液晶層を積層することによっても反射波長域を広げることができ、本発明の光学機能膜として使用可能である。

なお、このコレステリック液晶層５３は、次のようにして製造できる。
コレステリック液晶を成膜する支持体上にポリイミド配向膜を塗布、乾燥し、ラビングによる表面処理を行う。これにより、ポリイミド配向膜が形成される。この上に、低分子コレステリック液晶、又はネマチック液晶とねじれを発現させるカイラル剤の混合物、高分子モノマー、光重合開始剤を有機溶剤で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させる。その後、必要な部分に紫外線を露光して光重合させ、現像により不要部分を除去する。最後に高温ベークを行って安定させる。
ねじれ方向及び反射入射角度を制御するためには、コレステリック液晶、カイラル剤、及び各々の濃度を適宜変更すればよい。

また、高分子コレステリック液晶を用いて成膜することも可能である。この場合は、上記同様にポリイミド配向膜の上に高分子コレステリック液晶と光重合開始剤を有機溶媒で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させ、必要な部分に紫外線を露光して光重合させる。反射入射角度は、配向温度を適宜選択することで制御でき、光重合により安定化する。

ここで、この構成の光学機能膜１６による分光透過率を図６に示した。コレステリック液晶層５３は、左ねじれコレステリック液晶層と右ねじれ液晶層を重ねた例で、反射波長域では全偏光成分を反射する。入射角が全反射臨界角度θｃ以下のθ０の場合では分光透過率が入射光の波長域λｉｓ〜λｉｌに対して略０％となって遮光状態となるが、入射角が全反射臨界角θｃより大きい角度で、θ１，θ２，θ３と大きくなるに従って、分光透過率の透過特性が短波長側にシフトするため透過光量が増加する。これにより、入射光の入射角度成分がθ０の光は透過せず、入射角度成分が特定の角度より大きいθ１，θ２，θ３の光がこの順に多く透過するようになる。この特性を利用することで、光の入射角に応じて、光の透過及び反射を制御することができる。

この構成によれば、前述の誘電体多層膜を用いた場合と同様な作用効果が得られると共に、より低コストで光学機能膜１６を実現することができる。又、コレステリック液晶層は、誘電体多層膜よりも入射角依存性が強い。このため、光学機能膜１６としてコレステリック液晶層を用いた場合には、光学機能膜１６の傾斜角を少し変化させるだけで、光の透過及び反射を制御することができる。したがって、光変調素子１０の設計自由度を向上させることができる。

上記コレステリック液晶以外で、ブラッグ反射の機能を有する光学機能膜としては体積ホログラムが有効である。体積ホログラムはフィルム内に形成された格子状の屈折率分布によりブラッグ反射機能を有し、特定の波長を反射する。また、入射角が大きくなると反射波長は短波側にシフトし、光路選択膜として機能する。体積ホログラムは、ホログラム用写真感材、相分離型フォトポリマー、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）、フォトリソグラフィ材料等を感光材料とし、これに多光束干渉露光を行うことにより形成可能である。

尚、光学機能膜１６として図５に示すものを用いる場合は、図１の電極１５の表面に絶縁膜を形成しておき、この絶縁膜の上に光学機能膜１６を形成し、図示しないドライバにより透明電極５１に電圧を印加できるようにしておけば良い。

（製造プロセス）
以下、図１に示した光変調素子１０の製造プロセスについて図面を参照して説明する。
図７は、図１に示した光変調素子１０の製造プロセスを説明するための図である。光変調素子１０は、以下のステップ（ａ）〜（ｉ）で製造される。図７の（ａ）〜（ｉ）は、それぞれステップ（ａ）〜（ｉ）に対応し、各ステップで処理後の状態を示した図となっている。

ステップ（ａ）：ガラス基板１１をアルカリ洗浄し、乾燥させる。
ステップ（ｂ）：乾燥させたガラス基板１１に蒸着やスパッタ等によりアルミニウムを成膜し、フォトリソ処理により電極１２，１３をパターニングし、ウエット又はドライ等のエッチング処理を行って余分なアルミニウムを除去する。
ステップ（ｃ）：ガラス基板１１上にスパッタ又はＣＶＤ等によりＳｉＯ_２を成膜し、絶縁膜１４を形成する。尚、ここでは絶縁膜が形成できれば良いため、ＳｉＯ_２の代わりにＳｉＮ（窒化ケイ素）を用いても良い。
ステップ（ｄ）：絶縁膜１４上に蒸着やスパッタ等によりアルミニウムを成膜し、フォトリソ処理により支持部１９，２０をパターニングし、塩素によるドライエッチング処理を行って余分なアルミニウムを除去する。尚、ここでは支持部１９，２０を導電体としているが、アルミニウムの代わりに金を成膜し、フォトリソ処理により支持部１９，２０をパターニングして金を除去し、支持部１７，１８にニッケルメッキを施しても良い。又、支持部１９，２０は支持部として機能すれば良いため、材料は特に限定されない。
ステップ（ｅ）：絶縁膜１４上にスピンコートによりポリイミドを成膜し、ベークを行って安定させて犠牲層２５を形成する。更に、犠牲層２５の表面を支持部１９，２０の表面までＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）技術により研磨する。
ステップ（ｆ）：犠牲層２５上にスパッタ等によりアルミニウムを成膜し、フォトリソ処理によりヒンジ部１７，１８をパターニングし、塩素によるドライエッチング処理を行って余分なアルミニウムを除去する。
ステップ（ｇ）：ヒンジ部１７，１８上にスパッタ等によりアルミニウムを成膜し、フォトリソ処理により電極１５をパターニングし、塩素によるドライエッチング処理を行って余分なアルミニウムを除去する。尚、電極１５は、アルミニウム以外の導電性を持つ金属でも良い。又、絶縁膜と金属とを積層して電極１５としても良い。又、金属の代わりに透明導電膜を用いても良い。
ステップ（ｈ）：犠牲層２５上にスパッタ等によりＴｉＯ_２とＳｉＯ_２とを順に積層して誘電体多層膜を成膜し、フォトリソ処理により誘電体多層膜をパターニングし、ＣＦ_４（テトラフルオロメタン）によるドライエッチング処理を行って余分な誘電体多層膜を除去する。
ステップ（ｉ）：酸素によるドライエッチング処理を行って犠牲層２５を除去する。

（第二実施形態）
図８は、本発明の第二実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図である。図１と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する。
光変調素子２０は、平面基板１１と、平面基板１１上に設けられる電極１２，１３と、電極１２，１３上に形成される絶縁膜１４と、電極１２，１３の上方に一定の間隔を空けて配置される電極１５と、電極１５の表面に形成される光学機能膜１６と、電極１５を回動自在に支持するヒンジ部１７，１８と、ヒンジ部１７，１８を支持する支持部１９，２０と、電極２１，２２と、電極２１，２２を支持する支持部２３，２４とを備える。

支持部２３，２４は、平面基板１１上に立設され、それぞれ電極２１，２２を支持する。

電極２１，２２は、電極１５の上方に空隙を隔てて電極１５に対向して設けられ、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。電極１５を傾斜させた状態から、電極１３への電圧印加を停止し、電極２２への電圧印加を行うことで、電極１５と電極２２との間の静電気力により電極１５を平面基板１１に対して平行の位置に高速に戻すことができる。

以下、図８の光変調素子２０の動作について説明する。
光源からの光を透過させる場合、電極１３と電極１５に電圧を印加し、電極１３と電極１５との間の静電気力により、光学機能膜１６を傾斜させる。その後、光源からの光を反射させる場合には、電極１３への電圧印加を停止し、電極２２に電圧を印加し、電極１５と電極２２との間の静電気力により、光学機能膜１６を平面基板１１と平行の状態にする。このようにすることで、光の透過と反射とを第一実施形態の光変調素子よりも高速に切り替えることができる。

（第三実施形態）
図９は、本発明の第三実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図である。本実施形態の光変調素子は、露光装置や表示装置等の画像形成装置に用いるものであり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）により製造されるものである。

光変調素子３０は、平面基板３１と、平面基板３１上に設けられる透明電極３２と、透明電極３２の上方に架設された薄膜梁３４及び薄膜梁３４の表面の全面に渡って形成された透明電極３３を有する変形部材３５と、光学機能膜３６とを備える。

平面基板３１は、図９中の下方から入射してくる光源からの入射光に対して透明な部材で構成され、例えばガラス基板等である。光源からの光は、平面基板３１を透過し、その後、薄膜梁３４及び透明電極３３を透過して光学機能膜３６に入射する。

変形部材３５は、透明電極３２と透明電極３３とに印加される電圧により発生する静電気力により、その静電気力の働く方向に撓むことで状態が変化するものである。変形部材３５は、透明電極３２と透明電極３３とに電圧が印加されない状態で、その頂部が平面基板３１と平行になっている。変形部材３５の頂部は、透明電極３２と透明電極３３に電圧が印加された状態で、平面基板１１に対して傾斜する傾斜面（図９の斜線で示した面）を有する。変形部材３５の頂部の長さＬは、傾斜面が確保できる程度の長さであれば良い。

光学機能膜３６は、例えば、誘電体多層膜である。誘電体多層膜は、高屈折率材料と低屈折率材料とを順次積層して構成したものであって、その光学特性としては、入射光をその波長によって選択的に反射する機能を有し、選択反射する波長が入射角に応じて短波長側にシフトする特性を有する。誘電体光学機能膜によれば、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択が可能な反射膜を形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路を選択することができる。光学機能膜３６は、変形部材３５の頂部の傾斜面に形成される。図９において、光学機能膜３６は、透明電極３３上に形成されている。光学機能膜３６は、第一実施形態で説明した光学機能膜１６と同じ入射角依存性を持つものとする。

透明電極３３は、薄膜梁３４の透明電極３２と対向する面又はその裏面に透明導電膜を形成したものである。透明電極３３は、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。

透明電極３２は、平面基板３１上に透明導電膜を形成したものであり、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。

以下、光変調素子３０の動作について図９及び図１０を参照して説明する。
図１０は、図９の光変調素子の透明電極３２と透明電極３３に電圧が印加された状態を示す図である。
透明電極３２と透明電極３３に電圧が印加されていない状態では、透明電極３２と透明電極３３との間に静電気力が発生しないため、図９に示すように、変形部材３５の頂部は平面基板３１に対して平行の状態となり、これに伴い光学機能膜３６も平面基板３１に対して平行の状態となる。この状態では、光学機能膜３６に入射する光の入射角は０度となるため、図３（ａ）に示したように、光源からの光は透過せずに反射する。

透明電極３２と透明電極３３に電圧を印加した状態では、透明電極３２と透明電極３３との間に静電気力が発生するため、図１０に示すように、変形部材３５の頂部の傾斜面は平面基板３１に対して傾斜した状態となり、これに伴い光学機能膜３６も平面基板３１に対して傾斜した状態となる。この傾斜角が１８度とすると、この状態では、光学機能膜３６に入射する光の入射角は１８度となるため、図３（ｃ）に示したように、光源からの光は透過する。

このように、光変調素子３０は、透明電極３２と透明電極３３に電圧を印加して光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を透過させ、透明電極３２と透明電極３３に電圧を印加しないで光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を反射させるといった簡易な動作により光変調を行うことができるため、透過型の光変調素子を簡易な構成で実現することができる。

又、光変調素子３０は、光学機能膜３６に入射する光を透過させるものであるが、光学機能膜３６は光源からの光の波長に対しては光の吸収がほとんどないものであるため、光利用効率の高い光変調が可能となる。

又、光変調素子３０は、光学機能膜３６の入射角依存性を変えるだけで、様々な波長の光を出射する光源に対応することができるという利点を有する。

又、光変調素子３０は、図９及び図１０の下方から光学機能膜３６に対して光を入射する構成のため、光路上の制約がほとんどなく、小型化が可能となる。

又、光変調素子３０を同一平面状で１次元状又は２次元状に複数配列した光変調素子アレイを用いることで、露光装置、投影装置、及び表示装置等の画像形成装置の小型化を図ることができる。

尚、光学機能膜３６で覆われる部分の透明電極３３と薄膜梁３４とに開口を設け、図９の上方から見て光学機能膜３６と重ならないように透明電極３２を配置すれば、透明電極３２と透明電極３３とは透明である必要はない。

又、上記では、薄膜梁３４の全面に渡って透明電極３３を形成しているが、変形部材３５を撓ませることができれば充分であるため、透明電極３３は、図９の上方からみて薄膜梁３４の透明電極３２とが交差する部分にのみ設けてあれば良い。この場合、光学機能膜３６は、薄膜梁３４上に形成する。

又、上記では、光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を反射させているが、光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を反射させ、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を透過させるように光学機能膜３６を設計しておいても良い。
光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を反射させる場合には、その反射光が平面基板３１内で反射を繰り返し、迷光となってしまうが、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を反射させる場合には、その反射光が光の入射側にそのまま戻るため、迷光の発生を防ぐことができる。又、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にする場合、光学機能膜３６が不安定な状態に陥りやすいため、この状態で光を透過させようとすると、光の透過制御を正確に行えない可能性が生じる。ところが、光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を透過させる場合は、光学機能膜３６の傾斜角の制御を透明電極３２と透明電極３３とにより精度良く行うことができるため、光の透過制御を正確に行うことが可能となる。

又、上記では、光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を反射させているが、光を透過又は反射させるべき光学機能膜３６の傾斜角は任意に設定可能である。例えば、静電気力が発生しない状態で光学機能膜３６が平面基板３１に対して１０度傾斜しており、静電気力が発生した状態で光学機能膜３６が平面基板３１に対して更に１０度傾斜するようにしても良い。この場合は、傾斜の度合いによって透過か反射かを光学機能膜３６の特性を変更して決めておけば良い。
本実施形態のように、光学機能膜３６を平面基板３１に対して傾斜させて光を透過させ、光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行にして光を反射させる構成の場合は、光変調素子３０の製造精度を上げる必要がないため、製造コストの削減に繋がる。

又、光学機能膜３６としては、誘電体多層膜以外に、図５に示したものを用いることができる。

光学機能膜３６としては、上記コレステリック液晶以外に体積ホログラムを用いても良い。体積ホログラムは、フィルム内に形成された格子状の屈折率分布によりブラッグ反射機能を有し、特定の波長を反射する。また、入射角が大きくなると反射波長は短波側にシフトし、光路選択膜として機能する。体積ホログラムは、ホログラム用写真感材、相分離型フォトポリマー、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）、フォトリソグラフィ材料等を感光材料とし、これに多光束干渉露光を行うことにより形成可能である。

（第四実施形態）
図１１は、本発明の第四実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図である。図９と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する。
光変調素子４０は、平面基板３１と、平面基板３１上に設けられる透明電極３２と、透明電極３２の上方に架設された薄膜梁３４及び薄膜梁３４の表面に形成された透明電極３３を有する変形部材３５と、光学機能膜３６と、電極３７と、電極３７を支持する支持部３８とを備える。

支持部３８は、平面基板３１上に立設され、電極３７を支持する。

電極３７は、透明電極３３の上方に空隙を隔てて透明電極３３に対向して設けられ、図示しないドライバにより電圧が印加されるようになっている。光学機能膜３６を傾斜させた状態から、透明電極３２への電圧印加を停止し、電極３７への電圧印加を行うことで、透明電極３３と電極３７との間の静電気力により光学機能膜３６を平面基板３１に対して平行の位置に高速に戻すことができる。

以下、図１１の光変調素子４０の動作について説明する。
光源からの光を透過させる場合、透明電極３２と透明電極３３に電圧を印加し、透明電極３２と透明電極３３との間の静電気力により、光学機能膜３６を傾斜させる。その後、光源からの光を反射させる場合には、透明電極３２への電圧印加を停止し、電極３７に電圧を印加し、透明電極３３と電極３７との間の静電気力により、光学機能膜３６を平面基板３１と平行の状態にする。このようにすることで、光の透過と反射とを第三実施形態の光変調素子よりも高速に切り替えることができる。

（第五実施形態）
図１２は、本発明の第五実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図である。図１１と同様の構成には同一符号を付して説明を省略する。
図１２の光変調素子５０は、図１１に示した光変調素子４０の変形部材３５の脚部の一方を平面基板３１に立設される支持部４１で置き換え、光学機能膜３６の形成される傾斜面の部分を、有機膜等の柔らかいクッション膜４２に置き換えたものである。このように、光学機能膜３６の形成される傾斜面の部分をクッション膜４２にすることにより、透明電極３２と透明電極３３に電圧を印加した場合に、変形部材３５を撓みやすくすることができる。

（第六実施形態）
本実施形態では、第一〜第五実施形態で説明した光変調素子を、同一平面状で２次元状に複数配列した光変調素子アレイを用いた画像形成装置について説明する。以下では、画像形成装置の例として露光装置について説明する。

図１３は、本発明の第六実施形態を説明するための露光装置の概略構成を示す図である。
露光装置６０は、照明光源６１と、照明光学系６２と、第一〜第五実施形態のいずれかで説明した光変調素子を同一平面状で２次元状に複数配列した光変調素子アレイ６３と、投影光学系６４とを備える。

照明光源６１は、レーザ、高圧水銀ランプ、及びショートアークランプ等の光源である。

照明光学系６２は、例えば、照明光源６１から出射された面状の光を平行光化するコリメートレンズである。コリメートレンズを透過した平行光は光変調素子アレイ６３の各光変調素子の光学機能膜に垂直に入射する。
照明光源６１から出射された面状の光を平行光化する手段としては、コリメートレンズ以外にも、マイクロレンズを２つ直列に配置する方法等がある。又、照明光源６１としてショートアークランプ等の発光点が小さいものを使用することで、照明光源６１を点光源とみなし、光変調素子アレイ６３に平行光を入射するようにしても良い。又、照明光源６１として光変調素子アレイ６３の各光変調素子に対応するＬＥＤを有するＬＥＤアレイを使用し、ＬＥＤアレイと光変調素子アレイ６３とを近接させて光を発光させることで、光変調素子アレイ６３の各光変調素子に平行光を入射するようにしても良い。又、照明光源６１としてレーザを用いた場合には、照明光学系６２は省略しても良い。

投影光学系６４は、画像形成面である感材６５に対して光を投影するためのものであり、例えば、光変調素子アレイ６３の各光変調素子に対応したマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ等である。

以下、露光装置６０の動作を説明する。
照明光源６１から出射された面状の光が照明光学系６２に入射し、ここで平行光された光が光変調素子アレイ６３に入射する。光変調素子アレイ６３の各光変調素子の光学機能膜に入射される光は、画像信号に応じてその透過率が制御される。光変調素子アレイ６３から出射された光は、投影光学系６４により感材６５の画像形成面に投影露光される。投影光は感材６５に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で露光することができる。

このように、コリメートレンズを光変調素子アレイ６３の光の入射面側に設けることで、各光変調素子の平面基板に入射する光を平行光化することができる。本実施形態の光変調素子は、光学機能膜が平面基板に対して平行になっているときに光を反射させ、光学機能膜が平面基板に対して傾斜しているときに光を透過させるものである。このため、入射光を平行光化して、平面基板に対して常に垂直に入射するようにすることで、高精度の光変調が可能となる。

尚、光変調素子アレイ６３として、第一〜第五実施形態のいずれかで説明した光変調素子を同一平面上に１次元状に複数配列したものを用いても良い。

（第七実施形態）
本実施形態を説明するための露光装置は、図１３に示した露光装置６０の照明光学系６２としてコリメートレンズではなく、マイクロレンズアレイを用いたものである。このマイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、光変調素子アレイ６３の各光変調素子に対応し、マイクロレンズの光軸と焦点面が光変調素子の光学機能膜の中心に合うように設計、調整される。

照明光源６１からの入射光は、マイクロレンズアレイにより、光変調素子の光学機能膜よりも面積が小さい領域に集光され、光変調素子アレイ６３に入射する。光変調素子アレイ６３の各光変調素子の光学機能膜に入射される光は、画像信号に応じてその透過率が制御される。光変調素子アレイ６３から出射された光は、投影光学系６４により感材６５の画像形成面に投影露光される。投影光は感材６５に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で露光することができる。

このように、マイクロレンズアレイによって照明光源６１からの光を集光することができるため、光利用効率を向上させた露光装置を実現することができる。

尚、マイクロレンズのレンズ面形状は、球面、半球面など、特に形状は限定されず、凸曲面であっても凹曲面であってもよい。さらに、屈折率分布を有する平坦形状なマイクロレンズアレイであってもよく、フレネルレンズやバイナリーオプティクスなどによる回折型レンズがアレイされたものであってもよい。

マイクロレンズの材質としては、例えば、透明なガラスや樹脂である。量産性の観点では樹脂が優れており、寿命、信頼性の観点からはガラスが優れている。光学的な観点上、ガラスとしては石英ガラス、溶融シリカ、無アルカリガラス等が好ましく、樹脂としてはアクリル系、エポキシ系、ポリエステル系、ポリカーボネイト系、スチレン系、塩化ビニル系等が好ましい。なお、樹脂としては、光硬化型、熱可塑型などがあり、マイクロレンズの製法に応じて適宜選択することが好ましい。

マイクロレンズの製法としては、金型によるキャスト成形法、プレス成形法、射出成形法、印刷法、フォトリソグラフィ法などが実用的である。特に、微細で高精度に形成でき、しかも生産性が良い製法としては、樹脂系の材質でマイクロレンズアレイを形成する場合には光（紫外線など）硬化性樹脂による金型成形法や、ポジ型又はネガ型のレジスト材によるフォトリソグラフィ法が好ましく、ガラス系のマイクロレンズアレイを形成する場合にはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によるレジスト転写法、等方性エッチング法、又は、イオン交換法が好ましい。

金型成形法でマイクロレンズアレイを形成する場合、例えば、熱可塑樹脂をマイクロレンズ形状の金型で加熱プレスする。より微細な成形を行うには、光硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を金型に充填して押圧し、その後、光又は熱によって樹脂を硬化させ、金型から樹脂を剥離させることが好適であり、これにより、微細な成形が可能になる。特に、微細で高い精度が要求される場合には、熱による膨張、収縮が少ない光硬化性樹脂を用いることが好ましい。

樹脂からなるマイクロレンズアレイをフォトリソグラフィ法で形成する場合、例えば、透明なフォトレジストに代表される光溶解樹脂又は光硬化性樹脂にパターンニングされた遮光マスクを適宜介して紫外線（又は可視光線）で露光し、それぞれ露光部又は未露光部の溶解現像を行うことにより形成される。これにより、樹脂材料と露光量分布とにより所望の形状のマイクロレンズを得ることが可能である。また、樹脂材料によっては、現像後に高温ベーク処理或いはベーク処理を行い、熱軟化時の表面張力により所望の形状のマイクロレンズアレイを得ることが可能である（リフロー法）。

ガラスからなるマイクロレンズアレイをフォトリソグラフィ法で形成する場合、例えば、光変調素子を構成し上記光源からの入射光が透過可能な透明基板をエッチング加工することにより形成する。エッチング加工する際、マイクロレンズアレイに相当する形状に塗布膜を塗布しておくと、所望の形状に加工し易い。

（第八実施形態）
本実施形態では、第一〜第五実施形態で説明した光変調素子を、同一平面状で２次元状に複数配列した光変調素子アレイを用いた画像形成装置について説明する。以下では、画像形成装置の例として、投影装置について説明する。

図１４は、本発明の第八実施形態を説明するための投影装置の概略構成を示す図である。図１３と同様の構成には同一符号を付す。
プロジェクタ８０は、照明光源６１と、照明光学系６２と、光変調素子アレイ６３と、投影光学系７４とを備える。

投影光学系７４は、画像形成面であるスクリーン７５に対して光を投影するための投影装置用の光学系である。

照明光学系６２は、第六実施形態で説明したコリメータレンズであっても良いし、第七実施形態で説明したマイクロレンズアレイであっても良い。

以下、投影装置８０の動作を説明する。
照明光源６１からの入射光は、例えばマイクロレンズアレイにより、光変調素子の光学機能膜よりも面積が小さい領域に集光され、光変調素子アレイ６３に入射する。光変調素子アレイ６３の各光変調素子の光学機能膜に入射される光は、画像信号に応じてその透過率が制御される。光変調素子アレイ６３から出射された光は、投影光学系７４によりスクリーン７５の画像形成面に投影露光される。

このように、光変調素子アレイ６３は、投影装置にも利用することができる。

第六〜第八実施形態では、画像形成装置として露光装置とプロジェクタを挙げたが、光変調素子アレイは、表示装置にも適用可能である。

本発明の第一実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図 本発明の第一実施形態を説明するための光変調素子の光学機能膜である誘電体多層膜の設計値の一例を示した図 図２に示した設計値で形成した誘電体多層膜の入射角依存性を示した図 （ａ）は図１の電極に電圧が印加されていない状態におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１の電極に電圧が印加されている状態におけるＡ−Ａ断面図 光学機能膜としてコレステリック液晶層を用いたものの概略構成を示す図 図５に示す光学機能膜の入射角依存性を示す図 図１に示した光変調素子１０の製造プロセスを説明するための図 本発明の第二実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図 本発明の第三実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図 図７の光変調素子の透明電極に電圧が印加された状態を示す図 本発明の第四実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図 本発明の第五実施形態を説明するための光変調素子の概略構成を示す斜視図 本発明の第六実施形態を説明するための露光装置の概略構成を示す図 本発明の第八実施形態を説明するための投影装置の概略構成を示す図

符号の説明

１０ 光変調素子
１１ 平面基板
１２，１３，１５ 電極
１４ 絶縁膜
１６ 光学機能膜
１７，１８，１９，２０ ヒンジ部
２１，２２ 支持部

Claims (13)

1. 光源から入射される入射光の透過率を変化させて光変調を行う光変調素子であって、
   前記入射光に対して透明な平面基板と、
   前記平面基板上に設けられる第１の電極と、
   前記第１の電極の上方に間隔を空けて配置される第２の電極を含み、前記第１の電極及び第２の電極に印加される印加電圧により発生する静電気力に応じて変形する、前記平面基板上方に設けられる変形部材と、
   前記変形部材に形成される光学機能膜とを備え、
   前記光学機能膜は、前記光学機能膜への前記入射光の入射角に応じて当該入射光の透過率が変化する入射角依存性を有し、前記静電気力に応じて前記平面基板に対して傾斜自在なものである光変調素子。
2. 請求項１記載の光変調素子であって、
   前記変形部材は、前記静電気力の発生しない状態で前記平面基板に対して平行な面を有し、前記平行な面は前記静電気力の発生した状態で前記平面基板に対して傾斜する傾斜面を含むものであり、
   前記光学機能膜は、前記傾斜面に形成されるものである光変調素子。
3. 請求項２記載の光変調素子であって、
   前記光学機能膜は、前記平面基板に対して平行な状態で前記入射光を反射させ、前記平面基板に対して傾斜した状態で前記入射光を透過させるものである光変調素子。
4. 請求項２又は３記載の光変調素子であって、
   前記光学機能膜は、前記傾斜面のうち前記第１の電極と重ならない位置に形成されたものである光変調素子。
5. 請求項２〜４のいずれか記載の光変調素子であって、
   前記変形部材は平面状の部材であり、
   前記変形部材を前記静電気力の働く方向に回動可能に支持するヒンジ部を備える光変調素子。
6. 請求項２〜４のいずれか記載の光変調素子であって、
   前記変形部材は、前記平面基板の前記第１の電極の上方に架設されたものである光変調素子。
7. 請求項１〜６のいずれか記載の光変調素子であって、
   前記第２の電極に対向する第３の電極を前記第２の電極の上方に備える光変調素子。
8. 請求項１〜７のいずれか記載の光変調素子であって、
   前記光学機能膜は、誘電体多層膜を含むものである光変調素子。
9. 請求項１〜７のいずれか記載の光変調素子であって、
   前記光学機能膜は、コレステリック液晶層を用いたものを含むものである光変調素子。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の光変調素子を、同一平面上で１次元状又は２次元状に複数配列した光変調素子アレイ。
11. 請求項１０記載の光変調素子アレイであって、
    前記入射光は前記平面基板の下方から入射してくるものであり、
    前記入射光を平行光化する平行光化手段を備える光変調素子アレイ。
12. 請求項１０記載の光変調素子アレイであって、
    前記入射光は前記平面基板の下方から入射してくるものであり、
    前記平面基板の下方に、前記複数の光変調素子の各々に対応するマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを備える光変調素子アレイ。
13. 請求項１０〜１２のいずれか記載の光変調素子アレイと、
    前記光源と、
    前記光変調素子アレイから出射される光を画像形成面に投影する投影光学系とを備える画像形成装置。

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