JP4633005B2 - 光スイッチングユニット・光スイッチングユニットアレイおよび画像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、光スイッチングユニット・光スイッチングユニットアレイおよび画像表示装置に関する。この発明は、光通信、光記録、プリンタ用スイッチングデバイス、電子ビューファインダ等に適用できる。

光スイッチングを行なう素子としては、従来から液晶を用いたものやマイクロミラーを用いたものが知られており、特許文献１には「光の干渉を利用するもの」が提案されている。これら「液晶やマイクロミラーを用いるもの、光の干渉を利用するもの」と異なる原理に立脚する「帯域の狭い反射型の波長フィルタ」が報告されている（非特許文献１）。

非特許文献１に開示されている波長フィルタは「回折格子と光の波長によるアノマリー現象」を原理的に利用するものである。

特開２００２−２８７０４７ Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ ａｎｄ Ｓ．Ｓ．Ｗａｎｇ， Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．３５，８１０６（１９９５）

この発明は、非特許文献１に報告されている「回折格子と光の波長によるアノマリー現象」を原理的に利用した、新規な光スイッチングユニットを実現し、かかる光スイッチングユニットを用いて、新たな、光スイッチングユニットアレイや画像表示装置を実現することを課題とする。

先ず、共鳴フィルタと、入射角可変手段とを説明する。

「共鳴フィルタ」は、微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定波長を持つ入射光を共鳴反射させるフィルタである。「微細な凹凸による周期構造」は、凹凸の周期が「使用波長と同等程度かそれ以下の大きさ」の周期構造である。
共鳴フィルタは、共鳴反射を起こす「狭い帯域の光（特定波長の光）」以外の光は高い透過率で透過させる。
「入射角可変手段」は、特定波長を持つ入射光の共鳴フィルタに対する入射角を相対的に変化させる手段である。「共鳴フィルタに対する入射角」は、共鳴フィルタの周期構造への入射角である。

即ち、「特定波長を持つ光」は、特定波長の単色光、もしくは特定波長を含み、共鳴フィルタが共鳴反射を生じる「狭い帯域」に含まれる波長域の光を意味する。
上記「入射光の共鳴フィルタに対する入射角を相対的に変化させる」とは、共鳴フィルタへの入射光の入射角の変化が相対的であることを意味し、入射光の方向を共鳴フィルタに対して変化させる場合、入射光に対して共鳴フィルタの向きを変化させる場合、およびこれらを組み合わせる場合を含む。

光スイッチングユニットによる光の「スイッチング」は、入射角可変手段による入射角の相対的な変化により「共鳴フィルタによる共鳴波長を特定波長から変化させる」ことにより、入射光の反射状態と透過状態とをスイッチングすることにより行なわれる。

例えば、特定波長を持つ光の共鳴フィルタへの入射角を「共鳴反射が生じる」ように設定すると、この設定状態では特定波長を持つ光は共鳴反射され、共鳴フィルタを透過できない。この状態で、入射角を変化させると、共鳴波長が変化するので、入射する「特定波長を持つ光」に対しては共鳴反射が起こらず、特定波長の光は共鳴フィルタを透過する。従って、入射角の変化により共鳴フィルタを「透過する状態」と「反射されて透過しない状態」とを切り替えることができる。

請求項１記載の光スイッチングユニットは、波長の異なる複数の光に対して光スイッチングを行なうものであり、フィルタ素子と、入射角可変手段とを有する。

「フィルタ素子」は、２以上の共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を「光の通過する向きに直列的に重ねて配置」してなる。

フィルタ素子を構成するｎ個の共鳴フィルタ：Ｆｉはそれぞれ「共鳴反射を生じる特定波長」が異なる。即ち、ある共鳴フィルタ：Ｆｉが共鳴反射する特定波長：λｉは、他の共鳴フィルタ：Ｆｊが共鳴反射する特定波長：λｊとは異なる。従って、個々の共鳴フィルタは「各共鳴フィルタに対応した特定波長の光」のみを共鳴反射する。

即ち、フィルタ素子は「微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を持つ入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を共鳴反射させるｎ（≧２）個の共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を、光の通過する向きに直列的に重ねて配置」してなる。
また、フィルタ素子をなす個々の共鳴フィルタは、透光性の導波層とカバー層とを有し、「周期構造」は、導波層とカバー層との境界部の微細な凹凸構造が「屈折率の異なる微細な領域を、一方向に交互に周期的に配列」した１次元的な構造である。

「入射角可変手段」は、ｎ個の共鳴フィルタと１：１に対応してｎ個用いられる。これらｎ個の入射角可変手段をＣ１、Ｃ２、・・Ｃｉ、・・・Ｃｎとすると、ｉ＝１〜ｎについて、入射角可変手段：Ｃｉは共鳴フィルタ：Ｆｉに対応し、入射角可変手段：Ｃｉは共鳴フィルタ：Ｆｉへの「特定波長：λｉを持つ入射光：Ｌｉ」の入射角：θｉを変化させる。ｎ個の入射角可変手段：Ｃｉによる入射角：θｉの変化は相互に独立に行なわれる。

このように、入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）により、入射角：θｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を独立に変化させることにより、共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）による共鳴波長を特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）から変化させることにより、入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）の反射状態と透過状態とを独立にスイッチングする。
入射角可変手段：Ｃｉは、個々の共鳴フィルタＦｉに１対ずつ設けられ、その一方もしくは双方に印加される電圧により共鳴フィルタＦｉを、入射光の入射方向に対して独立に傾けて入射角θｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を変化させるものである。

請求項１記載の光スイッチングユニットにおける「ｎ種の特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）」は、自然色を表現できるものであることが好ましい（請求項２）。例えば、ｎ＝３とし、λ１を赤（Ｒ）色波長、λ２を緑（Ｇ）色波長、λ３を青（Ｂ）色波長とすることにより、光スイッチングユニットからの出力光で自然色を表現できる。ｎ≧４として特定波長の数を増やせば、より精細な色合いを表現できる。

請求項１または２記載の光スイッチングユニットにおいて、入射角可変手段は「入射光の共鳴フィルタに対する入射角」を、個々の入射角可変手段：Ｃｉが共鳴フィルタ：Ｆｉへの入射光：Ｌｉの共鳴フィルタ：Ｆｉに対する入射角：θｉを相対的に変化させる。

即ち、入射角可変手段は「入射光の向きに対して共鳴フィルタの向きを変化」させる手段である。

この発明の光スイッチングユニットアレイは、上記請求項１または２記載の光スイッチングユニットを、１次元もしくは２次元のアレイ状に配列して有する（請求項３）。

請求項４記載の画像表示装置は、光スイッチングユニットアレイと、光照射手段と、結像レンズとを有する。
「光スイッチングユニットアレイ」は、請求項３記載の光スイッチングユニットアレイである。

「光照射手段」は、光スイッチングユニットアレイの各光スイッチングユニットに、特定波長を持った光を供給する手段である。
「結像レンズ」は、光スイッチングユニットアレイを透過した光を結像させる。結像レンズによる結像は実像でも虚像でもよく、前者の場合には画像表示装置はプロジェクタ装置として実施でき、後者の場合には、結像レンズを接眼レンズとして用い、光スイッチングユニットアレイを透過した光により結像レンズで結像される像を見るビューファインダとして実施することができる。

請求項４記載の画像表示装置は、光スイッチングユニットアレイを構成する光スイッチングユニットが、請求項１または２に記載のものであり、光照射手段が「特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を持つｎ種の光を供給するもの」であることができる。この場合、光スイッチングユニットとして請求項３記載のものを用いることにより、カラー画像の表示が可能である（請求項５）。

ここで、図１を参照して、共鳴フィルタと光スイッチングの原理を説明する。
図１（ａ）は、共鳴フィルタの一般的な構成を示している。
図に示す如く、共鳴フィルタＦＡは、透光性の基板１０上に、導波層１２とカバー層１４とをこの順序に積層して構成されている。導波層１２、カバー層１４は材質的には透光性である。

導波層１２の「図における上部の面」は微細な凹凸構造となっており、その凹部にカバー層１４の材質が入り込んでいる。導波層１２とカバー層１４とは材質が異なり、従って屈折率が異なっている。このため、導波層１２とカバー層１４との境界部の微細な凹凸構造は「屈折率の異なる微細な領域が交互に周期的に配列した周期構造」となっている。

説明中の例においては、周期構造は「図の左右方向を周期方向とする１次元的な構造」であり、凹凸形状は図面に直交する方向へは変化しない。
なお、周期構造の参考例として、カバー層１４を省略し、導波層１２上面の凹凸構造が空気と接するようにすることも考えられる。
この場合には、導波層１２と空気とにより「屈折率の異なる微細な領域が交互に周期的に配列した微小な周期構造」を構成することになる。

図１（ａ）に示す共鳴フィルタＦＡに、図の如く「微細な周期構造に直交する」ように光を入射させると、基板１０、導波層１２、カバー層１４が何れも透光性であるので、入射する光は「殆どの波長領域」で共鳴フィルタＦＡを透過するが、図１（ｃ）に、説明図として示すように「特定の波長λＡを含む狭い波長帯域の光」は反射される。

この状態を、図１（ａ）においては、共鳴フィルタＦＡに入射する波長：λＡの光が反射され、共鳴フィルタを透過しない状態として描いている。
「特定の波長：λＡを含む狭い波長帯域の光」が共鳴フィルタＦＡにより反射される現象は上記「微小な周期構造」により構成される回折格子と光の波長とによるアノマリー現象であり、導波層１２内を全反射で伝播する光波の伝播定数が「微小な周期構造による格子ベクトル」と一致するときに強い共鳴を起こして強い反射光となる現象で「共鳴反射」と呼ばれ、共鳴反射を生じる波長（上の波長：λＡ）を「共鳴波長」と呼ぶ。

図１（ｂ）は、共鳴フィルタＦＡに入射する特定波長：λＡを持った入射光の入射角が、図１（ａ）に示す「直交入射」から傾いた状態を示している。
即ち、図１（ａ）の状態における入射角を０とすれば、図１（ｂ）に示す入射角（αとする）は「α≠０」である。

このように「０でない入射角」で、波長：λＡの光を共鳴フィルタＦＡに入射させたときの共鳴波長は、図１（ｄ）に示すように、入射角：０のときの共鳴波長：λＡから変化して、共鳴波長：λＢ、λＣになる。一般的に、入射角が０から変化するに従い、共鳴波長は「入射角：０における共鳴波長の両側」へ略対称的に分離するようにずれる。分離量は入射角に比例的である。

波長：λＡの光を入射角：０で共鳴フィルタＦＡに入射させたときには、共鳴波長はλＡであり、入射光は共鳴反射されて共鳴フィルタＦＡを透過しないが、入射角を変化させることにより、共鳴波長が波長：λＡと異なるλＢ、λＣのように変化すると、波長：λＡを持った光は図１（ｂ）に示すように共鳴フィルタＦＡを透過することになる。

従って、入射光の入射角を切り替えることにより共鳴フィルタＦＡの共鳴波長が変化し、波長：λＡに対する反射状態（上の例で入射角：０）と透過状態（０でない入射角）とを切り替える光スイッチングを行なうことができる。

共鳴フィルタＦＡにおける共鳴波長：λＡは、基板１０や導波層１２、カバー層１４の屈折率や寸法、微細な周期構造のピッチ等に依存するものであり、これらを調整することにより、共鳴波長を調整できる。即ち、共鳴フィルタＦＡは「所望の共鳴波長を有するもの」を設計・製造できる。

また、上の例は「入射角：０で入射する場合に共鳴波長がλＡとなる共鳴フィルタ」であるが、「有限の入射角：α（例えば５度）で入射する場合に共鳴波長がλＡとなるような共鳴フィルタ」も設計・製造可能である。

図８は、入射角の変化による共鳴波長の変化の１例を示す図である。
符号８０で示す曲線は入射角：０度における透過率であり、曲線８１は入射角：１度、曲線８２は入射角：２度、曲線８３は入射角：３度、曲線８４は入射角:４度、曲線８５は入射角：５度における透過率であり、これらの曲線において透過率：０を与える波長が「各入射角での共鳴波長」である。

図２に、共鳴フィルタの別の例を示す。繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付した。
図２（ａ）に示す共鳴フィルタＦＢにおいて、透光性の基板１０上に導波層１２とカバー層１４とをこの順序に積層した部分は、図１（ａ）に示す共鳴フィルタＦＡと同一構造である。

図２に示す共鳴フィルタＦＢは、基板１０の自由表面（図で下方の面）に、電圧により高さの変化するＰＺＴ素子１６Ａ、１６Ｂを固装されている。ＰＺＴ素子１６Ａ、１６Ｂの一方もしくは双方に電圧をかけることにより、共鳴フィルタＦＡの実態部分（透光性の基板１０上に導波層１２とカバー層１４とをこの順序に積層した部分）を傾けることができる。

図２に示した例は、図２（ｂ）に示すように、図の上方から下方へ向かって入射する波長：λＡの光に対して、共鳴フィルタＦＢを５度傾けた「傾き角：５度」の状態（入射角：５度）において共鳴反射が生じるように設計・製造されており、共鳴フィルタＦＢの傾き角が５度から２度に変わったとき共鳴波長の変化により、図２（ｃ）に示すように、波長：λＡの光が透過状態となるようにされている。

即ち、図２に示す例では、共鳴フィルタＦＢに設けられたＰＺＴ素子１６Ａ、１６Ｂと、これらの一方もしくは双方に電圧を印加する電圧印加手段（図示されず）とが「入射角可変手段」を構成することになる。

図２の例では、共鳴フィルタＦＢへの入射角を可変にする手段として、ＰＺＴ素子を用いる場合を説明したが、このほかにも静電気力や「磁場による磁歪」を使った素子を用いることも可能である。

以上に説明したように、この発明の光スイッチングユニットでは「入射光の共鳴フィルタに対する入射角を相対的に変化させる」ことにより光スイッチングを行なうことができる。このような光スイッチングユニットをアレイ配列した光スイッチングユニットアレイにより、各素子の独立した光スイッチングにより画像を表示することができる。

図３は請求項２記載の光スイッチングユニットの実施の１形態を説明するための図である。図３（ａ）は、光スイッチングを行なう部分を説明図的に示している。
図３（ａ）において、符号ＦＥは「フィルタ素子」を示す。符号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は共鳴フィルタを示す。共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３はフィルタ素子ＦＥを構成する。
共鳴フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３はそれぞれ垂直入射（入射角：０での入射）する入射光に対する共鳴波長が異なり、共鳴フィルタＦ１の共鳴波長はλ１、共鳴フィルタＦ２の共鳴波長はλ２、共鳴フィルタＦ３の共鳴波長はλ３である。これら共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３は、図１に即して説明した共鳴フィルタＦＡと同じタイプのものである。

図３（ａ）において、符号Ｌ１は波長：λ１を持って共鳴フィルタＦ１へ入射する入射光を示し、符号ＲＬ１は共鳴フィルタＦ１により共鳴反射された波長：λ１を持つ光を示している。符号ＴＬ１は、波長：λ１を持って共鳴フィルタＦ１へ「有限の入射角：θ」で入射し、入射角変化による共鳴波長の変化により「共鳴反射されずに共鳴フィルタＦ１を透過する光」を示している。

同様に、符号Ｌ２は波長：λ２を持って共鳴フィルタＦ２へ入射する入射光を示し、符号ＲＬ２は共鳴フィルタＦ２により共鳴反射された波長：λ２を持った光を示している。符号ＴＬ２は、波長：λ２を持って共鳴フィルタＦ２へ有限の入射角：θで入射し、入射角変化による共鳴波長の変化により「共鳴反射されずに共鳴フィルタＦ２を透過する光」を示している。

符号Ｌ３は波長：λ３を持って共鳴フィルタＦ３へ入射する入射光を示し、符号ＲＬ３は共鳴フィルタＦ３により共鳴反射された波長：λ３の光を示している。符号ＴＬ３は、波長：λ３を持って共鳴フィルタＦ３へ有限の入射角：θで入射し、入射角変化による共鳴波長の変化により「共鳴反射されずに共鳴フィルタＦ３を透過する光」を示している。

即ち、共鳴フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３は光の通過する向き（図３（ａ）の下向き）に直列に配置されている。

なお「共鳴反射の起きる波長帯域」は狭いので、共鳴フィルタＦ１は波長：λ２、λ３の光を高い透過率で透過させ、共鳴フィルタＦ２は波長：λ１、λ３の光を高い透過率で透過させ、共鳴フィルタＦ３は波長：λ１、λ２の光を高い透過率で透過させる。

図３（ｂ）は、光スイッチングユニットの参考例の使用状態を説明図的に示している。

符号ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３は光源、符号Ｍ１はミラー、符号Ｍ２、Ｍ３はダイクロイックミラーを示す。これらミラーＭ１、ダイクロイックミラーＭ２、Ｍ３は図の如く「揺動可能」であり、駆動手段Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３により「鏡面の態位」を揺動して切り替えることができるようになっている。

光源ＬＳ１〜ＬＳ３は、例えば、半導体レーザあるいはＬＥＤが用いられる。光源ＬＳ１は波長：λ１の光を放射し、光源ＬＳ２、ＬＳ３はそれぞれ波長：λ２、λ３の光を放射する。図３（ａ）に即して説明したように、波長：λ１〜λ３はそれぞれ共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３の（入射角：０のときの）共鳴波長である。

ダイクロイックミラーＭ２は波長：λ１の光を透過させ、波長：λ２の光を反射する。ダイクロイックミラーＭ３は波長：λ１、λ２の光を透過させ、波長：λ３の光を反射する。

ミラーＭ１、ダイクロイックミラーＭ２、Ｍ３は「基準の態位」では、反射光を共鳴フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３に入射角：０で入射させるように設定されており、駆動手段Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３による駆動による「駆動態位」では、反射光の共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３への入射角を図３（ａ）の入射角：θに設定するようになっている。従って、ミラーＭと駆動手段Ｄ１とは「入射角可変手段：Ｃ１」を構成し、ダイクロイックミラーＭ２と駆動手段Ｄ２とは「入射角可変手段：Ｃ２」を構成し、ダイクロイックミラーＭ３と駆動手段Ｄ３とは「入射角可変手段：Ｃ３」を構成する。

入射角可変手段：Ｃ１〜Ｃ３は、対応する共鳴フィルタへの入射光の入射角を「０からθ」へ変化させる。入射角：θでは、各共鳴フィルタとも共鳴波長はλ１〜λ３から変化し、波長：λ１〜λ３の光は共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３を透過する。

即ち、図３に示す光スイッチングユニットは、微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，３）を持った入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，３）を共鳴反射させる３個の共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，３）を、光の通過する向きに直列的に配置してなるフィルタ素子ＦＥと、共鳴フィルタ：Ｆｉへの特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，３）を持った光の入射角を、相対的に変化させる入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，３）とを有し、入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，３）により入射角を独立に変化させることにより、共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，３）による共鳴波長を特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，３）から変化させることにより、入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，３）の反射状態と透過状態とを独立にスイッチングする光スイッチングユニットである。

波長：λ１を赤（Ｒ）色波長、波長：λ２を緑（Ｇ）色波長、波長：λ３を青（Ｂ）色波長とすれば、入射角可変手段：Ｃ１〜Ｃ３により、これら波長：λ１〜λ３に対する共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３の「透過状態・反射状態」を独立に切り替えれば、フィルタ素子ＦＥを透過する光の色を自然色の範囲で切り替えて表示することができる。

また、図３（ｂ）に即して説明した例では、入射角可変手段：Ｃ１〜Ｃ３は「入射光Ｌ１〜Ｌ３の向きを変化させる手段」である。

図３の形態において、共鳴波長の異なる共鳴フィルタの数を増やして光の通過する向きに直列的に配列し、それに応じて発光波長の異なる光源や揺動可能なダイクロイックミラーの数を増やすことにより、透過光の色をより細かく変化させることができる。

逆に、共鳴フィルタの数を２個にすれば、例えば、波長：λ１とλ２の光の光スイッチングを組み合わせて、波長：λ１、λ２、または「これらを混合した色」を表現でき、共鳴フィルタを１個にすれば、例えば、特定波長：λ１の光を光スイッチングできる。

また、図３の実施の形態において、共鳴フィルタＦ１〜Ｆ３として、図２に即して説明した共鳴フィルタＦＢのタイプのものを用い、ミラーＭ１、ダイクロイックミラーＭ２、Ｍ３を固定的に設け、共鳴フィルタを電圧印加によるＰＺＴ素子の「高さ変化」により傾けて入射角を変化させて光スイッチングを行なうことができる。
この場合が請求項１の実施の形態である。

図４は、カラー画像表示用の画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。

図４（ａ）は、光スイッチングユニットアレイを説明図的に示している。例として描かれた光スイッチングユニットアレイ４１Ｒは、単一の透明基板に、多数の微小な共鳴フィルタ４１０が２次元的にアレイ配列して形成されている。

個々の共鳴フィルタ４１０は、図２に示したタイプのもので、外部からの電圧印加により高さ変化を生じるＰＺＴ素子により、入射光に対する傾きを個別に変化させて入射角を変化させることができるようになっており、電圧印加を行なう駆動回路も透明基板上に共鳴フィルタとともに作りこまれている。従って、アレイ配列した個々の共鳴フィルタ４１０を独立して駆動できる。

光スイッチングユニットアレイ４１Ｒにアレイ配列させて形成された多数の共鳴フィルタ４１０は「同一種類」のものであり、個々の共鳴フィルタ４１０は、図２（ｂ）に示した「傾き角：５度の状態」を、ＰＺＴ素子１６Ａ等に電圧を印加されない「オフ状態」として、入射する光のうち赤（Ｒ）色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長：λＲが設定されている。

図４（ｂ）において、符号４１Ｇ、４１ＢＬで示す光スイッチングユニットアレイは、構造的には上に説明した光スイッチングユニットアレイ４１Ｒと同様のものである。光スイッチングユニットアレイ４１Ｇ、４１ＢＬには多数の共鳴フィルタが「光スイッチングユニットアレイ４１Ｒにおける共鳴フィルタ４１０の配列と合同的に配列形成」されている。

光スイッチングユニットアレイ４１Ｇにおいて配列形成されている各共鳴フィルタは同一種のものであり、駆動されないオフ状態において、入射する光のうち緑（Ｇ）色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長：ＲＧが設定されている。光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬにおいて配列形成されている各共鳴フィルタは同一種のものであり、駆動されないオフ状態において、入射する光のうち青（ＢＬ）色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長：λＢＬが設定されている。

光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒは、図の如く、光の通過方向（図４（ｂ）の上下方向）へ互いに重なり合うように配置されており、各光スイッチングユニットアレイの個々の共鳴フィルタは、他の光スイッチングユニットアレイにおいて対応する位置にある共鳴フィルタと「光の通過方向」において互いに重なりあう。

即ち、図４（ｂ）に示す、光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒは、全体として、請求項３記載の光スイッチングユニットを２次元的にアレイ配列したものである。
図４（ｂ）における符号１０ＢＬ、１０Ｇ、１０Ｒは、カラー光源手段の光源部を構成する光源であり、この実施の形態においては高出力ＬＤが用いられている。これら光源１０ＢＬ、１０Ｇ、１０Ｒから放射される青（ＢＬ）色光、緑（Ｇ）色光、赤（Ｒ）色光は、カップリングレンズ４２により平行光束に変換されて、光通過方向である図４（ｂ）上下方向に直列的に重ねて配置された光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｒ、４１Ｇに入射する。

光スイッチングユニットアレイの各共鳴フィルタの駆動状態が「オフ状態」のとき、光スイッチングユニットアレイの各共鳴フィルタへの入射角は５度であって、対応する波長の光を共鳴反射し、「オン状態（傾き角：２度）」では入射角は２度であって、上記波長の光を透過させる。

光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒの各光スイッチングユニットがオフ状態（共鳴フィルタが駆動されていない状態）では、光源１０ＢＬからの青色光は光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬで共鳴反射されるが、光スイッチングユニットアレイ４１Ｇ、４１Ｒは透過する。また、光源１０Ｇからの緑色光は光スイッチングユニットアレイ４１Ｇで共鳴反射されるが、光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｒは透過し、光源１０Ｒからの赤色光は光スイッチングユニットアレイ４１Ｒで共鳴反射されるが、光スイッチングユニットアレイ４１Ｇ、４１ＢＬは透過する。

結局、光スイッチングユニットアレイ４１Ｒ、４１Ｇ、４１ＢＬの各光スイッチングユニットがオフ状態では、赤色光は光スイッチングユニットアレイ４１Ｒにより共鳴反射され、緑色光、青色光はそれぞれ光スイッチングユニットアレイ４１Ｇ、４１Ｂにより共鳴反射されるので、光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０ＢＬからの各色の光は光スイッチングユニットアレイ４１Ｒ、４１Ｇ、４１ＢＬの直列配列を透過することがない。

光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬの各光スイッチングユニットが駆動されたオン状態では、光源１０ＢＬからの青色光は光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒを透過し、光スイッチングユニットアレイ４１Ｇの各光スイッチングユニットが駆動されたオン状態では、光源１０Ｇからの緑色光は光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒを透過する。

また、光スイッチングユニットアレイ４１Ｒの各光スイッチングユニットが駆動されたオン状態では、光源１０Ｒからの赤色光は光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４０Ｇ、４１Ｒを透過する。従って、光スイッチングユニットアレイ４１ＢＬ、４１Ｇ、４１Ｒを、画像信号に応じて制御手段４４で「個々の共鳴フィルタのＰＺＴ素子への電圧印加を制御する」ことにより透過光によるカラー画像を表示することができる。

図４のカラー画像表示装置は、例えば「ビューファインダ」等として実施できる。
また、図４（ｂ）に示した部分に図示されない「投射レンズ」を付加し、光スイッチングユニットアレイ４１Ｒ〜４１ＢＬを透過したカラー画像光を、投射レンズによりスクリーン上に拡大して投射するカラープロジェクタとして実施することもできる。このようなプロジェクタは３枚の液晶パネルを用いるカラープロジェクタに比して、画像表示部が薄型かつコンパクトである。

ここで、図５を参照すると、図５は、図１に示したタイプの共鳴フィルタを示しているが、図５において、符号ｔ１で示す厚さは「導波層１２の厚さ」であり、符号ｔ２で示す厚さは「導波層１２の上面に形成された微細な凹凸による周期構造の厚さ（微細な凹凸における凹部の深さ）」であり、符号Λで示すのは上記周期構造の「ピッチ」、符号ｄで示すのは「周期構造における凸部の幅」である。このとき「ｆ＝ｄ／Λ」により「フィルファクタ：ｆ」を定義する。

以下に、図６を参照して共鳴フィルタの製造方法を説明する。
表面をきれいに研磨した石英基板６０を用意し、表面を洗浄したのち、真空蒸着によりＴｉＯ_２の薄膜６２を成膜する（図６（ａ））。「ＴｉＯ_２の薄膜」は、屈折率が大きく、比較的容易に形成可能である。

形成された薄膜６２の上面にフォトレジスト薄膜を形成し、微細なパターニングを行ってフォトレジスト層に格子を形成する。パターニングの方法は、ステッパを用いた露光、ＥＢ（電子ビーム）を用いた露光、集光ビームを走査することによって行なう露光、２光束干渉による露光などの方法により形成が可能である。

この例では大面積化における生産性を考慮して、２光束干渉による露光法を用いた。光源には波長：３５１ｎｍのガスレーザを用い、フォトレジストには「ｉ線系ポジ型フォトレジスト」を使用した。この場合、形成される格子のピッチ（薄膜６２に形成される周期構造における上記ピッチ：Λに対応する。）は「２つの露光光束の交差角度」によって調整でき、図６（ｅ）に示す露光光束Ｌ１、Ｌ２片側入射角度：θを用いて、Λ＝λ／（ｓｉｎθ）から形成可能になる。ここでλは、２つの露光光束ＬＡ、ＬＢの波長である。また図６（ｅ）において符号ＰＲはフォトレジストの層を示す。
また、微細構造のフィルファクタ：ｆは露光強度によって調節することができる。

格子を形成されたフォトレジストをマスクとして「ＴｉＯ_２の薄膜６２」をエッチングし、図６（ｂ）に示す如くにＴｉＯ₂の薄膜６２に「微細な凹凸による周期構造」を形成する。この例では、エッチングにより形成する凹凸の深さが浅いので、フォトレジストをマスクとしたエッチングが可能であるが、フォトレジストパターンをマスクとして金属薄膜を蒸着、フォトレジストを除去した後の金属パターンをマスクとしたエッチングを行なうことも可能である。また、この例では微細な凹凸構造の断面形状を矩形としているが、台形、波型などの形状も実現可能である。

このように微細な凹凸の形成された薄膜６２に対して、カバー層６４を形成する（図６（ｃ））。この例ではカバー層６４の材料として「アクリル製紫外線硬化樹脂」を使用し、紫外線の照射により硬化させた。その際、樹脂が微細な凹凸による周期構造の凹部に十分に侵入し、且つ、表面を良好に平坦化するため、紫外線硬化樹脂として「粘度：１０ｃＰ以下」のものを使用した。

図６の（ａ）〜（ｃ）の工程で「図１に即して説明したタイプの共鳴フィルタ」が得られる。さらに、石英基板６０の底面にＰＺＴ素子などの圧電効果を有する素子６６Ａ、６６Ｂを形成し、各素子に電極をつける（図６（ｄ））ことによりことにより「図２に即して説明したタイプの共鳴フィルタ」が得られる。

上述の、石英基板６０上に導波層６２をＴｉＯ₂の薄膜で形成し、その上面に微細な凹凸による周期構造を形成し、カバー層６４を形成し、最後に石英基板６０の底面にＰＺＴ素子などの圧電効果を有する素子６６Ａ、６６Ｂを形成し、各素子に電極をつける製造プロセスを用い、波長：６３５ｎｍ（赤：Ｒ）、波長：５３２ｎｍ（緑：Ｇ）、波長：４４０ｎｍ（青：ＢＬ）の光に対して「傾き角：５度で共鳴反射を生じ、傾き角：２度でこれらの光を透過」させる共鳴フィルタＦＲ、ＦＧ、ＦＢＬを作製した。

これら共鳴フィルタで相互に異なるのは微細構造のピッチ：Λのみである。以下に、前述の厚さ：ｔ１、ｔ２、ピッチ：Λ、フィルファクタ：ｆの具体的な値を挙げる。

共鳴フィルタ ＦＢＬ ＦＧ ＦＲ
ピッチ：Λ ２３０ｎｍ ２９０ｎｍ ３６０ｎｍ
フィルファクタ：ｆ ０．５ ０．５ ０．５
厚さ：ｔ２ ２０ｎｍ ２０ｎｍ ２０ｎｍ
厚さ：ｔ１ ８０ｎｍ ８０ｎｍ ８０ｎｍ 。

これら共鳴フィルタＦＲ、ＦＧ、ＦＢＬの、入射角：２度と５度における透過曲線を図７に示す。図７（ａ）は共鳴フィルタＦＲに対する透過曲線、（ｂ）は共鳴フィルタＦＧに対する透過曲線、（ｃ）は共鳴フィルタＦＢＬに対する透過曲線である。

共鳴フィルタＦＢＬの場合、波長：４４０ｎｍの青色ＬＤからの光を入射角５度で入射させる場合、石英基板の屈折率：１．４５、ＴｉＯ_２の屈折率：２．２５、アクリル系紫外線硬化樹脂の屈折率：１．５０となり、図７（ｃ）に示すように、波長：４４０ｎｍ付近の狭帯域で共鳴反射を起こす（曲線７４）が、他の波長の光は略透過する。入射角が２度では、共鳴波長は略４５３ｎｍ（曲線７５）となり、従って、この入射角：２度で入射する「波長：４４０ｎｍの青色ＬＤからの光」は共鳴フィルタＦＢＬを透過する。

共鳴フィルタＦＧの場合、波長：５３２ｎｍの緑色ＬＤからの光を入射角５度で入射させる場合、図７（ｂ）に示すように、波長：５３２ｎｍ付近の狭帯域で共鳴反射（曲線７２）を起こすが、他の波長の光は略透過する。入射角が２度では、共鳴波長は略５５０ｎｍ（曲線７３）となり、従って、この入射角：２度で入射する「波長：５３２ｎｍの緑色ＬＤからの光」は共鳴フィルタＦＧを透過する。

共鳴フィルタＦＲの場合、波長：６３５ｎｍの赤色ＬＤからの光を入射角５度で入射させる場合、図７（ａ）に示すように、波長：６３５ｎｍ付近の狭帯域で共鳴反射（曲線７０）を起こすが、他の波長の光は略透過する。入射角が２度では、共鳴波長は略６４８ｎｍ（曲線７１）となり、従って、この入射角：２度で入射する「波長：６３５ｎｍの赤色ＬＤからの光」は共鳴フィルタＦＢＬを透過する。

共鳴フィルタの１例を説明するための図である。 共鳴フィルタの別の例を説明するための図である。 光スイッチング素子ユニットの実施の１形態を説明するための図である。 画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。 共鳴フィルタの構成を説明するための図である。 共鳴フィルタの製造工程の１例を説明するための図である。 共鳴フィルタの具体例における特性を説明するための図である。 共鳴フィルタの共鳴波長の入射角による変化を示す１例である。

符号の説明

１０ 透光性の基板
１２ 導波層
１４ カバー層１４
ＦＡ 共鳴フィルタ
λＡ 特定波長

Claims (5)

1. 微細な凹凸による周期構造が入射光と共鳴することにより、特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を持つ入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を共鳴反射させるｎ（≧２）個の共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を、光の通過する向きに直列的に重ねて配置してなるフィルタ素子と、
   共鳴フィルタ：Ｆｉへの特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を持つ光の入射角：θｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を独立に変化させる入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）とを有し、
   上記入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）は、個々の共鳴フィルタＦｉに１対ずつ設けられ、その一方もしくは双方に印加される電圧により共鳴フィルタＦｉを、入射光の入射方向に対して独立に傾けて入射角θｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を変化させるものであり、
   上記入射角可変手段：Ｃｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）により上記入射角：θｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を独立に変化させることにより、上記共鳴フィルタ：Ｆｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）による共鳴波長を上記特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）から変化させることにより上記入射光：Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）の反射状態と透過状態とを独立にスイッチングし、
   上記フィルタ素子を構成する個々の共鳴フィルタは、透光性の導波層と透光性のカバー層とを有し、
   上記周期構造は、上記導波層と上記カバー層との境界部の微細な凹凸構造が、屈折率の異なる微細な領域を、一方向に交互に周期的に配列した１次元的な構造のものであることを特徴とする光スイッチングユニット。
2. 請求項１記載の光スイッチングユニットにおいて、
   ｎ種の特定波長：λｉが、自然色を表現できるものであることを特徴とする光スイッチングユニット。
3. 請求項１または２記載の光スイッチングユニットを、１次元もしくは２次元のアレイ状に配列して有する光スイッチングユニットアレイ。
4. 請求項３記載の光スイッチングユニットアレイと、
   この光スイッチングユニットアレイの各光スイッチングユニットに、特定波長を持つ光を供給する光照射手段と、
   上記光スイッチングユニットアレイを透過した光を結像させる結像レンズを有する画像表示装置。
5. 請求項４記載の画像表示装置において、
   光スイッチングユニットアレイを構成する光スイッチングユニットが、請求項１または２に記載のものであり、光照射手段が、特定波長：λｉ（ｉ＝１，２，・・ｎ）を持つｎ種の光を供給するものであることを特徴とする画像表示装置。

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