JP4243201B2 - 光変調素子及び光変調素子アレイ、並びに画像形成装置及び平面表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、支持基板上の電極層と該支持基板に対向配置された可動薄膜の電極層との間に所定の電圧を印加して前記可動薄膜を可撓変位させることで光変調を行う光変調素子及び光変調素子アレイ、並びに画像形成装置及び平面表示装置に関する。

図１５及び図１６は、成膜、フォトリソ、犠牲層（空隙を形成するために後に除去する層）エッチング等のマイクロマシンプロセスにより作製され、電気機械動作により光の透過率を変化させる光変調素子の従来例を示したものである。
この光変調素子１は、導光板３上に透光性を有する電極層４を積層形成した支持基板６の上に、上記マイクロマシンプロセスにより作製された可動薄膜９を所定の離間間隔で対向配置しておいて、支持基板６と可動薄膜９との間に作用する静電気力によって前記可動薄膜９を可撓変位させることで、光変調を行う。
具体的には、可動薄膜９は、電極層１１と弾性体層１２との積層構造で、規定の透光性を有している。この可動薄膜９は、支持基板６との間に介在する支柱１４によって、支持基板６との間の離間距離が設定されている。

可動薄膜９は、支柱１４によって支持基板６との間に確保された隙間１６のために、支持基板６に向かって撓み変形可能で、図１５に示すように、支持基板６上の電極層４と記可動薄膜９上の電極層１１との間に非駆動電圧が印加された（例えば、非印加電圧Ｖ＝０）状態では、両電極層４，１１間には静電気力による吸引力が作用せず、可動薄膜９は平坦な初期状態を保っている。
このように可動薄膜９と支持基板６との間に所定の隙間１６が保持された状態では、導光板３への入射光１８は、電極層４の表面で全反射されて、可動薄膜９側には出射されない光学的特性を示す。

しかし、図１６に示すように、両電極層４，１１間に所定の駆動電圧Ｖａを印加すると、両電極層４，１１間に静電気力による吸引力が作用し、この静電気力で前記可動薄膜９が支持基板６側に所定量の撓みを生じて、弾性体層１２が電極層４に接触した状態になる。この状態になると、可動薄膜９の密着界面が入射光１８の全反射条件を満足しなくなり、前記導光板３への入射光１８が電極層１１及び弾性体層１２を透過して、可動薄膜９の光路前方側に出射される光学的特性を示す。

従来のこの種の光変調素子では、図１６に示した状態から、両電極層４，１１に印加している駆動電圧を解除すると、弾性体層１２の弾性復元力で、可動薄膜９の撓み変位が図１５に示す初期状態に復帰し、入射光１８は可動薄膜９を透過不能になる（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開平１１−２５８５５８号 特開２０００−２１４８０４

ところで、上記の光変調素子は、用途が広く、作動電圧の低電圧化や、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化に対する要求が、年々、高まっている。
しかし、前述のように可動薄膜９の初期状態への復帰を、可動薄膜９を構成している弾性体層１２の弾性復元力に頼る従来の光変調素子では、このような作動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを同時に実現することができないという問題があった。

例えば、弾性体層１２の弾性復元力を弱く設定しておくと、小さな静電気力でも弾性体層１２が撓み易くなり、両電極層４，１１への印加電圧を低電圧にしても、光変調素子の高速作動が可能になる。その反面、弾性復元力が弱いと、印加電圧を解除したときの復帰動作が緩慢になり、高速復帰ができないという不都合が生じる。

高速復帰だけを実現するなら、弾性体層１２の弾性復元力を強く設定しておけば良いが、弾性体層１２の弾性復元力を強く設定しておくと、弾性体層１２を支持基板６側に撓み変形させる際に大きな静電気力が必要になり、結局、駆動電圧値の低電圧化を犠牲にしなければならなくなる。

そこで、本発明の目的は上記課題を解消することにあり、作動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを両立することのできる光変調素子及び光変調素子アレイ、並びに画像形成装置及び平面表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の光変調素子は、電極層を有する支持基板と、少なくとも電極層を有すると共に前記支持基板に向かって撓み変形可能に前記支持基板上に所定の離間間隔で対向配置される可動薄膜とを備え、前記支持基板の電極層と前記可動薄膜の電極層との間に所定の駆動電圧を印加して、両電極層間に作用する静電気力により前記可動薄膜を前記支持基板側に撓ませることで入射光に対する素子の光学特性を変化させ、入射光に対する光変調を行う光変調素子であって、前記可動薄膜の前記支持基板側とは反対側に、駆動電圧の印加によって前記可動薄膜を吸引する静電気力を作用させる復帰用電極を設けるとともに、前記可動薄膜と前記復帰用電極との間に、撓んでいない非駆動状態にあるときの前記可動薄膜と前記復帰用電極との間の隙間を埋めるスペーサを設け、前記可動薄膜の前記復帰用電極側への撓み変形を阻止したことを特徴とする。

このように構成された光変調素子においては、支持基板及び可動薄膜の各電極層への電圧印加によって光変調素子をＯＮの状態にしてから、電圧印加を解除して光変調素子をＯＦＦに切り換える際、可動薄膜と復帰用電極との間に駆動電圧を印加することによって、支持基板側に撓んだ可動薄膜が、弾性復帰力に加えて支持基板側とは反対側へ作用する静電吸引力によって強制的に戻される。従って、低電圧駆動のため予め可動薄膜の弾性復元力を弱く設定した場合に、光変調素子のＯＮ状態からＯＦＦ状態への変化の際に可動薄膜の復帰速度を、弾性復元力が弱くても高速化でき、駆動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを両立して実現することができる。

また、この光変調素子においては、光変調素子をＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させる際に、可動薄膜が復帰用電極が作用させる静電気力によって復帰用電極側に過分に撓み変位することを、スペーサによって防止することができる。

請求項２記載の光変調素子アレイは、請求項１記載の光変調素子を、１次元又は２次元状に複数配列したことを特徴とする。

この構成の光変調素子アレイによれば、１次元又は２次元状に光変調素子を複数配列することで、１次元又は２次元の光変調が可能となる。

請求項３記載の画像形成装置は、光源と、請求項２記載の光変調素子アレイと、前記光源からの光を前記光変調素子アレイに照射する照明光学系と、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たことを特徴とする。

この構成の画像形成装置によれば、光源からの光が照明光学系により光変調素子に照射され、光変調素子アレイによって変調された光が投影光学系によって画像形成面に投影される。

請求項４記載の平面表示装置は、紫外線を出射する光源と、請求項２記載の光変調素子アレイと、前記光源からの光を前記光変調素子アレイに照射する照明光学系と、前記光変調素子アレイから出射される光に励起されて発光する蛍光体とを備えたことを特徴とする。

この構成の平面表示装置によれば、光源からの紫外光が光変調素子アレイに照射され、光変調素子アレイから変調動作により出射された紫外光が蛍光体に照射され、蛍光体は励起して表示光を発光する。

本発明に係る光変調素子及び光変調素子アレイ、並びに画像形成装置及び平面表示装置によれば、支持基板及び可動薄膜の各電極層への電圧印加によって光変調素子をＯＮの状態にした後、電圧印加を解除して光変調素子をＯＦＦに切り換える際、可動薄膜と復帰用電極との間に駆動電圧を印加することによって、支持基板側に撓んだ可動薄膜を、弾性復帰力に加えて支持基板側とは反対側へ作用する静電吸引力によって強制的に戻すことができる。従って、低電圧駆動のため予め可動薄膜の弾性復元力を弱く設定した場合に、光変調素子のＯＮ状態からＯＦＦ状態への変化の際に可動薄膜の復帰速度を、弾性復元力が弱くても高速化することができ、駆動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを両立させることができる。

以下、本発明に係る光変調素子及び光変調素子アレイ、並びに画像形成装置及び平面表示装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図３はいずれも本発明に係る光変調素子の構成を示しており、図１は光変調素子がＯＦＦの状態、図２は光変調素子がＯＮの状態、図３は光変調素子がＯＮの状態からＯＦＦの状態になったときの様子を示す断面図である。

本実施形態の光変調素子１００は、図１に示すように、導光板３上に透光性を有する電極層４を積層形成した支持基板６と、電極層１１と弾性体層１２との積層構造で透光性を有すると共に前記支持基板６に向かって撓み変形可能に前記支持基板６上に支柱１４を介して所定の離間間隔で対向配置される可動薄膜９と、可動薄膜９上に所定の離間間隔で対向配置され電圧印加によって発生する静電気力で可動薄膜９の支持基板６側への撓み変位を復帰させる透光性の復帰用電極２３と、可動薄膜９上に復帰用電極２３を固定支持する支柱２５とを備えた構成である。ここで、透光性とは、少なくとも変調する光に対して透明であることをいう。

本実施の形態の光変調素子１００において、支持基板６、支柱１４、可動薄膜９は、図１５に示した従来構成のものと共通である。従って、図２に示すように、支持基板６上の電極層４と可動薄膜９上の電極層１１との間に所定の駆動電圧Ｖａを印加すると、両電極間に作用する静電気力で可動薄膜９が支持基板６側に所定量の撓みを生じて、それに伴う光学的特性の変化によって、導光板３に入射した光が可動薄膜９を透過可能になる。

本実施の形態の光変調素子１００が、従来の光変調素子１と異なる点は、復帰用電極２３とを設けてある点で、以下、これらの復帰用電極２３について詳述する。

復帰用電極２３は、透光性を有する支持板３１上に透光性を有して積層配置したもので、図３に示すように、前記復帰用電極２３と可動薄膜９の電極層１１との間に所定の駆動電圧Ｖｂを印加すると、可動薄膜９に支持基板６側への撓み変位を強制的に復帰させる静電気力を作用するようになっている。
この復帰用電極２３は、支持基板６及び可動薄膜９の両電極層４，１１間に所定の駆動電圧Ｖａが印加されて、光変調素子がＯＮの状態となっているときに、支持基板６側から可動薄膜９を透過した光を、図２に示すように、そのまま外部に透過させる。

電極層４，１１、及び復帰用電極２３としては、電子密度の高いＩＴＯ等の金属酸化物、非常に薄い金属薄膜（アルミ等）、金属微粒子を透明絶縁体に分散した薄膜、又は高濃度ドープしたワイドハンドギャップ半導体等を好適に用いることができる。

以上説明した本実施の形態の光変調素子１００では、支持基板６及び可動薄膜９のそれぞれの電極層４，１１間への電圧Ｖａの印加によって光変調素子がＯＮの状態から、電圧印加を解除して，光変調素子をＯＦＦ状態に切り換えたときの可動薄膜９の復帰動作は、可動薄膜９の弾性復帰力に加えて復帰用電極２３が可動薄膜９に作用させる静電気力によって加速される。
従って、低電圧駆動のために、予め弾性体層１２の弾性復元力を弱く設定した場合であっても、光変調素子のＯＦＦ状態への可動薄膜９の復帰速度は復帰用電極２３によって高速化でき、駆動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを両立させることができる。

また、可動薄膜９の電極層１１と弾性体層１２は、素子がＯＦＦ状態である非駆動状態における内部応力は、極力小さく抑えることが好ましく（例えば２０ＭＰａ以下）、また、圧縮応力状態よりは引張応力状態にすることが好ましい。圧縮応力状態においては、可動薄膜９が円弧状に撓んでしまい、素子の駆動力が増加するためにエネルギーロスが大きくなり、光変調駆動速度も低下する。内部応力が大きくなると、可動薄膜９は支持基板６側に撓むばかりか、その撓み方向に直交する方向にも撓み、素子の変形が大きくなって、低電圧駆動と高速駆動が一層困難となる。そのため、可動薄膜９の引張応力は小さくあるいは無応力状態にすることで、低電圧駆動と高速駆動に有利な構成にできる。

次に、本発明に係る光変調素子の第２の実施形態を説明する。
図４は本実施形態の光変調素子の構成を示す断面図である。
本実施形態の光変調素子２００は、可動薄膜９と復帰用電極２３との間の隙間に透光性のスペーサ２７が充填されている。

この透光性のスペーサ２７は、光変調素子２００の非駆動状態における支柱２５による可動薄膜９と復帰用電極２３との間の隙間を埋めるように設けてあり、光変調素子のＯＦＦ時に、可動薄膜９が復帰用電極２３側に復帰する際に、復帰用電極２３側への余分な撓み変形を阻止する。
このスペーサ２７は、所定の絶縁性能を有したもので、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化物、セラミック、樹脂等を用いることができる。

上記構成の本実施の形態の光変調素子２００によれば、光変調素子のＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変更したときに、可動薄膜９の復帰動作を復帰用電極２３が作用させる静電気力で加速させた場合に、可動薄膜９が逆に復帰用電極２３側に過分に撓み変位することを、スペーサ２７によって防止することができる。また、可動薄膜９の復帰動作時に、可動薄膜９が初期位置にある時にスペーサ２７の表面が可動薄膜９の表面に接触するように、スペーサ２７の配置位置を設定すると同時に、スペーサ２７に適度の緩衝性能を付与しておくことで、復帰後の可動薄膜９に振動が残ることを防止し、復帰した可動薄膜９を速やかに停止させることができ、高速動作時の可動薄膜９の挙動を安定させることができる。

次に、本発明に係る光変調素子の第３の実施形態を説明する。
図５〜図７は本実施形態の光変調素子の構成を示しており、図５は光変調素子がＯＦＦの状態、図６は光変調素子がＯＮの状態、図７は光変調素子がＯＮの状態からＯＦＦの状態になったときの様子を示す説明図である
る。

本実施形態の光変調素子３００は、図５〜図７に示すように、透明基板２上に透光性を有する電極層４を積層形成した支持基板６と、電極層１１と弾性体層１２との積層構造で透光性を有すると共に支持基板６側に向かって撓み変形可能に支持基板６上に支柱１４を介して所定の離間間隔で対向配置される可動薄膜９と、可動薄膜９の支持基板６側とは反対側に所定の離間間隔で対向配置されて駆動電圧Ｖｂの印加によって発生する静電気力で可動薄膜９の支持基板６側への撓み変位を復帰させる透光性の復帰用電極２３と、可動薄膜９上に復帰用電極２３を固定支持する支柱２５とを備えており、基本的な構成は、前述した第１、第２実施形態のものと略同様である。また、可動薄膜９と復帰用電極２３との間の隙間に前述の透光性のスペーサを充填した構成としてもよい。

また、対向する両電極層４，１１の相対向する側の表面には、それぞれ多層反射膜である誘電体多層膜ミラー４３，４５が設けられ、ファブリペロー光変調原理で入射光を光変調する。このような光変調を行う多層反射膜としては、誘電体多層反射膜、又は誘電体多層反射膜に金属ハーフミラーを備えたもの等が挙げられる。誘電体多層膜ミラー４３，４５は、屈折率の異なる材料を交互に重ねた多層膜からなり、その材料としては、変調する光に応じて、次のものが使用可能である。

（１）可視光又は赤外線透過用
高い屈折率材料（屈折率が概ね１.８以上の材料）としては、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５が使用可能である。
比較的高い屈折率材料（屈折率が概ね１.６〜１.８以上の材料）としては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＦ_３、ＬａＦ_３、ＮｄＦ_３が使用可能である。
低い屈折率材料（屈折率が概ね１.５以下の材料）としては、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２が使用可能である。

（２）紫外線透過用
高い屈折率材料（屈折率が概ね１.８以上の材料）としては、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３又はＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２（但し、光の波長が概ね３６０〜４００ｎｍ）が使用可能である。
比較的高い屈折率材料（屈折率が概ね１.６〜１.８以上の材料）としては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＬａＦ_３、ＮｄＦ_３が使用可能である。
低い屈折率材料（屈折率が概ね１.５以下の材料）としては、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２が使用可能である。

即ち、この光変調素子３００においては、図５に示すように、対向する支持基板６と可動薄膜９の各電極層４，１１への電圧印加が解除されているとき（即ち駆動電圧Ｖ＝０のとき）は、対向している誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法ｔ_OFFが、入射光の波長に対応した既定値となって、透明基板２に垂直に進入する光４８を反射する。即ち、光変調素子がＯＦＦの状態に維持される。

そして、図６に示すように、対向する支持基板６と可動薄膜９の各電極層４，１１へ規定の駆動電圧Ｖａが印加されると、対向している誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法ｔ_ONが、入射光の波長に対応した既定値となって、透明基板２に垂直に進入した光４８が、そのまま可動薄膜９及び復帰用電極２３を透過する。即ち、光変調素子３００がＯＮの状態になる。

図６に示した光変調素子３００がＯＮの状態から、光変調素子３００がＯＦＦの状態に切り換える場合は、図７に示すように、支持基板６及び可動薄膜９の各電極層４，１１間への電圧印加を解除すると同時に、可動薄膜９の電極層１１と復帰用電極２３との間に所定の駆動電圧Ｖｂを印加することで、可動薄膜９の撓み変形が高速復帰する。この点は、前述した第１実施形態の場合と同様である。

ここで、上記の光変調素子３００による光変調動作を詳述する。図８は、前記支持基板６への入射光４８の発光スペクトルを示すグラフで、入射光４８の中心波長λ₀が約３６０ｎｍの光であることを示している。

本実施の形態の光変調素子３００において、光変調素子３００がＯＮ状態、ＯＦＦ状態であるときの誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法ｔ_ON、ｔ_OFF を一例として下記のように設定する。
ｔ_ON ＝１／２×λ₀＝１８０ｎｍ
ｔ_OFF＝３／４×λ₀＝２７０ｎｍ
これらの誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法によって、光変調素子３００を透過可能な光の波長が切り換えられる。

また、誘電体多層膜ミラー４３，４５は、光強度反射率をＲ＝０．８５とする。更に、ミラー間の空隙は空気又は希ガスとし、その屈折率はｎ＝１とする。なお、干渉の条件を満たせば、空隙の間隔ｔ_ON,ｔ_OFF、屈折率ｎ、誘電体多層膜ミラー４３，４５の光強度反射率Ｒなどはいずれの組合せでも良い。

光変調素子３００のＯＦＦ状態における間隔ｔ_OFFは、素子作製時にその寸法が制御可能である。また、素子のＯＮ状態における間隔ｔ_ONの制御は、発生させる静電気力と可動薄膜９が変形したとき発生する弾性復元力のバランスを調整することで可能である。より安定な制御を行うためには、前述したスペーサを可動薄膜９と復帰用電極２３との間の隙間に充填するとよい。

図９は、誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法がｔ_ON，ｔ_OFFである場合に、光変調素子３００の光強度透過率を波長に対して示したグラフである。
曲線Ｙ１の透過率特性は、誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法が２７０ｎｍの場合の特性で、中心波長λ₀が３６０ｎｍの入射光が透過できないようになる。また、曲線Ｙ₂の透過率特性は、誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法が１８０ｎｍの場合の特性で、中心波長λ₀が３６０ｎｍの入射光が透過できるようになる。

従って、本実施形態の場合、透明基板２への入射光４８は、中心波長λ₀が約３６０ｎｍの光であるため、誘電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法がｔ_ONのときには光変調素子３００を透過することができるが、電体多層膜ミラー４３，４５間の離間寸法がｔ_OFFのときには光変調素子３００を透過することができない。

なお、光変調素子３００は、入射光の波長に応じて誘電体多層膜ミラー４３，４５の層構成を適宜変更することにより、上記ＯＮ／ＯＦＦ特性を逆転することもできる。
本実施の形態の場合も、光変調素子をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り換える際には、図７に示すように、電極層１１と復帰用電極２３との間に駆動電圧Ｖｂを印加して、その復帰用電極２３から可動薄膜９に作用する静電気力で、可動薄膜９の復帰を高速化することができ、前述の第１及び第２実施形態と同様に、作動電圧の低電圧化と、光変調素子のＯＮ，ＯＦＦの切り換え速度の高速化とを両立することができる。

また、駆動電圧の値により、誘電体多層膜ミラー４３，４５間の間隔を連続的に変化させると、透過スペクトルの中心波長を任意に変化させることが可能となる。これにより透過光量を連続的に制御することも可能である。即ち、印加する駆動電圧によって階調制御が可能となる。

また、以上説明した各実施形態におけるいずれかの光変調素子を、図１０に示すように１次元又は２次元状に複数配列して光変調素子アレイ４００として構成してもよい。この場合には、１次元又は２次元の光変調が可能となる。

次に、上記光変調素子アレイを用いて構成した画像形成装置について説明する。ここでは、画像形成装置の例として、まず露光装置５００について説明する。
図１１は、本発明の光変調素子アレイを用いて構成した露光装置の概略構成を示す図である。
露光装置５００は、照明光源６１と、照明光学系６２と、上述した各実施形態のいずれかの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４００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４００の各光変調素子に垂直に入射する。
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４００に平行光を入射するようにしても良い。また、照明光源６１として光変調素子アレイ４００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４００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４００の各光変調素子に平行光を入射するようにしても良い。なお、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、画像形成面である記録媒体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４００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５００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４００に入射する。光変調素子アレイ４００の各光変調素子に入射される光は、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４００から出射された光は、投影光学系６４により記録媒体６５の画像形成面に投影露光される。投影光は記録媒体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４００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。

なお、光変調素子アレイ４００は、前述した第３の実施形態の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ることができる。また、第１実施形態や第２実施形態の光変調素子を上記同様に複数配列して光変調素子アレイ４００を構成するには、光変調素子の光導入側に透明媒質を挟んで光路を選択する光学要素を配置すればよい。ここでいう透明媒質とは、前述の導光板３をそのまま用いてもよく、導光板３と電極層４との間に透明媒質の層を形成したものであってもよい。
光路を選択する光学要素とは、この光学要素から出射される選択透過光の実質的全てが、入射光光路前方の層における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されないものである。即ち、光変調素子と光路を選択する光学要素との間に配置された透明媒質における光変調素子側の界面で、全反射を生じさせる条件である全反射臨界角θcより大きい角度成分の入射光だけが光路を選択する光学要素を透過し、他の角度成分の入射光に対しては遮光される。なお全反射臨界角θcは次式により求められる。ここで、ｎ１は界面内側となる透明媒質の屈折率、ｎ２は界面外側の屈折率である。
θc＝sin-1（ｎ２／ｎ１）
具体的な光路を選択する光学要素としては、誘電体多層膜からなる光干渉フィルタが挙げられる。その他、ブラッグ反射フィルタとして機能するコレステリック液晶等を用いることもできる。

この露光装置５００は、照明光学系６２としてコリメートレンズを用いることに限らず、マイクロレンズアレイを用いて構成することができる。この場合、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４００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各光変調素子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、光変調素子の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、光変調素子アレイ４００に入射する。光変調素子アレイ４００の各光変調素子に入射される光は、図示しない制御装置によって、入力される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４００から出射された光は、投影光学系６４により記録媒体６５の画像形成面に投影露光される。投影光は記録媒体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。

なお、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（又は司視光線）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、現像後に高湿ベーク処理を行い、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。

次に、画像形成装置の他の例として、投影装置について説明する。
図１２は、本発明の光変調素子アレイを用いて構成した投影装置の概略構成を示す図である。図１１と同様の構成には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
投影装置としてのプロジェクタ６００は、照明光源６１と、照明光学系６２と、光変調素子アレイ４００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、前述したコリメータレンズであってもよく、マイクロレンズアレイであってもよい。

以下、投影装置６００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、光変調素子の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、光変調素子アレイ４００に入射する。光変調素子アレイ４００の各光変調素子に入射される光は、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４００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４００は、投影装置にも利用することができ、さらには、光変調素子アレイ４００は、表示装置にも適用可能である。

次に、前述の第３の実施形態で説明した光変調素子を複数用いて表示装置を構成した例を説明する。
図１３に示すように、表示装置７００は、前述の光変調素子３００を１次元又は２次元状に配列した光変調素子アレイ４５０と、この光変調素子アレイ４５０の光入射側に設けられ紫外光を照射する光源ユニット８１と、光変調素子アレイ４５０の光出射側に設けられ各光変調素子３００から出射された光を受けて励起し発光する蛍光体８３とを備えている。蛍光体８３は、例えば、三原色（赤・青・緑、或いは、シアン・マゼンダ・イエロー等）に発色する蛍光体を適宜な順番で配列させることで、フルカラー表示が可能となる。

光源ユニット８１は、平面光生成用の導光板８５と、導光板８３の側面に配設されたブラックライト用紫外線ランプ（低圧水銀ランプ）８７を有している。照明光学系として機能する導光板８５は、光源であるブラックライト用低圧水銀ランプ８７からの紫外線を側面から取り入れて、光変調素子３００に対峙する表面側から入射光４８として出射する。

低圧水銀ランプ８７の内壁にブラックライト用の蛍光体（例えば、ＢａＳｉ₂Ｏ₅ ：Ｐｂ²⁺) を塗布した場合、その発光紫外線の分光特性は、前述の図８のようになる。即ち、３６０ｎｍ付近に中心波長λ₀を持つようになる。この紫外線をバックライト光として使用する。

この光変調素子アレイ４５０を有した平面表示装置７００によれば、電極層４，１１間に駆動電圧を印加することで、可動薄膜９を支持基板６側に撓ませることにより、多層膜干渉効果を発生させ、紫外線の光変調を行うことができる。そして、電極層４，１１間の駆動電圧をＯＦＦにするとともに、電極層１１と復帰用電極２３との間に駆動電圧を印加することで、可動薄膜９の撓み変形を高速に復帰させることができる。もって、応答性の高い画像表示が可能となり、優れた動画表示性能を得ることができる。
なお、上記平面表示装置７００の光変調素子アレイ４５０に導入する入射光は、光源からの光をマイクロレンズアレイにより集光させる構成としてもよい。この場合には、光変調素子の光変調領域（誘電体多層膜ミラー４３，４５の領域）だけに入射光を集中させることができ、光変調領域以外の領域で入射光が無駄に吸収等されることがなくなる。従って、光の利用効率が向上して表示輝度を増加させることができる。

ここで、前述の第１実施形態のおける光変調素子について、復帰用電極を設けた場合の高速化効果を確認するためにシミュレーション解析を行った結果について説明する。
図１５に示すような従来の光変調素子１で可動薄膜９を変位動作させる場合には、電極層４，１１間に駆動電圧を印加し、電極層４，１１間に静電気力による吸引力を作用させて可動薄膜９を下方に変位させる。また、可動薄膜９を変位先から元の位置に復帰させる場合には、電極層４，１１間の印加電圧をＯＦＦとして、可動薄膜９の弾性復元力によって復帰させる。

これに対して、図１に示す本願発明に係る光変調素子１００で可動薄膜９を変位動作させる場合には、支持基板６の電極層４と、可動薄膜９の電極層１１との間に駆動電圧を印加し、電極層４，１１間に働く吸引力により可動薄膜を下方に変位させる。また、可動薄膜９を復帰させる場合には、印加された電極層４，１１間の電圧をＯＦＦにすると共に、可動薄膜９の電極層１１と、支持板３１上の復帰用電極２３との間に駆動電圧を印加して、可動薄膜９を自身の弾性復元力と吸引力とによって復帰させる。

このため、本発明に係る光変調素子１００における可動薄膜９の復帰動作の力は、復帰用電極２３の作用によって、図１５に示す従来の光変調素子１よりも静電気力による吸引力の分増加し、復帰動作が高速化されることになる。

復帰用電極２３を設けた場合の高速化を確認するために、下記条件にてシミュレーション解析を行った。また、その結果を図１４に示した。
(a)支持基板６の電極層４ 材質：Ａｌ 厚みｔ＝０．１５μｍ
(b)復帰用電極２３ 材質：Ａｌ 厚みｔ＝０．４μｍ
(c)可動薄膜９の電極層１１ 材質：Ａｌ 厚みｔ＝０．１５μｍ
(d)可動薄膜９の弾性体層１２ 材質：ＳｉＮ 厚みｔ＝０．８μｍ
(e)各層の非駆動状態における内部応力は全て０ＭＰａ
(f)電極層４と弾性体層１２との間の隙間１６、及び電極層１１と支持板３１との間の隙間２７の寸法 ０．２３μｍ
(g)光変調素子の周囲雰囲気は真空環境下であるとした。

そして、まず、電極層４，１１間に駆動電圧を印加して、可動薄膜９を支持基板６側に変位させた状態とし、隙間１６が無い状態にする。このときの可動薄膜９の変位量は０．２３μｍ下側の位置（図１４のポイントＡ）となる。この状態から、電極層４，１１間の駆動電圧をＯＦＦとし、電極層１１と復帰用電極２３との間に駆動電圧０Ｖ〜２０Ｖ（５Ｖステップ）を印加したときの、それぞれの応答特性を解析した。なお、ここでの応答時間は、可動薄膜９を変位させた状態（ポイントＡ）から、変位前の状態（図１４のポイントＢ）に戻るまでの時間を意味する。

図１４に示すシミュレーション結果において、駆動電圧０Ｖは、従来と同じ素子構成による復帰時間に相当する。駆動電圧が上がるにつれて、駆動電圧０Ｖに比べて復帰時間が速くなる。例えば、駆動電圧０Ｖのときの復帰時間は約０．２２５μｓであり、駆動電圧を２０Ｖとしたときの復帰時間は約０．１１５μｓと約２倍の高速化が達成される。本シミュレーションでは、駆動電圧が２０Ｖまでの結果であるが、電圧値を更に高めることで一層の高速化が図れることが想定でき、復帰用電極を設けることにより、光変調素子をより高速に駆動することが可能であることを知見できた。

本発明の第１実施形態に係る光変調素子のＯＦＦの状態を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子のＯＮの状態を示す断面図である。 図２の光変調素子をＯＮの状態からＯＦＦの状態に切り換えたときの様子を示す光変調素子の断面図である。 第２実施形態におけるスペーサを備えた光変調素子の構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光変調素子のＯＦＦの状態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光変調素子のＯＮの状態を示す断面図である。 図５の光変調素子をＯＮの状態からＯＦＦの状態に切り換えたときの様子を示す光変調素子の断面図である。 光変調素子の導光板に導入される光の発光スペクトルを示すグラフである。 光変調素子の入射光波長に対する光強度透過率の変化を示すグラフである。 光変調素子を１次元又は２次元に配列して構成した光変調素子アレイの構成図である。 光変調素子アレイを用いて構成した露光装置を示す概略構成図である。 光変調素子アレイを用いて構成した投影装置を示す概略構成図である。 光変調素子アレイを用いて構成した平面表示装置を示す概略構成図である。 復帰用電極を設けた場合の高速化効果を確認するためにシミュレーション解析を行った結果を示すグラフである。 従来の光変調素子の概略構成図である。 従来の光変調素子の動作説明図である。

符号の説明

２ 透明基板
３ 導光板
４ 電極層
６ 支持基板
９ 可動薄膜
１１ 電極層
１２ 弾性体層
１４ 支柱
１６ 隙間
１８ 入射光
２３ 復帰用電極
２７ スペーサ
３１ 支持板
３２ 電極層
４１ 光変調素子
４３，４５ 誘電体多層膜ミラー（多層反射膜）
６１ 光源
６２ 照明光学系
６４，７４ 投影光学系
７５ スクリーン（画像形成面）
８１ 光源ユニット
８３ 蛍光体
８５ 導光板（照明光学系）
８７ 低圧水銀ランプ（光源）
１００，２００，３００ 光変調素子
４００，４５０ 光変調素子アレイ
５００ 露光装置（画像形成装置）
６００ 投影装置（画像形成装置）
７００ 平面表示装置

Claims (4)

1. 電極層を有する支持基板と、少なくとも電極層を有すると共に前記支持基板に向かって撓み変形可能に前記支持基板上に所定の離間間隔で対向配置される可動薄膜とを備え、前記支持基板の電極層と前記可動薄膜の電極層との間に所定の駆動電圧を印加して、両電極層間に作用する静電気力により前記可動薄膜を前記支持基板側に撓ませることで入射光に対する素子の光学特性を変化させ、入射光に対する光変調を行う光変調素子であって、
   前記可動薄膜の前記支持基板側とは反対側に、駆動電圧の印加によって前記可動薄膜を吸引する静電気力を作用させる復帰用電極を設けるとともに、前記可動薄膜と前記復帰用電極との間に、撓んでいない非駆動状態にあるときの前記可動薄膜と前記復帰用電極との間の隙間を埋めるスペーサを設け、前記可動薄膜の前記復帰用電極側への撓み変形を阻止したことを特徴とする光変調素子。
2. 請求項１記載の光変調素子を、１次元又は２次元状に複数配列したことを特徴とする光変調素子アレイ。
3. 光源と、請求項２記載の光変調素子アレイと、前記光源からの光を前記光変調素子アレイに照射する照明光学系と、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たことを特徴とする画像形成装置。
4. 紫外線を出射する光源と、請求項２記載の光変調素子アレイと、前記光源からの光を前記光変調素子アレイに照射する照明光学系と、前記光変調素子アレイから出射される光に励起されて発光する蛍光体とを備えたことを特徴とする平面表示装置。

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