WO2009153876A1 - 反射型光変調装置 - Google Patents

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WO2009153876A1
WO2009153876A1 PCT/JP2008/061252 JP2008061252W WO2009153876A1 WO 2009153876 A1 WO2009153876 A1 WO 2009153876A1 JP 2008061252 W JP2008061252 W JP 2008061252W WO 2009153876 A1 WO2009153876 A1 WO 2009153876A1
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light
refractive index
dielectric multilayer
multilayer film
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PCT/JP2008/061252
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Inventor
寧 大林
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浜松ホトニクス株式会社
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133553Reflecting elements

Definitions

  • the present invention relates to a reflection type light modulation device.
  • a reflection type liquid crystal (LCoS (registered trademark): Liquid crystal on silicon) device As a reflection type light modulation device, a reflection type liquid crystal (LCoS (registered trademark): Liquid crystal on silicon) device is known.
  • the reflective liquid crystal device includes a plurality of pixel electrodes arranged two-dimensionally, a conductive light transmission layer, and a liquid crystal layer (light modulation layer) disposed between the plurality of pixel electrodes and the conductive light transmission layer.
  • an electric field is formed between any pixel electrode and the conductive light transmitting layer to cause a modulation effect on the liquid crystal layer.
  • a dielectric multilayer film is provided between the liquid crystal layer and the plurality of pixel electrodes in order to increase the light reflectance and obtain a light image with higher brightness.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a liquid crystal light valve (LCLV) having a reflective liquid crystal structure.
  • the dielectric multilayer film described in Non-Patent Document 1 is formed by alternately laminating a plurality of Si layers and SiO 2 layers having an optical film thickness of ⁇ / 4 ( ⁇ : wavelength of incident light).
  • the dielectric multilayer film described in Non-Patent Document 2 is formed by alternately laminating a plurality of TiO 2 layers and SiO 2 layers having an optical film thickness of ⁇ / 4.
  • U. Efron et al. “Silicon liquid crystal light valves: status and issues”, Optical Engineering, November, December 1983, Vol.22, No.6, pp.682-686 (1983)
  • A. Jacobson et al. “A real-time optical data processing device”, Information Display, Vol. 12, September 1975, PP.17-22 (1975)
  • a dielectric multilayer film laminated on the surface of a glass substrate or the like is used in a conventional reflective liquid crystal device. And by increasing the number of layers, a high reflectance of over 99% is obtained. For example, in order to obtain 99% or more reflectivity at the dielectric multilayer film on the glass substrate, 13 layers with TiO 2 / SiO 2, and requires 19 layers with HfO 2 / SiO 2, reflectivity 99.8% or more to obtain the 17 layers with TiO 2 / SiO 2, it requires a 25-layer with HfO 2 / SiO 2.
  • the dielectric multilayer film is disposed between the liquid crystal layer and the pixel electrode, the electric field formed between the pixel electrode and the conductive light transmission layer is applied not only to the liquid crystal layer but also to the dielectric multilayer film. Is done. If the number of dielectric multilayer films increases, the thickness (physical film thickness) of the dielectric multilayer films increases and the ratio of the electric field applied to the dielectric multilayer films increases, so the electric field applied to the liquid crystal layer Efficiency will decrease.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a reflection type light modulation device including a dielectric multilayer film capable of realizing a high reflectance while suppressing a decrease in electric field application efficiency to the light modulation layer. For the purpose.
  • a reflection type light modulation device modulates light for each of a plurality of pixels arranged two-dimensionally and outputs a light image forward while reflecting light incident from the front.
  • a reflective light modulation device comprising: a conductive light transmission layer including a conductive material that transmits light; a plurality of metal pixel electrodes that are two-dimensionally arranged along the conductive light transmission layer; A light modulation layer that is disposed between the pixel electrode and the conductive light transmission layer and modulates light according to an electric field formed by each pixel electrode and the conductive light transmission layer, and is formed on the plurality of pixel electrodes.
  • a dielectric multilayer film formed on a glass substrate is used.
  • the dielectric multilayer film is formed on the plurality of metal pixel electrodes.
  • the high reflectance of a metal surface can be utilized.
  • the present inventors first formed a low refractive index layer (first layer) on the metal surface, and then formed a high refractive index layer (second layer).
  • the reflection type light modulation device described above the physical film thickness of the dielectric multilayer film can be made thinner than before, and the reduction in the electric field application efficiency to the light modulation layer can be suppressed, and a sufficiently high reflectance can be obtained. This can be realized to increase the light extraction efficiency.
  • the reflection-type light modulation device is a reflection-type light modulation device that modulates light for each of a plurality of two-dimensionally arranged pixels and outputs a light image forward while reflecting light incident from the front.
  • a conductive light-transmitting layer including a conductive material that transmits light, a plurality of metal pixel electrodes that are two-dimensionally arranged along the conductive light-transmitting layer, and the plurality of pixel electrodes and the conductive light transmitting layer.
  • a light modulation layer that is disposed between the pixel electrodes and modulates light according to an electric field formed by each pixel electrode and the conductive light transmission layer, and a dielectric multilayer film formed on the plurality of pixel electrodes.
  • the dielectric multilayer film includes a third layer in contact with the pixel electrode, a first layer having a refractive index lower than that of the third layer and in contact with the third layer, and a refractive index higher than that of the first layer.
  • the optical thickness of the third layer is ( ⁇ / 2) ⁇ n (n is odd), where ⁇ is the wavelength of light. ) And wherein the substantially equal.
  • the optical film thickness of the third layer is substantially ⁇ / 2 ⁇ n (n is an odd number). By making them equal, the influence on the reflectance can be made extremely small. Therefore, by forming a dielectric multilayer film starting from the low refractive index layer (first layer) on the third layer, it is possible to realize substantially the same reflection characteristics as those of the reflection type light modulation device described above. it can.
  • the reflection type light modulation device of the present invention it is possible to increase the light extraction efficiency while suppressing a decrease in the electric field application efficiency to the light modulation layer.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a reflective liquid crystal device as an embodiment of a reflective light modulation device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view taken along the line II-II of the reflective liquid crystal device shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged side sectional view showing the configuration of the dielectric multilayer film.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing a configuration of a modification of the dielectric multilayer film.
  • 5A shows a mode in which (a) the first layer in contact with the aluminum substrate is a low refractive index film (SiO 2 ), and (b) the first layer in contact with the aluminum substrate is a high refractive index film (TiO 2 ). It is a figure which shows the form to do.
  • FIG. 6 is a graph showing the spectral reflectance when the dielectric multilayer film is not provided on the surface of the aluminum substrate.
  • FIG. 7 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of laminated multilayer dielectric films is 2, 4, 6, and 10 in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of layers is 4, 6, 10, and 14 in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 9 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of laminated multilayer dielectric films is 3, 5, 7, and 9 in the form shown in FIG. 5B.
  • FIG. 10 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of layers is 5, 9, 15 and 21 in the form shown in FIG. FIG.
  • FIG. 11 is a graph showing spectral reflectance characteristics when a SiO 2 film is provided on the surface of an aluminum substrate with various optical film thicknesses nd (50 [nm], 150 [nm], and 250 [nm]). is there.
  • 12A and 12B are diagrams showing a form in which (a) a layer in contact with the protective film is a low refractive index film (SiO 2 ), and (b) a form in which a layer in contact with the protective film is a high refractive index film (TiO 2 ). is there.
  • FIG. 13 is a graph showing the spectral reflectance when the optical film thickness of the protective film is 150 [nm] and the six-layer dielectric multilayer film is provided in the form shown in FIG. FIG.
  • FIG. 14 is a graph showing the spectral reflectance when the protective film has an optical film thickness of 150 [nm] and a five-layer dielectric multilayer film is provided in the form shown in FIG.
  • FIG. 15 shows a case where the optical film thickness of the protective film is 50 [nm] and the optical film thickness of the upper layer is 150 [nm] in the configuration shown in FIG. It is a graph which shows the spectral reflectance of the case where the optical film thickness of a certain low refractive index layer is 200 [nm].
  • FIG. 16 shows a case where the optical film thickness of the protective film is 50 [nm] in the form shown in FIG. 12B (that is, the optical film thickness of the low refractive index layer as the first layer is 50 [nm].
  • FIG. 17 shows a case where the optical film thickness of the protective film is 250 [nm] and the optical film thickness of the upper layer is 150 [nm] in the embodiment shown in FIG. It is a graph which shows the spectral reflectance of the case where the optical film thickness of a certain low refractive index layer is 400 [nm].
  • FIG. 18 shows a case where the optical film thickness of the protective film is 250 [nm] in the form shown in FIG. 12B (that is, the optical film thickness of the low refractive index layer which is the first layer is 250 [nm].
  • FIG. 17 shows a case where the optical film thickness of the protective film is 250 [nm] and the optical film thickness of the upper layer is 150 [nm] in the embodiment shown in FIG. It is a graph which shows the spectral reflectance of the case where the optical film thickness of a certain low refractive index layer is 400 [nm].
  • FIG. 18 shows a case where the optical film thickness of the
  • FIG. 19 shows (a) a form in which the layer in contact with the protective film (MgF 2 ) is a low refractive index film (SiO 2 ), and (b) a form in which the layer in contact with the protective film is a high refractive index film (TiO 2 ).
  • FIG. FIG. 20 is a diagram illustrating a state in which light L is incident on the dielectric multilayer film from an oblique direction.
  • FIG. 21 is a graph showing an example of the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the P-polarized component and the S-polarized component, and shows a case where a low refractive index layer (SiO 2 ) is disposed as the first layer on the aluminum substrate. ing.
  • FIG. 22 is a graph showing an example of the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the P-polarized component and the S-polarized component, and shows a case where a high refractive index layer (TiO 2 ) is disposed as the first layer on the aluminum substrate.
  • FIG. 23 is a graph showing the spectral reflection characteristics of the Nb 2 O 5 / SiO 2 dielectric multilayer film, and a low refractive index layer (SiO 2 , optical film thickness 150 [nm]) as the first layer on the aluminum substrate. It shows the case where is arranged.
  • FIG. 24 is a graph showing the spectral reflection characteristics in the Nb 2 O 5 / SiO 2 dielectric multilayer film, and a high refractive index layer (Nb 2 O 5 , optical film thickness 150 [nm] as the first layer on the aluminum substrate. ]) Is arranged.
  • FIG. 25 is a graph showing the measurement results of the spectral reflectance of the aluminum mirror.
  • FIG. 26 shows the result of measuring the reflectivity of the dielectric multilayer film formed on the aluminum mirror (solid line) in the case where the low refractive index layer (SiO 2 ) is disposed as the first layer in contact with the aluminum mirror, and this It is a graph which shows the calculation result (broken line) of the reflectance of a dielectric multilayer.
  • SYMBOLS 1 Reflective type liquid crystal device, 4 ... Pixel, 12 ... Silicon substrate, 14 ... Drive circuit layer, 16 ... Pixel electrode, 18, 28, 52 ... Dielectric multilayer film, 18a-18d, 28a-28d ... Low refractive index layer , 18e to 18h, 28e to 28h: high refractive index layer, 20 ... liquid crystal layer, 22 ... transparent conductive film, 24 ... transparent substrate, 30 ... aluminum substrate, 36, 46 ... protective film, 281 ... lower layer, 282 ... upper layer.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a reflective liquid crystal device as an embodiment of a reflective light modulation device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view taken along line II-II of the reflective liquid crystal device shown in FIG. In FIGS. 1 and 2, an XYZ orthogonal coordinate system is shown for ease of explanation.
  • the reflective liquid crystal device 1 according to the present embodiment includes a plurality of pixels 4 that are two-dimensionally arranged along two axes (X axis and Y axis) orthogonal to each other as shown in FIG.
  • the reflective liquid crystal device 1 is a device that outputs an arbitrary light image forward by modulating incident light for each pixel 4 while reflecting light incident from the front (Z-axis positive direction).
  • the reflective liquid crystal device 1 includes a silicon substrate 12, a drive circuit layer 14, a plurality of pixel electrodes 16, a dielectric multilayer film 18, a liquid crystal layer 20, a transparent conductive film 22, and a transparent substrate 24. Yes.
  • the transparent substrate 24 has a surface 24 a along the XY plane, and the surface 24 a constitutes the surface 10 a of the reflective liquid crystal device 1.
  • the transparent substrate 24 mainly includes a light transmissive material such as glass, and transmits light L having a predetermined wavelength incident from the surface 10 a of the reflective liquid crystal device 1 into the reflective liquid crystal device 1.
  • the transparent conductive film 22 is a conductive light transmission layer in the present embodiment.
  • the transparent conductive film 22 is formed on the back surface 24b of the transparent substrate 24, and mainly includes a conductive material (for example, ITO) that transmits the light L.
  • the plurality of pixel electrodes 16 are two-dimensionally arranged according to the arrangement of the plurality of pixels 4 shown in FIG. 1, and are arranged on the silicon substrate 12 along the transparent conductive film 22.
  • Each pixel electrode 16 is made of a metal material such as aluminum, and the surface 16a thereof is processed flat and smoothly.
  • the plurality of pixel electrodes 16 are driven by an active matrix circuit provided in the drive circuit layer 14.
  • the active matrix circuit is provided between the plurality of pixel electrodes 16 and the silicon substrate 12, and controls the voltage applied to each pixel electrode 16 according to the optical image to be output from the reflective liquid crystal device 1.
  • Such an active matrix circuit includes, for example, a first driver circuit that controls the applied voltage of each pixel column arranged in the X-axis direction and a second driver circuit that controls the applied voltage of each pixel column arranged in the Y-axis direction.
  • the driver circuit is configured such that a predetermined voltage is applied to the pixel electrode 16 of the pixel 4 designated by both driver circuits.
  • the liquid crystal layer 20 is a light modulation layer in the present embodiment.
  • the liquid crystal layer 20 is disposed between the plurality of pixel electrodes 16 and the transparent conductive film 22, and modulates the light L according to the electric field formed by each pixel electrode 16 and the transparent conductive film 22. That is, when a voltage is applied to a certain pixel electrode 16 by the active matrix circuit, an electric field is formed between the transparent conductive film 22 and the pixel electrode 16. This electric field is applied to each of the dielectric multilayer film 18 and the liquid crystal layer 20 at a ratio corresponding to the thickness of each. Then, the alignment direction of the liquid crystal molecules 20 a changes according to the magnitude of the electric field applied to the liquid crystal layer 20.
  • the light L passes through the transparent substrate 24 and the transparent conductive film 22 and enters the liquid crystal layer 20, the light L is modulated by the liquid crystal molecules 20 a while passing through the liquid crystal layer 20 and reflected by the dielectric multilayer film 18. Then, the light is again modulated by the liquid crystal layer 20 and taken out.
  • the dielectric multilayer film 18 is disposed between the plurality of pixel electrodes 16 and the liquid crystal layer 20.
  • the dielectric multilayer film 18 of the present embodiment is directly formed on the surfaces 16 a of the plurality of pixel electrodes 16.
  • the dielectric multilayer film 18 reflects the light L with a high reflectance of, for example, more than 99%, in cooperation with the light reflecting action of the surface 16a of the pixel electrode 16.
  • FIG. 3 is an enlarged side sectional view showing the configuration of the dielectric multilayer film 18.
  • the dielectric multilayer film 18 has a plurality of low refractive index layers 18a to 18d including a layer 18a (first layer) in contact with the pixel electrode 16, and a refractive index higher than that of the low refractive index layer 18a.
  • a plurality of high refractive index layers 18e to 18h including a layer 18e (second layer) in contact with the low refractive index layer 18a.
  • the low refractive index layers 18 a to 18 d and the high refractive index layers 18 e to 18 h are alternately stacked on the pixel electrode 16.
  • Examples of the constituent material of the low refractive index layers 18a to 18d include SiO 2 and MgF 2 , and it is particularly preferable that SiO 2 is mainly contained. Further, examples of the constituent material of the high refractive index layers 18e to 18h include TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , ZrO 2, and the like, and at least one of these materials should be included. Is preferred.
  • the number of stacked dielectric multilayer films 18 is eight (the low refractive index layers 18a to 18d and the high refractive index layers 18e to 18h are each four layers).
  • the number of layers 18 is 2 or more (that is, each of the low refractive index layer and the high refractive index layer is 1 layer or more) and 10 layers or less (that is, the low refractive index layer and the high refractive index layer are each 5 layers or less).
  • the number of stacked dielectric multilayer films is not limited to an even number, and may be an odd number. In this case, the dielectric film located closest to the liquid crystal layer 20 in the dielectric multilayer film 18 is a low refractive index layer. Also in the following embodiments, the number of stacked dielectric multilayer films 18 may be an even number or an odd number, but the dielectric film located closest to the liquid crystal layer 20 is preferably a high refractive index layer.
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 18a may be set to be substantially equal to ( ⁇ / 4) ⁇ n (n is an odd number).
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 18a is the incident angle of the light L inside the low refractive index layer 18a (that is, low
  • the relative angle between the direction in which the light L travels in the refractive index layer 18a and the layer thickness direction) is preferably set within a range of ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ 30%, where ⁇ is ⁇ .
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 18a may be set to be substantially equal to ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ n (n is an odd number).
  • the preferable value of the optical film thickness of the low refractive index layer 18a will be described in detail in Examples described later.
  • the reflective liquid crystal device 1 has the following effects.
  • the dielectric multilayer film 18 is formed on the plurality of metal pixel electrodes 16, the reflectance with respect to the light L can be increased using the high reflectance of the metal surface.
  • the low refractive index layer (first layer) 18a is first formed on the metal surface, and then the high refractive index layer (first layer).
  • the second layer 18e By laminating the second layer) 18e thereon, a sufficient reflectivity can be obtained with a significantly smaller number of layers as compared with the case where lamination is started from the high refractive index layer.
  • the physical film thickness of the dielectric multilayer film 18 can be made thinner than before, and the reduction in the electric field application efficiency to the liquid crystal layer 20 can be suppressed, and is sufficiently high. Reflectivity can be realized and light extraction efficiency can be increased.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view showing the configuration of the dielectric multilayer film 28 as a modification of the embodiment.
  • the reflective liquid crystal device 1 according to the above embodiment may include a dielectric multilayer film 28 shown in FIG. 4 instead of the dielectric multilayer film 18 shown in FIG.
  • the dielectric multilayer film 28 has a plurality of low refractive index layers 28a to 28d including a layer 28a (first layer) in contact with the pixel electrode 16, and a refractive index higher than that of the low refractive index layer 28a.
  • a plurality of high refractive index layers 28e to 28h including layers 28e (second layers) in contact with the refractive index layer 28a are alternately stacked.
  • the constituent materials of the low refractive index layers 28b to 28d and the high refractive index layers 28e to 28h excluding the low refractive index layer 28a are the low refractive index layers 18a to 18d and the high refractive index layers 18e to 18h shown in FIG. Same as 18h.
  • the low refractive index layer 28a of the present modification includes a lower layer 281 that is in contact with the pixel electrode 16, and an upper layer 282 that is sandwiched between the lower layer 281 and the high refractive index layer 28e.
  • the lower layer 281 and the upper layer 282 may be made of the same material, or may be made of different materials.
  • the constituent material of the lower layer 281 are illustrated for example SiO 2, MgF 2 may include the at least one kind of material.
  • the constituent material of the upper layer 282 is the same as that of the low refractive index layers 18a to 18d shown in FIG. 3, and it is particularly preferable that SiO 2 is mainly contained.
  • the configuration of the dielectric multilayer film 28 of the present modification is preferably applied when an insulating protective film is formed on the surface 16a of the pixel electrode 16, for example. That is, a protective film may be provided on the surface of a component made of a metal such as aluminum (pixel electrode 16 in this embodiment). Such a protective film is made of SiO 2 or MgF 2 which is a low refractive index material in most cases. Therefore, when the dielectric multilayer film 28 is manufactured, such a protective film is left on the surface 16a of the pixel electrode 16 as the lower layer 281 and a low refractive index material such as SiO 2 is formed thereon to form the upper layer 282. By doing so, the low refractive index layer 28a according to the present modification can be suitably obtained.
  • the protective film formed on the surface 16a of the pixel electrode 16 may be used as a part (the lower layer 281) of the low refractive index layer 28a. Even with such a configuration, an effect equivalent to that of the reflective liquid crystal device 1 of the above embodiment can be suitably obtained.
  • the number of laminated multilayer dielectric films 28 is preferably 2 or more and 10 or less, including the low refractive index layer 28a.
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 28a (that is, the sum of the optical film thickness of the lower layer 281 and the optical film thickness of the upper layer 282) is within the range of ( ⁇ / 4) ⁇ 30%, where ⁇ is the wavelength of the light L.
  • it may be set to be substantially equal to ( ⁇ / 4) ⁇ n (n is an odd number).
  • the optical film thickness of the low refractive index layer 28a is ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ 30, where ⁇ is the incident angle of the light L in the low refractive index layer 28a.
  • % Is preferably set, and may be set to be substantially equal to ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ n (n is an odd number).
  • the laminated form of the dielectric multilayer film as shown in FIG. 5A, the form A in which the first layer 32 in contact with the aluminum substrate 30 is a low refractive index film (SiO 2 ) and FIG. As shown, there is a form B in which the first layer 42 in contact with the aluminum substrate 30 is a high refractive index film (TiO 2 ).
  • FIG. 6 is a graph showing the spectral reflectance when the dielectric multilayer film is not provided on the surface of the aluminum substrate.
  • FIG. 7 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of laminated multilayer dielectric films is 2, 4, 6, and 10 in the form A shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of stacks is 4, 6, 10, and 14 in the form A.
  • FIG. 9 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of dielectric multilayer films is 3, 5, 7 and 9 in the form B shown in FIG. 5B.
  • FIG. 10 is a graph showing the spectral reflectance in each case where the number of layers is 5, 9, 15, and 21 layers in Form B.
  • the number of stacked layers is two (that is, one SiO 2 low refractive index layer and one TiO 2 high refractive index layer). It can be seen that the reflectance at a wavelength of 600 [nm] exceeds 95% and is larger than the reflectance of the aluminum substrate (see FIG. 6). As shown in FIGS. 7 and 8, reflection at a wavelength of 600 [nm] when the number of stacked layers is six (three each of a SiO 2 low refractive index layer and a TiO 2 high refractive index layer). The ratio exceeded 99%, and when the number of layers was 10 (5 layers each of a low refractive index layer of SiO 2 and a high refractive index layer of TiO 2 ), it was 99.8%.
  • Table 1 below is a table summarizing the number of laminated dielectric multilayer films, the reflectance, and the thickness (physical film thickness) in each of modes A and B. It should be noted that bold characters in Table 1 indicate preferable numerical values in the reflective liquid crystal device. As shown in Table 1, in Form B, if the number of stacked layers is 11 or more, the reflectivity is 99% or more, and if it is 15 or more, the reflectivity is 99.8% or more. Thus, it can be seen that even in the form B, if the number of stacked layers is increased, a sufficient reflectance can be obtained in the reflective liquid crystal device.
  • the thickness exceeds 0.9 [ ⁇ m]
  • the thickness exceeds 1.2 [ ⁇ m].
  • the electric field application efficiency to the liquid crystal layer (light modulation layer) decreases as described above, which is not preferable.
  • the reflectance is 99% or more even when the number of laminated layers is only 6 layers, and the reflectance becomes 99.8% or more when 10 layers are formed.
  • the thickness is about 0.5 [ ⁇ m] when the number of stacked layers is 6, and the thickness is about 0.8 [ ⁇ m] when the number of layers is 10, and the dielectric multilayer film can be configured to be extremely thin as compared with Form B. I understand.
  • a dielectric multilayer film is formed on an aluminum substrate, a high reflectance can be realized with a small number of layers, such as 10 layers or less.
  • a low refractive index layer is first formed on the surface of the aluminum substrate 30 as the first layer 32 as in the form A, and then the second layer.
  • a high refractive index layer 34 may be laminated thereon.
  • FIG. 11 is a graph showing spectral reflectance characteristics when a SiO 2 film is provided on the surface of an aluminum substrate with various optical film thicknesses nd (50 [nm], 150 [nm], and 250 [nm]). is there. Referring to FIG. 11, at a wavelength that is four times the optical film thickness nd, the reflectance when the SiO 2 film is provided on the aluminum substrate is compared with the reflectance of the aluminum surface due to the reflection reducing effect of the SiO 2 film. It is decreasing.
  • the SiO 2 film has little influence on the reflectance, and the reflectance when the SiO 2 film is provided on the aluminum substrate is equal to the reflectance of the aluminum surface.
  • the optical film thickness of the protective film is generally set to 1 ⁇ 2 of the wavelength used in order to prevent the reflectance from decreasing.
  • the protective film may be considered as part of the configuration of the dielectric multilayer film.
  • FIG. 12A a form C in which the layer 38 in contact with the protective film 36 is a low refractive index film (SiO 2 )
  • FIG. D there is a form D in which the layer 44 in contact with the protective film 36 is a high refractive index film (TiO 2 ).
  • the protective film 36 and the layer 38 constitute a low refractive index layer (first layer) in contact with the aluminum substrate.
  • the protective film 36 alone forms the low refractive index layer (first layer) in contact with the aluminum substrate. Layer).
  • FIG. 13 is a graph showing the spectral reflectance when the optical film thickness of the protective film 36 is 150 [nm] and a six-layer dielectric multilayer film is provided in Form C.
  • FIG. 14 is a graph showing the spectral reflectance when the protective film 36 has an optical film thickness of 150 [nm] and a five-layer dielectric multilayer film is provided in Form D. 13 and 14, the wavelength of incident light is assumed to be 600 [nm], and the optical film thickness of each layer constituting the dielectric multilayer film is set to 150 [nm].
  • the lamination starts from the high refractive index film (TiO 2 ).
  • Form D (see FIG. 12 (b)) has better spectral reflection characteristics than Form C (see FIG. 12 (a)), which has started to be laminated from a low refractive index film (SiO 2 ), and the wavelength of incident light.
  • the reflectance at ⁇ 600 [nm] increased.
  • the protective film 36 and the layer 38 constitute a low refractive index layer (first layer).
  • the optical film thicknesses of the protective film 36 and the layer 38 are ⁇ / 4, respectively.
  • the optical film thickness of this layer becomes ⁇ / 2 (300 [nm]), and the protective film 36 and the layer 38 hardly affect the reflectance. Therefore, the spectral reflection characteristics of Form C are substantially the same as those of Form B (see FIG. 5B) in which the first layer in contact with the aluminum substrate is a high refractive index film, and the characteristics are as shown in FIG. It is thought that.
  • FIG. 15 shows the case where the optical film thickness of the protective film 36 is set to 50 [nm] and the optical film thickness of the layer 38 is set to 150 [nm] in the embodiment C of the present embodiment (that is, the low thickness of the first layer). It is a graph which shows the spectral reflectance of the case where the optical film thickness of a refractive index layer is 200 [nm].
  • FIG. 16 shows the case where the optical film thickness of the protective film 36 is 50 [nm] in Embodiment D of the present embodiment (that is, the optical film thickness of the low refractive index layer as the first layer is 50 [nm]. ] Is a graph showing the spectral reflectance.
  • FIG. 16 shows the case where the optical film thickness of the protective film 36 is 50 [nm] in Embodiment D of the present embodiment (that is, the optical film thickness of the low refractive index layer as the first layer is 50 [nm]. ] Is a graph showing the spectral reflectance.
  • FIG. 17 shows a case where the optical film thickness of the protective film 36 is 250 [nm] and the optical film thickness of the layer 38 is 150 [nm] in the form C (that is, the low refractive index which is the first layer). It is a graph which shows the spectral reflectance of the case where the optical film thickness of a layer is 400 [nm].
  • FIG. 18 shows a case where the optical film thickness of the protective film 36 is 250 [nm] in the form D (that is, the optical film thickness of the low refractive index layer which is the first layer is 250 [nm]). ) Is a graph showing the spectral reflectance.
  • Table 3 to Table 5 show that the incident light wavelength ⁇ is 1550 [nm], 1200 [nm], 1000 [nm], 800 [nm], 600 [nm], and 400 [nm]. It is a table
  • the bold letters in Tables 3 to 5 indicate preferable numerical values in the reflective liquid crystal device.
  • the reflectance values are different for each wavelength. However, at any wavelength, if the optical film thickness of the low refractive index layer (first layer) is within a range of ⁇ 30% with respect to ⁇ / 4, sufficient reflectance can be obtained in the reflective liquid crystal device. I understand that
  • FIG. 19A a form E in which the layer 48 in contact with the protective film 46 (MgF 2 ) is a low refractive index film (SiO 2 ), and as shown in FIG. 19B, the protective film 46 is formed.
  • a form F in which the layer 50 in contact with the film is a high refractive index film (TiO 2 ).
  • the protective film 46 and the layer 48 constitute a low refractive index layer (first layer) in contact with the aluminum substrate, and in form F, only the protective film 46 is in contact with the aluminum substrate (low refractive index layer (first layer)).
  • Layer
  • a protective film is included in the low refractive index layer (first layer) in contact with the aluminum substrate, and the optical film thickness of the first layer is ⁇ / 4 ⁇ n (n is an odd number). It is shown that sufficient reflectivity can be obtained for the reflection type light modulation device. Further, it was shown that sufficient reflectance for the reflection type light modulation device can be obtained even when the optical film thickness of the first layer is within a range of ⁇ 30% with respect to ⁇ / 4.
  • Si 3 N 4 can also be considered as a constituent material of the protective film.
  • Si 3 N 4 has a refractive index of 2.0 to 2.1, and is classified as a high refractive index material in the dielectric multilayer film. As described above, it is preferable to arrange a low refractive index layer directly on the aluminum substrate.
  • a high refractive index protective film such as Si 3 N 4 is already provided, the protective film First, a high refractive index layer is formed thereon, and the optical film thickness of the high refractive index layer and the layer made of the protective film (third layer) is made substantially equal to ⁇ / 2 ⁇ n (n is an odd number).
  • the influence on the reflectance can be extremely reduced. Therefore, by forming a dielectric multilayer film starting from the low refractive index layer (first layer) on the third layer having a high refractive index, substantially the same as in the form A (see FIG. 5A). The reflection characteristics can be realized.
  • the refractive index of the medium in contact with the surface of the dielectric multilayer film 52 is n 0
  • the incident angle of the light L to the surface 52a of the dielectric multilayer film 52 is ⁇ 0
  • the refractive index of the substrate is n sub.
  • the optical film thickness of the low refractive index layer (first layer) in contact with the aluminum substrate is substantially ( ⁇ / 4 cos ⁇ i ) ⁇ n (n is an odd number). It is preferable that they are equal or within the range of ( ⁇ / 4 cos ⁇ i ) ⁇ 30%. And this (theta) i is calculated
  • ⁇ TiO2 has the value shown in the following mathematical formula (4).
  • the refractive index n TiO2 of TiO 2 is 2.27.
  • the incident angle (refractive angle) ⁇ SiO2 in the SiO 2 low refractive index layer has a value represented by the following mathematical formula (5).
  • the refractive index n SiO2 of SiO 2 is 1.46.
  • the dielectric multilayer for oblique incidence is used.
  • membrane can be implement
  • n S and n P for the S-polarized component and the P-polarized component of light are expressed as follows: n is the refractive index in the layer, and ⁇ is the incident angle (refractive angle) in the layer. It becomes.
  • is the incident angle (refractive angle) in the layer. It becomes.
  • 21 and 22 are graphs showing examples of the reflectance of the dielectric multilayer film with respect to the P-polarized component and the S-polarized component.
  • FIG. 21 shows a case where a low refractive index layer (SiO 2 ) is disposed as a first layer on an aluminum substrate (see FIG. 5A), and FIG. 22 shows the first layer on the aluminum substrate.
  • a high refractive index layer (TiO 2 ) is disposed (see FIG. 5B).
  • Example 4 When various materials are used for the high refractive index layer> Suitable constituent materials for the high refractive index layer include Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , and ZrO 2 in addition to TiO 2 . Since the refractive index values are different from each other, the reflectance values of the dielectric multilayer film are also different. However, any of the materials has the same tendency as in the case of using TiO 2 .
  • 23 and 24 are graphs showing the spectral reflection characteristics in the Nb 2 O 5 / SiO 2 dielectric multilayer film.
  • FIG. 23 shows a case where a low refractive index layer (SiO 2 , optical film thickness 150 [nm]) is arranged as a first layer on an aluminum substrate, and FIG.
  • refractive index layer 24 shows a high layer as the first layer on the aluminum substrate.
  • refractive index layer shows the case of arranging the (Nb 2 O 5, the optical film thickness 150 [nm]).
  • the constituent material of the high refractive index layer is Nb 2 O 5
  • the low refractive index layer (first layer) is first formed on the metal surface, and then the high refractive index layer (first layer). It can be seen that a sufficient reflectivity can be obtained with a significantly smaller number of layers compared to the case where the second layer is laminated on the high refractive index layer.
  • Example 5 A TiO 2 / SiO 2 alternating multilayer film was formed on a commercially available metal aluminum mirror by a vacuum deposition method.
  • an MgF 2 film having an optical film thickness of 280 [nm] is formed as a protective film.
  • FIG. 25 is a graph showing the measurement results of the spectral reflectance of this aluminum mirror. In FIG. 25, the calculated value of the reflectance of the aluminum surface without the protective film is also shown by a broken line for comparison.
  • a dielectric multilayer film was formed on the surface of the aluminum mirror.
  • a low refractive index layer SiO 2 , optical film thickness 150 [nm]
  • a high refractive index layer TiO 2 , optical film thickness 150
  • [Nm]) and low refractive index layers were alternately stacked, and the number of stacked layers was four.
  • the solid line shown in FIG. 26 is a graph showing the results of measuring the reflectance of this dielectric multilayer film.
  • the broken line shown in FIG. 26 is a graph which shows the calculation result of the reflectance of this dielectric multilayer film. As shown in FIG. 26, the measured values of the reflectivity and the calculated values almost coincided.
  • a high refractive index layer (TiO 2 , optical film thickness 150 [nm]) is formed as a first layer in contact with the aluminum mirror, and a low refractive index layer (SiO 2 , optical film thickness 150 is formed thereon. [Nm]) and high refractive index layers (TiO 2 , optical film thickness 150 [nm]) were alternately stacked, and the number of stacked layers was five.
  • the solid line shown in FIG. 27 is a graph showing the result of measuring the reflectance of the dielectric multilayer film.
  • the broken line shown in FIG. 27 is a graph which shows the calculation result of the reflectance of this dielectric multilayer film. As shown in FIG. 27, even in this embodiment, the actually measured value and the calculated value of the reflectance almost coincided.
  • the reflective light modulation device is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible.
  • SiO 2 and MgF 2 are exemplified as the constituent material of the low refractive index layer of the dielectric multilayer film, but the constituent material of the low refractive index layer has a refractive index of 1.35 to 1.75.
  • Other materials may be used as long as the dielectric is preferably 1.35 to 1.50.
  • TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and HfO 2 are exemplified as the constituent material of the high refractive index layer of the dielectric multilayer film, but the constituent material of the high refractive index layer is refracted.
  • Other materials may be used as long as the dielectric has a rate of 1.75 to 2.50, more preferably 1.90 to 2.50.
  • reflection-type light modulation that modulates light for each of a plurality of two-dimensionally arranged pixels and outputs a light image forward while reflecting light incident from the front.
  • a device comprising a conductive light-transmitting layer including a light-transmitting conductive material, a plurality of metal pixel electrodes arranged two-dimensionally along the conductive light-transmitting layer, a plurality of pixel electrodes, and a conductive property
  • a light modulation layer disposed between the light transmission layer and modulating light according to an electric field formed by each pixel electrode and the conductive light transmission layer; and a dielectric multilayer film formed on the plurality of pixel electrodes;
  • the dielectric multilayer film has a configuration including a first layer in contact with the pixel electrode and a second layer having a higher refractive index than the first layer and in contact with the first layer.
  • the reflection type light modulation device may be characterized in that the optical film thickness of the first layer is within a range of ( ⁇ / 4) ⁇ 30%, where ⁇ is the wavelength of light.
  • the reflective light modulation device may be characterized in that the optical film thickness of the first layer is substantially equal to ( ⁇ / 4) ⁇ n (n is an odd number) where ⁇ is the wavelength of light.
  • the optical film thickness of the first layer is within the range of ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ 30%, where ⁇ is the incident angle of light inside the first layer, and ⁇ is the wavelength of the light. It is good also as a feature.
  • the optical film thickness of the first layer is such that the incident angle of light inside the first layer is ⁇ and the wavelength of light is ⁇ ( ⁇ / 4 cos ⁇ ) ⁇ n (n is an odd number) ) And substantially the same. With any one of these configurations, a high reflectance can be suitably realized even for light incident on the dielectric multilayer film from an oblique direction.
  • the dielectric multilayer film includes a plurality of low refractive index layers including a first layer, and a plurality of high refractive indexes including a second layer and having a higher refractive index than the plurality of low refractive index layers.
  • the refractive index layers may be alternately stacked, and the sum of the number of the low refractive index layers and the number of the high refractive index layers may be 10 or less.
  • the number of laminated dielectric multilayer films in a general reflection type light modulation device requires 13 layers or more.
  • a sufficiently high reflectance can be realized even with a small number of layers, such as 10 layers or less, so that it is possible to effectively suppress a decrease in the efficiency of electric field application to the light modulation layer. it can.
  • the first layer includes SiO 2
  • the second layer includes at least one material of TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , and HfO 2. May be a feature.
  • the dielectric multilayer film including the first layer and the second layer having a higher refractive index than the first layer can be suitably configured.
  • the first layer has a lower layer in contact with the pixel electrode, and an upper layer sandwiched between the lower layer and the second layer, the upper layer includes SiO 2 , and the lower layer includes SiO 2.
  • MgF 2 may include at least one material.
  • An SiO 2 film or an MgF 2 film may be formed as a protective film on the surface of the pixel electrode, and this protective film may be used as a part (lower layer) of the first layer. Even with such a configuration, it is possible to suitably obtain the effects of the above-described reflection type light modulation device.
  • the reflection-type light modulation device is a reflection-type light modulation device that modulates light for each of a plurality of two-dimensionally arranged pixels and outputs a light image forward while reflecting light incident from the front,
  • a conductive light-transmitting layer including a conductive material that transmits light; a plurality of metal pixel electrodes that are two-dimensionally arranged along the conductive light-transmitting layer; and a plurality of pixel electrodes and the conductive light-transmitting layer.
  • a light modulation layer that is disposed between each of the pixel electrodes and the conductive light transmission layer and modulates light according to an electric field, and a dielectric multilayer film formed on the plurality of pixel electrodes.
  • the multilayer film has a third layer in contact with the pixel electrode, a first layer having a refractive index lower than that of the third layer and in contact with the third layer, and a refractive index higher than that of the first layer and in contact with the first layer.
  • the optical thickness of the third layer is substantially ( ⁇ / 2) ⁇ n (n is an odd number) where ⁇ is the wavelength of light. It may be used equal configuration.
  • the present invention can be used as a reflection-type light modulation device capable of increasing the light extraction efficiency while suppressing a decrease in the electric field application efficiency to the light modulation layer.

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Abstract

 反射型液晶装置(反射型光変調装置)1は、光Lを透過する導電性材料を含む透明導電膜22と、透明導電膜22に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極16と、複数の画素電極16と透明導電膜22との間に配置され、各画素電極16及び透明導電膜22により形成される電界に応じて光Lを変調する液晶層20と、複数の画素電極16上に形成された誘電体多層膜18とを備える。誘電体多層膜18は、画素電極16に接する第1の層と、第1の層より屈折率が高く第1の層に接する第2の層とを含む。これにより、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ高い反射率を実現できる誘電体多層膜を備える反射型光変調装置が実現される。

Description

反射型光変調装置
 本発明は、反射型光変調装置に関するものである。
 反射型光変調装置として、反射型液晶(LCoS(登録商標):Liquid crystal on silicon)装置が知られている。反射型液晶装置は、二次元配列された複数の画素電極と、導電性光透過層と、複数の画素電極及び導電性光透過層の間に配置された液晶層(光変調層)とを備えており、導電性光透過層を介して入射した光を反射しつつ、任意の画素電極と導電性光透過層との間に電界を形成して液晶層に変調作用を生じさせ、所望の光像を得るものである。そして、光の反射率を高めて更に高輝度の光像を得るために、液晶層と複数の画素電極との間には誘電体多層膜が設けられる。
 例えば非特許文献1,2には、反射型液晶構造を備える液晶ライトバルブ(LCLV:Liquid Crystal Light Valve)が開示されている。非特許文献1に記載された誘電体多層膜は、λ/4(λ:入射光の波長)の光学膜厚を有する複数のSi層及びSiO層が交互に積層されて成る。また、非特許文献2に記載された誘電体多層膜は、λ/4の光学膜厚を有する複数のTiO層及びSiO層が交互に積層されて成る。
U.Efron et al., "Silicon liquid crystal light valves: status and issues", Optical Engineering, November, December 1983, Vol.22, No.6, pp.682-686 (1983) A.Jacobson et al., "A real-time optical data processing device", Information Display, Vol.12, September 1975, PP.17-22 (1975)
 本発明者らの知見によれば、従来の反射型液晶装置において誘電体多層膜はガラス基板等の表面に積層されたものが用いられている。そして、その積層数を多くすることにより、99%超といった高い反射率を得ている。例えば、ガラス基板上の誘電体多層膜において反射率99%以上を得るためには、TiO/SiOで13層、HfO/SiOで19層を必要とし、反射率99.8%以上を得るためには、TiO/SiOで17層、HfO/SiOで25層を必要とする。
 しかしながら、誘電体多層膜は液晶層と画素電極との間に配置されるので、画素電極と導電性光透過層との間に形成された電界は液晶層だけでなく誘電体多層膜にも印加される。誘電体多層膜の積層数が多くなると、誘電体多層膜の厚さ(物理膜厚)が増し、誘電体多層膜に印加される電界の割合が大きくなってしまうので、液晶層への電界印加効率が低下してしまう。
 本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ高い反射率を実現できる誘電体多層膜を備える反射型光変調装置を提供することを目的とする。
 上記した課題を解決するために、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第1の層と、第1の層より屈折率が高く第1の層に接する第2の層とを含むことを特徴とする。
 先に述べたように、従来の一般的な反射型光変調装置においては、ガラス基板上に形成された誘電体多層膜を利用している。これに対し、本発明による反射型光変調装置においては、誘電体多層膜が金属製の複数の画素電極上に形成されている。これにより、金属表面の高い反射率を利用することができる。また、本発明者らは、金属表面に誘電体多層膜を形成する場合、低屈折率層(第1の層)をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層(第2の層)をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることを見出した。従って、上記した反射型光変調装置によれば、誘電体多層膜の物理膜厚を従来より薄くして光変調層への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
 あるいは、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第3の層と、第3の層より屈折率が低く第3の層に接する第1の層と、第1の層より屈折率が高く第1の層に接する第2の層とを含み、第3の層の光学膜厚が、光の波長をλとして(λ/2)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴とする。
 このように、高屈折率層(第3の層)が金属表面に形成されている場合であっても、この第3の層の光学膜厚をλ/2×n(nは奇数)と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、第3の層上に低屈折率層(第1の層)から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に前述した反射型光変調装置と同様の反射特性を実現することができる。
 本発明による反射型光変調装置によれば、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることができる。
図1は、本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。 図2は、図1に示した反射型液晶装置のII-II線に沿った側面断面図である。 図3は、誘電体多層膜の構成を拡大して示す側面断面図である。 図4は、誘電体多層膜の変形例の構成を示す側面断面図である。 図5は、(a)アルミニウム基板に接する第1の層を低屈折率膜(SiO)とする形態、及び(b)アルミニウム基板に接する第1の層を高屈折率膜(TiO)とする形態を示す図である。 図6は、アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。 図7は、図5(a)に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を2層、4層、6層、及び10層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。 図8は、図5(a)に示した形態において、積層数を4層、6層、10層、及び14層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。 図9は、図5(b)に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を3層、5層、7層、及び9層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。 図10は、図5(b)に示した形態において、積層数を5層、9層、15層、及び21層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。 図11は、アルミニウム基板の表面にSiO膜が様々な光学膜厚nd(50[nm]、150[nm]、及び250[nm])で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。 図12は、(a)保護膜に接する層を低屈折率膜(SiO)とする形態、及び(b)保護膜に接する層を高屈折率膜(TiO)とする形態を示す図である。 図13は、保護膜の光学膜厚を150[nm]とし、図12(a)で示した形態で6層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。 図14は、保護膜の光学膜厚を150[nm]とし、図12(b)で示した形態で5層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。 図15は、図12(a)で示した形態において、保護膜の光学膜厚を50[nm]とし、その上層の光学膜厚を150[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が200[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。 図16は、図12(b)で示した形態において、保護膜の光学膜厚を50[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が50[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。 図17は、図12(a)で示した形態において、保護膜の光学膜厚を250[nm]とし、その上層の光学膜厚を150[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が400[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。 図18は、図12(b)で示した形態において、保護膜の光学膜厚を250[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が250[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。 図19は、(a)保護膜(MgF)に接する層を低屈折率膜(SiO)とする形態、及び(b)保護膜に接する層を高屈折率膜(TiO)とする形態を示す図である。 図20は、誘電体多層膜に対して斜め方向から光Lが入射する様子を示す図である。 図21は、P偏光成分およびS偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第1の層として低屈折率層(SiO)を配置した場合を示している。 図22は、P偏光成分およびS偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第1の層として高屈折率層(TiO)を配置した場合を示している。 図23は、Nb/SiO誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第1の層として低屈折率層(SiO、光学膜厚150[nm])を配置した場合を示している。 図24は、Nb/SiO誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第1の層として高屈折率層(Nb、光学膜厚150[nm])を配置した場合を示している。 図25は、アルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。 図26は、アルミニウムミラーと接する第1の層として低屈折率層(SiO)を配置した場合について、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果(実線)、及びこの誘電体多層膜の反射率の計算結果(破線)を示すグラフである。 図27は、アルミニウムミラーと接する第1の層として高屈折率層(TiO)を配置した場合について、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果(実線)、及びこの誘電体多層膜の反射率の計算結果(破線)を示すグラフである。
符号の説明
 1…反射型液晶装置、4…画素、12…シリコン基板、14…駆動回路層、16…画素電極、18,28,52…誘電体多層膜、18a~18d,28a~28d…低屈折率層、18e~18h,28e~28h…高屈折率層、20…液晶層、22…透明導電膜、24…透明基板、30…アルミニウム基板、36,46…保護膜、281…下層、282…上層。
 以下、添付図面を参照しながら本発明による反射型光変調装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
 (実施の形態)
 図1は、本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。また、図2は、図1に示した反射型液晶装置のII-II線に沿った側面断面図である。なお、図1及び図2には、説明を容易にする為にXYZ直交座標系が示されている。本実施形態の反射型液晶装置1は、図1に示すように互いに直交する2軸(X軸およびY軸)に沿って二次元配列された複数の画素4を備えている。反射型液晶装置1は、前方(Z軸正方向)より入射した光を反射しつつ、各画素4毎に入射光を変調して任意の光像を前方へ出力する装置である。
 図2を参照すると、反射型液晶装置1は、シリコン基板12、駆動回路層14、複数の画素電極16、誘電体多層膜18、液晶層20、透明導電膜22、及び透明基板24を備えている。
 透明基板24は、XY平面に沿った表面24aを有しており、該表面24aは反射型液晶装置1の表面10aを構成している。透明基板24は、例えばガラスなどの光透過性材料を主に含んでおり、反射型液晶装置1の表面10aから入射した所定波長の光Lを、反射型液晶装置1の内部へ透過する。また、透明導電膜22は、本実施形態における導電性光透過層である。透明導電膜22は、透明基板24の裏面24b上に形成されており、光Lを透過する導電性材料(例えばITO)を主に含んで構成されている。
 複数の画素電極16は、図1に示した複数の画素4の配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜22に沿ってシリコン基板12上に配列されている。各画素電極16は、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面16aは平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極16は、駆動回路層14に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極16とシリコン基板12との間に設けられ、反射型液晶装置1から出力しようとする光像に応じて各画素電極16への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えばX軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第1のドライバ回路と、Y軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第2のドライバ回路とを有しており、双方のドライバ回路によって指定された画素4の画素電極16に所定電圧が印加されるしくみになっている。
 液晶層20は、本実施形態における光変調層である。液晶層20は、複数の画素電極16と透明導電膜22との間に配置されており、各画素電極16と透明導電膜22とにより形成される電界に応じて光Lを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極16に電圧が印加されると、透明導電膜22と該画素電極16との間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜18及び液晶層20のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層20に印加された電界の大きさに応じて液晶分子20aの配列方向が変化する。光Lが透明基板24及び透明導電膜22を透過して液晶層20に入射すると、この光Lは液晶層20を通過する間に液晶分子20aによって変調され、誘電体多層膜18において反射した後、再び液晶層20により変調されてから取り出される。
 誘電体多層膜18は、複数の画素電極16と液晶層20との間に配置されている。特に、本実施形態の誘電体多層膜18は、複数の画素電極16の表面16a上に直接形成されている。誘電体多層膜18は、画素電極16の表面16aが有する光反射作用と協働して、光Lを例えば99%超といった高い反射率で反射する。
 ここで、図3は、誘電体多層膜18の構成を拡大して示す側面断面図である。図3に示すように、誘電体多層膜18は、画素電極16に接する層18a(第1の層)を含む複数の低屈折率層18a~18dと、低屈折率層18aより屈折率が高く低屈折率層18aに接する層18e(第2の層)を含む複数の高屈折率層18e~18hとを含んで構成されている。低屈折率層18a~18d及び高屈折率層18e~18hは、画素電極16上において交互に積層されている。低屈折率層18a~18dの構成材料としては例えばSiO、MgFが例示され、特にSiOが主に含まれることが好ましい。また、高屈折率層18e~18hの構成材料としては例えばTiO、Nb、Ta、HfO、ZrOなどが例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれることが好ましい。
 なお、本実施形態では誘電体多層膜18の積層数が8層(低屈折率層18a~18d及び高屈折率層18e~18hが各4層)の場合を示しているが、誘電体多層膜18の積層数は2層以上(すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各1層以上)、10層以下(すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各5層以下)であることが好ましい。また、誘電体多層膜の積層数は偶数に限定されることなく、奇数であってもよい。この場合、誘電体多層膜18のうち最も液晶層20側に位置する誘電体膜は、低屈折率層となる。以下の実施形態においても、誘電体多層膜18の積層数は偶数又は奇数であるを問わないが、最も液晶層20側に位置する誘電体膜は、高屈折率層とするのが好ましい。
 また、低屈折率層18aの光学膜厚(=n×d、nは低屈折率層18aの屈折率、dは低屈折率層18aの物理膜厚)は、光Lの波長をλとして(λ/4)±30%の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層18aの光学膜厚は、(λ/4)×n(nは奇数)と実質的に等しくなるように設定されてもよい。また、誘電体多層膜18に対して光Lが斜め方向から入射する場合には、低屈折率層18aの光学膜厚は、低屈折率層18aの内部における光Lの入射角(すなわち、低屈折率層18a中を光Lが進む方向と層厚方向との相対角度)をθとして(λ/4cosθ)±30%の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層18aの光学膜厚は(λ/4cosθ)×n(nは奇数)と実質的に等しくなるように設定されてもよい。なお、低屈折率層18aの光学膜厚の好ましい値については、後述する実施例において詳細に述べる。
 以上に説明した本実施形態による反射型液晶装置1は、次の効果を有する。反射型液晶装置1においては、誘電体多層膜18が金属製の複数の画素電極16上に形成されているので、金属表面の高い反射率を利用して光Lに対する反射率を高めることができる。また、後述する実施例において示すように、金属表面に誘電体多層膜18を形成する場合、低屈折率層(第1の層)18aをまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層(第2の層)18eをその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られる。従って、本実施形態の反射型液晶装置1によれば、誘電体多層膜18の物理膜厚を従来より薄くして液晶層20への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
 (変形例)
 図4は、上記実施形態の変形例として、誘電体多層膜28の構成を示す側面断面図である。上記実施形態に係る反射型液晶装置1は、図3に示した誘電体多層膜18に代えて、図4に示す誘電体多層膜28を備えても良い。
 図4を参照すると、誘電体多層膜28は、画素電極16に接する層28a(第1の層)を含む複数の低屈折率層28a~28dと、低屈折率層28aより屈折率が高く低屈折率層28aに接する層28e(第2の層)を含む複数の高屈折率層28e~28hとが交互に積層されて成る。なお、低屈折率層28aを除く低屈折率層28b~28d、及び高屈折率層28e~28hの各構成材料は、図3に示した低屈折率層18a~18d及び高屈折率層18e~18hと同様である。
 本変形例の低屈折率層28aは、画素電極16に接する下層281と、下層281と高屈折率層28eとに挟まれた上層282とを有している。下層281及び上層282は同一の材料により構成されていてもよく、異なる材料により構成されていてもよい。下層281の構成材料としては例えばSiO、MgFが例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれる。上層282の構成材料は図3に示した低屈折率層18a~18dと同様であり、特にSiOが主に含まれることが好ましい。
 本変形例の誘電体多層膜28のような構成は、例えば画素電極16の表面16a上に絶縁性の保護膜が形成されている場合に適用されるとよい。すなわち、アルミニウムなどの金属からなる部品(本実施例では画素電極16)の表面には、保護膜が施されている場合がある。このような保護膜は、殆どの場合において、低屈折率物質であるSiOまたはMgFからなる。従って、誘電体多層膜28を製造する際にこのような保護膜を画素電極16の表面16aに残して下層281とし、その上にSiO等の低屈折率物質を成膜して上層282とすることにより、本変形例に係る低屈折率層28aを好適に得ることができる。このように、画素電極16の表面16aに形成された保護膜を低屈折率層28aの一部(下層281)として利用してもよい。このような構成であっても、上記実施形態の反射型液晶装置1と同等の効果を好適に得ることができる。
 なお、本変形例においても、誘電体多層膜28の積層数は、低屈折率層28aを一層と数えて2層以上10層以下であることが好ましい。また、低屈折率層28aの光学膜厚(すなわち下層281の光学膜厚と上層282の光学膜厚との和)は、光Lの波長をλとして(λ/4)±30%の範囲内に設定されることが好ましく、(λ/4)×n(nは奇数)と実質的に等しくなるように設定されてもよい。誘電体多層膜28に対して光Lが斜め方向から入射する場合、低屈折率層28aの光学膜厚は、低屈折率層28aにおける光Lの入射角をθとして(λ/4cosθ)±30%の範囲内に設定されることが好ましく、(λ/4cosθ)×n(nは奇数)と実質的に等しくなるように設定されてもよい。
 (実施例1)
 <アルミニウム上の誘電体多層膜の反射率>
 アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成した場合の分光反射率を調べた。誘電体多層膜の構成材料は、低屈折率層をSiOとし、高屈折率層をTiOとした。そして、入射光の波長をλ=600[nm]と想定し、各層の光学膜厚を150[nm](すなわちλ/4)とした。誘電体多層膜の積層形態としては、図5(a)に示すようにアルミニウム基板30に接する第1の層32を低屈折率膜(SiO)とする形態A、及び図5(b)に示すようにアルミニウム基板30に接する第1の層42を高屈折率膜(TiO)とする形態Bがある。
 図6は、アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。図7は、図5(a)に示した形態Aにおいて、誘電体多層膜の積層数を2層、4層、6層、及び10層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図8は、形態Aにおいて、積層数を4層、6層、10層、及び14層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図9は、図5(b)に示した形態Bにおいて、誘電体多層膜の積層数を3層、5層、7層、及び9層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図10は、形態Bにおいて、積層数を5層、9層、15層、及び21層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
 図5(a)に示した形態Aにおいては、図7に示すように、積層数を2層(すなわちSiO低屈折率層とTiO高屈折率層とを各1層ずつ)とした場合における波長600[nm]での反射率が95%を超えており、アルミニウム基板(図6参照)の反射率より大きいことがわかる。そして、図7及び図8に示すように、積層数を6層(SiO低屈折率層とTiO高屈折率層とを各3層ずつ)とした場合に波長600[nm]での反射率は99%を超え、積層数を10層(SiO低屈折率層とTiO高屈折率層とを各5層ずつ)とした場合に99.8%となった。
 これに対し、図5(b)に示した形態Bにおいては、図9及び図10に示すように、入射光の波長600[nm]の近傍の波長において反射率が低下する現象が現れた。この反射率の低下度合いは、積層数が21層以上の場合には軽減されるが、10層未満といった少ない積層数の場合には、所望の波長での反射率が十分に得られないこととなる。
 また、下の表1は、形態A,Bそれぞれにおける、誘電体多層膜の積層数、反射率、及び厚さ(物理膜厚)を纏めた表である。なお、表1中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。表1に示されるように、形態Bにおいて積層数を11層以上とすれば反射率が99%以上となり、15層以上とすれば反射率が99.8%以上となる。このように、形態Bであっても積層数を多くすれば反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。しかし、積層数を11層以上とすると厚さが0.9[μm]を超え、15層以上とすると厚さが1.2[μm]を超えてしまう。このように誘電体多層膜が厚くなると、前述したように液晶層(光変調層)への電界印加効率が低下し、好ましくない。これに対し、形態Aにおいては積層数が僅か6層の場合でも反射率が99%以上となり、10層とした時点で反射率が99.8%以上となる。これらの場合、積層数6層では厚さが約0.5[μm]、10層では厚さが約0.8[μm]となり、形態Bと比較して誘電体多層膜を極めて薄く構成できることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 以上のことから、アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成すれば、10層以下といった少ない積層数で高い反射率を実現できることが示された。但し、好ましい反射特性により所定波長の光に対する反射率を高めるためには、形態Aのように先ず第1の層32として低屈折率層をアルミニウム基板30の表面に形成し、次いで第2の層34として高屈折率層をその上に積層するとよい。これにより、形態Bのように高屈折率層から積層し始める場合と比較して、格段に少ない積層数で十分な反射率が得られるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
 (実施例2)
 <アルミニウムの表面に保護膜が施されている場合>
 アルミニウム表面に保護膜が施されている場合について述べる。保護膜の構成材料の多くは低屈折率物質であるSiOやMgFである。図11は、アルミニウム基板の表面にSiO膜が様々な光学膜厚nd(50[nm]、150[nm]、及び250[nm])で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。図11を参照すると、光学膜厚ndの4倍となる波長では、アルミニウム基板上にSiO膜を設けた場合の反射率は、SiO膜による反射低減作用により、アルミニウム表面の反射率と比較して減少している。一方、光学膜厚ndの2倍となる波長ではSiO膜は反射率には殆ど影響しておらず、アルミニウム基板上にSiO膜を設けた場合の反射率はアルミニウム表面の反射率と等しくなる。例えば、図11において、光学膜厚ndが250[nm]であるときの波長500[nm]における反射率は、アルミニウム表面の反射率と等しくなっている。従って、保護膜の光学膜厚は、反射率の低下を防ぐため使用波長の1/2とされることが一般的である。
 ここで、アルミニウム基板の保護膜の上に誘電体多層膜を形成する場合を考える。この場合、保護膜を誘電体多層膜の構成の一部として考慮するとよい。この場合における誘電体多層膜の積層形態としては、図12(a)に示すように保護膜36に接する層38を低屈折率膜(SiO)とする形態C、及び図12(b)に示すように保護膜36に接する層44を高屈折率膜(TiO)とする形態Dがある。形態Cにおいては保護膜36及び層38によってアルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)が構成され、形態Dにおいては保護膜36のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)が構成される。
 図13は、保護膜36の光学膜厚を150[nm]とし、形態Cで6層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。また、図14は、保護膜36の光学膜厚を150[nm]とし、形態Dで5層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。なお、図13及び図14においては、入射光の波長を600[nm]と想定し、誘電体多層膜を構成する各層の光学膜厚を150[nm]とした。
 本実施例のようにアルミニウム基板30上に光学膜厚λ/4の保護膜36が設けられている場合、図13,図14に示すように、高屈折率膜(TiO)から積層し始めた形態D(図12(b)参照)のほうが、低屈折率膜(SiO)から積層し始めた形態C(図12(a)参照)よりも分光反射特性が良好となり、入射光の波長λ=600[nm]における反射率が高くなった。
 形態Cの場合、保護膜36及び層38によって低屈折率層(第1の層)が構成されるが、保護膜36及び層38の光学膜厚がそれぞれλ/4であることから、第1の層の光学膜厚がλ/2(300[nm])となってしまい、保護膜36及び層38は反射率には殆ど影響しない。従って、形態Cの分光反射特性は、アルミニウム基板に接する第1の層が高屈折率膜である形態B(図5(b)参照)と実質的に同様となり、図13のような特性となったものと考えられる。
 図15は、本実施例の形態Cにおいて、保護膜36の光学膜厚を50[nm]とし、層38の光学膜厚を150[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が200[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。また、図16は、本実施例の形態Dにおいて、保護膜36の光学膜厚を50[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が50[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。また、図17は、形態Cにおいて、保護膜36の光学膜厚を250[nm]とし、層38の光学膜厚を150[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が400[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。また、図18は、形態Dにおいて、保護膜36の光学膜厚を250[nm]とした場合(すなわち、第1の層である低屈折率層の光学膜厚が250[nm]である場合)の分光反射率を示すグラフである。
 また、次の表2は、第1の層である低屈折率層の光学膜厚、λ/4または3λ/4(λ=600[nm])に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示す表である。なお、この表2においては、反射率99%以上を好適(○)と判定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 図13~図18及び表2に示されるように、第1の層である低屈折率層の光学膜厚がλ/4のとき(本実施例では150[nm])、または3λ/4のとき(本実施例では450[nm])に、最も大きな反射率が得られることがわかる。また、低屈折率層の光学膜厚がλ/4から僅かにずれていても、反射型光変調装置において十分な反射率が得られることがわかる。
 ここで表3~表5は、入射光の波長λが1550[nm]、1200[nm]、1000[nm]、800[nm]、600[nm]、及び400[nm]の各場合における、第1の層である低屈折率層の光学膜厚、λ/4に対する光学膜厚のずれ、及び波長λでの反射率を示す表である。なお、表3~表5中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 低屈折率層及びアルミニウム基板表面の屈折率には波長分散が存在するので、表3~表5に示したように、反射率の値は各波長毎に異なる値を示す。しかし、何れの波長においても、低屈折率層(第1の層)の光学膜厚がλ/4に対して±30%の範囲内であれば、反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。
 次に、保護膜がMgFからなる場合について調べた結果を示す。この場合、図19(a)に示すように保護膜46(MgF)に接する層48を低屈折率膜(SiO)とする形態E、及び図19(b)に示すように保護膜46に接する層50を高屈折率膜(TiO)とする形態Fがある。形態Eにおいては保護膜46及び層48によってアルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)が構成され、形態Fにおいては保護膜46のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)が構成される。表6は、保護膜46及び層48の光学膜厚を様々に設定した場合における、第1の層である低屈折率層の光学膜厚、λ/4または3λ/4(λ=600[nm])に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示している。なお、この表6においても、反射率99%以上を好適(○)と判定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 表6に示すように、保護膜46(MgF)と層48(SiO)とを一つの低屈折率層(第1の層)として評価すると、前述した表2とほぼ同様の結果が得られた。また、600[nm]以外の波長をλとして設計した場合でも、保護膜46(MgF)及び層48(SiO)の光学膜厚の和がλ/4に対して±30%の範囲内であれば、反射型液晶装置にとって十分な反射率が得られた。
 すなわち、本実施例の結果によれば、アルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)に保護膜を含め、この第1の層の光学膜厚がλ/4×n(nは奇数)と実質的に等しければ、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。また、第1の層の光学膜厚がλ/4に対して±30%の範囲内であっても、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。
 なお、保護膜の構成材料としてはSiも考えられる。Siは、その屈折率が2.0~2.1であり、誘電体多層膜においては高屈折率物質に分類される。これまで述べてきたようにアルミニウム基板の直上には低屈折率層が配置されることが好ましいが、Siといった高屈折率の保護膜が既に設けられている場合には、保護膜の上に先ず高屈折率層を形成し、この高屈折率層および保護膜からなる層(第3の層)の光学膜厚をλ/2×n(nは奇数)と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、この高屈折率の第3の層上に低屈折率層(第1の層)から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に形態A(図5(a)参照)と同様の反射特性を実現することができる。
 (実施例3)
 <誘電体多層膜に対して光が斜め方向から入射する場合>
 次に、誘電体多層膜への光の入射角による反射率への影響について説明する。或る層へ入射角θで入射する光が当該層を進む光学的距離は、当該層の厚さ方向の光学膜厚をcosθで乗ずることにより求められる。また、屈折率が異なる媒質同士の界面における各媒質の屈折率n及びnと光の入射角θ及び屈折角θとの間には、次の数式(1)(スネルの法則)が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 図20に示すように、誘電体多層膜52の表面に接する媒質の屈折率をn、誘電体多層膜52の表面52aへの光Lの入射角をθ、基板の屈折率をnsub、基板への光Lの入射角をθsubとすると、誘電体多層膜52内の表面からi番目の層の屈折率nとその入射角(屈折角)θとの関係は、上述したスネルの法則を適用して、次の数式(2)
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
と表すことができる。従って、式(2)により、誘電体多層膜52内の各層内における光の進行方向の傾きを求めることができる。
 以上のことから、斜入射用の誘電体多層膜を設計する場合には、入射角ゼロの場合の光学膜厚をcosθで除した値を新たに光学膜厚とするとよい。従って、前述した実施例2の結果に適用すると、アルミニウム基板に接する低屈折率層(第1の層)の光学膜厚は、(λ/4cosθ)×n(nは奇数)と実質的に等しいことが好ましく、または(λ/4cosθ)±30%の範囲内であることが好ましい。そして、このθは、次の数式(3)によって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 具体的な数値例を示す。例えば、TiO高屈折率層とSiO低屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜に入射角45°で光が入射すると、TiO高屈折率層内の入射角(屈折角)θTiO2は、次の数式(4)に示す値となる。なお、数式(4)においては、TiOの屈折率nTiO2を2.27としている。また、誘電体多層膜の表面に接する媒質を大気(n=1)としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 同様に、SiO低屈折率層内の入射角(屈折角)θSiO2は、次の数式(5)に示す値となる。数式(5)においては、SiOの屈折率nSiO2を1.46としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 従って、TiO高屈折率層及びSiO低屈折率層の各光学膜厚にそれぞれcos(18.1°)、cos(29.0°)を乗じた結果が150[nm]となるようにすれば、波長λ=600[nm]における45°入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。すなわち、TiO高屈折率層の光学膜厚ndを、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
SiO低屈折率層の光学膜厚ndを、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
とするとよい。このように、斜め方向からの入射に対応させる場合についても、光学膜厚nd=λ/4を基準として、入射角に応じて各層の光学膜厚を補正すれば、斜入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。
 なお、斜入射の場合、光のS偏光成分およびP偏光成分に対する屈折率n及びnは、層内の屈折率をn、層内の入射角(屈折角)をθとして、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
となる。このように、各偏光成分によって層内における屈折率が異なるので、誘電体多層膜による反射率も異なる。図21及び22は、P偏光成分およびS偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフである。なお、図21はアルミニウム基板上に第1の層として低屈折率層(SiO)を配置した場合(図5(a)参照)を示しており、図22はアルミニウム基板上に第1の層として高屈折率層(TiO)を配置した場合(図5(b)参照)を示している。
 (実施例4)
 <高屈折率層に様々な材料を用いた場合>
 高屈折率層の好適な構成材料としては、TiOの他に、Nb、Ta、HfO、ZrOなどがある。屈折率の値がそれぞれ異なるため誘電体多層膜の反射率の値も異なってくるが、いずれの材料を用いてもTiOを用いた場合と同様の傾向がある。図23及び図24は、Nb/SiO誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフである。図23はアルミニウム基板上に第1の層として低屈折率層(SiO、光学膜厚150[nm])を配置した場合を示しており、図24はアルミニウム基板上に第1の層として高屈折率層(Nb、光学膜厚150[nm])を配置した場合を示している。これらの図に示すように、高屈折率層の構成材料をNbとした場合でも、低屈折率層(第1の層)をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層(第2の層)をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることがわかる。
 (実施例5)
 <実験による実証>
 市販の金属アルミニウムミラー上に、TiO/SiO交互多層膜を真空蒸着法により成膜した。市販のアルミニウムミラーには、保護膜として光学膜厚280[nm]のMgF膜が形成されている。図25は、このアルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。なお、図25には、比較のため、保護膜のないアルミニウム表面の反射率の計算値も破線で示されている。
 そして、このアルミニウムミラーの表面に誘電体多層膜を形成した。積層の形態としては、アルミニウムミラーに接する第1の層として低屈折率層(SiO、光学膜厚150[nm])を形成し、その上に高屈折率層(TiO、光学膜厚150[nm])及び低屈折率層(SiO、光学膜厚150[nm])を交互に積層し、積層数を4層とした。図26に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図26に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図26に示すように、反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
 また、比較例として、アルミニウムミラーに接する第1の層として高屈折率層(TiO、光学膜厚150[nm])を形成し、その上に低屈折率層(SiO、光学膜厚150[nm])及び高屈折率層(TiO、光学膜厚150[nm])を交互に積層し、積層数を5層とした。図27に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図27に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図27に示すように、こちらの形態においても反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
 本発明による反射型光変調装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では誘電体多層膜の低屈折率層の構成材料としてSiOおよびMgFを例示したが、低屈折率層の構成材料は、屈折率が1.35~1.75、より好ましくは1.35~1.50の誘電体であれば他の材料であってもよい。また、上記実施形態では誘電体多層膜の高屈折率層の構成材料としてTiO、Nb、Ta、及びHfOを例示したが、高屈折率層の構成材料は、屈折率が1.75~2.50、より好ましくは1.90~2.50の誘電体であれば他の材料であってもよい。
 ここで、上記実施形態による反射型光変調装置では、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第1の層と、第1の層より屈折率が高く第1の層に接する第2の層とを含む構成を用いている。
 また、反射型光変調装置は、第1の層の光学膜厚が、光の波長をλとして(λ/4)±30%の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第1の層の光学膜厚が、光の波長をλとして(λ/4)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、所定波長の光に対して高い反射率を好適に実現できる。
 また、反射型光変調装置は、第1の層の光学膜厚が、第1の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして(λ/4cosθ)±30%の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第1の層の光学膜厚が、第1の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして(λ/4cosθ)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、斜め方向から誘電体多層膜に入射した光に対しても高い反射率を好適に実現できる。
 また、反射型光変調装置は、誘電体多層膜が、第1の層を含む複数の低屈折率層と、第2の層を含み複数の低屈折率層より屈折率が高い複数の高屈折率層とが交互に積層されて成り、複数の低屈折率層の層数と複数の高屈折率層の層数との和が10層以下であることを特徴としてもよい。先に述べたように、一般的な反射型光変調装置における誘電体多層膜の積層数は13層以上を必要とする。これに対し、上記した反射型光変調装置によれば、10層以下といった少ない積層数でも十分に高い反射率を実現できるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
 また、反射型光変調装置は、第1の層がSiOを含み、第2の層がTiO、Nb、Ta、及びHfOのうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。これにより、第1の層、及び第1の層より屈折率が高い第2の層を含む誘電体多層膜を好適に構成できる。
 また、反射型光変調装置は、第1の層が、画素電極に接する下層と、下層と第2の層とに挟まれた上層とを有し、上層がSiOを含み、下層がSiO及びMgFのうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。画素電極の表面には保護膜としてSiO膜或いはMgF膜が形成されている場合があり、この保護膜を第1の層の一部(下層)として利用してもよい。このような構成であっても、上記した反射型光変調装置による効果を好適に得ることができる。
 あるいは、反射型光変調装置では、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第3の層と、第3の層より屈折率が低く第3の層に接する第1の層と、第1の層より屈折率が高く第1の層に接する第2の層とを含み、第3の層の光学膜厚が、光の波長をλとして(λ/2)×n(nは奇数)と実質的に等しい構成を用いても良い。
 本発明は、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることが可能な反射型光変調装置として利用可能である。

Claims (9)

  1.  前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、
     前記光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、
     前記導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、
     前記複数の画素電極と前記導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて前記光を変調する光変調層と、
     前記複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜と
     を備え、
     前記誘電体多層膜は、
     前記画素電極に接する第1の層と、
     前記第1の層より屈折率が高く前記第1の層に接する第2の層と
     を含むことを特徴とする、反射型光変調装置。
  2.  前記第1の層の光学膜厚が、前記光の波長をλとして(λ/4)±30%の範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載の反射型光変調装置。
  3.  前記第1の層の光学膜厚が、前記光の波長をλとして(λ/4)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴とする、請求項1に記載の反射型光変調装置。
  4.  前記第1の層の光学膜厚が、前記第1の層の内部における前記光の入射角をθ、前記光の波長をλとして(λ/4cosθ)±30%の範囲内であることを特徴とする、請求項1に記載の反射型光変調装置。
  5.  前記第1の層の光学膜厚が、前記第1の層の内部における前記光の入射角をθ、前記光の波長をλとして(λ/4cosθ)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴とする、請求項1に記載の反射型光変調装置。
  6.  前記誘電体多層膜は、前記第1の層を含む複数の低屈折率層と、前記第2の層を含み前記複数の低屈折率層より屈折率が高い複数の高屈折率層とが交互に積層されて成り、
     前記複数の低屈折率層の層数と前記複数の高屈折率層の層数との和が10層以下であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の反射型光変調装置。
  7.  前記第1の層がSiOを含み、前記第2の層がTiO、Nb、Ta、及びHfOのうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴とする、請求項1~6のいずれか一項に記載の反射型光変調装置。
  8.  前記第1の層が、
     前記画素電極に接する下層と、
     前記下層と前記第2の層とに挟まれた上層と
     を有し、
     前記上層がSiOを含み、
     前記下層がSiO及びMgFのうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴とする、請求項1~7のいずれか一項に記載の反射型光変調装置。
  9.  前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、
     前記光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、
     前記導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、
     前記複数の画素電極と前記導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて前記光を変調する光変調層と、
     前記複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜と
     を備え、
     前記誘電体多層膜は、
     前記画素電極に接する第3の層と、
     前記第3の層より屈折率が低く前記第3の層に接する第1の層と、
     前記第1の層より屈折率が高く前記第1の層に接する第2の層と
     を含み、
     前記第3の層の光学膜厚が、前記光の波長をλとして(λ/2)×n(nは奇数)と実質的に等しいことを特徴とする、反射型光変調装置。
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