JP4088864B2 - Optical multilayer structure, optical switching element and image display device using the same - Google Patents

Description

【０００９】
上記提案の光学多層構造体によれば、２次元の画像表示装置を構成するのに十分な高速応答が可能で、かつ原理的に単純な構造で光スイッチング素子を実現することができる。更に、光の反射と吸収とを切り替えることができるので、画像表示装置を実現する上で問題となる不要な光の処理を極めて簡単に行うことができる。したがって、この光スイッチング素子は直視・反射型の画像表示装置に好適に用いることができる。
【００１０】
ところで、上記提案の光学多層構造体は、光学多層構造体の第２の層の側（基板とは反対側）から入射する光に対して変調を行う。そのため、この光学多層構造体を用いて光スイッチング素子ないし画像表示装置を構成する場合には、基板上に形成された光学多層構造体を保護・封止するために光学多層構造体の第２の層の側に配置される付加基板として、透明なものを用いなければならない。カラー表示の場合には、この透明な付加基板にカラーフィルターなどを形成する。しかしながら、透明な付加基板を配設することによって反射界面が増えるので、それらの界面での反射が問題となり、反射防止膜を装着するなどの対策が必要となる虞がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、反射界面が少なく単純な構成の光学多層構造体、これを用いた光スイッチング素子および画像表示装置を提供することにある。
【００１２】
本発明による光学多層構造体は、透明材料からなると共に入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、透明な第１の層、間隙部、光の吸収のある第２の層および光の吸収のある第３の層をこの順で配設し、基板の他方の面にカラーフィルターを設けた構造を有し、間隙部の光学的な間隔は、入射光の設計波長λに対して０とλ／４との間で可変であり、第１の層を、次式（３）を満たすｎ ₁ の屈折率を有する材料により形成し、第２の層を、次式（３）を満たすＮ ₂ （＝ｎ ₂ −ｉ・ｋ ₂ ，ｎ ₂ は屈折率，ｋ ₂ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成し、第３の層を、次式（３）を満たすＮ ₃ （＝ｎ ₃ −ｉ・ｋ ₃ ，ｎ ₃ は屈折率，ｋ ₃ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成することにより、基板側から入射した光の反射率を、間隙部の間隔が０の場合に０、間隙部の間隔がλ／４の場合に７０％以上にするものである。
【００１４】
【数３】

【００１５】
本発明による光スイッチング素子は、透明材料からなると共に入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、透明な第１の層、間隙部、光の吸収のある第２の層および光の吸収のある第３の層をこの順で配設し、基板の他方の面にカラーフィルターを設けた構造を有し、間隙部の光学的な間隔は、入射光の設計波長λに対して０とλ／４との間で可変であり、第１の層を、上式（３）を満たすｎ ₁ の屈折率を有する材料により形成し、第２の層を、上式（３）を満たすＮ ₂ （＝ｎ ₂ −ｉ・ｋ ₂ ，ｎ ₂ は屈折率，ｋ ₂ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成し、第３の層を、上式（３）を満たすＮ ₃ （＝ｎ ₃ −ｉ・ｋ ₃ ，ｎ ₃ は屈折率，ｋ ₃ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成することにより、基板側から入射した光の反射率を、間隙部の間隔が０の場合に０、間隙部の間隔がλ／４の場合に７０％以上にする光学多層構造体と、間隙部の光学的な間隔を変化させるための駆動手段とを備えたものである。
【００１６】
本発明による画像表示装置は、１次元または２次元に配列された複数の光スイッチング素子に光を照射することで２次元画像を表示するものであって、光スイッチング素子が、透明材料からなると共に入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、透明な第１の層、間隙部、光の吸収のある第２の層および光の吸収のある第３の層をこの順で配設し、基板の他方の面にカラーフィルターを設けた構造を有し、間隙部の光学的な間隔は、入射光の設計波長λに対して０とλ／４との間で可変であり、第１の層を、上式（３）を満たすｎ ₁ の屈折率を有する材料により形成し、第２の層を、上式（３）を満たすＮ ₂ （＝ｎ ₂ −ｉ・ｋ ₂ ，ｎ ₂ は屈折率，ｋ ₂ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成し、第３の層を、上式（３）を満たすＮ ₃ （＝ｎ ₃ −ｉ・ｋ ₃ ，ｎ ₃ は屈折率，ｋ ₃ は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する材料により形成することにより、基板側から入射した光の反射率を、間隙部の間隔が０の場合に０、間隙部の間隔がλ／４の場合に７０％以上にする基板側から入射した光の反射率を、間隙部の間隔が０の場合に０、間隙部の間隔がλ／４の場合に７０％以上にする光学多層構造体と、間隙部の光学的な間隔を変化させるための駆動手段とを備えたものである。
【００１７】
本発明による光学多層構造体では、基板側から光を入射させ、間隙部の光学的な間隔を、「λ／４」（λは入射光の設計波長）の奇数倍と「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化させると、入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。
【００１８】
本発明による光スイッチング素子では、基板側から光を入射させ、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な間隔を変化させることにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【００１９】
本発明による画像表示装置では、１次元あるいは２次元に配列された本発明の複数の光スイッチング素子に対して、基板側から光が照射されることによって、２次元画像が表示される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体１の基本的な構成を表すものである。図１は光学多層構造体１における後述の間隙部１２が存在し、高反射時の状態、図２は光学多層構造体１の間隙部１２がなく、低反射時の状態をそれぞれ示している。なお、この光学多層構造体１は具体的には例えば光スイッチング素子として用いられ、この光スイッチング素子を複数個１次元または２次元に配列することにより、画像表示装置を構成することができる。
【００２２】
この光学多層構造体１は、入射媒質を兼ねる基板１０の一方の面に、この基板１０に接する、透明な第１の層１１、間隙部１２、第１の層１１と間隙部１２を挟んで反対側に形成された第２の層１３、および第２の層１３に接する、光の吸収のある第３の層１４をこの順で配設して構成したものである。
【００２３】
基板１０は、第１の層１１に入射する光の入射媒質を兼ねており、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ），ガラス，プラスチックなどの透明材料からなるものとしてもよい。
【００２４】
第１の層１１は、酸化物材料または窒化物材料などの透明材料からなるものであり、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）（ｎ₁ ＝２．４），窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）（ｎ₁ ＝２．０），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（ｎ₁ ＝２．１６），酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₁ ＝２．２），酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₁ ＝２．１）などにより形成されている。
【００２５】
第１の層１１の光学的な膜厚ｎ₁ ・ｄ₁ は、「λ／４」（λは入射光の設計波長）以下となっている。その理由は後述する。
【００２６】
間隙部１２は、後述の駆動手段によって、その光学的な間隔（第１の層１１と第２の層１３との間隔）が可変であるように設定されている。間隙部１２を埋める媒体は、透明であれば気体でも液体でもよい。気体としては、例えば、空気（ナトリウムＤ線（５８９．３ｎｍ）に対する屈折率ｎ_D ＝１．０）、窒素（Ｎ₂ ）（ｎ_D ＝１．０）など、液体としては、水（ｎ_D ＝１．３３３）、シリコーンオイル（ｎ_D ＝１．４〜１．７）、エチルアルコール（ｎ_D ＝１．３６１８）、グリセリン（ｎ_D ＝１．４７３０）、ジョードメタン（ｎ_D ＝１．７３７）などが挙げられる。なお、間隙部１２を真空状態とすることもできる。本実施の形態では、間隙部１２を空気で充填している。
【００２７】
間隙部１２の光学的な間隔は、「λ／４の奇数倍」と「λ／４の偶数倍（０を含む）」との間で、２値的あるいは連続的に変化するものである。これにより入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第１の層１１および第２の層１３の膜厚の場合と同様に、λ／４の倍数から多少ずれても、他の層の膜厚あるいは屈折率の多少の変化で補完できるので、「λ／４」の表現には、「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００２８】
なお、本明細書中の表記での「λ／４」は厳密に「λ／４」でなくとも、これらの近傍の値でもよい。これは、例えば、一方の層の光学膜厚がλ／４より厚くなった分、他方の層を薄くするなどして補完できるからであり、また、後述の式（４）から屈折率が多少ずれた場合でも、膜厚で調整可能な場合もあるからである。よって、本明細書においては、「λ／４」の表現には「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００２９】
第２の層１３は、タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ）などの金属，窒化チタン（ＴｉＮ）などの窒化金属，またはゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体などの光の吸収のある材料からなるものとしてもよい。なお、第２の層１３の材料例については、後で図７を用いて説明する。
【００３０】
第３の層１４は、酸化クロム（ＣｒＯ）などの酸化金属，窒化チタン（ＴｉＮ）などの窒化金属，カーボン（Ｃ），グラファイト（黒鉛），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの炭化物またはシリコン（Ｓｉ）などの半導体などの、光の吸収のある材料からなるものとしてもよい。なお、第３の層１４の材料例については、後で図７を用いて説明する。
【００３１】
第３の層１４は、光を透過しない程度の膜厚を有することが好ましい。低反射時において入射光が第３の層１４によって吸収され、迷光などが発生する虞がなくなるからである。
【００３２】
第１の層１１，第２の層１３および第３の層１４は、互いに光学的特性の異なる２以上の層で構成された複合層としてもよいが、この場合には複合層における合成した光学的特性が単層の場合と同等な特性を有するものとする必要がある。
【００３３】
次に、図３および図４、ならびに図５を参照して、上記のような光学多層構造体１を実現するために上記した各層の光学定数が満たすべき条件について説明する。以下の説明において用いる図３および図４は、図１および図２に示した光学多層構造体１を表しているが、説明をわかりやすくするために、入射媒質である基板１０を点線で表し、透明な第１の層１１を最上層、光の吸収のある第３の層１４を最下層として、図１および図２とは逆の順序で示している。
【００３４】
本実施の形態では、図３および図４に示したように、ｎ_S の屈折率を持つ透明な基板１０が入射媒質であり、ｎ₁ の屈折率を持つ透明な第１の層１１が最上層であり、第２の層１３と最下層である第３の層１４とが光の吸収のある材料により形成されている。図３は間隙部１２が存在し、高反射時の状態、図４は間隙部１２がなく、低反射時の状態をそれぞれ示している。
【００３５】
まず、図４に示した間隙部１２がない場合、すなわち低反射の場合には、第１の層１１，第２の層１２および第３の層１４のそれぞれの材料の光学アドミッタンスを合成した合成光学アドミッタンスが、基板１０の光学アドミッタンス（ｎ_S と等値）となるようにすれば、設計波長に対する反射率を０とすることができる。ここで、光学アドミッタンスｙは、複素屈折率Ｎ（＝ｎ−ｉ・ｋ、ｎは屈折率，ｋは消衰係数，ｉは虚数単位）と値が同じである。例えば、空気のアドミッタンスはｙ（air ）＝1 、ｎ（air ）＝1 、ガラスのアドミッタンスはｙ（glass ）＝１．５２、ｎ（glass ）＝１．５２である。
【００３６】
すなわち、ｎ₁ の屈折率を持つ透明な第１の層１１が、ダイアグラム上の（ｎ_S ，０）の点 (基板１０の光学アドミッタンスであり、屈折率と等値) を通る軌跡は、図５に示したように、実軸Ｒｅ（Ｙ）上でｎ_S とｎ₁ ² ／ｎ_S とを通り、中心Ｃが（ｎ₁ ² ＋ｎ_S ² ）／２ｎ_S 、半径ｒが（ｎ₁ ² −ｎ_S ² ）／２ｎ_S の円弧ａとなる。ここで、第３の層１４の材料の光学アドミッタンスｙ₃ （＝複素屈折率Ｎ₃ （＝ｎ₃ −ｉ・ｋ₃ 、ｎ₃ は屈折率、ｋ₃ は消衰係数、ｉは虚数単位））が図５の円弧ａの内側にあり、円弧ａの外側に、第２の層１３の材料の光学アドミッタンスｙ₂ （＝複素屈折率Ｎ₂ （＝ｎ₂ −ｉ・ｋ₂ 、ｎ₂ は屈折率、ｋ₂ は消衰係数、ｉは虚数単位））があるとすると、第３の層１４と第２の層１３との合成光学アドミッタンスｙ₃₂は、第３の層１４の光学アドミッタンスｙ₃ から出発して、第２の層１３の膜厚増加とともに緩やかなカーブを描き、第２の層１３の光学アドミッタンスｙ₂ に帰着する。第３の層１４の光学アドミッタンスｙ₃ と第２の層１３の光学アドミッタンスｙ₂ とは、第１の層１１の円弧ａを挟んで反対側に位置しているので、第３の層１４と第２の層１３との合成光学アドミッタンスｙ₃₂は、第１の層１１の円弧ａを必ず横切る。こうして、第３の層１４と第２の層１３との合成光学アドミッタンスｙ₃₂が第１の層１１の円弧ａとの交点における値となるように、第２の層１３の膜厚を決めることができる。第３の層１４，第２の層１３および第１の層１１の合成光学アドミッタンスは、この交点から第１の層１１の円弧ａに沿って移動する。したがって、第１の層１１，第２の層１２および第３の層１４の合成光学アドミッタンスが、基板１０の光学アドミッタンス（ｎ_S と等値）となるように第１の層１１の膜厚を決めることができる。
【００３７】
このように、第３の層１４の光学アドミッタンスｙ₃ と第２の層１３の光学アドミッタンスｙ₂ とが、第１の層１１の光学的特性に依存する円弧ａを挟んで反対側に位置するようにすれば、設計波長に対する反射率が０となるような膜厚の組合せが必ず存在する。第３の層１４の光学アドミッタンスｙ₃ が円弧ａの内側でもよいし外側でもよい。
【００３８】
かかる条件を満たすための、第３の層１４および第２の層１３の光学定数の関係は、次式（４）のようになる。但し、別の光学定数を持った材料をごく薄く配することで第３の層１４，第２の層１３および第１の層１１の合成光学アドミッタンスがｎ_S に帰着することもあるので、式（４）を完全に満たさなくても良い場合もあることから、式（４）をほぼ満たす状態であればよい。
【００３９】
【数４】

【００４０】
図５において、第１の層１１の光学的な膜厚ｎ₁ ・ｄ₁ は、（ｎ_S ，０）から出発した第１の層１１の円弧ａがちょうど半円となる（実軸上のｎ₁ ² ／ｎ_S ）ときに、「λ／４」（λは入射光の設計波長）となる。第３の層１４と第２の層１３との合成光学アドミッタンスｙ₃₂が第１の層１１の円弧ａを横切るのはその半円の途中であるから、第１の層１１の光学的な膜厚ｎ₁ ・ｄ₁ は、「λ／４」以下であることになる。
【００４１】
一方、図３に示したように、間隙部１２がある場合には、第１の層１１，間隙部１２，第２の層１３および第３の層１４の合成光学アドミッタンスが、基板１０の屈折率ｎ_S に帰着せず、高反射となる。
【００４２】
すなわち、この光学多層構造体１では、第１の層１１と第２の層１３との間の間隙部１２の間隔が「０」のときには反射防止膜となり、その間隔が設計波長に対し光学的にほぼλ／４の時には反射膜となる。つまり、間隔を「０」と「λ／４」との間で可変とすることで、後述のように反射率を「０」と「７０％」以上とに変えられる光スイッチング素子を実現することができる。間隙部１２の間隔を可変とするためには、基板１０および第１の層１１のうちの少なくとも一方と、第２の層１３および第３の層１４のうちの少なくとも一方とに、少なくとも一部にＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）（ｎ＝２．０）などの透明導電膜を含め、静電気により駆動するなどの方法が考えられる。透明導電膜は、ＩＴＯのほか、酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）（ｎ＝２．０），酸化亜鉛（ＺｎＯ）（ｎ＝２．０）からなるものでもよい。
【００４３】
ところで、上記式（４）において、等号は、第２の層１３の光学的特性が第３の層１４の光学的特性に等しい場合、すなわち、図６に示したように、図３において第２の層１３が省略されている場合にあたる。図５の光学アドミッタンスダイアグラムでは、第３の層１４の光学アドミッタンスｙ₃ が第１の層１１の円弧ａ上にある場合に相当する。
【００４４】
このような光学多層構造体の材料の組み合わせとしては、上記のような制約を満足すればよく、その選定の自由度は広い。図７は、基板１０がＳｉＯ₂ 、第１の層１１がＴｉＯ₂ である場合の第１の層１１の光学アドミッタンスダイアグラムを表す曲線ａ（図５の円弧ａに相当）と、第２の層１３および第３の層１４として用いうる各種材料の光学アドミッタンス（複素屈折率と等値）とを合わせて示したものである。図７の曲線（半円）ａの内側の材料と外側の材料とを組み合せれば上述の光学多層構造体を実現する設計が見つかる。表１はその一例を表すものである。なお、表１における光学特性は、Palik の文献値を用いている（E.D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press ）。
【００４５】
【表１】

【００４６】
ここでは、基板１０としてクオーツ（ＳｉＯ₂ ）、第１の層１１としてＴｉＯ₂ 層、間隙部１２として空気層（ｎ＝１．００）、第２の層１３としてタングステン層、第３の層１４としてカーボン層を用いた。カーボン層からなる第３の層１４は、上述したように光を透過しない程度の膜厚を有するが、ここでは３００ｎｍ以上としている。その理由は、第３の層１４のカーボン層の膜厚が１００ｎｍ，３００ｎｍおよび十分に厚い場合のそれぞれについて低反射時の反射特性を調べたところ、図８に示したように、膜厚３００ｎｍでは十分に厚い場合とほぼ同程度の反射特性を示したからである。なお、図８において、曲線８Ａは膜厚１００ｎｍの場合、曲線８Ｂは膜厚３００ｎｍの場合、そして曲線８Ｃは膜厚が十分に厚い場合を表している。
【００４７】
図９は、このような構成で、入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係をシミュレーションした結果を表すものである。ここで、曲線９Ａは間隙部１２（空気層）の光学膜厚が「０」（低反射側）、曲線９Ｂは光学膜厚が「λ／４」（１３８ｎｍ）（高反射側）の場合の特性をそれぞれ表している。図９から分かるように、設計波長５５０ｎｍで、低反射時は０％、高反射時は７３％の反射特性を示している。また、図１０は、低反射時の合成光学アドミッタンスダイアグラムを示すもので、合成光学アドミッタンスが１．４６（基板１０の屈折率）に帰着していることが分かる。これに対して、図１１は、高反射時の合成光学アドミッタンスダイアグラムを示すもので、合成光学アドミッタンスは基板１０の屈折率に帰着していない。
【００４８】
なお、図７に示した各種材料の光学アドミッタンス（複素屈折率と等値）から分かるように、第２の層１３の材料としては、タングステンの代わりにゲルマニウム，タンタル，チタンなどを用いても同等の特性を得ることができる。また、基板１０はガラスまたはプラスチックでもよい。
【００４９】
表２は、上記式（４）において等号の場合、すなわち、第２の層１３の光学的特性を第３の層１４の光学的特性に等しくして第２の層１３を省略した構成（図６参照）の一例を示したものである。
【００５０】
【表２】

【００５１】
ここでは、基板１０としてクオーツ（ＳｉＯ₂ ）、第１の層１１としてＴｉＯ₂ 層、間隙部１２として空気層（ｎ＝１．００）を用いたことは表１の例と同様であるが、第２の層１３を省略し、第３の層１４としてシリコン（Ｓｉ）結晶を用いている。図７から分かるように、シリコン結晶の光学アドミッタンス（複素屈折率と等値）は、ほぼ、ＴｉＯ₂ 層からなる第１の層１１の光学アドミッタンス曲線ａ上にある。
【００５２】
図１２は、表２に示した構成で、入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係をシミュレーションした結果を表すものである。ここで、曲線１２Ａは間隙部１２（空気層）の光学膜厚が「０」（低反射側）、曲線１２Ｂは光学膜厚が「λ／４」（１３８ｎｍ）（高反射側）の場合の特性をそれぞれ表している。図１２から分かるように、設計波長５５０ｎｍで、低反射時は０．２％、高反射時は７６％の反射特性を示している。
【００５３】
本実施の形態の光学多層構造体１は、基板１０側から光を入射させ、間隙部１２の光学的な間隔を、λ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間（例えば、「λ／４」と「０」との間）で、２値的あるいは連続的に変化させることによって、入射した光の反射，透過若しくは吸収の量を変化させるものである。
【００５４】
このように本実施の形態では、基板１０側からの入射光に変調をかけるようにしたので、基板１０自体が光学多層構造体１の透明保護基板を兼ねることができるようになる。したがって、基板１０側（光が入射する側）に別の透明保護基板を配置する必要がなくなり、反射界面が少なくて済む。さらに、この光学多層構造体１を用いて画像表示装置を形成する場合には、基板１０の他方の面にカラーフィルターなどを直接作り込むことができ、カラーフィルターを形成した透明保護基板を別部品として用意する必要がなくなる。また、光学多層構造体１の第２の層１４側の保護部材は、光が入射しないので透明基板である必要はなく、不透明な材料、例えば安価な金属板などでもよく、どのようなものを配置してもよい。
【００５５】
また、例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、低反射時の反射率を殆ど０、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、１０００対１程度の高コントラストのディスプレイを実現可能である。しかも、構成が簡単であるので、ＧＬＶなどの回折格子構造やＤＭＤなどの複雑な３次元構造よりも容易に作製することができる。また、ＧＬＶは１つのピクセルに６本の格子状のリボンが必要であるが、本実施の形態では１本で済むので、構成が簡単であり、かつ小さく作製することが可能である。また、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」であるため、１０ｎｓレベルの高速応答が可能になる。よって、ディスプレイ用途のライトバルブとして用いる場合には、後述のように１次元アレイの簡単な構成で実現することができる。
【００５６】
更に、本実施の形態の光学多層構造体１は、間隙部を金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透過フィルタ、すなわちファブリーペロータイプのものとは本質的に異なるものであるため、低反射帯の帯域幅を広くすることができる。よって、製作時の膜厚管理のマージンを比較的広くとることが可能であり、設計の自由度が増す。
【００５７】
また、本実施の形態では、第２の層１３および第３の層１４の複素屈折率はある条件を満足する値であれば良いため、材料の選択の自由度が広くなる。さらに、第３の層１４は光を透過しない程度の厚さを有するので、低反射時において入射光は第３の層１４に吸収され、迷光などが発生する心配はなくなる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態の光学多層構造体１を用いることにより、高速で小型であり、しかも信頼性の向上した光スイッチング素子および画像表示装置を実現することができる。これらの詳細については後述する。
【００５９】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体１における間隙部１２の間隔を変化させるための具体的な手段について説明する。
【００６０】
図１３は、静電気により光学多層構造体を駆動する例を示している。この光学多層構造体は、透明な基板１０の上の第１の層１１の両側にそれぞれ例えばアルミニウムからなる電極１６ａ，１６ａを設けると共に、第２の層１３および第３の層１４を例えば窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）からなる支持体１５により支持し、この支持体１５の電極１６ａ，１６ａに対向する位置に電極１６ｂ，１６ｂを形成したものである。
【００６１】
この光学多層構造体では、電極１６ａ，１６ａおよび電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学的な間隔を、例えば「λ／４」と、「０」との間、あるいは「λ／４」と「λ／２」との間で２値的に切り替える。勿論、電極１６ａ，１６ａ、電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加を連続的に変化させることにより、間隙部１２の間隔をある値の範囲で連続的に変化させ、入射した光の反射、若しくは透過あるいは吸収等の量を連続的（アナログ的）に変化させるようにすることもできる。
【００６２】
光学多層構造体を静電気で駆動するものとしては、その他、図１４および図１５に示した方法によってもよい。図１４に示した光学多層構造体１は、透明な基板１０の上の第１の層１１上に例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) からなる透明導電膜１７ａを設けると共に、第２の層１３および第３の層１４を架橋構造に形成し、この第２の層１３および第３の層１４の外面に同じくＩＴＯからなる透明導電膜１７ｂを設けたものである。
【００６３】
この光学多層構造体では、透明導電膜１７ａ，１７ｂ間への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を切り替えることができる。
【００６４】
図１５に示した光学多層構造体では、図１３の光学多層構造体の透明導電膜１７ａの代わりに、導電性のある第１の層１１として例えばＩＴＯなどの高屈折率透明導電膜を配したものである。
【００６５】
光学多層構造体の駆動は、このような静電気の他、トグル機構や圧電素子などのマイクロマシンを用いる方法、磁力を用いる方法や、形状記憶合金を用いる方法など、種々考えられる。図１６（Ａ），（Ｂ）は磁力を用いて駆動する態様を示したものである。この光学多層構造体では、第３の層１４の上に開孔部を有するコバルト（Ｃｏ）などの磁性材料からなる磁性層４０を設けると共に基板１０の下部に電磁コイル４１を設けたものであり、この電磁コイル４１のオン・オフの切り替えにより、間隙部１２の間隔を例えば「λ／４」（図１６（Ａ））と「０」（図１６（Ｂ））との間で切り替え、これにより反射率を変化させることができる。
【００６６】
〔光スイッチング装置〕
図１７は、上記光学多層構造体１を用いた光スイッチング装置１００の構成を表すものである。光スイッチング装置１００は、例えばガラスからなる基板１１０上に複数（図では４個）の光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄを一次元アレイ状に配設したものである。なお、１次元に限らず、２次元に配列した構成としてもよい。この光スイッチング装置１００では、基板１１０の一方の面の一方向（素子配列方向）に沿って例えばＩＴＯ膜１１１ＡとＴｉＯ₂ 膜１１１Ｂとが形成されている。このＩＴＯ膜１１１ＡとＴｉＯ₂ 膜１１１Ｂとが、上記実施の形態における第１の層１１に対応する。
【００６７】
基板１１０上には、ＩＴＯ膜１１１Ａおよび窒化ケイ素膜１１１Ｂに対して直交する方向に、複数本のタングステン（Ｗ）膜１１３が配設されている。タングステン膜１１３の外側には、カーボン（Ｃ）膜１１４が配設されている。これらタングステン膜１１３およびカーボン膜１１４が上記実施の形態の第２の層１３および第３の層１４にそれぞれ対応する。ＴｉＯ₂ 膜１１１Ｂとタングステン膜１１３との間には、スイッチング動作（オン・オフ）に応じてその光学的な間隔が変化する間隙部１１２が設けられている。間隙部１１２の間隔は、入射光の波長（λ＝５５０ｎｍ）に対しては、例えば「λ／４」（１３８ｎｍ）と「０」との間で変化するようになっている。
【００６８】
光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄは、例えばＩＴＯ膜１１１Ａおよびタングステン膜１１３への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を、例えば「λ／４」と「０」との間で切り替える。図１７では、光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃが間隙部１２が「０」の状態（すなわち、低反射状態）、光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄが間隙部１２が「λ／４」の状態（すなわち、高反射状態）を示している。なお、ＩＴＯ膜１１１Ａおよびタングステン膜１１３と、電圧印加装置（図示せず）とにより、本発明の「駆動手段」が構成されている。
【００６９】
この光スイッチング装置１００では、ＩＴＯ膜１１１Ａを接地して電位を０Ｖとし、第２の層１３に対応するタングステン膜１１３に例えば＋１２Ｖの電圧を印加すると、その電位差によりＩＴＯ膜１１１Ａとタングステン膜１１３との間に静電引力が発生し、図１７では光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃのように第１の層と第２の層とが密着し、間隙部１１２が「０」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は上記多層構造体を透過し、更に第３の層１４に対応するカーボン膜１１４に吸収される。
【００７０】
次に、第２の層側の透明導電膜１０６を接地させ電位を０Ｖにすると、ＴａＮ_X 膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間の静電引力がなくなり、図１４では光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄのように第１の層と第２の層との間が離間して、間隙部１２が「λ／４」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は反射され、反射光Ｐ₃ となる。
【００７１】
このようにして、本実施の形態では、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄ各々において、入射光Ｐ₁ を静電力により間隙部を２値に切り替えることによって、反射光がない状態と反射光Ｐ₃ が発生する状態の２値に切り替えて取り出すことができる。勿論、前述のように間隙部の間隔を連続的に変化させることにより、入射光Ｐ₁ を反射がない状態から反射光Ｐ₃ が発生する状態に連続的に切り替えることも可能である。
【００７２】
これら光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄでは、可動部分の動かなくてはならない距離が、大きくても入射光の「λ／２（あるいはλ／４）」程度であるため、応答速度が１０ｎｓ程度に十分高速である。よって、一次元アレイ構造で表示用のライトバルブを実現することができる。
【００７３】
加えて、本実施の形態では、１ピクセルに複数の光スイッチング素子を割り当てれば、それぞれ独立に駆動可能であるため、画像表示装置として画像表示の階調表示を行う場合に、時分割による方法だけではなく、面積による階調表示も可能である。
【００７４】
〔画像表示装置〕
図１８は、上記光スイッチング装置１００を用いた画像表示装置の一例として、プロジェクションディスプレイの構成を表すものである。ここでは、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄからの反射光Ｐ₃ を画像表示に使用する例について説明する。
【００７５】
このプロジェクションディスプレイは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色のレーザからなる光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃと、各光源に対応して設けられた光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ、プロジェクションレンズ２０３、１軸スキャナとしてのガルバノミラー２０４および投射スクリーン２０５を備えている。なお、３原色は、赤，緑，青の他、シアン，マゼンダ，イエローとしてもよい。スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、上記スイッチング素子を紙面に対して垂直な方向に複数、必要画素数分、例えば１０００個を１次元に配列したものであり、これによりライトバルブを構成している。
【００７６】
このプロジェクションディスプレイでは、ＲＧＢ各色の光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃから出た光は、それぞれ光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに入射される。なお、この入射角は偏光の影響がでないように、なるべく０に近くし、垂直に入射させるようにすることが好ましい。各光スイッチング素子からの反射光Ｐ₃ は、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃによりプロジェクションレンズ２０３に集光される。プロジェクションレンズ２０３で集光された光は、ガルバノミラー２０４によりスキャンされ、投射スクリーン２０５上に２次元の画像として投影される。
【００７７】
このように、このプロジェクションディスプレイでは、複数個の光スイッチング素子を１次元に配列し、ＲＧＢの光をそれぞれ照射し、スイッチング後の光を１軸スキャナにより走査することによって、２次元画像を表示することができる。
【００７８】
また、本実施の形態では、低反射時の反射率を０．１％以下、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、１，０００対１程度の高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組む際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【００７９】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光源としてレーザを用いて一次元アレイ状のライトバルブを走査する構成のディスプレイについて説明したが、図１９に示したように、二次元状に配列された光スイッチング装置２０６に白色光源２０７からの光を照射して投射スクリーン２０８に画像の表示を行う構成とすることもできる。
【００８０】
また、上記実施の形態では、基板としてガラス基板を用いる例について説明したが、図２０に示したように、例えば厚さ２ｍｍ以内の柔軟性を有する（フレキシブルな）基板２０９を用いたペーパ−状のディスプレイとし、直視により画像を見ることができるようにしてもよい。
【００８１】
また、上記実施の形態では、ＲＧＢ各色の光源を用いるようにしたが、カラーフィルターを用いてカラー表示を行うようにしてもよい。その場合には、図２１に示したように、基板１１０の一方の面１１０Ａに上記光学多層構造体を用いた光スイッチング素子１００を配設し、他方の面１１０Ｂにカラーフィルター１２０Ｒ，１２０Ｇ，１２０Ｂを形成するようにすることができる。また、この基板１１０の他方の面１１０Ｂに、反射防止膜１３０を設けることも可能である。
【００８２】
更に、上記実施の形態では、本発明の光学多層構造体をディスプレイに用いた例について説明したが、例えば光プリンタに用いて感光性ドラムへの画像の描きこみをする等、ディスプレイ以外の光プリンタなどの各種デバイスにも適用することも可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の光学多層構造体および請求項２０記載の光スイッチング素子によれば、基板側からの入射光に変調をかけるようにしたので、基板自体が光学多層構造体の透明保護基板を兼ねることができるようになる。したがって、基板側（光が入射する側）に別の透明保護基板を配置する必要がなくなり、反射界面が少なくて済む。さらに、この光学多層構造体または光スイッチング素子を用いて画像表示装置を形成する場合には、基板の他方の面にカラーフィルターなどを直接作り込むことができ、カラーフィルターを形成した透明保護基板を別部品として用意する必要がなくなる。また、光学多層構造体の第２の層側の保護部材は、光が入射しないので透明基板である必要はなく、不透明な材料、例えば安価な金属板などでもよく、どのようなものを配置してもよい。
【００８４】
しかも、構成が簡単であるので、ＧＬＶなどの回折格子構造やＤＭＤなどの複雑な３次元構造よりも容易に作製することができる。また、ＧＬＶは１つのピクセルに６本の格子状のリボンが必要であるが、上記の光学多層構造体では１本で済むので、構成が簡単であり、かつ小さく作製することが可能である。また、間隙部をなくして基板上に第１の層、第２の層および第３の層をこの順で接する構造とすることにより、反射防止膜として利用することができる。
【００８５】
更に、上記の光学多層構造体は、間隙部を金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透過フィルタ、すなわちファブリーペロータイプのものとは本質的に異なるものであるため、低反射帯の帯域幅を広くすることができる。よって、製作時の膜厚管理のマージンを比較的広くとることが可能であり、設計の自由度が増す。
【００８７】
また、基板の屈折率をｎ_S 、第１の層の屈折率をｎ₁ 、第２の層の複素屈折率をＮ₂ （＝ｎ₂ −ｉ・ｋ₂ 、ｎ₂ は屈折率、ｋ₂ は消衰係数、ｉは虚数単位）、第３の層の複素屈折率をＮ₃ （＝ｎ₃ −ｉ・ｋ₃ 、ｎ₃ は屈折率、ｋ₃ は消衰係数、ｉは虚数単位））とするとき、これらが特定の条件を満たすように構成したので、間隙部の光学的な間隔を変化させることにより、入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、低反射時の反射率を殆ど０、高反射時の反射率を７０％以上とすることができる。したがって、１０００対１程度の高コントラストのディスプレイを実現可能である。さらに、第２の層および第３の層の複素屈折率Ｎ₂ ，Ｎ₃ はある条件を満足する値であれば良いため、材料の選択の自由度が広くなる。
【００８８】
特に、請求項２記載の光学多層構造体によれば、第３の層は光を透過しない程度の厚さを有するので、低反射時において入射光は第３の層に吸収され、迷光などが発生する心配はなくなる。
また、特に、請求項３記載の光学多層構造体によれば、第２の層の光学的特性を第３の層の光学的特性に等しくして第２の層を省略しているので、構造や製造プロセスをより簡単にすることができる。
【００８９】
加えて、特に、請求項５記載の光学多層構造体によれば、間隙部の光学的な間隔をλ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍との間で２値的あるいは連続的に変化させるようにしたので、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」となり、１０ｎｓレベルの高速応答が可能になる。よって、ディスプレイ用途のライトバルブとして用いる場合には、１次元アレイの簡単な構成で実現することができる。
【００９０】
また、請求項２１または請求項２２に記載の画像表示装置によれば、本発明の光スイッチング素子を１次元または２次元に配列し、この１次元または２次元アレイ構造の光スイッチング装置を用いて画像表示を行うようにしたので、高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる場合に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体の間隙部が「λ／４」のときの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「０」のときの構成を表す断面図である。
【図３】 図１に示した光学多層構造体を、入射媒質である基板を点線で表し、第１の層を最上層、第３の層を最下層として、図１とは逆の順序で示した断面図である。
【図４】図２に示した光学多層構造体を、入射媒質である基板を点線で表し、第１の層を最上層、第３の層を最下層として、図２とは逆の順序で示した断面図である。
【図５】光学アドミッタンスダイアグラム上で、ｎ₁ の屈折率を持つ透明な第１の層が、ダイアグラム上の（ｎ_S ，０）の点 (基板の光学アドミッタンス) を通る軌跡を表す図である。
【図６】図１の光学多層構造体の変形例を表す図である。
【図７】図１に示した光学多層構造体において基板をＳｉＯ₂ 、第１の層をＴｉＯ₂ により形成した場合の第１の層の光学アドミッタンスダイアグラムと、の各種材料の光学アドミッタンスとを合わせて示す図である。
【図８】表１に示した構成例について、第３の層のカーボン層の膜厚を１００ｎｍ、３００ｎｍおよび十分に厚い場合に変化させた場合のそれぞれについて低反射時の反射特性を表す図である。
【図９】表１に示した構成例の反射特性を表す図である。
【図１０】図９の例の低反射時の光学アドミッタンスを表す図である。
【図１１】図９の例の高反射時の光学アドミッタンスを表す図である。
【図１２】表２に示した構成例の反射特性を表す図である。
【図１３】光学多層構造体の静電気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図１４】光学多層構造体の静電気による他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図１５】光学多層構造体の静電気による更に他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図１６】光学多層構造体の磁気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図１７】光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図１８】ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図１９】ディスプレイの他の例を表す図である。
【図２０】ペーパー状ディスプレイの構成図である。
【図２１】ディスプレイのさらに他の例を表す図である。
【符号の説明】
１…光学多層構造体、１０，１１０…基板、１１…第１の層、１２，１１２…間隙部、１３…第２の層、１４…第２の層、１００…光スイッチング装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer structure having a function of reflecting, transmitting, or absorbing incident light, an optical switching element using the optical multilayer structure, and an image display device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the importance of a display as a display device for video information has increased, and as an element for this display, an optical switching element (such as an optical communication, optical storage device, optical printer, etc.) that operates at high speed ( Development of light bulbs is demanded. Conventionally, as this type of element, those using liquid crystals, those using micromirrors (DMD; Digital Micro Miror Device, digital micromirror device, registered trademark of Texas Instruments), and those using diffraction gratings (GLV) : Grating Light Valve, manufactured by SLM (Silicon Light Machine).
[0003]
In GLV, a diffraction grating is produced with a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure, and a high-speed light switching element of 10 ns with an electrostatic force is realized. The DMD also performs switching by moving a mirror in the MEMS structure. Although a display such as a projector can be realized using these devices, the liquid crystal and the DMD have a low operation speed. Therefore, in order to realize a display as a light valve, a two-dimensional arrangement is required, and the structure becomes complicated. . On the other hand, since the GLV is a high-speed drive type, a projection display can be realized by scanning a one-dimensional array.
[0004]
However, since the GLV has a diffraction grating structure, there are complexity such that it is necessary to make six elements for one pixel and to combine the diffracted light emitted in two directions into one by some optical system.
[0005]
Examples of what can be realized with a simple configuration include those disclosed in US Pat. No. 5,589,974 and US Pat. No. 5,500,761. This light valve has a substrate (refractive index n_S) With a refractive index of √n_SThe light-transmitting thin film is provided. In this element, an optical signal is transmitted or reflected by driving the thin film using electrostatic force and changing the distance between the substrate and the thin film, that is, the size of the gap. Here, the refractive index of the thin film is the refractive index n of the substrate._S√n_SIt is said that high contrast light modulation can be performed by satisfying such a relationship.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the element configured as described above, the refractive index n of the substrate_SIf is not a large value such as “4”, there is a problem that it cannot be realized in the visible light region. In other words, as a light-transmitting thin film, considering that it is a structure, silicon nitride (Si_ThreeN_Four) (Refractive index n = 2.0) is desirable, in which case the refractive index n of the substrate_S= 4. In the visible region, such material options are narrow. Communication wavelengths such as infrared light can be realized by using germanium (Ge) (n = 4), silicon (Si) (n≈4), or the like.
[0007]
Therefore, the same applicant as the present applicant firstly has a first layer that absorbs light on the substrate, a gap that has a size capable of causing a light interference phenomenon, and whose size is variable, and An optical multilayer structure having a structure in which a second layer is provided, an optical switching element using the same, and an image display device have been proposed (Japanese Patent Application No. 2000-219599). The proposed optical multilayer structure has a structure in which a first layer, a gap portion, and a second layer that absorb light are arranged in this order on a substrate. In this optical multilayer structure, the complex refractive index of the substrate is set to N_S(= N_S-I ・ k_S, N_SIs the refractive index, k_SIs the extinction coefficient, i is the imaginary unit), and the complex refractive index of the first layer is N₁(= N₁-I ・ k₁, N₁Is the refractive index, k₁Is the extinction coefficient), and the refractive index of the second layer is n₂When the refractive index of the incident medium is 1.0, it is configured to satisfy the relationship of the following formula (2).
[0008]
[Expression 2]

[0009]
According to the proposed optical multilayer structure, a high-speed response sufficient for constituting a two-dimensional image display device is possible, and an optical switching element can be realized with a simple structure in principle. Furthermore, since reflection and absorption of light can be switched, unnecessary light processing which is a problem in realizing an image display device can be performed very easily. Therefore, this optical switching element can be suitably used for a direct-view / reflective image display device.
[0010]
By the way, the proposed optical multilayer structure modulates light incident from the second layer side (opposite side of the substrate) of the optical multilayer structure. Therefore, when an optical switching element or an image display device is configured using this optical multilayer structure, the second optical multilayer structure is used to protect and seal the optical multilayer structure formed on the substrate. A transparent substrate must be used as the additional substrate disposed on the layer side. In the case of color display, a color filter or the like is formed on this transparent additional substrate. However, since the reflective interface is increased by disposing a transparent additional substrate, reflection at the interface becomes a problem, and there is a possibility that measures such as mounting an antireflection film are required.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical multilayer structure having a simple configuration with few reflection interfaces, an optical switching element using the same, and an image display device.
[0012]
  The optical multilayer structure according to the present invention has a transparent first layer, a gap, a second layer having light absorption, and light absorption on one surface of a substrate made of a transparent material and also serving as an incident medium. The third layer is arranged in this order, and a color filter is provided on the other surface of the substrate. The optical distance of the gap is 0 and λ / with respect to the design wavelength λ of the incident light. 4 is variable,N satisfy | fills following Formula (3) to a 1st layer ₁ The second layer is formed of a material having a refractive index of N and satisfies the following formula (3) ₂ (= N ₂ -I ・ k ₂ , N ₂ Is the refractive index, k ₂ Is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and is formed of a material having a complex refractive index. _Three (= N _Three -I ・ k _Three , N _Three Is the refractive index, k _Three Is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit).The reflectance of light incident from the substrate side is set to 0 when the gap interval is 0, and to 70% or more when the gap interval is λ / 4.
[0014]
[Equation 3]

[0015]
  An optical switching element according to the present invention comprises a transparent first layer, a gap, a second layer having light absorption, and a first layer having light absorption on one surface of a substrate made of a transparent material and also serving as an incident medium. 3 layers are arranged in this order, and a color filter is provided on the other surface of the substrate. The optical distance of the gap is 0 and λ / 4 with respect to the design wavelength λ of the incident light. And is variable betweenThe first layer is n satisfying the above formula (3) ₁ The second layer is formed of a material having a refractive index of N and satisfies the above formula (3). ₂ (= N ₂ -I ・ k ₂ , N ₂ Is the refractive index, k ₂ Is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and is formed of a material having a complex refractive index. _Three (= N _Three -I ・ k _Three , N _Three Is the refractive index, k _Three Is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit).An optical multilayer structure in which the reflectance of light incident from the substrate side is 0 when the gap interval is 0, and 70% or more when the gap interval is λ / 4, and the optical density of the gap Drive means for changing the interval.
[0016]
  An image display device according to the present invention displays a two-dimensional image by irradiating light to a plurality of optical switching elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the optical switching element is made of a transparent material. A transparent first layer, a gap, a second layer that absorbs light, and a third layer that absorbs light are arranged in this order on one surface of the substrate that also serves as an incident medium. It has a structure in which a color filter is provided on the other surface, and the optical interval of the gap is variable between 0 and λ / 4 with respect to the design wavelength λ of incident light,The first layer is n satisfying the above formula (3) ₁ The second layer is formed of a material having a refractive index of N and satisfies the above formula (3). ₂ (= N ₂ -I ・ k ₂ , N ₂ Is the refractive index, k ₂ Is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and is formed of a material having a complex refractive index. _Three (= N _Three -I ・ k _Three , N _Three Is the refractive index, k _Three Is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit).The reflectance of light incident from the substrate side is set to 0 when the gap interval is 0 and 70% or more when the gap interval is λ / 4. The optical multilayer structure is set to 0 when the interval of the gap is 0, 70% or more when the gap is λ / 4, and driving means for changing the optical gap of the gap. Is.
[0017]
  In the optical multilayer structure according to the present invention, light is incident from the substrate side, and the optical part of the gap is opticallyintervalIs changed between an odd multiple of “λ / 4” (λ is the design wavelength of incident light) and an even multiple of “λ / 4” (including 0) in a binary or continuous manner. The amount of reflection, transmission or absorption of light changes in a binary or continuous manner.
[0018]
  In the optical switching element according to the present invention, light is incident from the substrate side, and the optical means of the gap portion of the optical multilayer structure is driven by the driving means.intervalIs changed to perform a switching operation for incident light.
[0019]
In the image display device according to the present invention, a two-dimensional image is displayed by irradiating light from the substrate side to a plurality of optical switching elements of the present invention arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
1 and 2 show a basic configuration of an optical multilayer structure 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a state in which a gap 12 described later in the optical multilayer structure 1 exists and is highly reflective, and FIG. 2 shows a state in which there is no gap 12 in the optical multilayer structure 1 and low reflection. The optical multilayer structure 1 is specifically used as, for example, an optical switching element, and an image display device can be configured by arranging a plurality of the optical switching elements in one or two dimensions.
[0022]
  The optical multilayer structure 1 includes a transparent first layer 11 that is in contact with the substrate 10 on one surface of the substrate 10 that also serves as an incident medium.,whileThe gap 12, the second layer 13 formed on the opposite side across the first layer 11 and the gap 12, and the third layer 14 with light absorption in contact with the second layer 13 are arranged in this order. It arrange | positions and is comprised.
[0023]
The substrate 10 also serves as an incident medium for light incident on the first layer 11, for example, silicon oxide (SiO 2).₂), Or a transparent material such as glass or plastic.
[0024]
The first layer 11 is made of a transparent material such as an oxide material or a nitride material, for example, titanium oxide (TiO 2).₂) (N₁= 2.4), silicon nitride (Si_ThreeN_Four) (N₁= 2.0), aluminum nitride (AlN) (n₁= 2.16), niobium oxide (Nb)₂O_Five) (N₁= 2.2), tantalum oxide (Ta₂O_Five) (N₁= 2.1) or the like.
[0025]
Optical thickness n of the first layer 11₁・ D₁Is less than or equal to “λ / 4” (λ is the design wavelength of the incident light). The reason will be described later.
[0026]
  The gap 12 is optically driven by a driving means described later.intervalThe (interval between the first layer 11 and the second layer 13) is set to be variable. The medium that fills the gap 12 may be gas or liquid as long as it is transparent. Examples of the gas include air (refractive index n with respect to sodium D line (589.3 nm))._D= 1.0), nitrogen (N₂) (N_D= 1.0) and the like as water (n_D= 1.333), silicone oil (n_D= 1.4-1.7), ethyl alcohol (n_D= 1.3618), glycerin (n_D= 1.4730), Joodomethane (n_D= 1.737). The gap 12 can be in a vacuum state. In the present embodiment, the gap 12 is filled with air.
[0027]
  The optical part of the gap 12intervalIs a binary or continuous change between “odd multiple of λ / 4” and “even multiple of λ / 4 (including 0)”. As a result, the amount of reflection, transmission or absorption of incident light changes in a binary or continuous manner. As in the case of the film thicknesses of the first layer 11 and the second layer 13, even if there is a slight deviation from a multiple of λ / 4, it can be supplemented by a slight change in the film thickness or refractive index of other layers. Therefore, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0028]
In addition, “λ / 4” in the notation in the present specification may not be strictly “λ / 4” but may be a value in the vicinity thereof. This is because, for example, the optical film thickness of one layer becomes thicker than λ / 4 and can be supplemented by making the other layer thinner, and the refractive index is somewhat from formula (4) described later. This is because there is a case where the film thickness can be adjusted even if it is deviated. Therefore, in this specification, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0029]
The second layer 13 absorbs light from a metal such as tungsten (W), tantalum (Ta), titanium (Ti), a metal nitride such as titanium nitride (TiN), or a semiconductor such as germanium (Ge). It may be made of a material. Note that an example of the material of the second layer 13 will be described later with reference to FIG.
[0030]
The third layer 14 is made of metal oxide such as chromium oxide (CrO), metal nitride such as titanium nitride (TiN), carbide such as carbon (C), graphite (graphite), silicon carbide (SiC), or silicon (Si). It may be made of a material that absorbs light, such as a semiconductor. Note that a material example of the third layer 14 will be described later with reference to FIGS.
[0031]
The third layer 14 preferably has a thickness that does not transmit light. This is because incident light is absorbed by the third layer 14 at the time of low reflection, and stray light or the like is not generated.
[0032]
The first layer 11, the second layer 13, and the third layer 14 may be a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. In this case, the synthesized optical in the composite layer is used. It is necessary to have a characteristic equivalent to that of a single layer.
[0033]
Next, with reference to FIGS. 3, 4, and 5, conditions that the optical constants of the above-described layers should satisfy in order to realize the optical multilayer structure 1 as described above will be described. 3 and 4 used in the following description show the optical multilayer structure 1 shown in FIG. 1 and FIG. 2, but in order to make the description easy to understand, the substrate 10 that is the incident medium is indicated by a dotted line, The transparent first layer 11 is the uppermost layer, and the light-absorbing third layer 14 is the lowermost layer, which are shown in the reverse order of FIGS.
[0034]
In this embodiment, as shown in FIG. 3 and FIG._SA transparent substrate 10 having a refractive index of n is an incident medium, and n₁The transparent first layer 11 having a refractive index of 1 is the uppermost layer, and the second layer 13 and the third lowermost layer 14 are formed of a material that absorbs light. FIG. 3 shows a state in which the gap portion 12 exists and is highly reflected, and FIG. 4 shows a state in which the gap portion 12 is not present and the reflection is low.
[0035]
First, in the case where the gap 12 shown in FIG. 4 is not provided, that is, in the case of low reflection, a synthesis in which optical admittances of the respective materials of the first layer 11, the second layer 12, and the third layer 14 are synthesized The optical admittance is the optical admittance (n_SThe reflectance for the design wavelength can be zero. Here, the optical admittance y has the same value as the complex refractive index N (= n−i · k, where n is the refractive index, k is the extinction coefficient, and i is the imaginary unit). For example, the admittance of air is y (air) = 1, n (air) = 1, and the admittance of glass is y (glass) = 1.52 and n (glass) = 1.52.
[0036]
That is, n₁A transparent first layer 11 having a refractive index of_S, 0) (which is the optical admittance of the substrate 10 and is equal to the refractive index), the trajectory is n on the real axis Re (Y) as shown in FIG._SAnd n₁ ²/ N_SAnd the center C is (n₁ ²+ N_S ²) / 2n_S, Radius r is (n₁ ²-N_S ²) / 2n_SArc a. Here, the optical admittance y of the material of the third layer 14_Three(= Complex refractive index N_Three(= N_Three-I ・ k_Three, N_ThreeIs the refractive index, k_ThreeIs an extinction coefficient, i is an imaginary unit)) is inside the arc a in FIG. 5, and the optical admittance y of the material of the second layer 13 is outside the arc a.₂(= Complex refractive index N₂(= N₂-I ・ k₂, N₂Is the refractive index, k₂Is the extinction coefficient, and i is the imaginary unit)), the combined optical admittance y of the third layer 14 and the second layer 13₃₂Is the optical admittance y of the third layer 14_ThreeStarting from, a gentle curve is drawn as the film thickness of the second layer 13 increases, and the optical admittance y of the second layer 13₂To return to. Optical admittance y of the third layer 14_ThreeAnd the optical admittance y of the second layer 13₂Is located on the opposite side across the arc a of the first layer 11, so that the combined optical admittance y of the third layer 14 and the second layer 13₃₂Always crosses the arc a of the first layer 11. Thus, the combined optical admittance y of the third layer 14 and the second layer 13₃₂The film thickness of the second layer 13 can be determined so that is a value at the intersection of the first layer 11 with the arc a. The combined optical admittance of the third layer 14, the second layer 13, and the first layer 11 moves along the arc a of the first layer 11 from this intersection. Therefore, the combined optical admittance of the first layer 11, the second layer 12, and the third layer 14 is the optical admittance (n_SThe film thickness of the first layer 11 can be determined so as to be equal to each other.
[0037]
Thus, the optical admittance y of the third layer 14_ThreeAnd the optical admittance y of the second layer 13₂However, if it is located on the opposite side across the arc a depending on the optical characteristics of the first layer 11, there is always a combination of film thicknesses such that the reflectivity for the design wavelength is zero. Optical admittance y of the third layer 14_ThreeMay be inside or outside the arc a.
[0038]
The relationship between the optical constants of the third layer 14 and the second layer 13 for satisfying such a condition is expressed by the following formula (4). However, the composite optical admittance of the third layer 14, the second layer 13, and the first layer 11 can be reduced to n by disposing a material having another optical constant very thinly._SSince there is a case where it is not necessary to completely satisfy the expression (4), it is sufficient that the expression (4) is substantially satisfied.
[0039]
[Expression 4]

[0040]
In FIG. 5, the optical film thickness n of the first layer 11₁・ D₁(N_S, 0), the arc a of the first layer 11 is exactly a semicircle (n on the real axis)₁ ²/ N_S), “Λ / 4” (λ is the design wavelength of the incident light). Synthetic optical admittance y of the third layer 14 and the second layer 13₃₂Crosses the arc a of the first layer 11 in the middle of its semicircle, so the optical film thickness n of the first layer 11₁・ D₁Is “λ / 4” or less.
[0041]
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the gap portion 12 is present, the combined optical admittance of the first layer 11, the gap portion 12, the second layer 13, and the third layer 14 is refracted by the substrate 10. Rate n_SThe result is high reflection.
[0042]
  That is, in this optical multilayer structure 1, when the gap 12 between the first layer 11 and the second layer 13 is “0”, it becomes an antireflection film, and the gap is optical with respect to the design wavelength. When λ / 4, the reflection film is formed. In other words, by making the interval variable between “0” and “λ / 4”, an optical switching element capable of changing the reflectance between “0” and “70%” or more as described later is realized. Can do. Gap 12intervalIs variable, at least a portion of at least one of the substrate 10 and the first layer 11 and at least one of the second layer 13 and the third layer 14 is made of ITO (Indium- A method of driving by static electricity including a transparent conductive film such as Tin Oxide (n = 2.0) is conceivable. In addition to ITO, the transparent conductive film is tin oxide (SnO₂) (N = 2.0), zinc oxide (ZnO) (n = 2.0).
[0043]
By the way, in the above formula (4), the equal sign indicates that the optical characteristics of the second layer 13 are equal to the optical characteristics of the third layer 14, that is, as shown in FIG. This corresponds to the case where the second layer 13 is omitted. In the optical admittance diagram of FIG. 5, the optical admittance y of the third layer 14_ThreeIs on the arc a of the first layer 11.
[0044]
As a combination of materials for such an optical multilayer structure, it is sufficient if the above-mentioned restrictions are satisfied, and the degree of freedom of selection is wide. FIG. 7 shows that the substrate 10 is made of SiO.₂The first layer 11 is TiO₂And a curve a representing the optical admittance diagram of the first layer 11 (corresponding to the arc a in FIG. 5), and optical admittances of various materials that can be used as the second layer 13 and the third layer 14 (complex refraction). (Rate and equal value). A design that realizes the above-described optical multilayer structure can be found by combining the material inside and outside the curve (semicircle) a in FIG. Table 1 shows an example. The optical properties in Table 1 are Palik literature values (E.D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press).
[0045]
[Table 1]

[0046]
Here, quartz (SiO2) is used as the substrate 10.₂), TiO as the first layer 11₂An air layer (n = 1.00) was used as the layer and gap 12, a tungsten layer was used as the second layer 13, and a carbon layer was used as the third layer 14. The third layer 14 made of a carbon layer has a film thickness that does not transmit light as described above, but here it is 300 nm or more. The reason for this is that when the thickness of the carbon layer of the third layer 14 is 100 nm, 300 nm, and sufficiently thick, the reflection characteristics during low reflection were examined. This is because the reflection characteristic was almost the same as that of a sufficiently thick case. In FIG. 8, a curve 8A represents a case where the film thickness is 100 nm, a curve 8B represents a case where the film thickness is 300 nm, and a curve 8C represents a case where the film thickness is sufficiently thick.
[0047]
FIG. 9 shows the result of simulating the relationship between the wavelength of incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance in such a configuration. Here, the curve 9A shows an optical film thickness of the gap 12 (air layer) of “0” (low reflection side), and the curve 9B shows an optical film thickness of “λ / 4” (138 nm) (high reflection side). Each characteristic is shown. As can be seen from FIG. 9, at a design wavelength of 550 nm, the reflection characteristic is 0% during low reflection and 73% during high reflection. FIG. 10 shows a composite optical admittance diagram at the time of low reflection, and it can be seen that the composite optical admittance results in 1.46 (refractive index of the substrate 10). On the other hand, FIG. 11 shows a composite optical admittance diagram at the time of high reflection, and the composite optical admittance does not result in the refractive index of the substrate 10.
[0048]
As can be seen from the optical admittance (equivalent to the complex refractive index) of various materials shown in FIG. 7, the material of the second layer 13 is equivalent to using germanium, tantalum, titanium or the like instead of tungsten. Characteristics can be obtained. The substrate 10 may be glass or plastic.
[0049]
Table 2 shows a case where the optical characteristics of the second layer 13 are made equal to the optical characteristics of the third layer 14 in the case of the equal sign in the above formula (4), that is, the second layer 13 is omitted ( FIG. 6) shows an example.
[0050]
[Table 2]

[0051]
Here, quartz (SiO2) is used as the substrate 10.₂), TiO as the first layer 11₂The use of an air layer (n = 1.00) as the layer and gap 12 is the same as in the example of Table 1, except that the second layer 13 is omitted and a silicon (Si) crystal is used as the third layer 14. Is used. As can be seen from FIG. 7, the optical admittance (equivalent to the complex refractive index) of the silicon crystal is approximately TiO.₂It is on the optical admittance curve a of the first layer 11 composed of layers.
[0052]
FIG. 12 shows the result of simulating the relationship between the wavelength of incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance in the configuration shown in Table 2. Here, the curve 12A represents the case where the optical film thickness of the gap 12 (air layer) is “0” (low reflection side), and the curve 12B represents the case where the optical film thickness is “λ / 4” (138 nm) (high reflection side). Each characteristic is shown. As can be seen from FIG. 12, at a design wavelength of 550 nm, the reflection characteristic is 0.2% at low reflection and 76% at high reflection.
[0053]
  In the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, light is incident from the substrate 10 side, and the optical part of the gap 12 is optically entered.intervalIs changed in a binary or continuous manner between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) (eg, between “λ / 4” and “0”). Thus, the amount of reflection, transmission or absorption of incident light is changed.
[0054]
As described above, in the present embodiment, since the incident light from the substrate 10 side is modulated, the substrate 10 itself can also serve as the transparent protective substrate of the optical multilayer structure 1. Therefore, it is not necessary to arrange another transparent protective substrate on the substrate 10 side (the side on which light is incident), and the reflection interface can be reduced. Further, when an image display device is formed using the optical multilayer structure 1, a color filter or the like can be directly formed on the other surface of the substrate 10, and the transparent protective substrate on which the color filter is formed is a separate component. There is no need to prepare as. Further, the protective member on the second layer 14 side of the optical multilayer structure 1 does not need to be a transparent substrate because light does not enter, and may be an opaque material such as an inexpensive metal plate. You may arrange.
[0055]
Moreover, even in the visible light region such as 550 nm, the reflectivity at the time of low reflection can be almost 0 and the reflectivity at the time of high reflection can be 70% or more, thereby realizing a high contrast display of about 1000 to 1. Is possible. Moreover, since the configuration is simple, it can be more easily produced than a diffraction grating structure such as GLV or a complicated three-dimensional structure such as DMD. In addition, the GLV requires six grid-like ribbons for one pixel, but in this embodiment, only one is required, so that the configuration is simple and it is possible to make the ribbon small. Further, since the moving range of the movable part is at most “λ / 2”, a high-speed response of 10 ns level is possible. Therefore, when used as a light valve for display applications, it can be realized with a simple configuration of a one-dimensional array as will be described later.
[0056]
Furthermore, the optical multilayer structure 1 of the present embodiment is essentially different from a narrow band transmission filter having a structure in which a gap is sandwiched between a metal thin film and a reflective layer, that is, a Fabry-Perot type. The bandwidth of the reflection band can be increased. Therefore, it is possible to take a relatively wide margin for film thickness management at the time of manufacture, and the degree of freedom of design increases.
[0057]
In the present embodiment, the complex refractive indexes of the second layer 13 and the third layer 14 only have to satisfy a certain condition, so that the degree of freedom of material selection is widened. Furthermore, since the third layer 14 has a thickness that does not transmit light, incident light is absorbed by the third layer 14 at the time of low reflection, and there is no fear that stray light or the like is generated.
[0058]
As described above, by using the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, it is possible to realize an optical switching element and an image display device that are high-speed and small-sized and have improved reliability. Details of these will be described later.
[0059]
[Driving method]
  Next, the gap 12 in the optical multilayer structure 1intervalSpecific means for changing the value will be described.
[0060]
FIG. 13 shows an example in which the optical multilayer structure is driven by static electricity. In this optical multilayer structure, electrodes 16a and 16a made of, for example, aluminum are provided on both sides of the first layer 11 on the transparent substrate 10, and the second layer 13 and the third layer 14 are made of, for example, silicon nitride. (Si_ThreeN_Four), And electrodes 16b and 16b are formed at positions facing the electrodes 16a and 16a of the support 15.
[0061]
  In this optical multilayer structure, the optical force of the gap 12 is caused by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b.IntervalFor example, between “λ / 4” and “0” or between “λ / 4” and “λ / 2”. Of course, by continuously changing the voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b, the gap 12intervalCan be continuously changed within a range of a certain value, and the amount of reflection, transmission or absorption of incident light can be changed continuously (analogously).
[0062]
In addition, the method shown in FIGS. 14 and 15 may be used to drive the optical multilayer structure with static electricity. The optical multilayer structure 1 shown in FIG. 14 is provided with a transparent conductive film 17a made of, for example, ITO (Indium-Tin Oxide) on the first layer 11 on the transparent substrate 10, and the second layer 13 and The third layer 14 is formed in a crosslinked structure, and a transparent conductive film 17b made of ITO is also provided on the outer surfaces of the second layer 13 and the third layer 14.
[0063]
In this optical multilayer structure, the optical film thickness of the gap portion 12 can be switched by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application between the transparent conductive films 17a and 17b.
[0064]
In the optical multilayer structure shown in FIG. 15, instead of the transparent conductive film 17a of the optical multilayer structure shown in FIG. 13, a high refractive index transparent conductive film such as ITO is disposed as the conductive first layer 11. Is.
[0065]
In addition to such static electricity, the optical multilayer structure can be driven by various methods such as a method using a micromachine such as a toggle mechanism or a piezoelectric element, a method using a magnetic force, and a method using a shape memory alloy. FIGS. 16A and 16B show a mode of driving using magnetic force. In this optical multilayer structure, a magnetic layer 40 made of a magnetic material such as cobalt (Co) having an opening is provided on the third layer 14 and an electromagnetic coil 41 is provided below the substrate 10. By switching the electromagnetic coil 41 on and off, the gap 12 is switched between, for example, “λ / 4” (FIG. 16A) and “0” (FIG. 16B). Thus, the reflectance can be changed.
[0066]
[Optical switching device]
FIG. 17 illustrates a configuration of an optical switching device 100 using the optical multilayer structure 1. The optical switching device 100 includes a plurality of (four in the figure) optical switching elements 100A to 100D arranged in a one-dimensional array on a substrate 110 made of, for example, glass. In addition, it is good also as a structure arrange | positioned not only in one dimension but in two dimensions. In the optical switching device 100, for example, the ITO film 111A and the TiO 2 along one direction (element arrangement direction) of one surface of the substrate 110.₂A film 111B is formed. This ITO film 111A and TiO₂The film 111B corresponds to the first layer 11 in the above embodiment.
[0067]
  A plurality of tungsten (W) films 113 are disposed on the substrate 110 in a direction orthogonal to the ITO film 111A and the silicon nitride film 111B. A carbon (C) film 114 is disposed outside the tungsten film 113. The tungsten film 113 and the carbon film 114 correspond to the second layer 13 and the third layer 14 in the above embodiment, respectively. TiO₂According to the switching operation (on / off) between the film 111B and the tungsten film 113,Optical distanceA gap portion 112 is provided in which changes. Of the gap 112intervalChanges with respect to the wavelength of incident light (λ = 550 nm), for example, between “λ / 4” (138 nm) and “0”.
[0068]
The optical switching elements 100A to 100D have, for example, the optical film thickness of the gap portion 12 set to, for example, “λ / 4” and “0” by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application to the ITO film 111A and the tungsten film 113. Switch between. In FIG. 17, the optical switching elements 100A and 100C are in a state where the gap 12 is “0” (ie, a low reflection state), and the optical switching elements 100B and 100D are in a state where the gap 12 is “λ / 4” (ie, high Reflection state). The ITO film 111A, the tungsten film 113, and a voltage application device (not shown) constitute the “driving means” of the present invention.
[0069]
In the optical switching device 100, when the ITO film 111A is grounded to have a potential of 0V and a voltage of, for example, + 12V is applied to the tungsten film 113 corresponding to the second layer 13, the ITO film 111A and the tungsten film 113 are In FIG. 17, the first layer and the second layer are brought into close contact with each other as in the optical switching elements 100A and 100C, and the gap 112 is in a “0” state. In this state, the incident light P₁Passes through the multilayer structure and is absorbed by the carbon film 114 corresponding to the third layer 14.
[0070]
Next, when the transparent conductive film 106 on the second layer side is grounded and the potential is set to 0 V, TaN_XThe electrostatic attractive force between the film 102 and the ITO film 106 disappears, and the first layer and the second layer are separated from each other as shown in FIG. λ / 4 ”. In this state, the incident light P₁Is reflected and reflected light P_ThreeIt becomes.
[0071]
  Thus, in the present embodiment, the incident light P in each of the optical switching elements 100A to 100D.₁By switching the gap to a binary value by electrostatic force, there is no reflected light and the reflected light P_ThreeCan be switched to a binary value in a state where the error occurs. Of course, as mentioned above,intervalContinuously changing the incident light P₁Reflected light P from the state without reflection_ThreeIt is also possible to continuously switch to a state where the occurrence occurs.
[0072]
In these optical switching elements 100A to 100D, since the distance that the movable part has to move is at most about “λ / 2 (or λ / 4)” of incident light, the response speed is sufficiently high to about 10 ns. It is. Therefore, a display light valve can be realized with a one-dimensional array structure.
[0073]
In addition, in the present embodiment, if a plurality of optical switching elements are assigned to one pixel, they can be independently driven. Therefore, when performing gradation display of image display as an image display device, a method using time division In addition to this, gradation display by area is also possible.
[0074]
(Image display device)
FIG. 18 shows a configuration of a projection display as an example of an image display device using the optical switching device 100. Here, the reflected light P from the optical switching elements 100A to 100D_ThreeAn example in which is used for image display will be described.
[0075]
This projection display includes light sources 200a, 200b, and 200c composed of lasers of red (R), green (G), and blue (B), and optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c provided corresponding to the respective light sources. A dichroic mirror 202a, 202b, 202c, a projection lens 203, a galvano mirror 204 as a uniaxial scanner, and a projection screen 205. The three primary colors may be cyan, magenta, and yellow in addition to red, green, and blue. Each of the switching element arrays 201a, 201b, and 201c is a one-dimensional array of a plurality of the above switching elements in the direction perpendicular to the paper, for example, the required number of pixels, for example, 1000. ing.
[0076]
In this projection display, the light emitted from the RGB light sources 200a, 200b, and 200c is incident on the optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c, respectively. In addition, it is preferable to make this incident angle as close to 0 as possible and to make it enter perpendicularly so that the influence of polarization may not be exerted. Reflected light P from each optical switching element_ThreeIs condensed on the projection lens 203 by the dichroic mirrors 202a, 202b, 202c. The light condensed by the projection lens 203 is scanned by the galvanometer mirror 204 and projected onto the projection screen 205 as a two-dimensional image.
[0077]
As described above, in this projection display, a plurality of optical switching elements are arranged in a one-dimensional manner, RGB light is respectively irradiated, and the light after switching is scanned by a one-axis scanner to display a two-dimensional image. be able to.
[0078]
In the present embodiment, the reflectance at the time of low reflection can be 0.1% or less, and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more. Therefore, a high contrast display of about 1,000 to 1 can be achieved. In addition, since the characteristics can be obtained at a position where the light is perpendicularly incident on the element, it is not necessary to consider polarization or the like when the optical system is assembled, and the configuration is simple.
[0079]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the display configured to scan a one-dimensional array of light valves using a laser as a light source has been described. However, as shown in FIG. 19, an optical switching device arranged in a two-dimensional manner. A configuration may also be adopted in which light is emitted from the white light source 207 to 206 and an image is displayed on the projection screen 208.
[0080]
In the above embodiment, an example in which a glass substrate is used as the substrate has been described. However, as shown in FIG. 20, for example, a paper shape using a flexible substrate 209 having a thickness of 2 mm or less. The display may be configured such that an image can be seen by direct viewing.
[0081]
In the above embodiment, the light sources of each color of RGB are used. However, color display may be performed using a color filter. In that case, as shown in FIG. 21, the optical switching element 100 using the optical multilayer structure is disposed on one surface 110A of the substrate 110, and the color filters 120R, 120G, 120B are disposed on the other surface 110B. Can be formed. It is also possible to provide an antireflection film 130 on the other surface 110B of the substrate 110.
[0082]
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which the optical multilayer structure of the present invention is used for a display has been described. However, for example, an optical printer other than a display can be used such as drawing an image on a photosensitive drum using an optical printer. It is also possible to apply to various devices such as.
[0083]
【The invention's effect】
  As described above, claims 1 to19The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 6, and the claim20According to the described optical switching element, since the incident light from the substrate side is modulated, the substrate itself can also serve as the transparent protective substrate of the optical multilayer structure. Therefore, it is not necessary to arrange another transparent protective substrate on the substrate side (the side on which light is incident), and the reflection interface can be reduced. Furthermore, when an image display device is formed using this optical multilayer structure or optical switching element, a color filter or the like can be directly formed on the other surface of the substrate. There is no need to prepare it as a separate part. Further, the protective member on the second layer side of the optical multilayer structure does not need to be a transparent substrate because light does not enter, and may be an opaque material such as an inexpensive metal plate. May be.
[0084]
Moreover, since the configuration is simple, it can be more easily produced than a diffraction grating structure such as GLV or a complicated three-dimensional structure such as DMD. The GLV requires six lattice-like ribbons per pixel, but the optical multilayer structure described above requires only one, so that the configuration is simple and it can be made small. Further, by eliminating the gap and making the first layer, the second layer, and the third layer contact in this order on the substrate, it can be used as an antireflection film.
[0085]
Further, the above optical multilayer structure is essentially different from a narrow band transmission filter having a structure in which a gap is sandwiched between a metal thin film and a reflection layer, that is, a Fabry-Perot type, and therefore has a low reflection band. The width can be increased. Therefore, it is possible to take a relatively wide margin for film thickness management at the time of manufacture, and the degree of freedom of design increases.
[0087]
  MaThe groupThe refractive index of the plate is n_S, The refractive index of the first layer is n₁, The complex refractive index of the second layer is N₂(= N₂-I ・ k₂, N₂Is the refractive index, k₂Is the extinction coefficient, i is the imaginary unit), and the complex refractive index of the third layer is N_Three(= N_Three-I ・ k_Three, N_ThreeIs the refractive index, k_ThreeIs an extinction coefficient, and i is an imaginary unit)). These are configured so as to satisfy specific conditions. Therefore, by changing the optical distance of the gap, reflection, transmission, or absorption of incident light is performed. With a simple configuration, particularly in the visible light region such as 550 nm, the reflectance at the time of low reflection can be almost 0, and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more. . Therefore, a display with a high contrast of about 1000 to 1 can be realized. Further, the complex refractive index N of the second layer and the third layer₂, N_ThreeSince it is sufficient that the value satisfies a certain condition, the degree of freedom in selecting a material is widened.
[0088]
In particular, according to the optical multilayer structure according to claim 2, since the third layer has a thickness that does not transmit light, incident light is absorbed by the third layer at the time of low reflection, and stray light or the like is generated. There is no need to worry about it.
Also,In particular, the claims3According to the described optical multilayer structure, the optical characteristics of the second layer are made equal to the optical characteristics of the third layer, and the second layer is omitted. can do.
[0089]
  In addition, in particular, the claims5According to the described optical multi-layer structure, the optical interval of the gap is changed binary or continuously between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4. The moving range of the portion is also at most “λ / 2”, and a high-speed response of 10 ns level is possible. Therefore, when it is used as a light valve for display applications, it can be realized with a simple configuration of a one-dimensional array.
[0090]
  Claims21Or claims22According to the image display device described in 1), the optical switching elements of the present invention are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and image display is performed using this one-dimensional or two-dimensional array structure optical switching device. Since high contrast display can be performed and characteristics can be obtained at a position where light enters the element perpendicularly, there is no need to consider polarization or the like when assembling an optical system. It will be easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration when a gap portion of an optical multilayer structure according to an embodiment of the present invention is “λ / 4”.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 1 is “0”.
3 shows the optical multilayer structure shown in FIG. 1 in the reverse order of FIG. 1, with the substrate as the incident medium represented by a dotted line, the first layer as the uppermost layer and the third layer as the lowermost layer. It is sectional drawing shown.
4 shows the optical multilayer structure shown in FIG. 2 in the reverse order of FIG. 2, with the substrate being the incident medium represented by a dotted line, with the first layer as the top layer and the third layer as the bottom layer. It is sectional drawing shown.
FIG. 5 shows n on the optical admittance diagram.₁A transparent first layer with a refractive index of (n_S, 0) is a diagram showing a trajectory passing through a point (optical admittance of the substrate).
6 is a diagram showing a modification of the optical multilayer structure in FIG. 1. FIG.
FIG. 7 shows a substrate made of SiO in the optical multilayer structure shown in FIG.₂The first layer is TiO₂It is a figure which shows together the optical admittance diagram of the 1st layer at the time of forming by and optical admittance of various materials.
8 is a diagram showing the reflection characteristics at the time of low reflection when the thickness of the carbon layer of the third layer is changed to 100 nm, 300 nm, and sufficiently thick for each of the configuration examples shown in Table 1. FIG. is there.
FIG. 9 is a diagram showing the reflection characteristics of the configuration example shown in Table 1.
10 is a diagram illustrating optical admittance during low reflection in the example of FIG. 9;
11 is a diagram illustrating optical admittance during high reflection in the example of FIG. 9;
12 is a diagram illustrating reflection characteristics of the configuration example shown in Table 2. FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a method of driving the optical multilayer structure by static electricity.
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining still another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining a magnetic driving method of the optical multilayer structure.
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an example of an optical switching device.
FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of an example of a display.
FIG. 19 is a diagram illustrating another example of the display.
FIG. 20 is a configuration diagram of a paper-like display.
FIG. 21 is a diagram illustrating still another example of the display.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical multilayer structure 10, 110 ... Board | substrate, 11 ... 1st layer, 12, 112 ... Gap part, 13 ... 2nd layer, 14 ... 2nd layer, 100 ... Optical switching apparatus

Claims (22)

A transparent first layer, a gap, a second layer with light absorption, and a third layer with light absorption are arranged in this order on one surface of a substrate made of a transparent material and also serving as an incident medium. And a color filter is provided on the other surface of the substrate, and the optical distance of the gap is variable between 0 and λ / 4 with respect to the design wavelength λ of incident light. Yes,
The first layer is formed of a material having a refractive index of n ₁ that satisfies the following formula (1) :
The second layer has a complex refractive index of N ₂ (= n ₂ −i · k ₂ , n ₂ is a refractive index, k ₂ is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit) satisfying the following expression (1). Formed by material,
The third layer has a complex refractive index of N ₃ (= n ₃ −i · k ₃ , where n ₃ is a refractive index, k ₃ is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit) that satisfies the following expression (1). By using a material, the reflectance of light incident from the substrate side is set to 0 when the gap interval is 0, and to 70% or more when the gap interval is λ / 4. An optical multilayer structure.

(However, the refractive index of the substrate is n _S ) The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the third layer has a thickness that does not transmit light. Optical multilayer structure according to claim 1, wherein the optical properties of the second layer is made equal to the optical properties of the third layer is omitted the second layer. A driving unit that changes an optical interval of the gap, and the amount of reflection, transmission, or absorption of incident light is changed by changing the interval of the gap by the driving unit; The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 3 . The amount of reflection, transmission or absorption of incident light is binarized by changing the optical distance of the gap between λ / 4 and 0 in a binary or continuous manner by the driving means. The optical multilayer structure according to claim 4 , wherein the optical multilayer structure is changed continuously or continuously. The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 5 , wherein the optical thickness of the first layer is λ / 4 (λ is a design wavelength of incident light) or less. The at least one of the first layer, the second layer, and the third layer is a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. The optical multilayer structure according to any one of 1 to 6 . At least one of the substrate and the first layer and at least one of the second layer and the third layer includes a transparent conductive film at least in part,
Said drive means, said by an electrostatic force generated by application of a voltage to the transparent conductive film, an optical multilayer structure according to claim 4 or 5, wherein it is intended to change the optical distance of the gap portion body. The optical multilayer structure according to claim 8 , wherein the transparent conductive film is made of any one of ITO, SnO ₂ and ZnO. The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 9 , wherein the substrate is made of any one of silicon oxide, glass, and plastic. The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 10 , wherein the first layer is made of any one of an oxide and a nitride. The optical multilayer structure according to claim 11, wherein the first layer is made of any one of silicon nitride, aluminum nitride, titanium oxide, niobium oxide, and tantalum oxide. The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 12 , wherein the second layer is made of any one of a metal, a metal oxide, a metal nitride, a carbide, and a semiconductor. The third layer is metal, metal oxide, metal nitride, carbon (C), graphite, optics according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it consists either of a carbide and a semiconductor Multilayer structure. The substrate is made of any one of silicon oxide, glass and plastic,
The first layer is made of titanium oxide;
The second layer is made of any one of tungsten, germanium, tantalum and titanium;
The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 14 , wherein the third layer is made of carbon. The substrate is made of any one of silicon oxide, glass and plastic,
The first layer is made of titanium oxide;
The second layer is omitted,
Optical multilayer structure according to claim 3, wherein said third layer is made of silicon (Si). The optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 16 , wherein the gap is filled with air or a transparent gas or liquid. The gap portion, the optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 16, characterized in that a vacuum state. The optical multilayer structure according to claim 4 or 5 , wherein the driving means changes the optical interval of the gap using magnetic force. A transparent first layer, a gap, a second layer with light absorption, and a third layer with light absorption are arranged in this order on one surface of a substrate made of a transparent material and also serving as an incident medium. And a color filter is provided on the other surface of the substrate, and the optical distance of the gap is variable between 0 and λ / 4 with respect to the design wavelength λ of incident light. The first layer is formed of a material having a refractive index of n ₁ satisfying the following formula (1), and the second layer is formed of N ₂ (= n ₂ −i satisfying the following formula (1). K ₂ and n ₂ are refractive indexes, k ₂ is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and the third layer is formed of N ₃ ( _{= n 3 -i · k 3,} n 3 is the refractive index, k ₃ is the extinction coefficient, i is by forming a material having a complex index of refraction of the imaginary unit), incident from the substrate side An optical multilayer structure of the light reflectance, distance of the gap is 0 to 0, the interval of the gap portion is 70% or more in the case of lambda / 4 were,
An optical switching element comprising: driving means for changing an optical interval of the gap portion.

(However, the refractive index of the substrate is n _S ) An image display device that displays a two-dimensional image by irradiating light to a plurality of optical switching elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally,
The optical switching element is
A transparent first layer, a gap, a second layer with light absorption, and a third layer with light absorption are arranged in this order on one surface of a substrate made of a transparent material and also serving as an incident medium. And a color filter is provided on the other surface of the substrate, and the optical distance of the gap is variable between 0 and λ / 4 with respect to the design wavelength λ of incident light. The first layer is formed of a material having a refractive index of n ₁ satisfying the following formula (1), and the second layer is formed of N ₂ (= n ₂ −i satisfying the following formula (1). K ₂ and n ₂ are refractive indexes, k ₂ is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and the third layer is formed of N ₃ ( _{= n 3 -i · k 3,} n 3 is the refractive index, k ₃ is the extinction coefficient, i is by forming a material having a complex index of refraction of the imaginary unit), incident from the substrate side An optical multilayer structure of the light reflectance, distance of the gap is 0 to 0, the interval of the gap portion is 70% or more in the case of lambda / 4 were,
An image display device comprising: drive means for changing an optical interval of the gap portion.

(However, the refractive index of the substrate is n _S ) The image display device according to claim 21 , further comprising an antireflection film on the other surface of the substrate.

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