JP4343393B2 - 光変調素子、および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調素子、および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各絵素の輝度に応じて変調されるようにした反射型回折格子として、図３に示すような反射型回折格子が提案されている。
図３は、この従来例の反射型回折格子の斜視図であり、基板３０上に、凹凸に変形する薄膜からなる短冊状素子３１を１次元アレー状に並べたライトモジュレータ（光変調素子）である。尚、短冊状素子３１は４つで一つの絵素に対応し、水平方向の絵素に対応する数だけ設けられている。
【０００３】
基板３０には、例えばシリコン等の材料を用いることができる。この基板上には窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）等のパッシベーション層（不図示）を介して例えばタングステンあるいはタングステン合金からなる導電層３４が形成されている。また、短冊状素子３１には、例えば窒化シリコン等の材料を用いることができ、その両端部は導電層３４から離れた部分で基板３０に固定されており、中間部の素子平面部３２は基板３０の上方に空隙３３を形成して隔離配置されている。この短冊状素子３１の上面はアルミニウム膜等の光反射材料で被覆されている。
【０００４】
空隙３３の厚さは、短冊状素子３１と導電層３４との間に印加する電圧により調整することができ、無印加状態では短冊状素子３１は図４（ａ）のように凸状を呈し、短冊状素子３１と導電層３４との間に適切な電圧を印加すると、静電引力により短冊状素子３１が変形し、図４（ｂ）に示すように短冊状素子３１の素子平面部３２は基板３０に向かって曲げられこれに接触させられる。
全ての短冊状素子３１が図４（ａ）のように凸状を呈する場合において、波長λの光が基板３０の表面に垂直に入射すると、図５に示すように、短冊状素子３１の素子平面部３２からの反射光は全て同位相になり、フラットミラーとして機能する。
【０００５】
―方、短冊状素子３１が交互に凹凸状を呈する場合において（凸部と凹部の高さの差は１／４λであることが好ましい）、波長λの光が基板３０の表面に垂直に入射すると、図６に示すように、凸部表面からの反射光は凹部表面からの反射光とは完全に位相がずれる。このため、これらの反射光の間に干渉が生じ、反射光は垂直に対して角度θで表面から反射する。
したがって、例えば角度θで反射する光を集束するような光レンズを配置すれば、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子３１を図５の状態に変調することにより、当該絵素は光を受けず暗絵素として表示することができ、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子３１を図６の状態に変調することにより、当該絵素は光を受け明絵素として表示することができる。かかる構成を有する反射型回折格子による印加電圧−反射光強度の一特性例を示すと、図７のようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のものにおいては、例えば図３または図４に示されるように、短冊状素子３１を基板３０に固定するための固定部３０１が必要となり、この固定部３０１の大きさが短冊状素子と同程度以上（２０μｍ以上）の大きさとなることから、有効反射部３２以外に当たる光は、フレアーの原因となるという問題点を有していた。また、上記従来例のものにおいては、アレー直角方向へのコンパクト性が欠けるため、２次元化すると開口率が低くなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、従来のものにおける課題を解決し、フレアーが生じず、必要に応じて２次元アレー化しても開口率の高い反射型回折格子が形成できる光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）〜（８）のように構成した光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を提供するものである。
（１）複数の表面が反射面である短冊状素子を、該複数の短冊状素子の高さを周期的に変化させることで位相型の回折格子をなす反射型回折格子が形成できる光変調素子において、
前記複数の短冊状素子の各々には、交互に電場の極性の異なる圧電材料からなる圧電素子が配され、これらの短冊状素子の少なくとも一部は前記反射面が圧電素子によって前記高さ方向に駆動されるように構成されており、
前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子の凹凸の高さを変えることを特徴とする光変調素子。
（２）前記複数の表面が反射面である短冊状素子は、その長辺側を平行に並べて平面状に連設されていることを特徴とする上記（１）に記載の光変調素子。
（３）前記短冊状素子の各々は、該各短冊状素子の有効反射部の裏面側が前記圧電素子に固定されていることを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の光変調素子。
（４）前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子による凹凸状の変形量を変え、前記有効反射部で反射される反射光の強度を制御することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光変調素子。
（５）前記複数の短冊状素子の反射面が、実質的に同一平面にあり、全体として実質的に平面鏡として作用する状態を形成可能であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光変調素子。
（６）前記短冊状素子は、その幅が略５μｍ程度とされていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の光変調素子。
（７）前記短冊状素子の複数を一画素としたものが、２次元アレー状に配列されていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光変調素子。
（８）映像信号に応じて変調信号が与えられ、各絵素の輝度に応じて入射光が変調されるようにした光変調素子を有するプロジェクション光学系において、該光変調素子が上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光変調素子を用いて構成されていることを特徴とするプロジェクション光学系。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用することにより、従来例のような固定部３０１をなくすことができ、有効部３２のみで固定するように構成することが可能となるため、フレアーを生じないようにすることができる。また、２次元化を行っても開口率が高く、フレアーを生じないようにすることが可能となる。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の実施例における反射型回折格子が形成できる光変調素子の構成を示す図である。
図１において、１０１は有効反射部を構成するミラーとしてのアルミ部、１０２は金属部材、１０７は金属電極、１０３は圧電材料、１０４は金属電極、１０５は支持部材、１０６は基板である。
【００１１】
本実施例においては、上記金属電極１０４、１０７の間に設けた圧電材料に電荷を加え、これによって圧電材料を伸縮させ、この伸縮を前述のギャップの変化に対応させるように構成されている。
すなわち、圧電材料１０３に荷電すると電場の極性が圧電材料の極性に対応していると材料は縮小し、極性と逆であれば拡張する。従ってミラー部１０１は荷電によって上下し、その高さを変え、反射型の位相形回折格子が出現したり、単なるミラーが出現したりすることができる。また、回折格子による反射光の変調具合は回折格子の凹凸の高さを変えて位相差を変えることで調整することができる。
図１に示すように、有効反射部を構成するミラー１０１そのものが固定されるため、従来例のような無駄な固定部を設ける必要がなくなり、２次元化しても高い開口率とすることができ、フレアーの生じない光変調素子を形成することができる。
【００１２】
図２は、本実施例による素子を用いたプロジェクション光学系の構成を示すものである。
図２において、２０１は反射型回折格子が形成できる光変調素子、２０２は光源、２０３はレンズ、２０８はハーフミラー、２０９は投影レンズ、２１０はストッパー、２１１はディフェクター（ガルバノミラー）である。
光源２０２から出た光はレンズ２０３により平行光となり、ハーフミラー２０８により反射し、光変調素子２０１に入射する。
【００１３】
一方、光変調素子２０１の各短冊状素子は、映像信号に応じて変調信号（電圧パルス）が与えられ、水平方向の各絵素の輝度に応じて変調される。
すなわち、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子が図５の状態（無変調時）では、光は回折しないで入射光２０４を可逆してハーフミラー２０８を透過して光線２０７となり、投影レンズ２０９の焦点に光線１１３となって集まり、ストッパー２１０により吸収される。
また、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子が図６の状態（変調時）では、光変調素子の格子２０１の高さはλ／４になっており、回折が生じて光は入射光２０５とは異なる方向へ射出してハーフミラー２０８を透過して光線２０６となり、投影レンズ２０９により光線１１２となり、ディフェクター２１１を介して映像表示面５の所定の水平ライン上に照射される。
【００１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、フレアーが生じず、仮に２次元アレー化しても開口率の高い反射型回折格子が形成できる光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における光変調素子の構成を示す図である。
【図２】本実施例による素子を用いたプロジェクション光学系の構成を示す図である。
【図３】従来例の光変調素子の構成を示す斜視図である。
【図４】従来例の光変調素子の作用を説明するための図であり、（ａ）は無印加状態（ｂ）は印加状態を説明するための図である。
【図５】光変調素子の短冊状素子による無変調時の状態を説明するための図である。
【図６】光変調素子の短冊状素子による変調時の状態を説明するための図である。
【図７】光変調素子による印加電圧−反射光強度の一特性例を示す図である。
【符号の説明】
３０：基板
３１：短冊状素子
３２：素子平面図
３３：空隙
３４：導電層
１０１：有効反射部を構成するミラー部
１０２：金属部材
１０３：圧電材料
１０４：金属電極
１０５：支持部材
１０６：基板
１０７：金属電極
２０１：光変調素子
２０２：光源
２０３：レンズ
２０４：入射光
２０５：入射光
２０６：光線
２０７：光線
２０８：ハーフミラー
２０９：撮影レンズ
２１０：ストッパー
２１１：ディフェクター
２１２：光線
２１３：光線
３０１：固定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調素子、および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各絵素の輝度に応じて変調されるようにした反射型回折格子として、図３に示すような反射型回折格子が提案されている。
図３は、この従来例の反射型回折格子の斜視図であり、基板３０上に、凹凸に変形する薄膜からなる短冊状素子３１を１次元アレー状に並べたライトモジュレータ（光変調素子）である。尚、短冊状素子３１は４つで一つの絵素に対応し、水平方向の絵素に対応する数だけ設けられている。
【０００３】
基板３０には、例えばシリコン等の材料を用いることができる。この基板上には窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）等のパッシベーション層（不図示）を介して例えばタングステンあるいはタングステン合金からなる導電層３４が形成されている。また、短冊状素子３１には、例えば窒化シリコン等の材料を用いることができ、その両端部は導電層３４から離れた部分で基板３０に固定されており、中間部の素子平面部３２は基板３０の上方に空隙３３を形成して隔離配置されている。この短冊状素子３１の上面はアルミニウム膜等の光反射材料で被覆されている。
【０００４】
空隙３３の厚さは、短冊状素子３１と導電層３４との間に印加する電圧により調整することができ、無印加状態では短冊状素子３１は図４（ａ）のように凸状を呈し、短冊状素子３１と導電層３４との間に適切な電圧を印加すると、静電引力により短冊状素子３１が変形し、図４（ｂ）に示すように短冊状素子３１の素子平面部３２は基板３０に向かって曲げられこれに接触させられる。
全ての短冊状素子３１が図４（ａ）のように凸状を呈する場合において、波長λの光が基板３０の表面に垂直に入射すると、図５に示すように、短冊状素子３１の素子平面部３２からの反射光は全て同位相になり、フラットミラーとして機能する。
【０００５】
―方、短冊状素子３１が交互に凹凸状を呈する場合において（凸部と凹部の高さの差は１／４λであることが好ましい）、波長λの光が基板３０の表面に垂直に入射すると、図６に示すように、凸部表面からの反射光は凹部表面からの反射光とは完全に位相がずれる。このため、これらの反射光の間に干渉が生じ、反射光は垂直に対して角度θで表面から反射する。
したがって、例えば角度θで反射する光を集束するような光レンズを配置すれば、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子３１を図５の状態に変調することにより、当該絵素は光を受けず暗絵素として表示することができ、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子３１を図６の状態に変調することにより、当該絵素は光を受け明絵素として表示することができる。かかる構成を有する反射型回折格子による印加電圧−反射光強度の一特性例を示すと、図７のようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のものにおいては、例えば図３または図４に示されるように、短冊状素子３１を基板３０に固定するための固定部３０１が必要となり、この固定部３０１の大きさが短冊状素子と同程度以上（２０μｍ以上）の大きさとなることから、有効反射部３２以外に当たる光は、フレアーの原因となるという問題点を有していた。また、上記従来例のものにおいては、アレー直角方向へのコンパクト性が欠けるため、２次元化すると開口率が低くなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、従来のものにおける課題を解決し、フレアーが生じず、必要に応じて２次元アレー化しても開口率の高い反射型回折格子が形成できる光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、つぎの（１）〜（８）のように構成した光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を提供するものである。
（１）複数の表面が反射面である短冊状素子を、該複数の短冊状素子の高さを周期的に変化させることで位相型の回折格子をなす反射型回折格子が形成できる光変調素子において、
前記複数の短冊状素子の各々には、交互に電場の極性の異なる圧電材料からなる圧電素子が配され、これらの短冊状素子の少なくとも一部は前記反射面が圧電素子によって前記高さ方向に駆動されるように構成されており、
前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子の凹凸の高さを変えることを特徴とする光変調素子。
（２）前記複数の表面が反射面である短冊状素子は、その長辺側を平行に並べて平面状に連設されていることを特徴とする上記（１）に記載の光変調素子。
（３）前記短冊状素子の各々は、該各短冊状素子の有効反射部の裏面側が前記圧電素子に固定されていることを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の光変調素子。
（４）前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子による凹凸状の変形量を変え、前記有効反射部で反射される反射光の強度を制御することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光変調素子。
（５）前記複数の短冊状素子の反射面が、実質的に同一平面にあり、全体として実質的に平面鏡として作用する状態を形成可能であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光変調素子。
（６）前記短冊状素子は、その幅が略５μｍ程度とされていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の光変調素子。
（７）前記短冊状素子の複数を一画素としたものが、２次元アレー状に配列されていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の光変調素子。
（８）映像信号に応じて変調信号が与えられ、各絵素の輝度に応じて入射光が変調されるようにした光変調素子を有するプロジェクション光学系において、該光変調素子が上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光変調素子を用いて構成されていることを特徴とするプロジェクション光学系。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、上記構成を適用することにより、従来例のような固定部３０１をなくすことができ、有効部３２のみで固定するように構成することが可能となるため、フレアーを生じないようにすることができる。また、２次元化を行っても開口率が高く、フレアーを生じないようにすることが可能となる。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の実施例における反射型回折格子が形成できる光変調素子の構成を示す図である。
図１において、１０１は有効反射部を構成するミラーとしてのアルミ部、１０２は金属部材、１０７は金属電極、１０３は圧電材料、１０４は金属電極、１０５は支持部材、１０６は基板である。
【００１１】
本実施例においては、上記金属電極１０４、１０７の間に設けた圧電材料に電荷を加え、これによって圧電材料を伸縮させ、この伸縮を前述のギャップの変化に対応させるように構成されている。
すなわち、圧電材料１０３に荷電すると電場の極性が圧電材料の極性に対応していると材料は縮小し、極性と逆であれば拡張する。従ってミラー部１０１は荷電によって上下し、その高さを変え、反射型の位相形回折格子が出現したり、単なるミラーが出現したりすることができる。また、回折格子による反射光の変調具合は回折格子の凹凸の高さを変えて位相差を変えることで調整することができる。
図１に示すように、有効反射部を構成するミラー１０１そのものが固定されるため、従来例のような無駄な固定部を設ける必要がなくなり、２次元化しても高い開口率とすることができ、フレアーの生じない光変調素子を形成することができる。
【００１２】
図２は、本実施例による素子を用いたプロジェクション光学系の構成を示すものである。
図２において、２０１は反射型回折格子が形成できる光変調素子、２０２は光源、２０３はレンズ、２０８はハーフミラー、２０９は投影レンズ、２１０はストッパー、２１１はディフェクター（ガルバノミラー）である。
光源２０２から出た光はレンズ２０３により平行光となり、ハーフミラー２０８により反射し、光変調素子２０１に入射する。
【００１３】
一方、光変調素子２０１の各短冊状素子は、映像信号に応じて変調信号（電圧パルス）が与えられ、水平方向の各絵素の輝度に応じて変調される。
すなわち、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子が図５の状態（無変調時）では、光は回折しないで入射光２０４を可逆してハーフミラー２０８を透過して光線２０７となり、投影レンズ２０９の焦点に光線１１３となって集まり、ストッパー２１０により吸収される。
また、任意の絵素に対応する４つの短冊状素子が図６の状態（変調時）では、光変調素子の格子２０１の高さはλ／４になっており、回折が生じて光は入射光２０５とは異なる方向へ射出してハーフミラー２０８を透過して光線２０６となり、投影レンズ２０９により光線１１２となり、ディフェクター２１１を介して映像表示面５の所定の水平ライン上に照射される。
【００１４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、フレアーが生じず、仮に２次元アレー化しても開口率の高い反射型回折格子が形成できる光変調素子および該光変調素子を用いたプロジェクション光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における光変調素子の構成を示す図である。
【図２】本実施例による素子を用いたプロジェクション光学系の構成を示す図である。
【図３】従来例の光変調素子の構成を示す斜視図である。
【図４】従来例の光変調素子の作用を説明するための図であり、（ａ）は無印加状態（ｂ）は印加状態を説明するための図である。
【図５】光変調素子の短冊状素子による無変調時の状態を説明するための図である。
【図６】光変調素子の短冊状素子による変調時の状態を説明するための図である。
【図７】光変調素子による印加電圧−反射光強度の一特性例を示す図である。
【符号の説明】
３０：基板
３１：短冊状素子
３２：素子平面図
３３：空隙
３４：導電層
１０１：有効反射部を構成するミラー部
１０２：金属部材
１０３：圧電材料
１０４：金属電極
１０５：支持部材
１０６：基板
１０７：金属電極
２０１：光変調素子
２０２：光源
２０３：レンズ
２０４：入射光
２０５：入射光
２０６：光線
２０７：光線
２０８：ハーフミラー
２０９：撮影レンズ
２１０：ストッパー
２１１：ディフェクター
２１２：光線
２１３：光線
３０１：固定部
Claims (8)
- 複数の表面が反射面である短冊状素子を、該複数の短冊状素子の高さを周期的に変化させることで位相型の回折格子をなす反射型回折格子が形成できる光変調素子において、
前記複数の短冊状素子の各々には、交互に電場の極性の異なる圧電材料からなる圧電素子が配され、これらの短冊状素子の少なくとも一部は前記反射面が圧電素子によって前記高さ方向に駆動されるように構成されており、
前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子の凹凸の高さを変えることを特徴とする光変調素子。 - 前記複数の表面が反射面である短冊状素子は、その長辺側を平行に並べて平面状に連設されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
- 前記短冊状素子の各々は、該各短冊状素子の有効反射部の裏面側が前記圧電素子に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
- 前記圧電素子に印加する電圧を調整することによって、前記各短冊状素子による凹凸状の変形量を変え、前記有効反射部で反射される反射光の強度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変調素子。
- 前記複数の短冊状素子の反射面が、実質的に同一平面にあり、全体として実質的に平面鏡として作用する状態を形成可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光変調素子。
- 前記短冊状素子は、その幅が略５μｍ程度とされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光変調素子。
- 前記短冊状素子の複数を一画素としたものが、２次元アレー状に配列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光変調素子。
- 映像信号に応じて変調信号が与えられ、各絵素の輝度に応じて入射光が変調されるようにした光変調素子を有するプロジェクション光学系において、該光変調素子が請求項１〜７のいずれか１項に記載の光変調素子を用いて構成されていることを特徴とするプロジェクション光学系。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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