JP4338421B2

JP4338421B2 - Light modulation element, light modulation element array including light modulation element, and image display device

Info

Publication number: JP4338421B2
Application number: JP2003102990A
Authority: JP
Inventors: 良平西河; 宏一木村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: JP2004309782A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である光変調素子、光変調素子アレイ及び画像表示装置に係り、特に光変調素子上に入射する入射光を波長に応じて選択的に回折させる光変調素子、並びにこの光変調素子を用いた光変調素子アレイ及び画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、透過型、反射型の画像表示装置用素子として、高速応答が可能であり、フルカラー表示に対応できる光スイッチング素子の開発が要望されている。従来の光スイッチング素子としては、液晶素子や、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であるマイクロミラー素子または回折格子を用いたもの等が知られている。
【０００３】
例えば、回折格子型の光変調器としては、光を供給するための光源と、光源からの光を回折させる複数の回折格子が並列に並べられた回折格子アレイと、回折格子アレイによって回折した１次の回折光を受ける画像光学系とを有している（特許文献１参照）
【０００４】
また、基板の上に赤色、緑色、青色表示用の光学多層構造体を備えたＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である光スイッチング素子も提案されている。この光スイッチング素子は、光学多層構造体と基板との間の間隙の大きさを各色毎に変化させることにより、入射光の反射、透過または吸収の量を変化させて、カラー表示を行うものである（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９６４８２（第５〜６頁、図５，図６）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−３２８３１３（第８〜１０頁、図１，図２）
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、液晶素子を用いた光スイッチング素子においては、液晶の応答速度が数ミリ秒程度と遅く、動画を表示するために十分な高速応答性を実現することが困難である。したがって、この光スイッチング素子を用いて、動画等を表示させると、画像の輪郭がぼやけてしまい、映像に残像感が残ってしまう。また、カラー表示を行うためには、カラーフィルタを用いなければならないため、光の利用効率が低下してしまい、十分な光量を発する画像表示装置を得ることが難しくなってしまう。
【０００８】
また、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であるマイクロミラーを用いた光スイッチング素子においては、マイクロミラーの応答速度が数マイクロ秒であるため、動画を表示するためには十分な応答性を有していない。実際には、コントラストの向上のため、光を偏向できる角度を増大させる必要があるため、さらに応答速度が低下してしまう。
【０００９】
また、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である回折格子を用いた光スイッチング素子においては、回折格子の応答速度は、数ナノ秒程度であるため、動画表示に用いるスイッチング素子としては十分高速な応答性を有している。しかしながら、実際に光を回折するためには、少なくとも２本のリボン状ミラーが必要であり、また光の利用効率を高めるためには４本のリボン状ミラーが、更に現状では６本のリボン状ミラーが必要であるため、１次元または２次元配列にして用いた場合には、小型化が困難になってしまう。さらに、カラー表示を行うためには、各素子の各色毎に６本のリボン状ミラーが必要となってしまい、設計が複雑となるとともに小型化が困難となってしまい、さらに解像度も低下してしまう。
【００１０】
また、先行特許文献２に記載の光変調素子は、梁を基板に対し垂直に変位させるものであるが、その変位量（隙間）が波長の１／４である場合に入射光と反射光が強く干渉して互いに打ち消しあうことにより、光変調素子から出射する光をＯＦＦするものである。そのため、先行特許文献２に記載の光変調素子は、波長に応じて梁の変位量（隙間）を高精度で制御する必要があるが、梁の変位量を正確に制御させる構造の作成は難しく、またコストがかかるという問題もある。
【００１１】
本発明は、応答速度が高速で、ＲＧＢの各色の波長を選択して光を変調することが可能な光変調素子、この光変調素子を有する光変調素子アレイ、及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の光変調素子は、光を反射する反射面をそれぞれ有する複数の薄膜と、前記複数の薄膜を固定する基板と、前記複数の薄膜に電圧を印加することにより前記薄膜を変位させる駆動手段と、を有し、前記駆動手段は、前記複数の薄膜を波長選択的に変位させることにより、前記複数の薄膜の前記反射面に入射する入射光の波長に応じて、前記入射光を選択的に回折させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光変調素子によれば、複数の薄膜を選択的に変位させることにより、波長に応じて入射光を選択的に回折させることが可能である。したがって、一つの素子を用いて、複数の波長を持つ光を選択的に回折させることができるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子を提供することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の光変調素子によれば、前記複数の薄膜は、それぞれ前記駆動手段によって変位する可動部と、前記可動部の両端に連接され、前記基板上に固定された固定部とを有する。
【００１５】
したがって、本発明の光変調素子によれば、前記薄膜は、固定部にて両端を支持された状態で可動部を確実に変位させることが可能となる。また前記薄膜は、動作変位量が小さいため高速応答性が非常に高い。したがって、例えば、画像表示装置等に適用した場合には、消費電力を低く保ちつつ、動画等の表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置を構成することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光変調素子によれば、前記複数の薄膜は、それぞれ前記基板上に長手方向が平行に設けられた回折格子である。
【００１７】
したがって、上記光変調素子は、複数の薄膜が平行に並べられた回折格子として機能することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の光変調素子によれば、前記駆動手段は、前記複数の薄膜の前記可動部の変位量を互いに同程度に変位させることを特徴とする請求項２または３記載の光変調素子。
【００１９】
本発明の光変調素子は、薄膜の変位量に依存することなく光を回折するため、薄膜毎の精密な変位量制御を行う必要が無く、また薄膜毎に変位量を異ならせたりする必要がないため、各可動部の変位量は同程度でよい。したがって、容易に光変調素子を作成することが可能である。
【００２０】
また、本発明の光変調素子によれば、前記駆動手段は、前記複数の薄膜が所定周期の配列となるように波長選択的に前記薄膜を変位させ、回折することで前記入射光を選択する。
【００２１】
したがって、本発明の光変調素子によれば、所定の周期配列に応じて、入射光を適宜回折することができ、これにより、回折すべき入射光を選択することが可能となる。
【００２２】
また、本発明の光変調素子によれば、前記所定周期の配列は、複数の周期配列を含む。
【００２３】
したがって、上記光変調素子によれば、複数の波長に関し、入射光を適宜回折することができ、これにより、回折すべき入射光を選択することが可能となる。
【００２４】
また、本発明の光変調素子によれば、前記複数の周期配列は、赤色光、緑色光、青色光に対応する光をそれぞれ回折させる周期配列である。
【００２５】
したがって、上記光変調素子によれば、ＲＧＢの３色に対応した光をそれぞれ選択的に回折することが可能である。よって、本光変調素子を、画像表示装置などに好適に適用することができる。
【００２６】
また、本発明の光変調素子によれば、前記３つの周期配列は、配列周期が５：６：７の比である。
【００２７】
したがって、上記光変調素子によれば、波長４５０ｎｍの青色光、波長５４０ｎｍの緑色光、および波長６３０ｎｍの赤色光を選択的に回折することが可能である。
【００２８】
また、本発明の光変調素子アレイは、上記いずれかに記載の光変調素子を複数個平面上に配列したものである。
【００２９】
すなわち、上記光変調素子アレイは、１次元または２次元的に配列されている。したがって、この光変調素子アレイは、個々の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の画像表示装置は、赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次出射する光出力部と、画像信号に応じて、前記光出力部から出射した前記光を選択的に回折する上記光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイから出射した回折光を投影面に向けて結像する投影レンズと、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
上記画像表示装置によれば、光出力部から出射される赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次受け取って、それぞれ選択的に回折し、回折光を投影面に向けて投影結像することが可能である。したがって、光変調素子アレイ中の複数の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択し、投影面に投影する時分割型の画像表示装置を構成することが可能である。
【００３２】
また、上記画像表示装置によれば、一画素に対して一つの光変調素子アレイを用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面に投影表示させることが可能であるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことができる。また、上記画像表示装置においては、一つの素子が一つの画素に対応する小型の光変調素子アレイを用いているので、高解像度でかつコンパクトな画像表示装置を実現することが可能である。
【００３３】
本発明の画像表示装置によれば、前記光出力部は、白色光を出射する光源と、赤、緑および青のカラーフィルタを有し、前記光源から出射した前記白色光が前記赤、緑および青のカラーフィルタのそれぞれを順次透過するように前記カラーフィルタを動かすフィルタ部と、有する。
【００３４】
したがって、上記画像表示装置によれば、コンパクトな構成を持つ光出力部によって、ＲＧＢの三色に対応した光を順次光変調素子アレイに供給することが可能である。
【００３５】
本発明の画像表示装置によれば、前記光出力部は、前記赤色波長を有する光を出射する赤色光光源と、前記緑色波長を有する光を出射する緑色光光源と、前記青色波長を有する光を出射する青色光光源と、前記赤色光源、緑色光源、および青色光源のそれぞれから順次光を出射するように、各光源を制御する光源駆動制御部と、を有する。
【００３６】
したがって、上記画像表示装置によれば、それぞれ波長が固定された光源を３つ用いることで、光変調素子アレイに入射する光の波長精度が高まり、確実に光を回折することが可能である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る光変調素子の実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
以下、図１〜図９を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第１実施形態について説明する。
【００３８】
図１は本発明に係る第１実施形態の光変調素子１を示す斜視図であり、図２は図１のII−II矢視断面図であり、図３は、図１のIII−III矢視断面図である。また、図４、図５、及び図６は、光変調素子の可動膜を所定間隔おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【００３９】
本実施形態の光変調素子１は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であり、図１に示すように、平板形状のガラス基板１０上に絶縁膜２０を配置し、絶縁膜２０の上に複数のリボン形状の可動膜４０が所定間隔おきに配置されて構成されている。これら複数のリボン形状の可動膜４０は、それぞれ幅が１μｍ程度の素子である。
【００４０】
複数のリボン形状の可動膜４０のそれぞれは、その長手方向の両端に設けられた固定部４１，４２を介して絶縁膜２０上に固定されている。固定部４１，４２間には、平板形状のリボンミラー部４３が傾斜部４４，４５を介してそれぞれ固定部４１，４２に連接されて設けられている。このリボンミラー部４３の上面４３ａは、それぞれ入射する光を反射する反射面として構成されており、絶縁膜２０との間に所定の間隙４０ａを有して配置される構造となっている。
【００４１】
複数の可動膜４０は、長手方向がそれぞれ同一方向に向けられており、隣接しあう複数の可動膜４０同士が絶縁膜２０上で互いに平行に配列された構造とされている。ここで、複数の可動膜４０は、それぞれ幅方向に所定間隔離されて配列されている。ここで、隣接する可動膜４０間の設けられる間隔は、可動膜４０の幅と比べ十分に小さく、ある可動膜４０の幅方向一端から、隣接する可動膜４０の幅方向一端までの距離は、可動膜４０の幅とほぼ一致するものとする。
【００４２】
また、複数のリボン形状の可動膜４０は、それぞれ厚さ方向に、支持膜４６と、支持膜４６上に上部電極４７を積層して構成された薄膜として構成されている。支持膜４６は、SiNxからなり、固定部４１，４２に対応する位置の支持膜４６が、絶縁膜２０上に固定されるようになっている。また、上部電極４７は、支持膜４６の上面を覆うように成膜されたＩＴＯ膜である。可動膜４０は、支持膜４６と上部電極４７とが一体となって、固定部４１，４２、リボンミラー部４３、及び傾斜部４４，４５を構成することにより、全体として薄膜のリボン状に形成されている。
【００４３】
図３に示すように、ガラス基板１０と絶縁膜２０との間であって、リボンミラー部４３の厚さ方向に対応した位置には、ＩＴＯからなる下部電極３０が埋め込まれている。下部電極３０は、絶縁膜２０によって、上方に配置された複数の可動膜４０から絶縁されている。下部電極３０には、図示せぬ電圧印加手段によって、所定の電圧が印加されるように構成されている。
【００４４】
同様に、各可動膜４０に設けられた上部電極４７には、図示せぬ電圧印加手段によって所定の電圧が独立に与えられるように構成されている。これにより、光変調素子１は、各可動膜４０とその下方に配置された下部電極３０との間にそれぞれ独立に電位差を生じさせることが可能に構成されている。各可動膜４０の上部電極４７と下部電極３０との間の電位差が所定値以上となると、可動膜４０は、両電極間に作用する静電気力によって傾斜部４４，４５とリボンミラー部４３との間において折り曲げられ、リボンミラー部４３が厚み方向に変位することにより、リボンミラー部４３が間隙４３ａの方向に移動し、絶縁膜２０上に張り付く。これにより、変位した可動部４０のリボンミラー部４３は、隣接する変位していない可動膜４０のリボンミラー部４３より下方に押し下げられた状態となる。なお、この可動膜４０は、数ナノ秒程度の応答性で上下動させることが可能である。
【００４５】
ここで、光変調素子１は、可動膜４０を所定間隔おきに変位させることにより、光変調素子１上に入射する光を、その波長に応じて選択的に所定の回折角で回折させる反射型の回折格子として機能する。ここで、光変調素子１に入射する光の波長をλ、入射角をθ₀、回折角をθ_m、可動膜４０の変位周期をｄとすると、回折条件は、以下の式によって表される。
ｄ（sinθ_m-sinθ₀）＝ｍλ ・・・（１）
ここで、ｍは回折次数であって、整数である。
【００４６】
式（１）から理解されるように、入射角θ₀および回折角θ_mが決定されているとすると、所定の回折方向に回折される光の波長λは、回折格子の変位周期に比例する。
【００４７】
ここで、図４は、可動膜４０を５個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図５は、可動膜４０を６個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図６は、可動膜４０を７個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図である。
【００４８】
図４、図５及び図６に対応する状態において、それぞれ所定の入射角θ₀で入射し、回折角θ_mで回折する光の波長λの比は、それぞれ５：６：７となる。ここで、図４の状態において、所定の入射角θ₀で入射し、回折角θ_mで回折する光の波長λが４５０ｎｍ（青色光）であるとすると、図５の状態で回折角θ_mで回折する光の波長λは、５４０ｎｍ（緑色光）となり、図６の状態で回折角θ_mで回折する光の波長λは、６３０ｎｍ（赤色光）となる。
【００４９】
以上をまとめると、光変調素子１は、図４、図５及び図６の状態に対応して、それぞれ青色光、緑色光及び赤色光を所定の回折角θ_mで回折することができる。すなわち、本実施形態の光変調素子１は、可動膜４０を選択的に変位させることによって、可動膜４０の変位状態に応じて回折する光の波長λを変化させることにより、青色光、緑色光及び赤色光のうち所望の光を所定の回折角で回折させることが可能な光変調素子として機能する。
【００５０】
したがって、所定の入射角θ₀で波長λ＝４５０ｎｍ（青色光）、５４０ｎｍ（緑色光）、６３０ｎｍ（赤色光）が光変調素子１に入射したとき、すべての可動膜４０が変位していない場合には、光変調素子１は、どの波長λの光であってもリボンミラー部４３の上面４３ａにて入射角θ₀に対応した反射角で光を反射する。
【００５１】
一方、可動膜４０が周期的に変位している場合には、可動膜４０の変位周期に応じた波長λの光を所定の回折角θ_mで回折する。よって、所定の回折角θ_mの方向に光検出器等を配置しておくことにより、可動膜４０の変位周期に応じて波長選択を行い、選択された波長λの光のみを出力光として光検出器によって検出することが可能である。
【００５２】
光変調素子１は、基板１０上に各種層を成膜していくことにより作成することが可能である。以下、図７〜図９を参照しながら、光変調素子１の作成方法について説明を行う。
【００５３】
先ず、ガラス基板１０の表面を所定のアルカリ溶液を用いて洗浄し、その後に超純水で純水リンスを行い、溶剤やホコリを洗い流す。その後、１２０℃で１時間乾燥を行い、ガラス基板１０の洗浄を完了する（図７（ａ）参照）。
【００５４】
基板洗浄完了後、スパッタリング等により、基板１０の表面上にＩＴＯ５０を０．１５μｍ成膜し、下部電極３０成膜のための下地を作る（図７（ｂ）参照）。
【００５５】
そして、レジスト液をＩＴＯ５０に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、ＩＴＯ５０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で作成する下部電極３０の形状に対応したパターンで露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、露光した部分のレジストを剥離して、所望の形状の下部電極３０をガラス基板１０上に形成する（図７（ｃ）参照）。
【００５６】
次に、下部電極３０が形成されたガラス基板１０上に、SiO₂をスパッタリングで０．５μｍ成膜し、絶縁膜２０を形成する（図７（ｄ）参照）。
【００５７】
その後、可動膜４０成膜の下準備として、絶縁膜２０上に犠牲層としてのAl膜６０をスパッタリングまたは蒸着法を用いて、０．４μｍ成膜する（図７（ｅ）参照）。
【００５８】
次に、可動膜４０と絶縁膜２０との間に形成される間隙の形状に応じた形にAl膜６０をパターンニングする。ここでは、レジスト液をAl膜６０上に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、Al膜６０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で、パターンニング形状に対応したパターン露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、露光したレジストを剥離して、所望の形状のAl膜６０を絶縁膜２０上に形成する（図８（ａ）参照）。
【００５９】
次に、Al膜６０がパターンニングされた絶縁膜７０上に、３００℃のプラズマＣＶＤ法を用いてSiNx膜７０を成膜する。このSiNx膜７０は、可動膜４０の支持膜４６として構成されるものである。SiNx膜７０の厚さは、SiNx膜７０が可動膜４０の一部である支持膜４６となったときに内部残留応力が適切な値となり、スムーズに可動膜４０の一部として上下に可動できる程度の厚さに調整される（図８（ｂ）参照）。
【００６０】
次に、SiＮx膜７０上にＩＴＯ８０をスパッタリングまたは常温成膜で成膜する。このＩＴＯ８０は、可動膜４０の上部電極４７として構成されるものである（図８（ｃ）参照）。
【００６１】
その後、可動膜４０の上部電極４７の形状に応じて、ＩＴＯ８０のパターンニングを行う。ここでは、レジスト液をＩＴＯ８０上に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させた後に、図示せぬマスクを用いてＩＴＯ８０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で、作成するパターンニングする形状に対応したパターン露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、レジストを剥離して、所望の形状の上部電極４７をSiNx膜７０上に形成する（図８（ｄ）参照）。
【００６２】
次に、可動膜４０の支持膜４６の形状に応じて、SiNx７０のパターンニングを行う。ここでは、パターンニングの精度が要求されるため、ドライエッチングを使用する。具体的には、SiNx用ドライエッチングガスとしてＣＦ₄を１００Ｗ、８０Ｐａで２分間、そしてレジスト用ガスとしてＯ₂を１００Ｗ、１００Ｐａで２分間、それぞれ照射してエッチングを行い、支持膜４６を成形する（図９（ａ）参照）。
【００６３】
次に、ＩＴＯに対してアニール処理を行い、残留応力や内部ひずみを除去し、結晶欠陥を低減させ均一化を行う。ここでは、全体を２３０℃の雰囲気下に２時間放置することにより、アニール処理が行われる（図９（ｂ）参照）。
【００６４】
そして最後に、犠牲層としてのAl膜６０をAl用エッチング液を用いて除去する。その後、メタノールでリンスを行い、超臨界洗浄乾燥機で２時間洗浄及び乾燥を行い、光変調素子１が完成する（図９（ｃ）参照）。
【００６５】
以上、本実施形態の光変調素子１は、それぞれ光を反射する反射面である上面４３ａを有し、互いに平行に配列された複数の可動膜４０と、絶縁膜２０を介して複数の可動膜４０のそれぞれの両端（固定部４１，４２）を固定支持する基板１０と、複数の可動膜４０に対応するように前記複数の可動膜４０の下方（基板１０と絶縁膜２０との間）に設けられ、静電気力により複数の可動膜４０を変位させる変動素子としての下部電極３０と、前記複数の可動膜４０に選択的に電圧を印加し、前記複数の可動膜４０を周期的に変位させる駆動手段と、を備えている。複数の可動膜４０は、周期的かつ選択的に変位させられることにより、前記複数の可動膜４０の上面４３ａに入射する入射光を前記入射光の波長λに応じて選択的に回折させる。
【００６６】
したがって、本実施形態の光変調素子１によれば、複数の可動膜４０を選択的に変位させることにより、入射光を波長λに応じて選択的に回折させることが可能である。すなわち、入射光の波長λに応じた周期で複数の可動膜４０を選択的に変位させておくことにより、所定の波長λを有する光のみを所定の回折角θ_mで回折することができる。よって、光変調素子１を用いることにより、複数の波長λを持つ光を回折させて、選択的に光を取り出すことが可能となる。また、一つの光変調素子１を用いるだけで、複数の波長選択を行うことが可能であるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子１を提供することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態では、可動膜４０を１２本配設する構造としたが、これに限られることはなく、光の回折効率を高めるために、さらに多くの可動膜４０を配設するように構成してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、基板としてガラス基板１０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、プラスチック等の樹脂、金属、半導体等を用いて構成することも可能である。
【００６９】
また、本実施形態では、上部電極４７及び下部電極３０は、ＩＴＯであるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、Al，Ti，Au，Ag，W等を蒸着法等により成膜し、構成してもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、犠牲層としてAl膜６０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、シリコン酸化物、窒化シリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、ポリイミド等を用いて構成してもよい。
【００７１】
また、本実施形態において、すべての可動膜４０が可動するように構成する必要はなく、可動が必要な可動膜４０にのみ電気的配線を施し、下部電極３０と上部電極４７との間に可動に必要な所定の電位差を発生可能に構成してもよい。
（第２実施形態）
以下、図１０〜図１７を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第２実施形態について説明する。
【００７２】
図１０は本発明に係る第２実施形態の光変調素子１００を示す斜視図であり、図１１は図１０のXI−XI矢視断面図であり、図１２は、図１０のXII−XII矢視断面図である。また、図１３、図１４、及び図１５は、光変調素子の可動膜を所定間隔おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【００７３】
本実施形態の光変調素子１００は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であり、図１０及び図１１に示すように、断面視コの字形状のガラス基板１１０上に、複数のリボン形状の可動膜１４０が所定間隔おきに配置されて構成されたものである。これら複数のリボン形状の可動膜１４０は、それぞれ幅が１μｍ程度の素子である。
【００７４】
ガラス基板１１０は、ガラス基板１１０の中央部にその長手方向に沿って凹部１１０ａが形成されており、平板形状の基体１１０ｂ上に段部１１１，１１２がガラス基板１１０の長手方向に沿ってガラス基板１１０の幅方向端部に平行に設けられた構成となっている。
【００７５】
ガラス基板１１０の凹部１１０ａの底面１１０ｃ上には、ＩＴＯからなる下部電極１３０が成膜されている。この下部電極１３０には、図示せぬ電圧印加手段によって、所定の電圧が印加されるように構成されている。この下部電極１３０の上面には、下部電極１３０を覆うように絶縁層１２０が成膜されている。
【００７６】
ガラス基板１１０の段部１１１，１１２上には、複数のリボン形状の可動膜１４０のそれぞれが、可動膜１４０の長手方向の両端に設けられた固定部１４１，１４２を介して固定されている。これにより、複数の可動膜１４０は、その幅方向（以下、可動膜配列方向と呼ぶ）に隣り合う可動膜１４０と平行となるように配置されている。ここで、複数の可動膜１４０は、それぞれ幅方向に所定間隔離されて配列されている。ここで、隣接する可動膜４０間の設けられる間隔は、可動膜４０の幅と比べ十分に小さく、ある可動膜４０の幅方向一端から、隣接する可動膜４０の幅方向一端までの距離は、可動膜４０の幅とほぼ一致するものとする。
【００７７】
可動膜１４０において、固定部１４１，１４２間に連接された平板形状のリボンミラー部１４３は、その上面１４３ａが、それぞれ入射する光を反射する反射面として構成されており、厚み方向（ここでは、ガラス基板１１０に垂直な方向）に絶縁膜１２０との間に所定の間隙１４０ａを有して配置される構造となっている。
【００７８】
また、複数のリボン形状の可動膜１４０は、それぞれ厚さ方向に、支持膜１４６と、支持膜１４６上に上部電極１４７を積層して構成された薄膜として構成されている。支持膜１４６は、SiNxからなり、固定部１４１，１４２に対応する位置の支持膜１４６が、段部１１１，１１２上に固定されるようになっている。また、上部電極１４７は、支持膜１４６の上面を覆うように成膜されたＩＴＯ膜である。可動膜１４０は、支持膜１４６と上部電極１４７が一体となって、固定部１４１，１４２、リボンミラー部１４３を構成し、全体として薄膜のリボン状に形成されている。
【００７９】
各可動膜１４０に設けられた上部電極１４７には、ガラス基板１１０及び支持膜１４６を厚さ方向に貫通する孔１１０ｄが形成されている。この孔１１０ｄ内には、AlまたはAl合金等からなる導電性の接続部１４８が埋め込まれている。この接続部１４８は、ガラス基板１１０、支持膜１４６を貫通して上部電極１４７に連接されている。
【００８０】
図示せぬ電圧印加手段は、この接続部１４８を介して上部電極１４７に所定の電圧を独立に与えるように構成されている。これにより、光変調素子１００は、各可動膜１４０と下方に配置された下部電極１３０との間にそれぞれ独立に電位差を生じさせることが可能に構成されている。各可動膜１４０の上部電極１４７と下部電極１３０間の電位差が所定値以上となると、可動膜１４０は、両電極間に作用する静電気力によって固定部１４１，１４２とリボンミラー部１４３との間において折り曲げられ、リボンミラー部１４３が厚み方向に変位することにより、リボンミラー部１４３が間隙１４０ａの方向に移動し、絶縁膜１２０上に張り付く。これにより、変位した可動部１４０のリボンミラー部１４３は、隣接する変位していない可動膜１４０のリボンミラー部１４３より下方に押し下げられた状態となる。なお、この可動膜１４０は、数ナノ秒程度の応答性で上下動させることが可能である。
【００８１】
本実施形態の光変調素子１００は、第１実施形態の光変調素子１と同様に、可動膜１４０を所定間隔おきに変位させることにより、光変調素子１００上に入射する光を、その波長λに応じて選択的に所定の回折角で回折させる反射型の回折格子として機能する。ここで、光変調素子１００に入射する光の回折条件は、前述の式（１）によって表される。
【００８２】
式（１）から理解されるように、入射角θ₀および回折角θ_mが決定されているとすると、所定の回折方向に回折される光の波長λは、回折格子の変位周期に比例する。
【００８３】
ここで、図１３は、可動膜１４０を５個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図１４は、可動膜１４０を６個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図６は、可動膜４０を７個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図である。
【００８４】
図１３、図１４及び図１５に対応する状態において、それぞれ所定の入射角θ₀で入射し、回折角θ_mで回折する光の波長λの比は、それぞれ５：６：７となる。ここで、図１３の状態において、所定の入射角θ₀で入射し、回折角θ_mで回折する光の波長λが４５０ｎｍ（青色光）であるとすると、図１４の状態で回折角θ_mで回折する光の波長λは、５４０ｎｍ（緑色光）となり、図１５の状態で回折角θ_mで回折する光の波長λは、６３０ｎｍ（赤色光）となる。
【００８５】
以上をまとめると、光変調素子１００は、図１３、図１４及び図１５の状態に対応して、それぞれ青色光、緑色光及び赤色光を所定の回折角θ_mで回折することができる。すなわち、本実施形態の光変調素子１００は、可動膜１４０を選択的に変位させることによって、可動膜１４０の変位状態に応じて回折する光の波長λを変化させることにより、青色光、緑色光及び赤色光のうち所望の光を所定の回折角で回折させることが可能な光変調素子として機能する。
【００８６】
したがって、所定の入射角θ₀で波長λ＝４５０ｎｍ（青色光）、５４０ｎｍ（緑色光）、６３０ｎｍ（赤色光）が光変調素子に入射したとき、すべての可動膜１４０が変位していない場合には、リボンミラー部１４３の上面１４３ａで、どの波長λの光であっても入射角θ₀に対応した反射角で光を反射する。
【００８７】
一方、可動膜４０が周期的に変位している場合には、可動膜１４０の変位周期に応じた波長λの光を所定の回折角θ_mで回折する。よって、所定の回折角θ_mの方向に光検出器等を配置しておくことにより、可動膜１４０の変位周期に応じて波長選択を行い、選択された波長λの光のみを出力光として光検出器によって検出することが可能である。
【００８８】
光変調素子１００は、基板１１０上に各種層を成膜していくことにより作成することが可能である。以下、図１６〜図１７を参照しながら、光変調素子１００の作成方法について説明を行う。
【００８９】
先ず、ガラス基板１１０の表面を所定のアルカリ溶液を用いて洗浄し、その後に超純水で純水リンスを行い、溶剤やホコリを洗い流す。その後、１２０℃で１時間乾燥を行い、ガラス基板１１０の洗浄を完了する（図１６（ａ）参照）。
【００９０】
ガラス基板１１０の洗浄完了後、凹部１１０ａの形成を行う。ガラス基板１１０の表面にレジスト液を塗布して乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、作成する凹部１１０ａに対応した位置に露光を行い、その後、露光したガラス基板１１０中央部をエッチングにより除去し、凹部１１０ａを形成する（図１６（ｂ））。
【００９１】
そして、蒸着法やスパッタリング等により、凹部１１０ａの底面１１０ｃ上にＩＴＯ５０を０．１５μｍ成膜し、下部電極１３０を成膜する（図１６（ｃ）参照）。
【００９２】
次に、下部電極１３０上に、SiO₂を蒸着法やスパッタリング等により、０．５μｍ成膜し、絶縁膜１２０を形成する（図１６（ｄ）参照）。
【００９３】
その後、可動膜１４０成膜の下準備として、絶縁膜１２０上に犠牲層としてのシリコン酸化物膜１６０をスパッタリングまたは蒸着法を用いて、成膜する。この際、凹部１１０ａからはみ出して成膜された部分１６１、ならびに段部１１１及び１１２上に成膜された部分１６２（すなわち、図１６（ｅ）のａ−ａ断面より上の部分）は、研磨等により除去し、シリコン酸化物膜１６０が凹部１１０を埋めるような状態にする（図１６（ｅ）参照）。
【００９４】
次に、シリコン酸化物膜１６０及びガラス基板１１０の上面に、SiNx膜１７０を３００℃のプラズマＣＶＤ法を用いて成膜する。このSiNx膜膜１７０は、可動膜１４０の支持膜１４６として構成されるものである。SiNx膜１７０の厚さは、SiNx膜７０が可動膜４０の一部である支持膜４６となったときに内部残留応力が適切な値となり、スムーズに可動膜４０の一部として上下に可動できる程度の厚さに調整される（図１７（ａ）参照）。
【００９５】
次に、SiNx膜１７０が成膜されたガラス基板１１０の長手方向に沿って所定間隔毎に孔１１０ｄをエッチングにより形成し、この孔１１０ｄを埋めるようにAl、Al合金等からなる接続部１４８が形成される（図１７（ｂ）参照）
次に、SiＮx膜１７０上にＩＴＯ１８０をスパッタリングまたは常温成膜で成膜する。このＩＴＯ１８０は、可動膜１４０の上部電極１４７として構成されるものである（図１７（ｃ）参照）。
【００９６】
その後、成形する可動膜１４０の形状に応じて、ＩＴＯ１８０及びSiNx膜１７０のパターンニングを行う。ここでも、フォトリソグラフィ法を用いて、可動膜４０に対応したパターンのマスクした後、露光を行い、乾式及び湿式エッチングによりパターンを形成する。（図１７（ｄ）参照、本図は上面図）。
【００９７】
そして最後に、犠牲層としてのシリコン酸化物膜１６０を二フッ化キセノンを用いて、ドライエッチングにより除去する。メタノールでリンスを行い、超臨界洗浄乾燥機で２時間洗浄及び乾燥を行い、所定の電極毎に配線を行い光変調素子１００が完成する（図１７（ｅ）参照）。
【００９８】
以上、本実施形態の光変調素子１００は、それぞれ光を反射する反射面である上面１４３ａを有し、互いに平行に配列された複数の可動膜１４０と、絶縁膜１２０を介して複数の可動膜１４０のそれぞれの両端（固定部１４１，１４２）を固定支持する基板１１０と、複数の可動膜１４０に対応するように前記複数の可動膜１４０の下方（基板１１０と絶縁膜１２０との間）に設けられ、静電気力により複数の可動膜１４０を変位させる変動素子しての下部電極１３０と、前記複数の可動膜１４０に選択的に電圧を印加し、前記複数の可動膜１４０を周期的に変位させる駆動手段と、を備えている。複数の可動膜１４０は、周期的かつ選択的に変位させられることにより、前記複数の可動膜１４０の上面１４３ａに入射する入射光を前記入射光の波長λに応じて選択的に回折させる。
【００９９】
したがって、本実施形態の光変調素子１００によれば、複数の可動膜１４０を選択的に変位させることにより、入射光を波長λに応じて選択的に回折させることが可能である。すなわち、入射光の波長λに応じた周期で複数の可動膜１４０を選択的に変位させておくことにより、所定の波長λを有する光のみを所定の回折角θ_mで回折することができる。よって、光変調素子１００を用いることにより、複数の波長λを持つ光を回折させて、選択的に光を取り出すことが可能となる。また、一つの光変調素子１００を用いるだけで、複数の波長選択を行うことが可能であるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子１００を提供することが可能となる。
【０１００】
なお、本実施形態では、可動膜１４０を１２本配設する構造としたが、これに限られることはなく、光の回折効率を高めるために、さらに多くの可動膜１４０を配設するように構成してもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、基板としてガラス基板１１０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、プラスチック等の樹脂、金属、半導体等を用いて構成することも可能である。
【０１０２】
また、本実施形態では、上部電極１４７及び下部電極１３０は、ＩＴＯであるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、Al，Ti，Au，Ag，W等を蒸着法等により成膜し、構成してもよい。
【０１０３】
また、本実施形態では、犠牲層としてシリコン酸化物膜１６０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、窒化シリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、ポリイミド等を用いて構成してもよい。
【０１０４】
また、本実施形態において、すべての可動膜１４０が可動するように構成する必要はなく、可動が必要な可動膜１４０にのみ電気的配線を施し、下部電極１３０と上部電極１４７との間に可動に必要な所定の電位差を発生可能に構成してもよい。
（第３実施形態）
以下、図１８〜図２１を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第３実施形態として、画像表示装置に適用された形態について説明する。
【０１０５】
図１８は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が適用された画像表示装置２００を示す図である。本実施形態の画像表示装置２００は、所定の光量の光２０１を出力する光源２１０と、光源２１０から出力した光２０１を赤、青及び緑色波長の光に時分割で変換するフィルタ部２２０と、フィルタ部２２０から送られた光２０２を所定の光路に沿って反射するミラー２３０と、ミラー２３０からの光を平行光に変換するコリメータレンズ２３５と、コリメータレンズから送られる平行光２０３を選択的に出力側に出力する光変調素子アレイ２４０と、光変調素子アレイ２４０によって選択された光を投影面２５０に投影し、結像する投影レンズ２４５とを有している。
【０１０６】
光源２１０は、キセノン、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯等の高出力ランプである。この光源２１０は、後述のフィルタ部２２０のカラーフィルタ２２３上に集光するように、高出力の白色光を出力する。
【０１０７】
図１９は、フィルタ部２２０のカラーフィルタ２２３を示す図である。フィルタ部２２０は、図１８に示すように、円盤状のカラーフィルタ２２３が回転軸２２２を介して駆動モータ２２１によって回転するように構成されたものである。カラーフィルタ２２３は、円盤中心２２３ａが回転軸２２２の軸芯と同心となるようにに取り付けられることにより、円盤中心２２３ａを回転中心として等速回転する。
【０１０８】
カラーフィルタ２２３は、円盤中心２２３ａを中心として周方向に３分割されており、それぞれの領域に赤、緑、青の各色の色フィルタ２２４，２２５，２２６が取り付けられている。光源２１０から出力した光２０１は、この各色フィルタ２２４，２２５，２２６のいずれかを通過し、赤色フィルタ２２４を通過したときは赤色光（波長：約６３０ｎｍ）が、緑色フィルタ２２５を通過したときは緑色光（波長：約５４０ｎｍ）が、青色フィルタ２２６を通過したときは青色光（波長：約４５０ｎｍ）が、透過するように構成されている。したがって、カラーフィルタ２２３からは、カラーフィルタ２２３の回転速度に応じて、所定時間毎に赤色光、緑色光、青色光が順次出力されるように構成されている。
【０１０９】
ミラー２３０は、後段に配置された光変調素子アレイ２４０に対し、カラーフィルタ２２３を出射した光２０２が所定の入射角θ₀で入射するような角度で反射する。ミラー２３０を出射した光２０２は、コリメータレンズ２３５によって、平行光２０３に変換される。この平行光２０３は、光変調素子アレイ２４０の全面にわたって同じ入射角θ₀で入射するように光変調素子アレイ２４０に送られる。
【０１１０】
図２０は、光変調素子アレイ２４０の表面を示す図であり、図２１は、光変調素子アレイ２４０上での反射光２０４及び回折光２０５の出力方向を示す図である。光変調素子アレイ２４０は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が、同一平面上に複数個二次元配列されたものである。この光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）には、コリメータレンズ２３０から送られる平行光２０３がそれぞれ入射するように構成されている。ここで、各光変調素子１（１００）への光の入射効率を高めるために、各光変調素子１の入射面上方に、単焦点レンズをそれぞれ設けるように構成してもよい。
【０１１１】
ここで、各光変調素子１（１００）は、他の光変調素子１（１００）とは独立に、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態を制御可能に構成されている。
【０１１２】
ＯＦＦ状態とは、光変調素子１（１００）上のすべての可動膜４０（１４０）が変位していない状態を指す。このＯＦＦ状態の光変調素子１（１００）に入射した光は、図２１に示すように、光変調素子１（１００）のリボンミラー部４３の表面で反射し、入射角θ₀と等しい反射角θ₀で出力される。この反射角θ₀で反射された反射光２０４は、画像表示装置２００の出力側には送られない。
【０１１３】
一方、ＯＮ状態とは、光変調素子１（１００）上の可動膜４０（１４０）が入射する光の波長に応じて、例えば、５個、６個または７個おきに変位している状態を指す。このＯＮ状態の光変調素子１（１００）に入射した光は、同じく図２１に示すように、変位状態に応じて、光を所定の回折角θ_mで回折し、出力される。この回折角θ_mで回折した回折光２０５は、投影レンズ２４５を介して画像表示装置２００の外部に出力され、投影面２５０上に投影される。
【０１１４】
すなわち、光変調素子２４０上の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置２００の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面２５０に投影される。これにより、画像表示装置２００は、投影面２５０上に、１フレーム分のＲＧＢ信号に応じた光を時分割表示する。投影面２５０を見るユーザの網膜には、時分割された光が順次焼き付けられ、赤、緑、青の発行時間に応じた色が表示されているとして認識する。
【０１１５】
具体例を挙げると、例えばＲＧＢ信号が、各色２５６階調で表現されている場合には、光変調素子１のＯＮ時間をそれぞれ２５６分割で制御する。より具体的な例として、ある画素におけるあるフレーム中のＲＧＢ信号の比率が（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（１２８，０，６４）であった場合を考える。この場合、該当する画素に対応する位置の光変調素子１（１００）は、光変調素子１（１００）に赤色光、緑色光、青色光が順次入射するとすると、第一に入射する赤色光を入射時間の１２８／２５６の間回折し、次に入射する緑色光を入射時間の０／２５６の間回折し、最後に入射する青色光を入射時間の６４／２５６の間回折するように、ＯＮ／ＯＦＦ制御される。これにより、各色光は、上記ＯＮ時間に対応した時間だけ投影面２５０に送られ、投影面２５０上に（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（１２８，０，６４）に対応した色を表現する。
【０１１６】
ここで、具体的な画像表示装置２００のパラメータとしては、光変調素子の各可動膜４０の幅が、１μｍであるとすると、赤色光、緑色光、青色光に対応する可動膜の変位周期は、それぞれ７μｍ，６μｍ，５μｍとなる。このような光変調素子アレイ２４０を用いた場合、入射角θ₀が３０゜となるようにミラー２３０を配設したときには、式（１）に基づき、回折角θ_mが約４０゜となるように構成することにより、回折光２０５を取り出すことが可能である。また、入射角θ₀が１０゜となるようにミラー２３０を配設したときには、式（１）に基づき、回折角θ_mが約２５゜となるように構成することにより、回折光２０５を取り出すことが可能である。
【０１１７】
画像表示装置２００においては、投影面２５０に投影すべき映像信号であるＲＧＢ信号は、外部入力部２６０を介して受け取られる。この外部入力部２６０で受け取ったＲＧＢ信号は、主制御部２７０に送られる。
【０１１８】
主制御部２７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部２９０に出力する。また、主制御部２７０は、光変調素子制御部２９０に送られた変調信号に対応した同期信号を回転制御部２８０に出力する。
【０１１９】
回転制御部２８０は、主制御部２７０から出力された同期信号に応じて、フィルタ部２２０の駆動モータ２２１を駆動し、カラーフィルタ２２３を等速度で回転駆動する。これにより、光源２１０を出力された白色光は、カラーフィルタ２２３に設けられた各色フィルタ２２４，２２５，２２６により波長選択され、赤色光、緑色光、青色光がカラーフィルタ２２３から所定時間ずつ順次出力される。
【０１２０】
光変調素子制御部２９０は、主制御部２７０から出力された変調信号に応じて、光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）の駆動制御を行う。すなわち、光変調素子制御部２９０は、光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）の下部電極３０（１３０）に所定電圧を印加し、上部電極４７（１４７）に選択的に電圧を印加することにより、下部電極３０（１３０）と上部電極４７（１４７）との間に所定の電位差を生じさせ、可動膜４０（１４０）を選択的に変位させる。
【０１２１】
具体的には、光変調素子制御部２９０は、主制御部２７０から出力された変調信号に応じて、コリメータレンズ２３５側から送られてくる平行光２０３とされて順次送られる赤色光、緑色光、青色光を光変調素子アレイ２４０が所定の色および強度に応じた色信号を投影面２５０に投影するように、光変調素子２４０の各光変調素子１（１００）を駆動する。これにより、光変調素子制御部２９０は光変調素子アレイ２４０に順次入射する赤色光、緑色光、青色光のそれぞれを変調信号に応じた時間だけ、回折させ投影面２５０に出力するように制御することにより、画像を時分割的に投影面２５０に投影表示する。
【０１２２】
以上、本実施形態の画像表示装置２００は、ＲＧＢの各色に対応した光を、順次光変調素子アレイ２４０上に送出し、光変調素子アレイ２４０の各光変調素子１（１００）を映像信号であるＲＧＢ信号に対応して駆動することにより投影面２５０に画像（映像）を表示する。すなわち、光変調素子アレイ２４０の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置２００が出力する画像（映像）の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面２５０に投影される。
【０１２３】
したがって、本実施形態によれば、各画素毎に単一の光変調素子１（１００）を設けることにより、画像を時分割で表示することが可能な画像表示装置２００を提供することが可能となる。この画像表示装置２００は、各画素毎に単一の光変調素子のみで画像表示を行うため、各画素毎にＲＧＢにそれぞれ対応した３つの光変調素子を設けるタイプと比べ、設置面積を減らすことが可能となり、従来に比べ光変調素子アレイの小型化を図ることが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態の画像表示装置２００によれば、光変調素子アレイ２４０を用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面２５０に投影表示させるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことが可能となる。したがって、高い空間解像度を有する画像を容易に表現可能な画像表示装置を提供することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施形態によれば、動作変位量が小さく且つ高速応答性の高い可動膜４０を用いて構成された光変調素子１（１００）を有する光変調素子アレイ２４０が用いられている。したがって、消費電力を低く保ちつつ、画像表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置２００を構成することが可能となる。
【０１２６】
なお、本実施形態では、主制御部２７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部２９０に出力するとしたが、これに限られず、画像表示装置２００の外部で時分割表示用の変調信号が作成され、外部入力部２６０が受け取る信号が最初から時分割表示用の変調信号であってもよい。
【０１２７】
また、本実施形態では、出力されて投影される光は、回折光であるとしたが、これに限られず、各光変調素子１（１００）がＯＦＦ状態のときの反射光２０４を外部に取り出すように構成してもよい。
【０１２８】
（第４実施形態）
以下、図２２を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第４実施形態として画像表示装置に適用された形態について説明する。
【０１２９】
図２２は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１（１００）が適用された画像表示装置３００を示す図である。本実施形態の画像表示装置３００は、赤色レーザ光源３１１と、緑色レーザ光源３１２と、青色レーザ光源３１３と、分離ミラー３１４，３１５と、コリメータレンズ３２０と、ミラー３３０と、光変調素子アレイ３４０と、投影レンズ３４５とを有している。
【０１３０】
本実施形態の画像表示装置３００は、光源として、例えば半導体レーザ等で構成される３種類の光源を用いて所定の波長の光を出力するように構成されている。すなわち、本実施形態では、赤色レーザ光源３１１は、波長６３０ｎｍの赤色光を出力する光源であり、緑色レーザ光源３１２は、波長５４０ｎｍの緑色光を出力する光源であり、そして青色レーザ光源３１３は、波長４５０ｎｍの青色光を出力する光源である。これらの光源は、後述のレーザ光源駆動制御部３８０によって、順次光を出射するように制御される。
【０１３１】
分離ミラー３１４は、緑色レーザ光源３１２から出力した緑色光を反射し、赤色レーザ光源３１１から出力した波長の長い赤色光を透過するミラーである。赤色レーザ光源から出力した赤色光は、分離ミラー３１４を透過して分離ミラー３１５に入射する。一方、緑色レーザ光源から出力した緑色光は、分離ミラー３１４にて反射して分離ミラー３１５に入射する。
【０１３２】
分離ミラー３１５は、青色レーザ光源３１３から出力した青色光を反射し、赤色レーザ光源３１１および緑色レーザ光源３１２から出力した波長の長い赤色光および緑色光を透過するミラーである。赤色レーザ光源３１１および緑色レーザ光源３１２から分離ミラー３１４を介して分離ミラー３１５に入射する赤色光および緑色光は、分離ミラー３１５を透過し、後段のコリメータレンズ３２０に入射する。一方、青色レーザ光源３１３から分離ミラー３１５に入射する青色光は、分離ミラー３１５にて反射し、後段のコリメータレンズ３２０に入射する。
【０１３３】
コリメータレンズ３２０は、分離ミラー３１５から送られてくる赤色光、緑色光、および青色光を平行光に変換するミラーである。コリメータレンズ３２０によって平行光とされた各色光は、ミラー３３０にて反射し、所定の入射角θ₀にて光変調素子アレイ３４０に入射する。
【０１３４】
光変調素子アレイ３４０は、第３実施形態の光変調素子アレイ２４０と同様に、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が、同一平面上に複数個二次元配列されたものである。各光変調素子１（１００）は、他の光変調素子１（１００）とは、独立にＯＮ、ＯＦＦ制御可能に構成されている。各光変調素子１（１００）の駆動制御については、第３実施形態の光変調素子アレイ２４０と同様である。
【０１３５】
投影レンズ３４５は、光変調素子アレイ３４０によって選択的に回折した回折光を投影面３５０に投影し、結像するレンズである。
【０１３６】
画像表示装置３００においては、投影面３５０に投影すべき映像信号であるＲＧＢ信号は、外部入力部３６０を介して受け取られる。この外部入力部３６０で受け取ったＲＧＢ信号は、主制御部３７０に送られる。
【０１３７】
主制御部３７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部３９０に出力する。また、主制御部３７０は、光変調素子制御部３９０に送られた変調信号に対応した同期信号をレーザ光源駆動制御部３８０に出力する。
【０１３８】
レーザ光源駆動制御部３８０は、主制御部３７０から出力された同期信号に応じて、青色レーザ光源３１１、緑色レーザ光源３１２および赤色レーザ光源３１３を制御する。このレーザ光源駆動制御部３８０は、各光源３１１，３１２，３１３が所定時間ずつ順次光を出射することにより、光変調素子アレイ３４０の表面に、赤色光、緑色光、青色光の順番で連続的に光が供給されるように各光源を駆動制御する。
【０１３９】
光変調素子制御部３９０は、主制御部３７０から出力された変調信号に応じて、光変調素子アレイ３４０上の各光変調素子１（１００）の駆動制御を行う。すなわち、光変調素子制御部３９０は、光変調素子アレイ３４０上の各光変調素子１（１００）の下部電極３０（１３０）に所定電圧を印加し、上部電極４７（１４７）に選択的に電圧を印加することにより、下部電極３０（１３０）と上部電極４７（１４７）との間に所定の電位差を生じさせ、可動膜４０（１４０）を選択的に変位させる。
【０１４０】
これにより、光変調素子制御部３９０は、光変調素子アレイ３４０に順次入射する赤色光、緑色光、青色光のそれぞれを変調信号に応じた時間だけ、回折させ投影面３５０に出力するように制御し、画像を時分割的に投影面３５０に投影表示する。この光変調素子３９０の制御プロセスについては、第３実施形態の光変調素子制御部２９０の動作と同様である。
【０１４１】
以上、本実施形態の画像表示装置３００は、ＲＧＢの各色に対応した光を、順次光変調素子アレイ３４０上に送出し、光変調素子アレイ３４０の各光変調素子１（１００）を映像信号であるＲＧＢ信号に対応して駆動することにより投影面３５０に画像（映像）を表示する。すなわち、光変調素子アレイ３４０の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置３００が出力する画像（映像）の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面３５０に投影される。
【０１４２】
したがって、本実施形態によれば、各画素毎に単一の光変調素子１（１００）を設けることにより、画像を時分割で表示することが可能な画像表示装置３００を提供することが可能となる。この画像表示装置３００は、各画素毎に単一の光変調素子のみで画像表示を行うため、各画素毎にＲＧＢにそれぞれ対応した３つの光変調素子を設けるタイプと比べ、設置面積を減らすことが可能となり、従来に比べ光変調素子アレイの小型化を図ることが可能となる。
【０１４３】
また、本実施形態の画像表示装置３００によれば、光変調素子アレイ３４０を用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面３５０に投影表示させるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことが可能となる。したがって、高い空間解像度を有する画像を容易に表現可能な画像表示装置を提供することが可能となる。
【０１４４】
また、本実施形態によれば、動作変位量が小さく且つ高速応答性の高い可動膜４０を用いて構成された光変調素子１（１００）を有する光変調素子アレイ３４０が用いられている。したがって、消費電力を低く保ちつつ、画像表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置３００を構成することが可能となる。
【０１４５】
なお、本実施形態では、主制御部３７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部３９０に出力するとしたが、これに限られず、画像表示装置３００の外部で時分割表示用の変調信号が作成され、外部入力部３６０が受け取る信号が最初から時分割表示用の変調信号であってもよい。
【０１４６】
また、本実施形態では、出力されて投影される光は、回折光であるとしたが、これに限られず、各光変調素子１（１００）がＯＦＦ状態のときの反射光を外部に取り出すように構成してもよい。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明の光変調素子によれば、複数の薄膜を選択的に変位させることにより、波長に応じて入射光を選択的に回折させることが可能である。したがって、一つの素子を用いて、複数の波長を持つ光を選択的に回折させることができるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子を提供することが可能となる。
【０１４８】
また、本発明の光変調素子アレイは、同一平面上に複数の光変調素子を配列した、すなわち、１次元または２次元的に複数の光変調素子をしたものである。したがって、この光変調素子アレイにおいて、個々の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択することが可能となる。
【０１４９】
また、本発明の画像表示装置によれば、光出力部から出射される赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次受け取って、それぞれ選択的に回折し、回折光を投影面に向けて投影結像することが可能である。したがって、光変調素子アレイ中の複数の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択し、投影面に投影する時分割型の画像表示装置を構成することが可能である。また、この画像表示装置においては、一つの素子が一つの画素に対応する小型かつ高速応答性に富んだ光変調素子アレイを用いているので、解像度が高く、コンパクトな画像表示装置を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の光変調素子を示す斜視図である。
【図２】図１のII−II矢視断面図である。
【図３】図１のIII−III矢視断面図である。
【図４】第１実施形態の光変調素子の可動膜を５個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図５】第１実施形態の光変調素子の可動膜を６個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図６】第１実施形態の光変調素子の可動膜を７個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図７】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図８】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図９】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１０】本発明に係る第２実施形態の光変調素子を示す斜視図である。
【図１１】図１０のXI−XI矢視断面図である。
【図１２】図１０のXII−XII矢視断面図である。
【図１３】第２実施形態の光変調素子の可動膜を５個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１４】第２実施形態の光変調素子の可動膜を６個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１５】第２実施形態の光変調素子の可動膜を７個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１６】第２実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１７】第２実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１８】第３実施形態の画像表示装置を示す図である。
【図１９】第３実施形態のカラーフィルタを示す図である。
【図２０】第３実施形態の光変調素子アレイを示す図である。
【図２１】第３実施形態の光変調素子アレイの動作説明図である。
【図２２】第４実施形態の画像表示装置を示す図である。
【符号の説明】
１，１００光変調素子
１０，１１０基板
２０，１２０絶縁膜
３０，１３０下部電極
４０，１４０可動膜
４０ａ，１４０ａ間隙
４１，４２，１４１，１４２固定部
４３，１４３リボンミラー部
４３ａ，１４３ａ上面
４４，４５傾斜部
４６，１４６支持膜
４７，１４７上部電極
１１０ａ凹部
１１０ｂ基体
１１０ｃ底面
１１０ｄ孔
１１１，１１２段部
１４８接続部
２００，３００画像表示装置
２１０光源
２２０フィルタ部
２２１駆動モータ
２２２回転軸
２２３カラーフィルタ
２３０，３３０ミラー
２３５，３２０コリメータレンズ
２４０，３４０光変調素子アレイ
２４５，３４５投影レンズ
２５０，３５０投影面
２６０，３６０外部入力部
２７０，３７０主制御部
２８０回転制御部
２９０，３９０光変調素子制御部
３１１赤色レーザ光源
３１２緑色レーザ光源
３１３青色レーザ光源
３１４，３１５分離ミラー
３８０レーザ光源駆動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light modulation element, a light modulation element array, and an image display device which are MEMS elements (micro electric drive mechanical elements), and in particular, selectively diffracts incident light incident on the light modulation element according to the wavelength. The present invention relates to a light modulation element to be operated, a light modulation element array using the light modulation element, and an image display apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for the development of an optical switching element capable of high-speed response and capable of supporting full color display as an element for transmissive and reflective image display devices. As a conventional optical switching element, a liquid crystal element, a micromirror element which is a MEMS element (micro electric drive mechanical element), or an element using a diffraction grating is known.
[0003]
For example, as a diffraction grating type optical modulator, a light source for supplying light, a diffraction grating array in which a plurality of diffraction gratings for diffracting light from the light source are arranged in parallel, and a diffraction grating array 1 An image optical system that receives the next diffracted light (see Patent Document 1)
[0004]
There has also been proposed an optical switching element which is a MEMS element (micro-electrically driven mechanical element) having an optical multilayer structure for displaying red, green and blue colors on a substrate. This optical switching element performs color display by changing the amount of reflection, transmission or absorption of incident light by changing the size of the gap between the optical multilayer structure and the substrate for each color. Yes (see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-296482 (pages 5 to 6, FIGS. 5 and 6)
[0006]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-328313 (pages 8 to 10, FIGS. 1 and 2)
[0007]
[Problems to be Solved by the Invention]
However, in an optical switching element using a liquid crystal element, the response speed of the liquid crystal is as slow as several milliseconds, and it is difficult to realize a high-speed response sufficient to display a moving image. Therefore, when a moving image or the like is displayed using this optical switching element, the contour of the image is blurred and an afterimage feeling remains in the video. In addition, since color filters must be used to perform color display, the light utilization efficiency decreases, making it difficult to obtain an image display device that emits a sufficient amount of light.
[0008]
In addition, in an optical switching element using a micromirror which is a MEMS element (micro electric drive mechanical element), the response speed of the micromirror is a few microseconds, so that the response is sufficient for displaying a moving image. I don't have it. Actually, in order to improve the contrast, it is necessary to increase the angle at which the light can be deflected, so that the response speed is further reduced.
[0009]
Moreover, in the optical switching element using the diffraction grating which is a MEMS element (micro electric drive mechanical element), since the response speed of the diffraction grating is about several nanoseconds, it is sufficiently fast as a switching element used for moving image display. It has a good response. However, in order to actually diffract light, at least two ribbon-like mirrors are necessary, and in order to increase the light utilization efficiency, four ribbon-like mirrors are used, and currently six ribbon-like mirrors are used. Since a mirror is necessary, it is difficult to reduce the size when used in a one-dimensional or two-dimensional array. Furthermore, in order to perform color display, six ribbon-shaped mirrors are required for each color of each element, which complicates the design and makes it difficult to reduce the size, and further reduces the resolution. End up.
[0010]
In addition, the light modulation element described in the prior art document 2 displaces the beam perpendicularly to the substrate. When the displacement (gap) is ¼ of the wavelength, incident light and reflected light are not emitted. The light emitted from the light modulation element is turned off by strongly interfering and canceling each other. For this reason, the light modulation element described in the prior patent document 2 needs to control the displacement (gap) of the beam with high accuracy in accordance with the wavelength, but it is difficult to create a structure for accurately controlling the displacement of the beam. Also, there is a problem that costs are high.
[0011]
The present invention provides a light modulation element having a high response speed and capable of modulating light by selecting wavelengths of RGB colors, a light modulation element array having the light modulation element, and an image display device. With the goal.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a light modulation element according to claim 1 of the present invention includes a plurality of thin films each having a reflective surface for reflecting light, a substrate for fixing the plurality of thin films, and a voltage applied to the plurality of thin films. Driving means for displacing the thin film by applying the light, and the driving means incident light incident on the reflecting surface of the plurality of thin films by displacing the plurality of thin films in a wavelength selective manner. The incident light is selectively diffracted according to the wavelength of.
[0013]
The present invention of According to the light modulation element, it is possible to selectively diffract incident light according to the wavelength by selectively displacing a plurality of thin films. Therefore, since light having a plurality of wavelengths can be selectively diffracted using one element, it is possible to provide a small and highly versatile light modulation element.
[0014]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, each of the plurality of thin films has a movable part that is displaced by the driving means, and a fixed part that is connected to both ends of the movable part and fixed on the substrate.
[0015]
Therefore, the present invention of According to the light modulation element, the thin film can surely displace the movable part in a state where both ends are supported by the fixed part. The thin film has a very high speed response due to a small amount of motion displacement. Therefore, for example, when applied to an image display device or the like, it is possible to configure an image display device having sufficiently high responsiveness for displaying a moving image or the like while keeping power consumption low.
[0016]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, each of the plurality of thin films is a diffraction grating whose longitudinal directions are provided in parallel on the substrate.
[0017]
Therefore, the above The light modulation element can function as a diffraction grating in which a plurality of thin films are arranged in parallel.
[0018]
In addition, the present invention of 4. The light modulation element according to claim 2, wherein the driving unit displaces the displacement amounts of the movable parts of the plurality of thin films to the same extent. 5.
[0019]
The present invention of Since the light modulation element diffracts light without depending on the displacement amount of the thin film, it is not necessary to precisely control the displacement amount for each thin film, and it is not necessary to vary the displacement amount for each thin film. The displacement amount of each movable part may be approximately the same. Therefore, it is possible to easily create a light modulation element.
[0020]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, the driving means selects the incident light by diffracting and diffracting the thin film in a wavelength selective manner so that the plurality of thin films are arranged in a predetermined cycle.
[0021]
Therefore, the present invention of According to the light modulation element, it is possible to appropriately diffract incident light according to a predetermined periodic arrangement, and thereby it is possible to select incident light to be diffracted.
[0022]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, the array of the predetermined period includes a plurality of periodic arrays.
[0023]
Therefore, the above According to the light modulation element, the incident light can be appropriately diffracted with respect to a plurality of wavelengths, and thus the incident light to be diffracted can be selected.
[0024]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, the plurality of periodic arrays are periodic arrays that diffract light corresponding to red light, green light, and blue light, respectively.
[0025]
Therefore, the above According to the light modulation element, it is possible to selectively diffract light corresponding to the three colors of RGB. Therefore, the present light modulation element can be suitably applied to an image display device or the like.
[0026]
In addition, the present invention of According to the light modulation element, the three periodic arrays have a ratio of the array period of 5: 6: 7.
[0027]
Therefore, the above According to the light modulation element, it is possible to selectively diffract blue light having a wavelength of 450 nm, green light having a wavelength of 540 nm, and red light having a wavelength of 630 nm.
[0028]
In addition, the present invention of The light modulation element array the above A plurality of the light modulation elements described above are arranged on a plane.
[0029]
That is, the above The light modulation element array is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Therefore, this light modulation element array can select diffracted light spatially by driving each light modulation element independently.
[0030]
In addition, the present invention of The image display device selectively diffracts the light emitted from the light output unit according to an image signal and a light output unit that sequentially emits light having red wavelength, green wavelength, and blue wavelength the above A light modulation element array, and a projection lens that forms an image of the diffracted light emitted from the light modulation element array toward a projection surface are provided.
[0031]
the above According to the image display device, the light having the red wavelength, the green wavelength, and the blue wavelength emitted from the light output unit is sequentially received, selectively diffracted, and projected and imaged toward the projection surface. Is possible. Therefore, by independently driving a plurality of light modulation elements in the light modulation element array, it is possible to configure a time-division type image display device that spatially selects diffracted light and projects it onto the projection surface. .
[0032]
Also, the above According to the image display device, it is possible to time-divide the RGB signals using one light modulation element array for each pixel and to project and display them on the projection surface, so that it is possible to display an image without impairing the spatial resolution. It can be carried out. Also, the above In the image display apparatus, since a small light modulation element array in which one element corresponds to one pixel is used, a high-resolution and compact image display apparatus can be realized.
[0033]
Of the present invention According to the image display device, the light output unit includes a light source that emits white light, and red, green, and blue color filters, and the white light emitted from the light source is a color of the red, green, and blue And a filter unit for moving the color filter so as to sequentially pass through each of the filters.
[0034]
Therefore, the above According to the image display device, it is possible to sequentially supply light corresponding to the three colors of RGB to the light modulation element array by the light output unit having a compact configuration.
[0035]
The present invention According to the image display device, the light output unit emits a red light source that emits light having the red wavelength, a green light source that emits light having the green wavelength, and a light having the blue wavelength. And a light source drive control unit that controls each light source so as to emit light sequentially from each of the red light source, the green light source, and the blue light source.
[0036]
Therefore, the above According to the image display apparatus, by using three light sources each having a fixed wavelength, the wavelength accuracy of light incident on the light modulation element array is increased, and light can be diffracted reliably.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a light modulation element according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a light modulation element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0038]
1 is a perspective view showing a light modulation element 1 according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. FIG. FIGS. 4, 5, and 6 are views showing a state in which the movable film of the light modulation element is displaced at predetermined intervals, respectively.
[0039]
The light modulation element 1 of the present embodiment is a MEMS element (micro-electrically driven mechanical element). As shown in FIG. 1, an insulating film 20 is disposed on a flat glass substrate 10, and the insulating film 20 is formed on the insulating film 20. A plurality of ribbon-shaped movable films 40 are arranged at predetermined intervals. Each of the plurality of ribbon-shaped movable films 40 is an element having a width of about 1 μm.
[0040]
Each of the plurality of ribbon-shaped movable films 40 is fixed on the insulating film 20 via fixed portions 41 and 42 provided at both ends in the longitudinal direction. A flat ribbon mirror 43 is provided between the fixed portions 41 and 42 so as to be connected to the fixed portions 41 and 42 via inclined portions 44 and 45, respectively. The upper surface 43a of the ribbon mirror unit 43 is configured as a reflecting surface that reflects incident light, and has a structure in which a predetermined gap 40a is disposed between the ribbon mirror unit 43 and the insulating film 20.
[0041]
The plurality of movable films 40 have their longitudinal directions oriented in the same direction, and a plurality of adjacent movable films 40 are arranged in parallel on the insulating film 20. Here, the plurality of movable films 40 are arranged in the width direction so as to be separated from each other by a predetermined distance. Here, the interval provided between the adjacent movable films 40 is sufficiently smaller than the width of the movable film 40, and the distance from one end of the movable film 40 in the width direction to one end of the adjacent movable film 40 in the width direction is It is assumed that it substantially matches the width of the movable film 40.
[0042]
The plurality of ribbon-shaped movable films 40 are each configured as a thin film formed by stacking a support film 46 and an upper electrode 47 on the support film 46 in the thickness direction. The support film 46 is made of SiNx, and the support film 46 at positions corresponding to the fixing portions 41 and 42 is fixed on the insulating film 20. The upper electrode 47 is an ITO film formed so as to cover the upper surface of the support film 46. The movable film 40 is formed into a thin film ribbon as a whole by constituting the fixed parts 41 and 42, the ribbon mirror part 43, and the inclined parts 44 and 45 by integrating the support film 46 and the upper electrode 47. Has been.
[0043]
As shown in FIG. 3, a lower electrode 30 made of ITO is embedded at a position between the glass substrate 10 and the insulating film 20 and corresponding to the thickness direction of the ribbon mirror portion 43. The lower electrode 30 is insulated from the plurality of movable films 40 disposed above by the insulating film 20. A predetermined voltage is applied to the lower electrode 30 by a voltage applying means (not shown).
[0044]
Similarly, the upper electrode 47 provided on each movable film 40 is configured so that a predetermined voltage is independently applied by a voltage applying means (not shown). Thereby, the light modulation element 1 is configured to be capable of generating a potential difference independently between each movable film 40 and the lower electrode 30 disposed below the movable film 40. When the potential difference between the upper electrode 47 and the lower electrode 30 of each movable film 40 becomes a predetermined value or more, the movable film 40 is moved between the inclined portions 44 and 45 and the ribbon mirror portion 43 by electrostatic force acting between the electrodes. The ribbon mirror part 43 is displaced in the thickness direction and the ribbon mirror part 43 is displaced in the thickness direction, whereby the ribbon mirror part 43 moves in the direction of the gap 43a and sticks on the insulating film 20. Thereby, the ribbon mirror part 43 of the displaced movable part 40 will be in the state pushed down below the ribbon mirror part 43 of the adjacent movable film | membrane 40 which is not displaced. The movable film 40 can be moved up and down with a response of about several nanoseconds.
[0045]
Here, the light modulation element 1 is a reflection type that selectively diffracts light incident on the light modulation element 1 at a predetermined diffraction angle according to the wavelength by displacing the movable film 40 at predetermined intervals. Functions as a diffraction grating. Here, the wavelength of light incident on the light modulation element 1 is λ, and the incident angle is θ ₀ , The diffraction angle θ _m If the displacement period of the movable film 40 is d, the diffraction condition is expressed by the following equation.
d (sinθ _m -sinθ ₀ ) = Mλ (1)
Here, m is a diffraction order and is an integer.
[0046]
As understood from the equation (1), the incident angle θ ₀ And diffraction angle θ _m Is determined, the wavelength λ of light diffracted in a predetermined diffraction direction is proportional to the displacement period of the diffraction grating.
[0047]
Here, FIG. 4 is a diagram showing a state in which a voltage is selectively applied to the upper electrode 47 of the movable film 40 so as to displace the movable film 40 downward every fifth, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a state in which a voltage is selectively applied to the upper electrode 47 of the movable film 40 so as to be displaced downward every six, and FIG. 6 shows that the movable film 40 is displaced downward every seven. FIG. 6 is a diagram showing a state in which a voltage is selectively applied to the upper electrode 47 of the movable film 40.
[0048]
In the state corresponding to FIG. 4, FIG. 5, and FIG. ₀ And the diffraction angle θ _m The ratio of the wavelength λ of the light diffracted at is 5: 6: 7, respectively. Here, in the state of FIG. 4, a predetermined incident angle θ ₀ And the diffraction angle θ _m Assuming that the wavelength λ of the light diffracted at is 450 nm (blue light), the diffraction angle θ in the state of FIG. _m The wavelength λ of the light diffracted at 540 becomes 540 nm (green light), and the diffraction angle θ in the state of FIG. _m The wavelength λ of the light diffracted at 630 becomes 630 nm (red light).
[0049]
In summary, the light modulation element 1 emits blue light, green light, and red light at a predetermined diffraction angle θ corresponding to the states of FIGS. 4, 5, and 6, respectively. _m Can be diffracted. That is, the light modulation element 1 according to the present embodiment selectively displaces the movable film 40, thereby changing the wavelength λ of the diffracted light according to the displacement state of the movable film 40, thereby allowing blue light, green light, and so on. And it functions as a light modulation element capable of diffracting desired light of red light at a predetermined diffraction angle.
[0050]
Therefore, the predetermined incident angle θ ₀ When all the movable films 40 are not displaced when wavelengths λ = 450 nm (blue light), 540 nm (green light), and 630 nm (red light) are incident on the light modulation element 1, the light modulation element 1 is The incident angle θ is incident on the upper surface 43a of the ribbon mirror 43 regardless of the wavelength λ. ₀ The light is reflected at a reflection angle corresponding to.
[0051]
On the other hand, when the movable film 40 is periodically displaced, light having a wavelength λ corresponding to the displacement period of the movable film 40 is changed to a predetermined diffraction angle θ. _m Diffraction at. Therefore, the predetermined diffraction angle θ _m It is possible to select the wavelength according to the displacement period of the movable film 40 and to detect only the light of the selected wavelength λ as output light by the photodetector by arranging the photodetector in the direction of It is.
[0052]
The light modulation element 1 can be formed by depositing various layers on the substrate 10. Hereinafter, a method for producing the light modulation element 1 will be described with reference to FIGS.
[0053]
First, the surface of the glass substrate 10 is washed with a predetermined alkaline solution, and then rinsed with ultrapure water to wash away solvent and dust. Thereafter, drying is performed at 120 ° C. for 1 hour to complete the cleaning of the glass substrate 10 (see FIG. 7A).
[0054]
After completion of the substrate cleaning, an ITO 50 film having a thickness of 0.15 μm is formed on the surface of the substrate 10 by sputtering or the like to form a base for forming the lower electrode 30 (see FIG. 7B).
[0055]
Then, a resist solution is applied to ITO 50 and dried at 100 ° C. for 30 minutes. Thereafter, using a mask (not shown), exposure is performed with a pattern corresponding to the shape of the lower electrode 30 formed with an exposure amount of 80 mj per unit area from the ITO 50. Then, after baking at 120 ° C. for 1 hour, the exposed portion of the resist is peeled off using an etching solution to form a lower electrode 30 having a desired shape on the glass substrate 10 (FIG. 7 ( c)).
[0056]
Next, SiO 2 is formed on the glass substrate 10 on which the lower electrode 30 is formed. ₂ Is formed by sputtering to form an insulating film 20 (see FIG. 7D).
[0057]
Thereafter, as a preparation for forming the movable film 40, an Al film 60 as a sacrificial layer is formed on the insulating film 20 by sputtering or vapor deposition to a thickness of 0.4 μm (see FIG. 7E).
[0058]
Next, the Al film 60 is patterned into a shape corresponding to the shape of the gap formed between the movable film 40 and the insulating film 20. Here, a resist solution is applied on the Al film 60 and dried at 100 ° C. for 30 minutes. Thereafter, using a mask (not shown), pattern exposure corresponding to the patterning shape is performed from the Al film 60 with an exposure amount of 80 mj per unit area. Then, after baking for 1 hour at 120 ° C., the exposed resist is peeled off using an etching solution to form an Al film 60 having a desired shape on the insulating film 20 (FIG. 8A). reference).
[0059]
Next, the SiNx film 70 is formed on the insulating film 70 on which the Al film 60 is patterned by using a plasma CVD method at 300.degree. This SiNx film 70 is configured as a support film 46 of the movable film 40. As for the thickness of the SiNx film 70, when the SiNx film 70 becomes the support film 46 which is a part of the movable film 40, the internal residual stress becomes an appropriate value and can be smoothly moved up and down as a part of the movable film 40. The thickness is adjusted to a certain level (see FIG. 8B).
[0060]
Next, ITO 80 is formed on the SiNx film 70 by sputtering or room temperature film formation. The ITO 80 is configured as the upper electrode 47 of the movable film 40 (see FIG. 8C).
[0061]
Thereafter, ITO 80 is patterned in accordance with the shape of the upper electrode 47 of the movable film 40. Here, after applying a resist solution on ITO 80 and drying it at 100 ° C. for 30 minutes, it corresponds to a pattern to be formed with an exposure amount of 80 mj per unit area from the ITO 80 using a mask (not shown). Perform pattern exposure. Then, after baking at 120 ° C. for 1 hour, the resist is stripped using an etching solution to form an upper electrode 47 having a desired shape on the SiNx film 70 (see FIG. 8D). .
[0062]
Next, patterning of SiNx 70 is performed according to the shape of the support film 46 of the movable film 40. Here, since the precision of patterning is required, dry etching is used. Specifically, CF as a dry etching gas for SiNx _Four 100 W, 80 Pa for 2 minutes, and O as a resist gas ₂ The support film 46 is formed by performing etching by irradiating at 100 W and 100 Pa for 2 minutes, respectively (see FIG. 9A).
[0063]
Next, the ITO is annealed to remove residual stress and internal strain, reduce crystal defects, and make uniform. Here, annealing is performed by leaving the whole in an atmosphere of 230 ° C. for 2 hours (see FIG. 9B).
[0064]
Finally, the Al film 60 as a sacrificial layer is removed using an Al etching solution. Thereafter, rinsing is performed with methanol, and cleaning and drying are performed for 2 hours with a supercritical cleaning dryer, thereby completing the light modulation element 1 (see FIG. 9C).
[0065]
As described above, the light modulation element 1 of the present embodiment has the upper surface 43a that is a reflection surface that reflects light, and the plurality of movable films 40 arranged in parallel to each other and the plurality of movable films via the insulating film 20. The substrate 10 that fixes and supports both ends (fixed portions 41 and 42) of each of 40, and below the plurality of movable films 40 (between the substrate 10 and the insulating film 20) so as to correspond to the plurality of movable films 40. A voltage is selectively applied to the lower electrode 30 provided as a variable element that displaces the plurality of movable films 40 by electrostatic force, and the plurality of movable films 40, and the plurality of movable films 40 are periodically displaced. Driving means. The plurality of movable films 40 are periodically and selectively displaced to selectively diffract incident light incident on the upper surfaces 43a of the plurality of movable films 40 in accordance with the wavelength λ of the incident light.
[0066]
Therefore, according to the light modulation element 1 of the present embodiment, incident light can be selectively diffracted according to the wavelength λ by selectively displacing the plurality of movable films 40. That is, by selectively displacing the plurality of movable films 40 with a period according to the wavelength λ of the incident light, only light having a predetermined wavelength λ is allowed to have a predetermined diffraction angle θ. _m Can be diffracted. Therefore, by using the light modulation element 1, light having a plurality of wavelengths λ can be diffracted and light can be selectively extracted. In addition, since it is possible to select a plurality of wavelengths by using only one light modulation element 1, it is possible to provide a light modulation element 1 that is small and highly versatile.
[0067]
In the present embodiment, twelve movable films 40 are arranged. However, the present invention is not limited to this, and more movable films 40 are arranged to increase the light diffraction efficiency. It may be configured.
[0068]
In the present embodiment, the glass substrate 10 is used as the substrate. However, the present invention is not limited to this, and the substrate can be configured using a resin such as plastic, a metal, a semiconductor, or the like.
[0069]
In the present embodiment, the upper electrode 47 and the lower electrode 30 are described as being ITO. However, the present invention is not limited to this, and Al, Ti, Au, Ag, W, or the like is formed by a vapor deposition method or the like. Membranes may be configured.
[0070]
In the present embodiment, the Al film 60 is used as the sacrificial layer. However, the present invention is not limited to this, and silicon oxide, silicon nitride, polysilicon, silicon-germanium alloy, polyimide, or the like is used. It may be configured.
[0071]
Further, in the present embodiment, it is not necessary to configure all the movable films 40 to move. Electrical wiring is provided only to the movable film 40 that needs to be moved, and the movable film 40 is movable between the lower electrode 30 and the upper electrode 47. A predetermined potential difference necessary for the generation may be generated.
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the light modulation device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0072]
10 is a perspective view showing a light modulation device 100 according to the second embodiment of the present invention, FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. 10, and FIG. 12 is an XII-XII arrow in FIG. FIG. FIG. 13, FIG. 14, and FIG. 15 are diagrams showing states in which the movable film of the light modulation element is displaced at predetermined intervals.
[0073]
The light modulation element 100 of the present embodiment is a MEMS element (micro-electrically driven mechanical element), and has a plurality of ribbon shapes on a U-shaped glass substrate 110 as shown in FIGS. 10 and 11. The movable film 140 is arranged at predetermined intervals. The plurality of ribbon-shaped movable films 140 are elements each having a width of about 1 μm.
[0074]
The glass substrate 110 has a concave portion 110a formed in the central portion of the glass substrate 110 along the longitudinal direction, and the stepped portions 111 and 112 are formed on the flat substrate 110b along the longitudinal direction of the glass substrate 110. 110 is provided in parallel with the width direction end portion.
[0075]
On the bottom surface 110c of the concave portion 110a of the glass substrate 110, a lower electrode 130 made of ITO is formed. A predetermined voltage is applied to the lower electrode 130 by voltage application means (not shown). An insulating layer 120 is formed on the upper surface of the lower electrode 130 so as to cover the lower electrode 130.
[0076]
On the stepped portions 111 and 112 of the glass substrate 110, a plurality of ribbon-shaped movable films 140 are fixed via fixed portions 141 and 142 provided at both ends in the longitudinal direction of the movable film 140, respectively. Thereby, the plurality of movable films 140 are arranged in parallel with the movable films 140 adjacent to each other in the width direction (hereinafter referred to as a movable film arrangement direction). Here, the plurality of movable films 140 are arranged in the width direction so as to be separated from each other by a predetermined distance. Here, the interval provided between the adjacent movable films 40 is sufficiently smaller than the width of the movable film 40, and the distance from one end of the movable film 40 in the width direction to one end of the adjacent movable film 40 in the width direction is It is assumed that it substantially matches the width of the movable film 40.
[0077]
In the movable film 140, the flat ribbon mirror portion 143 connected between the fixed portions 141 and 142 has an upper surface 143 a configured as a reflecting surface that reflects incident light, and the thickness direction (here, In this structure, a predetermined gap 140a is provided between the insulating film 120 and the insulating film 120 in a direction perpendicular to the glass substrate 110.
[0078]
The plurality of ribbon-shaped movable films 140 are each configured as a thin film formed by stacking a support film 146 and an upper electrode 147 on the support film 146 in the thickness direction. The support film 146 is made of SiNx, and the support film 146 at positions corresponding to the fixing parts 141 and 142 is fixed on the stepped parts 111 and 112. The upper electrode 147 is an ITO film formed so as to cover the upper surface of the support film 146. The movable film 140 includes a support film 146 and an upper electrode 147, which constitute a fixed part 141, 142 and a ribbon mirror part 143, and is formed in a thin ribbon shape as a whole.
[0079]
The upper electrode 147 provided in each movable film 140 is formed with a hole 110d that penetrates the glass substrate 110 and the support film 146 in the thickness direction. A conductive connecting portion 148 made of Al or an Al alloy is embedded in the hole 110d. The connection portion 148 penetrates the glass substrate 110 and the support film 146 and is connected to the upper electrode 147.
[0080]
A voltage application unit (not shown) is configured to independently apply a predetermined voltage to the upper electrode 147 through the connection portion 148. Thereby, the light modulation element 100 is configured to be capable of generating a potential difference independently between each movable film 140 and the lower electrode 130 disposed below. When the potential difference between the upper electrode 147 and the lower electrode 130 of each movable film 140 becomes a predetermined value or more, the movable film 140 is moved between the fixed parts 141 and 142 and the ribbon mirror part 143 by the electrostatic force acting between both electrodes. When the ribbon mirror unit 143 is bent and displaced in the thickness direction, the ribbon mirror unit 143 moves in the direction of the gap 140a and sticks on the insulating film 120. Thereby, the ribbon mirror part 143 of the displaced movable part 140 is in a state of being pushed down below the ribbon mirror part 143 of the adjacent movable film 140 that is not displaced. The movable film 140 can be moved up and down with a response of about several nanoseconds.
[0081]
Similar to the light modulation element 1 of the first embodiment, the light modulation element 100 according to the present embodiment displaces the movable film 140 at predetermined intervals, so that the light incident on the light modulation element 100 has a wavelength λ. It functions as a reflective diffraction grating that selectively diffracts at a predetermined diffraction angle according to the above. Here, the diffraction condition of the light incident on the light modulation element 100 is expressed by the above-described equation (1).
[0082]
As understood from the equation (1), the incident angle θ ₀ And diffraction angle θ _m Is determined, the wavelength λ of light diffracted in a predetermined diffraction direction is proportional to the displacement period of the diffraction grating.
[0083]
Here, FIG. 13 is a diagram showing a state in which a voltage is selectively applied to the upper electrode 147 of the movable film 140 so that the movable film 140 is displaced downward every fifth. FIG. FIG. 6 is a diagram showing a state in which a voltage is selectively applied to the upper electrode 147 of the movable film 140 so as to be displaced downward every sixth, and FIG. 6 is a diagram illustrating that the movable film 40 is displaced downward every seventh. FIG. 6 is a diagram showing a state where a voltage is selectively applied to the upper electrode 147 of the movable film 140.
[0084]
In the states corresponding to FIGS. 13, 14, and 15, predetermined incident angles θ ₀ And the diffraction angle θ _m The ratio of the wavelength λ of the light diffracted at is 5: 6: 7, respectively. Here, in the state of FIG. 13, a predetermined incident angle θ ₀ And the diffraction angle θ _m If the wavelength λ of the light diffracted at 450 is 450 nm (blue light), the diffraction angle θ in the state of FIG. _m The wavelength λ of the light diffracted at 540 becomes 540 nm (green light), and the diffraction angle θ in the state of FIG. _m The wavelength λ of the light diffracted at 630 becomes 630 nm (red light).
[0085]
In summary, the light modulation element 100 emits blue light, green light, and red light to a predetermined diffraction angle θ corresponding to the states of FIGS. 13, 14, and 15, respectively. _m Can be diffracted. That is, the light modulation element 100 according to the present embodiment selectively displaces the movable film 140, thereby changing the wavelength λ of the diffracted light according to the displacement state of the movable film 140, whereby blue light, green light And it functions as a light modulation element capable of diffracting desired light of red light at a predetermined diffraction angle.
[0086]
Therefore, the predetermined incident angle θ ₀ When wavelengths λ = 450 nm (blue light), 540 nm (green light), and 630 nm (red light) are incident on the light modulation element, if all the movable films 140 are not displaced, the upper surface of the ribbon mirror unit 143 143a, the incident angle θ for any wavelength λ of light ₀ The light is reflected at a reflection angle corresponding to.
[0087]
On the other hand, when the movable film 40 is periodically displaced, light having a wavelength λ corresponding to the displacement period of the movable film 140 is changed to a predetermined diffraction angle θ. _m Diffraction at. Therefore, the predetermined diffraction angle θ _m It is possible to select the wavelength according to the displacement period of the movable film 140 and to detect only the light of the selected wavelength λ as the output light by the photodetector by arranging the photodetector in the direction of It is.
[0088]
The light modulation element 100 can be formed by depositing various layers on the substrate 110. Hereinafter, a method for producing the light modulation element 100 will be described with reference to FIGS.
[0089]
First, the surface of the glass substrate 110 is washed with a predetermined alkaline solution, and then rinsed with pure water with ultrapure water to wash away solvent and dust. Thereafter, drying is performed at 120 ° C. for 1 hour to complete the cleaning of the glass substrate 110 (see FIG. 16A).
[0090]
After the completion of the cleaning of the glass substrate 110, the recess 110a is formed. A resist solution is applied to the surface of the glass substrate 110 and dried. Thereafter, using a mask (not shown), exposure is performed at a position corresponding to the concave portion 110a to be created, and thereafter, the exposed central portion of the glass substrate 110 is removed by etching to form the concave portion 110a (FIG. 16B). .
[0091]
Then, an ITO 50 film having a thickness of 0.15 μm is formed on the bottom surface 110c of the recess 110a by vapor deposition or sputtering, and the lower electrode 130 is formed (see FIG. 16C).
[0092]
Next, on the lower electrode 130, SiO ₂ Is deposited by an evaporation method, sputtering, or the like to form an insulating film 120 (see FIG. 16D).
[0093]
Thereafter, as a preparation for forming the movable film 140, a silicon oxide film 160 as a sacrificial layer is formed on the insulating film 120 by sputtering or vapor deposition. At this time, the portion 161 formed out of the recess 110a and the portion 162 formed on the step portions 111 and 112 (that is, the portion above the section aa in FIG. 16E) are polished. The silicon oxide film 160 fills the recess 110 (see FIG. 16E).
[0094]
Next, a SiNx film 170 is formed on the upper surfaces of the silicon oxide film 160 and the glass substrate 110 by using a plasma CVD method at 300 ° C. The SiNx film 170 is configured as a support film 146 for the movable film 140. The thickness of the SiNx film 170 is such that when the SiNx film 70 becomes the support film 46 which is a part of the movable film 40, the internal residual stress becomes an appropriate value, and can be smoothly moved up and down as a part of the movable film 40. The thickness is adjusted to a certain degree (see FIG. 17A).
[0095]
Next, holes 110d are formed at predetermined intervals along the longitudinal direction of the glass substrate 110 on which the SiNx film 170 is formed by etching, and connection portions 148 made of Al, Al alloy or the like are formed so as to fill the holes 110d. Formed (see FIG. 17B)
Next, ITO 180 is formed on the SiNx film 170 by sputtering or film formation at room temperature. The ITO 180 is configured as the upper electrode 147 of the movable film 140 (see FIG. 17C).
[0096]
Thereafter, the ITO 180 and the SiNx film 170 are patterned according to the shape of the movable film 140 to be formed. Also in this case, a pattern corresponding to the movable film 40 is masked by using a photolithography method, and then exposure is performed to form a pattern by dry and wet etching. (Refer to FIG. 17D, which is a top view).
[0097]
Finally, the silicon oxide film 160 as a sacrificial layer is removed by dry etching using xenon difluoride. After rinsing with methanol, cleaning and drying are performed for 2 hours with a supercritical cleaning dryer, wiring is performed for each predetermined electrode, and the light modulation element 100 is completed (see FIG. 17E).
[0098]
As described above, the light modulation element 100 of the present embodiment has the upper surface 143a that is a reflection surface that reflects light, and the plurality of movable films 140 arranged in parallel to each other and the plurality of movable films via the insulating film 120. The substrate 110 that fixes and supports both ends (fixed portions 141 and 142) of 140, and below the plurality of movable films 140 (between the substrate 110 and the insulating film 120) so as to correspond to the plurality of movable films 140. A lower electrode 130 as a variable element that displaces the plurality of movable films 140 by electrostatic force, and a voltage is selectively applied to the plurality of movable films 140 to periodically displace the plurality of movable films 140. Driving means. The plurality of movable films 140 are periodically and selectively displaced to selectively diffract incident light incident on the upper surfaces 143a of the plurality of movable films 140 according to the wavelength λ of the incident light.
[0099]
Therefore, according to the light modulation element 100 of the present embodiment, it is possible to selectively diffract incident light according to the wavelength λ by selectively displacing the plurality of movable films 140. That is, by selectively displacing the plurality of movable films 140 with a period corresponding to the wavelength λ of incident light, only light having a predetermined wavelength λ is allowed to have a predetermined diffraction angle θ. _m Can be diffracted. Therefore, by using the light modulation element 100, light having a plurality of wavelengths λ can be diffracted and light can be selectively extracted. In addition, since a plurality of wavelengths can be selected by using only one light modulation element 100, it is possible to provide a light modulation element 100 that is small and highly versatile.
[0100]
In this embodiment, twelve movable films 140 are arranged. However, the present invention is not limited to this, and more movable films 140 are arranged to increase the light diffraction efficiency. It may be configured.
[0101]
In this embodiment, the glass substrate 110 is used as the substrate. However, the present invention is not limited to this, and the substrate can be configured using a resin such as plastic, a metal, a semiconductor, or the like.
[0102]
In the present embodiment, the upper electrode 147 and the lower electrode 130 have been described as being ITO. However, the present invention is not limited to this, and Al, Ti, Au, Ag, W, or the like is formed by a vapor deposition method or the like. Membranes may be configured.
[0103]
In the present embodiment, the silicon oxide film 160 is used as the sacrificial layer. However, the present invention is not limited to this, and is formed using silicon nitride, polysilicon, silicon-germanium alloy, polyimide, or the like. May be.
[0104]
Further, in the present embodiment, it is not necessary to configure all the movable films 140 to move, and electrical wiring is provided only to the movable film 140 that needs to be moved, and the movable film 140 is movable between the lower electrode 130 and the upper electrode 147. A predetermined potential difference necessary for the generation may be generated.
(Third embodiment)
Hereinafter, a form applied to an image display device will be described as a third embodiment of the light modulation element according to the present invention with reference to FIGS.
[0105]
FIG. 18 is a diagram illustrating an image display device 200 to which the light modulation element 1 of the first embodiment or the light modulation element 100 of the second embodiment is applied. The image display apparatus 200 according to the present embodiment includes a light source 210 that outputs light 201 having a predetermined light amount, a filter unit 220 that converts the light 201 output from the light source 210 into red, blue, and green wavelength light in a time-sharing manner, A mirror 230 that reflects the light 202 sent from the filter unit 220 along a predetermined optical path, a collimator lens 235 that converts the light from the mirror 230 into parallel light, and the parallel light 203 sent from the collimator lens are selectively used. A light modulation element array 240 that is output to the output side, and a projection lens 245 that projects the light selected by the light modulation element array 240 onto the projection surface 250 and forms an image.
[0106]
The light source 210 is a high output lamp such as a xenon, a metal halide lamp, or an ultra high pressure mercury lamp. The light source 210 outputs high-output white light so as to be condensed on a color filter 223 of the filter unit 220 described later.
[0107]
FIG. 19 is a diagram illustrating the color filter 223 of the filter unit 220. As shown in FIG. 18, the filter unit 220 is configured such that a disk-shaped color filter 223 is rotated by a drive motor 221 via a rotation shaft 222. The color filter 223 is mounted so that the disk center 223a is concentric with the axis of the rotation shaft 222, and thus rotates at a constant speed with the disk center 223a as the rotation center.
[0108]
The color filter 223 is divided into three in the circumferential direction around the disc center 223a, and color filters 224, 225, and 226 for red, green, and blue are attached to the respective regions. The light 201 output from the light source 210 passes through any one of the color filters 224, 225, and 226. When the light 201 passes through the red filter 224, red light (wavelength: about 630 nm) passes through the green filter 225. When green light (wavelength: about 540 nm) passes through the blue filter 226, blue light (wavelength: about 450 nm) is transmitted. Accordingly, the color filter 223 is configured to sequentially output red light, green light, and blue light every predetermined time according to the rotation speed of the color filter 223.
[0109]
The mirror 230 is configured so that the light 202 emitted from the color filter 223 has a predetermined incident angle θ with respect to the light modulation element array 240 disposed in the subsequent stage. ₀ Reflects at an angle that makes it incident at. The light 202 emitted from the mirror 230 is converted into parallel light 203 by the collimator lens 235. The parallel light 203 has the same incident angle θ across the entire surface of the light modulation element array 240. ₀ Is sent to the light modulation element array 240 so as to be incident.
[0110]
20 is a diagram illustrating the surface of the light modulation element array 240, and FIG. 21 is a diagram illustrating the output directions of the reflected light 204 and the diffracted light 205 on the light modulation element array 240. The light modulation element array 240 is formed by two-dimensionally arranging a plurality of light modulation elements 1 of the first embodiment or the light modulation elements 100 of the second embodiment on the same plane. The parallel light 203 transmitted from the collimator lens 230 is incident on each of the light modulation elements 1 (100) on the light modulation element array 240. Here, in order to increase the light incidence efficiency to each light modulation element 1 (100), a single focus lens may be provided above the incident surface of each light modulation element 1.
[0111]
Here, each light modulation element 1 (100) is configured to be able to control the ON state and the OFF state independently of the other light modulation elements 1 (100).
[0112]
The OFF state refers to a state where all the movable films 40 (140) on the light modulation element 1 (100) are not displaced. The light incident on the light modulation element 1 (100) in the OFF state is reflected by the surface of the ribbon mirror 43 of the light modulation element 1 (100) as shown in FIG. ₀ Reflection angle θ equal to ₀ Is output. This reflection angle θ ₀ The reflected light 204 reflected at is not sent to the output side of the image display device 200.
[0113]
On the other hand, the ON state refers to a state in which the movable film 40 (140) on the light modulation element 1 (100) is displaced, for example, every 5, 6 or 7 according to the wavelength of the incident light. Point to. As shown in FIG. 21, the light incident on the light modulation element 1 (100) in the ON state is converted into a predetermined diffraction angle θ according to the displacement state. _m Is diffracted and output. This diffraction angle θ _m The diffracted light 205 diffracted at is output to the outside of the image display device 200 via the projection lens 245 and projected onto the projection surface 250.
[0114]
That is, each light modulation element 1 (100) on the light modulation element 240 corresponds to one pixel of the image display device 200, and red, green, and blue for the time corresponding to the color ratio of the RGB signal at the pixel position. Are sequentially diffracted by the light modulation element 1 (100) and projected onto the projection surface 250. As a result, the image display apparatus 200 displays the light corresponding to the RGB signal for one frame on the projection surface 250 in a time-division manner. The user's retina looking at the projection surface 250 sequentially recognizes the time-divided light and displays the colors corresponding to the red, green and blue issuance times.
[0115]
As a specific example, for example, when an RGB signal is expressed by 256 gradations of each color, the ON time of the light modulation element 1 is controlled by dividing into 256 parts. As a more specific example, consider a case where the ratio of RGB signals in a frame at a certain pixel is (R, G, B) = (128, 0, 64). In this case, when the light modulation element 1 (100) at the position corresponding to the corresponding pixel receives red light, green light, and blue light sequentially on the light modulation element 1 (100), the light modulation element 1 (100) first enters the incident red light. ON to diffract for 128/256 of incident time, then diffract the incident green light for 0/256 of incident time, and diffract the last incident blue light for 64/256 of incident time / OFF controlled. Thereby, each color light is sent to the projection surface 250 for a time corresponding to the ON time, and expresses a color corresponding to (R, G, B) = (128, 0, 64) on the projection surface 250.
[0116]
Here, as a specific parameter of the image display device 200, when the width of each movable film 40 of the light modulation element is 1 μm, the displacement period of the movable film corresponding to red light, green light, and blue light is as follows. , 7 μm, 6 μm, and 5 μm, respectively. When such a light modulation element array 240 is used, the incident angle θ ₀ When the mirror 230 is arranged so that the angle is 30 °, the diffraction angle θ is based on the equation (1). _m Is configured to be approximately 40 °, the diffracted light 205 can be extracted. Also, the incident angle θ ₀ When the mirror 230 is arranged so that is 10 °, the diffraction angle θ is based on the equation (1). _m Is configured to be approximately 25 °, the diffracted light 205 can be extracted.
[0117]
In the image display device 200, RGB signals that are video signals to be projected onto the projection surface 250 are received via the external input unit 260. The RGB signal received by the external input unit 260 is sent to the main control unit 270.
[0118]
The main control unit 270 converts the received RGB signal into a modulation signal for time-division display for each frame and each pixel, and outputs the converted signal to the light modulation element control unit 290. The main control unit 270 outputs a synchronization signal corresponding to the modulation signal sent to the light modulation element control unit 290 to the rotation control unit 280.
[0119]
The rotation control unit 280 drives the drive motor 221 of the filter unit 220 according to the synchronization signal output from the main control unit 270, and rotates the color filter 223 at a constant speed. As a result, the wavelength of the white light output from the light source 210 is selected by the color filters 224, 225, and 226 provided in the color filter 223, and red light, green light, and blue light are sequentially output from the color filter 223 at predetermined times. Is done.
[0120]
The light modulation element control unit 290 performs drive control of each light modulation element 1 (100) on the light modulation element array 240 in accordance with the modulation signal output from the main control unit 270. That is, the light modulation element control unit 290 applies a predetermined voltage to the lower electrode 30 (130) of each light modulation element 1 (100) on the light modulation element array 240, and selectively applies a voltage to the upper electrode 47 (147). Is applied to cause a predetermined potential difference between the lower electrode 30 (130) and the upper electrode 47 (147), and the movable film 40 (140) is selectively displaced.
[0121]
Specifically, the light modulation element control unit 290 converts the parallel light 203 transmitted from the collimator lens 235 side according to the modulation signal output from the main control unit 270, and sequentially transmits red light and green light. Then, each light modulation element 1 (100) of the light modulation element 240 is driven so that the light modulation element array 240 projects a color signal corresponding to a predetermined color and intensity onto the projection surface 250. As a result, the light modulation element control unit 290 controls the red light, the green light, and the blue light sequentially incident on the light modulation element array 240 to be diffracted and output to the projection surface 250 for a time corresponding to the modulation signal. Thus, the image is projected and displayed on the projection plane 250 in a time-division manner.
[0122]
As described above, the image display apparatus 200 according to the present embodiment sequentially transmits the light corresponding to each color of RGB onto the light modulation element array 240, and each light modulation element 1 (100) of the light modulation element array 240 is a video signal. By driving according to a certain RGB signal, an image (video) is displayed on the projection surface 250. That is, each light modulation element 1 (100) of the light modulation element array 240 corresponds to one pixel of an image (video) output from the image display device 200, and a time corresponding to the color ratio of the RGB signal at the pixel position. Only the red, green, and blue color lights are sequentially diffracted by the light modulation element 1 (100) and projected onto the projection surface 250.
[0123]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide the image display device 200 capable of displaying an image in a time division manner by providing a single light modulation element 1 (100) for each pixel. Become. Since this image display device 200 displays an image with only a single light modulation element for each pixel, the installation area is reduced compared to a type in which three light modulation elements corresponding to RGB are provided for each pixel. Therefore, it is possible to reduce the size of the light modulation element array as compared with the prior art.
[0124]
Further, according to the image display apparatus 200 of the present embodiment, the RGB signals are time-divided using the light modulation element array 240 and are projected and displayed on the projection plane 250, so that the image display can be performed without impairing the spatial resolution. It becomes possible. Therefore, it is possible to provide an image display device that can easily express an image having a high spatial resolution.
[0125]
Further, according to the present embodiment, the light modulation element array 240 including the light modulation element 1 (100) configured using the movable film 40 with a small amount of motion displacement and high high-speed response is used. Therefore, it is possible to configure the image display device 200 having a sufficiently high response to image display while keeping power consumption low.
[0126]
In the present embodiment, the main control unit 270 converts the received RGB signal into a modulation signal for time-division display for each frame and each pixel, and outputs the converted signal to the light modulation element control unit 290. However, the present invention is not limited to this, and the modulation signal for time division display may be created outside the image display device 200, and the signal received by the external input unit 260 may be the modulation signal for time division display from the beginning.
[0127]
In the present embodiment, the output and projected light is diffracted light. However, the present invention is not limited to this, and the reflected light 204 when each light modulation element 1 (100) is in the OFF state is extracted to the outside. You may comprise as follows.
[0128]
(Fourth embodiment)
Hereinafter, an embodiment applied to an image display device as a fourth embodiment of the light modulation element according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0129]
FIG. 22 is a diagram showing an image display device 300 to which the light modulation element 1 of the first embodiment or the light modulation element 1 (100) of the second embodiment is applied. The image display apparatus 300 according to the present embodiment includes a red laser light source 311, a green laser light source 312, a blue laser light source 313, separation mirrors 314 and 315, a collimator lens 320, a mirror 330, and a light modulation element array 340. And a projection lens 345.
[0130]
The image display apparatus 300 according to the present embodiment is configured to output light having a predetermined wavelength by using three types of light sources including, for example, semiconductor lasers as light sources. That is, in this embodiment, the red laser light source 311 is a light source that outputs red light having a wavelength of 630 nm, the green laser light source 312 is a light source that outputs green light having a wavelength of 540 nm, and the blue laser light source 313 is It is a light source that outputs blue light having a wavelength of 450 nm. These light sources are controlled so as to emit light sequentially by a laser light source drive control unit 380 described later.
[0131]
The separation mirror 314 is a mirror that reflects green light output from the green laser light source 312 and transmits red light having a long wavelength output from the red laser light source 311. The red light output from the red laser light source passes through the separation mirror 314 and enters the separation mirror 315. On the other hand, the green light output from the green laser light source is reflected by the separation mirror 314 and enters the separation mirror 315.
[0132]
The separation mirror 315 is a mirror that reflects blue light output from the blue laser light source 313 and transmits red light and green light having long wavelengths output from the red laser light source 311 and the green laser light source 312. Red light and green light incident on the separation mirror 315 from the red laser light source 311 and the green laser light source 312 via the separation mirror 314 are transmitted through the separation mirror 315 and incident on the subsequent collimator lens 320. On the other hand, the blue light incident on the separation mirror 315 from the blue laser light source 313 is reflected by the separation mirror 315 and is incident on the subsequent collimator lens 320.
[0133]
The collimator lens 320 is a mirror that converts red light, green light, and blue light transmitted from the separation mirror 315 into parallel light. Each color light converted into parallel light by the collimator lens 320 is reflected by the mirror 330 and has a predetermined incident angle θ. ₀ Is incident on the light modulation element array 340.
[0134]
Similar to the light modulation element array 240 of the third embodiment, the light modulation element array 340 includes a plurality of light modulation elements 1 of the first embodiment or light modulation elements 100 of the second embodiment two-dimensionally on the same plane. It is arranged. Each light modulation element 1 (100) is configured to be capable of ON / OFF control independently of the other light modulation elements 1 (100). The drive control of each light modulation element 1 (100) is the same as that of the light modulation element array 240 of the third embodiment.
[0135]
The projection lens 345 is a lens that projects the diffracted light selectively diffracted by the light modulation element array 340 onto the projection surface 350 to form an image.
[0136]
In the image display apparatus 300, RGB signals that are video signals to be projected onto the projection surface 350 are received via the external input unit 360. The RGB signal received by the external input unit 360 is sent to the main control unit 370.
[0137]
The main control unit 370 converts the received RGB signal into a modulation signal for time division display for each frame and each pixel, and outputs the converted signal to the light modulation element control unit 390. Further, the main control unit 370 outputs a synchronization signal corresponding to the modulation signal sent to the light modulation element control unit 390 to the laser light source drive control unit 380.
[0138]
The laser light source drive control unit 380 controls the blue laser light source 311, the green laser light source 312 and the red laser light source 313 according to the synchronization signal output from the main control unit 370. The laser light source drive control unit 380 continuously emits light on the surface of the light modulation element array 340 in the order of red light, green light, and blue light as each light source 311, 312, 313 emits light sequentially for a predetermined time. Each light source is controlled to be supplied with light.
[0139]
The light modulation element control unit 390 performs drive control of each light modulation element 1 (100) on the light modulation element array 340 in accordance with the modulation signal output from the main control unit 370. That is, the light modulation element control unit 390 applies a predetermined voltage to the lower electrode 30 (130) of each light modulation element 1 (100) on the light modulation element array 340 and selectively applies a voltage to the upper electrode 47 (147). Is applied to cause a predetermined potential difference between the lower electrode 30 (130) and the upper electrode 47 (147), and the movable film 40 (140) is selectively displaced.
[0140]
As a result, the light modulation element control unit 390 controls the red light, the green light, and the blue light sequentially incident on the light modulation element array 340 to be diffracted and output to the projection plane 350 for a time corresponding to the modulation signal. Then, the image is projected and displayed on the projection surface 350 in a time division manner. The control process of the light modulation element 390 is the same as the operation of the light modulation element control unit 290 of the third embodiment.
[0141]
As described above, the image display apparatus 300 according to the present embodiment sequentially transmits the light corresponding to each color of RGB onto the light modulation element array 340, and each light modulation element 1 (100) of the light modulation element array 340 is a video signal. By driving according to a certain RGB signal, an image (video) is displayed on the projection surface 350. That is, each light modulation element 1 (100) of the light modulation element array 340 corresponds to one pixel of an image (video) output from the image display device 300, and a time corresponding to the color ratio of the RGB signal at the pixel position. Only the red, green, and blue color lights are sequentially diffracted by the light modulation element 1 (100) and projected onto the projection surface 350.
[0142]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide the image display device 300 capable of displaying an image in a time division manner by providing a single light modulation element 1 (100) for each pixel. Become. Since the image display device 300 displays an image with only a single light modulation element for each pixel, the installation area is reduced compared to a type in which three light modulation elements corresponding to RGB are provided for each pixel. Therefore, it is possible to reduce the size of the light modulation element array as compared with the prior art.
[0143]
Further, according to the image display device 300 of the present embodiment, the RGB signals are time-divisionally projected using the light modulation element array 340 and are projected and displayed on the projection surface 350, so that the image display can be performed without impairing the spatial resolution. It becomes possible. Therefore, it is possible to provide an image display device that can easily express an image having a high spatial resolution.
[0144]
In addition, according to the present embodiment, the light modulation element array 340 having the light modulation element 1 (100) configured using the movable film 40 with a small amount of motion displacement and high high-speed response is used. Therefore, it is possible to configure the image display device 300 having sufficiently high responsiveness for image display while keeping power consumption low.
[0145]
In the present embodiment, the main control unit 370 converts the received RGB signal into a modulation signal for time-division display for each frame and each pixel, and outputs the converted signal to the light modulation element control unit 390. However, the present invention is not limited to this, and a modulation signal for time division display may be created outside the image display apparatus 300, and a signal received by the external input unit 360 may be a modulation signal for time division display from the beginning.
[0146]
In the present embodiment, the light that is output and projected is diffracted light. However, the present invention is not limited to this, and reflected light when each light modulation element 1 (100) is in an OFF state is extracted to the outside. You may comprise.
[0147]
【The invention's effect】
According to the light modulation element of the present invention, it is possible to selectively diffract incident light according to the wavelength by selectively displacing a plurality of thin films. Therefore, since light having a plurality of wavelengths can be selectively diffracted using one element, it is possible to provide a small and highly versatile light modulation element.
[0148]
In the light modulation element array of the present invention, a plurality of light modulation elements are arranged on the same plane, that is, a plurality of light modulation elements one-dimensionally or two-dimensionally. Therefore, in this light modulation element array, it becomes possible to select diffracted light spatially by driving each light modulation element independently.
[0149]
According to the image display device of the present invention, the light having the red wavelength, the green wavelength, and the blue wavelength emitted from the light output unit is sequentially received, selectively diffracted, and the diffracted light is directed toward the projection surface. Projection imaging is possible. Therefore, by independently driving a plurality of light modulation elements in the light modulation element array, it is possible to configure a time-division type image display device that spatially selects diffracted light and projects it onto the projection surface. . In addition, in this image display device, since a light modulation element array having one element corresponding to one pixel and having a high speed response is used, a high-resolution and compact image display device can be realized. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a light modulation element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along arrow III-III in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a state where every five movable films of the light modulation element of the first embodiment are displaced.
FIG. 5 is a diagram showing a state where every six movable films of the light modulation element of the first embodiment are displaced.
FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which every seven movable films of the light modulation element of the first embodiment are displaced.
FIG. 7 is a diagram illustrating a method for producing the light modulation element of the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for producing the light modulation element of the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for producing the light modulation element of the first embodiment.
FIG. 10 is a perspective view showing a light modulation element according to a second embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view taken along arrow XI-XI in FIG.
12 is a cross-sectional view taken along arrow XII-XII in FIG.
FIG. 13 is a view showing a state where every fifth movable film of the light modulation element of the second embodiment is displaced.
FIG. 14 is a diagram showing a state in which every six movable films of the light modulation element of the second embodiment are displaced.
FIG. 15 is a diagram illustrating a state where every seven movable films of the light modulation element of the second embodiment are displaced.
FIG. 16 is a diagram illustrating a method for producing the light modulation element of the second embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating a method for producing the light modulation element of the second embodiment.
FIG. 18 is a diagram illustrating an image display device according to a third embodiment.
FIG. 19 is a diagram illustrating a color filter according to a third embodiment.
FIG. 20 is a diagram illustrating an optical modulation element array according to a third embodiment.
FIG. 21 is an operation explanatory diagram of the light modulation element array of the third embodiment.
FIG. 22 is a diagram illustrating an image display device according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1,100 light modulation element
10,110 substrate
20,120 Insulating film
30,130 Lower electrode
40,140 Movable membrane
40a, 140a gap
41, 42, 141, 142 fixed part
43,143 Ribbon mirror section
43a, 143a Upper surface
44, 45 Inclined part
46,146 support membrane
47,147 Upper electrode
110a recess
110b substrate
110c Bottom
110d hole
111, 112 steps
148 connection
200,300 Image display device
210 Light source
220 Filter section
221 Drive motor
222 Rotating shaft
223 color filter
230, 330 mirror
235,320 Collimator lens
240,340 Light modulation element array
245,345 projection lens
250, 350 Projection surface
260, 360 External input unit
270, 370 Main control unit
280 Rotation control unit
290, 390 Light modulation element controller
311 Red laser light source
312 Green laser light source
313 Blue laser light source
314, 315 Separation mirror
380 Laser light source driver

Claims

A plurality of thin films each having a reflective surface for reflecting light; a substrate for fixing the plurality of thin films; and a driving means for displacing the thin films in the thickness direction by applying a voltage to the plurality of thin films. The plurality of thin films form a diffraction grating in which longitudinal directions are provided in parallel on the substrate,
It said drive means, as a thin film to be displaced in the thickness direction of the plurality of thin film is a periodic sequence that corresponds to the wavelength of light incident on the reflecting surface of the plurality of thin films among the plurality of periodic sequences, selected An optical modulation element characterized in that the thin film is displaced and diffracts the incident light.

2. The light modulation according to claim 1, wherein each of the plurality of thin films includes a movable portion that is displaced by the driving unit, and a fixed portion that is connected to both ends of the movable portion and is fixed on the substrate. element.

2. The light modulation element according to claim 1, wherein the driving unit displaces the displacement amounts of the movable parts of the plurality of thin films by the same amount regardless of the wavelength of the incident light.

4. The light modulation element according to claim 1, wherein the plurality of periodic arrays are periodic arrays that diffract light corresponding to red light, green light, and blue light. 5.

5. The light modulation element according to claim 1, wherein the plurality of periodic arrays have an array period of a ratio of 5: 6: 7.

A light modulation element array comprising a plurality of light modulation elements according to claim 1 arranged on a plane.

The light modulation element according to claim 6, wherein a light output unit that sequentially emits light having a red wavelength, a green wavelength, and a blue wavelength, and wavelength-selectively diffracts the light emitted from the light output unit according to an image signal. An image display apparatus comprising: an array; and a projection lens that forms an image of diffracted light emitted from the light modulation element array toward a projection surface.

The light output unit includes a light source that emits white light and red, green, and blue color filters, and the white light emitted from the light source sequentially transmits the red, green, and blue color filters, respectively. The image display apparatus according to claim 7, further comprising: a filter unit that moves the color filter.

The light output unit includes a red light source that emits light having the red wavelength, a green light source that emits light having the green wavelength, a blue light source that emits light having the blue wavelength, and the red light. The image display apparatus according to claim 7, further comprising: a light source drive control unit that controls each light source so as to emit light sequentially from each of the light source, the green light source, and the blue light source.