JP4614027B2 - 光学多層構造体および光スイッチング素子、並びに画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を反射若しくは透過させる機能を有する光学多層構造体、およびこれを用いた光スイッチング素子並びに画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、映像情報の表示デバイスとしてのディスプレイの重要性が高まっており、このディスプレイ用の素子として、更には、光通信，光記憶装置，光プリンタなどの素子として、高速で動作する光スイッチング素子（ライトバルブ）の開発が要望されている。従来、この種の素子としては、液晶を用いたもの、マイクロミラーを用いたもの（ＤＭＤ；Digtal Micro Miror Device 、ディジタルマイクロミラーデバイス、テキサスインスツルメンツ社の登録商標）、回折格子を用いたもの（ＧＬＶ：Grating Light Valve,グレーティングライトバルブ、ＳＬＭ （シリコンライトマシン）社）等がある。
【０００３】
ＧＬＶは回折格子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で１０ｎｓの高速ライトスイッチング素子を実現している。ＤＭＤは同じくＭＥＭＳ構造でミラーを動かすことによりスイッチングを行うものである。これらのデバイスを用いてプロジェクタ等のディスプレイを実現できるものの、液晶とＤＭＤは動作速度が遅いために、ライトバルブとしてディスプレイを実現するためには２次元配列としなければならず、構造が複雑となる。一方、ＧＬＶは高速駆動型であるので、１次元アレイを走査することでプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【０００４】
しかしながら、ＧＬＶは回折格子構造であるので、１ピクセルに対して６つの素子を作り込んだり、２方向に出た回折光を何らかの光学系で１つにまとめる必要があるなどの複雑さがある。
【０００５】
簡単な構成で実現できるものとしては、米国特許公報５５８９９７４号や米国特許公報５５００７６１号に開示されたものがある。このライトバルブは、基板（屈折率ｎS ）の上に間隙部（ギャップ層）を挟んで、屈折率が√ｎS の透光性の薄膜を設けた構造を有している。この素子では、静電力を利用して薄膜を駆動し、基板と薄膜との間の距離、すなわち、間隙部の大きさを変化させることにより、光信号を透過あるいは反射させるものである。ここで、薄膜の屈折率は基板の屈折率ｎS に対して、√ｎS となっており、このような関係を満たすことにより、高コントラストの光変調を行うことができるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構成の素子では、基板の屈折率ｎS が「４」などの大きな値でなければ、可視光領域においては実現することはできないという問題がある。すなわち、透光性薄膜としては、構造体であることを考えると、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）（屈折率ｎ＝２．０）などの材料が望ましいので、その場合には基板の屈折率ｎS ＝４となる。可視光領域では、このような透明基板は入手が困難であり、材料の選択肢は狭い。赤外線等の通信用波長では、ゲルマニウム（Ｇｅ）（ｎ＝４）などを用いることにより実現可能であるが、ディスプレイなどの用途としては、現実的には適用することは難しいと思われる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、小型軽量であると共に、構成材料の選択にも自由度があり、可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置に好適に用いることができる光学多層構造体を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第２の目的は、上記光学多層構造体を用いた高速応答が可能な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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学多層構造体は、透明基板上に、前記透明基板に接する第１の透明層、第２の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第３の透明層および第４の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、透明基板をガラス基板、第１の透明層をＴｉＯ 2 膜およびＭｇＦ 2 膜からなる複合層、第２の透明層をＴｉＯ 2 膜、第３の透明層をＴｉＯ 2 膜、第４の透明層をＭｇＦ 2 膜によりそれぞれ構成すると共に間隙部を空気層とし、かつ第１の透明層、第２の透明層、第３の透明層および第４の透明層の光学的な膜厚を、λ／４あるいはλ／４の奇数倍（λは入射光の波長）とし、駆動手段によって、間隙部の光学的な大きさを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させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるようにしたものである。
【００１１】
本発明による光スイッチング素子は、本発明の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段とを備えたものである。
【００１２】
本発明による画像表示装置は、本発明による光スイッチング素子を複数個、１次元あるいは２次元に配列したものであり、３原色の光を照射し、スキャナによって走査することで２次元画像を表示するものである。
【００１４】
本発明による光学多層構造体では、第１の透明層と第２の透明層との間の間隙部の大きさを、例えば「λ／２」（λは入射光の波長）より狭く、好ましくは「λ／４」と，「０」との間で切り替えることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量が変化し、広帯域な波長域にわたってほぼ均一な反射もしくは透過の特性が得られる。
【００１５】
本発明による光スイッチング素子では、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な大きさが変化することにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【００１６】
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光が照射されることによって２次元画像が表示される。
【００１７】
【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。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１および図２は、本発明の第１の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。このうち図１は光学多層構造体１における後述の間隙部１２が存在している状態、図２は光学多層構造体１の間隙部がないとき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次元のアレイ状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。
【００１９】
本実施の形態の光学多層構造体１は、非金属の透明材料からなる透明基板１０の上に、この透明基板１０に接する第１の透明層１１、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさを変化させることのできる間隙部１２、および第２の透明層１３をこの順で配設して構成したものである。
【００２０】
ここで、透明基板１０の屈折率をｎS 、第１の透明層１１の屈折率をｎ1 、第２の透明層１３の屈折率をｎ2 としたとき、下記の関係（１），（２）が成立するように設定されている。すなわち、この光学多層構造体１では、屈折率の関係が、透明基板１０の上に高屈折率の第１の透明層１１、間隙部１２、低屈折率の第２の透明層１３の順に配設されているものである。なお、この関係式が成立する理由については後述する。
【００２１】
ｎS ＜ｎ1 、かつ、ｎ1 ＞ｎ2 ・・・（１）
【００２２】
ｎ2 ＝ｎ1 ／√ｎS ・・・（２）
【００２３】
具体的な材質は、透明基板１０としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第１の透明層１１としては、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）（ｎ1 ＝２．４），窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）（ｎ1 ＝２．０），酸化亜鉛（ＺｎＯ）（ｎ1 ＝２．０），酸化ニオブ（Ｎｂ2 Ｏ5 ）（ｎ1 ＝２．２），酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）（ｎ1 ＝２．１），酸化珪素（ＳｉＯ）（ｎ1 ＝２．０），酸化スズ（ＳｎＯ2 ）（ｎ1 ＝２．０），ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) （ｎ1 ＝２．０）、第２の透明層１３としては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）（ｎ2 ＝１．４６），酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）（ｎ2 ＝１．９１），フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ）（ｎ2 ＝１．３８），アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）（ｎ2 ＝１．６７）などが挙げられる。
【００２４】
第１の透明層１１および第２の透明層１３の光学的な膜厚ｄ1 ，ｄ2 は、「λ／４」、あるいは「λ／４の奇数倍」（λは入射光の波長）である。なお、これら膜厚ｄ1 ，ｄ2 は厳密に「λ／４」でなくとも、λ／４の近傍の値でもよい。これは、例えば、第１の透明層１１の光学膜厚がλ／４より厚くなった分、第２の透明層１３を薄くするなどして補完できるからであり、また、上式（２）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り、その際にはｄ1 ，ｄ2 がλ／４から多少ずれることになるからである。このことは他の実施の形態においても同様である。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。
【００２５】
なお、第１の透明層１１および第２の透明層１３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（光学アドミッタンス）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。
【００２６】
間隙部１２は、後述の駆動手段によって、その大きさ（第１の透明層１１と第２の透明層１３との間隔）が可変である。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ｎD ＝１．０）、窒素（Ｎ2 ）（ｎD ＝１．０）など、液体としては、水（ｎD ＝１．３３３）、シリコーンオイル（ｎD ＝１．４〜１．７）、エチルアルコール（ｎD ＝１．３６１８）、グリセリン（ｎD ＝１．４７３０）、ジョードメタン（ｎD ＝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。
【００２７】
間隙部１２の光学的な大きさは、「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もしくは透過の量が２値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第１の透明層１１および第２の透明層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】
上記間隙部１２を有する光学多層構造体１は、図３および図４に示した製造プロセスにより作製することができる。まず、図３（Ａ）に示したように例えばガラスからなる透明基板１０の上に、例えばスパッタリング法によりＴｉＯ2 からなる第１の透明層１１を形成し、次いで，図３（Ｂ）に示したように例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により犠牲層としての非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを形成する。続いて、図３（Ｃ）に示したように、間隙部１２のパターン形状を有するフォトレジスト膜１４を形成し、図３（Ｄ）に示したようにこのフォトレジスト膜１４をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを選択的に除去する。
【００２９】
次に、図４（Ａ）に示したようにフォトレジスト膜１４を除去した後、図４（Ｂ）に示したように例えばスパッタリング法によりＢｉ2 Ｏ3 からなる第２の透明層１３を形成する。次いで、図４（Ｃ）に示したように、ドライエッチングにより非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを除去する。これにより、間隙部１２を備えた光学多層構造体１を作製することができる。
【００３０】
本実施の形態の光学多層構造体１では、間隙部１２の光学的な大きさを変化させることで、透明基板１０側もしくは透明基板１０と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものである。具体的には、間隙部１２の光学的な大きさを、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、入射光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるものである。
【００３１】
次に、図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）を参照して、上記式（１），（２）の意義について説明する。
【００３２】
上記のような光学多層構造体１のフィルタ特性は、光学アドミッタンスによって説明することができる。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）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。
【００３３】
透明な基板上に透明な光学膜を形成すると、図５（Ｂ）に示したような光学アドミッタンスダイヤグラム上で、膜厚の増加に伴い円弧を描いて軌跡が移動する。ここに、横軸はアドミッタンスの実軸（Ｒe ），縦軸はアドミッタンスの虚軸（Ｉm ）をそれぞれ示している。例えば、ｎ＝ｙ＝１．５２のガラス基板上にｎ＝ｙ＝２．４０のＴｉＯ2 などを成膜すると、その合成光学アドミッタンスの軌跡は、膜厚の増加に伴ってｙ＝１．５２の点から円弧を描きながら移動する。もし、ＴｉＯ2 の光学的な膜厚がλ／４のときには、合成アドミッタンスの軌跡は実軸上の３．７９の点に帰着する（λ／４法則）。これはガラス基板（透明基板）上にλ／４の膜厚のＴｉＯ2 膜（第１の透明層）を成膜したときの合成アドミッタンスである。つまり、この構造体を上から見ると、あたかもｎ＝３．７９の一体の基板を見ているのと同じようになる。このときの反射率は、空気との界面では次式（３）で求まるので、反射率Ｒ＝３３．９％となる。
【００３４】
Ｒ＝（ｎ−１／ｎ＋１）2 ・・・（３）
【００３５】
次に、この光学多層構造体の上に、更に、ｎ＝ｙ＝１．９４７の膜（第２の透明層）を光学膜厚＝λ／４だけ成膜すると、光学アドミッタンスダイヤグラム上では、３．７９の点から右回りに軌跡が移動する。その合成アドミッタンスは、Ｙ＝１．０となり、実軸上の１．０の点となる。すなわち、これは合成アドミッタンス＝合成屈折率が１．０と同等、つまり空気と同等となるので、その界面では反射がなくなり、所謂Ｖコートの反射防止膜とみなすことができる。これが光学多層構造体１が図２に示した状態のときの反射特性である。
【００３６】
一方、上記ＴｉＯ2 膜（ｎ＝２．４）（第１の透明層）の膜の上に、ｎ＝１（空気）の間隙部を光学膜厚＝λ／４だけ設けた場合には、その合成アドミッタンスは、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、Ｙ2 ＝０．２６３８となる。更に、その間隙部上にｎ＝ｙ＝１．９４７の膜（第２の透明層）が光学膜厚＝λ／４だけ存在すると、その合成アドミッタンスは、Ｙ3 ＝１４．３７となり、実軸上の１４．３７の点となる。そのときの反射率は上記（３）式のｎをＹ3 ＝１４．３７として求まり、このとき反射率Ｒ＝７６％となる。これが光学多層構造体１が図１に示した状態のときの特性である。以上のことから、間隙部１２の空気層を「０」から「λ／４」の光学膜厚まで変化させる（すなわち、図２の状態から図１の状態へと切り換える）と、反射率は「０％」から「７６％」へと変化することがわかる。
【００３７】
ここで、Ｙ1 ＝ｎ1 2／ｎs 、Ｙ3 ’＝ｎ2 2 ／Ｙ1 ＝ｎ2 2・ｎs ／ｎ1 （図５（Ａ）参照）である。このような特性を実現するためには、Ｙ3 ’＝１．０（空気のアドミッタンス）とすれば良いので、ｎ2 2・ｎs ／ｎ1 2＝１．０、つまり、前述の式（２）、すなわち ｎ2 ＝ｎ1 ／√ｎS の関係が成立すればよい。なお、これら屈折率が厳密にこの関係になくても、膜厚等で多少は補完することは可能である。
【００３８】
〔具体例〕
図７（Ａ），（Ｂ）は本実施の形態の光学多層構造体１において、透明基板１０としてガラス基板（ｎS ＝１．５２）、第１の透明層１１としてＴｉＯ2 膜（ｎ1 ＝２．３２）、間隙層１２として空気層（ｎD ＝１．００）、第２の透明層１３としてＢｉ2 Ｏ3 膜（屈折率ｎ2 ＝１．９２）を用いた場合の入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係を表すものである。ここで、図７（Ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／２」（物理的厚さ＝２７５ｎｍ）と「λ／４」（１３７．５ｎｍ）の場合、図７（Ｂ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」と「λ／４」の場合の特性をそれぞれ表している。
【００３９】
図８（Ａ）〜（Ｃ）はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図８（Ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／２」、図８（Ｂ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／４」、図８（Ｃ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」の場合をそれぞれ示している。
【００４０】
図７に示した特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体１では、間隙部（空気層）１２の光学膜厚が「λ／２」の場合には入射光（波長λ）に対して低反射特性、間隙部１２の光学膜厚が「λ／４」の場合には高反射特性、間隙部１２の光学膜厚が０の場合には低反射特性をそれぞれ示すことが分かる。すなわち、間隙部１２の光学膜厚が「λ／４」の奇数倍と、「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で切り替わると、高反射特性と低反射特性とを交互に示すことになる。なお，同じ低反射特性であっても、光学膜厚が「λ／２」の場合には特定波長（５５０ｎｍ）に対してＶコート反射特性を示すが、光学膜厚が「０」となると、Ｖ字特性がなだらかになり、平坦に近くなり反射率０％の帯域が広くなってくる。
【００４１】
このように本実施の形態では、例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、高コントラストな変調を行うことができる。しかも、簡単な構成であり、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」であるため、高速応答が可能になる。従って、この光学多層構造体１を用いることにより、高速な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。
【００４２】
〔第２の実施の形態〕
次に、図９および図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、特定の波長域において反射特性を変化させることのできる構造について説明したが、本実施の形態では、一定の幅をもった（フラットな）広帯域の波長域においてほぼ均一に反射特性を変化させることができるようにしたものである。
【００４３】
本実施の形態の光学多層構造体２は、非金属の透明材料からなる透明基板２０上に、この透明基板２０に接する第１の透明層２１、第２の透明層２２、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部２３、第３の透明層２４および第４の透明層２５をこの順で配設してなるものである。ここで、図９は光学多層構造体２における後述の間隙部２３が存在している状態、図１０は光学多層構造体２の間隙部がないときの状態をそれぞれ示している。
【００４４】
本実施の形態では、透明基板２０の屈折率をｎS 、第１の透明層の屈折率をｎ1 、第２の透明層の屈折率をｎ2 、第３の透明層の屈折率をｎ3 、第４の透明層の屈折率をｎ4 としたとき、以下の式（４）の関係が成立するように設定されている。
【００４５】
ｎS ＜ｎ1 ＜ｎ2 ≒ｎ3 、かつｎ4 ＜ｎ1 ・・・（４）
【００４６】
具体的な材質は、透明基板２０としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第１の透明層２１としてはＡｌ2 Ｏ3 膜（ｎ1 ＝１．６７）、第２の透明層２２としてはＴｉＯ2 膜（ｎ2 ＝２．４）、第３の透明層２４としてはＴｉＯ2 膜（ｎ3 ＝２．４）、第４の透明層２５としてはＭｇＦ2 膜（ｎ4 ＝１．３８）などが挙げられる。第１の透明層２１ないし第４の透明層２５の光学的な膜厚ｎ1 ｄ1 ，ｎ2 ｄ2 ，ｎ3 ｄ3 ，ｎ4 ｄ4 は、「λ／４」、あるいは「λ／４の奇数倍」（λは入射光の波長）である。
【００４７】
第１の透明層２１ないし第４の透明層２５は、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（光学アドミッタンス）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。
【００４８】
間隙部２３は、第１の実施の形態の間隙部１２と同様に、後述の駆動手段によって、その大きさ（第２の透明層２２と第３の透明層２４との間隔）が可変である。間隙部２３を埋める媒体は間隙部１２の場合と同様である。
【００４９】
本実施の形態の光学多層構造体２では、上記（４）式が成立することから、反射特性を広帯域に得られると共に、間隙部２３の大きさを変化させることで、透明基板２０側もしくは透明基板２０と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものであり、より具体的には、第１の実施の形態と同様に、間隙部２３の光学的な大きさを、「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させることで、入射光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるものである。
【００５０】
図１１は本実施の形態の光学多層構造体２において、透明基板２０としてガラス基板（ｎS ＝１．５２）、第１の透明層２１としてＴｉＯ2 膜およびＭｇＦ2 （フッ化マグネシウム）膜（複合屈折率ｎ1 ＝１．７，複合膜厚λ／４に相当）からなる複合層、第２の透明層２２としてＴｉＯ2 膜（屈折率ｎ2 ＝２．３２）、間隙層２３として空気層、第３の透明層２４としてＴｉＯ2 膜（屈折率ｎ3 ＝２．３２）、第４の透明層２５としてＭｇＦ2 膜（屈折率ｎ4 ＝１．３８）を用いた場合の入射光の波長（設計波長）と反射率との関係を示す特性図である。ここで、図１１は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」（物理的厚さ＝１３７．５ｎｍ）の場合の特性と、間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「０」の場合の特性をそれぞれ示している。
【００５１】
なお、図１２（Ａ），（Ｂ）はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図１２（Ａ）は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「０」、図１２（Ｂ）は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」の場合をそれぞれ示している。
【００５２】
図１１の特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体２では、間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」の場合には広い帯域に渡って高反射特性（ほぼ６０％）、間隙部２３の光学膜厚が「０」の場合には広帯域に渡って平坦な低反射特性（ほぼ０％）をそれぞれ示すことが分かる。
【００５３】
〔変形例〕
図１３に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板１０の上に膜厚例えば１００ｎｍ以上の金属膜、アルミニウム（Ａｌ）層１０ａを形成し、第１の透明層１１を膜厚５２．６７ｎｍのＴｉＯ2 膜、第２の透明層１３を、膜厚３２．２９ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ａ、膜厚１１４．７２ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｂ、膜厚５３．０８ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ｃおよび膜厚１９．５３ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｄからなる多層膜により形成したものである。アルミニウム層１０ａが１００ｎｍ以上になると光の透過は殆ど０である。また、透過のないものに反射防止膜を設けるということは、反射が０になり、光のすべてがアルミニウム層１０ａに吸収されることを意味する。更に、アルミニウム自体の特性から、反射防止の特性を崩した際の高反射状態での反射率を少ない層数で１００％近くにすることが設計上容易になる。
【００５４】
図１４は、この光学多層構造体において、間隙部１２を変化させたときのシミュレーションの結果を表すものである。入射光はアルミニウム層１０ａの反対側（最上層のＳｉＯ2 膜１３ｄ側）より入射する。なお、間隙部１２は、最上層から２番目のＳｉＯ2 膜１３ｂのところに置き換えても、同様の特性を得ることができる。図１５はそのときの反射特性を表すものである。このときの設計波長は５５０ｎｍで、各層の膜厚を図中に示した。
【００５５】
図１４および図１５での間隙部１２は屈折率１．０の空気若しくは真空を想定しているが、これを実験的に行うのは多少複雑なプロセスを必要とするので、間隙部の代わりに、低屈折率材料のＳｉＯ2 を用いて実験を行った。このときの膜構成は図１６に示したとおりであり、図１７にそのシミュレーションの結果を、また、実際に成膜したものの測定結果を図１８および図１９にそれぞれ示す。これによりシミュレーションの結果と実際の測定結果とはよく一致していることが分かる。このとき光はガラス基板側より入射される設定となっているので、表面での４％程度の反射が実測値では大きくなっている。それ以外の多少のずれは、成膜中に光学的にモニタリングしながら膜厚をコントロールすることでなくすことができる。
【００５６】
図２０は図１３に示した光学多層構造体において、間隙部１２を３８６ｎｍ、また図２１は同じく１４８５ｎｍにした場合の反射特性をそれぞれ表すものである。図２０および図２１における低反射帯の幅は、図１４の例（間隙部１２は１１０．４６ｎｍ）より狭くなっていることが分かる。すなわち、間隙部１２が大きくなるほど、特に１５００ｎｍ以上では、低反射域の幅が狭くなり、製造時にマージンが低くなり、かなり扱いづらくなる。そのため、間隙部１２の大きさとしては、１５００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ以内である。この程度であれば、さほど問題なく作製することができる。
【００５７】
図２２に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板１０の上に直接、第１の透明層１１を膜厚４０．８９ｎｍのＴｉＯ2 膜、第２の透明層１３を膜厚３２．６２ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ａ、膜厚７７．１４ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｂ、膜厚３９．４０ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ｃおよび膜厚１６３．１３ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｄからなる多層膜により形成したものである。図２３はそのシミュレーションの結果を表すものである。このときの設計波長は５５０ｎｍとした。図１３の例とは異なり、透明基板１０上に光吸収膜（アルミニウム層）がないため、反射帯域での反射率は低いが、透過光が多層構造に吸収されずに抜けて行くので、構造体自体が熱を持つことを防ぐことができる。
【００５８】
以上の実施の形態では、光学多層構造体の間隙部を一層としたが、複数層、例えば図２４に示したように２層設けるようにしてもよい。すなわち、透明基板１０上に、第１の透明層１１、第１の間隙部１２、第２の透明層１３、第２の間隙部３０、第３の透明層３１をこの順に形成し、第２の透明層１３および第３の透明層３１をそれぞれ例えば窒化シリコンからなる支持体１５，３２により支持したものである。
【００５９】
この光学多層構造体では、中間の第２の透明層１３が上下に変位し、第１の間隙部１２と第２の間隙部３０の一方の間隙が狭くなった分、他方の間隙部が広まることにより反射特性が変化する。
【００６０】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体１，２における間隙部１２，２３の大きさを変化させるための具体的な手段について説明する。
【００６１】
図２５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、透明基板１０の上の第１の透明層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の透明層１３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。
【００６２】
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の光学膜厚を、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の大きさ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。
【００６３】
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２６および図２７に示した方法によってもよい。図２６に示した光学多層構造体１は、透明基板１０の上の第１の透明層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、例えばＳｉＯ2 からなる第２の透明層１３を架橋構造に形成し、この第２の透明層１３の内面に同じくＩＴＯからなる透明導電膜１７ｂを設けたものである。
【００６４】
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。
【００６５】
図２７に示した光学多層構造体では、図２６の光学多層構造体の透明導電膜１７ａの代わりに、第１の透明層１２と透明基板１０との間に例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる導電膜１７ｃを設けたものである。
【００６６】
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２８（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２の透明層１３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を設けると共に透明基板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／２」（図２８（Ａ））と「０」（図２８（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。
【００６７】
〔光スイッチング装置〕
【００６８】
図２９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透明基板１０１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、透明基板１０１の表面の一方向（素子配列方向）に沿って例えばＴｉＯ2 膜１０２が形成されている。ＴｉＯ2 膜１０２上には、例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide: インジウムと錫の酸化物混合膜）膜１０３が形成されている。これらＴｉＯ2 膜１０２およびＩＴＯ膜１０３が第１の実施の形態の第１の透明層に対応するものである。
【００６９】
透明基板１０１上には、ＴｉＯ2 膜１０２およびＩＴＯ膜１０３に対して直交する方向に、複数本のＢｉ2 Ｏ3 膜１０５が配設されている。Ｂｉ2 Ｏ3 膜１０５の外側には透明導電膜としてのＩＴＯ膜１０６が形成されている。これらＩＴＯ膜１０６およびＢｉ2 Ｏ3 膜１０５が第１の実施の形態の第２の透明層に対応するもので、ＩＴＯ膜１０３を跨ぐ位置において架橋構造となっている。第１の透明層および第２の透明層の光学的な膜厚は、例えば「λ／４」（λは入射光の波長（５５０ｎｍ））である。ＩＴＯ膜１０３とＩＴＯ膜１０６との間には、スイッチング動作（オン・オフ）に応じてその大きさが変化する間隙部１０４が設けられている。間隙部１０４の光学膜厚は、入射光の波長（λ＝５５０ｎｍ）に対しては、例えば「λ／４」（１３７．５ｎｍ）と「０」との間で変化するようになっている。
【００７０】
光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄは、透明導電膜（ＩＴＯ膜１０３，１０６）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１０４の光学膜厚を、例えば「λ／４」と「０」との間で切り替える。図２９では、光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃが間隙部１０４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１０４が「λ／４」の状態（すなわち、高反射状態）を示している。なお、透明導電膜（ＩＴＯ膜１０３，１０６）と電圧印加装置（図示せず）とにより、本発明の「駆動手段」を構成している。
【００７１】
この光スイッチング装置１００では、第１の透明層側のＩＴＯ膜１０３を接地して電位を０Ｖとし、第２の透明層側に形成されたＩＴＯ膜１０６に例えば＋１２Ｖの電圧を印加すると、その電位差によりＩＴＯ膜１０３，１０６間に静電引力が発生し、図２９では光スイッチング素子１００Ａ，１００ＣのようにＩＴＯ膜１０３，１０６が密着し、間隙部１０４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、更に透明基板２１を通過して透過光Ｐ2 となる。
【００７２】
次に、第２の透明層側の透明導電膜１０６を接地させ電位を０Ｖにすると、ＩＴＯ膜１０３，１０６間の静電引力がなくなり、図２９では光スイッチング素子１００Ｂ，１００ＤのようにＩＴＯ膜１０３，１０６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。
【００７３】
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、透過光Ｐ2 および反射光Ｐ3 の２方向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大きさを連続的に変化させることにより、入射光Ｐ1 を透過光Ｐ2 から反射光Ｐ3 に連続的に切り替えることも可能である。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
〔画像表示装置〕
図３０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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、光学系を組み立てる際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【００８１】
以上実施の形態および変形例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３１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。
【００８２】
また、上記実施の形態では、透明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３２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。
【００８３】
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。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学多層構造体および光スイッチング素子によれば、間隙部の大きさを変化させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に可視光領域においても、高速応答が可能になる。
【００８５】
また、本発明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次元に配列し、この１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】本発明の第１の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の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】図３の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図５】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「０」の場合の特性を説明するための図である。
【図６】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「λ／４」の場合の特性を説明するための図である。
【図７】図１に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図８】図７の反射特性（光学アドミッタンス）を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の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１０】図９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１１】図９に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１２】図１１の光学多層構造体の反射特性（光学アドミッタンス）を説明するための図である。
【図１３】第１の実施の形態の変形例を説明するための断面図である。
【図１４】図１３の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１５】図１３の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１６】第１の実施の形態の他の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】図１６の光学多層構造体の反射特性（シミュレーション）を表す図である。
【図１８】図１６の光学多層構造体の反射特性（実測値）を表す図である。
【図１９】図１６の光学多層構造体の反射特性（実測値）を表す図である。
【図２０】図１３に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図２１】図１３に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図２２】第１の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２３】図２２の光学多層構造体の反射特性（シミュレーション）を表す図である。
【図２４】第１の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２５】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２６】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２７】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２８】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２９】光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図３０】ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図３１】ディスプレイの他の例を表す図である。
【図３２】ペーパー状ディスプレイの構成図である。
【符号の説明】
１，２…光学多層構造体、１０…透明基板、１１，２１…第１の透明層、１２，２３…間隙部、１３，２２…第２の透明層、２４…第３の透明層、２５…第４の透明層、１００─光スイッチング装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を反射若しくは透過させる機能を有する光学多層構造体、およびこれを用いた光スイッチング素子並びに画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、映像情報の表示デバイスとしてのディスプレイの重要性が高まっており、このディスプレイ用の素子として、更には、光通信，光記憶装置，光プリンタなどの素子として、高速で動作する光スイッチング素子（ライトバルブ）の開発が要望されている。従来、この種の素子としては、液晶を用いたもの、マイクロミラーを用いたもの（ＤＭＤ；Digtal Micro Miror Device 、ディジタルマイクロミラーデバイス、テキサスインスツルメンツ社の登録商標）、回折格子を用いたもの（ＧＬＶ：Grating Light Valve,グレーティングライトバルブ、ＳＬＭ （シリコンライトマシン）社）等がある。
【０００３】
ＧＬＶは回折格子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で１０ｎｓの高速ライトスイッチング素子を実現している。ＤＭＤは同じくＭＥＭＳ構造でミラーを動かすことによりスイッチングを行うものである。これらのデバイスを用いてプロジェクタ等のディスプレイを実現できるものの、液晶とＤＭＤは動作速度が遅いために、ライトバルブとしてディスプレイを実現するためには２次元配列としなければならず、構造が複雑となる。一方、ＧＬＶは高速駆動型であるので、１次元アレイを走査することでプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【０００４】
しかしながら、ＧＬＶは回折格子構造であるので、１ピクセルに対して６つの素子を作り込んだり、２方向に出た回折光を何らかの光学系で１つにまとめる必要があるなどの複雑さがある。
【０００５】
簡単な構成で実現できるものとしては、米国特許公報５５８９９７４号や米国特許公報５５００７６１号に開示されたものがある。このライトバルブは、基板（屈折率ｎS ）の上に間隙部（ギャップ層）を挟んで、屈折率が√ｎS の透光性の薄膜を設けた構造を有している。この素子では、静電力を利用して薄膜を駆動し、基板と薄膜との間の距離、すなわち、間隙部の大きさを変化させることにより、光信号を透過あるいは反射させるものである。ここで、薄膜の屈折率は基板の屈折率ｎS に対して、√ｎS となっており、このような関係を満たすことにより、高コントラストの光変調を行うことができるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構成の素子では、基板の屈折率ｎS が「４」などの大きな値でなければ、可視光領域においては実現することはできないという問題がある。すなわち、透光性薄膜としては、構造体であることを考えると、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）（屈折率ｎ＝２．０）などの材料が望ましいので、その場合には基板の屈折率ｎS ＝４となる。可視光領域では、このような透明基板は入手が困難であり、材料の選択肢は狭い。赤外線等の通信用波長では、ゲルマニウム（Ｇｅ）（ｎ＝４）などを用いることにより実現可能であるが、ディスプレイなどの用途としては、現実的には適用することは難しいと思われる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、小型軽量であると共に、構成材料の選択にも自由度があり、可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置に好適に用いることができる光学多層構造体を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第２の目的は、上記光学多層構造体を用いた高速応答が可能な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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学多層構造体は、透明基板上に、前記透明基板に接する第１の透明層、第２の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第３の透明層および第４の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、透明基板をガラス基板、第１の透明層をＴｉＯ 2 膜およびＭｇＦ 2 膜からなる複合層、第２の透明層をＴｉＯ 2 膜、第３の透明層をＴｉＯ 2 膜、第４の透明層をＭｇＦ 2 膜によりそれぞれ構成すると共に間隙部を空気層とし、かつ第１の透明層、第２の透明層、第３の透明層および第４の透明層の光学的な膜厚を、λ／４あるいはλ／４の奇数倍（λは入射光の波長）とし、駆動手段によって、間隙部の光学的な大きさを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させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるようにしたものである。
【００１１】
本発明による光スイッチング素子は、本発明の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段とを備えたものである。
【００１２】
本発明による画像表示装置は、本発明による光スイッチング素子を複数個、１次元あるいは２次元に配列したものであり、３原色の光を照射し、スキャナによって走査することで２次元画像を表示するものである。
【００１４】
本発明による光学多層構造体では、第１の透明層と第２の透明層との間の間隙部の大きさを、例えば「λ／２」（λは入射光の波長）より狭く、好ましくは「λ／４」と，「０」との間で切り替えることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量が変化し、広帯域な波長域にわたってほぼ均一な反射もしくは透過の特性が得られる。
【００１５】
本発明による光スイッチング素子では、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な大きさが変化することにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【００１６】
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光が照射されることによって２次元画像が表示される。
【００１７】
【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。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１および図２は、本発明の第１の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。このうち図１は光学多層構造体１における後述の間隙部１２が存在している状態、図２は光学多層構造体１の間隙部がないとき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次元のアレイ状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。
【００１９】
本実施の形態の光学多層構造体１は、非金属の透明材料からなる透明基板１０の上に、この透明基板１０に接する第１の透明層１１、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさを変化させることのできる間隙部１２、および第２の透明層１３をこの順で配設して構成したものである。
【００２０】
ここで、透明基板１０の屈折率をｎS 、第１の透明層１１の屈折率をｎ1 、第２の透明層１３の屈折率をｎ2 としたとき、下記の関係（１），（２）が成立するように設定されている。すなわち、この光学多層構造体１では、屈折率の関係が、透明基板１０の上に高屈折率の第１の透明層１１、間隙部１２、低屈折率の第２の透明層１３の順に配設されているものである。なお、この関係式が成立する理由については後述する。
【００２１】
ｎS ＜ｎ1 、かつ、ｎ1 ＞ｎ2 ・・・（１）
【００２２】
ｎ2 ＝ｎ1 ／√ｎS ・・・（２）
【００２３】
具体的な材質は、透明基板１０としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第１の透明層１１としては、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）（ｎ1 ＝２．４），窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）（ｎ1 ＝２．０），酸化亜鉛（ＺｎＯ）（ｎ1 ＝２．０），酸化ニオブ（Ｎｂ2 Ｏ5 ）（ｎ1 ＝２．２），酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）（ｎ1 ＝２．１），酸化珪素（ＳｉＯ）（ｎ1 ＝２．０），酸化スズ（ＳｎＯ2 ）（ｎ1 ＝２．０），ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) （ｎ1 ＝２．０）、第２の透明層１３としては酸化珪素（ＳｉＯ2 ）（ｎ2 ＝１．４６），酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）（ｎ2 ＝１．９１），フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ）（ｎ2 ＝１．３８），アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）（ｎ2 ＝１．６７）などが挙げられる。
【００２４】
第１の透明層１１および第２の透明層１３の光学的な膜厚ｄ1 ，ｄ2 は、「λ／４」、あるいは「λ／４の奇数倍」（λは入射光の波長）である。なお、これら膜厚ｄ1 ，ｄ2 は厳密に「λ／４」でなくとも、λ／４の近傍の値でもよい。これは、例えば、第１の透明層１１の光学膜厚がλ／４より厚くなった分、第２の透明層１３を薄くするなどして補完できるからであり、また、上式（２）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り、その際にはｄ1 ，ｄ2 がλ／４から多少ずれることになるからである。このことは他の実施の形態においても同様である。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。
【００２５】
なお、第１の透明層１１および第２の透明層１３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（光学アドミッタンス）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。
【００２６】
間隙部１２は、後述の駆動手段によって、その大きさ（第１の透明層１１と第２の透明層１３との間隔）が可変である。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ｎD ＝１．０）、窒素（Ｎ2 ）（ｎD ＝１．０）など、液体としては、水（ｎD ＝１．３３３）、シリコーンオイル（ｎD ＝１．４〜１．７）、エチルアルコール（ｎD ＝１．３６１８）、グリセリン（ｎD ＝１．４７３０）、ジョードメタン（ｎD ＝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。
【００２７】
間隙部１２の光学的な大きさは、「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もしくは透過の量が２値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第１の透明層１１および第２の透明層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】
上記間隙部１２を有する光学多層構造体１は、図３および図４に示した製造プロセスにより作製することができる。まず、図３（Ａ）に示したように例えばガラスからなる透明基板１０の上に、例えばスパッタリング法によりＴｉＯ2 からなる第１の透明層１１を形成し、次いで，図３（Ｂ）に示したように例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により犠牲層としての非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを形成する。続いて、図３（Ｃ）に示したように、間隙部１２のパターン形状を有するフォトレジスト膜１４を形成し、図３（Ｄ）に示したようにこのフォトレジスト膜１４をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを選択的に除去する。
【００２９】
次に、図４（Ａ）に示したようにフォトレジスト膜１４を除去した後、図４（Ｂ）に示したように例えばスパッタリング法によりＢｉ2 Ｏ3 からなる第２の透明層１３を形成する。次いで、図４（Ｃ）に示したように、ドライエッチングにより非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを除去する。これにより、間隙部１２を備えた光学多層構造体１を作製することができる。
【００３０】
本実施の形態の光学多層構造体１では、間隙部１２の光学的な大きさを変化させることで、透明基板１０側もしくは透明基板１０と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものである。具体的には、間隙部１２の光学的な大きさを、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、入射光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるものである。
【００３１】
次に、図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）を参照して、上記式（１），（２）の意義について説明する。
【００３２】
上記のような光学多層構造体１のフィルタ特性は、光学アドミッタンスによって説明することができる。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）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。
【００３３】
透明な基板上に透明な光学膜を形成すると、図５（Ｂ）に示したような光学アドミッタンスダイヤグラム上で、膜厚の増加に伴い円弧を描いて軌跡が移動する。ここに、横軸はアドミッタンスの実軸（Ｒe ），縦軸はアドミッタンスの虚軸（Ｉm ）をそれぞれ示している。例えば、ｎ＝ｙ＝１．５２のガラス基板上にｎ＝ｙ＝２．４０のＴｉＯ2 などを成膜すると、その合成光学アドミッタンスの軌跡は、膜厚の増加に伴ってｙ＝１．５２の点から円弧を描きながら移動する。もし、ＴｉＯ2 の光学的な膜厚がλ／４のときには、合成アドミッタンスの軌跡は実軸上の３．７９の点に帰着する（λ／４法則）。これはガラス基板（透明基板）上にλ／４の膜厚のＴｉＯ2 膜（第１の透明層）を成膜したときの合成アドミッタンスである。つまり、この構造体を上から見ると、あたかもｎ＝３．７９の一体の基板を見ているのと同じようになる。このときの反射率は、空気との界面では次式（３）で求まるので、反射率Ｒ＝３３．９％となる。
【００３４】
Ｒ＝（ｎ−１／ｎ＋１）2 ・・・（３）
【００３５】
次に、この光学多層構造体の上に、更に、ｎ＝ｙ＝１．９４７の膜（第２の透明層）を光学膜厚＝λ／４だけ成膜すると、光学アドミッタンスダイヤグラム上では、３．７９の点から右回りに軌跡が移動する。その合成アドミッタンスは、Ｙ＝１．０となり、実軸上の１．０の点となる。すなわち、これは合成アドミッタンス＝合成屈折率が１．０と同等、つまり空気と同等となるので、その界面では反射がなくなり、所謂Ｖコートの反射防止膜とみなすことができる。これが光学多層構造体１が図２に示した状態のときの反射特性である。
【００３６】
一方、上記ＴｉＯ2 膜（ｎ＝２．４）（第１の透明層）の膜の上に、ｎ＝１（空気）の間隙部を光学膜厚＝λ／４だけ設けた場合には、その合成アドミッタンスは、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、Ｙ2 ＝０．２６３８となる。更に、その間隙部上にｎ＝ｙ＝１．９４７の膜（第２の透明層）が光学膜厚＝λ／４だけ存在すると、その合成アドミッタンスは、Ｙ3 ＝１４．３７となり、実軸上の１４．３７の点となる。そのときの反射率は上記（３）式のｎをＹ3 ＝１４．３７として求まり、このとき反射率Ｒ＝７６％となる。これが光学多層構造体１が図１に示した状態のときの特性である。以上のことから、間隙部１２の空気層を「０」から「λ／４」の光学膜厚まで変化させる（すなわち、図２の状態から図１の状態へと切り換える）と、反射率は「０％」から「７６％」へと変化することがわかる。
【００３７】
ここで、Ｙ1 ＝ｎ1 2／ｎs 、Ｙ3 ’＝ｎ2 2 ／Ｙ1 ＝ｎ2 2・ｎs ／ｎ1 （図５（Ａ）参照）である。このような特性を実現するためには、Ｙ3 ’＝１．０（空気のアドミッタンス）とすれば良いので、ｎ2 2・ｎs ／ｎ1 2＝１．０、つまり、前述の式（２）、すなわち ｎ2 ＝ｎ1 ／√ｎS の関係が成立すればよい。なお、これら屈折率が厳密にこの関係になくても、膜厚等で多少は補完することは可能である。
【００３８】
〔具体例〕
図７（Ａ），（Ｂ）は本実施の形態の光学多層構造体１において、透明基板１０としてガラス基板（ｎS ＝１．５２）、第１の透明層１１としてＴｉＯ2 膜（ｎ1 ＝２．３２）、間隙層１２として空気層（ｎD ＝１．００）、第２の透明層１３としてＢｉ2 Ｏ3 膜（屈折率ｎ2 ＝１．９２）を用いた場合の入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係を表すものである。ここで、図７（Ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／２」（物理的厚さ＝２７５ｎｍ）と「λ／４」（１３７．５ｎｍ）の場合、図７（Ｂ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」と「λ／４」の場合の特性をそれぞれ表している。
【００３９】
図８（Ａ）〜（Ｃ）はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図８（Ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／２」、図８（Ｂ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「λ／４」、図８（Ｃ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」の場合をそれぞれ示している。
【００４０】
図７に示した特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体１では、間隙部（空気層）１２の光学膜厚が「λ／２」の場合には入射光（波長λ）に対して低反射特性、間隙部１２の光学膜厚が「λ／４」の場合には高反射特性、間隙部１２の光学膜厚が０の場合には低反射特性をそれぞれ示すことが分かる。すなわち、間隙部１２の光学膜厚が「λ／４」の奇数倍と、「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で切り替わると、高反射特性と低反射特性とを交互に示すことになる。なお，同じ低反射特性であっても、光学膜厚が「λ／２」の場合には特定波長（５５０ｎｍ）に対してＶコート反射特性を示すが、光学膜厚が「０」となると、Ｖ字特性がなだらかになり、平坦に近くなり反射率０％の帯域が広くなってくる。
【００４１】
このように本実施の形態では、例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、高コントラストな変調を行うことができる。しかも、簡単な構成であり、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」であるため、高速応答が可能になる。従って、この光学多層構造体１を用いることにより、高速な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。
【００４２】
〔第２の実施の形態〕
次に、図９および図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、特定の波長域において反射特性を変化させることのできる構造について説明したが、本実施の形態では、一定の幅をもった（フラットな）広帯域の波長域においてほぼ均一に反射特性を変化させることができるようにしたものである。
【００４３】
本実施の形態の光学多層構造体２は、非金属の透明材料からなる透明基板２０上に、この透明基板２０に接する第１の透明層２１、第２の透明層２２、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部２３、第３の透明層２４および第４の透明層２５をこの順で配設してなるものである。ここで、図９は光学多層構造体２における後述の間隙部２３が存在している状態、図１０は光学多層構造体２の間隙部がないときの状態をそれぞれ示している。
【００４４】
本実施の形態では、透明基板２０の屈折率をｎS 、第１の透明層の屈折率をｎ1 、第２の透明層の屈折率をｎ2 、第３の透明層の屈折率をｎ3 、第４の透明層の屈折率をｎ4 としたとき、以下の式（４）の関係が成立するように設定されている。
【００４５】
ｎS ＜ｎ1 ＜ｎ2 ≒ｎ3 、かつｎ4 ＜ｎ1 ・・・（４）
【００４６】
具体的な材質は、透明基板２０としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第１の透明層２１としてはＡｌ2 Ｏ3 膜（ｎ1 ＝１．６７）、第２の透明層２２としてはＴｉＯ2 膜（ｎ2 ＝２．４）、第３の透明層２４としてはＴｉＯ2 膜（ｎ3 ＝２．４）、第４の透明層２５としてはＭｇＦ2 膜（ｎ4 ＝１．３８）などが挙げられる。第１の透明層２１ないし第４の透明層２５の光学的な膜厚ｎ1 ｄ1 ，ｎ2 ｄ2 ，ｎ3 ｄ3 ，ｎ4 ｄ4 は、「λ／４」、あるいは「λ／４の奇数倍」（λは入射光の波長）である。
【００４７】
第１の透明層２１ないし第４の透明層２５は、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（光学アドミッタンス）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。
【００４８】
間隙部２３は、第１の実施の形態の間隙部１２と同様に、後述の駆動手段によって、その大きさ（第２の透明層２２と第３の透明層２４との間隔）が可変である。間隙部２３を埋める媒体は間隙部１２の場合と同様である。
【００４９】
本実施の形態の光学多層構造体２では、上記（４）式が成立することから、反射特性を広帯域に得られると共に、間隙部２３の大きさを変化させることで、透明基板２０側もしくは透明基板２０と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものであり、より具体的には、第１の実施の形態と同様に、間隙部２３の光学的な大きさを、「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させることで、入射光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させるものである。
【００５０】
図１１は本実施の形態の光学多層構造体２において、透明基板２０としてガラス基板（ｎS ＝１．５２）、第１の透明層２１としてＴｉＯ2 膜およびＭｇＦ2 （フッ化マグネシウム）膜（複合屈折率ｎ1 ＝１．７，複合膜厚λ／４に相当）からなる複合層、第２の透明層２２としてＴｉＯ2 膜（屈折率ｎ2 ＝２．３２）、間隙層２３として空気層、第３の透明層２４としてＴｉＯ2 膜（屈折率ｎ3 ＝２．３２）、第４の透明層２５としてＭｇＦ2 膜（屈折率ｎ4 ＝１．３８）を用いた場合の入射光の波長（設計波長）と反射率との関係を示す特性図である。ここで、図１１は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」（物理的厚さ＝１３７．５ｎｍ）の場合の特性と、間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「０」の場合の特性をそれぞれ示している。
【００５１】
なお、図１２（Ａ），（Ｂ）はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図１２（Ａ）は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「０」、図１２（Ｂ）は間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」の場合をそれぞれ示している。
【００５２】
図１１の特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体２では、間隙部（空気層）２３の光学膜厚が「λ／４」の場合には広い帯域に渡って高反射特性（ほぼ６０％）、間隙部２３の光学膜厚が「０」の場合には広帯域に渡って平坦な低反射特性（ほぼ０％）をそれぞれ示すことが分かる。
【００５３】
〔変形例〕
図１３に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板１０の上に膜厚例えば１００ｎｍ以上の金属膜、アルミニウム（Ａｌ）層１０ａを形成し、第１の透明層１１を膜厚５２．６７ｎｍのＴｉＯ2 膜、第２の透明層１３を、膜厚３２．２９ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ａ、膜厚１１４．７２ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｂ、膜厚５３．０８ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ｃおよび膜厚１９．５３ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｄからなる多層膜により形成したものである。アルミニウム層１０ａが１００ｎｍ以上になると光の透過は殆ど０である。また、透過のないものに反射防止膜を設けるということは、反射が０になり、光のすべてがアルミニウム層１０ａに吸収されることを意味する。更に、アルミニウム自体の特性から、反射防止の特性を崩した際の高反射状態での反射率を少ない層数で１００％近くにすることが設計上容易になる。
【００５４】
図１４は、この光学多層構造体において、間隙部１２を変化させたときのシミュレーションの結果を表すものである。入射光はアルミニウム層１０ａの反対側（最上層のＳｉＯ2 膜１３ｄ側）より入射する。なお、間隙部１２は、最上層から２番目のＳｉＯ2 膜１３ｂのところに置き換えても、同様の特性を得ることができる。図１５はそのときの反射特性を表すものである。このときの設計波長は５５０ｎｍで、各層の膜厚を図中に示した。
【００５５】
図１４および図１５での間隙部１２は屈折率１．０の空気若しくは真空を想定しているが、これを実験的に行うのは多少複雑なプロセスを必要とするので、間隙部の代わりに、低屈折率材料のＳｉＯ2 を用いて実験を行った。このときの膜構成は図１６に示したとおりであり、図１７にそのシミュレーションの結果を、また、実際に成膜したものの測定結果を図１８および図１９にそれぞれ示す。これによりシミュレーションの結果と実際の測定結果とはよく一致していることが分かる。このとき光はガラス基板側より入射される設定となっているので、表面での４％程度の反射が実測値では大きくなっている。それ以外の多少のずれは、成膜中に光学的にモニタリングしながら膜厚をコントロールすることでなくすことができる。
【００５６】
図２０は図１３に示した光学多層構造体において、間隙部１２を３８６ｎｍ、また図２１は同じく１４８５ｎｍにした場合の反射特性をそれぞれ表すものである。図２０および図２１における低反射帯の幅は、図１４の例（間隙部１２は１１０．４６ｎｍ）より狭くなっていることが分かる。すなわち、間隙部１２が大きくなるほど、特に１５００ｎｍ以上では、低反射域の幅が狭くなり、製造時にマージンが低くなり、かなり扱いづらくなる。そのため、間隙部１２の大きさとしては、１５００ｎｍ未満、好ましくは５００ｎｍ以内である。この程度であれば、さほど問題なく作製することができる。
【００５７】
図２２に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板１０の上に直接、第１の透明層１１を膜厚４０．８９ｎｍのＴｉＯ2 膜、第２の透明層１３を膜厚３２．６２ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ａ、膜厚７７．１４ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｂ、膜厚３９．４０ｎｍのＴｉＯ2 膜１３ｃおよび膜厚１６３．１３ｎｍのＳｉＯ2 膜１３ｄからなる多層膜により形成したものである。図２３はそのシミュレーションの結果を表すものである。このときの設計波長は５５０ｎｍとした。図１３の例とは異なり、透明基板１０上に光吸収膜（アルミニウム層）がないため、反射帯域での反射率は低いが、透過光が多層構造に吸収されずに抜けて行くので、構造体自体が熱を持つことを防ぐことができる。
【００５８】
以上の実施の形態では、光学多層構造体の間隙部を一層としたが、複数層、例えば図２４に示したように２層設けるようにしてもよい。すなわち、透明基板１０上に、第１の透明層１１、第１の間隙部１２、第２の透明層１３、第２の間隙部３０、第３の透明層３１をこの順に形成し、第２の透明層１３および第３の透明層３１をそれぞれ例えば窒化シリコンからなる支持体１５，３２により支持したものである。
【００５９】
この光学多層構造体では、中間の第２の透明層１３が上下に変位し、第１の間隙部１２と第２の間隙部３０の一方の間隙が狭くなった分、他方の間隙部が広まることにより反射特性が変化する。
【００６０】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体１，２における間隙部１２，２３の大きさを変化させるための具体的な手段について説明する。
【００６１】
図２５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、透明基板１０の上の第１の透明層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の透明層１３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。
【００６２】
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の光学膜厚を、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の大きさ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。
【００６３】
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２６および図２７に示した方法によってもよい。図２６に示した光学多層構造体１は、透明基板１０の上の第１の透明層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、例えばＳｉＯ2 からなる第２の透明層１３を架橋構造に形成し、この第２の透明層１３の内面に同じくＩＴＯからなる透明導電膜１７ｂを設けたものである。
【００６４】
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。
【００６５】
図２７に示した光学多層構造体では、図２６の光学多層構造体の透明導電膜１７ａの代わりに、第１の透明層１２と透明基板１０との間に例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる導電膜１７ｃを設けたものである。
【００６６】
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２８（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２の透明層１３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を設けると共に透明基板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／２」（図２８（Ａ））と「０」（図２８（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。
【００６７】
〔光スイッチング装置〕
【００６８】
図２９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透明基板１０１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、透明基板１０１の表面の一方向（素子配列方向）に沿って例えばＴｉＯ2 膜１０２が形成されている。ＴｉＯ2 膜１０２上には、例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide: インジウムと錫の酸化物混合膜）膜１０３が形成されている。これらＴｉＯ2 膜１０２およびＩＴＯ膜１０３が第１の実施の形態の第１の透明層に対応するものである。
【００６９】
透明基板１０１上には、ＴｉＯ2 膜１０２およびＩＴＯ膜１０３に対して直交する方向に、複数本のＢｉ2 Ｏ3 膜１０５が配設されている。Ｂｉ2 Ｏ3 膜１０５の外側には透明導電膜としてのＩＴＯ膜１０６が形成されている。これらＩＴＯ膜１０６およびＢｉ2 Ｏ3 膜１０５が第１の実施の形態の第２の透明層に対応するもので、ＩＴＯ膜１０３を跨ぐ位置において架橋構造となっている。第１の透明層および第２の透明層の光学的な膜厚は、例えば「λ／４」（λは入射光の波長（５５０ｎｍ））である。ＩＴＯ膜１０３とＩＴＯ膜１０６との間には、スイッチング動作（オン・オフ）に応じてその大きさが変化する間隙部１０４が設けられている。間隙部１０４の光学膜厚は、入射光の波長（λ＝５５０ｎｍ）に対しては、例えば「λ／４」（１３７．５ｎｍ）と「０」との間で変化するようになっている。
【００７０】
光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄは、透明導電膜（ＩＴＯ膜１０３，１０６）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１０４の光学膜厚を、例えば「λ／４」と「０」との間で切り替える。図２９では、光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃが間隙部１０４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１０４が「λ／４」の状態（すなわち、高反射状態）を示している。なお、透明導電膜（ＩＴＯ膜１０３，１０６）と電圧印加装置（図示せず）とにより、本発明の「駆動手段」を構成している。
【００７１】
この光スイッチング装置１００では、第１の透明層側のＩＴＯ膜１０３を接地して電位を０Ｖとし、第２の透明層側に形成されたＩＴＯ膜１０６に例えば＋１２Ｖの電圧を印加すると、その電位差によりＩＴＯ膜１０３，１０６間に静電引力が発生し、図２９では光スイッチング素子１００Ａ，１００ＣのようにＩＴＯ膜１０３，１０６が密着し、間隙部１０４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、更に透明基板２１を通過して透過光Ｐ2 となる。
【００７２】
次に、第２の透明層側の透明導電膜１０６を接地させ電位を０Ｖにすると、ＩＴＯ膜１０３，１０６間の静電引力がなくなり、図２９では光スイッチング素子１００Ｂ，１００ＤのようにＩＴＯ膜１０３，１０６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。
【００７３】
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、透過光Ｐ2 および反射光Ｐ3 の２方向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大きさを連続的に変化させることにより、入射光Ｐ1 を透過光Ｐ2 から反射光Ｐ3 に連続的に切り替えることも可能である。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
〔画像表示装置〕
図３０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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、光学系を組み立てる際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【００８１】
以上実施の形態および変形例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３１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。
【００８２】
また、上記実施の形態では、透明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３２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。
【００８３】
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。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学多層構造体および光スイッチング素子によれば、間隙部の大きさを変化させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に可視光領域においても、高速応答が可能になる。
【００８５】
また、本発明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次元に配列し、この１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】本発明の第１の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の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】図３の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図５】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「０」の場合の特性を説明するための図である。
【図６】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「λ／４」の場合の特性を説明するための図である。
【図７】図１に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図８】図７の反射特性（光学アドミッタンス）を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の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１０】図９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１１】図９に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１２】図１１の光学多層構造体の反射特性（光学アドミッタンス）を説明するための図である。
【図１３】第１の実施の形態の変形例を説明するための断面図である。
【図１４】図１３の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１５】図１３の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図１６】第１の実施の形態の他の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】図１６の光学多層構造体の反射特性（シミュレーション）を表す図である。
【図１８】図１６の光学多層構造体の反射特性（実測値）を表す図である。
【図１９】図１６の光学多層構造体の反射特性（実測値）を表す図である。
【図２０】図１３に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図２１】図１３に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図２２】第１の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２３】図２２の光学多層構造体の反射特性（シミュレーション）を表す図である。
【図２４】第１の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２５】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２６】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２７】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２８】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２９】光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図３０】ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図３１】ディスプレイの他の例を表す図である。
【図３２】ペーパー状ディスプレイの構成図である。
【符号の説明】
１，２…光学多層構造体、１０…透明基板、１１，２１…第１の透明層、１２，２３…間隙部、１３，２２…第２の透明層、２４…第３の透明層、２５…第４の透明層、１００─光スイッチング装置
Claims (5)
- 透明基板上に、前記透明基板に接する第１の透明層、第２の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第３の透明層および第４の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有する光学多層構造体であって、
前記透明基板をガラス基板、前記第１の透明層をＴｉＯ 2 膜およびＭｇＦ 2 膜からなる複合層、前記第２の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第３の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第４の透明層をＭｇＦ 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第１の透明層、前記第２の透明層、前記第３の透明層および前記第４の透明層の光学的な膜厚を、λ／４あるいはλ／４の奇数倍（λは入射光の波長）とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさを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させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させる
光学多層構造体。 - 前記第１の透明層ないし第４の透明層のうち、少なくとも前記間隙部を挟む２つの透明層それぞれにおいて、一部が透明導電膜よりなり、前記駆動手段は、前記透明導電膜への電圧の印加によって発生した静電力により、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである、請求項１記載の光学多層構造体。
- 前記透明導電膜は、ＩＴＯ，ＳｎＯ2 およびＺｎＯのうちのいずれかにより形成されている、請求項２記載の光学多層構造体。
- 透明基板上に、前記透明基板に接する第１の透明層、第２の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第３の透明層および第４の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有する光スイッチング素子であって、
前記透明基板をガラス基板、前記第１の透明層をＴｉＯ 2 膜およびＭｇＦ 2 膜からなる複合層、前記第２の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第３の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第４の透明層をＭｇＦ 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第１の透明層、前記第２の透明層、前記第３の透明層および前記第４の透明層の光学的な膜厚を、λ／４あるいはλ／４の奇数倍（λは入射光の波長）とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさを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させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させる
光スイッチング素子。 - 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画像表示装置であって、
前記光スイッチング素子は、透明基板上に、前記透明基板に接する第１の透明層、第２の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第３の透明層および第４の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、
前記透明基板をガラス基板、前記第１の透明層をＴｉＯ 2 膜およびＭｇＦ 2 膜からなる複合層、前記第２の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第３の透明層をＴｉＯ 2 膜、前記第４の透明層をＭｇＦ 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第１の透明層、前記第２の透明層、前記第３の透明層および前記第４の透明層の光学的な膜厚を、λ／４あるいはλ／４の奇数倍（λは入射光の波長）とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさを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させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を２値的あるいは連続的に変化させる、画像表示装置。
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