JP5703440B2

JP5703440B2 - 圧電体回折格子、プロジェクター、発光装置及び表示装置

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Publication number: JP5703440B2
Application number: JP2012523485A
Authority: JP
Inventors: 健木島; 本多　祐二; 祐二本多
Original assignee: Youtec Co Ltd
Current assignee: Youtec Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: WO2012004888A1; JPWO2012004888A1

Description

本発明は、圧電体回折格子、プロジェクター、発光装置及び表示装置に関する。

従来の画像表示システムは、一列の細長い、並列の可動反射部材の少なくとも１列を含む、１つの平面回折格子光弁（GLV）アレイであり、前記可動反射部材の各々は、表示される像の要素に対応する程度まで、該格子平面に関してそれに平行な面を通して個々に移動可能な平面回折格子光弁アレイと、少なくとも１つのGLVアレイの干渉像を表示する映像干渉計装置であって、あらゆる瞬間に合わせて表示される像の少なくとも一部を表わす映像干渉計装置とから成る（例えば特許文献１参照）。

特表２００１−５２２０６１号公報（請求項１）

上記従来の平面回折格子光弁アレイでは、可動反射部材を静電気的な力を利用して可動させるため、可動反射部材を非常に高速で動かして停止させる場合に、正確に停止させることが難しいという課題がある。

本発明の一態様は、非常に高速で動かして停止させることが可能な圧電体膜を用いて回折格子を形成した圧電体回折格子、それを用いたプロジェクター、発光装置又は表示装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極上に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極及び前記圧電体膜の上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成されたミラー膜と、
を具備し、
前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加して前記圧電体膜を曲げることで、前記ミラー膜の表面に凹凸を形成し、前記凹凸を形成した前記ミラー膜によって光を反射させて干渉色を変化させることを特徴とする圧電体回折格子である。

また、本発明の一態様において、
前記凹凸の最大段差は、前記光の波長の１／４以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様において、
前記第２の電極は、複数のライン状電極がストライプ状に配置されていることも可能である。

本発明の一態様は、赤色レーザ光を出射する第１のレーザと、
緑色レーザ光を出射する第２のレーザと、
青色レーザ光を出射する第３のレーザと、
第１の圧電体回折格子と、
第２の圧電体回折格子と、
第３の圧電体回折格子と、
ミラーと、
前記ミラーをスキャン動作させるスキャン機構と、
を具備し、
前記第１乃至第３の圧電体回折格子それぞれは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電体回折格子であり、
前記第１のレーザにより出射された赤色レーザ光を前記第１の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第１の反射光を画像形成面に照射し、且つ前記第２のレーザにより出射された緑色レーザ光を前記第２の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第２の反射光を前記画像形成面に前記第１の反射光に重ねて照射し、且つ前記第３のレーザにより出射された青色レーザ光を前記第３の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第３の反射光を前記画像形成面に前記第１の反射光及び前記第２の反射光に重ねて照射し、且つ前記スキャン機構によって前記ミラーをスキャン動作させることで、前記画像形成面に画像を形成することを特徴とするプロジェクターである。

本発明の一態様は、光源と、
前記光源により発した光を透過させる圧電体回折格子と、
を具備し、
前記圧電体回折格子は、
第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に形成された透明圧電体膜と、
前記透明圧電体膜上に形成された第２の透明電極とを有し、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに電圧を印加して前記透明圧電体膜を曲げることで、前記透明圧電体膜の表面に凹凸を形成し、前記凹凸を形成した前記透明圧電体膜によって前記透過させた光の干渉色を変化させることを特徴とする発光装置である。

また、本発明の一態様において、
前記第２の透明電極は前記透明圧電体膜上にストライプ状に複数配置されていることが好ましい。

また、本発明の一態様において、
前記光源と前記圧電体回折格子との間に配置されたカラーフィルタをさらに具備することも可能である。

本発明の一態様は、光源上に複数の画素がマトリックス状に配置された表示装置であって、
前記画素は、
赤色カラーフィルタ上に形成され、前記光源により発した光を前記赤色カラーフィルタを通して透過させる第１の圧電体回折格子と、
緑色カラーフィルタ上に形成され、前記光源により発した光を前記緑色カラーフィルタを通して透過させる第２の圧電体回折格子と、
青色カラーフィルタ上に形成され、前記光源により発した光を前記青色カラーフィルタを通して透過させる第３の圧電体回折格子とを有しており、
前記第１乃至第３の圧電体回折格子それぞれは、
第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に形成された透明圧電体膜と、
前記透明圧電体膜上に形成された第２の透明電極とを有し、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに電圧を印加して前記透明圧電体膜を曲げることで、前記透明圧電体膜の表面に凹凸を形成し、前記凹凸を形成した前記透明圧電体膜によって前記透過させた光の干渉色を変化させることを特徴とする表示装置である。

また、本発明の一態様において、
前記第１の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、前記赤色カラーフィルタを通した光の波長の１／４以下であり、
前記第２の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、前記緑色カラーフィルタを通した光の波長の１／４以下であり、
前記第３の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、前記青色カラーフィルタを通した光の波長の１／４以下であることが好ましい。

また本発明の一態様において、
前記第２の透明電極は前記透明圧電体膜上にストライプ状に複数配置されていることが好ましい。

本発明の一態様によれば、非常に高速で動かして停止させることが可能な圧電体膜を用いて回折格子を形成した圧電体回折格子、それを用いたプロジェクター、発光装置又は表示装置を提供することができる。

（Ａ）〜（Ｆ）は、第１の実施形態による圧電体回折格子の各層の平面図である。第１の実施形態による圧電体回折格子を示す断面図である。図２に示す圧電体回折格子１７を用いて光を反射させて干渉色を変化させる原理を説明する模式図である。第２の実施形態によるプロジェクターの構成を示す模式図である。図４に示す画像形成面３０に形成された描画イメージを拡大した図である。第３の実施形態による表示装置を示す正面図である。図６に示す表示装置の断面図である。図７に示す圧電体回折格子の構造を説明するための図である。図８に示す一画素をマトリックス状に配置した表示装置の圧電体回折格子の全体図である。

以下では、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態による圧電体回折格子の各層の平面図である。図２は、本実施形態による圧電体回折格子を示す断面図である。

図２に示すように、基板（図示せず）上にＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜１１をＣＶＤ（chemical vapor deposition）法により形成する（図１（Ａ）参照）。
次に、絶縁膜１１の全面上に下部Ｐｔ電極１２をスパッタリングにより形成する（図１（Ｂ）参照）。

次に、下部Ｐｔ電極１２の全面上に圧電体膜としてのPZT厚膜１３を形成する（図１（Ｃ）参照）。

次に、PZT厚膜１３の上に上部Ｐｔ電極１４を形成する。この上部Ｐｔ電極１４は、Ｐｔ膜をパターニングすることで、複数のライン状電極がストライプ状に配置される（図１（Ｄ）参照）。これにより、PZT厚膜１３の表面には上部Ｐｔ電極１４によって凹凸が形成される。この凹凸の段差は、後述するミラー膜１６によって反射させる光の波長の１／４であることが好ましい。

次に、上部Ｐｔ電極１４及びPZT厚膜１３の上にＳｉＯ_２膜からなる層間絶縁膜１５をＣＶＤ法により形成し、この層間絶縁膜１５の表面をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨することにより、層間絶縁膜１５の表面が平坦化される（図１（Ｅ）参照）。

次に、層間絶縁膜１５の上に表面が鏡面状態（同一の高さ）のＡｌ膜からなるミラー膜１６をスパッタリングにより形成する。このようにして圧電体回折格子１７が作製される。

図３は、図２に示す圧電体回折格子１７を用いて光を反射させて干渉色を変化させる原理を説明する模式図である。

下部Ｐｔ電極１２と上部Ｐｔ電極１４とに電圧を印加せずPZT厚膜１３を曲げないと、ミラー膜１６の表面は鏡面状態（平面状態）である。このとき、入射光をミラー膜１６に照射し、ミラー膜１６によって反射した反射光は光軸の変化がなく、干渉色が変化しない。

一方、下部Ｐｔ電極１２と上部Ｐｔ電極１４とに電圧を印加してPZT厚膜１３を曲げることで、ミラー膜１６の表面に凹凸を形成すると、その凹凸を形成したミラー膜１６に入射光を照射し、ミラー膜１６によって反射した反射光は前記凹凸の段差により光軸が変化し、干渉色が変化する。この凹凸の段差が入射光の波長λの１／４であるλ／４のときに減衰が最大となる。従って、ミラー膜１６の表面の凹凸の段差をλ／４以下に適切に調整することにより、様々な色の反射光を形成することができる。

具体的には、最も波長の短い青色の光の波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍであり、最も波長の長い赤色の光の波長が６４０ｎｍ〜６９０ｎｍであるので、λ／４は１１０ｎｍ〜１７０ｎｍ程度となる。この変位量は、PZT厚膜１３によって十分に実施可能である。その理由は、例えば、特開２００１−８８３０１号公報の段落［００３７］には、圧電体膜の変位量が４１５ｎｍと記載されているからである。

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態によるプロジェクターの構成を示す模式図である。図５は、図４に示す画像形成面３０に形成された描画イメージを拡大した図である。プロジェクターの描画イメージは、圧電体回折格子の凹凸で５本の櫛歯を形成し、この５本の櫛歯で１ビットの場合は、５×１０８０＝５４００（本）で縦１ラインを同時に描画し、横方向にはスキャンすることで対応する。

図４に示すように、プロジェクターは、赤色レーザ光２７ａを出射する第１のレーザ（図示せず）と、緑色レーザ光２８ａを出射する第２のレーザ（図示せず）と、青色レーザ光２９ａを出射する第３のレーザ（図示せず）と、赤色レーザ用圧電体回折格子１８と、緑色レーザ用圧電体回折格子１９と、青色レーザ用圧電体回折格子２０と、光源多重フィルタ２１，２２と、レンズ２３と、シュリーレンフィルタ２４と、ミラー２５と、ミラー２５をスキャン動作させるスキャン機構２６とを具備する。

赤色レーザ用圧電体回折格子１８、緑色レーザ用圧電体回折格子１９及び青色レーザ用圧電体回折格子２０それぞれは、第１の実施形態で説明した圧電体回折格子である（図１及び図２参照）。

第１のレーザにより出射された赤色レーザ光２７ａを赤色レーザ用圧電体回折格子１８の凹凸が形成されたミラー膜によって反射させ、その反射光２７ｂを光源多重フィルタ２１によって反射させ且つ光源多重フィルタ２２を透過させ、レンズ２３及びシュリーレンフィルタ２４を通してミラー２５によって反射させ、その第１の反射光を画像形成面３０に照射し、且つ第２のレーザにより出射された緑色レーザ光２８ａを緑色レーザ用圧電体回折格子１９の凹凸が形成されたミラー膜によって反射させ、その反射光２８ｂを光源多重フィルタ２１，２２、レンズ２３及びシュリーレンフィルタ２４を通してミラー２５によって反射させ、その第２の反射光を画像形成面３０に前記第１の反射光に重ねて照射し、且つ第３のレーザにより出射された青色レーザ光２９ａを青色レーザ用圧電体回折格子２０の凹凸が形成されたミラー膜によって反射させ、その反射光２９ｂを光源多重フィルタ２２によって反射させ、レンズ２３及びシュリーレンフィルタ２４を通してミラー２５によって反射させ、その第３の反射光を画像形成面３０に前記第１の反射光及び前記第２の反射光に重ねて照射する。

このとき、赤色レーザ用圧電体回折格子１８、緑色レーザ用圧電体回折格子１９及び青色レーザ用圧電体回折格子２０それぞれの上部Ｐｔ電極１４は、例えば３２４０本（３×１０８０）形成されていることが好ましい。つまり、上部Ｐｔ電極１４が３本で１画素を形成し、画像形成面３０に形成される画像の縦方向の画素数が１０８０である場合、上部Ｐｔ電極１４が３２４０本形成されていれば、縦方向の１ラインの画像を同時に描画することができる。この際、圧電体回折格子のミラー膜の表面に形成される凹凸の段差が画素毎に調整される。

そして、スキャン機構２６によってミラー２５を例えば１９２０のスキャン動作させることで、画像形成面３０に１枚の画像を形成する。つまり、上記のように１回の照射で縦方向の１ラインの画像を同時に描画し、スキャン機構２６によってミラー２５を横方向に１９２０のスキャン動作させることで、画像形成面３０には縦方向に１０８０画素で横方向に１９２０画素の１枚の画像を形成することができる。

なお、上記のスキャン動作を繰り返すことにより、画像形成面３０に動画を形成することも可能である。

（第３の実施形態）
図６は、本実施形態による表示装置を示す正面図である。図７は、図６に示す表示装置の断面図である。図８は、図７に示す圧電体回折格子の構造を説明するための図であり、表示装置の一画素を示す拡大図である。

図６〜図８に示すように、表示装置は、白色光源（例えば蛍光管、有機ＥＬ）３６を有しており、この白色光源３６上に複数の画素がマトリックス状に配置されている。

前記画素は、図７に示すように、赤色カラーフィルタ３７上に形成され、白色光源３６により発した光を赤色カラーフィルタ３７を通して透過させる第１の圧電体回折格子と、緑色カラーフィルタ３８上に形成され、白色光源３６により発した光を緑色カラーフィルタ３８を通して透過させる第２の圧電体回折格子と、青色カラーフィルタ３９上に形成され、白色光源３６により発した光を青色カラーフィルタ３９を通して透過させる第３の圧電体回折格子とを有している。

第１乃至第３の圧電体回折格子それぞれの基本構造は第１の実施形態と同様である。詳細には、第１乃至第３の圧電体回折格子それぞれは、下部透明電極４０と、この下部透明電極４０上に形成された透明圧電体膜４１と、この透明圧電体膜４１上に形成された上部透明電極４２とを有している。

各画素それぞれは、図８に示すように、赤色カラーフィルタ３７、緑色カラーフィルタ３８及び青色カラーフィルタ３９を有しており、それぞれのカラーフィルタに対する下部透明電極４０は共通電極とされ、それぞれのカラーフィルタに対する上部透明電極４２は３本の電極を有している。

上記表示装置は、下部透明電極４０と上部透明電極４２とに電圧を印加して透明圧電体膜４１を曲げることで、透明圧電体膜４１の表面に凹凸を形成し、透明圧電体膜４１を透過させた光の干渉色を、前記凹凸を形成した透明圧電体膜４１によって変化させることができる。つまり、カラーフィルタ３７〜３９の色と前記凹凸の段差を調整することによって様々な色の光を出すことができ、様々な色の光を用いることにより画像等を表示することができる。

なお、赤色カラーフィルタ３７上に形成された第１の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、赤色カラーフィルタ３７を通した光の波長の１／４以下であることが好ましい。また、緑色カラーフィルタ３８上に形成された第２の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、緑色カラーフィルタ３８を通した光の波長の１／４以下であることが好ましい。また、青色カラーフィルタ３９上に形成された第３の圧電体回折格子の前記凹凸の最大段差は、青色カラーフィルタ３９を通した光の波長の１／４以下であることが好ましい。

図９は、図８に示す一画素をマトリックス状に配置した表示装置の圧電体回折格子の全体図である。１画素における各カラーフィルタ上を通る３本の上部透明電極４２それぞれは、Ｌ（ライン）／Ｓ（スペース）が２０μｍであり、長さが０．３ｍｍである。また、１画素における各カラーフィルタ上を通る１本の下部透明電極４０は、Ｌ（幅）が１００μｍであり、長さが０．３ｍｍである。上部透明電極４２の長さを幅に比べて長くしているのは、透明圧電体膜４１の表面に形成される凹凸による段差の高さ（距離）をより高くするためである。即ち、圧電による駆動距離を稼ぐためである。

なお、図９に示す幅や長さなどの具体的数値は、単なる一例であり、適宜変更することも可能である。また、各カラーフィルタ上を通る上部透明電極４２の本数も単なる一例であり、適宜変更することも可能である。

本実施形態による表示装置は、図９に示す圧電体回折格子、カラーフィルタ、図７に示す光源３６の他に、各画素において圧電体回折格子によって形成される凹凸を制御する制御機構（図示せず）などを有しているが、図６〜図９に示すもの以外については公知の技術を用いれば良い。

本実施形態による表示装置を用いた表示方法の一例は次のとおりである。
上記の制御機構によって一画素ずつ各圧電体回折格子の凹凸を制御し、一画素ずつ色を順番に表示するというチェーン駆動を行うことにより、表示装置に画像又は動画を表示することが可能となる。一画素ずつ各圧電体回折格子の凹凸を制御するには、上部透明電極４２と下部透明電極４０とに電圧を印加して透明圧電体膜を曲げることで、この透明圧電体膜の表面に凹凸を形成すれば良い。この凹凸を形成した透明圧電体膜によって透過させた光の干渉色を変化させることができ、一画素において所定の色を表示することができる。

１１…絶縁膜
１２…下部Ｐｔ電極
１３…PZT厚膜
１４…上部Ｐｔ電極
１５…層間絶縁膜
１６…ミラー膜
１７…圧電体回折格子
１８…赤色レーザ用圧電体回折格子
１９…緑色レーザ用圧電体回折格子
２０…青色レーザ用圧電体回折格子
２１，２２…光源多重フィルタ
２３…レンズ
２４…シュリーレンフィルタ
２５…ミラー
２６…スキャン機構
２７ａ…赤色レーザ光
２７ｂ…反射光
２８ａ…緑色レーザ光
２８ｂ…反射光
２９ａ…青色レーザ光
２９ｂ…反射光
３０…画像形成面
３６…白色光源（蛍光管、有機ＥＬ）
３７…赤色カラーフィルタ
３８…緑色カラーフィルタ
３９…青色カラーフィルタ
４０…下部透明電極
４１…透明圧電体膜
４２…上部透明電極

Claims

第１の絶縁膜上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極上に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極及び前記圧電体膜の上に形成され、平坦化された第２の絶縁膜と、
前記平坦化された第２の絶縁膜上に形成されたミラー膜と、
を具備し、
前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加して前記圧電体膜を曲げることで、前記ミラー膜の表面に凹凸を形成し、前記凹凸を形成した前記ミラー膜によって光を反射させて干渉色を変化させることを特徴とする圧電体回折格子。
請求項１において、
前記凹凸の最大段差は、前記光の波長の１／４以下であることを特徴とする圧電体回折格子。
請求項２において、
前記第２の電極は、複数のライン状電極がストライプ状に配置されていることを特徴とする圧電体回折格子。
赤色レーザ光を出射する第１のレーザと、
緑色レーザ光を出射する第２のレーザと、
青色レーザ光を出射する第３のレーザと、
第１の圧電体回折格子と、
第２の圧電体回折格子と、
第３の圧電体回折格子と、
ミラーと、
前記ミラーをスキャン動作させるスキャン機構と、
を具備し、
前記第１乃至第３の圧電体回折格子それぞれは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電体回折格子であり、
前記第１のレーザにより出射された赤色レーザ光を前記第１の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第１の反射光を画像形成面に照射し、且つ前記第２のレーザにより出射された緑色レーザ光を前記第２の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第２の反射光を前記画像形成面に前記第１の反射光に重ねて照射し、且つ前記第３のレーザにより出射された青色レーザ光を前記第３の圧電体回折格子の前記凹凸が形成された前記ミラー膜によって反射させ、その反射光を前記ミラーによって反射させ、その第３の反射光を前記画像形成面に前記第１の反射光及び前記第２の反射光に重ねて照射し、且つ前記スキャン機構によって前記ミラーをスキャン動作させることで、前記画像形成面に画像を形成することを特徴とするプロジェクター。