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JP3775155B2 - Optical switching device, optical switching unit, and image display device - Google Patents
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JP3775155B2 - Optical switching device, optical switching unit, and image display device - Google Patents

Optical switching device, optical switching unit, and image display device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データプロジェクタ、ビデオプロジェクタなどの映像投映装置あるいは画像表示装置に適した画像表示デバイスなどに用いられる光スイッチングデバイスおよびそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プロジェクタなどの画像表示装置のライトバルブとして光をオンオフ制御できる画像表示デバイスとしては、液晶を用いたものが知られている。しかしながら、この液晶を用いた画像表示デバイスは、高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため、高速応答を要求されるような高解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンターは、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは難しい。
【0003】
そこで、上記のような用途に対応できる高速動作可能なスイッチングデバイスあるいは画像表示デバイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさらに小さなサブミクロンオーダの微細構造(マイクロストラクチャ)を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意進められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
その1つは、本願出願人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部(光ガイド)の全反射面に対し光学素子の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、光学素子の1波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光スイッチングデバイスである。
【0005】
図1に、エバネセント光によるスイッチングを行う画像表示デバイス(光スイッチングデバイス)を用いた画像表示装置の一例としてプロジェクタ80の概略を示してある。このプロジェクタ80は、白色光源81と、この白色光源81からの光を3原色に分解して画像表示ユニット(光スイッチングユニット)55の導光板(光ガイド)1に入射させる回転色フィルタ82と、各色の光を変調して出射する画像表示ユニット55と、出射された光85を投映する投写用レンズ86とを備えている。そして、各色毎の変調された光85がスクリーン89に投写され、時間的に混色されることにより多諧調のマルチカラーの画像が出力される。プロジェクタ80は、さらに、画像表示ユニット55および回転色フィルタ82を制御してカラー画像を表示する制御回路84を備えている。画像表示ユニット55は、光ガイド1と以下に詳述する画像表示デバイス(光スイッチングデバイス)50とにより構成されており、この制御回路84からカラー画像を表示するためのデータφなどは画像表示デバイス50に供給される。
【0006】
画像表示ユニット55は、光を受光あるいは入射する面1bを備えた台形プリズム状の光ガイド1を備えており、図1に示したプロジェクタ80においては、その光ガイド1の入射面1bに対し投影用の光を供給する光源81および光ガイド1から出射された光を投写するレンズ85などを備えた光を入出力する手段と、光ガイド1に供給された投映用の光を全反射面1aで変調する画像表示デバイス50とを備えている。そして、この画像表示デバイス50により光ガイド1から漏出するエバネセント光を制御して画像が表示される。
【0007】
図2に、エバンセント波(エバネセント光)を利用して光を変調する画像表示デバイス(エバネセント光スイッチングデバイス)50の概要を示してある。画像表示デバイス50は複数の光スイッチング素子(光スイッチング機構)10が2次元に配列されたスイッチングデバイスであり、個々の光スイッチング素子10は、入射した光2を全反射して伝達可能な導光板(光ガイド)1に接近および離反して光を変調可能な光学素子(スイッチング部)3と、この光学素子部3を駆動するアクチュエータ6とを備えている。そして、光学素子3の層およびアクチュエータ6の層がアクチュエータ6を駆動する駆動回路およびデジタル記憶回路(記憶ユニット)が作りこまれた半導体基板20の上に積層され、1つの画像表示デバイスとして集積化されている。
【0008】
図2を参照してエバネセント光を利用した本例の画像表示デバイス50についてさらに詳しく説明しておく。個々の光スイッチング素子10をベースに説明すると、図2の左側に示した光スイッチング素子10aはオン状態であり、右側に示した光スイッチング素子10bがオフ状態である。光学素子3は、光ガイド1の全反射面1aに密着する面(接触面または抽出面)3aと、この面3aが全反射面1aに密着したときに漏れ出たエバネセント波を抽出して内部で導光板1に対しほほ垂直な方向に反射するV字型の反射プリズム(マイクロプリズム)4と、このV字型のプリズム4を支持するサポート構造5とを備えている。
【0009】
図2に示したアクチュエータ6は、光学素子3を静電駆動するタイプであり、そのために、光学素子3のサポート構造5と機械的に連結されて光学素子3と共に動く上電極7と、この上電極7と対峙した位置で半導体基板20に固定された下電極8とを備えている。さらに、上電極7はアンカープレート9から上方に伸びた支柱11により支持されており、上電極7はアンカープレート9を介して半導体基板20の最上面20aに機械的に取付けられている。したがって、上電極7と下電極8に異なる電圧を供給すると上電極7が下方に動き、これに連動して光学素子3が光ガイド1から離れる(第2の位置)。一方、上電極7は弾性部材としての機能を部分的に備えており、上電極7および下電極8に供給されていた電圧が除去されると上電極7が離れ、上電極7の弾性により光学素子3が光ガイド1の全反射面1aに密着する(第1の位置)。
【0010】
図1に示したように、光ガイド1は台形状になっており入射面1bに対し垂直に入射された照明光(入射光)2が全反射面1aで全反射する角度で伝達される。したがって、光ガイド1の内部では全ての界面、すなわち、光学素子3に面した側1aと、上方の面(出射面)において光が繰り返し全反射し、導光板1の内部が光線で満たされる。この状態で巨視的には照明光2は導光板1の内部に閉じ込められ、その中を損失なく伝播している。一方、微視的には、導光板1の全反射している面1aの付近では、導光板1から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、入射光2が一度漏出し、進路を変えて再び導光板1の内部に戻るという現象が起きている。このように面1aから漏出した光を一般にエバネセント波と呼ぶ。このエバネセント波は、全反射面1aに光の波長程度またはそれ以下の距離で光学素子を接近させることにより取り出すことができる。本例の光スイッチング素子10は、この現象を利用して導光板1を伝達する光を高速で変調、すなわち、スイッチング(オンオフ)することを目的としてデザインされている。
【0011】
図2の光スイッチング素子10aでは、光学素子3が導光板1の全反射面1aに圧迫され、抽出面3aが全反射面1aに接近または密着した状態となるので、光学素子3にエバネセント波を抽出することができる。このため、光学素子3のマイクロプリズム4で光2は角度が変えられて出射光2aとなり、図1に示すプロジェクタ80の投映用の光85として利用される。
【0012】
一方、光スイッチング素子10bでは、電極7および8に静電力が作用するので光学素子3が全反射面1aから離れた第2の位置に動かされる。したがって、光学素子3によってエバネセント波は抽出されず、光2は全反射面1aによって反射され光ガイド1の内部から出ない。
【0013】
エバネセント波を用いた光スイッチング素子は単独でも光をスイッチングできる装置として機能するが、図2に示したように、これらを1次元あるいは2次元方向、さらには3次元に並べて配置することができる構成になっている。特に、2次元にマトリクスあるいはアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいはDMDと同様に平面的な画像を表示可能な画像表示デバイス50および画像表示ユニット55を提供することができる。そして、エバネセント光を用いた画像表示デバイス50では、スイッチング部である光学素子3の移動距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶より1桁あるいはそれ以上応答速度の速い光変調装置として利用でき、これを用いた高速動作が可能なプロジェクタ80あるいは直視型の画像表示装置を提供することが可能となる。さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素子10は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ100パーセントオンオフすることが可能であり、非常にコントラストの高い画像を表現することができる。このため、時間的な分解能を高くすることが容易であり、高コントラストの画像表示装置を提供できる。
【0014】
さらに、この光スイッチングデバイス50では、駆動回路などが作りこまれた半導体集積基板20にアレイ状に配置されたアクチュエータ6および光学素子3が積層された構成の画像表示デバイス50を1チップで提供することが可能である。すなわち、半導体基板20の上にアクチュエータ6および光学素子3といったマイクロストラクチャが構築されたマイクロマシンあるいは集積化デバイスである画像表示デバイス50と光ガイド1とを組み立てることにより画像表示ユニット55を供給でき、これを組み込むことにより動作速度が速く高解像で、さらに、高コントラストの画像を表示できるプロジェクタを提供できる。
【0015】
エバネセント光を用いたスイッチングデバイスを構成するためのアクチュエータ6は、図2の上下1対の電極を備えたものに限定されず、図3に示すように、上電極7および下電極8に加え、これらの間で動く中間電極(可動電極)51を設け、この中間電極51に連動して光学素子3が駆動されるようにすることも可能である。この画像表示デバイス50は、アクチュエータ6の構成が複雑になるが低電圧で駆動できるというメリットを備えている。さらに、電極対を使用した静電アクチュエータの代わりに、ピエゾ素子などの他の電気信号により駆動力を供給可能な機構を用いてアクチュエータを構成することも可能でありアクチュエータとしてはいくつかのものが考えられている。したがって、以下、本明細書では、簡単のため上下電極の静電駆動タイプのアクチュエータに基づき説明するが、アクチュエータの構成はこれに限定されるものではない。
【0016】
このように、エバネセント光を用いた光スイッチングデバイスは高速駆動が可能であり、さらに、半導体基板上にマイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子をアレイ状に配置した構成となる。したがって、非常にコンパクトで高分解能および高コントラストの画像表示用のデバイスあるいはユニットとして提供できる。しかしながら、入射した光を全反射面に対し適当な角度でロスが少ない状態で導く必要があり、それらの要求に基づき光ガイドの形状およびサイズが決められる。したがって、半導体チップとなる画像表示デバイス50に対し、光ガイド1が大きなものになる。たとえば、スイッチングデバイス50が接する全反射面1aで複数回反射させると、光学素子で抽出された光が後方の光スイッチング素子に届かない。したがって、スイッチングデバイス50が接する全面積に対し入射光が直に、あるいは全反射面1aでは反射しない状態で光が入射されるように入射面1bを設定する必要がある。このため、光ガイド1としてはスイッチングデバイス50となる半導体チップに対し十分な厚みのある台形プリズムなどの多面体のプリズムが適している。また、光源81から光を受け、さらに、投写用レンズ86に投写用の光を出射する光学系を形成する部材としては、組み立ておよび調整がしやすい適当な大きさのプリズムが望ましい。
【0017】
したがって、画像表示デバイス50に対し光ガイド1は比較的大きなものになり、これらを組み合わせる際にいくつかの解決すべき問題が生ずる。まず、エバネセント光を用いた画像表示ユニットにおいては、スイッチング部となる光学素子3を光ガイド1の全反射面1aに密着させる必要がある。その一方で、光ガイドに密着するように画像表示デバイスを組み立てると、画像表示デバイスに用意される接続用の電極に配線するスペースが確保できない。すなわち、光スイッチング素子がアレイ状に配列された画像表示デバイスにおいては、各々のアクチュエータを駆動するために行ドライバあるいは列ドライバが内蔵されるが、それらのドライバに対し画像を表示するための複数の信号を供給する必要があるが、そのためにボンディングするスペースを確保できない。
【0018】
また、画像表示デバイスは、半導体基板上にアクチュエータおよび光学素子が積層された状態であり、光学素子などを保護するためにはチップ化された後に早期に光ガイドを積層することが望ましい。しかしながら、チップを大きなプリズムの所定の場所にすぐに実装することは難しく、できたとしても保管あるいは流通上の問題がある。さらに、アクチュエータあるいはスイッチング素子である光学素子のスペースは減圧することが望ましいが、そのためには画像表示デバイスであるチップに対し大型のプリズムを接着しないといけないというのは取り扱いが不便である。
【0019】
そこで、本発明においては、マイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子が基板上に積層された、エバネセント光を使用するスイッチングデバイスにおいて、これらの実装上の問題を解決することができるスイッチングデバイスおよびそれを用いた画像表示ユニットおよび画像表示装置を提供することを目的としている。
【0020】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、基板上にマイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子が積層されたデバイス上に、大型のプリズムを直に実装するのではなく、接続用のプリズムを挟むことにより、上記の実装上の問題を解決するようにしている。すなわち、本発明のエバネセント光を使用した光スイッチングユニットは、基板と、この基板上に配置された少なくとも1つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子と、入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドとを有し、この全反射面に対し、アクチュエータにより光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングユニットであって、さらに、光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面を備えた本体に対し基板の方向に突き出た形状を構成し、光学素子に面した全反射面を備えた接続体を有することを特徴としている。
【0021】
光ガイドに、本体に加え、この本体から突き出た形状となる接続体を設けることにより、本体と基板との間にワイヤボンディングなどに用いる実装用のスペースを確保することが可能となる。さらに、接続体を後で本体と接合する構成とすることにより、接合体までが基板、アクチュエータおよび光学素子に組み合わされた状態の光スイッチングデバイスを提供することが可能となる。すなわち、本発明においては、基板と、この基板上に配置された少なくとも1つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子とを有し、入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドの全反射面に対し、アクチュエータにより前記光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングデバイスであって、光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面を備えた本体に対し前記基板の方向に突き出た形状を構成し、光学素子に面した全反射面を備えた接続体を有する光スイッチングデバイスを提供することができる。接続体は、入射面を設ける必要がないので光ガイドの本体と比較し薄くコンパクトにすることが可能である。したがって、基板、アクチュエータおよび光学素子に接続体を組み合わせた状態の光スイッチングデバイスはコンパクトで薄いものなり、さらに、接続体を組み合わせた状態になればアクチュエータおよび光学素子が接続体により保護されるので製品としてハンドリングしやすくなる。
【0022】
また、接続体および基板に加え、アクチュエータおよび光学素子を囲む側壁を設けることによりアクチュエータおよび光学素子の配置された空間を封止することが可能となり、本体を含まないデバイスの状態で減圧処理ができる。また、デバイスの状態で出荷したり、本体は装置に固定した状態でデバイスだけ交換することも可能となるなど、取り扱いがフレキシブルになる。
【0023】
このような本体から突き出た形状の接続体を設けると、接続体の側面が全反射面にならないので、この面から入射光が漏れ出して光の利用効率が減少する。また、漏れ出した光が迷光となりコントラストを低下する原因となる。したがって、接続体の側面に反射膜を形成しておくことが望ましい。また、アクチュエータおよび光学素子を取り囲むように封止用の側壁を設けた場合、接続体の光学素子に面した側のうち、側壁と接続する領域も全反射面とならないので光が漏れ出す。したがって、この領域にも反射膜を形成することにより光の利用効率が向上し、迷光となることを防止できる。
【0024】
この側壁の高さは、基板と全反射面との空間がアクチュエータにより光学素子を全反射面に圧迫するための変位を確保するよう決められる。このため、反射膜を形成した場合は、その膜厚を考慮して側壁の厚みを設定する必要がある。
【0025】
また、側壁の反射膜と接する面に低融点金属膜を形成しておくと、ガラスなどに比べ硬度が低い反射膜と金属膜とが融合あるいは接触するので気密が確保しやすくなる。したがって、基板、側壁および接続体により構成された空間が減圧封止されている光スイッチングデバイスおよび光スイッチングユニットを容易に提供することができる。
【0026】
さらに、接続体を設けることによりボンディングスペースが確保されるので、基板の裏側などに接続用の電極を配置する必要がなくなり、側壁の外側にアクチュエータに駆動信号を供給するための電極を配置することができる。したがって、基板の配線を簡素化することができ、低コストの光スイッチングデバイスあるいはユニットを提供できる。
【0027】
さらに、アクチュエータおよび光学素子の組み合わせによる光スイッチング素子が単独で配置されたデバイスあるいはユニットにおいても本発明を適用することができるが、アクチュエータおよび光学素子がアレイ状に配置されている光スイッチングデバイスあるいはユニットにも本発明を適用することができる。そして、これらの光スイッチング素子がアレイ状に配置されたデバイスあるいはユニットは画像表示デバイス、光コンピュータ用のデバイス、光プリンタ用のデバイスなどとして用いることができる実装の容易な光スイッチングデバイスあるいは光スイッチングユニットを提供できる。したがって、光スイッチングユニットと、この光スイッチングユニットの本体に対し表示用の光を入出力する手段を有する画像表示装置を提供できる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに説明する。図4に、本発明に係るエバンセント波(エバネセント光)を利用して光を変調する画像表示ユニット(エバネセント光スイッチングユニット)55の概要を示してある。このスイッチングユニット55は、先に図2および図3に基づき説明した光スイッチングユニット55とほぼ同様の構成でエバネセント光を抽出可能なアクチュエータ6および光学素子3の組み合わせからなる光スイッチング素子10が2次元に配列されており、アクチュエータ6、スイッチング部である光学素子3および光スイッチング素子10の詳しい説明は省略する。
【0029】
本例の光スイッチングユニット55は、入射光2を伝達するための光ガイド1がほぼ台形の本体60と、この本体60から基板20の方向に延びた、あるいは突き出た接続体61から構成されている。本体(以降においては台形プリズム)60を入射光2が入射される面1bと、接続体61が接続される面1cと、この面1cと平行な出射面1dとを備えている。また、入射面1bと対峙する面1eには反射膜62が形成されており、この面1eから入射光2が外部に漏れでないようになっている。また、接続体61と接触する面1cおよび出射面1dは、入射光2に対しては全反射面となっており、これらの面からも入射光2がでることはなく、入射光2はすべて接続体61に導かれる。
【0030】
接続体61は、台形プリズム60と屈折率が同じ光学材料からなるほぼ板状のプリズムであり、上面61aが台形プリズム60との接触面となり、上面61aと平行な下面61bが入射光2を全反射して伝達する全反射面1aとなっている。この全反射面1aに面して光スイッチング素子10を構成する光学素子3がアレイ状に配列されており、アクチュエータ6により駆動される。したがって、全反射面1aから光学素子3に抽出されたエバネセント光は、光学素子3により反射されて出射光2aとなり、接続体61および台形プリズム60を介して台形プリズム60の出射面1dから外部に放出される。
【0031】
このように、本例の光スイッチングユニット55においては、光ガイド1が台形プリズム60と接続体61により構成されているので、接続体61を台形プリズム60から分離して基板20と共に光学素子3およびアクチュエータ6が配列された空間をはさみこむようなデバイスとして提供することができる。図5に、その状態の光スイッチングデバイス50を示してある。この光スイッチングデバイス50においては、半導体基板20の上に構築されたアクチュエータ6および光学素子3からなるマイクロ構造体が、接続体61により封止された状態、すなわち、接続体61が封止用のプリズムとなっており、安定している。したがって、この状態で保存あるいは流通することができる。さらに、基板20および接続体(以降においては封止プリズム)61を適当なモールド樹脂などによってパッケージングすることが可能であり、さらに安定した状態で保存および流通することができる。
【0032】
本例の光スイッチングユニット55およびデバイス50においては、さらに、半導体基板20が封止プリズム61の外側に広がっており、封止プリズム61の外側に位置する半導体基板の表面20aの領域にボンディング用のパッド71が配置されている。本例の光スイッチングユニット55においては、封止プリズム61により台形プリズム60と半導体基板20との間に、封止プリズム61の厚みに相当する適当なスペースを確保することができる。したがって、ボンディングパッド71の上方に配線用の空間が設定され、簡単にボンディングワイヤ72を接続し、外部の基板などに配線することができる。
【0033】
したがって、封止プリズム61の厚みは、配線用のスペースを確保できる程度に設定することが望ましい。しかしながら、封止プリズム61に厚みがあると、図4に破線91で示したように、封止プリズム61の側面61cから入射光2が漏れ出す。そこで、本例の光スイッチングデバイス50においては、封止プリズム61の側面61cに反射膜63を形成し、光が漏れ出すのを防止している。本例の封止プリズム61は、全反射面1aに対し側面61cが垂直方向に延びた角柱あるいは円柱になっている。このため、側面の反射膜63で反射された光は、全反射面1aに対する角度が変わることはなく、全反射面1aに面して配置された光学素子3あるいは光スイッチング素子10により変調可能な光となる。
【0034】
さらに、本例の光スイッチングデバイス(画像表示デバイス)50においては、図6に拡大して示すように光学素子3およびアクチュエータ6が配列された領域を囲うように側壁75が形成されている。このため、アクチュエータ6および光学素子3が配列された空間29は、側壁75と、基板20と、封止プリズム61により遮蔽あるいは封止されて状態となる。したがって、側壁75の一部に孔を開けて空間29の内部を減圧することが可能であり、その状態で密閉するとアクチュエータ6および光学素子3が動く空間29を減圧した状態に保持できる。減圧すると光学素子3が駆動されるときの空気抵抗を抑制できるので、動作速度がさらに速くなり、それともにアクチュエータ6の負荷が小さくなるので消費電力も低減できる。
【0035】
また、減圧する処理を考えた場合、本例の光スイッチングユニット55においては、基板20を封止プリズム61で覆い、光ガイド1の本体60とは分離できる形態となっている。したがって、減圧するときに真空チャンバーなどに入れるのも容易であり、ハンドリングしやすい。そして、封止プリズム61により気密性が保持されるので、そのままの状態で保管および流通することができる。
【0036】
このような側壁75を設けた場合、封止プリズム61の全反射面1aと側壁75とが接続する領域は全反射する面にならず、図4に破線92あるいは93で示すように、光が漏れ出したり、乱反射する。したがって、側壁75を取り付けた領域が乱反射した光あるいは迷光によって薄明るくなり、本例の光スイッチングユニット55で画像を表示したときにコントラストが低下する要因となる。
【0037】
このため、本例の光スイッチングデバイス50においては、図6に拡大して示すように、全反射面1aのうち、側壁75と接触する周囲の領域61dに、側面61cと同様に反射膜64を形成してある。したがって、側壁75から漏れ出したり、乱反射したりする光がなくなるので、光の利用効率を高くでき、同時にコントラストの高い画像を表示できる。これらの反射膜63および64は、アルミニウムなどの金属を蒸着あるいはスパッタリングして成形することができる。また、屈折力の異なる薄膜を複数枚重ねて成膜することにより、適当な反射率の膜をつくることも可能である。
【0038】
側壁75で基板20と封止プリズム61との間の空間29を密閉する場合、側壁75の上下の境界のシールが問題になる。側壁75は、半導体基板20の表面20aに、光学素子3と同様に、あるいは同時に、樹脂を型成形することにより構成できる。したがって、基板20との境界領域の密閉度は非常に高い。これに対し、封止プリズム61と接触する面は、反射膜64との接合されるので、密閉度を上げることが難しい。このため、本例においては、さらに、側壁75の上面に金合金、半田めっきなど低融点金属あるいは軟金属膜76を成膜し、封止プリズム61を積層した後に、電圧、熱あるいは超音波によって反射膜64と金属層76が融合あるいは密着するようにしている。したがって、本例の光スイッチングデバイス50は、光学素子3およびアクチュエータ6が動く領域あるいは空間29を容易に密閉でき、シール性も十分に高くできる。このため、内部を減圧した状態で保持することができ、長期間にわたり安定した駆動性能を発揮する光スイッチングデバイス(画像表示デバイス)50および光スイッチングユニット55を提供できる。
【0039】
さらに、側壁75は、図6に示すように半導体基板20の表面20aと封止プリズム61の全反射面1aとの距離hを規定する機能も備えている。この距離hは、全反射面1aから漏れ出すエバネセント光を抽出しない位置へアクチュエータ6により光学素子3が移動できる距離である。それと共に、アクチュエータ6により光学素子3が全反射面1aに密着させることができる距離である必要がある。光学素子3の抽出面3aを全反射面1aに安定した状態で密着させるには、抽出面3aが全反射面1aを加圧するように光学素子3を駆動することが望ましい。本例の静電型のアクチュエータ6においては、可動電極である上電極7を弾性体としてみたときにその弾性力が光学素子3などの重量に対し平衡となる距離に対し基板の表面20aと全反射面1aとの距離hを小さくすることにより所定の変位を保持している。したがって、上電極7の弾性力に光学素子3が全反射面1aに圧迫され、密着性が良く、エバネセント光の抽出効率も高くなっている。このため、全反射面1aに反射膜64を設け、さらに、側壁75に金属膜76を設ける場合は、これらの膜厚を考慮し、側壁75の高さを上電極7の変位が保持できるような高さに設計する必要があり、本例の光スイッチングデバイス50もそのように設計されている。
【0040】
以上に説明したように、本例の光スイッチングデバイス50は、基板20、アクチュエータ6の層、スイッチング部となる光学素子3の層に加え、光ガイド1の本体60に対し接続体となる封止プリズム61が積層されている。したがって、基板20の上に構成されたアクチュエータ6および光学素子3のマイクロマシンの層が封止プリズム61でカバーされた状態となるので、この状態で保管あるいは流通することができる。また、半導体基板20に容易された接続電極にワイヤーボンディングすることも可能であり、実装し易い。
【0041】
特に、アクチュエータ6および光学素子3の外側を側壁75で囲うことにより、アクチュエータ6および光学素子3の動く空拳29を減圧封止することが可能となり、光スイッチングデバイス50の性能を向上できる。また、封止プリズム61を接続した状態で減圧密閉し、その状態で出荷および流通できるので、製品の性能が安定し光スイッチングデバイスの歩留まりを向上でき、コストを下げることができる。さらに、側壁75の外側の領域に接続用のボンディングパット71を配置して配線できるので、配線するときにアクチュエータあるいは光学素子に影響を与えることを未然に防止できる。したがって、本発明に係る光スイッチングデバイスおよび光スイッチグユニットを用いて、図1に基づき説明したような画像表示装置を構成すると、実装が容易なのでコストをさらに低減することができ、また、光の利用効率が高くコントラストも高くできるので画質のよい画像表示装置を提供できる。また、メンテナンスにおいても、装置内部の光学系を構成する台形プリズム60はそのままにしておき、画像表示デバイスとなる光スイッチングデバイス55だけを交換可能なシステムとすることも可能となる。
【0042】
封止プリズム61を光ガイド1の本体60から分離して後で接続できるようにする代わりに、光ガイド1を接続体61の部分が延びたものにして光学素子3の層に積層しても良く、この形態でもボンディングするのに十分なスペースを確保することができる。しかしながら、入射面を備えた台形プリズムが一体となった状態で保管および流通されることになり、また、減圧するときは、台形プリズムも含めて減圧チェンバに入れる必要がある。したがって、流通あるいは保管する単位が大きくなる、取り扱いは、上記の、封止プリズム61を備えたデバイスと比較すると難しくなる。
【0043】
なお、上記の例では、光ガイド1の本体60として台形プリズムを用いた例を説明しているが、入射光の方向との関係で台形プリズムに限定されることはない。全反射面1aに対し、入射光を全反射可能な角度で導くことができれば良く、たとえば、半導体基板と同じ側から光が入射できるように平行四辺形のプリズムを光ガイドの本体として採用することも可能である。
【0044】
また、接続体を構成する封止プリズムとして平板状の光学部材を採用しているが、上面を三角プリズム状などにして光ガイドの本体と多面体で組み合わされるものであってもよい。しかしながら、本例の封止プリズムであれば、平面同士の接続でよいのに対し、2つ以上の面で接合する必要があるので、さらに精度の高い光学部材が必要となる。その一方で、接合部の強度は上昇するので、光スイッチングユニットとしての強度も上げることができる。
【0045】
さらに、本例ではスイッチング部として光学素子部を備えた光スイッチングデバイスを例に説明しているが、アクチュエータも、本例の電極対を採用し静電力を利用したものに限らず、ピエゾ素子あるいはその他の圧電素子などを用いて光学素子を駆動するタイプであっても良い。
【0046】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光スイッチングユニットは、光ガイドの全反射面から漏れ出すエバネセント光をスイッチングすることにより画像などを出力することができるユニットであり、入射光線を導く光ガイドの形状を、スイッチングデバイスの側に延びた接続体を備えた形状にすることにより、光スイッチングデバイスをボンディングし易いものにしている。さらに、接続体を光ガイドの本体と分離して製造し、後で接合するようにすると、組み立て、保管および流通に便利なコンパクトであり、アクチュエータおよび光学素子といったマイクロストラクチャがカバーによって保護されたデバイスを実現できる。
【0047】
さらに、側壁を設けることにより、接続体と基板との間のアクチュエータおよび光学素子が配置された空間を密閉し減圧できる。そして、接続体の側面に反射膜を成膜したり、側壁と当たる面にも反射膜を成膜したりすることにより、接続体から光が漏れ出すのを防止できる。このため、製造、保管、実装および流通過程でハンドリングしやすい形態で、駆動性能が良く、さらにコントラストの高い画像を表示することができる画像表示あるいはその他の光スイッチングの分野で利用できる光スイッチングデバイス、光スイッチングユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エバネセント光を利用した画像表示デバイスを用いたプロジェクタの概要示す図である。
【図2】エバネセント光を利用した画像表示デバイス(光スイッチングデバイス)の概要を示す図である。
【図3】エバネセント光を利用した光スイッチングデバイスの異なる例を示す図である。
【図4】本発明に係る光スイッチングユニットの概要を示す図である。
【図5】図4の光スイッチングユニットに用いられる光スイッチングデバイスの概要を示す図である。
【図6】図5に示す光スイッチングデバイスの周辺の部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
1 導光板(光ガイド)
2 照明(入射)光
2a 出射光
3 光学素子
4 マイクロプリズム
5 V型のサポート構造
6 アクチュエータ
7 上電極およびばね構造
8 下電極
9 アンカー
10 光スイッチング素子
11 ポスト(支柱)
20 半導体基板
29 アクチュエータおよび光学素子が配置された空間
50 画像表示デバイス
55 画像表示ユニット
60 光ガイドの本体(台形プリズム)
61 光ガイドの接続体(封止プリズム)
62、63、64 反射膜
71 ボンディングパット(接続用の電極)
72 ボンディングワイヤ
75 側壁
76 シール用の金属膜
80 プロジェクタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switching device used for a video projection apparatus such as a data projector or a video projector or an image display device suitable for an image display apparatus, and an image display apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
As an image display device capable of controlling on / off of light as a light valve of an image display device such as a projector, a device using liquid crystal is known. However, the image display device using this liquid crystal has poor high-speed response characteristics and operates only at a response speed of about several milliseconds. For this reason, devices that display high-resolution images that require high-speed response, optical recording devices such as optical communication, optical computation, hologram memory, and optical printers are realized by switching devices that use liquid crystals. Is difficult.
[0003]
Accordingly, there is a need for a switching device or an image display device capable of high-speed operation that can be used for the above-described applications, and eagerly develops a switching device having a micro structure on the micron order or a smaller submicron order. It is being advanced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
One is to extract the evanescent light by bringing the extraction surface of the optical element into contact with the total reflection surface of the light guide (light guide), which is filed by the applicant of the present application and capable of transmitting light by total reflection. It is an optical switching device that can modulate and control light at high speed by a minute movement of an optical element of about one wavelength or less.
[0005]
FIG. 1 shows an outline of a projector 80 as an example of an image display device using an image display device (optical switching device) that performs switching by evanescent light. The projector 80 includes a white light source 81, a rotary color filter 82 that splits the light from the white light source 81 into three primary colors and makes the light incident on the light guide plate (light guide) 1 of the image display unit (light switching unit) 55, An image display unit 55 that modulates and emits light of each color and a projection lens 86 that projects the emitted light 85 are provided. Then, the modulated light 85 for each color is projected onto the screen 89 and mixed with time to output a multi-tone multicolor image. The projector 80 further includes a control circuit 84 that controls the image display unit 55 and the rotating color filter 82 to display a color image. The image display unit 55 includes a light guide 1 and an image display device (light switching device) 50 described in detail below. Data φ for displaying a color image from the control circuit 84 is an image display device. 50.
[0006]
The image display unit 55 includes a trapezoidal prism-shaped light guide 1 having a surface 1b for receiving or entering light. In the projector 80 shown in FIG. 1, the light is projected onto the incident surface 1b of the light guide 1. Means for inputting / outputting light including a light source 81 for supplying light for light and a lens 85 for projecting light emitted from the light guide 1, and the projection light supplied to the light guide 1 for total reflection surface 1a. And an image display device 50 that modulates the image. The image display device 50 controls the evanescent light leaking from the light guide 1 to display an image.
[0007]
FIG. 2 shows an outline of an image display device (evanescent light switching device) 50 that modulates light using evanescent waves (evanescent light). The image display device 50 is a switching device in which a plurality of optical switching elements (optical switching mechanisms) 10 are two-dimensionally arranged. Each of the optical switching elements 10 is a light guide plate capable of transmitting incident light 2 by total reflection. An optical element (switching unit) 3 capable of modulating light by approaching and moving away from the (light guide) 1 and an actuator 6 for driving the optical element unit 3 are provided. Then, the layer of the optical element 3 and the layer of the actuator 6 are stacked on the semiconductor substrate 20 on which the drive circuit for driving the actuator 6 and the digital storage circuit (storage unit) are built, and are integrated as one image display device. Has been.
[0008]
The image display device 50 of this example using evanescent light will be described in more detail with reference to FIG. Describing based on the individual optical switching elements 10, the optical switching element 10a shown on the left side of FIG. 2 is in the on state, and the optical switching element 10b shown on the right side is in the off state. The optical element 3 extracts a surface (contact surface or extraction surface) 3a that is in close contact with the total reflection surface 1a of the light guide 1 and an evanescent wave that leaks when the surface 3a is in close contact with the total reflection surface 1a. Are provided with a V-shaped reflecting prism (microprism) 4 that reflects in a direction substantially perpendicular to the light guide plate 1 and a support structure 5 that supports the V-shaped prism 4.
[0009]
The actuator 6 shown in FIG. 2 is of a type that electrostatically drives the optical element 3. For this purpose, an upper electrode 7 that is mechanically connected to the support structure 5 of the optical element 3 and moves together with the optical element 3, A lower electrode 8 fixed to the semiconductor substrate 20 at a position facing the electrode 7 is provided. Further, the upper electrode 7 is supported by a support column 11 extending upward from the anchor plate 9, and the upper electrode 7 is mechanically attached to the uppermost surface 20 a of the semiconductor substrate 20 via the anchor plate 9. Therefore, when different voltages are supplied to the upper electrode 7 and the lower electrode 8, the upper electrode 7 moves downward, and the optical element 3 moves away from the light guide 1 in conjunction with this (second position). On the other hand, the upper electrode 7 partially has a function as an elastic member. When the voltage supplied to the upper electrode 7 and the lower electrode 8 is removed, the upper electrode 7 is separated, and the elasticity of the upper electrode 7 makes the optical The element 3 is in close contact with the total reflection surface 1a of the light guide 1 (first position).
[0010]
As shown in FIG. 1, the light guide 1 has a trapezoidal shape, and illumination light (incident light) 2 incident perpendicularly to the incident surface 1b is transmitted at an angle at which it is totally reflected by the total reflection surface 1a. Therefore, light is repeatedly totally reflected at all the interfaces inside the light guide 1, that is, the side 1 a facing the optical element 3 and the upper surface (outgoing surface), and the light guide plate 1 is filled with light. In this state, the illumination light 2 is macroscopically confined inside the light guide plate 1 and propagates through it without loss. On the other hand, microscopically, in the vicinity of the totally reflecting surface 1a of the light guide plate 1, the incident light 2 once leaks from the light guide plate 1 by a very small distance of the wavelength of light, and the course is changed. The phenomenon of returning to the inside of the light guide plate 1 again occurs. The light leaking from the surface 1a is generally called an evanescent wave. This evanescent wave can be extracted by bringing the optical element closer to the total reflection surface 1a at a distance of about the wavelength of light or less. The optical switching element 10 of this example is designed for the purpose of modulating, that is, switching (on / off) the light transmitted through the light guide plate 1 at high speed using this phenomenon.
[0011]
In the optical switching element 10a of FIG. 2, the optical element 3 is pressed against the total reflection surface 1a of the light guide plate 1, and the extraction surface 3a approaches or comes into close contact with the total reflection surface 1a. Can be extracted. For this reason, the angle of the light 2 is changed by the microprism 4 of the optical element 3 to become the outgoing light 2a, which is used as the projection light 85 of the projector 80 shown in FIG.
[0012]
On the other hand, in the optical switching element 10b, since the electrostatic force acts on the electrodes 7 and 8, the optical element 3 is moved to the second position away from the total reflection surface 1a. Therefore, no evanescent wave is extracted by the optical element 3, and the light 2 is reflected by the total reflection surface 1 a and does not exit from the inside of the light guide 1.
[0013]
An optical switching element using an evanescent wave functions as a device capable of switching light alone, but as shown in FIG. 2, a configuration in which these can be arranged side by side in a one-dimensional or two-dimensional direction, or even in a three-dimensional manner. It has become. In particular, it is possible to provide an image display device 50 and an image display unit 55 that can display a two-dimensional image in the same manner as a liquid crystal or DMD by arranging them in a two-dimensional matrix or array. In the image display device 50 using evanescent light, the moving distance of the optical element 3 serving as a switching unit is on the order of submicrons, so that it can be used as a light modulation device having a response speed one digit or more faster than that of liquid crystal. It is possible to provide a projector 80 or a direct-view type image display device capable of high-speed operation using the. Furthermore, the optical switching element 10 using evanescent light can turn on and off light almost 100% with submicron order motion, and can express a very high contrast image. For this reason, it is easy to increase the temporal resolution, and a high-contrast image display apparatus can be provided.
[0014]
Further, in this optical switching device 50, the image display device 50 having a configuration in which the actuators 6 and the optical elements 3 arranged in an array are stacked on the semiconductor integrated substrate 20 on which a drive circuit and the like are built is provided in one chip. It is possible. That is, the image display unit 55 can be supplied by assembling the image display device 50 and the light guide 1 which are a micromachine or an integrated device in which a microstructure such as the actuator 6 and the optical element 3 is constructed on the semiconductor substrate 20. By incorporating the projector, it is possible to provide a projector capable of displaying a high-contrast image with high operation speed and high resolution.
[0015]
The actuator 6 for configuring a switching device using evanescent light is not limited to the one having the upper and lower electrodes in FIG. 2, but in addition to the upper electrode 7 and the lower electrode 8, as shown in FIG. It is also possible to provide an intermediate electrode (movable electrode) 51 that moves between them, and to drive the optical element 3 in conjunction with the intermediate electrode 51. The image display device 50 has an advantage that it can be driven at a low voltage although the configuration of the actuator 6 is complicated. Furthermore, instead of electrostatic actuators using electrode pairs, it is also possible to configure actuators using mechanisms that can supply driving force by other electrical signals such as piezo elements, and there are several types of actuators It is considered. Therefore, in the following description, for the sake of simplicity, description will be made based on an electrostatic drive type actuator having upper and lower electrodes, but the configuration of the actuator is not limited to this.
[0016]
Thus, the optical switching device using evanescent light can be driven at high speed, and further has a configuration in which microactuators and microoptical elements are arranged in an array on a semiconductor substrate. Therefore, it can be provided as a device or unit for displaying an image with a very compact, high resolution and high contrast. However, it is necessary to guide the incident light at a suitable angle with respect to the total reflection surface with a small loss, and the shape and size of the light guide are determined based on these requirements. Therefore, the light guide 1 is larger than the image display device 50 that is a semiconductor chip. For example, when the light is reflected a plurality of times by the total reflection surface 1a with which the switching device 50 is in contact, the light extracted by the optical element does not reach the rear optical switching element. Therefore, it is necessary to set the incident surface 1b so that the incident light is incident on the entire area with which the switching device 50 is in contact, or light is not reflected by the total reflection surface 1a. For this reason, as the light guide 1, a polyhedral prism such as a trapezoidal prism having a sufficient thickness with respect to the semiconductor chip serving as the switching device 50 is suitable. Further, as a member that forms an optical system that receives light from the light source 81 and emits projection light to the projection lens 86, a prism having an appropriate size that is easy to assemble and adjust is desirable.
[0017]
Therefore, the light guide 1 becomes relatively large with respect to the image display device 50, and some problems to be solved arise when combining them. First, in an image display unit using evanescent light, the optical element 3 serving as a switching unit needs to be in close contact with the total reflection surface 1 a of the light guide 1. On the other hand, when the image display device is assembled so as to be in close contact with the light guide, a space for wiring to the connection electrode prepared in the image display device cannot be secured. That is, in an image display device in which optical switching elements are arranged in an array, a row driver or a column driver is built in to drive each actuator. Although it is necessary to supply a signal, it is not possible to secure a bonding space.
[0018]
The image display device is in a state where an actuator and an optical element are stacked on a semiconductor substrate. In order to protect the optical element and the like, it is desirable to stack a light guide at an early stage after being formed into a chip. However, it is difficult to immediately mount the chip at a predetermined position of the large prism, and there is a problem in storage or distribution even if it is possible. Furthermore, it is desirable to reduce the space of the optical element that is an actuator or a switching element. For this purpose, it is inconvenient to handle that a large prism must be bonded to a chip that is an image display device.
[0019]
Therefore, in the present invention, in a switching device using evanescent light in which a microactuator and a micro optical element are stacked on a substrate, the switching device that can solve these mounting problems and an image using the switching device An object of the present invention is to provide a display unit and an image display device.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, a large prism is not directly mounted on a device in which a microactuator and a micro optical element are laminated on a substrate. To solve the problem. That is, the optical switching unit using evanescent light of the present invention transmits incident light to a substrate, at least one driving actuator disposed on the substrate, an optical element driven by the actuator. A light guide having a total reflection surface, wherein the optical element is driven by the actuator to a position where the optical element extracts evanescent light and a position where the evanescent light is not extracted. Among them, it is characterized in that it has a shape that protrudes in the direction of the substrate with respect to the main body having a surface that can receive light from an external light source, and has a connection body that has a total reflection surface facing the optical element. .
[0021]
By providing the light guide with a connection body that protrudes from the main body in addition to the main body, a mounting space used for wire bonding or the like can be secured between the main body and the substrate. Furthermore, it becomes possible to provide an optical switching device in which the connection body is joined to the main body later until the joint body is combined with the substrate, the actuator, and the optical element. In other words, the present invention includes a substrate, at least one driving actuator disposed on the substrate, and an optical element driven by the actuator, and includes a total reflection surface that transmits incident light. An optical switching device in which the optical element is driven by the actuator to a position where the evanescent light is extracted and a position where the evanescent light is not extracted by the actuator with respect to the total reflection surface of the light guide. It is possible to provide an optical switching device having a connection body including a total reflection surface facing an optical element, which has a shape protruding in the direction of the substrate with respect to a main body having a smooth surface. Since it is not necessary to provide an incident surface, the connection body can be made thinner and more compact than the light guide body. Therefore, the optical switching device in which the connection body is combined with the substrate, the actuator, and the optical element is compact and thin. Further, if the connection body is combined, the actuator and the optical element are protected by the connection body. As it becomes easier to handle.
[0022]
In addition to the connection body and the substrate, by providing a side wall that surrounds the actuator and the optical element, it is possible to seal the space in which the actuator and the optical element are arranged, and the decompression process can be performed in a device state that does not include the main body. . Also, handling becomes flexible, such as shipping in the state of the device, or replacing the device with the main body fixed to the apparatus.
[0023]
When a connection body having a shape protruding from such a main body is provided, the side surface of the connection body does not become a total reflection surface, so that incident light leaks from this surface and light utilization efficiency decreases. Further, the leaked light becomes stray light and causes a decrease in contrast. Therefore, it is desirable to form a reflective film on the side surface of the connection body. Further, when a sealing side wall is provided so as to surround the actuator and the optical element, light leaks because a region connected to the side wall of the connection body facing the optical element is not a total reflection surface. Therefore, by forming a reflective film also in this region, light utilization efficiency can be improved and stray light can be prevented.
[0024]
The height of the side wall is determined so that the space between the substrate and the total reflection surface secures a displacement for pressing the optical element against the total reflection surface by the actuator. For this reason, when the reflective film is formed, it is necessary to set the thickness of the side wall in consideration of the film thickness.
[0025]
In addition, if a low melting point metal film is formed on the surface of the side wall that is in contact with the reflective film, the reflective film having a lower hardness than glass or the like is fused or brought into contact with the metal film, so that airtightness can be easily ensured. Therefore, it is possible to easily provide an optical switching device and an optical switching unit in which a space constituted by the substrate, the side wall, and the connection body is sealed under reduced pressure.
[0026]
Further, since a bonding space is secured by providing a connection body, it is not necessary to arrange a connection electrode on the back side of the substrate, and an electrode for supplying a drive signal to the actuator is disposed outside the side wall. Can do. Therefore, the wiring of the substrate can be simplified, and a low-cost optical switching device or unit can be provided.
[0027]
Furthermore, the present invention can also be applied to a device or unit in which an optical switching element based on a combination of an actuator and an optical element is arranged alone, but the optical switching device or unit in which the actuator and the optical element are arranged in an array. The present invention can also be applied to. A device or unit in which these optical switching elements are arranged in an array can be used as an image display device, a device for an optical computer, a device for an optical printer, or the like. Can provide. Therefore, it is possible to provide an image display device having an optical switching unit and means for inputting / outputting display light to / from the main body of the optical switching unit.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be further described below with reference to the drawings. FIG. 4 shows an outline of an image display unit (evanescent light switching unit) 55 that modulates light using an evanescent wave (evanescent light) according to the present invention. The switching unit 55 has a two-dimensional optical switching element 10 composed of a combination of the actuator 6 and the optical element 3 capable of extracting evanescent light with substantially the same configuration as the optical switching unit 55 described above with reference to FIGS. The detailed description of the actuator 6, the optical element 3 which is a switching unit, and the optical switching element 10 is omitted.
[0029]
The optical switching unit 55 of this example is composed of a substantially trapezoidal main body 60 and a connecting body 61 that extends or protrudes from the main body 60 toward the substrate 20 in order to transmit incident light 2. Yes. A main body (hereinafter referred to as a trapezoidal prism) 60 includes a surface 1b on which incident light 2 is incident, a surface 1c to which a connection body 61 is connected, and an exit surface 1d parallel to the surface 1c. Further, a reflection film 62 is formed on the surface 1e facing the incident surface 1b, and the incident light 2 is not leaked to the outside from the surface 1e. Further, the surface 1c and the exit surface 1d in contact with the connection body 61 are total reflection surfaces with respect to the incident light 2, and the incident light 2 is not emitted from these surfaces. Guided to the connection body 61.
[0030]
The connection body 61 is a substantially plate-like prism made of an optical material having the same refractive index as that of the trapezoidal prism 60. The upper surface 61a serves as a contact surface with the trapezoidal prism 60, and the lower surface 61b parallel to the upper surface 61a It is the total reflection surface 1a which reflects and transmits. The optical elements 3 constituting the optical switching element 10 facing the total reflection surface 1 a are arranged in an array and are driven by the actuator 6. Therefore, the evanescent light extracted from the total reflection surface 1 a to the optical element 3 is reflected by the optical element 3 to become outgoing light 2 a, and passes through the connecting body 61 and the trapezoidal prism 60 to the outside from the outgoing surface 1 d of the trapezoidal prism 60. Released.
[0031]
As described above, in the optical switching unit 55 of this example, the light guide 1 is constituted by the trapezoidal prism 60 and the connecting body 61, so that the connecting body 61 is separated from the trapezoidal prism 60 and the optical element 3 and the substrate 20 are separated. It can be provided as a device that sandwiches the space in which the actuators 6 are arranged. FIG. 5 shows the optical switching device 50 in this state. In this optical switching device 50, the microstructure comprising the actuator 6 and the optical element 3 constructed on the semiconductor substrate 20 is sealed by the connecting body 61, that is, the connecting body 61 is used for sealing. It is a prism and is stable. Therefore, it can be stored or distributed in this state. Furthermore, it is possible to package the substrate 20 and the connecting body (hereinafter referred to as a sealing prism) 61 with an appropriate molding resin or the like, and it can be stored and distributed in a more stable state.
[0032]
In the optical switching unit 55 and the device 50 of this example, the semiconductor substrate 20 further spreads outside the sealing prism 61, and bonding region is formed in the region of the surface 20 a of the semiconductor substrate located outside the sealing prism 61. A pad 71 is disposed. In the optical switching unit 55 of this example, a suitable space corresponding to the thickness of the sealing prism 61 can be secured between the trapezoidal prism 60 and the semiconductor substrate 20 by the sealing prism 61. Therefore, a space for wiring is set above the bonding pad 71, and the bonding wire 72 can be easily connected and wired to an external substrate or the like.
[0033]
Therefore, it is desirable to set the thickness of the sealing prism 61 to such an extent that a space for wiring can be secured. However, if the sealing prism 61 is thick, the incident light 2 leaks from the side surface 61c of the sealing prism 61 as indicated by a broken line 91 in FIG. Therefore, in the optical switching device 50 of this example, the reflection film 63 is formed on the side surface 61c of the sealing prism 61 to prevent light from leaking out. The sealing prism 61 of this example is a prism or cylinder whose side surface 61c extends in the vertical direction with respect to the total reflection surface 1a. For this reason, the light reflected by the reflective film 63 on the side surface does not change the angle with respect to the total reflection surface 1a, and can be modulated by the optical element 3 or the optical switching element 10 disposed facing the total reflection surface 1a. Become light.
[0034]
Furthermore, in the optical switching device (image display device) 50 of this example, a side wall 75 is formed so as to surround a region where the optical element 3 and the actuator 6 are arranged as shown in an enlarged view in FIG. Therefore, the space 29 in which the actuator 6 and the optical element 3 are arranged is shielded or sealed by the side wall 75, the substrate 20, and the sealing prism 61. Therefore, it is possible to make a hole in a part of the side wall 75 to reduce the pressure inside the space 29. If the inside of the space 29 is sealed, the space 29 in which the actuator 6 and the optical element 3 move can be held in a reduced pressure state. When the pressure is reduced, the air resistance when the optical element 3 is driven can be suppressed, so that the operation speed can be further increased, and the load on the actuator 6 can be reduced.
[0035]
In consideration of the process of reducing the pressure, in the optical switching unit 55 of this example, the substrate 20 is covered with the sealing prism 61 and can be separated from the main body 60 of the light guide 1. Therefore, it is easy to put in a vacuum chamber or the like when decompressing, and it is easy to handle. Since the sealing prism 61 maintains airtightness, it can be stored and distributed as it is.
[0036]
When such a side wall 75 is provided, the region where the total reflection surface 1a of the sealing prism 61 and the side wall 75 are connected to each other is not a total reflection surface. As shown by a broken line 92 or 93 in FIG. Leakage or irregular reflection. Therefore, the region to which the side wall 75 is attached becomes light and bright due to irregularly reflected light or stray light, which causes a decrease in contrast when an image is displayed by the optical switching unit 55 of this example.
[0037]
For this reason, in the optical switching device 50 of this example, as shown in an enlarged view in FIG. 6, the reflective film 64 is provided in the surrounding region 61d in contact with the side wall 75 in the total reflection surface 1a in the same manner as the side surface 61c. It is formed. Accordingly, there is no light leaking from the side wall 75 or irregular reflection, so that the light use efficiency can be increased and an image with high contrast can be displayed at the same time. These reflective films 63 and 64 can be formed by vapor deposition or sputtering of a metal such as aluminum. It is also possible to form a film having an appropriate reflectivity by stacking a plurality of thin films having different refractive powers.
[0038]
When the space 29 between the substrate 20 and the sealing prism 61 is sealed with the side wall 75, sealing at the upper and lower boundaries of the side wall 75 becomes a problem. The side wall 75 can be formed by molding a resin on the surface 20a of the semiconductor substrate 20 in the same manner as the optical element 3 or simultaneously. Therefore, the sealing degree of the boundary region with the substrate 20 is very high. On the other hand, since the surface in contact with the sealing prism 61 is joined to the reflective film 64, it is difficult to increase the sealing degree. For this reason, in this example, a low melting point metal or soft metal film 76 such as a gold alloy or solder plating is formed on the upper surface of the side wall 75, and the sealing prism 61 is laminated. The reflective film 64 and the metal layer 76 are fused or adhered. Therefore, the optical switching device 50 of this example can easily seal the region or space 29 in which the optical element 3 and the actuator 6 move, and can also have a sufficiently high sealing performance. For this reason, the optical switching device (image display device) 50 and the optical switching unit 55 which can hold | maintain in the state which pressure-reduced the inside and exhibit the stable drive performance over a long period of time can be provided.
[0039]
Furthermore, the side wall 75 has a function of defining a distance h between the surface 20a of the semiconductor substrate 20 and the total reflection surface 1a of the sealing prism 61 as shown in FIG. This distance h is a distance by which the optical element 3 can be moved by the actuator 6 to a position where the evanescent light leaking from the total reflection surface 1a is not extracted. At the same time, the distance must be such that the optical element 3 can be brought into close contact with the total reflection surface 1a by the actuator 6. In order to bring the extraction surface 3a of the optical element 3 into close contact with the total reflection surface 1a in a stable state, it is desirable to drive the optical element 3 so that the extraction surface 3a presses the total reflection surface 1a. In the electrostatic actuator 6 of this example, when the upper electrode 7 which is a movable electrode is viewed as an elastic body, the entire surface 20a of the substrate and the entire surface thereof are balanced with respect to a distance where the elastic force is balanced with respect to the weight of the optical element 3 and the like. A predetermined displacement is maintained by reducing the distance h from the reflecting surface 1a. Therefore, the optical element 3 is pressed against the total reflection surface 1a by the elastic force of the upper electrode 7, the adhesion is good, and the evanescent light extraction efficiency is high. For this reason, when the reflective film 64 is provided on the total reflection surface 1a and the metal film 76 is provided on the side wall 75, the height of the side wall 75 can be held by the displacement of the upper electrode 7 in consideration of these film thicknesses. The optical switching device 50 of this example is also designed as such.
[0040]
As described above, the optical switching device 50 of this example includes the substrate 20, the layer of the actuator 6, the layer of the optical element 3 serving as a switching unit, and the sealing that serves as a connection body with respect to the main body 60 of the light guide 1. A prism 61 is stacked. Therefore, since the micromachine layer of the actuator 6 and the optical element 3 formed on the substrate 20 is covered with the sealing prism 61, it can be stored or distributed in this state. Moreover, it is possible to wire-bond to the connection electrode facilitated on the semiconductor substrate 20, and it is easy to mount.
[0041]
In particular, by enclosing the outside of the actuator 6 and the optical element 3 with the side wall 75, the empty fist 29 in which the actuator 6 and the optical element 3 move can be sealed under reduced pressure, and the performance of the optical switching device 50 can be improved. In addition, since the sealing prism 61 is connected and sealed under reduced pressure and can be shipped and distributed in that state, the performance of the product is stabilized, the yield of the optical switching device can be improved, and the cost can be reduced. Further, since the bonding pad 71 for connection can be arranged and wired in the region outside the side wall 75, it is possible to prevent the actuator or the optical element from being affected when wiring. Therefore, when the image display device as described with reference to FIG. 1 is configured using the optical switching device and the optical switching unit according to the present invention, the mounting can be easily performed, so that the cost can be further reduced. Since the utilization efficiency is high and the contrast can be increased, an image display device with good image quality can be provided. In the maintenance, the trapezoidal prism 60 constituting the optical system inside the apparatus is left as it is, and only the optical switching device 55 serving as an image display device can be replaced.
[0042]
Instead of separating the sealing prism 61 from the main body 60 of the light guide 1 so that it can be connected later, the light guide 1 can be laminated on the layer of the optical element 3 with the connecting portion 61 extended. In this configuration, a sufficient space can be secured for bonding. However, the trapezoidal prism having the incident surface is stored and distributed in an integrated state, and when the pressure is reduced, it is necessary to put the trapezoidal prism including the trapezoidal prism into the decompression chamber. Accordingly, the unit to be distributed or stored becomes large, and handling becomes difficult as compared with the device including the sealing prism 61 described above.
[0043]
In the above example, a trapezoidal prism is used as the main body 60 of the light guide 1. However, the trapezoidal prism is not limited in relation to the direction of incident light. It is only necessary to be able to guide incident light to the total reflection surface 1a at an angle that allows total reflection. For example, a parallelogram prism is adopted as the main body of the light guide so that light can be incident from the same side as the semiconductor substrate. Is also possible.
[0044]
Further, although a flat optical member is employed as the sealing prism constituting the connection body, the upper surface may be a triangular prism or the like, and the light guide body and polyhedron may be combined. However, in the case of the sealing prism of this example, the planes may be connected to each other. However, since it is necessary to join two or more surfaces, an optical member with higher accuracy is required. On the other hand, since the strength of the joint portion increases, the strength as the optical switching unit can also be increased.
[0045]
Furthermore, in this example, an optical switching device including an optical element unit as a switching unit is described as an example. However, the actuator is not limited to the one using the electrode pair of this example and using an electrostatic force. A type in which an optical element is driven using another piezoelectric element or the like may be used.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, the light switching unit of the present invention is a unit that can output an image or the like by switching the evanescent light leaking from the total reflection surface of the light guide. By making the shape into a shape including a connection body extending toward the switching device, the optical switching device can be easily bonded. Furthermore, when the connection body is manufactured separately from the main body of the light guide and joined later, it is a compact device convenient for assembly, storage and distribution, and the micro structure such as the actuator and the optical element is protected by the cover. Can be realized.
[0047]
Furthermore, by providing the side wall, the space where the actuator and the optical element between the connection body and the substrate are arranged can be sealed and depressurized. And it can prevent that light leaks from a connection body by forming a reflection film in the side surface of a connection body, or forming a reflection film also in the surface which contacts a side wall. Therefore, an optical switching device that can be used in the field of optical switching or other optical switching, which can display an image with high driving performance and high contrast in a form that is easy to handle in the manufacturing, storage, mounting and distribution processes, An optical switching unit can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a projector using an image display device using evanescent light.
FIG. 2 is a diagram showing an outline of an image display device (optical switching device) using evanescent light.
FIG. 3 is a diagram showing a different example of an optical switching device using evanescent light.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of an optical switching unit according to the present invention.
5 is a diagram showing an outline of an optical switching device used in the optical switching unit of FIG. 4;
6 is an enlarged view of a peripheral portion of the optical switching device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Light guide plate (light guide)
2 Illumination (incident) light
2a Outgoing light
3 Optical elements
4 Microprism
5 V type support structure
6 Actuator
7 Upper electrode and spring structure
8 Lower electrode
9 Anchor
10 Optical switching element
11 Post (support)
20 Semiconductor substrate
29 Space where actuator and optical element are arranged
50 Image display devices
55 Image display unit
60 Light guide body (trapezoidal prism)
61 Light guide connector (sealing prism)
62, 63, 64 Reflective film
71 Bonding pads (connection electrodes)
72 Bonding wire
75 side walls
76 Metal film for sealing
80 projector

Claims (6)

基板と、この基板上に配置された少なくとも1つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子とを有し、
入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドの前記全反射面に対し、前記アクチュエータにより前記光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングデバイスであって、
前記光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面と前記全反射面に対し平行な出射面とを備えた本体に対し前記基板の方向に突き出た形状を構成し、前記光学素子に面した前記全反射面を備え、前記基板より小さい接続体と、
前記アクチュエータおよび光学素子を取り囲むように配置された側壁と、
前記基板と、
により減圧封止されている光スイッチングデバイス。
A substrate, at least one driving actuator disposed on the substrate, and an optical element driven by the actuator;
An optical switching device in which the optical element is driven to a position where the optical element extracts evanescent light and a position where the evanescent light is not extracted by the actuator, with respect to the total reflection surface of the light guide including a total reflection surface that transmits incident light,
Of the light guide, a shape that protrudes in the direction of the substrate with respect to a main body having a surface that can receive light from an external light source and an exit surface that is parallel to the total reflection surface is formed on the optical element. The total reflection surface facing, a connection body smaller than the substrate;
Sidewalls arranged to surround the actuator and the optical element;
The substrate;
An optical switching device that is sealed under reduced pressure.
請求項1において、前記接続体の側面および光学素子に面した側の前記側壁と接続する領域に反射膜が形成されており、
前記側壁の前記反射膜と接する面には低融点金属膜が形成されており、
前記側壁の高さは、前記アクチュエータにより前記光学素子を前記全反射面に圧迫するための変位を確保するように、前記反射膜の膜圧を考慮して設定されている光スイッチングデバイス。
In claim 1, a reflective film is formed in a region connected to the side surface of the connecting body and the side wall facing the optical element,
A low melting point metal film is formed on a surface of the side wall that is in contact with the reflective film,
The height of the said side wall is an optical switching device which considered the film | membrane pressure of the said reflecting film so that the displacement for pressing the said optical element to the said total reflection surface with the said actuator may be ensured.
請求項1または請求項2のいずれかにおいて、前記基板のうち前記側壁の外側に前記アクチュエータに駆動信号を供給するための電極が配置されている光スイッチングデバイス。  3. The optical switching device according to claim 1, wherein an electrode for supplying a drive signal to the actuator is disposed outside the side wall of the substrate. 請求項1ないし3のいずれかにおいて、前記アクチュエータおよび光学素子がアレイ状に配置されている光スイッチングデバイス。  4. The optical switching device according to claim 1, wherein the actuator and the optical element are arranged in an array. 請求項1ないし4のいずれかに記載の光スイッチングデバイスと、前記光ガイドとで構成される光スイッチングユニット。  An optical switching unit comprising the optical switching device according to claim 1 and the light guide. 請求項5に記載の光スイッチングユニットと、この光スイッチングユニットの本体に対し表示用の光を入出力する手段を有する画像表示装置。  6. An image display device comprising: the optical switching unit according to claim 5; and means for inputting and outputting display light to and from the main body of the optical switching unit.
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