JPH11249037A - Spatial optical modulator and display optical device using same - Google Patents

Spatial optical modulator and display optical device using same

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JPH11249037A
JPH11249037A JP10063876A JP6387698A JPH11249037A JP H11249037 A JPH11249037 A JP H11249037A JP 10063876 A JP10063876 A JP 10063876A JP 6387698 A JP6387698 A JP 6387698A JP H11249037 A JPH11249037 A JP H11249037A
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JP
Japan
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light
reflected
mirror
reflector
critical angle
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JP10063876A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsushi Nakano
勝志 中野
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain the spatial optical modulator which has small secular changes even when restrictions on the quantity of incident light are large and heat is generated by a structure owing to light irradiation and can represent the intermediate quantity of light easily, and the display optical device using the spatial optical modulator. SOLUTION: The light from a lamp 1 is passed through a lens 2 and a deflecting plate 3 and reflected by a polarization beam splitter 4 to pass through a 1/4-wavelength plate 5. This illumination light lightens up a spatial optical modulator array 6 almost vertically. The illumination light made incident on the spatial optical modulator 6a is reflected vertically to become luminous flux 10, which is made incident on a critical- angle prism 7. This reflected luminous flux 10 is reflected by the critical-angle prism and not made incident on the display optical system. The reflected luminous flux 11 from the spatial optical modulating element 6 is reflected at a certain angle from the normal of the substrate. Consequently, the reflected luminous flux 11 does not meet the total reflection conditions and is partially transmitted through the critical- angle prism 7 and projected on an image formation point 13 on a screen 9 by the image forming lens 8 of the display optical system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、通過する光のオン
オフ及び光の量を一次元又は二次元的に制御する空間光
変調器及びそれを用いた表示光学装置に関するものであ
る。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a spatial light modulator for controlling one-dimensionally or two-dimensionally the on / off of light passing therethrough and the amount of light, and to a display optical device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体製造技術を利用して、様々
な微小機械の研究開発が活発に行われている。面内に微
小なミクロサイズミラーを集積化した光学素子について
も研究の成果が活用されている。従来報告されている微
小光学素子では、十数μm角の金属ミラーを基板面上に
多数個集積し、これらのミラーを基板上に設けた電極と
ミラー間の静電気力により駆動してミラーの角度を変化
させ、個々のミラーの反射角度を制御する方式が用いら
れている。(例えば、Technical Diegest of the14th S
ensor Symposium,1996,pp297.) 図7は、従来の微小光学素子の概略断面構造を示す図で
ある。基板71上に電極層72を設け、電極層72上に
トーションヒンジ76で支えられた可動ミラー部を形成
する。可動ミラー部は、駆動電極膜73とポスト部75
で連結された反射ミラー部74とから構成されている。
片側の電極層72に電圧を印加すると駆動電極膜73が
基板71側に引き寄せられ、トーションヒンジ76を中
心にした回転力が発生し、反射ミラー部74が傾く。こ
れにより反射ミラーに入射した光の反射方向が制御され
る。特定の反射方向に反射した光のみを投影することに
より投影機用の光学素子として利用できる。
2. Description of the Related Art In recent years, various micromachines have been actively researched and developed utilizing semiconductor manufacturing technology. The results of research have also been applied to optical elements that have microscopic mirrors integrated in a plane. In the conventional micro-optical element, a large number of metal mirrors each having a size of several tens of μm are integrated on a substrate surface, and these mirrors are driven by an electrostatic force between the electrodes provided on the substrate and the mirrors, and the angle of the mirror is adjusted. And the reflection angle of each mirror is controlled. (For example, Technical Diegest of the 14th S
ensor Symposium, 1996, pp297.) FIG. 7 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a conventional micro optical element. An electrode layer 72 is provided on a substrate 71, and a movable mirror portion supported by a torsion hinge 76 is formed on the electrode layer 72. The movable mirror section includes the drive electrode film 73 and the post section 75.
And a reflection mirror unit 74 connected by a.
When a voltage is applied to one of the electrode layers 72, the drive electrode film 73 is attracted to the substrate 71 side, and a rotational force is generated about the torsion hinge 76, whereby the reflection mirror portion 74 is inclined. Thereby, the reflection direction of the light incident on the reflection mirror is controlled. By projecting only light reflected in a specific reflection direction, it can be used as an optical element for a projector.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のマイクロミラーは、光のオンオフのために反射
ミラー面を20°にも及ぶ大きな角度にわたって駆動さ
せなければない。そのため、反射ミラーを保持する機構
としてトーションバネを用いた非常に複雑な素子構造を
とらざるをえず、作成のプロセスが大変難しい。また、
反射ミラーをトーションバネという柔らかい構造体で支
えなければならないということで、入射する光強度に制
限がある。その理由は、強い光をミラーに入射させると
ミラー自身の温度が上昇し、それがトーションバネ等の
複雑で柔らかい構造体を熱膨張により歪ませてしまうた
めである。さらに、前述したマイクロミラーは、光のオ
ンオフというデジタル制御のみ可能であり、中間の明る
さを表現するためにはオンオフを断続的に繰り返し、オ
ンの時間とオフの時間の比を変える必要がある。そのた
め、前述のミラーを駆動する駆動回路も複雑になってい
る。
However, in the above-described conventional micromirror, the reflecting mirror surface must be driven over a large angle of as much as 20 ° to turn on and off light. Therefore, a very complicated element structure using a torsion spring as a mechanism for holding the reflection mirror is inevitable, and the production process is very difficult. Also,
Since the reflection mirror must be supported by a soft structure such as a torsion spring, the intensity of incident light is limited. The reason is that when strong light is incident on the mirror, the temperature of the mirror itself rises, which distorts a complicated and soft structure such as a torsion spring due to thermal expansion. Furthermore, the above-mentioned micromirror can only perform digital control of turning light on and off, and in order to express intermediate brightness, it is necessary to repeat on and off intermittently and change the ratio of on time to off time . Therefore, a driving circuit for driving the above-mentioned mirror is also complicated.

【0004】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、入射光の光量の制約が大きく、光照射で生ずる
構造体の発熱が生じても経時変化が少なく、かつ簡単に
中間的光量を表現することが可能な微小空間光変調器及
びそれを用いた表示光学装置を提供することを課題とす
る。
The present invention has been made in view of such circumstances, and the amount of incident light is greatly restricted. Even if heat generation of the structure caused by light irradiation occurs, there is little change with time, and the intermediate light amount can be easily obtained. It is an object of the present invention to provide a small spatial light modulator capable of expressing the above and a display optical device using the same.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第1の手段は、反射光の反射方向を変更する反射体を
設け、前記反射体からの反射光を臨界角プリズムに入射
させ、前記反射体で反射光の反射方向を変更することに
より、光の通過、非通過を制御することを特徴とする空
間光変調器(請求項1)である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a reflector for changing a reflection direction of reflected light, the reflected light from the reflector being incident on a critical angle prism, A spatial light modulator (Claim 1) characterized in that passing or non-passing of light is controlled by changing a reflection direction of reflected light by the reflector.

【0006】本手段においては、反射体の角度が変更さ
れて反射光の反射方向が変更される。臨界角プリズム
は、入射する反射光の方向に応じて、プリズム面に入射
する光の入射角が臨界角を超えたり超えなかったりする
ように、前記反射光の反射方向との相対関係が調整され
ている。よって、プリズム面に入射する光の入射角が臨
界角を超えた場合は、光はプリズム面で全反射されてプ
リズム面を透過しない。プリズム面に入射する光の入射
角が臨界角以下である場合には、光はプリズム面を透過
する。これを利用して、光のオン・オフを制御すること
ができる。
In this means, the angle of the reflector is changed to change the reflection direction of the reflected light. In the critical angle prism, the relative relationship with the reflection direction of the reflected light is adjusted so that the incident angle of light incident on the prism surface does not exceed or does not exceed the critical angle according to the direction of the incident reflected light. ing. Therefore, when the incident angle of light incident on the prism surface exceeds the critical angle, the light is totally reflected on the prism surface and does not pass through the prism surface. When the incident angle of the light incident on the prism surface is equal to or smaller than the critical angle, the light transmits through the prism surface. By using this, it is possible to control on / off of light.

【0007】オン・オフ制御された光としては、臨界角
プリズムを通過した光、臨界角プリズムで反射された光
の内どちらを使用してもよいが、臨界角プリズムを透過
した光を用いると、オフの場合の光量を完全にゼロとす
ることができて好ましい。
As the light whose on / off is controlled, any of light passing through the critical angle prism and light reflected by the critical angle prism may be used, but light transmitted through the critical angle prism is used. In this case, it is preferable that the light amount in the off state can be made completely zero.

【0008】本手段においては、臨界角付近での光の反
射率の変化を利用しているため、わずかの入射角の変化
により光のオン・オフを制御することができる。
In this means, since the change in the reflectance of light near the critical angle is used, ON / OFF of the light can be controlled by a slight change in the incident angle.

【0009】前記課題を解決するための第2の手段は、
前記第1の手段であって、前記反射体の角度を調整する
ことにより、前記臨界角プリズムを通過・反射する光の
量を併せて制御することを特徴とするもの(請求項2)
である。
[0009] A second means for solving the above-mentioned problems is as follows.
The first means, wherein the amount of light passing / reflecting through the critical angle prism is also controlled by adjusting the angle of the reflector (claim 2).
It is.

【0010】臨界角プリズムの臨界角付近では、プリズ
ムを通過する光の量が、急峻ではあるが連続的に変化す
る。よって、反射体の角度を調整することにより、臨界
角プリズムのプリズム面への入射角を臨界角付近で調整
するようにすれば、臨界角プリズムを通過する光の光
量、又は臨界角プリズムで反射する光のオン・オフと共
に、光の量(明るさ)そのものを調整することができ
る。
In the vicinity of the critical angle of the critical angle prism, the amount of light passing through the prism changes steeply but continuously. Therefore, if the angle of incidence of the critical angle prism on the prism surface is adjusted near the critical angle by adjusting the angle of the reflector, the amount of light passing through the critical angle prism or reflected by the critical angle prism The amount of light (brightness) itself can be adjusted together with turning on / off the light.

【0011】前記課題を解決するための第3の手段は、
前記第1の手段又は第2の手段であって、前記反射体
が、基板上に設けられた電極と、前記基板上に設けられ
た支柱上に片側を支えられて前記基板に略平行に設けら
れた可撓性のミラーとを有してなり、前記ミラー又は前
記ミラーの支持体を導電性部材としたことを特徴とする
もの(請求項3)である。
A third means for solving the above-mentioned problem is as follows.
The first means or the second means, wherein the reflector is provided substantially parallel to the substrate, with one side supported on an electrode provided on the substrate and a column provided on the substrate. And a flexible mirror provided thereon, and the mirror or a support of the mirror is a conductive member (claim 3).

【0012】この手段においては、基板上に設けられた
電極と導電性のミラー又は導電性のミラー支持体とに、
同極性又は異極性の電位を与えることにより、導電性ミ
ラー又は導電性のミラー支持体がクーロン力により撓
み、光の反射方向を変化させることができる。後述する
ように、この手段に係る反射体は、マイクロマシニング
工程を使用して製造することができるので、微細で高集
積度の2次元配列を持ったものを容易に製造することが
できる。
In this means, an electrode provided on the substrate and a conductive mirror or a conductive mirror support are provided.
By applying a potential of the same polarity or a different polarity, the conductive mirror or the conductive mirror support bends due to Coulomb force, and can change the light reflection direction. As will be described later, since the reflector according to this means can be manufactured using a micromachining process, a reflector having a fine and highly integrated two-dimensional array can be easily manufactured.

【0013】前記課題を解決するための第4の手段は、
光源と、偏光板と、偏光ビームスプリッタと、1/4波
長板と、反射体と、臨界角プリズムと、投影レンズとを
順次有してなり、前記光源からの光は、偏光板→偏光ビ
ームスプリッタ→1/4波長板→反射体→1/4波長板
→偏光ビームスプリッタ→臨界角プリズム→投影レンズ
の順に前記各機器を通過して、投影対象に投影され、前
記反射体の像が投影対象に結像されると共に、前記反射
体の角度を調整することにより、そこからの光の反射方
向を変更し、前記臨界角プリズムを通過・反射する光の
量を制御する空間光変調器を用いたことを特徴とする表
示光学装置(請求項4)である。
A fourth means for solving the above-mentioned problem is as follows.
A light source, a polarizing plate, a polarizing beam splitter, a quarter-wave plate, a reflector, a critical angle prism, and a projection lens. The light from the light source is a polarizing plate → a polarizing beam. The beam passes through the devices in the order of a splitter, a quarter-wave plate, a reflector, a quarter-wave plate, a polarizing beam splitter, a critical angle prism, and a projection lens. A spatial light modulator that forms an image on an object, adjusts the angle of the reflector, changes the reflection direction of light therefrom, and controls the amount of light passing / reflecting through the critical angle prism. A display optical device, wherein the display optical device is used.

【0014】光源からの光は、偏光板で直線偏光とさ
れ、偏光ビームスプリッタに入り、90°方向を変更さ
れ、さらに1/4波長板で円偏光とされて反射体で反射
される。この反射光は、再び1/4波長板を通過して直
線偏光とされ、偏光ビームスプリッタを直進した後、臨
界角プリズムに入射する。そして、反射体の角度に応じ
て臨界角プリズムへの入射角が変化するので、それに応
じて臨界角プリズムを透過・反射する光量が変化した
り、透過・反射する光がオン・オフしたりする。臨界角
プリズムを透過又は反射した光は、投影レンズにより、
スクリーン等の投影対象に投影され、反射体の像を投影
対象に結像する。
The light from the light source is converted into linearly polarized light by a polarizing plate, enters a polarizing beam splitter, is changed in direction by 90 °, is further converted into circularly polarized light by a quarter-wave plate, and is reflected by a reflector. This reflected light passes through the quarter-wave plate again to become linearly polarized light, travels straight through the polarizing beam splitter, and then enters the critical angle prism. Then, since the angle of incidence on the critical angle prism changes according to the angle of the reflector, the amount of light transmitted and reflected by the critical angle prism changes, and the light transmitted and reflected changes on and off accordingly. . Light transmitted or reflected by the critical angle prism is projected by a projection lens.
The image is projected onto a projection target such as a screen, and an image of the reflector is formed on the projection target.

【0015】投影レンズにより反射体の像が投影対象に
結像されるようになっているので、反射体からの光の反
射方向が多少変化しても、投影対象に結像される像の位
置は変わらない。また、反射体を複数設け、例えば2次
元アレイ状に配置しておけば、投影対象上で2次元の光
の光量制御、オンオフ制御を行うことができる。
Since the image of the reflector is formed on the projection object by the projection lens, even if the direction of reflection of light from the reflector slightly changes, the position of the image formed on the projection object is changed. Does not change. Further, if a plurality of reflectors are provided and arranged in a two-dimensional array, for example, two-dimensional light quantity control and on / off control can be performed on the projection target.

【0016】なお、必要に応じて、前述した光学機器の
要素の途中に、他のレンズ、他のビームスプリッタ、ス
リット等の他の光学機器を設けてもよく、このようなも
のも、請求項4の範囲に入ることはいうまでもない。
If necessary, another optical device such as another lens, another beam splitter, a slit, etc. may be provided in the middle of the above-mentioned components of the optical device. It goes without saying that it falls within the range of 4.

【0017】前記第1の手段から第4の手段のいずれに
おいても、臨界角プリズムに入射する光は、臨界角プリ
ズム面に対してP偏光であることが好ましい。ここで、
臨界角プリズム面というのは、臨界角プリズムの面のう
ち全反射を起こすプリズム面のことをいう。
In any of the first to fourth means, the light incident on the critical angle prism is preferably P-polarized with respect to the critical angle prism surface. here,
The critical angle prism surface refers to a prism surface that causes total reflection among the surfaces of the critical angle prism.

【0018】後に示すように、臨界角プリズム面におけ
る臨界角付近での反射率の変化は、S偏光に対してP偏
光の方が急峻である。よって、P偏光を使用することに
より、反射体のわずかの角度の変化で、光のオン・オフ
及び明るさの変化を制御することができる。
As will be described later, the change in reflectance near the critical angle on the critical angle prism surface is steeper for P-polarized light than for S-polarized light. Therefore, by using P-polarized light, it is possible to control the on / off of the light and the change in brightness with a slight change in the angle of the reflector.

【0019】また、前記第1の手段、第2の手段、又は
第4の手段のいずれにおいても、反射体として、可撓性
ミラーと当該可撓性ミラーと熱膨張率の異なる物質を貼
り合せ、さらにこれらに抵抗線を貼り合せたものを有し
てなるものを用いることができる。
In any one of the first means, the second means and the fourth means, a flexible mirror and a material having a different coefficient of thermal expansion from the flexible mirror are bonded as a reflector. Further, those having a resistance wire bonded to them can be used.

【0020】このようにすると、抵抗線に電流を通じる
と、可撓性ミラーと当該可撓性ミラーと熱膨張率の異な
る物質を貼り合せたものの温度が上昇し、熱膨張率の違
いにより可撓性ミラーが湾曲して、反射光の方向を変え
ることができる。この手段に係る反射体も、マイクロマ
シニング工程を使用して製造することができるので、微
細で高集積度の2次元配列を持ったものを容易に製造す
ることができる。
In this way, when an electric current is passed through the resistance wire, the temperature of the flexible mirror and a material obtained by bonding the flexible mirror and a material having a different coefficient of thermal expansion rises, and the difference in the coefficient of thermal expansion increases. The flexible mirror can bend to change the direction of the reflected light. Since the reflector according to this means can also be manufactured by using a micromachining process, it is possible to easily manufacture a reflector having a fine, highly integrated two-dimensional array.

【0021】さらに、、前記第1の手段、第2の手段、
又は第4の手段のいずれにおいても、反射体として、可
撓性ミラーと可撓性の圧電素子を貼り合せてなるものを
使用することができる。
Further, the first means, the second means,
Alternatively, in any of the fourth means, a reflector formed by laminating a flexible mirror and a flexible piezoelectric element can be used.

【0022】このようにすると、圧電素子に電圧をかけ
ることにより、圧電素子が伸縮し、これによって可撓性
ミラーが湾曲して、反射光の方向を変えることができ
る。この手段に係る反射体も、マイクロマシニング工程
を使用して製造することができるので、微細で高集積度
の2次元配列を持ったものを容易に製造することができ
る。
In this case, when a voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element expands and contracts, whereby the flexible mirror bends and the direction of the reflected light can be changed. Since the reflector according to this means can also be manufactured by using a micromachining process, it is possible to easily manufacture a reflector having a fine, highly integrated two-dimensional array.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の一
例を示す概要図である。図1において、1はランプ、2
はレンズ、3は偏光板、4は偏光ビームスプリッタ、5
は1/4波長板、6は空間光変調器アレイ、6a、6b
は空間光変調器アレイ6の要素であって、表面に角度が
可変なミラーを有する空間光変調素子、7は臨界角プリ
ズム、8は結像レンズ(投影レンズ)、9はスクリー
ン、10、11、12は光束、13は空間光変調素子6
bのミラーからの反射光の結像点である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a lamp, 2
Is a lens, 3 is a polarizing plate, 4 is a polarizing beam splitter, 5
Is a quarter-wave plate, 6 is a spatial light modulator array, 6a, 6b
Is an element of the spatial light modulator array 6, a spatial light modulator having a mirror whose surface is variable in angle, 7 is a critical angle prism, 8 is an imaging lens (projection lens), 9 is a screen, 10 and 11, , 12 is a light beam, 13 is a spatial light modulator 6
b is an image forming point of the reflected light from the mirror b.

【0024】ランプ1からの光はレンズ2でほぼ平行光
束とされ、偏向板3により直線偏光の光となる。その偏
向光は偏光ビームスプリッター4により反射され、1/
4波長板5を通過する。ここで直線偏光だった照明光は
円偏光に変わる。この照明光は空間光変調器アレイ6を
ほぼ垂直に照明する。
The light from the lamp 1 is converted into a substantially parallel light beam by the lens 2 and is converted into linearly polarized light by the deflecting plate 3. The deflected light is reflected by the polarization beam splitter 4, and
The light passes through the four-wavelength plate 5. Here, the linearly polarized illumination light changes to circularly polarized light. This illumination light illuminates the spatial light modulator array 6 almost vertically.

【0025】ここで空間光変調の各素子に反射された照
明光について考察する。図1中の空間光変調素子6aの
ミラーの表面は、入射する照明光とほぼ直交する状態に
ある。よって、この空間光変調素子6aのミラーに入射
した照明光は図1中の光束10のように空間光変調素子
6aのミラーの表面から垂直方向(入射方向)に反射さ
れる。この反射光は再び1/4波長板5を通過し直線偏
光となるが、その偏光方向は入射光の偏波面に対し直交
している。そのため反射光は偏光ビームスプリッター4
を透過し臨界角プリズム7に入射する。ここで、臨界角
プリズム7とは、このような空間光変調器アレイ6から
の垂直な反射光を全反射角付近で全反射するように角度
調整されたプリズムのことである。そのため、この反射
光束10は臨界角プリズムにより反射され、表示光学系
には入射しない。
Here, the illumination light reflected by each element of the spatial light modulation will be considered. The surface of the mirror of the spatial light modulator 6a in FIG. 1 is in a state substantially orthogonal to the incident illumination light. Therefore, the illumination light incident on the mirror of the spatial light modulator 6a is reflected in the vertical direction (incident direction) from the surface of the mirror of the spatial light modulator 6a as a light flux 10 in FIG. This reflected light passes through the quarter-wave plate 5 again to become linearly polarized light, and the polarization direction is orthogonal to the polarization plane of the incident light. Therefore, the reflected light is polarized beam splitter 4
And enters the critical angle prism 7. Here, the critical angle prism 7 is a prism whose angle is adjusted so that the vertical reflected light from the spatial light modulator array 6 is totally reflected near the total reflection angle. Therefore, the reflected light beam 10 is reflected by the critical angle prism and does not enter the display optical system.

【0026】一方、図1中の別の空間光変調素子6bの
ミラーからの反射光について考察してみる。この空間光
変調素子6bにおいては、図示したようにミラーは上向
きに角度が少し変化している。そのためこの空間光変調
素子6bのミラー表面からの反射光束11は入射方向か
らある角度を持って反射されることになる。その反射光
束は前述の反射光束と同様に、1/4波長板5を通過し
直線偏光となり、偏光ビームスプリッター4を透過し臨
界角プリズム7に入射する。ここでこの反射光束11は
前述の反射光束10に比べ、プリズム7の界面に、より
垂直に近い角度で入射することになる。すなわち、この
場合の入射角は臨界角よりも小さい角度となる。そのた
めこの反射光束11は全反射条件を満たさなくなり、臨
界角プリズム7を一部透過し始める。その臨界角プリズ
ム7を透過した反射光束11は表示光学系の結像レンズ
8によりスクリーン9上の結像点13に投影される。
On the other hand, consider the reflected light from the mirror of another spatial light modulator 6b in FIG. In the spatial light modulator 6b, the angle of the mirror slightly changes upward as shown in the figure. Therefore, the light beam 11 reflected from the mirror surface of the spatial light modulator 6b is reflected at a certain angle from the incident direction. The reflected light beam passes through the quarter-wave plate 5 to become linearly polarized light, passes through the polarization beam splitter 4, and enters the critical angle prism 7, similarly to the above-described reflected light beam. Here, the reflected light beam 11 is incident on the interface of the prism 7 at an angle closer to vertical than the reflected light beam 10 described above. That is, the incident angle in this case is smaller than the critical angle. Therefore, the reflected light beam 11 does not satisfy the condition of total reflection, and starts to partially pass through the critical angle prism 7. The reflected light beam 11 transmitted through the critical angle prism 7 is projected onto an image forming point 13 on the screen 9 by the image forming lens 8 of the display optical system.

【0027】空間光変調素子6bのミラーの傾斜角を更
に大きくした場合の反射光束を図1中の点線12で表
す。その反射光束12は前述の反射光束11と同様に、
1/4波長板5を通過し直線偏光となり、偏光ビームス
プリッター4を透過し臨界角プリズム7に入射する。こ
こでこの反射光束12は前述の反射光束11に比べ、臨
界角に設定されているプリズム7の界面にさらにより垂
直に近い角度で入射することになる。そのためこの反射
光束12は全反射条件をより満たさなくなり、臨界角プ
リズム7を大部分の反射光が透過することとなる。
The reflected light flux when the inclination angle of the mirror of the spatial light modulator 6b is further increased is indicated by a dotted line 12 in FIG. The reflected light flux 12 is similar to the above-described reflected light flux 11,
The light passes through the 波長 wavelength plate 5 and becomes linearly polarized light, passes through the polarization beam splitter 4, and enters the critical angle prism 7. Here, the reflected light beam 12 is incident on the interface of the prism 7 set at a critical angle at an angle closer to vertical than the reflected light beam 11 described above. Therefore, the reflected light flux 12 no longer satisfies the condition of total reflection, and most of the reflected light passes through the critical angle prism 7.

【0028】その臨界角プリズム7を大部分透過した反
射光束12は表示光学系の結像レンズ8によりスクリー
ン9に投影される。しかもスクリーン9に入射する反射
光12の強度は、ミラーの傾斜角が小さかった場合の反
射光11に比べ強度が高く、結像点13の明るさはより
明るくなる。その結像点13はミラーの角度があまり上
を向いていなかった場合の反射光11が作る結像点と同
じ場所となる。すなわち、結像レンズ8により、空間光
変調素子6bのミラーの像がスクリーン9上の結像点1
3に結像するように調整されているので、空間光変調素
子6bのミラーからの反射光の方向が変化しても、結像
点13の位置は変わらない。
The reflected light flux 12 which has largely passed through the critical angle prism 7 is projected on a screen 9 by an imaging lens 8 of a display optical system. Moreover, the intensity of the reflected light 12 incident on the screen 9 is higher than the intensity of the reflected light 11 when the mirror has a small inclination angle, and the brightness of the image forming point 13 becomes brighter. The image forming point 13 is the same as the image forming point formed by the reflected light 11 when the angle of the mirror is not so upward. That is, the image of the mirror of the spatial light modulator 6 b is changed by the imaging lens 8 to the image forming point 1 on the screen 9.
3, the position of the imaging point 13 does not change even if the direction of the reflected light from the mirror of the spatial light modulator 6b changes.

【0029】次に、臨界角プリズムによる反射と透過の
光量の入射角による変化を、図2を用いて説明する。図
2はプリズム面の反射率をプリズム界面への入射角に対
してプロットした図である。この図は、プリズムの屈折
率が1.54の場合のものである。この場合の臨界角は33.4
1°となる。ここで図の中に2つの曲線が描かれている
が、それぞれプリズム境界面に対し、入射する光がP偏
光(曲線p)かS偏光(曲線s)かで反射率に違いがあるか
らである。図2から、P偏光の入射光に対し臨界角付近
において急峻な反射率の変化が起こっているのが分か
る。よって、このP偏光を使うことにより、空間光変調
器のミラー面のわずかな傾きの変化により表示スクリー
ン上でのドットの明るさを大きく変化させることができ
る。
Next, the change in the amount of light reflected and transmitted by the critical angle prism depending on the incident angle will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram in which the reflectance of the prism surface is plotted against the angle of incidence on the prism interface. In this figure, the prism has a refractive index of 1.54. The critical angle in this case is 33.4
1 °. Here, two curves are drawn in the figure, because the reflectance is different depending on whether the incident light is P-polarized light (curve p) or S-polarized light (curve s) with respect to the prism boundary surface. is there. From FIG. 2, it can be seen that a sharp change in reflectance occurs near the critical angle with respect to the P-polarized incident light. Therefore, by using the P-polarized light, the brightness of the dots on the display screen can be largely changed by a slight change in the mirror surface of the spatial light modulator.

【0030】次に、前記実施例で用いた空間光変調素子
を図3を用いて説明する。図3(a)は本発明の実施の
形態に係る空間光変調器の概念斜視図である。図3にお
いて、21は基板、22はミラー、23は裏打ち層、2
4はポスト、24は電極である。
Next, the spatial light modulator used in the above embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a conceptual perspective view of the spatial light modulator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 3, 21 is a substrate, 22 is a mirror, 23 is a backing layer, 2
4 is a post and 24 is an electrode.

【0031】絶縁体の基板21上には、光を反射するこ
とにより変調するミラー22がポスト部24に支持され
ている。そのミラー22の裏面には、補強のための裏打
ち層23が裏打ちされている。ミラー22の角度を変化
させるために、基板21上には電極25が設けられてい
る。ミラー22の角度を微小に変化させて光を変調させ
る方法を図3(b)に示す。図3(b)において、ミラ
ー22を支えているポスト24は導電性を有しており、
ポスト24に支持されたミラー22と電気的に導通があ
る。
On a substrate 21 made of an insulator, a mirror 22 that modulates by reflecting light is supported by a post 24. The back surface of the mirror 22 is lined with a backing layer 23 for reinforcement. An electrode 25 is provided on the substrate 21 to change the angle of the mirror 22. FIG. 3B shows a method of modulating light by slightly changing the angle of the mirror 22. In FIG. 3B, the post 24 supporting the mirror 22 has conductivity.
There is electrical conduction with the mirror 22 supported on the post 24.

【0032】ここでそのミラー22と、ミラー22と対
向するように基板21上に設けられている電極25に同
極性の電荷(図では正電荷)を、電圧をかけることによ
り注入する(ポスト24と電極25とは絶縁されてい
る)。するとミラー22と電極25間にクーロン力が作
用しお互いに反発しあう。このクーロン力によりミラー
22の角度を微小に変化させることができる。もちろ
ん、ミラー22と電極25に異なる極性の電荷を与える
ことによって、両者の間に吸引力を働かせ、これによっ
てミラー22を変形させてもよい。
Here, charges of the same polarity (positive charges in the figure) are injected into the mirror 22 and the electrode 25 provided on the substrate 21 so as to face the mirror 22 by applying a voltage (post 24). And the electrode 25 are insulated). Then, a Coulomb force acts between the mirror 22 and the electrode 25 and repel each other. The angle of the mirror 22 can be minutely changed by this Coulomb force. Of course, by applying charges of different polarities to the mirror 22 and the electrode 25, an attractive force may be exerted between the two to deform the mirror 22.

【0033】また、ミラー22を導電性のものとせず、
裏打ち層23を導電性のものとして、これに電荷を与え
ても同様の作用効果を得ることができる。さらに、ポス
ト24を導電性とはせずに、別途ミラー22に配線を接
続し、当該配線によりミラー22に電位を与えてもよ
い。
Further, the mirror 22 is not made conductive,
The same operation and effect can be obtained even if the backing layer 23 is made of a conductive material and a charge is applied thereto. Further, a wiring may be separately connected to the mirror 22 without making the post 24 conductive, and a potential may be applied to the mirror 22 by the wiring.

【0034】また、前記実施の形態では、ミラーの駆動
にクーロン力を使ったが、その他にも、バイモルフアク
チュエータでも、PZT薄膜を使ったものでもかまわな
い。バイモルフアクチュエータを使用する場合には、ミ
ラーと熱膨張率が異なる物質をミラーに貼り合せ、か
つ、抵抗線を貼り合せる。そして、この抵抗線に通電す
ることにより、ミラー部を加熱すると、熱膨張率の違い
によりミラー部が湾曲して、光の反射方向が異なるよう
になる。PZT薄膜を使用する場合は、ミラーとPZT
薄膜を貼り合せ、PZT薄膜に電圧を印加すると、PZ
T薄膜が伸縮することにより、ミラー部が湾曲して光の
反射方向が異なるようになる。
In the above-described embodiment, the Coulomb force is used for driving the mirror. However, a bimorph actuator or a PZT thin film may be used. When a bimorph actuator is used, a substance having a different coefficient of thermal expansion from that of the mirror is attached to the mirror, and a resistance wire is attached. When the mirror portion is heated by energizing the resistance wire, the mirror portion is curved due to a difference in coefficient of thermal expansion, and the light reflection direction is different. When using a PZT thin film, a mirror and PZT
When a thin film is bonded and a voltage is applied to the PZT thin film, PZT
The expansion and contraction of the T thin film causes the mirror portion to bend and the light reflection direction to be different.

【0035】次に図4を用いて、この空間光変調器を2
x2セルのアレイとして動作させるときの電気回路を説
明する。図4において、31a〜31dは空間光変調器
の角素子を等価的にコンデンサとして表わしたもの、3
2は電圧供給回路、33、34はシフトレジスタ、35
a、35b、36a〜36dはトランジスタ、37、3
8はラインである。
Next, referring to FIG.
An electric circuit when operating as an array of x2 cells will be described. In FIG. 4, reference numerals 31a to 31d denote corner elements of the spatial light modulator equivalently as capacitors.
2 is a voltage supply circuit, 33 and 34 are shift registers, 35
a, 35b, 36a to 36d are transistors, 37, 3
8 is a line.

【0036】電圧供給回路32からの電圧を任意の空間
光変調器の各素子31a〜31dに印可するため、シフ
トレジスタ33と34がそれぞれ垂直方向と水平方向の
トランジスタにつながる配線に接続されている。シフト
レジスタ33からの出力により、トランジスタ35a、
35bのいずれかがオンとなると、電圧供給回路32の
電圧が、ライン37、38のいずれかに供給される。
In order to apply a voltage from the voltage supply circuit 32 to each element 31a to 31d of an arbitrary spatial light modulator, shift registers 33 and 34 are connected to wirings connected to vertical and horizontal transistors, respectively. . According to the output from the shift register 33, the transistors 35a,
When either of the switches 35b is turned on, the voltage of the voltage supply circuit 32 is supplied to one of the lines 37 and 38.

【0037】そのとき、シフトレジスタ34からの出力
により、トランジスタ36aと36c、又は36bと3
6dのいずれかがオンとなると、空間光変調器の各素子
31a〜31dのいずれかが選択され、電圧供給回路3
2の電圧が供給される。選択されなかった空間光変調器
の各素子31a〜31dの電荷は、対応するラインに設
けられたトランジスタがオフであるため流れ出すことが
できず、電位はそのままの状態に保たれる。
At this time, the transistors 36a and 36c or the transistors 36b and
6d is turned on, one of the elements 31a to 31d of the spatial light modulator is selected, and the voltage supply circuit 3
2 are supplied. The electric charge of each of the elements 31a to 31d of the spatial light modulator that is not selected cannot flow out because the transistor provided in the corresponding line is off, and the electric potential is kept as it is.

【0038】よって、シフトレジスタ33、34により
空間光変調器の各素子31a〜31dを選択し、そのと
きの電圧供給回路32の電圧を変えることにより、各空
間光変調器31a〜31dを制御することができる。
Therefore, the spatial light modulators 31a to 31d are controlled by selecting the respective elements 31a to 31d of the spatial light modulator by the shift registers 33 and 34 and changing the voltage of the voltage supply circuit 32 at that time. be able to.

【0039】なお、空間変調器としてn×nセルのアレ
イとして動作させる場合も、各セルを動作させる数のト
ランジスタとビット数を持ったシフトレジスタを用いれ
ば、同様に各空間変調器の各素子を制御することができ
る。
In the case where the spatial modulator is operated as an array of n × n cells, similarly, if a transistor for operating each cell and a shift register having a bit number are used, each element of each spatial modulator is similarly used. Can be controlled.

【0040】次に、先に説明した本発明の実施の形態に
係る空間光変調素子の製造方法の例を図5、図6を用い
て説明する。
Next, an example of a method of manufacturing the spatial light modulator according to the embodiment of the present invention described above will be described with reference to FIGS.

【0041】まず、半導体基板として、厚さ250μm、
(100)面方位のシリコン単結晶基板40の上面に、
前述した電気回路である空間光変調器を順次駆動するこ
とのできるトランジスタ回路を形成する。このプロセス
は図には示していない。次にリフトオフ法により、空間
光変調器を駆動する対向電極25を形成する(a)。
First, as a semiconductor substrate, a thickness of 250 μm,
On the upper surface of the silicon single crystal substrate 40 having the (100) plane orientation,
A transistor circuit which can sequentially drive the spatial light modulator which is the above-described electric circuit is formed. This process is not shown in the figure. Next, the counter electrode 25 for driving the spatial light modulator is formed by the lift-off method (a).

【0042】次に、減圧CVD法により、シリコン基板
上面に厚さ2.5μmのポリシリコン層41を成長させ
る。ここでこのポリシリコン層41はn型あるいはp型
にドープされており、電気伝導を有する。その上にレジ
スト42を塗布する(b)。
Next, a polysilicon layer 41 having a thickness of 2.5 μm is grown on the upper surface of the silicon substrate by a low pressure CVD method. Here, the polysilicon layer 41 is doped n-type or p-type and has electric conductivity. A resist 42 is applied thereon (b).

【0043】次に、フォトリソグラフィーにより上面に
成長させたポリシリコン層41を、空間光変調器の支持
体24となる部分以外を残すようにパターニングしエッ
チングする(c)。
Next, the polysilicon layer 41 grown on the upper surface by photolithography is patterned and etched so as to leave a portion other than the portion serving as the support 24 of the spatial light modulator (c).

【0044】その後レジスト43をパターニングされた
ポリシリコンの支持体24の上に塗布すると、(d)に
示すように平坦化される。
Thereafter, when a resist 43 is applied on the patterned polysilicon support 24, it is planarized as shown in FIG.

【0045】次に、レジスト43、ポリシリコン24が
同じレートでエッチングされる条件でドライエッチング
によりレジスト層43とポリシリコン24をエッチバッ
クし、支持体の上面44を露出させる(e)。
Next, the resist layer 43 and the polysilicon 24 are etched back by dry etching under the condition that the resist 43 and the polysilicon 24 are etched at the same rate, thereby exposing the upper surface 44 of the support (e).

【0046】そして支持体24上面44に、空間光変調
器のミラーの補強材としてn型あるいはp型にドープさ
れたポリシリコン層45を500nm、減圧CVDにより
成長させる。その上に、空間光変調器のミラーとして金
46を約300nm、蒸着法により成長させる。その後基
板上面にレジスト47を塗布し(f)、フォトリソグラ
フィーにより空間光変調器のミラー部分以外の領域をエ
ッチングにより除去する(g)。
Then, an n-type or p-type doped polysilicon layer 45 as a reinforcing material for the mirror of the spatial light modulator is grown on the upper surface 44 of the support 24 by low-pressure CVD to a thickness of 500 nm. A gold layer 46 of about 300 nm is grown thereon by a vapor deposition method as a mirror of the spatial light modulator. Thereafter, a resist 47 is applied to the upper surface of the substrate (f), and a region other than the mirror portion of the spatial light modulator is removed by photolithography by etching (g).

【0047】最後にレジスト43、47をアッシングに
より取り去って、空間光変調器のアレイが完成する
(h)。
Finally, the resists 43 and 47 are removed by ashing to complete an array of spatial light modulators (h).

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、臨界角
付近でプリズムの透過率が急激に変化することを利用し
ている。そのため空間光変調器のミラーを微小角度変化
だけで表示スクリーン上のドットの表示をコントロール
することができ、従来のDMDのように20°もの大き
な角度ミラーを駆動させる必要がない。
As described above, the present invention utilizes the fact that the transmittance of the prism changes abruptly near the critical angle. Therefore, the display of dots on the display screen can be controlled only by a small angle change of the mirror of the spatial light modulator, and there is no need to drive a large angle mirror as large as 20 ° unlike the conventional DMD.

【0049】入射光がP偏光の場合、ミラーの角度を1
°変化させるだけでプリズムの透過率が約90%変化す
る。そのため、空間光変調器自体の剛性を高くしてもこ
の角度変化をクーロン力、バイモルフアクチュエータ
ー、PZT薄膜アクチュエーター等により容易に実現す
ることができる。
When the incident light is P-polarized light, the angle of the mirror is set to 1
Only by changing the angle, the transmittance of the prism changes by about 90%. Therefore, even if the rigidity of the spatial light modulator itself is increased, this angle change can be easily realized by the Coulomb force, the bimorph actuator, the PZT thin film actuator, and the like.

【0050】また、空間光変調器の剛性を高くできるも
う1つの利点として、入射光の光強度を上げて、空間光
変調器が熱膨張等の影響を受けるとしてもその影響は小
さい。そのため表示を明るくすることができる。よっ
て、この表示素子をプロジェクターとして利用する場
合、たとえば屋内の照明を暗くしないと表示が見えない
等の不便がない。
As another advantage that the rigidity of the spatial light modulator can be increased, even if the spatial light modulator is affected by thermal expansion or the like by increasing the light intensity of the incident light, the effect is small. Therefore, the display can be brightened. Therefore, when this display element is used as a projector, for example, there is no inconvenience such that the display cannot be seen unless the indoor lighting is darkened.

【0051】さらに、本発明においては、臨界角プリズ
ムを使用しているので、ミラーの角度を微小に変化させ
ることにより中間的明るさの表示を容易に実現できる。
そのため、従来のDMDのようにミラーを周期的にオン
オフし、そのオンの時間とオフの時間の比により中間的
光量を表現するような複雑な表示素子の駆動が必要な
い。
Further, in the present invention, since the critical angle prism is used, display of intermediate brightness can be easily realized by slightly changing the angle of the mirror.
Therefore, there is no need to drive a complicated display element such as a conventional DMD that periodically turns on and off a mirror and expresses an intermediate light amount by a ratio of the on time to the off time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の一例を示す概要図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of the present invention.

【図2】プリズム界面への入射角と反射率の関係を示す
図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the angle of incidence on the prism interface and the reflectance.

【図3】本発明の実施の形態に係る空間光変調器の概要
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an outline of a spatial light modulator according to an embodiment of the present invention.

【図4】空間光変調器を動作させるときの電気回路の例
を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an electric circuit when operating a spatial light modulator.

【図5】本発明の実施の形態に係る空間光変調素子の製
造方法の例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a method for manufacturing a spatial light modulator according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態に係る空間光変調素子の製
造方法の例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method for manufacturing a spatial light modulator according to an embodiment of the present invention.

【図7】従来の微小光学素子の概略断面構造を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a conventional micro optical element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ランプ、2…レンズ、3…偏光板、4…偏光ビーム
スプリッタ、5…1/4波長板、6…空間光変調器アレ
イ、6a、6b…空間光変調素子、7…臨界角プリズ
ム、8…結像レンズ(投影レンズ)、9…スクリーン、
10、11、12…光束、13…空間光変調素子6bの
ミラーからの反射光の結像点、21…基板、22…ミラ
ー、23…裏打ち層、24…ポスト、24…電極、31
a〜31d…空間光変調器、32…電圧供給回路、3
3、34…シフトレジスタ、35a、35b、36a〜
36d…トランジスタ、37、38…ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lamp, 2 ... Lens, 3 ... Polarizing plate, 4 ... Polarizing beam splitter, 5 ... 1/4 wavelength plate, 6 ... Spatial light modulator array, 6a, 6b ... Spatial light modulating element, 7 ... Critical angle prism, 8: imaging lens (projection lens), 9: screen,
Reference numerals 10, 11, 12: light flux, 13: imaging point of light reflected from the mirror of the spatial light modulator 6b, 21: substrate, 22: mirror, 23: backing layer, 24: post, 24: electrode, 31
a to 31d: spatial light modulator, 32: voltage supply circuit, 3
3, 34 shift registers, 35a, 35b, 36a to
36d: transistor, 37, 38 ... line

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反射光の反射方向を変更する反射体を設
け、前記反射体からの反射光を臨界角プリズムに入射さ
せ、前記反射体で反射光の反射方向を変更することによ
り、光の通過、非通過を制御することを特徴とする空間
光変調器。
1. A reflector for changing the direction of reflection of reflected light is provided, light reflected from the reflector is made incident on a critical angle prism, and the direction of reflection of light reflected by the reflector is changed. A spatial light modulator characterized by controlling passage and non-passage.
【請求項2】 前記反射体の角度を調整することによ
り、前記臨界角プリズムを通過・反射する光の量を併せ
て制御することを特徴とする請求項1に記載の空間光変
調器。
2. The spatial light modulator according to claim 1, wherein the amount of light passing / reflecting through the critical angle prism is controlled by adjusting the angle of the reflector.
【請求項3】 前記反射体が、基板上に設けられた電極
と、前記基板上に設けられた支柱上に片側を支えられて
前記基板に略平行に設けられた可撓性のミラーとを有し
てなり、前記ミラー又は前記ミラーの支持体を導電性部
材としたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載
の空間光変調器。
3. The reflector comprises: an electrode provided on a substrate; and a flexible mirror supported on one side on a support provided on the substrate and provided substantially parallel to the substrate. The spatial light modulator according to claim 1, wherein the mirror or a support of the mirror is a conductive member.
【請求項4】 光源と、偏光板と、偏光ビームスプリッ
タと、1/4波長板と、反射体と、臨界角プリズムと、
投影レンズとを順次有してなり、前記光源からの光は、
偏光板→偏光ビームスプリッタ→1/4波長板→反射体
→1/4波長板→偏光ビームスプリッタ→臨界角プリズ
ム→投影レンズの順に前記各機器を通過して、投影対象
に投影され、前記反射体の像が投影対象に結像されると
共に、前記反射体の角度を調整することにより、そこか
らの光の反射方向を変更し、前記臨界角プリズムを通過
・反射する光の量を制御する空間光変調器を用いたこと
を特徴とする表示光学装置。
4. A light source, a polarizing plate, a polarizing beam splitter, a quarter-wave plate, a reflector, a critical angle prism,
And a projection lens sequentially, the light from the light source,
Polarizing plate → polarizing beam splitter → 1/4 wavelength plate → reflector → 1/4 wavelength plate → polarizing beam splitter → critical angle prism → projection lens A body image is formed on a projection target, and the angle of the reflector is adjusted to change the direction of light reflected therefrom and control the amount of light passing / reflecting through the critical angle prism. A display optical device using a spatial light modulator.
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