JP4479641B2 - 回折素子及びこれを用いたプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、例えばプロジェクターの光変調素子として用いて好適な、リボン状の梁（ビーム）の一部を駆動して回折格子を構成する回折素子及びこれを用いたプロジェクターに関する。

光学的な機能を有する微小電気機械素子、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子を用いた製品開発は現在数多く行われており、その多くは光の進行方向の制御や光のオン／オフを行うような、広義の光スイッチングシステムとして用いられている。

上記の光スイッチングシステムの一種として、回折光を発生する回折素子の機能を有する光学ＭＥＭＳ素子が存在する。
図１３Ａは、光学ＭＥＭＳ素子より成る一般的な回折素子の一例の概略斜視構成図、図１３Ｂはその概略斜視構成図である。この回折素子１は、基板２上に形成した下部電極３と、この下部電極３をブリッジ状に跨ぐように配置した横方向に延びる梁５、いわゆるビームとを有して構成される。梁５と下部電極３とは、その間の空間４によって電気的に絶縁されている。梁５は、例えばその両端が屈曲されて支持部６（６Ａ及び６Ｂ）とされ、この支持部６Ａ及び６Ｂを介して基板２に支持された両持ち梁式構造に形成される。

ここで基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。下部電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（多結晶Ｗ，Ｃｒ）などで形成される。梁５は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁性材料より成る下地膜７と、その上面に形成され、導電性を有する材料から成る上部電極８とから構成される。この場合上部電極８としては、例えば高い反射率を有するＡｌ等より成り、少なくともその上面中央部が反射領域９として構成される。

図１３Ａにおいては、梁５の一部、例えば1つおきの梁５に電圧を印加して、静電引力によって基板２側にたわませた状態を示す。このような梁５を多数基板２上に形成することで回折格子を構成し、その反射領域９に光を照射すると、回折光が生じる。
この回折作用により、すなわち梁の駆動位置に応じてその光の反射方向が異なることを利用して、一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた光スイッチに適用できる。また複数の梁を並列配置して、所定の方向へ反射（回折）する光の強度を連続的に変える光変調素子として用いることができ、例えば梁５を多数並べて1次元の画像表示素子として使用することができる。このような画像表示素子として、米国Silicon Light Machine社が開発した回折ライトバルブ（ＧＬＶ：Grating Light Valve）が知られている（特許文献1及び２参照。）。
この回折ライトバルブをプロジェクターの光変調素子として用いる場合には、梁を一列に並べてできる１次元の画像をスキャニング、すなわち走査照射することによって２次元の画像を得る。

更に、このような回折素子を利用したプロジェクターシステムにおいては、梁がその幅方向に傾斜するいわゆるブレーズ構造を採用することで、より高いコントラスト、輝度を実現することが可能である。これは、ブレーズ構造すなわち梁を傾けることによって、回折光を２方向から１方向に限定できるためである。
図１４Ａ及びＢはこの様子を示す。図１４Ａ及びＢは、回折素子の梁５の概略断面構造を省略して示したものであり、図１４Ａにおいては、電圧を印加しない非駆動状態を示し、入射光Ｌ０に対し０次回折光Ｌ０と２次回折光Ｌ２が生じている様子を示す。これに対し、図１４Ｂに示すように、1つおきの梁５に電圧を印加すると、静電引力により下部電極３側にこれらの梁５がたわむため回折格子が構成されて、入射光Ｌ０に対し1次回折光Ｌ１のみが生じる。したがって、プロジェクターなどの光学装置内において、1次回折光が射出される方向に空間フィルタを設けることによって、より高いコントラスト及び輝度を実現できることとなる。

このような梁を幅方向に傾けるブレーズ構造としては、図１５Ａ及びＢにそれぞれ概略斜視構成図及び概略平面構成図を示すように、梁の両端に段差を設ける構造が提案されている（例えば特許文献３参照。）。
これは、梁自体の持つ引っ張り応力を利用して、その長手方向中央部分（反射領域）を傾ける機構となっている。すなわち、このブレーズ型の回折素子１は、基板２上に形成した下部電極３と、この下部電極３をブリッジ状に跨ぐように配置した梁５とを有して成る。梁５は、その両端に段差３１が設けられ、この段差３１のビーム幅方向の幅Ｗ１は、梁５の全幅Ｗ２の２分の１程度とされる。梁５と下部電極３とは、その間の空間４によって電気的に絶縁されている。梁５は、前述と同様に例えば、シリコン窒化膜等の絶縁膜７と、その上面の例えばＡｌ膜による上部電極８との２層膜で形成され、その両端が例えばこれと一体の支持部６Ａ及び６Ｂを介して基板２に支持された両持ち梁式構造に形成される。なお、段差３１の深さＤにより、梁５の傾き角度が調整される。

この回折素子１において、段差３１を有した梁５に傾きを生じさせるメカニズムを図１６Ａ及びＢに示す。これは、梁５の幅方向の一半部において、長手方向両端部に段差３１を設けることにより、梁５自体の持つ引張り応力を利用してその中央部分を傾ける機構となっている。すなわち、図１６Ａ（応力開放前）に示すように、梁５の段差３１がある側は、引張り応力Ｆａ１によって段差３１の下の高さまで押し下げる力Ｆｂ１が働く。また段差のない側は、引張り応力Ｆａ２により表面高さを保とうとする。この力Ｆｂ１が梁５に対して回転モーメントとして作用するため、図１６Ｂ（応力開放後）に示すように、梁５が破線ｉで示すように傾く。

特許第３１６４８２４号公報 米国特許第５８４１５７９号 米国特許第６６３９７２２Ｂ２号 特開２００４−５４２５２号公報

上述の光学ＭＥＭＳ素子による回折素子を利用したプロジェクターシステムにおいては、その課題として、異常ピクセルが１つあった場合にこれが横方向へスキャニングされるため、横スジとして画面上に現れてしまうということが挙げられる。
前述のＧＬＶにおいて各ピクセルのコントラスト（白黒比）平均をとると、８０００：１程度という極めて高い値となるが、黒レベルがピクセル間でばらつくことによってコントラストの最悪値は２０００：１程度になってしまう。また、梁の製造工程におけるばらつきが原因となって、コントラストの最悪値はさらに下がることもある。したがって、全黒の画面をそのまま出すと、コントラスト比の悪いピクセルが白っぽいスジとなって画面上に現れてしまう。

これについて説明すると、まず上述の回折素子では、梁に電圧をかけない状態によって黒レベルが得られるが、理想的には梁の高さが全て揃っている状態ならば、回折光の方向は完全にオフ方向へ制御される。しかし、膜の厚さや物性値、フォトリソグラフィーにおける露光時のずれ、少量のプロセス残渣といった製造工程上のばらつきにより、梁の高さは必ずしも一様ではなくなる。このため、黒レベルがばらついてしまうこととなる。

また上述のブレーズ型の回折素子において、段差形状にばらつきが発生すると、梁の高さ、すなわち基板側下部電極との距離や梁の傾き量がばらつくこととなる。このように、段差形状がばらつくと、梁の非駆動時にも１次回折光が発生してしまい、オン／オフ比が悪化するという問題がある。
駆動させる梁の高さが高い場合には、オフセット電圧をかけることによってこれを揃えることができるが、逆の場合はどのように駆動してもリボン高さを一様に揃えることはできなくなる。したがって、この部分において黒レベルが悪化することとなる。

これを解決する手段の一つとしては、通常駆動させない側の梁にも電圧を印加できるようにして、全ての梁に対してオフセット電圧をかけて梁の高さを揃え、高いコントラスト比を得る構成が提案されている（例えば特許文献４参照。）。しかし、この手法では配線数が２倍となるため、小型化などの点において設計上不利となる恐れがある。

以上の問題に鑑みて、本発明は、梁を多数配列し、例えば一本おきに駆動させて回折光を発生させる回折素子において、駆動する梁の高さのばらつきによる影響を抑制し、これを用いて良好なコントラストをもって画像の表示が可能なプロジェクターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、梁が２以上配列されて成り、一部の梁を対向する下部電極との静電引力により前記下部電極側に駆動して回折格子を構成する回折素子であって、駆動させる梁の非駆動時における下部電極との距離が、駆動させない梁の下部電極との距離よりも大とされて配置される構成とする。
このような構成とすることによって、駆動させる梁の高さがばらついても、このばらつきに対応した較正用の電圧を梁に印加することによって、非駆動時の梁の高さを均一化することができる。

また上述の本発明の回折素子において、駆動させる梁の下部電極との距離と、駆動させない梁の下部電極との距離との差を、製造工程上のばらつきに起因する梁と下部電極との間の距離のばらつきよりも大として構成してもよい。
この場合は、より確実に非駆動時の梁の高さを均一化することができる。

更に本発明において、駆動させる梁の下部電極との距離と、駆動させない梁の下部電極との距離との差を、５ｎｍを超え、２０ｎｍ以下としてもよい。
このような構成とすることによって、後述するように、低電圧駆動時における駆動電圧に対する回折光量の変化量を、従来の回折素子と同様とすることができる。

また、本発明の回折素子は、駆動させる梁を支える支持体の下部に、所定の厚さの薄膜を挿入する構成としてもよい。この場合は、挿入する薄膜の膜厚制御により、駆動させる梁の下部電極との距離を容易に調整して容易に製造することができる。
または、駆動させない梁を支える支持体を、所定の深さの凹部上に形成して構成してもよい。この場合は、凹部の深さの制御によって駆動させる梁の下部電極との距離を容易に調整して製造することができる。

また、本発明は、上述の回折素子において、梁を、その長手方向の両端部において一部に段差が設けられて幅方向に傾きを生じさせるいわゆるブレーズ型構造とし、この段差の幅を、駆動させる梁と、駆動させない梁とにおいて異なる構成としてもよい。
このような構成とすることによって、ブレーズ型の回折素子の段差の幅を変えるのみの比較的簡易な製造工程により、下部電極との距離を調整した梁を容易に製造することができる。

更にまた本発明は、光源と、光源から出射された光の光軸上に配置され、光の強度を変調する光変調素子とを有するプロジェクターであって、光変調素子として、上述の本発明構成の回折素子を用いる構成とする。
このような本発明のプロジェクターによれば、その光変調素子として用いる回折素子において、上述したように下部電極との距離を大きくした梁に対し、製造過程で生じる高さのばらつきに対応する較正用の電圧を印加することによってその高さを均一化することができ、回折素子としてのオン／オフ比の悪化、黒レベルの悪化を改善して高いコントラストによる良好な表示を実現できる。

以上説明したように、本発明の回折素子によれば、製造過程に生じる梁の高さのばらつきを均一化することができる。
また、本発明のプロジェクターによれば、黒レベルの悪化を改善し、コントラストの良好な表示が可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
〔１〕第１の実施形態例
図１Ａ及びＢは、それぞれ本発明による回折素子の第１の実施形態例の概略斜視構成図と、そのＡ−Ａ´線上の概略断面構成図を示す。
図１Ａに示すように、本発明の回折素子１は、梁５（５Ａ、５Ｂ）が２以上（図示の例では３本）配列される。これらの梁５は、例えば基板２上に所定のパターンに形成された下部電極３を、ブリッジ状に跨ぐように配置した薄膜リボン状の形状として形成される。各梁５Ａ及び５Ｂは、下部電極３とはその間の空間４によって電気的に絶縁されている。そしてその一部の梁５Ａ、すなわち例えば１つおきの梁５Ａに図示しないが例えば電圧印加手段が接続される。電圧印加時はこの梁５Ａが対向する下部電極３側に静電引力により駆動され、回折格子を構成する。
そして特に本発明の回折素子1においては、駆動させる梁５Ａの非駆動時における下部電極３との距離ＨＡを、駆動させない梁５Ｂの下部電極３との距離ＨＢよりも大として構成する。

この回折格子１は、従来の回折ライトバルブなどの回折素子と同様の材料により構成できる。すなわち、その基板として、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板などが用いられる。基板側の下部電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（例えばＷ、Ｃｒ蒸着膜）などで形成される。梁５Ａ及び５Ｂ、いわゆるビーム、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の絶縁膜と、その上面に形成された膜厚１００ｎｍ程度の例えばＡｌ膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極との２層構造により構成することができる。
なお、下部電極３と基板２の表面は段差のない平坦面とされる。下部電極３を金属膜などにより形成する場合は、表面を平坦化するために周囲に絶縁層を設けてもよい。

図２に比較例として、従来の回折素子１の一例の概略斜視構成図を示す。図２に示すように、従来は駆動する梁５Ａと駆動しない梁５Ｂとが共に同じ高さとされ、すなわち下部電極３との距離は等しく形成される。
梁５Ａ及び５Ｂの製造工程では、通常選択エッチング除去が可能な材料より成る犠牲層を堆積した後に、梁材料を堆積し、後から犠牲層のみを除去するというプロセスを行う。
例えば犠牲層を均一な高さに形成し、図２に示す例のように、各梁５Ａ及び５Ｂの両端が全体的に同じ高さの支持部６Ａ及び６Ｂにより支えられる構造とする場合は、どの梁５Ａ、５Ｂの高さも理想的には同一である。

これに対し、例えば犠牲層の加工を行い、梁５のうち一本おきに犠牲層の高さを変えて形成すると、その上に堆積する梁の高さも１本おきに変化する。この状態で犠牲層の除去を行うことによって、図１Ａに示すように、１本おきに梁５Ａ及び５Ｂの高さが互い違いになっている構造を形成することができる。

なお、図１Ａ及び図２においては、梁５Ａ及び５Ｂの高さの違いの説明を容易にするために、支持部６Ａ及び６Ｂを梁５Ａ及び５Ｂとは別体の構造として示しているが、支持部６Ａ及び６Ｂとしては、前述の図１３等において示す例と同様に梁５Ａ及び５Ｂ自体の両端部が下部電極３側に屈曲した構造としてもよいし、また、後述するポスト構造とするなど、種々の支持構造とすることができる。

次に、図３Ａ及びＢの概略断面構成図を参照して、このように下部電極３との距離を大とした梁５Ａを駆動させて、高さのばらつきを補正し、これを均一化する手法を説明する。図３Ａ及びＢにおいて、図１Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
すなわち、下部電極３との距離を大とする梁５Ａを所定の電圧印加手段（図示せず）に接続し、他の梁５Ｂは、例えば下部電極３と同様に接地する。
このとき、ある適当なオフセット電圧を梁５Ａに印加することによって、矢印ａで示すように、この梁５Ａが静電引力により下部電極３側に適当量引き付けられ、他の梁５Ｂとほぼ同一の高さとすることができる。
例えばこれらの梁５Ａ及び５Ｂに光を照射したときに、１次回折光が最小化するように、梁５Ａに印加するオフセット電圧を設定しておくことによって、この回折素子１内の梁５Ａ及び５Ｂの高さを均一化する調節を行うことができる。

ここで、梁５Ａと５Ｂとの高さの差（下部電極３との距離の差）は、製造工程中に想定される梁の高さのばらつきを考慮して選定することが望ましい。梁５の高さは、例えば基板や犠牲層成膜時の下地層のグレインの有無により、ナノメートルオーダーで寸法にばらつきが生じてしまう。特に、前述したように、梁の両端部に段差構造を設けて幅方向に傾けるブレーズ型構造とする場合は、段差の幅や高さが少しでも異なると高さにばらつきが生じることとなる。
このばらつきは、梁の寸法形状にもよるが、通常５ｎｍ程度の範囲である。したがって、このばらつきに対して、梁５Ａと５Ｂとの高さの差を大きく、すなわち５ｎｍを超える高さ（下部電極との距離）の差をもって形成することによって、常に図３Ａ及びＢで示したオフセット調節を行うことができ、高いオン／オフ比を実現することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態例によれば、製造上のばらつきによるオン／オフ比の低下をオフセット調節により改善することができ、従ってこの回折素子を光変調素子として用いる場合は、コントラストの良好な表示が可能なプロジェクターを実現することができる。

〔２〕第２の実施形態例
次に、本発明による回折素子の第２の実施形態例について説明する。
上述の第１の実施形態例においては、梁を支持する支持部の高さを異ならせる構成としたが、この例においては、支持部を形成する下地層、例えば基板を加工することによって、梁の下部電極との距離を調整するものである。

先ず、本実施形態例の説明に先立って、図４Ａ〜Ｄを参照して、梁を支える支持部の一構造であるポスト構造について説明する。
すなわちこの場合、図４Ａに示すように、基板３の上に犠牲層１１を堆積した後、図４Ｂに示すように、犠牲層１１の一部に孔部１２をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の異方性エッチングにより形成する。その後、この孔部１２を埋め込んで全体的に梁５を構成する材料層を堆積する。図４ＣのＢ−Ｂ´線上の断面図を図４Ｄに示す。孔部内を埋め込んだ梁５と同様の材料が、犠牲層除去後の支持部１３となる。これをポスト構造と呼ぶ。

図５Ａ〜Ｄにおいては、このポスト構造を利用した回折素子において、駆動させる梁５Ａを支持する支持部６Ａ及び６Ｂの下部に、薄膜を挿入することによって、この梁５Ａの下部電極３との距離を、駆動しない梁５Ｂよりも大とする例を示す。図５において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図５Ａ及びＢにおいては、犠牲層１１除去前の状態の駆動しない梁５Ｂ及び駆動する梁５Ａのそれぞれの概略断面構成図、図５Ｃ及びＤにおいては、犠牲層除去後の状態の駆動しない梁５Ｂ及び駆動する梁５Ａのそれぞれの概略断面構成図を示す。

この薄膜１４は、梁５Ａのポスト構造とされる支持部６Ａ及び６Ｂを形成する位置に、あらかじめ犠牲層１１を堆積する前に選択的に形成することによって、容易に製造することができる。
このような構成とする場合、犠牲層１１の除去後には、薄膜１４を設けない梁５Ｂは、そのままの形状を保持しているが、薄膜１４を設ける梁５Ａは、応力によって、薄膜１４によって底上げされた支持部６Ａ及び６Ｂの高さまで、梁５Ａが引き上げられる。なお、梁５Ａ及び５Ｂは通常引張応力をもつ材料より形成される。駆動する梁５Ａのみが、駆動しない梁５Ｂよりも下部電極３との距離が大とされた構造となる。
この場合、薄膜１４の厚さなどを適切に制御することによって、梁５Ａ及び５Ｂを製造する際のばらつきに起因する高さのばらつきを超える差をもって、駆動する梁５Ａを高く、すなわち下部電極３との距離を大として形成することができる。

そしてこのような構成とすることによって、上述の第１の実施形態例と同様に、梁５Ａに対して適切なオフセット電圧を印加することによって、梁５Ａ及び５Ｂの高さを均一化することができ、オン／オフ比の低下を改善することができる。またこれをプロジェクターなどの光変調素子として用いる場合は、良好なコントラストによる表示を実現することができることとなる。

〔３〕第３の実施形態例
次に、本発明の回折素子の第３の実施形態例について、図６Ａ〜Ｄを参照して説明する。
この例においては、上述の第２の実施形態例と同様に、梁５の支持部をポスト構造とした場合であり、その支持部形成位置に加工する他の例を示す。図６Ａ〜Ｄにおいて、図５Ａ〜Ｄと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図６Ａ及びＢにおいては、犠牲層１１除去前の状態の駆動する梁５Ａ及び駆動しない梁５Ｂのそれぞれの概略断面構成図、図６Ｃ及びＤにおいては、犠牲層除去後の状態の駆動する梁５Ａ及び駆動しない梁５Ｂのそれぞれの概略断面構成図を示す。
この場合、駆動しない梁５Ｂの支持部６Ａ及び６Ｂを形成する位置に、予め犠牲層１１を堆積する前に、図６Ｂに示すように、所定の深さでエッチング等により凹部１５を形成しておく。
この場合、犠牲層１１の除去後には、駆動する梁５Ａはそのままの形状を保持するが、凹部１５を設けてその上に支持部６Ａ及び６Ｂを形成した梁５Ｂは、応力によって、凹部１５により位置を低くされた支持部６Ａ及び６Ｂの高さまで引き下げられる。
凹部１５の深さを適切に制御することによって、梁５Ａ及び５Ｂを製造する際のばらつきに起因する高さのばらつきを超える差をもって、駆動しない梁５Ｂの高さを低く、すなわち下部電極３との距離を小として形成することができる。

この場合においても、上述の第１及び第２の実施形態例と同様に、梁５Ａに対して適切なオフセット電圧を印加することによって、梁５Ａ及び５Ｂの高さを均一化し、オン／オフ比の低下を改善することができる。これをプロジェクターなどの光変調素子として用いる場合は、良好なコントラストによる表示を実現することができることとなる。

〔４〕第４の実施形態例
次に、本発明の回折素子において、ブレーズ型構成とする場合の一実施形態例について説明する。本実施形態例においては、特に、ブレーズ型構造を規定する段差の形状の選択により、梁の高さを制御する例を示す。
前述したように、回折ライトバルブなどにおいて、ブレーズ型構造とする場合には、梁の両端部、すなわち反射領域の外側に、段差を設けるものである。本実施形態例においては、この段差の幅を、駆動する梁と駆動しない梁とにおいて異ならせるものである。

通常、ブレーズ型構造とする場合、段差の幅は、前述したように梁の幅の２分の１程度に設定されるが、梁の幅に対する段差の幅の比を変化させると、梁の幅方向の傾きが変化する。この様子を図７に示す。
図７に示すように、梁の傾き（ＴＩＬＴ）量は、梁の幅の４分の１付近と、４分の３付近とにおいて極大値をもつ逆Ｗ字型に相似した曲線を描く。この曲線から、例えば段差の幅（梁の幅に対する割合）が異なるにもかかわらず、梁の傾き量が同一となる幅が存在することが分かる。

一方、梁全体の幅に対して、段差の幅を変化させた場合の梁の高さの変化を調べると、図８に示すように、梁の高さは、段差の幅の増加に対し単純に減少する。すなわち、段差の幅が異なると高さが変化することが分かる。
これらのことを利用すれば、段差の幅を、駆動する梁と駆動しない梁とにおいて変えることによって、梁の傾きを変えることなく、その高さを変えることができることが分かる。
例えば、図７に示す点Ｃ及びＤに示す幅をもって、梁の段差形状を選定して形成することによって、傾きは同一であるが、１つおきに梁の高さが異なる構造の回折素子を実現できることとなる。また、段差の幅の選定によって、高さをそれぞれ調整することが可能であり、高さの差を精度良く制御することができるという利点を有する。

図９にこの場合の回折素子の一例の概略斜視構成図を示す。図９において、図１Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、駆動する梁５Ａに設ける段差３０Ａの幅ＷＡの梁５の全体の幅Ｗに対する比を、例えば０．２５程度とし、一方、駆動しない梁５Ｂに設ける段差３０Ｂの幅ＷＢの梁５の全体の幅Ｗに対する比を、例えば０．３０程度とする。このような構成とすることによって、図１０にその概略断面構成を示すように、梁５Ａの高さすなわち下部電極３との距離を、梁５Ｂの高さよりも大として、かつこれらの傾きを同一として構成することができる。

これにより、本実施形態例においても、梁５Ａに対して適切なオフセット電圧を印加することによって、梁５Ａ及び５Ｂの高さを均一化することができる。これをプロジェクターなどの光変調素子として用いる場合は、高いオン／オフ比を実現し、良好なコントラストによる表示を実現することができることとなる。

以上説明した各実施形態例においては、駆動する梁５Ａの下部電極３との距離を、駆動しない梁５Ｂよりも大とし、その高さの均一化を図るために、梁５Ａにオフセット電圧を印加するものである。
このオフセット電圧として高すぎる電圧を印加すると、回折素子としての機能、すなわち電圧を変化させた場合の回折光量の変化特性が異なってしまうこととなる。特に、プロジェクターの光変調素子として利用する回折素子は、低電圧領域の回折光量の変化が緩やかであることが特長であり、黒レベルに近いレベルの階調制御を精度良くできるという利点を損なわないことが望ましい。
したがって、梁に対して高さの差を設け、これを均一化するために印加するオフセット電圧としては、この階調制御の精度の低下することのない範囲であることが望ましい。どの程度の画質が求められるかにもよるが、色階調の高精度化を考えると、できる限り高さの差分は小さく抑えることがより望ましいといえる。

図１１においては、梁の高さの差分がない（０ｎｍの）場合、差分が１０ｎｍの場合、差分が２０ｎｍの場合それぞれに対して、この差分を均一化するオフセット電圧を印加したときの、電圧に対する回折光量の変化を解析した結果を示す。図１１において、実線ｅは差分なし、破線ｆ及びｇはそれぞれ差分１０ｎｍ、２０ｎｍとした場合を示す。
図１１から分かるように、差分が１０ｎｍ、２０ｎｍの場合共に、差分がない従来構成と比較すると回折光量は比較的急に増加しているが、特に黒レベルに近いすなわち低電圧印加領域においてはその変化量はなだらかであり、十分な階調制御が可能であると判断できる。
したがって、本発明の回折素子においては、駆動する梁と駆動しない梁の高さの差としては、５ｎｍを超える２０ｎｍ以下とすることが望ましいといえる。
また、黒レベル近傍の階調制御を更に精度良く行う場合には、この梁の高さの差を、５ｎｍを越える１０ｎｍ以下とすることが、より望ましいことが分かる。
例えば、前述の第4の実施形態例において、段差の幅の比をそれぞれ駆動する梁５Ａにおいて０．２５、駆動しない梁５Ｂにおいて０．３０とする場合は、その高さの差は１０ｎｍ程度であり、低電圧印加領域において所望の回折特性が得られることがわかる。

〔５〕第５の実施形態例
次に、第５の実施形態例として、本発明による回折素子を光変調素子として用いたプロジェクターについて、その概略構成図である図１２を参照して説明する。
このプロジェクターは、例えば、大型スクリーン用プロジェクター、特にディジタル画像のプロジェクターとして、または、コンピュータ画像投影用として用いられるものである。

図１２に示すように、このプロジェクター８１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザー光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂと、各レーザー光源に対して、それぞれ光軸上に順次設けられたミラー８４Ｒ，８４Ｇ，８４Ｂ、各色照明光学系（レンズ群）８６Ｒ，８６Ｇ，８６Ｂ、及び光変調素子として機能する上述の本発明に係るＧＬＶ素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂとを備えている。
レーザー光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂは、それぞれ赤色光（例えば波長６４２ｎｍ、光出力約３Ｗ）、緑色光（例えば波長５３２ｎｍ、光出力約２Ｗ）、青色光（波長４５７ｎｍ、光出力約１．５Ｗ）のレーザーを射出する。なお、レーザー光の波長及び光出力はこれらに限定されるものではない。

更に、レーザーディスプレイ８１は、本発明構成の回折素子より成る光変調素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂによりそれぞれ光強度が変調された赤色レーザー光、緑色レーザー光及び青色レーザー光を合成する色合成フィルタ９０、空間フィルタ９２、ディフューザー９４、ミラー９６、ガルバノスキャナー等の走査照明系９８、投影光学系（レンズ群）１００、及びスクリーン１０２を備えている。色合成フィルタ９０は、例えばダイクロイックミラーで構成される。

本実施の形態のプロジェクター８１は、レーザー光源８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂから射出されたＲＧＢ各レーザー光が、それぞれミラー８４Ｒ，８４Ｇ，８４Ｂを経て各色照明光学系８６Ｒ，８６Ｇ，８６Ｂから各光変調素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂに同期入力されるようになっている。
更に、各レーザー光は、光変調素子８８Ｒ，８８Ｇ，８８Ｂによって回折されることにより空間変調され、これら３色の回折光が色合成フィルタ９０によって合成され、続いて空間フィルタ９２によって信号成分のみが取り出される。
次いで、このＲＧＢの画像信号は、ディフューザー９４によってレーザースペックルが低減され、ミラー９６を経て、画像信号と同期する走査照明系９８によって空間に展開され、投影光学系１００によってスクリーン１０２上にフルカラー画像として投影される。

このプロジェクター８１においては、本発明構成の回折素子を光変調素子として用いることから、その梁の高さのばらつきを均一化することができる。オフセット電圧の制御により、梁の高さをナノメートルオーダーで制御することができるので、光変調素子としてのオン／オフ比を向上することができ、より高いコントラストの表示が可能なプロジェクターを提供することができる。

以上説明したように、本発明の回折素子とこれを用いたプロジェクターによれば、駆動させる梁と下部電極間との距離（高さ）を、駆動しない梁と下部電極間との距離より適切量大きくなるように構成することによって、以下の効果が見込まれる。
先ず、適切なオフセット電圧を印加することにより、製造過程で生じた梁の高さのばらつきを均一化することができる。これを光変調素子としてプロジェクターに用いる場合は、製造上のばらつきによる黒レベルの悪化を抑制し、オン／オフ比が大幅に改善されて、より高コントラストの映像を実現することが可能になる。
また、製造工程上のばらつきに対して、これを上回る高さの差を設けることによって、オフセット電圧の印加によりこの製造工程上のばらつきを吸収することができることから、現在このような光ＭＥＭＳ素子が抱える課題の一つである歩留りに対して、大きな改善が見込まれる。

なお、本発明による回折素子及びプロジェクターは上述の実施形態例に限定されるものではなく、その他回折素子の材料構成、特に梁の膜構成や支持部の形態など、またプロジェクターの各光学部品の構成などについては、本発明構成を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

Ａは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略斜視構成図である。Ｂは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。 従来の回折素子の一例の要部の概略斜視構成図である。 Ａは本発明による回折素子の一実施形態例の動作態様を説明する概略断面構成図である。Ｂは本発明による回折素子の一実施形態例の動作態様を説明する概略断面構成図である。 Ａは回折素子の一例の一製造工程図である。Ｂは回折素子の一例の一製造工程図である。Ｃは回折素子の一例の一製造工程図である。Ｄは回折素子の一例の一製造工程図である。 Ａは本発明による回折素子の一実施形態例の製造過程における要部の概略断面構成図である。Ｂは本発明による回折素子の一実施形態例の製造過程における要部の概略断面構成図である。Ｃは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。Ｄは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。 Ａは本発明による回折素子の一実施形態例の製造過程における要部の概略断面構成図である。Ｂは本発明による回折素子の一実施形態例の製造過程における要部の概略断面構成図である。Ｃは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。Ｄは本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。 ブレーズ型回折素子における段差幅の比と傾きとの関係を示す図である。 ブレーズ型回折素子における段差幅の比と高さとの関係を示す図である。 本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略斜視構成図である。 本発明による回折素子の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。 回折素子における電圧に対する回折光量の変化を示す図である。 本発明によるプロジェクターの一実施形態例の概略構成図である。 Ａは従来の回折素子の一例の概略斜視構成図である。Ｂは従来の回折素子の一例の要部の概略斜視構成図である。 Ａは回折素子の一例の動作態様を説明する概略断面構成図である。Ｂは回折素子の一例の動作態様を説明する概略断面構成図である。 Ａは従来のブレーズ型回折素子の一例の要部の概略斜視構成図である。Ｂは従来のブレーズ型回折素子の一例の要部の概略平面構成図である。 Ａはブレーズ型回折素子の傾きのメカニズムを説明する概略斜視構成図である。Ｂはブレーズ型回折素子の傾きのメカニズムを説明する概略斜視構成図である。

符号の説明

１．回折素子、２．基板、３．下部電極、４．空間、５．梁、６．支持部、７．絶縁層、８．上部電極、９．反射領域、１１．犠牲層、１２．孔部、１３．支持部、１４．薄膜、１５．凹部、３１．段差、３１Ａ．段差、３１Ｂ．段差、８１．プロジェクター、８２Ｒ．光源、８２Ｇ．光源、８２Ｂ．光源、８６Ｒ．照明光学系、８６Ｇ．照明光学系、８６Ｂ．８８Ｒ．光変調素子、８８Ｇ．光変調素子、８８Ｂ．光変調素子、９０．色合成フィルタ、９２．空間フィルタ、９４．ディフューザー、９６．ミラー、９８．走査照明系、１００．投影光学系、１０２．スクリーン

Claims (12)

1. 梁が２以上配列されて成り、一部の梁を対向する下部電極との静電引力により前記下部電極側に駆動して回折格子を構成する回折素子であって、
   前記駆動させる梁の非駆動時における前記下部電極との距離が、駆動させない前記梁の前記下部電極との距離よりも大とされて配置される
   ことを特徴とする回折素子。
2. 前記駆動させる梁の前記下部電極との距離と、前記駆動させない梁の前記下部電極との距離との差が、製造工程上のばらつきに起因する前記梁と前記下部電極との間の距離のばらつきよりも大とされて成る
   ことを特徴とする請求項1記載の回折素子。
3. 前記駆動させる梁の前記下部電極との距離と、前記駆動させない梁の前記下部電極との距離との差が、５ｎｍを超え、２０ｎｍ以下とされる
   ことを特徴とする請求項２記載の回折素子。
4. 前記駆動させる梁を支える支持体の下部に、所定の厚さの薄膜が挿入されて、前記駆動させる梁の前記下部電極との距離が調整されて成る
   ことを特徴とする請求項1記載の回折素子。
5. 前記駆動させない梁を支える支持体が、所定の深さの凹部上に形成されて、前記駆動させる梁の前記下部電極との距離が調整されて成る
   ことを特徴とする請求項1記載の回折素子。
6. 前記梁は、その長手方向の両端部において段差が設けられて幅方向に傾きを生じさせる構造であり、
   前記段差の幅が、前記駆動させる梁と、前記駆動させない梁とにおいて異なる
   ことを特徴とする請求項1記載の回折素子。
7. 光源と、該光源から出射された光の光軸上に配置され、前記光の強度を変調する光変調素子とを有するプロジェクターであって、
   前記光変調素子は、
   梁が２以上配列されて成り、一部の梁が対向する下部電極との静電引力により前記下部電極側に駆動して回折格子を構成する回折素子であって、
   前記駆動させる梁の非駆動時における前記下部電極との距離が、駆動させない前記梁の前記下部電極との距離よりも大とされて配置される
   ことを特徴とするプロジェクター。
8. 前記光変調素子とされる回折素子の、前記駆動させる梁の前記下部電極との距離と、前記駆動させない梁の前記下部電極との距離との差が、製造工程上のばらつきに起因する前記梁と前記下部電極との間の距離のばらつきよりも大とされて成る
   ことを特徴とする請求項７記載のプロジェクター。
9. 前記光変調素子とされる回折素子の前記駆動させる梁の前記下部電極との距離と、前記駆動させない梁の前記下部電極との距離との差が、５ｎｍを超え、２０ｎｍ以下とされる
   ことを特徴とする請求項８記載の回折素子。
10. 前記光変調素子とされる回折素子の前記駆動させる梁を支える支持体の下部に、所定の厚さの薄膜が挿入されて、前記駆動させる梁の前記下部電極との距離が調整されて成る
    ことを特徴とする請求項７記載のプロジェクター。
11. 前記光変調素子とされる回折素子の前記駆動させない梁を支える支持体が、所定の深さの凹部上に形成されて、前記駆動させる梁の前記下部電極との距離が調整されて成る
    ことを特徴とする請求項７記載のプロジェクター。
12. 前記光変調素子とされる回折素子の前記梁は、その長手方向の両端部において段差が設けられて幅方向に傾きを生じさせる構造であり、
    前記段差の幅が、前記駆動させる梁と、前記駆動させない梁とにおいて異なる
    ことを特徴とする請求項７記載のプロジェクター。

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