反射型光変調装置
【課題】光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ高い反射率を実現できる誘電体多層膜を備える反射型光変調装置を提供する。
【解決手段】反射型液晶装置（反射型光変調装置）１は、光Ｌを透過する導電性材料を含む透明導電膜２２と、透明導電膜２２に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極１６と、複数の画素電極１６と透明導電膜２２との間に配置され、各画素電極１６及び透明導電膜２２により形成される電界に応じて光Ｌを変調する液晶層２０と、複数の画素電極１６上に形成された誘電体多層膜１８とを備える。誘電体多層膜１８は、画素電極１６に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含む。
【解決手段】反射型液晶装置（反射型光変調装置）１は、光Ｌを透過する導電性材料を含む透明導電膜２２と、透明導電膜２２に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極１６と、複数の画素電極１６と透明導電膜２２との間に配置され、各画素電極１６及び透明導電膜２２により形成される電界に応じて光Ｌを変調する液晶層２０と、複数の画素電極１６上に形成された誘電体多層膜１８とを備える。誘電体多層膜１８は、画素電極１６に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型光変調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反射型光変調装置として、反射型液晶（ＬＣｏＳ（登録商標）：Liquid crystal on silicon）装置が知られている。反射型液晶装置は、二次元配列された複数の画素電極と、導電性光透過層と、複数の画素電極及び導電性光透過層の間に配置された液晶層（光変調層）とを備えており、導電性光透過層を介して入射した光を反射しつつ、任意の画素電極と導電性光透過層との間に電界を形成して液晶層に変調作用を生じさせ、所望の光像を得るものである。そして、光の反射率を高めて更に高輝度の光像を得るために、液晶層と複数の画素電極との間には誘電体多層膜が設けられる。
【０００３】
例えば非特許文献１，２には、反射型液晶構造を備える液晶ライトバルブ（ＬＣＬＶ：Liquid Crystal Light Valve）が開示されている。非特許文献１に記載された誘電体多層膜は、λ／４（λ：入射光の波長）の光学膜厚を有する複数のＳｉ層及びＳｉＯ２層が交互に積層されて成る。また、非特許文献２に記載された誘電体多層膜は、λ／４の光学膜厚を有する複数のＴｉＯ２層及びＳｉＯ２層が交互に積層されて成る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】U.Efron et al., “Siliconliquid crystal light valves: status and issues”, Optical Engineering, November,December 1983, Vol.22, No.6, pp.682-686 (1983)
【非特許文献２】A.Jacobson et al., “Areal-time optical data processing device”, Information Display, Vol.12,September 1975, PP.17-22 (1975)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らの知見によれば、従来の反射型液晶装置において誘電体多層膜はガラス基板等の表面に積層されたものが用いられている。そして、その積層数を多くすることにより、９９％超といった高い反射率を得ている。例えば、ガラス基板上の誘電体多層膜において反射率９９％以上を得るためには、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２で１３層、ＨｆＯ２／ＳｉＯ２で１９層を必要とし、反射率９９．８％以上を得るためには、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２で１７層、ＨｆＯ２／ＳｉＯ２で２５層を必要とする。
【０００６】
しかしながら、誘電体多層膜は液晶層と画素電極との間に配置されるので、画素電極と導電性光透過層との間に形成された電界は液晶層だけでなく誘電体多層膜にも印加される。誘電体多層膜の積層数が多くなると、誘電体多層膜の厚さ（物理膜厚）が増し、誘電体多層膜に印加される電界の割合が大きくなってしまうので、液晶層への電界印加効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ高い反射率を実現できる誘電体多層膜を備える反射型光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含むことを特徴とする。
【０００９】
先に述べたように、従来の一般的な反射型光変調装置においては、ガラス基板上に形成された誘電体多層膜を利用している。これに対し、本発明による反射型光変調装置においては、誘電体多層膜が金属製の複数の画素電極上に形成されている。これにより、金属表面の高い反射率を利用することができる。また、本発明者らは、金属表面に誘電体多層膜を形成する場合、低屈折率層（第１の層）をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることを見出した。従って、上記した反射型光変調装置によれば、誘電体多層膜の物理膜厚を従来より薄くして光変調層への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
【００１０】
また、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、所定波長の光に対して高い反射率を好適に実現できる。
【００１１】
また、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、第１の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、第１の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、斜め方向から誘電体多層膜に入射した光に対しても高い反射率を好適に実現できる。
【００１２】
また、反射型光変調装置は、誘電体多層膜が、第１の層を含む複数の低屈折率層と、第２の層を含み複数の低屈折率層より屈折率が高い複数の高屈折率層とが交互に積層されて成り、複数の低屈折率層の層数と複数の高屈折率層の層数との和が１０層以下であることを特徴としてもよい。先に述べたように、一般的な反射型光変調装置における誘電体多層膜の積層数は１３層以上を必要とする。これに対し、上記した反射型光変調装置によれば、１０層以下といった少ない積層数でも十分に高い反射率を実現できるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
【００１３】
また、反射型光変調装置は、第１の層がＳｉＯ２を含み、第２の層がＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２のうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。これにより、第１の層、及び第１の層より屈折率が高い第２の層を含む誘電体多層膜を好適に構成できる。
【００１４】
また、反射型光変調装置は、第１の層が、画素電極に接する下層と、下層と第２の層とに挟まれた上層とを有し、上層がＳｉＯ２を含み、下層がＳｉＯ２及びＭｇＦ２のうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。画素電極の表面には保護膜としてＳｉＯ２膜或いはＭｇＦ２膜が形成されている場合があり、この保護膜を第１の層の一部（下層）として利用してもよい。このような構成であっても、上記した反射型光変調装置による効果を好適に得ることができる。
【００１５】
また、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第３の層と、第３の層より屈折率が低く第３の層に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含み、第３の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／２）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴とする。
【００１６】
このように、高屈折率層（第３の層）が金属表面に形成されている場合であっても、この第３の層の光学膜厚をλ／２×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、第３の層上に低屈折率層（第１の層）から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に前述した反射型光変調装置と同様の反射特性を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による反射型光変調装置によれば、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した反射型液晶装置のII−II線に沿った側面断面図である。
【図３】誘電体多層膜の構成を拡大して示す側面断面図である。
【図４】誘電体多層膜の変形例の構成を示す側面断面図である。
【図５】（ａ）アルミニウム基板に接する第１の層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）アルミニウム基板に接する第１の層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図６】アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。
【図７】図５（ａ）に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を２層、４層、６層、及び１０層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図８】図５（ａ）に示した形態において、積層数を４層、６層、１０層、及び１４層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図９】図５（ｂ）に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を３層、５層、７層、及び９層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１０】図５（ｂ）に示した形態において、積層数を５層、９層、１５層、及び２１層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１１】アルミニウム基板の表面にＳｉＯ２膜が様々な光学膜厚ｎｄ（５０［ｎｍ］、１５０［ｎｍ］、及び２５０［ｎｍ］）で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。
【図１２】（ａ）保護膜に接する層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）保護膜に接する層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図１３】保護膜の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、図１２（ａ）で示した形態で６層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１４】保護膜の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、図１２（ｂ）で示した形態で５層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１５】図１２（ａ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を５０［ｎｍ］とし、その上層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１６】図１２（ｂ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１７】図１２（ａ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とし、その上層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が４００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１８】図１２（ｂ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１９】（ａ）保護膜（ＭｇＦ２）に接する層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）保護膜に接する層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図２０】誘電体多層膜に対して斜め方向から光Ｌが入射する様子を示す図である。
【図２１】Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合を示している。
【図２２】Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合を示している。
【図２３】Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。
【図２４】Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（Ｎｂ２Ｏ５、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。
【図２５】アルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。
【図２６】実線は、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフであり、アルミニウムミラーと接する第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合を示している。破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。
【図２７】実線は、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフであり、アルミニウムミラーと接する第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合を示している。破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による反射型光変調装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（実施の形態）
図１は、本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示した反射型液晶装置のII−II線に沿った側面断面図である。なお、図１及び図２には、説明を容易にする為にＸＹＺ直交座標系が示されている。本実施形態の反射型液晶装置１は、図１に示すように互いに直交する２軸（Ｘ軸およびＹ軸）に沿って二次元配列された複数の画素４を備えている。反射型液晶装置１は、前方（Ｚ軸正方向）より入射した光を反射しつつ、各画素４毎に入射光を変調して任意の光像を前方へ出力する装置である。
【００２１】
図２を参照すると、反射型液晶装置１は、シリコン基板１２、駆動回路層１４、複数の画素電極１６、誘電体多層膜１８、液晶層２０、透明導電膜２２、及び透明基板２４を備えている。
【００２２】
透明基板２４は、ＸＹ平面に沿った表面２４ａを有しており、該表面２４ａは反射型液晶装置１の表面１０ａを構成している。透明基板２４は、例えばガラスなどの光透過性材料を主に含んでおり、反射型液晶装置１の表面１０ａから入射した所定波長の光Ｌを、反射型液晶装置１の内部へ透過する。また、透明導電膜２２は、本実施形態における導電性光透過層である。透明導電膜２２は、透明基板２４の裏面２４ｂ上に形成されており、光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。
【００２３】
複数の画素電極１６は、図１に示した複数の画素４の配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜２２に沿ってシリコン基板１２上に配列されている。各画素電極１６は、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面１６ａは平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極１６は、駆動回路層１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極１６とシリコン基板１２との間に設けられ、反射型液晶装置１から出力しようとする光像に応じて各画素電極１６への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えばＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２のドライバ回路とを有しており、双方のドライバ回路によって指定された画素４の画素電極１６に所定電圧が印加されるしくみになっている。
【００２４】
液晶層２０は、本実施形態における光変調層である。液晶層２０は、複数の画素電極１６と透明導電膜２２との間に配置されており、各画素電極１６と透明導電膜２２とにより形成される電界に応じて光Ｌを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極１６に電圧が印加されると、透明導電膜２２と該画素電極１６との間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜１８及び液晶層２０のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層２０に印加された電界の大きさに応じて液晶分子２０ａの配列方向が変化する。光Ｌが透明基板２４及び透明導電膜２２を透過して液晶層２０に入射すると、この光Ｌは液晶層２０を通過する間に液晶分子２０ａによって変調され、誘電体多層膜１８において反射した後、再び液晶層２０により変調されてから取り出される。
【００２５】
誘電体多層膜１８は、複数の画素電極１６と液晶層２０との間に配置されている。特に、本実施形態の誘電体多層膜１８は、複数の画素電極１６の表面１６ａ上に直接形成されている。誘電体多層膜１８は、画素電極１６の表面１６ａが有する光反射作用と協働して、光Ｌを例えば９９％超といった高い反射率で反射する。ここで、図３は、誘電体多層膜１８の構成を拡大して示す側面断面図である。図３に示すように、誘電体多層膜１８は、画素電極１６に接する層１８ａ（第１の層）を含む複数の低屈折率層１８ａ〜１８ｄと、低屈折率層１８ａより屈折率が高く低屈折率層１８ａに接する層１８ｅ（第２の層）を含む複数の高屈折率層１８ｅ〜１８ｈとを含んで構成されている。低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈは、画素電極１６上において交互に積層されている。低屈折率層１８ａ〜１８ｄの構成材料としては例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２が例示され、特にＳｉＯ２が主に含まれることが好ましい。また、高屈折率層１８ｅ〜１８ｈの構成材料としては例えばＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などが例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれることが好ましい。なお、本実施形態では誘電体多層膜１８の積層数が８層（低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈが各４層）の場合を示しているが、誘電体多層膜１８の積層数は２層以上（すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各１層以上）、１０層以下（すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各５層以下）であることが好ましい。また、誘電体多層膜の積層数は偶数に限定されることなく、奇数であってもよい。この場合、誘電体多層膜１８のうち最も液晶層２０側に位置する誘電体膜は、低屈折率層となる。以下の実施形態においても、誘電体多層膜１８の積層数は偶数又は奇数であるを問わないが、最も液晶層２０側に位置する誘電体膜は、高屈折率層とするのが好ましい。
【００２６】
また、低屈折率層１８ａの光学膜厚（＝ｎ×ｄ、ｎは低屈折率層１８ａの屈折率、ｄは低屈折率層１８ａの物理膜厚）は、光Ｌの波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層１８ａの光学膜厚は、（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。また、誘電体多層膜１８に対して光Ｌが斜め方向から入射する場合には、低屈折率層１８ａの光学膜厚は、低屈折率層１８ａの内部における光Ｌの入射角（すなわち、低屈折率層１８ａ中を光Ｌが進む方向と層厚方向との相対角度）をθとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層１８ａの光学膜厚は（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。なお、低屈折率層１８ａの光学膜厚の好ましい値については、後述する実施例において詳細に述べる。
【００２７】
以上に説明した本実施形態による反射型液晶装置１は、次の効果を有する。反射型液晶装置１においては、誘電体多層膜１８が金属製の複数の画素電極１６上に形成されているので、金属表面の高い反射率を利用して光Ｌに対する反射率を高めることができる。また、後述する実施例において示すように、金属表面に誘電体多層膜１８を形成する場合、低屈折率層（第１の層）１８ａをまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）１８ｅをその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られる。従って、本実施形態の反射型液晶装置１によれば、誘電体多層膜１８の物理膜厚を従来より薄くして液晶層２０への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
【００２８】
（変形例）
図４は、上記実施形態の変形例として、誘電体多層膜２８の構成を示す側面断面図である。上記実施形態に係る反射型液晶装置１は、図３に示した誘電体多層膜１８に代えて、図４に示す誘電体多層膜２８を備えても良い。
【００２９】
図４を参照すると、誘電体多層膜２８は、画素電極１６に接する層２８ａ（第１の層）を含む複数の低屈折率層２８ａ〜２８ｄと、低屈折率層２８ａより屈折率が高く低屈折率層２８ａに接する層２８ｅ（第２の層）を含む複数の高屈折率層２８ｅ〜２８ｈとが交互に積層されて成る。なお、低屈折率層２８ａを除く低屈折率層２８ｂ〜２８ｄ、及び高屈折率層２８ｅ〜２８ｈの各構成材料は、図３に示した低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈと同様である。
【００３０】
本変形例の低屈折率層２８ａは、画素電極１６に接する下層２８１と、下層２８１と高屈折率層２８ｅとに挟まれた上層２８２とを有している。下層２８１及び上層２８２は同一の材料により構成されていてもよく、異なる材料により構成されていてもよい。下層２８１の構成材料としては例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２が例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれる。上層２８２の構成材料は図３に示した低屈折率層１８ａ〜１８ｄと同様であり、特にＳｉＯ２が主に含まれることが好ましい。
【００３１】
本変形例の誘電体多層膜２８のような構成は、例えば画素電極１６の表面１６ａ上に絶縁性の保護膜が形成されている場合に適用されるとよい。すなわち、アルミニウムなどの金属からなる部品（本実施例では画素電極１６）の表面には、保護膜が施されている場合がある。このような保護膜は、殆どの場合において、低屈折率物質であるＳｉＯ２またはＭｇＦ２からなる。従って、誘電体多層膜２８を製造する際にこのような保護膜を画素電極１６の表面１６ａに残して下層２８１とし、その上にＳｉＯ２等の低屈折率物質を成膜して上層２８２とすることにより、本変形例に係る低屈折率層２８ａを好適に得ることができる。このように、画素電極１６の表面１６ａに形成された保護膜を低屈折率層２８ａの一部（下層２８１）として利用してもよい。このような構成であっても、上記実施形態の反射型液晶装置１と同等の効果を好適に得ることができる。
【００３２】
なお、本変形例においても、誘電体多層膜２８の積層数は、低屈折率層２８ａを一層と数えて２層以上１０層以下であることが好ましい。また、低屈折率層２８ａの光学膜厚（すなわち下層２８１の光学膜厚と上層２８２の光学膜厚との和）は、光Ｌの波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内に設定されることが好ましく、（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。誘電体多層膜２８に対して光Ｌが斜め方向から入射する場合、低屈折率層２８ａの光学膜厚は、低屈折率層２８ａにおける光Ｌの入射角をθとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内に設定されることが好ましく、（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。
【実施例１】
【００３３】
＜アルミニウム上の誘電体多層膜の反射率＞
アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成した場合の分光反射率を調べた。誘電体多層膜の構成材料は、低屈折率層をＳｉＯ２とし、高屈折率層をＴｉＯ２とした。そして、入射光の波長をλ＝６００［ｎｍ］と想定し、各層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］（すなわちλ／４）とした。誘電体多層膜の積層形態としては、図５（ａ）に示すようにアルミニウム基板３０に接する第１の層３２を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ａ、及び図５（ｂ）に示すようにアルミニウム基板３０に接する第１の層４２を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｂがある。
【００３４】
図６は、アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。図７は、図５（ａ）に示した形態Ａにおいて、誘電体多層膜の積層数を２層、４層、６層、及び１０層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図８は、形態Ａにおいて、積層数を４層、６層、１０層、及び１４層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図９は、図５（ｂ）に示した形態Ｂにおいて、誘電体多層膜の積層数を３層、５層、７層、及び９層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図１０は、形態Ｂにおいて、積層数を５層、９層、１５層、及び２１層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【００３５】
図５（ａ）に示した形態Ａにおいては、図７に示すように、積層数を２層（すなわちＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各１層ずつ）とした場合における波長６００［ｎｍ］での反射率が９５％を超えており、アルミニウム基板（図６参照）の反射率より大きいことがわかる。そして、図７及び図８に示すように、積層数を６層（ＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各３層ずつ）とした場合に波長６００［ｎｍ］での反射率は９９％を超え、積層数を１０層（ＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各５層ずつ）とした場合に９９．８％となった。
【００３６】
これに対し、図５（ｂ）に示した形態Ｂにおいては、図９及び図１０に示すように、入射光の波長６００［ｎｍ］の近傍の波長において反射率が低下する現象が現れた。この反射率の低下度合いは、積層数が２１層以上の場合には軽減されるが、１０層未満といった少ない積層数の場合には、所望の波長での反射率が十分に得られないこととなる。
【００３７】
また、下の表１は、形態Ａ，Ｂそれぞれにおける、誘電体多層膜の積層数、反射率、及び厚さ（物理膜厚）を纏めた表である。なお、表１中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。表１に示されるように、形態Ｂにおいて積層数を１１層以上とすれば反射率が９９％以上となり、１５層以上とすれば反射率が９９．８％以上となる。このように、形態Ｂであっても積層数を多くすれば反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。しかし、積層数を１１層以上とすると厚さが０．９［μｍ］を超え、１５層以上とすると厚さが１．２［μｍ］を超えてしまう。このように誘電体多層膜が厚くなると、前述したように液晶層（光変調層）への電界印加効率が低下し、好ましくない。これに対し、形態Ａにおいては積層数が僅か６層の場合でも反射率が９９％以上となり、１０層とした時点で反射率が９９．８％以上となる。これらの場合、積層数６層では厚さが約０．５［μｍ］、１０層では厚さが約０．８［μｍ］となり、形態Ｂと比較して誘電体多層膜を極めて薄く構成できることがわかる。
【表１】
【００３８】
以上のことから、アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成すれば、１０層以下といった少ない積層数で高い反射率を実現できることが示された。但し、好ましい反射特性により所定波長の光に対する反射率を高めるためには、形態Ａのように先ず第１の層３２として低屈折率層をアルミニウム基板３０の表面に形成し、次いで第２の層３４として高屈折率層をその上に積層するとよい。これにより、形態Ｂのように高屈折率層から積層し始める場合と比較して、格段に少ない積層数で十分な反射率が得られるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
【実施例２】
【００３９】
＜アルミニウムの表面に保護膜が施されている場合＞
アルミニウム表面に保護膜が施されている場合について述べる。保護膜の構成材料の多くは低屈折率物質であるＳｉＯ２やＭｇＦ２である。図１１は、アルミニウム基板の表面にＳｉＯ２膜が様々な光学膜厚ｎｄ（５０［ｎｍ］、１５０［ｎｍ］、及び２５０［ｎｍ］）で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。図１１を参照すると、光学膜厚ｎｄの４倍となる波長では、アルミニウム基板上にＳｉＯ２膜を設けた場合の反射率は、ＳｉＯ２膜による反射低減作用により、アルミニウム表面の反射率と比較して減少している。一方、光学膜厚ｎｄの２倍となる波長ではＳｉＯ２膜は反射率には殆ど影響しておらず、アルミニウム基板上にＳｉＯ２膜を設けた場合の反射率はアルミニウム表面の反射率と等しくなる。例えば、図１１において、光学膜厚ｎｄが２５０［ｎｍ］であるときの波長５００［ｎｍ］における反射率は、アルミニウム表面の反射率と等しくなっている。従って、保護膜の光学膜厚は、反射率の低下を防ぐため使用波長の１／２とされることが一般的である。
【００４０】
ここで、アルミニウム基板の保護膜の上に誘電体多層膜を形成する場合を考える。この場合、保護膜を誘電体多層膜の構成の一部として考慮するとよい。この場合における誘電体多層膜の積層形態としては、図１２（ａ）に示すように保護膜３６に接する層３８を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ｃ、及び図１２（ｂ）に示すように保護膜３６に接する層４４を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｄがある。形態Ｃにおいては保護膜３６及び層３８によってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成され、形態Ｄにおいては保護膜３６のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成される。
【００４１】
図１３は、保護膜３６の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、形態Ｃで６層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。また、図１４は、保護膜３６の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、形態Ｄで５層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。なお、図１３及び図１４においては、入射光の波長を６００［ｎｍ］と想定し、誘電体多層膜を構成する各層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした。
【００４２】
本実施例のようにアルミニウム基板３０上に光学膜厚λ／４の保護膜３６が設けられている場合、図１３，図１４に示すように、高屈折率膜（ＴｉＯ２）から積層し始めた形態Ｄ（図１２（ｂ）参照）のほうが、低屈折率膜（ＳｉＯ２）から積層し始めた形態Ｃ（図１２（ａ）参照）よりも分光反射特性が良好となり、入射光の波長λ＝６００［ｎｍ］における反射率が高くなった。
【００４３】
形態Ｃの場合、保護膜３６及び層３８によって低屈折率層（第１の層）が構成されるが、保護膜３６及び層３８の光学膜厚がそれぞれλ／４であることから、第１の層の光学膜厚がλ／２（３００［ｎｍ］）となってしまい、保護膜３６及び層３８は反射率には殆ど影響しない。従って、形態Ｃの分光反射特性は、アルミニウム基板に接する第１の層が高屈折率膜である形態Ｂ（図５（ｂ）参照）と実質的に同様となり、図１３のような特性となったものと考えられる。
【００４４】
図１５は、本実施例の形態Ｃにおいて、保護膜３６の光学膜厚を５０［ｎｍ］とし、層３８の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１６は、本実施例の形態Ｄにおいて、保護膜３６の光学膜厚を５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１７は、形態Ｃにおいて、保護膜３６の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とし、層３８の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が４００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１８は、形態Ｄにおいて、保護膜３６の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【００４５】
また、次の表２は、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４または３λ／４（λ＝６００［ｎｍ］）に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示す表である。なお、この表２においては、反射率９９％以上を好適（○）と判定した。
【表２】
【００４６】
図１３〜図１８及び表２に示されるように、第１の層である低屈折率層の光学膜厚がλ／４のとき（本実施例では１５０［ｎｍ］）、または３λ／４のとき(本実施例では４５０［ｎｍ］)に、最も大きな反射率が得られることがわかる。また、低屈折率層の光学膜厚がλ／４から僅かにずれていても、反射型光変調装置において十分な反射率が得られることがわかる。
【００４７】
ここで表３〜表５は、入射光の波長λが１５５０［ｎｍ］、１２００［ｎｍ］、１０００［ｎｍ］、８００［ｎｍ］、６００［ｎｍ］、及び４００［ｎｍ］の各場合における、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４に対する光学膜厚のずれ、及び波長λでの反射率を示す表である。なお、表３〜表５中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。
【表３】
【表４】
【表５】
【００４８】
低屈折率層及びアルミニウム基板表面の屈折率には波長分散が存在するので、表３〜表５に示したように、反射率の値は各波長毎に異なる値を示す。しかし、何れの波長においても、低屈折率層（第１の層）の光学膜厚がλ／４に対して±３０％の範囲内であれば、反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。
【００４９】
次に、保護膜がＭｇＦ２からなる場合について調べた結果を示す。この場合、図１９（ａ）に示すように保護膜４６（ＭｇＦ２）に接する層４８を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ｅ、及び図１９（ｂ）に示すように保護膜４６に接する層５０を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｆがある。形態Ｅにおいては保護膜４６及び層４８によってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成され、形態Ｆにおいては保護膜４６のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成される。表６は、保護膜４６及び層４８の光学膜厚を様々に設定した場合における、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４または３λ／４（λ＝６００［ｎｍ］）に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示している。なお、この表６においても、反射率９９％以上を好適（○）と判定した。
【表６】
【００５０】
表６に示すように、保護膜４６（ＭｇＦ２）と層４８（ＳｉＯ２）とを一つの低屈折率層（第１の層）として評価すると、前述した表２とほぼ同様の結果が得られた。また、６００［ｎｍ］以外の波長をλとして設計した場合でも、保護膜４６（ＭｇＦ２）及び層４８（ＳｉＯ２）の光学膜厚の和がλ／４に対して±３０％の範囲内であれば、反射型液晶装置にとって十分な反射率が得られた。
【００５１】
すなわち、本実施例の結果によれば、アルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）に保護膜を含め、この第１の層の光学膜厚がλ／４×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しければ、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。また、第１の層の光学膜厚がλ／４に対して±３０％の範囲内であっても、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。
【００５２】
なお、保護膜の構成材料としてはＳｉ３Ｎ４も考えられる。Ｓｉ３Ｎ４は、その屈折率が２．０〜２．１であり、誘電体多層膜においては高屈折率物質に分類される。これまで述べてきたようにアルミニウム基板の直上には低屈折率層が配置されることが好ましいが、Ｓｉ３Ｎ４といった高屈折率の保護膜が既に設けられている場合には、保護膜の上に先ず高屈折率層を形成し、この高屈折率層および保護膜からなる層（第３の層）の光学膜厚をλ／２×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、この高屈折率の第３の層上に低屈折率層（第１の層）から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に形態Ａ（図５（ａ）参照）と同様の反射特性を実現することができる。
【実施例３】
【００５３】
＜誘電体多層膜に対して光が斜め方向から入射する場合＞
次に、誘電体多層膜への光の入射角による反射率への影響について説明する。或る層へ入射角θで入射する光が当該層を進む光学的距離は、当該層の厚さ方向の光学膜厚をｃｏｓθで除することにより求められる。また、屈折率が異なる媒質同士の界面における各媒質の屈折率ｎ１及びｎ２と光の入射角θ１及び屈折角θ２との間には、次の数式（１）（スネルの法則）が成立する。
【数１】
【００５４】
図２０に示すように、誘電体多層膜５２の表面に接する媒質の屈折率をｎ０、誘電体多層膜５２の表面５２ａへの光Ｌの入射角をθ０、基板の屈折率をｎｓｕｂ、基板への光Ｌの入射角をθｓｕｂとすると、誘電体多層膜５２内の表面からｉ番目の層の屈折率ｎｉとその入射角（屈折角）θｉとの関係は、上述したスネルの法則を適用して、次の数式（２）
【数２】
と表すことができる。従って、式（２）により、誘電体多層膜５２内の各層内における光の進行方向の傾きを求めることができる。
【００５５】
以上のことから、斜入射用の誘電体多層膜を設計する場合には、入射角ゼロの場合の光学膜厚をｃｏｓθｉで除した値を新たに光学膜厚とするとよい。従って、前述した実施例２の結果に適用すると、アルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）の光学膜厚は、（λ／４ｃｏｓθｉ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことが好ましく、または（λ／４ｃｏｓθｉ）±３０％の範囲内であることが好ましい。そして、このθｉは、次の数式（３）によって求められる。
【数３】
【００５６】
具体的な数値例を示す。例えば、ＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜に入射角４５°で光が入射すると、ＴｉＯ２高屈折率層内の入射角（屈折角）θＴｉＯ２は、次の数式（４）に示す値となる。なお、数式（４）においては、ＴｉＯ２の屈折率ｎＴｉＯ２を２．２７としている。また、誘電体多層膜の表面に接する媒質を大気（ｎ０＝１）としている。
【数４】
【００５７】
同様に、ＳｉＯ２低屈折率層内の入射角（屈折角）θＳｉＯ２は、次の数式（５）に示す値となる。数式（５）においては、ＳｉＯ２の屈折率ｎＳｉＯ２を１．４６としている。
【数５】
【００５８】
従って、ＴｉＯ２高屈折率層及びＳｉＯ２低屈折率層の各光学膜厚にそれぞれｃｏｓ（１８．１°）、ｃｏｓ（２９．０°）を乗じた結果が１５０［ｎｍ］となるようにすれば、波長λ＝６００［ｎｍ］における４５°入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。すなわち、ＴｉＯ２高屈折率層の光学膜厚ｎｄを、
【数６】
ＳｉＯ２低屈折率層の光学膜厚ｎｄを、
【数７】
とするとよい。このように、斜め方向からの入射に対応させる場合についても、光学膜厚ｎｄ＝λ／４を基準として、入射角に応じて各層の光学膜厚を補正すれば、斜入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。
【００５９】
なお、斜入射の場合、光のＳ偏光成分およびＰ偏光成分に対する屈折率ｎＳ及びｎＰは、層内の屈折率をｎ、層内の入射角（屈折角）をθとして、
【数８】
となる。このように、各偏光成分によって層内における屈折率が異なるので、誘電体多層膜による反射率も異なる。図２１及び２２は、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフである。なお、図２１はアルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合（図５（ａ）参照）を示しており、図２２はアルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合（図５（ｂ）参照）を示している。
【実施例４】
【００６０】
＜高屈折率層に様々な材料を用いた場合＞
高屈折率層の好適な構成材料としては、ＴｉＯ２の他に、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などがある。屈折率の値がそれぞれ異なるため誘電体多層膜の反射率の値も異なってくるが、いずれの材料を用いてもＴｉＯ２を用いた場合と同様の傾向がある。図２３及び図２４は、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフである。図２３はアルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示しており、図２４はアルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（Ｎｂ２Ｏ５、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。これらの図に示すように、高屈折率層の構成材料をＮｂ２Ｏ５とした場合でも、低屈折率層（第１の層）をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることがわかる。
【実施例５】
【００６１】
＜実験による実証＞
市販の金属アルミニウムミラー上に、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２交互多層膜を真空蒸着法により成膜した。市販のアルミニウムミラーには、保護膜として光学膜厚２８０［ｎｍ］のＭｇＦ２膜が形成されている。図２５は、このアルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。なお、図２５には、比較のため、保護膜のないアルミニウム表面の反射率の計算値も破線で示されている。
【００６２】
そして、このアルミニウムミラーの表面に誘電体多層膜を形成した。積層の形態としては、アルミニウムミラーに接する第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を形成し、その上に高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）及び低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を交互に積層し、積層数を４層とした。図２６に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図２６に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図２６に示すように、反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
【００６３】
また、比較例として、アルミニウムミラーに接する第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を形成し、その上に低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）及び高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を交互に積層し、積層数を５層とした。図２７に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図２７に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図２７に示すように、こちらの形態においても反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
【００６４】
本発明による反射型光変調装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では誘電体多層膜の低屈折率層の構成材料としてＳｉＯ２およびＭｇＦ２を例示したが、低屈折率層の構成材料は、屈折率が１．３５〜１．７５、より好ましくは１．３５〜１．５０の誘電体であれば他の材料であってもよい。また、上記実施形態では誘電体多層膜の高屈折率層の構成材料としてＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２を例示したが、高屈折率層の構成材料は、屈折率が１．７５〜２．５０、より好ましくは１．９０〜２．５０の誘電体であれば他の材料であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…反射型液晶装置、４…画素、１２…シリコン基板、１４…駆動回路層、１６…画素電極、１８，２８，５２…誘電体多層膜、１８ａ〜１８ｄ，２８ａ〜２８ｄ…低屈折率層、１８ｅ〜１８ｈ，２８ｅ〜２８ｈ…高屈折率層、２０…液晶層、２２…透明導電膜、２４…透明基板、３０…アルミニウム基板、３６，４６…保護膜、２８１…下層、２８２…上層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型光変調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反射型光変調装置として、反射型液晶（ＬＣｏＳ（登録商標）：Liquid crystal on silicon）装置が知られている。反射型液晶装置は、二次元配列された複数の画素電極と、導電性光透過層と、複数の画素電極及び導電性光透過層の間に配置された液晶層（光変調層）とを備えており、導電性光透過層を介して入射した光を反射しつつ、任意の画素電極と導電性光透過層との間に電界を形成して液晶層に変調作用を生じさせ、所望の光像を得るものである。そして、光の反射率を高めて更に高輝度の光像を得るために、液晶層と複数の画素電極との間には誘電体多層膜が設けられる。
【０００３】
例えば非特許文献１，２には、反射型液晶構造を備える液晶ライトバルブ（ＬＣＬＶ：Liquid Crystal Light Valve）が開示されている。非特許文献１に記載された誘電体多層膜は、λ／４（λ：入射光の波長）の光学膜厚を有する複数のＳｉ層及びＳｉＯ２層が交互に積層されて成る。また、非特許文献２に記載された誘電体多層膜は、λ／４の光学膜厚を有する複数のＴｉＯ２層及びＳｉＯ２層が交互に積層されて成る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】U.Efron et al., “Siliconliquid crystal light valves: status and issues”, Optical Engineering, November,December 1983, Vol.22, No.6, pp.682-686 (1983)
【非特許文献２】A.Jacobson et al., “Areal-time optical data processing device”, Information Display, Vol.12,September 1975, PP.17-22 (1975)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らの知見によれば、従来の反射型液晶装置において誘電体多層膜はガラス基板等の表面に積層されたものが用いられている。そして、その積層数を多くすることにより、９９％超といった高い反射率を得ている。例えば、ガラス基板上の誘電体多層膜において反射率９９％以上を得るためには、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２で１３層、ＨｆＯ２／ＳｉＯ２で１９層を必要とし、反射率９９．８％以上を得るためには、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２で１７層、ＨｆＯ２／ＳｉＯ２で２５層を必要とする。
【０００６】
しかしながら、誘電体多層膜は液晶層と画素電極との間に配置されるので、画素電極と導電性光透過層との間に形成された電界は液晶層だけでなく誘電体多層膜にも印加される。誘電体多層膜の積層数が多くなると、誘電体多層膜の厚さ（物理膜厚）が増し、誘電体多層膜に印加される電界の割合が大きくなってしまうので、液晶層への電界印加効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ高い反射率を実現できる誘電体多層膜を備える反射型光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含むことを特徴とする。
【０００９】
先に述べたように、従来の一般的な反射型光変調装置においては、ガラス基板上に形成された誘電体多層膜を利用している。これに対し、本発明による反射型光変調装置においては、誘電体多層膜が金属製の複数の画素電極上に形成されている。これにより、金属表面の高い反射率を利用することができる。また、本発明者らは、金属表面に誘電体多層膜を形成する場合、低屈折率層（第１の層）をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることを見出した。従って、上記した反射型光変調装置によれば、誘電体多層膜の物理膜厚を従来より薄くして光変調層への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
【００１０】
また、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、所定波長の光に対して高い反射率を好適に実現できる。
【００１１】
また、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、第１の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内であることを特徴としてもよい。或いは、反射型光変調装置は、第１の層の光学膜厚が、第１の層の内部における光の入射角をθ、光の波長をλとして（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成により、斜め方向から誘電体多層膜に入射した光に対しても高い反射率を好適に実現できる。
【００１２】
また、反射型光変調装置は、誘電体多層膜が、第１の層を含む複数の低屈折率層と、第２の層を含み複数の低屈折率層より屈折率が高い複数の高屈折率層とが交互に積層されて成り、複数の低屈折率層の層数と複数の高屈折率層の層数との和が１０層以下であることを特徴としてもよい。先に述べたように、一般的な反射型光変調装置における誘電体多層膜の積層数は１３層以上を必要とする。これに対し、上記した反射型光変調装置によれば、１０層以下といった少ない積層数でも十分に高い反射率を実現できるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
【００１３】
また、反射型光変調装置は、第１の層がＳｉＯ２を含み、第２の層がＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２のうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。これにより、第１の層、及び第１の層より屈折率が高い第２の層を含む誘電体多層膜を好適に構成できる。
【００１４】
また、反射型光変調装置は、第１の層が、画素電極に接する下層と、下層と第２の層とに挟まれた上層とを有し、上層がＳｉＯ２を含み、下層がＳｉＯ２及びＭｇＦ２のうち少なくとも一種類の材料を含むことを特徴としてもよい。画素電極の表面には保護膜としてＳｉＯ２膜或いはＭｇＦ２膜が形成されている場合があり、この保護膜を第１の層の一部（下層）として利用してもよい。このような構成であっても、上記した反射型光変調装置による効果を好適に得ることができる。
【００１５】
また、本発明による反射型光変調装置は、前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、複数の画素電極と導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて光を変調する光変調層と、複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜とを備え、誘電体多層膜は、画素電極に接する第３の層と、第３の層より屈折率が低く第３の層に接する第１の層と、第１の層より屈折率が高く第１の層に接する第２の層とを含み、第３の層の光学膜厚が、光の波長をλとして（λ／２）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴とする。
【００１６】
このように、高屈折率層（第３の層）が金属表面に形成されている場合であっても、この第３の層の光学膜厚をλ／２×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、第３の層上に低屈折率層（第１の層）から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に前述した反射型光変調装置と同様の反射特性を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による反射型光変調装置によれば、光変調層への電界印加効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した反射型液晶装置のII−II線に沿った側面断面図である。
【図３】誘電体多層膜の構成を拡大して示す側面断面図である。
【図４】誘電体多層膜の変形例の構成を示す側面断面図である。
【図５】（ａ）アルミニウム基板に接する第１の層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）アルミニウム基板に接する第１の層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図６】アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。
【図７】図５（ａ）に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を２層、４層、６層、及び１０層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図８】図５（ａ）に示した形態において、積層数を４層、６層、１０層、及び１４層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図９】図５（ｂ）に示した形態において、誘電体多層膜の積層数を３層、５層、７層、及び９層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１０】図５（ｂ）に示した形態において、積層数を５層、９層、１５層、及び２１層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１１】アルミニウム基板の表面にＳｉＯ２膜が様々な光学膜厚ｎｄ（５０［ｎｍ］、１５０［ｎｍ］、及び２５０［ｎｍ］）で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。
【図１２】（ａ）保護膜に接する層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）保護膜に接する層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図１３】保護膜の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、図１２（ａ）で示した形態で６層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１４】保護膜の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、図１２（ｂ）で示した形態で５層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。
【図１５】図１２（ａ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を５０［ｎｍ］とし、その上層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１６】図１２（ｂ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１７】図１２（ａ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とし、その上層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が４００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１８】図１２（ｂ）で示した形態において、保護膜の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【図１９】（ａ）保護膜（ＭｇＦ２）に接する層を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態を示す図である。（ｂ）保護膜に接する層を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態を示す図である。
【図２０】誘電体多層膜に対して斜め方向から光Ｌが入射する様子を示す図である。
【図２１】Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合を示している。
【図２２】Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合を示している。
【図２３】Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。
【図２４】Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフであり、アルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（Ｎｂ２Ｏ５、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。
【図２５】アルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。
【図２６】実線は、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフであり、アルミニウムミラーと接する第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合を示している。破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。
【図２７】実線は、アルミニウムミラー上に形成した誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフであり、アルミニウムミラーと接する第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合を示している。破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による反射型光変調装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（実施の形態）
図１は、本発明に係る反射型光変調装置の一実施形態として、反射型液晶装置の構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示した反射型液晶装置のII−II線に沿った側面断面図である。なお、図１及び図２には、説明を容易にする為にＸＹＺ直交座標系が示されている。本実施形態の反射型液晶装置１は、図１に示すように互いに直交する２軸（Ｘ軸およびＹ軸）に沿って二次元配列された複数の画素４を備えている。反射型液晶装置１は、前方（Ｚ軸正方向）より入射した光を反射しつつ、各画素４毎に入射光を変調して任意の光像を前方へ出力する装置である。
【００２１】
図２を参照すると、反射型液晶装置１は、シリコン基板１２、駆動回路層１４、複数の画素電極１６、誘電体多層膜１８、液晶層２０、透明導電膜２２、及び透明基板２４を備えている。
【００２２】
透明基板２４は、ＸＹ平面に沿った表面２４ａを有しており、該表面２４ａは反射型液晶装置１の表面１０ａを構成している。透明基板２４は、例えばガラスなどの光透過性材料を主に含んでおり、反射型液晶装置１の表面１０ａから入射した所定波長の光Ｌを、反射型液晶装置１の内部へ透過する。また、透明導電膜２２は、本実施形態における導電性光透過層である。透明導電膜２２は、透明基板２４の裏面２４ｂ上に形成されており、光Ｌを透過する導電性材料（例えばＩＴＯ）を主に含んで構成されている。
【００２３】
複数の画素電極１６は、図１に示した複数の画素４の配列に従って二次元状に配列されており、透明導電膜２２に沿ってシリコン基板１２上に配列されている。各画素電極１６は、例えばアルミニウムといった金属材料からなり、それらの表面１６ａは平坦且つ滑らかに加工されている。複数の画素電極１６は、駆動回路層１４に設けられたアクティブ・マトリクス回路によって駆動される。アクティブ・マトリクス回路は、複数の画素電極１６とシリコン基板１２との間に設けられ、反射型液晶装置１から出力しようとする光像に応じて各画素電極１６への印加電圧を制御する。このようなアクティブ・マトリクス回路は、例えばＸ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第１のドライバ回路と、Ｙ軸方向に並んだ各画素列の印加電圧を制御する第２のドライバ回路とを有しており、双方のドライバ回路によって指定された画素４の画素電極１６に所定電圧が印加されるしくみになっている。
【００２４】
液晶層２０は、本実施形態における光変調層である。液晶層２０は、複数の画素電極１６と透明導電膜２２との間に配置されており、各画素電極１６と透明導電膜２２とにより形成される電界に応じて光Ｌを変調する。すなわち、アクティブ・マトリクス回路によって或る画素電極１６に電圧が印加されると、透明導電膜２２と該画素電極１６との間に電界が形成される。この電界は、誘電体多層膜１８及び液晶層２０のそれぞれに対し、各々の厚さに応じた割合で印加される。そして、液晶層２０に印加された電界の大きさに応じて液晶分子２０ａの配列方向が変化する。光Ｌが透明基板２４及び透明導電膜２２を透過して液晶層２０に入射すると、この光Ｌは液晶層２０を通過する間に液晶分子２０ａによって変調され、誘電体多層膜１８において反射した後、再び液晶層２０により変調されてから取り出される。
【００２５】
誘電体多層膜１８は、複数の画素電極１６と液晶層２０との間に配置されている。特に、本実施形態の誘電体多層膜１８は、複数の画素電極１６の表面１６ａ上に直接形成されている。誘電体多層膜１８は、画素電極１６の表面１６ａが有する光反射作用と協働して、光Ｌを例えば９９％超といった高い反射率で反射する。ここで、図３は、誘電体多層膜１８の構成を拡大して示す側面断面図である。図３に示すように、誘電体多層膜１８は、画素電極１６に接する層１８ａ（第１の層）を含む複数の低屈折率層１８ａ〜１８ｄと、低屈折率層１８ａより屈折率が高く低屈折率層１８ａに接する層１８ｅ（第２の層）を含む複数の高屈折率層１８ｅ〜１８ｈとを含んで構成されている。低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈは、画素電極１６上において交互に積層されている。低屈折率層１８ａ〜１８ｄの構成材料としては例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２が例示され、特にＳｉＯ２が主に含まれることが好ましい。また、高屈折率層１８ｅ〜１８ｈの構成材料としては例えばＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などが例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれることが好ましい。なお、本実施形態では誘電体多層膜１８の積層数が８層（低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈが各４層）の場合を示しているが、誘電体多層膜１８の積層数は２層以上（すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各１層以上）、１０層以下（すなわち低屈折率層及び高屈折率層が各５層以下）であることが好ましい。また、誘電体多層膜の積層数は偶数に限定されることなく、奇数であってもよい。この場合、誘電体多層膜１８のうち最も液晶層２０側に位置する誘電体膜は、低屈折率層となる。以下の実施形態においても、誘電体多層膜１８の積層数は偶数又は奇数であるを問わないが、最も液晶層２０側に位置する誘電体膜は、高屈折率層とするのが好ましい。
【００２６】
また、低屈折率層１８ａの光学膜厚（＝ｎ×ｄ、ｎは低屈折率層１８ａの屈折率、ｄは低屈折率層１８ａの物理膜厚）は、光Ｌの波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層１８ａの光学膜厚は、（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。また、誘電体多層膜１８に対して光Ｌが斜め方向から入射する場合には、低屈折率層１８ａの光学膜厚は、低屈折率層１８ａの内部における光Ｌの入射角（すなわち、低屈折率層１８ａ中を光Ｌが進む方向と層厚方向との相対角度）をθとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内に設定されることが好ましい。或いは、低屈折率層１８ａの光学膜厚は（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。なお、低屈折率層１８ａの光学膜厚の好ましい値については、後述する実施例において詳細に述べる。
【００２７】
以上に説明した本実施形態による反射型液晶装置１は、次の効果を有する。反射型液晶装置１においては、誘電体多層膜１８が金属製の複数の画素電極１６上に形成されているので、金属表面の高い反射率を利用して光Ｌに対する反射率を高めることができる。また、後述する実施例において示すように、金属表面に誘電体多層膜１８を形成する場合、低屈折率層（第１の層）１８ａをまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）１８ｅをその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られる。従って、本実施形態の反射型液晶装置１によれば、誘電体多層膜１８の物理膜厚を従来より薄くして液晶層２０への電界印加効率の低下を抑えることができるとともに、十分に高い反射率を実現して光の取り出し効率を高めることができる。
【００２８】
（変形例）
図４は、上記実施形態の変形例として、誘電体多層膜２８の構成を示す側面断面図である。上記実施形態に係る反射型液晶装置１は、図３に示した誘電体多層膜１８に代えて、図４に示す誘電体多層膜２８を備えても良い。
【００２９】
図４を参照すると、誘電体多層膜２８は、画素電極１６に接する層２８ａ（第１の層）を含む複数の低屈折率層２８ａ〜２８ｄと、低屈折率層２８ａより屈折率が高く低屈折率層２８ａに接する層２８ｅ（第２の層）を含む複数の高屈折率層２８ｅ〜２８ｈとが交互に積層されて成る。なお、低屈折率層２８ａを除く低屈折率層２８ｂ〜２８ｄ、及び高屈折率層２８ｅ〜２８ｈの各構成材料は、図３に示した低屈折率層１８ａ〜１８ｄ及び高屈折率層１８ｅ〜１８ｈと同様である。
【００３０】
本変形例の低屈折率層２８ａは、画素電極１６に接する下層２８１と、下層２８１と高屈折率層２８ｅとに挟まれた上層２８２とを有している。下層２８１及び上層２８２は同一の材料により構成されていてもよく、異なる材料により構成されていてもよい。下層２８１の構成材料としては例えばＳｉＯ２、ＭｇＦ２が例示され、これらのうち少なくとも一種類の材料が含まれる。上層２８２の構成材料は図３に示した低屈折率層１８ａ〜１８ｄと同様であり、特にＳｉＯ２が主に含まれることが好ましい。
【００３１】
本変形例の誘電体多層膜２８のような構成は、例えば画素電極１６の表面１６ａ上に絶縁性の保護膜が形成されている場合に適用されるとよい。すなわち、アルミニウムなどの金属からなる部品（本実施例では画素電極１６）の表面には、保護膜が施されている場合がある。このような保護膜は、殆どの場合において、低屈折率物質であるＳｉＯ２またはＭｇＦ２からなる。従って、誘電体多層膜２８を製造する際にこのような保護膜を画素電極１６の表面１６ａに残して下層２８１とし、その上にＳｉＯ２等の低屈折率物質を成膜して上層２８２とすることにより、本変形例に係る低屈折率層２８ａを好適に得ることができる。このように、画素電極１６の表面１６ａに形成された保護膜を低屈折率層２８ａの一部（下層２８１）として利用してもよい。このような構成であっても、上記実施形態の反射型液晶装置１と同等の効果を好適に得ることができる。
【００３２】
なお、本変形例においても、誘電体多層膜２８の積層数は、低屈折率層２８ａを一層と数えて２層以上１０層以下であることが好ましい。また、低屈折率層２８ａの光学膜厚（すなわち下層２８１の光学膜厚と上層２８２の光学膜厚との和）は、光Ｌの波長をλとして（λ／４）±３０％の範囲内に設定されることが好ましく、（λ／４）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。誘電体多層膜２８に対して光Ｌが斜め方向から入射する場合、低屈折率層２８ａの光学膜厚は、低屈折率層２８ａにおける光Ｌの入射角をθとして（λ／４ｃｏｓθ）±３０％の範囲内に設定されることが好ましく、（λ／４ｃｏｓθ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくなるように設定されてもよい。
【実施例１】
【００３３】
＜アルミニウム上の誘電体多層膜の反射率＞
アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成した場合の分光反射率を調べた。誘電体多層膜の構成材料は、低屈折率層をＳｉＯ２とし、高屈折率層をＴｉＯ２とした。そして、入射光の波長をλ＝６００［ｎｍ］と想定し、各層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］（すなわちλ／４）とした。誘電体多層膜の積層形態としては、図５（ａ）に示すようにアルミニウム基板３０に接する第１の層３２を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ａ、及び図５（ｂ）に示すようにアルミニウム基板３０に接する第１の層４２を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｂがある。
【００３４】
図６は、アルミニウム基板の表面に誘電体多層膜を設けない場合の分光反射率を示すグラフである。図７は、図５（ａ）に示した形態Ａにおいて、誘電体多層膜の積層数を２層、４層、６層、及び１０層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図８は、形態Ａにおいて、積層数を４層、６層、１０層、及び１４層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図９は、図５（ｂ）に示した形態Ｂにおいて、誘電体多層膜の積層数を３層、５層、７層、及び９層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。図１０は、形態Ｂにおいて、積層数を５層、９層、１５層、及び２１層とした各場合における分光反射率を示すグラフである。
【００３５】
図５（ａ）に示した形態Ａにおいては、図７に示すように、積層数を２層（すなわちＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各１層ずつ）とした場合における波長６００［ｎｍ］での反射率が９５％を超えており、アルミニウム基板（図６参照）の反射率より大きいことがわかる。そして、図７及び図８に示すように、積層数を６層（ＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各３層ずつ）とした場合に波長６００［ｎｍ］での反射率は９９％を超え、積層数を１０層（ＳｉＯ２低屈折率層とＴｉＯ２高屈折率層とを各５層ずつ）とした場合に９９．８％となった。
【００３６】
これに対し、図５（ｂ）に示した形態Ｂにおいては、図９及び図１０に示すように、入射光の波長６００［ｎｍ］の近傍の波長において反射率が低下する現象が現れた。この反射率の低下度合いは、積層数が２１層以上の場合には軽減されるが、１０層未満といった少ない積層数の場合には、所望の波長での反射率が十分に得られないこととなる。
【００３７】
また、下の表１は、形態Ａ，Ｂそれぞれにおける、誘電体多層膜の積層数、反射率、及び厚さ（物理膜厚）を纏めた表である。なお、表１中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。表１に示されるように、形態Ｂにおいて積層数を１１層以上とすれば反射率が９９％以上となり、１５層以上とすれば反射率が９９．８％以上となる。このように、形態Ｂであっても積層数を多くすれば反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。しかし、積層数を１１層以上とすると厚さが０．９［μｍ］を超え、１５層以上とすると厚さが１．２［μｍ］を超えてしまう。このように誘電体多層膜が厚くなると、前述したように液晶層（光変調層）への電界印加効率が低下し、好ましくない。これに対し、形態Ａにおいては積層数が僅か６層の場合でも反射率が９９％以上となり、１０層とした時点で反射率が９９．８％以上となる。これらの場合、積層数６層では厚さが約０．５［μｍ］、１０層では厚さが約０．８［μｍ］となり、形態Ｂと比較して誘電体多層膜を極めて薄く構成できることがわかる。
【表１】
【００３８】
以上のことから、アルミニウム基板上に誘電体多層膜を形成すれば、１０層以下といった少ない積層数で高い反射率を実現できることが示された。但し、好ましい反射特性により所定波長の光に対する反射率を高めるためには、形態Ａのように先ず第１の層３２として低屈折率層をアルミニウム基板３０の表面に形成し、次いで第２の層３４として高屈折率層をその上に積層するとよい。これにより、形態Ｂのように高屈折率層から積層し始める場合と比較して、格段に少ない積層数で十分な反射率が得られるので、光変調層への電界印加効率の低下を効果的に抑えることができる。
【実施例２】
【００３９】
＜アルミニウムの表面に保護膜が施されている場合＞
アルミニウム表面に保護膜が施されている場合について述べる。保護膜の構成材料の多くは低屈折率物質であるＳｉＯ２やＭｇＦ２である。図１１は、アルミニウム基板の表面にＳｉＯ２膜が様々な光学膜厚ｎｄ（５０［ｎｍ］、１５０［ｎｍ］、及び２５０［ｎｍ］）で設けられた場合の分光反射率特性を示すグラフである。図１１を参照すると、光学膜厚ｎｄの４倍となる波長では、アルミニウム基板上にＳｉＯ２膜を設けた場合の反射率は、ＳｉＯ２膜による反射低減作用により、アルミニウム表面の反射率と比較して減少している。一方、光学膜厚ｎｄの２倍となる波長ではＳｉＯ２膜は反射率には殆ど影響しておらず、アルミニウム基板上にＳｉＯ２膜を設けた場合の反射率はアルミニウム表面の反射率と等しくなる。例えば、図１１において、光学膜厚ｎｄが２５０［ｎｍ］であるときの波長５００［ｎｍ］における反射率は、アルミニウム表面の反射率と等しくなっている。従って、保護膜の光学膜厚は、反射率の低下を防ぐため使用波長の１／２とされることが一般的である。
【００４０】
ここで、アルミニウム基板の保護膜の上に誘電体多層膜を形成する場合を考える。この場合、保護膜を誘電体多層膜の構成の一部として考慮するとよい。この場合における誘電体多層膜の積層形態としては、図１２（ａ）に示すように保護膜３６に接する層３８を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ｃ、及び図１２（ｂ）に示すように保護膜３６に接する層４４を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｄがある。形態Ｃにおいては保護膜３６及び層３８によってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成され、形態Ｄにおいては保護膜３６のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成される。
【００４１】
図１３は、保護膜３６の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、形態Ｃで６層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。また、図１４は、保護膜３６の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とし、形態Ｄで５層の誘電体多層膜を設けた場合における分光反射率を示すグラフである。なお、図１３及び図１４においては、入射光の波長を６００［ｎｍ］と想定し、誘電体多層膜を構成する各層の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした。
【００４２】
本実施例のようにアルミニウム基板３０上に光学膜厚λ／４の保護膜３６が設けられている場合、図１３，図１４に示すように、高屈折率膜（ＴｉＯ２）から積層し始めた形態Ｄ（図１２（ｂ）参照）のほうが、低屈折率膜（ＳｉＯ２）から積層し始めた形態Ｃ（図１２（ａ）参照）よりも分光反射特性が良好となり、入射光の波長λ＝６００［ｎｍ］における反射率が高くなった。
【００４３】
形態Ｃの場合、保護膜３６及び層３８によって低屈折率層（第１の層）が構成されるが、保護膜３６及び層３８の光学膜厚がそれぞれλ／４であることから、第１の層の光学膜厚がλ／２（３００［ｎｍ］）となってしまい、保護膜３６及び層３８は反射率には殆ど影響しない。従って、形態Ｃの分光反射特性は、アルミニウム基板に接する第１の層が高屈折率膜である形態Ｂ（図５（ｂ）参照）と実質的に同様となり、図１３のような特性となったものと考えられる。
【００４４】
図１５は、本実施例の形態Ｃにおいて、保護膜３６の光学膜厚を５０［ｎｍ］とし、層３８の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１６は、本実施例の形態Ｄにおいて、保護膜３６の光学膜厚を５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１７は、形態Ｃにおいて、保護膜３６の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とし、層３８の光学膜厚を１５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が４００［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。また、図１８は、形態Ｄにおいて、保護膜３６の光学膜厚を２５０［ｎｍ］とした場合（すなわち、第１の層である低屈折率層の光学膜厚が２５０［ｎｍ］である場合）の分光反射率を示すグラフである。
【００４５】
また、次の表２は、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４または３λ／４（λ＝６００［ｎｍ］）に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示す表である。なお、この表２においては、反射率９９％以上を好適（○）と判定した。
【表２】
【００４６】
図１３〜図１８及び表２に示されるように、第１の層である低屈折率層の光学膜厚がλ／４のとき（本実施例では１５０［ｎｍ］）、または３λ／４のとき(本実施例では４５０［ｎｍ］)に、最も大きな反射率が得られることがわかる。また、低屈折率層の光学膜厚がλ／４から僅かにずれていても、反射型光変調装置において十分な反射率が得られることがわかる。
【００４７】
ここで表３〜表５は、入射光の波長λが１５５０［ｎｍ］、１２００［ｎｍ］、１０００［ｎｍ］、８００［ｎｍ］、６００［ｎｍ］、及び４００［ｎｍ］の各場合における、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４に対する光学膜厚のずれ、及び波長λでの反射率を示す表である。なお、表３〜表５中における太字は、反射型液晶装置において好ましい数値であることを示している。
【表３】
【表４】
【表５】
【００４８】
低屈折率層及びアルミニウム基板表面の屈折率には波長分散が存在するので、表３〜表５に示したように、反射率の値は各波長毎に異なる値を示す。しかし、何れの波長においても、低屈折率層（第１の層）の光学膜厚がλ／４に対して±３０％の範囲内であれば、反射型液晶装置において十分な反射率が得られることがわかる。
【００４９】
次に、保護膜がＭｇＦ２からなる場合について調べた結果を示す。この場合、図１９（ａ）に示すように保護膜４６（ＭｇＦ２）に接する層４８を低屈折率膜（ＳｉＯ２）とする形態Ｅ、及び図１９（ｂ）に示すように保護膜４６に接する層５０を高屈折率膜（ＴｉＯ２）とする形態Ｆがある。形態Ｅにおいては保護膜４６及び層４８によってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成され、形態Ｆにおいては保護膜４６のみによってアルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）が構成される。表６は、保護膜４６及び層４８の光学膜厚を様々に設定した場合における、第１の層である低屈折率層の光学膜厚、λ／４または３λ／４（λ＝６００［ｎｍ］）に対する光学膜厚のずれ、波長λでの反射率、及び反射型光変調装置に採用する際の反射率の適否を示している。なお、この表６においても、反射率９９％以上を好適（○）と判定した。
【表６】
【００５０】
表６に示すように、保護膜４６（ＭｇＦ２）と層４８（ＳｉＯ２）とを一つの低屈折率層（第１の層）として評価すると、前述した表２とほぼ同様の結果が得られた。また、６００［ｎｍ］以外の波長をλとして設計した場合でも、保護膜４６（ＭｇＦ２）及び層４８（ＳｉＯ２）の光学膜厚の和がλ／４に対して±３０％の範囲内であれば、反射型液晶装置にとって十分な反射率が得られた。
【００５１】
すなわち、本実施例の結果によれば、アルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）に保護膜を含め、この第１の層の光学膜厚がλ／４×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しければ、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。また、第１の層の光学膜厚がλ／４に対して±３０％の範囲内であっても、反射型光変調装置にとって十分な反射率が得られることが示された。
【００５２】
なお、保護膜の構成材料としてはＳｉ３Ｎ４も考えられる。Ｓｉ３Ｎ４は、その屈折率が２．０〜２．１であり、誘電体多層膜においては高屈折率物質に分類される。これまで述べてきたようにアルミニウム基板の直上には低屈折率層が配置されることが好ましいが、Ｓｉ３Ｎ４といった高屈折率の保護膜が既に設けられている場合には、保護膜の上に先ず高屈折率層を形成し、この高屈折率層および保護膜からなる層（第３の層）の光学膜厚をλ／２×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しくすることで、反射率への影響を極めて小さくすることができる。従って、この高屈折率の第３の層上に低屈折率層（第１の層）から始まる誘電体多層膜を形成することにより、実質的に形態Ａ（図５（ａ）参照）と同様の反射特性を実現することができる。
【実施例３】
【００５３】
＜誘電体多層膜に対して光が斜め方向から入射する場合＞
次に、誘電体多層膜への光の入射角による反射率への影響について説明する。或る層へ入射角θで入射する光が当該層を進む光学的距離は、当該層の厚さ方向の光学膜厚をｃｏｓθで除することにより求められる。また、屈折率が異なる媒質同士の界面における各媒質の屈折率ｎ１及びｎ２と光の入射角θ１及び屈折角θ２との間には、次の数式（１）（スネルの法則）が成立する。
【数１】
【００５４】
図２０に示すように、誘電体多層膜５２の表面に接する媒質の屈折率をｎ０、誘電体多層膜５２の表面５２ａへの光Ｌの入射角をθ０、基板の屈折率をｎｓｕｂ、基板への光Ｌの入射角をθｓｕｂとすると、誘電体多層膜５２内の表面からｉ番目の層の屈折率ｎｉとその入射角（屈折角）θｉとの関係は、上述したスネルの法則を適用して、次の数式（２）
【数２】
と表すことができる。従って、式（２）により、誘電体多層膜５２内の各層内における光の進行方向の傾きを求めることができる。
【００５５】
以上のことから、斜入射用の誘電体多層膜を設計する場合には、入射角ゼロの場合の光学膜厚をｃｏｓθｉで除した値を新たに光学膜厚とするとよい。従って、前述した実施例２の結果に適用すると、アルミニウム基板に接する低屈折率層（第１の層）の光学膜厚は、（λ／４ｃｏｓθｉ）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことが好ましく、または（λ／４ｃｏｓθｉ）±３０％の範囲内であることが好ましい。そして、このθｉは、次の数式（３）によって求められる。
【数３】
【００５６】
具体的な数値例を示す。例えば、ＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜に入射角４５°で光が入射すると、ＴｉＯ２高屈折率層内の入射角（屈折角）θＴｉＯ２は、次の数式（４）に示す値となる。なお、数式（４）においては、ＴｉＯ２の屈折率ｎＴｉＯ２を２．２７としている。また、誘電体多層膜の表面に接する媒質を大気（ｎ０＝１）としている。
【数４】
【００５７】
同様に、ＳｉＯ２低屈折率層内の入射角（屈折角）θＳｉＯ２は、次の数式（５）に示す値となる。数式（５）においては、ＳｉＯ２の屈折率ｎＳｉＯ２を１．４６としている。
【数５】
【００５８】
従って、ＴｉＯ２高屈折率層及びＳｉＯ２低屈折率層の各光学膜厚にそれぞれｃｏｓ（１８．１°）、ｃｏｓ（２９．０°）を乗じた結果が１５０［ｎｍ］となるようにすれば、波長λ＝６００［ｎｍ］における４５°入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。すなわち、ＴｉＯ２高屈折率層の光学膜厚ｎｄを、
【数６】
ＳｉＯ２低屈折率層の光学膜厚ｎｄを、
【数７】
とするとよい。このように、斜め方向からの入射に対応させる場合についても、光学膜厚ｎｄ＝λ／４を基準として、入射角に応じて各層の光学膜厚を補正すれば、斜入射用の誘電体多層膜を好適に実現できる。
【００５９】
なお、斜入射の場合、光のＳ偏光成分およびＰ偏光成分に対する屈折率ｎＳ及びｎＰは、層内の屈折率をｎ、層内の入射角（屈折角）をθとして、
【数８】
となる。このように、各偏光成分によって層内における屈折率が異なるので、誘電体多層膜による反射率も異なる。図２１及び２２は、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分に対する誘電体多層膜の反射率の例を示すグラフである。なお、図２１はアルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２）を配置した場合（図５（ａ）参照）を示しており、図２２はアルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２）を配置した場合（図５（ｂ）参照）を示している。
【実施例４】
【００６０】
＜高屈折率層に様々な材料を用いた場合＞
高屈折率層の好適な構成材料としては、ＴｉＯ２の他に、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などがある。屈折率の値がそれぞれ異なるため誘電体多層膜の反射率の値も異なってくるが、いずれの材料を用いてもＴｉＯ２を用いた場合と同様の傾向がある。図２３及び図２４は、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２誘電体多層膜における分光反射特性を示すグラフである。図２３はアルミニウム基板上に第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示しており、図２４はアルミニウム基板上に第１の層として高屈折率層（Ｎｂ２Ｏ５、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を配置した場合を示している。これらの図に示すように、高屈折率層の構成材料をＮｂ２Ｏ５とした場合でも、低屈折率層（第１の層）をまず金属表面に形成し、次いで高屈折率層（第２の層）をその上に積層することにより、高屈折率層から積層し始める場合と比較して格段に少ない積層数で十分な反射率が得られることがわかる。
【実施例５】
【００６１】
＜実験による実証＞
市販の金属アルミニウムミラー上に、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２交互多層膜を真空蒸着法により成膜した。市販のアルミニウムミラーには、保護膜として光学膜厚２８０［ｎｍ］のＭｇＦ２膜が形成されている。図２５は、このアルミニウムミラーの分光反射率の測定結果を示すグラフである。なお、図２５には、比較のため、保護膜のないアルミニウム表面の反射率の計算値も破線で示されている。
【００６２】
そして、このアルミニウムミラーの表面に誘電体多層膜を形成した。積層の形態としては、アルミニウムミラーに接する第１の層として低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を形成し、その上に高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）及び低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を交互に積層し、積層数を４層とした。図２６に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図２６に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図２６に示すように、反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
【００６３】
また、比較例として、アルミニウムミラーに接する第１の層として高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を形成し、その上に低屈折率層（ＳｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）及び高屈折率層（ＴｉＯ２、光学膜厚１５０［ｎｍ］）を交互に積層し、積層数を５層とした。図２７に示す実線は、この誘電体多層膜の反射率を測定した結果を示すグラフである。また、図２７に示す破線は、この誘電体多層膜の反射率の計算結果を示すグラフである。図２７に示すように、こちらの形態においても反射率の実測値と計算値とがほぼ一致する結果となった。
【００６４】
本発明による反射型光変調装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では誘電体多層膜の低屈折率層の構成材料としてＳｉＯ２およびＭｇＦ２を例示したが、低屈折率層の構成材料は、屈折率が１．３５〜１．７５、より好ましくは１．３５〜１．５０の誘電体であれば他の材料であってもよい。また、上記実施形態では誘電体多層膜の高屈折率層の構成材料としてＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、及びＨｆＯ２を例示したが、高屈折率層の構成材料は、屈折率が１．７５〜２．５０、より好ましくは１．９０〜２．５０の誘電体であれば他の材料であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…反射型液晶装置、４…画素、１２…シリコン基板、１４…駆動回路層、１６…画素電極、１８，２８，５２…誘電体多層膜、１８ａ〜１８ｄ，２８ａ〜２８ｄ…低屈折率層、１８ｅ〜１８ｈ，２８ｅ〜２８ｈ…高屈折率層、２０…液晶層、２２…透明導電膜、２４…透明基板、３０…アルミニウム基板、３６，４６…保護膜、２８１…下層、２８２…上層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、
前記光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、
前記導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、
前記複数の画素電極と前記導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて前記光を変調する光変調層と、
前記複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜と
を備え、
前記誘電体多層膜は、
前記画素電極に接する第３の層と、
前記第３の層より屈折率が低く前記第３の層に接する第１の層と、
前記第１の層より屈折率が高く前記第１の層に接する第２の層と
を含み、
前記第３の層の光学膜厚が、前記光の波長をλとして（λ／２）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴とする、反射型光変調装置。
【請求項１】
前方より入射した光を反射しつつ、二次元配列された複数の画素毎に前記光を変調して光像を前方へ出力する反射型光変調装置であって、
前記光を透過する導電性材料を含む導電性光透過層と、
前記導電性光透過層に沿って二次元配列された金属製の複数の画素電極と、
前記複数の画素電極と前記導電性光透過層との間に配置され、各画素電極及び導電性光透過層により形成される電界に応じて前記光を変調する光変調層と、
前記複数の画素電極上に形成された誘電体多層膜と
を備え、
前記誘電体多層膜は、
前記画素電極に接する第３の層と、
前記第３の層より屈折率が低く前記第３の層に接する第１の層と、
前記第１の層より屈折率が高く前記第１の層に接する第２の層と
を含み、
前記第３の層の光学膜厚が、前記光の波長をλとして（λ／２）×ｎ（ｎは奇数）と実質的に等しいことを特徴とする、反射型光変調装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１２−１５０５１０（Ｐ２０１２−１５０５１０Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８７６３５（Ｐ２０１２−８７６３５）
【出願日】平成２４年４月６日（２０１２．４．６）
【分割の表示】特願２００７−９４６３４（Ｐ２００７−９４６３４）の分割
【原出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、ナノテクノロジープログラム／三次元光デバイス高効率製造技術、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月６日（２０１２．４．６）
【分割の表示】特願２００７−９４６３４（Ｐ２００７−９４６３４）の分割
【原出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、ナノテクノロジープログラム／三次元光デバイス高効率製造技術、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]