JPH11212002A - 空間光変調器および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変形可能なミラー要素を支持する構造による
光の遮蔽、散乱がない変形可能ミラーデバイスを備えた
空間光変調器を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板１１２上に透明絶縁膜１０９、
共通電極膜１０８、圧電膜１０７および画素電極膜１０
６を積層して２次元アレイ状のミラー要素を形成する。
その後、Ｓｉ基板をエッチングして基板除去部１１３を
形成してミラー要素を変形可能とする。ガラス基板１０
１上に形成された薄膜トランジスタ１０２に、バンプ１
０５を介してミラー要素を接続する。照明光は、ガラス
基板１０１を通してミラー要素に照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間光変調器とし
て用いることができる変形可能ミラーデバイスの構造お
よびそれを用いた投写型表示装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電薄膜を電極薄膜で挟持した構
造から成るミラー膜構造において、薄膜トランジスタな
どの能動素子によって圧電薄膜に電圧を印加してミラー
膜構造を変形させ、そのミラー膜構造の変形によってミ
ラー膜構造に入射する光を変調する変形可能ミラーデバ
イスとして、ミラー膜構造が形成されているミラー基板
と、能動素子が形成されている能動素子基板を互いに貼
り合わせた構造が考案されていた。

【０００３】この構造を図７を用いて説明する。図７は
変形可能ミラーデバイスを構成する幾つかの変形可能ミ
ラー要素の断面図である。

【０００４】ミラー基板は、シリコン（Ｓｉ）基板１１
２上に変形可能ミラー要素１１１Ａ、１１１Ｂが二次元
アレイ状に配置されて構成される。シリコン基板１１２
の表面に透明絶縁膜１０９、共通電極膜１０８、圧電膜
１０７および画素電極膜１０６が積層されてミラー膜構
造が形成されるが、ミラー膜構造を変形可能とするため
に、変形領域に対応する部分のシリコン基板はエッチン
グされ、基板除去部１１３が形成される。

【０００５】能動素子基板は、ガラス基板１０１上に薄
膜トランジスタ１０２が形成されて構成される。

【０００６】ミラー基板と能動素子基板は、変形可能ミ
ラー要素と薄膜トランジスタとを一画素ごとに対応させ
て貼り合わされる。変形可能なミラー要素を変形させる
ために、薄膜トランジスタにより生成される駆動電圧を
圧電膜１０７に供給する必要がある。このため、ミラー
基板に形成されたミラー膜構造を薄膜トランジスタに対
向させ、薄膜トランジスタのドレイン電極１０３とミラ
ー膜構造を構成する画素電極膜１０６とを電気的に接続
するバンプ１０５を介して、両基板が貼り合わされる。

【０００７】このような構造の変形可能ミラーデバイス
において照明光７０１をミラー基板側から入射させる場
合、この照明光はシリコン基板に設けられた基板除去部
１１３から入射し、ミラー膜構造で反射された反射光７
０２は再び基板除去部から射出されることとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の変形可能ミラーデバイスでは、シリコン基板に形成
された基板除去部が光を遮ったり、不要な反射を生じさ
せる原因となるので、光変調のコントラストの低下をも
たらすという問題点があった。

【０００９】シリコン基板は、製造工程における取り扱
いが容易になるようにある程度の厚さ（１００μｍ〜２
００μｍ）が必要である。ところが、一画素、すなわち
一つの変形可能ミラー要素の大きさを小さくしていく
と、基板除去部の開口に比べて深さが深くなってしま
う。たとえば、シリコン基板の厚みを１００μｍ、基板
除去部の開口を５０μｍとすると、深さは開口の２倍に
もなる。

【００１０】本発明はこのような問題点を解決するもの
で、ミラー膜構造に電圧を印加するトランジスタを透明
基板上に形成される薄膜トランジスタとし、この透明基
板を通してミラー膜構造に照明光を入射させることによ
り、ミラー膜構造を支えているシリコン基板による光の
遮蔽をなくし、光変調のコントラストを高めることを目
的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の空間光変
調器は、圧電薄膜と該圧電薄膜を挟持する電極薄膜とか
ら成り、前記圧電薄膜に電圧を印加することによって曲
面状に変形可能なミラー要素の配列と、透明基板から成
る能動素子基板上に形成された能動素子の配列と、前記
ミラー要素の各々に対応して前記能動素子の各々を電気
的に接続する構造とを備えた空間光変調器において、照
明光を前記能動素子基板を通して前記ミラー要素に照射
させることを特徴とする。

【００１２】上記構成によれば、ミラー要素を支持する
構造体がない方から照明光をミラー要素に照射できるの
で、光の遮蔽や不要な散乱あるいは反射が生じない、明
るくコントラストが高い空間光変調器を構成できるとい
う効果を有する。

【００１３】請求項２記載の空間光変調器は、請求項１
記載の空間光変調器において、前記能動素子基板の前記
照明光の入射側に、前記ミラー要素の各々に対応したレ
ンズ要素の配列から成るレンズアレイが配置され、前記
レンズ要素の前記能動素子基板側の焦点が、前記ミラー
要素の変形時の近軸曲率中心の位置あるいはその近傍に
配置されていることを特徴とする。

【００１４】上記構成によれば、照明光をミラー要素の
変形領域に集中させることができるので、光の変調に寄
与しない非変形部を照明する光を抑制することができる
という効果を有する。

【００１５】請求項３記載の空間光変調器は、請求項２
記載の空間光変調器において、前記ミラー要素の各々に
対応してピンホールの配列が配置され、前記ピンホール
は、対応する各々の前記ミラー要素の変形時の近軸曲率
中心の位置あるいはその近傍に配置されていることを特
徴とする。

【００１６】上記構成によれば、光の変調のコントラス
トを向上させることができるという効果を有する。

【００１７】請求項４記載の投写型表示装置は、請求項
１乃至３のいずれか一項に記載の空間光変調器と、光源
と、該光源からの光を略平行な光に変換して前記空間光
変調器を照明する照明光学系と、前記空間光変調器で変
調されて生成された像を投写する光学系とを備えたこと
を特徴とする。

【００１８】上記構成によれば、空間光変調器での光の
遮蔽、不要な反射あるいは散乱が少ないので、明るく、
かつ、コントラストの高い投写型表示装置を構成できる
という効果を有する。

【００１９】請求項５記載の投写型液晶表示装置は、請
求項２に記載の空間光変調器と、光源と、該光源からの
光を略平行な光に変換して前記空間光変調器を照明する
照明光学系と、前記レンズアレイと投写レンズとの間に
配置されたレンズ系と、該レンズ系の焦点の位置あるい
は焦点の近傍に配置されたピンホールとを備えたことを
特徴とする。

【００２０】上記構成によれば、コントラストの高い投
写型表示装置を簡単な光学系で構成できるという効果を
有する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
に係る空間光変調器および投写型表示装置を添付の図面
を参照しながら説明する。

【００２２】（第１の実施形態）まず、図１、図２およ
び図３を用いて本発明の空間光変調器を構成する要素で
ある変形可能ミラーデバイスの構造を説明する。図１は
変形可能ミラーデバイスの一部の断面図である。図２は
変形可能ミラーデバイスを構成する要素であるミラー要
素の配列を示す斜視図および断面図である。図３は、ミ
ラー要素と、それを駆動するための薄膜トランジスタの
配列との接合を説明するための斜視図である。

【００２３】ガラス基板１０１上に薄膜トランジスタ１
０２が例えば６４０素子×４８０素子の２次元アレイ状
に形成されている。薄膜トランジスタ１０２のドレイン
電極１０３には金をメッキした後、所望のパターンにエ
ッチングされたバンプ１０５が形成されている。バンプ
１０５の高さは２０μｍ程度であり、圧電膜１０７を挟
持する一方の電極薄膜、すなわち画素電極膜１０６に接
続されている。

【００２４】画素電極膜１０６と、薄膜トランジスタ１
０２が形成されているガラス基板上の薄膜構造との間に
はエアギャップ（空隙）１１０がある。

【００２５】ミラー膜構造は、透明絶縁膜１０９、共通
電極膜１０８、圧電膜１０７、画素電極膜１０６の積層
構造から成っている。共通電極膜１０８、圧電膜１０７
および画素電極膜１０６の厚みは全体で１μｍ程度であ
る。

【００２６】薄膜トランジスタ１０２によってミラー膜
構造の画素電極膜１０６に電圧が印加されると圧電膜１
０７が変形し、変形しているミラー要素１１１Ａのよう
に湾曲する。一方、薄膜トランジスタ１０２によって電
圧を印加されていない場合には変形していないミラー要
素１１１Ｂのように、ミラー膜構造はほぼ平坦となって
いる。

【００２７】共通電極膜１０８は各画素に対する共通の
電極である。

【００２８】続いて、図２および図３を用いて変形可能
ミラーデバイスの製造方法を説明する。

【００２９】まず、ミラー膜構造の製造方法を図２を用
いて説明する。シリコン基板１１２上に、透明絶縁膜１
０９となるシリコン熱酸化膜を形成する。その上に共通
電極膜１０８となるプラチナ（Ｐｔ）等の金属薄膜を形
成する。その上に圧電膜１０７となるジルコン酸チタン
酸鉛（ＰＺＴ）膜を形成する。次に、圧電膜の特性を出
すために熱アニーリングを行なう。熱アニーリング工程
が必要なので、基板としては耐熱性の基板が必要とな
る。次に画素電極膜１０６となるプラチナ（Ｐｔ）等の
金属薄膜を形成する。続いて、空間光変調器の画素に対
応する独立したミラー要素１１１を形成するために、画
素電極膜１０６と圧電膜１０２を所望の画素形状にエッ
チングする。

【００３０】薄膜トランジスタとミラー要素との間の電
気的な接続をとるためのバンプ１０５は、電極パッド２
０１で画素電極膜１０６と接続される。変形領域をでき
るだけ円形とするために、電極パッド２０１とミラー要
素の変形領域との間は細いパターンとなっている。

【００３１】続いて、ミラー要素を変形可能とするため
にミラー膜構造の下部にあるシリコン基板をエッチング
して基板除去部１１３を形成する。

【００３２】図２では、ミラー要素の形状は円形であ
り、従って、ミラー要素が変形する領域は円形である。
圧電膜に電圧が印加されるとミラー要素は球面状に変形
（湾曲）する。なお、一つのミラー要素に一つの薄膜ト
ランジスタが対応して接続されるので、薄膜トランジス
タの配列が６４０×４８０であればミラー要素の配列の
数も６４０×４８０となる。

【００３３】図３に薄膜トランジスタとミラー要素との
接続方法を示す。図２で説明したミラー要素を構成する
画素電極膜１０６を薄膜トランジスタ１０２の方に向け
て、電極パッド２０１が薄膜トランジスタ素子基板のバ
ンプ１０５に熱圧着される。

【００３４】以上のような工程で製造された変形可能ミ
ラーデバイスを空間光変調器として利用する例を図４に
示す。図４は空間光変調器の一部（３要素）だけの断面
図である。

【００３５】各ミラー要素に対してピンホール４１１お
よびマイクロレンズ要素４０１が光軸を一致させて配置
されている。ピンホール４１１は、ガラスなどの透明基
板４１３の表面に形成された遮光膜４１２に穴を開けて
形成され、透明基板４１３上に２次元アレイ状に配置さ
れてピンホールアレイ４１０を構成している。マイクロ
レンズ要素４０１も２次元アレイ状に配置されマイクロ
レンズアレイ４００を構成している。

【００３６】ピンホール４１１は、ミラー要素の変形形
状を球面で近似した場合の曲率中心あるいはその近傍に
配置される。また、ピンホール４１１は、マイクロレン
ズ要素４０１の焦点あるいはその近傍に配置される。

【００３７】マイクロレンズアレイ４００に対して照明
光４２０が照射される。照明光４２０としては平行光線
が望ましい。照明光４２０はマイクロレンズ要素４０１
によってピンホール４１１に集光され、ピンホールを通
過した後にミラー要素に入射し、反射される。薄膜トラ
ンジスタ１０２は、照明光を遮らない位置に形成され
る。

【００３８】変形していないミラー要素１１１Ｂで反射
された光のうち、光軸上の光は再びピンホール４１１を
通過してマイクロレンズ要素４０１を透過するが、その
他の光は発散して遮光膜４１２で遮光されてマイクロレ
ンズ要素４０１の方へは戻らない。

【００３９】一方、変形しているミラー要素１１１Ａで
反射した光は、ピンホール４１１を通過した後、マイク
ロレンズ要素４０１に入射し、ほぼ平行な光となってマ
イクロレンズ要素４０１から射出される。

【００４０】以上のような原理によって光を変調するこ
とができ、マイクロレンズアレイ４００を通して変形可
能ミラーデバイスを見ていると、変形していない画素
（１１１Ｂに対応）は暗く、変形している画素（１１１
Ａに対応）は明るく見える。

【００４１】なお、ミラー膜構造による光の反射率を向
上させるために、画素電極膜１０６を反射率の高いアル
ミニウムなどの薄膜とすること、あるいはプラチナなど
の薄膜の表面にアルミニウムなどの薄膜をさらに積層す
ることが望ましい。

【００４２】本発明の製造方法で製造された変形可能ミ
ラーデバイスは、照明光をさえぎる、あるいは不要な反
射光を生じさせる構造がないため、入射光を効率良く変
調できるという効果を有する。

【００４３】なお、薄膜トランジスタが形成されている
透明基板を光が通るため、その基板の両面に反射防止膜
を形成することにより、光の利用効率を高めることがで
きるとともに、コントラストを低下させる不要な反射光
を抑えることができる。

【００４４】本実施形態では、ミラー要素を支える構造
としてシリコン基板を残しているが、ミラー要素と薄膜
トランジスタとを接合した後でシリコン基板を全面に渡
って除去しても良い。

【００４５】（第２の実施形態）図５には、第１の実施
形態で説明した空間光変調器を用いた投写型表示装置の
主要な光学系の断面図を示す。図を見易くするために、
変形可能ミラーデバイスの構成は大幅に簡略化して描い
てある。

【００４６】メタルハライドランプなどの光源５０１か
ら放射された光を放物面鏡であるリフレクタ５０２で平
行性の良い光に変換し、ビームスプリッタ５０３で空間
光変調器の方へ反射させる。

【００４７】第１の実施形態で説明したように、変形し
ているミラー要素１１１Ａで反射された光はピンホール
４１１を通過してマイクロレンズアレイ４００、ビーム
スプリッタ５０３を経て投写レンズ５０４へ到達し、ス
クリーン５０５に結像される。一方、変形していないミ
ラー要素１１１Ｂで反射された光は、ほとんどが遮光膜
４１２で遮光されて投写レンズ５０４には到達しない。
このようにして、変形しているミラー要素で反射された
光がスクリーンに到達して画像を形成する。

【００４８】（第３の実施形態）図６には、第１の実施
形態で説明した空間光変調器とは異なる構成の空間光変
調器を用いた投写型表示装置の主要な光学系の断面図を
示す。図を見易くするために、変形可能ミラーデバイス
の構成は大幅に簡略化して描いてある。

【００４９】本実施形態の投写型表示装置で用いられて
いる空間光変調器は、第１の実施形態で説明した空間光
変調器と比べて、マイクロレンズ要素の焦点と変形可能
ミラー要素の曲率中心がほぼ一致している構成は同じで
あるが、ピンホールの構成が異なっている。

【００５０】単一のピンホール６０１がレンズ６００の
焦点あるいはその近傍に配置されている。

【００５１】メタルハライドランプなどの光源５０１か
ら放射された光を放物面鏡であるリフレクタ５０２で平
行性の良い光に変換し、マイクロレンズアレイ４００を
通して変形可能ミラーデバイス１００を照明する。

【００５２】変形しているミラー要素１１１Ａで反射さ
れた光はマイクロレンズアレイ４００によってほぼ平行
な光となり、ビームスプリッタ５０３を透過した後にレ
ンズ６００で焦点に集光され、ピンホール６０１を通過
して投写レンズ６０２へ到達し、スクリーン５０５に結
像される。一方、変形していないミラー要素１１１Ｂで
反射された光はほとんどがピンホール６０１を通過する
ことができず、投写レンズ６０２に到達しない。このよ
うにして、変形しているミラー要素で反射された光だけ
がスクリーンに到達して画像を形成する。

【００５３】以上、第２あるいは第３の実施形態では一
つの空間光変調器を用いた投写型表示装置を説明した
が、本発明は複数の空間光変調器を用いてカラー画像を
投写する表示装置や、レンズを通して空間光変調器に生
成された画像の拡大された虚像を観察する表示装置など
への応用が可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上述べたように、能動素子を透明基板
上に形成し、その透明基板を通して変形可能なミラー要
素に照明光を照射することにより、ミラー膜構造を支え
る支持構造を持ちながら、その支持構造による光の遮
蔽、あるいは不要な反射を生じさせない、光利用効率の
高い空間光変調器を提供できるという効果を有する。

【００５５】また、その空間光変調器を用いて、光利用
効率が高い投写型表示装置を提供できるという効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変形可能ミラーデバイスの一部の断面
図。

【図２】本発明の変形可能ミラーデバイスを構成する要
素であるミラー要素の配列を示す斜視図および断面図。

【図３】本発明の変形可能ミラーデバイスにおいて、ミ
ラー要素と、それを駆動するための薄膜トランジスタの
配列との接合を説明するための斜視図。

【図４】本発明の空間光変調器の一部の断面図。

【図５】本発明の空間光変調器を用いた投写型表示装置
の主要な光学系の断面図。

【図６】第１の実施形態で説明した空間光変調器とは異
なる構成の空間光変調器を用いた本発明の投写型表示装
置の主要な光学系の断面図。

【図７】従来の空間光変調器を構成する変形可能ミラー
デバイスの一部分の断面図。

【符号の説明】

１００、７００ 変形可能ミラーデバイス １０１ ガラス基板 １０２ 薄膜トランジスタ １０３ ドレイン電極 １０４ 透明絶縁膜 １０５ バンプ １０６ 画素電極膜 １０７ 圧電膜 １０８ 共通電極膜 １０９ 透明絶縁膜 １１０ エアギャップ １１１Ａ 変形しているミラー要素 １１１Ｂ 変形していないミラー要素 １１２ Ｓｉ基板 １１３ 基板除去部 ２０１ 電極パッド ３０１ 信号ドライバ回路 ３０２ 信号線 ３０３ 走査ドライバ回路 ３０４ 走査線 ４００ マイクロレンズアレイ ４０１ マイクロレンズ要素 ４１０ ピンホールアレイ ４１１ ピンホール ４１２ 遮光膜 ４１３ 透明基板 ４２０ 照明光 ５０１ 光源 ５０２ リフレクタ ５０３ ビームスプリッタ ５０４、６０２ 投写レンズ ５０５ スクリーン ６００ レンズ ６０１ ピンホール ７０１ 照明光 ７０２ 反射光

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電薄膜と該圧電薄膜を挟持する電極薄
   膜とから成り、前記圧電薄膜に電圧を印加することによ
   って曲面状に変形可能なミラー要素の配列と、透明基板
   から成る能動素子基板上に形成された能動素子の配列
   と、前記ミラー要素の各々に対応して前記能動素子の各
   々を電気的に接続する構造とを備えた空間光変調器にお
   いて、照明光を前記能動素子基板を通して前記ミラー要
   素に照射させることを特徴とする空間光変調器。
2. 【請求項２】 前記能動素子基板の前記照明光の入射側
   に、前記ミラー要素の各々に対応したレンズ要素の配列
   から成るレンズアレイが配置され、前記レンズ要素の前
   記能動素子基板側の焦点が、前記ミラー要素の変形時の
   近軸曲率中心の位置あるいはその近傍に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調器。
3. 【請求項３】 前記ミラー要素の各々に対応してピンホ
   ールの配列が配置され、前記ピンホールは、対応する各
   々の前記ミラー要素の変形時の近軸曲率中心の位置ある
   いはその近傍に配置されていることを特徴とする請求項
   ２記載の空間光変調器。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の
   空間光変調器と、光源と、該光源からの光を略平行な光
   に変換して前記空間光変調器を照明する照明光学系と、
   前記空間光変調器で変調されて生成された像を投写する
   光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の空間光変調器と、光源
   と、該光源からの光を略平行な光に変換して前記空間光
   変調器を照明する照明光学系と、前記レンズアレイと投
   写レンズとの間に配置されたレンズ系と、該レンズ系の
   焦点の位置あるいは焦点の近傍に配置されたピンホール
   とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。