磁気光学式空間光変調器および磁気光学式撮像装置
【課題】高精細かつ高速応答を可能とし、光変調度を向上させた磁気光学式空間光変調器を提供する。
【解決手段】２次元配列された画素４に光変調素子５０を備える空間光変調器１であって、光変調素子５０は、２つのスピン注入光変調素子５，６を、それぞれの磁化反転層５３，６３の側を対向させて非磁性金属からなる接続層５５を挟んで備え、それぞれの磁化固定層５１，６１はその磁化方向が互いに反平行に固定される。上部電極２および下部電極３から供給される電流の向きに応じてスピン注入光変調素子５，６はスピン注入磁化反転するが、それぞれの磁化反転層５３，６３は同じ磁化方向を示すため、光変調素子５０に入射した光は、２層の磁化反転層５３，６３を透過することによりファラデー効果による旋光角（θＬｒ１，θＤｒ１）の変化が増大する。
【解決手段】２次元配列された画素４に光変調素子５０を備える空間光変調器１であって、光変調素子５０は、２つのスピン注入光変調素子５，６を、それぞれの磁化反転層５３，６３の側を対向させて非磁性金属からなる接続層５５を挟んで備え、それぞれの磁化固定層５１，６１はその磁化方向が互いに反平行に固定される。上部電極２および下部電極３から供給される電流の向きに応じてスピン注入光変調素子５，６はスピン注入磁化反転するが、それぞれの磁化反転層５３，６３は同じ磁化方向を示すため、光変調素子５０に入射した光は、２層の磁化反転層５３，６３を透過することによりファラデー効果による旋光角（θＬｒ１，θＤｒ１）の変化が増大する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を透過あるいは反射させた際に、磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調する空間光変調器と、この空間光変調器を利用した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられているが、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料が用いられた磁気光学式空間光変調器が開発されている（特許文献１〜４）。また、撮像装置（固体撮像装置）は、画素として撮像素子を用い、これを空間光変調器と同様に２次元アレイ状に配列している。この撮像素子としては、従来よりＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ等が用いられている。
【０００３】
磁気光学式空間光変調器においては、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向の違いにより、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差が生じる。光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する方法（特許文献１〜３）や、光変調素子にスピンを注入する方法（特許文献４、非特許文献１）がある。さらに、特許文献３には、選択された画素で磁化方向の反転が確実に起きるように、画素の両側に配線を設けて電流を供給する等の技術が記載されている。また、特許文献４には、サイズが異なる複数の光変調素子を面内に並べて１画素を形成し、高速応答で、光を明暗およびその中間状態の明るさに変調できる空間光変調器が提案されている。また、非特許文献１においては、サイズが同じ複数のスピン注入磁化反転素子を面内に並べて１画素を形成し、磁気光学カー効果を測定することによって電流パルスによる光変調動作を検証する実験が報告されている。
【０００４】
また、画素毎に磁界印加やスピン注入のための電流を供給するため、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）等の透明電極を使用して、光が電極を透過して光変調素子に入射するようにしたり（特許文献４、非特許文献１）、金属電極を画素間に張り巡らせて光変調素子への光を遮らないようにした空間光変調器（特許文献１〜３）が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１０７６８４号公報（段落００３３〜００３５、図４）
【特許文献２】特開２００６−３８９４４号公報（請求項１、図１）
【特許文献３】特開２００６−１５４７２７号公報（請求項１、図１，２）
【特許文献４】特開２００８−６４８２５号公報（請求項１、図３）
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載された空間光変調器では、ＸＹ駆動ラインをピクセルの外周に沿って配する構造となっているために、数μｍ以下の微細な画素を形成することが困難であり、また、電流による合成磁界を利用するために、画素のいっそうの微細化を行うと隣接画素へのクロストークが大きくなるという問題がある。
【０００６】
これに対して、特許文献４や非特許文献１に記載されたスピン注入により磁化方向を変化させる光変調素子（スピン注入光変調素子）による空間光変調器は、光変調素子の上下に接続した一対の電極（配線）により膜面に垂直に電流を供給するため、画素の微細化に対応できるものである。その一方で、特許文献４および非特許文献１は、膜厚方向に１つのスピン注入光変調素子しか用いていないために、明暗のコントラストが十分に得られておらず、改良の余地がある。すなわち、光変調素子としては、光変調度が大きい、すなわち偏光の向きの変化（旋光）が大きいことが望まれる。そして、旋光角は、磁性体の材料の種類、入射光の波長、磁化方向に対する光の入射角等に依存し、さらに光が透過する磁性体の光路長に比例する。しかし、従来のスピン注入光変調素子において、磁化方向の変化する層（磁化反転層）は、その膜厚が数〜１０数ｎｍ程度である。このような薄い磁性体では、光を大きく旋光させることは困難である。
【０００７】
また、撮像装置（固体撮像装置）においては、高精細な画像を得るために、空間光変調器と同様に画素すなわち撮像素子の微細化が進められ、同時に、撮像素子の搭載数が増大するので高速応答も要求されている。これらの要求に対応するためには、前記のスピン注入光変調素子を撮像素子とする磁気光学式撮像装置が有効であるが、空間光変調器と同様に光変調度が大きいことが望ましい。
【０００８】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入磁化反転する光変調素子を画素に適用することにより、高精細かつ高速応答を可能とすると共に、光変調度を向上させた磁気光学式空間光変調器および磁気光学式撮像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】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明者らは、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory：磁気抵抗メモリ）で、小さい電流で磁化反転させるために適用されている二重スピン注入磁化反転素子を適用し、２つの磁化反転層を光路長方向に積層して、透過した光を大きく旋光させる思想に至った。
【００１０】
すなわち、請求項１に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、接続層を挟んで２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極とを備え、前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて前記接続層を挟んで積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２つのスピン注入磁化反転素子をそれぞれの磁化反転層を対向させるように積層して備え、それぞれの磁化固定層の磁化を互いに反平行に固定することで、磁化方向が常に同じとなる２層の磁化反転層を備える。そして、入射した光がそれぞれの磁化反転層で同じ向きに旋光して透過するので、２層の磁化方向の同時反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。また、それぞれの磁化反転層が接続層で分離されているため、１つのスピン注入磁化反転素子が磁化反転に要する電流と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。
【００１２】
また、請求項２に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極とを備え、前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２つのスピン注入磁化反転素子をそれぞれの磁化反転層を対向させるように積層して備え、それぞれの磁化固定層の磁化を互いに反平行に固定することで、磁化方向が常に同じとなる２層の磁化反転層を備える。そして、入射した光がそれぞれの磁化反転層で同じ向きに旋光して透過するので、２層の磁化方向の同時反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。また、光変調素子を構成する層の数を最小限とすることにより、光の減衰が抑制される。
【００１４】
また、請求項３に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極とを備え、前記光変調素子は、前記下部電極の側から、第２の磁化固定層、第２の中間層、磁化反転層、第１の中間層、第１の磁化固定層、の順に積層されてなり、前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定され、前記磁化反転層はスピン注入により磁化反転することを特徴とする。
【００１５】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２層の磁化固定層を備えることで、その間の磁化反転層は小さい電流で磁化反転し易くなるので小さい電流で駆動することができる。または、１層の磁化固定層を備える場合より厚い磁化反転層としても、同程度の電流で磁化反転し、入射した光がこのような厚い磁化反転層を透過する際に大きく旋光するので、磁化方向の反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。
【００１６】
さらに、請求項４に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極および前記下部電極が透明電極を有し、前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成により、出射光の光量の減衰が抑制された透過型の磁気光学式空間光変調器となる。
【００１８】
さらに、請求項５に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極および前記下部電極が、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする。
【００１９】
かかる構成により、光路となる部分に透明電極を設けて入射光および出射光を遮らずに、低抵抗の金属電極を用いることができる。
【００２０】
また、請求項６に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極が透明電極を有し、前記下部電極が金属電極からなり、前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする。
【００２１】
かかる構成により、出射光の光量の減衰が抑制された反射型の磁気光学式空間光変調器となる。
【００２２】
さらに、請求項７に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極が、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、前記下部電極が金属電極からなり、前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする。
【００２３】
かかる構成により、光路となる部分に透明電極を設けて入射光および出射光を遮らずに、低抵抗の金属電極を用いることができる。
【００２４】
また、請求項８に係る磁気光学式撮像装置は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器に、さらに、前記画素選択手段が選択した画素から出射した光を透過させる偏光子と、この偏光子を透過した光を電荷に変換する光電変換手段と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、を備え、前記上部電極側から入射した被写体光を撮像する構成である。
【００２５】
かかる構成により、磁気光学式撮像装置は、２層の磁化反転層または厚く形成した磁化反転層を備え、被写体を反射して磁気光学式撮像装置に入射した被写体光がこのような磁化反転層を透過する際に大きく旋光するので、磁化方向の反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１、請求項２、および請求項３に係る磁気光学式空間光変調器によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズ（青色：４００ｎｍ）の高精細と、原理的に数ｐｓ程度となる高速応答とを同時に可能とする画素を備え、選択画素−非選択画素間の出射光の旋光角の差が増大し、光変調度が向上して所望の画素から的確に出射光を取り出せる。
【００２７】
請求項４に係る磁気光学式空間光変調器によれば、光変調度が向上し、また透過型とすることができる。請求項５に係る磁気光学式空間光変調器によれば、さらに応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきを低減することができる。
【００２８】
請求項６に係る磁気光学式空間光変調器によれば、光変調度が向上し、また反射型とすることができる。請求項７に係る磁気光学式空間光変調器によれば、さらに応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきを低減することができる。
【００２９】
また、請求項８に係る磁気光学式撮像装置によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズの高精細と、原理的に数ｐｓ程度となる高速応答による高速走査とを同時に可能とする画素を備え、選択画素−非選択画素間の出射光の旋光角の差が増大し、選択された画素のみからの出射光を的確に電荷として得られる画素の走査性に優れた磁気光学式撮像装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る磁気光学式空間光変調器および磁気光学式撮像装置（以下、適宜、空間光変調器および撮像装置という）を実現するための最良の形態について、図を参照して説明する。
【００３１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。なお、本明細書における平面（上面）は、空間光変調器の光の入射面である。また、平面視での縦、横は、図１における縦、横をそれぞれ示す。図２は本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素の、一部を切り欠いた拡大斜視図である。以下に、本発明に係る空間光変調器を構成する各要素について説明する。
【００３２】
空間光変調器１は、図１に示すように、基板７１（図２参照）上に２次元アレイ状に配列された画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する駆動制御部８０と、を備える。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
【００３３】
図１に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２，２，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３，３，…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。したがって、画素４は、空間光変調器１の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、５行×５列の２５個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図１および図２に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた光変調素子５０を備える。また、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５０，５０間、および下部電極３，３間、すなわち図２の空白部分は、絶縁部材７２で埋められている。
【００３４】
図１に示すように、駆動制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２，８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００３５】
上部電極選択部８２は、上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は、下部電極３の１つ以上を選択し、それぞれに電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２，３を電極選択部８２，８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる光変調素子５０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５０に、所定の電流が供給されて磁化反転させる。なお、図１において、電源８１は、電極２，３のそれぞれ一端に電極選択部８２，８３を介して接続されているが、両端に接続されていてもよい。両端に接続されることにより、応答速度を上げ、画素間の動作ばらつきも低減できる。
【００３６】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素の構成の詳細を図１、図２、および図３を参照して説明する。図３は第１実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【００３７】
図１および図２に示すように、上部電極２は、光変調素子５０の上に配され、横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５０に電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調素子５０の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５０に電流を供給する。上部電極２は、光変調素子５０への入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は、上方（上部電極２側）から光変調素子５０を透過して到達した光を再び上方へ出射させるため、反射率の高い金属電極材料で構成される。
【００３８】
上部電極２のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子５０との間に金属膜を設けることが好ましい。したがって、本実施形態に係る画素４の上部電極２は、図２および図３に示すように、透明電極材料からなる透明電極２ａと、この透明電極２ａと光変調素子５０との間に積層された金属膜である下地層２ｂと、からなる。透明電極２ａと光変調素子５０との間に金属膜である下地層２ｂを介在させることで、金属電極材料より抵抗が大きい透明電極材料においても、上部電極２−光変調素子５０間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００３９】
透明電極２ａは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００４０】
下地層２ｂを構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等公知の方法により成膜される。そして、下地層２ｂとその上の層すなわち透明電極２ａとの密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層２ｂとなる金属膜は、透明電極２ａとなる透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。連続して成膜された膜は、一緒に加工されることが多いため、図２および図３に示すように、下地層２ｂは透明電極２ａと同じ平面視形状となるが、例えば光変調素子５０と同じ平面視形状であってもよい。詳細は、画素４の製造方法において説明する。下地層２ｂの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層２ｂの好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００４１】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなる。そして、スパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により前記帯状に形成される。また、下部電極３の下に金属膜（図示せず）を設けてもよい。これは、基板７１と下部電極３との密着性をよくするためであり、金属膜と下部電極３用の金属電極材料とは連続して成膜して、一緒に成形する。金属膜の材料および厚さは、上部電極２の下地層２ｂに倣う。
【００４２】
基板７１は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。絶縁部材７２は、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５０，５０間、および下部電極３，３間（図３不図示）に配され、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等からなる。
【００４３】
光変調素子５０は、図１および図２に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２，３に上下から挟まれて接続されている。光変調素子５０の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４につき１個の光変調素子５０が配されているが、例えば１つの画素４に面方向で（２×２）個等、複数の光変調素子５０を備えてもよい。図３に示すように、光変調素子５０は、下部電極３の上に、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、接続層５５、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４の順に積層されてなる。そして、第１固定層５１、第１中間層５２、および第１反転層５３は第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５を構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および第２反転層６３は第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）６を構成する。すなわち光変調素子５０は、第１スピン注入光変調素子５と第２スピン注入光変調素子６とを接続層５５を挟んで備え、さらにその微細加工におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層５４を備える。光変調素子５０の各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法によりそれぞれ成膜されて積層され、電子線リソグラフィ等により前記形状に加工される。
【００４４】
第１、第２スピン注入光変調素子５，６は、それぞれがＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子等の公知のスピン注入磁化反転素子である。ただし、第１スピン注入光変調素子５は第１反転層（磁化反転層）５３の側が下に、第２スピン注入光変調素子６は第２反転層（磁化反転層）６３の側が上になるように積層して、それぞれの磁化反転層同士を対向させた構成とする。第１、第２固定層（磁化固定層）５１，６１および第１、第２反転層５３，６３は強磁性体であり、これら４層のすべてが面内磁気異方性を有する材料で構成される。そして、第１、第２固定層５１，６１は磁化方向が固定されており、すべての画素４（画素アレイ４０）において第１固定層５１の磁化は面内方向における一方向に揃えられ、第２固定層６１の磁化は第１固定層５１の磁化と逆方向に揃えられている。一方、第１、第２反転層５３，６３の磁化方向はスピン注入によって容易に面内方向で回転（反転）させることができる。固定層５１，６１と反転層５３，６３の間に設けられる中間層５２，６２は、第１、第２スピン注入光変調素子５，６がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば非磁性の導体、ＴＭＲ素子であれば絶縁体で形成される。以下に、光変調素子５０を構成する各層の詳細を説明する。
【００４５】
第１固定層５１（磁化固定層）は、強磁性金属（ＦＭ）や磁性半導体からなり、その厚さは数〜数１０ｎｍである。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＦＭ／ＰｔＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＰｔＭｎ（シンセティックピン層、積層フェリ構造）のような多層膜、さらにＩｒＭｎ等の磁化固着層を上層に設けたＦＭ／ＩｒＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＩｒＭｎが挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ１−ｘＦｅｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ１−ｘＭｎｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III−Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、ＴｉＯを母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。なお、第１固定層５１は、特に厚さが１０数ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成し、ＺｎＯ，ＴｉＯを母体とする磁性半導体が好ましい。
【００４６】
第１中間層５２（中間層）は、第１固定層５１と第１反転層５３との間に積層される。第１スピン注入光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、第１中間層５２は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜１．５ｎｍである。また、第１スピン注入光変調素子５がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、第１中間層５２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔのような非磁性金属からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。
【００４７】
第１反転層５３（磁化反転層）は、強磁性金属や磁性半導体からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含むＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ等の合金、これらの材料の２種以上からなる積層膜、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ（シンセティックフリー層、積層フェリ構造）が挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ１−ｘＦｅｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ１−ｘＭｎｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III−Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。
【００４８】
前記の通り、第２スピン注入光変調素子６は、構成する各層の積層される順序が逆である以外は、第１スピン注入光変調素子５と同じ構成である。したがって、その材料および膜厚等は、第２固定層６１は第１固定層５１に、第２中間層６２は第１中間層５２に、第２反転層６３は第１反転層５３にそれぞれ倣い、説明は省略する。ただし、第２固定層６１において、その磁化方向を固定するための磁化固着層（ＩｒＭｎ等）は下層に設ける。なお、第２スピン注入光変調素子６のそれぞれの層は第１スピン注入光変調素子５の材料および膜厚と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。特に、第２固定層６１は、第１固定層５１と異なり反射率の高くなるような材料および膜厚で構成してもよい。また、第１、第２スピン注入光変調素子５，６の一方がＣＰＰ−ＧＭＲ素子で、他方がＴＭＲ素子であってもよい。ただし、異なる材料、膜厚とする場合、光変調素子５０を駆動する（磁化反転させる）際に、第１反転層５３と第２反転層６３とが同時に磁化反転するような電流を供給する。
【００４９】
接続層５５は、第１スピン注入光変調素子５と第２スピン注入光変調素子６、すなわち第１反転層５３と第２反転層６３を電気的に接続するための層であり、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性金属からなる。接続層５５の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射光の光量を減衰させる。したがって、接続層５５の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００５０】
保護層５４は、光変調素子５０の微細加工におけるダメージから第１固定層５１を保護するために設けられ、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射光の光量を減衰させる。したがって、保護層５４の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００５１】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７１の表面に、金属電極材料をスパッタリング法等により成膜し、フォトリソグラフィ等によりストライプ状に形成して下部電極３とする。そして、下部電極３，３間にＳｉＯ２等の絶縁膜（絶縁部材７２となる）を堆積させる。
【００５２】
次に、光変調素子５０を形成する。下部電極３（および絶縁部材７２）の上面に、連続して、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、接続層５５、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４を、それぞれ成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィ等により所望の形状に加工して光変調素子５０とする。この上から絶縁膜を成膜して光変調素子５０，５０間に堆積させ、エッチングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）等により光変調素子５０の上の絶縁膜を除去して絶縁部材７２とする。または、電子線リソグラフィ等で形成した光変調素子５０上に電子線レジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、その後レジストとその上の絶縁膜を同時に除去するリフトオフ法を用いてもよい。なお、下部電極３，３間の絶縁部材７２は、光変調素子５０の形成後に、光変調素子５０，５０の間への堆積と同時に堆積してもよい。また、第２固定層６１から保護層５４を成膜後、これらの８層を成形せず（光変調素子５０，５０間に絶縁部材７２を堆積させず）、光変調素子５０とする領域以外に窒素等のイオンを上から注入してこれら８層を絶縁化してもよい。
【００５３】
次に、上部電極２を形成する。光変調素子５０および絶縁部材７２の表面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に加工して上部電極２（下地層２ｂ、透明電極２ａ）とする。最後に、上部電極２，２間に絶縁部材７２を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。
【００５４】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を、図４および図５を参照して説明する。図４は、第１実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。図５は第１実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための断面模式図である。電極２，３は、前記の通り、駆動制御部８０に接続される。また、図４に示すように、第１実施形態に係る空間光変調器１の画素４（画素アレイ４０）の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１と、画素アレイ４０から出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とが配置される。なお、図４および図５において、光変調素子５０の保護層５４は図示を省略する。
【００５５】
まず、図４を参照して、空間光変調器１の動作を説明する。光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の上方の入射偏光フィルタ９１を透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５０に入射し、当該光変調素子５０またはその下の下部電極３で反射して、光変調素子５０から出射偏光として出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器９４に入射される。偏光フィルタ９１，９２はそれぞれ偏光板等であり、検出器９４はスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００５６】
ここで、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素における光変調素子の磁化方向とこの光変調素子に入射した光の旋光について、図５を参照して説明する。なお、図５では、光変調素子５０を透過した偏光の旋光角について説明する。前記した通り、本実施形態の光変調素子５０の第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。そして、第１、第２固定層５１，６１は面内磁気異方性材料で構成されているので、図５では、第１固定層５１の磁化を右方向、第２固定層６１の磁化を左方向の矢印で示す。
【００５７】
スピン注入磁化反転素子は、電流供給によりスピン注入されることによって、磁化反転層の磁化方向を１８０°回転（スピン注入磁化反転）させて磁化固定層の磁化方向に対して平行（同方向）または反平行（逆方向）とする。以下、スピン注入磁化反転素子において、磁化固定層の磁化方向に対して、磁化反転層の磁化方向が同方向であることを、スピン注入磁化反転素子の磁化配置が平行である（Ｐ：Parallel）といい、磁化反転層の磁化方向が逆方向であることを、スピン注入磁化反転素子の磁化配置が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。そして、本発明の光変調素子５０に、図５（ａ）に示すように、電流を下向きに供給、すなわち上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にすると、第１スピン注入光変調素子５においては、第１固定層５１側から電流が流れる。このとき、第１スピン注入光変調素子５の磁化配置は反平行（ＡＰ）となって、第１反転層５３の磁化は第１固定層５１の磁化と逆の左方向になる。一方、第２スピン注入光変調素子６においては、第２反転層６３側から電流が流れ、このとき、第２スピン注入光変調素子６の磁化配置は平行（Ｐ）となって、第２反転層６３の磁化は第２固定層６１の磁化と同じ左方向になる。反対に、図５（ｂ）に示すように、電流を上向きに供給、すなわち上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にすると、第１スピン注入光変調素子５の磁化配置は平行（Ｐ）となって、第１反転層５３の磁化は第１固定層５１の磁化と同じ右方向に、第２スピン注入光変調素子６の磁化配置は反平行（ＡＰ）となって、第２反転層６３の磁化は第２固定層６１の磁化と逆の右方向になる。
【００５８】
したがって、図５（ａ）、（ｂ）いずれの電流方向においても、第１反転層５３の磁化と第２反転層６３の磁化は同じ方向となる。また、第１反転層５３と第２反転層６３を非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３，６３内に束縛された電子スピンの交換結合が切断されて、それぞれの反転層５３，６３を磁化反転し易くすることができる。したがって、反転層５３，６３の各層を従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。なお、第１、第２スピン注入光変調素子５，６のそれぞれの磁化配置が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは反転層５３，６３の磁化方向は変化（回転）しない。このように、スピン注入光変調素子において電流供給のないときは磁化が保持されるため、光変調素子５０に供給する電流は、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を適用できる。
【００５９】
光変調素子５０は磁性体を積層して構成されるので、光変調素子５０を透過した光は、ファラデー効果により所定角度で旋光する。光変調素子５０における磁性体である第１固定層５１、第１反転層５３、第２反転層６３、第２固定層６１の各層のファラデー旋光角（以下、適宜、旋光角）をそれぞれ、θＦpin1，θＦfree1，θＦfree2，θＦpin2とし、図５において右方向の磁化を示す層を透過した偏光が正方向に回転すると定義する。電流を下向きに供給された光変調素子５０（図５（ａ））を透過した光の旋光角θＬｔ１は、（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2−θＦpin2）となる。反対に、電流を上向きに供給された光変調素子５０（図５（ｂ））を透過した光の旋光角θＤｔ１は、（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2−θＦpin2）となる。さらに、第１固定層５１と第２固定層６１の旋光角、第１反転層５３と第２反転層６３の旋光角が、それぞれ同等となるように光変調素子５０を構成して（例えば、同じ材料で同じ膜厚）、θＦpin1＝θＦpin2＝θＦpin、θＦfree1＝θＦfree2＝θＦfreeとした場合、光変調素子５０を透過した光の旋光角は、θＬｔ１≒−２θＦfree、θＤｔ１≒２θＦfreeと近似できる。このように、１つの画素が、磁化が回転する層を２層備え、かつ２層が互いに同じ磁化方向を示すので、旋光角θＬｔ１，θＤｔ１それ自体がいずれの向きの電流を供給されても大きく、さらに、磁化反転による旋光角の差｜θＤｔ１−θＬｔ１｜＝２（θＦfree1＋θＦfree2）≒４θＦfreeも大きい。
【００６０】
図４の説明に戻る。左側の画素４における光変調素子５０は、図５（ａ）に示すように下向きに電流が供給されて、反転層５３，６３は左方向の磁化を示している。一方、右側の画素４における光変調素子５０は、図５（ｂ）に示すように上向きに電流が供給されて、反転層５３，６３は右方向の磁化を示している。ここで、本実施形態に係る空間光変調器１は反射型の空間光変調器であり、画素４からの出射偏光は、光変調素子５０内または下部電極３表面で反射して出射したものである。入射偏光が下部電極３で反射する場合、入射偏光は、光変調素子５０の各層をすべて（保護層５４〜第２固定層６１）透過して、下部電極３の上面で反射して折り返し、再び光変調素子５０の各層を透過して出射する。このとき、画素４からの出射偏光の旋光角は、θＬｒ１＝２θＬｔ１＝２（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2−θＦpin2）、θＤｒ１＝２θＤｔ１＝２（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2−θＦpin2）となる。一方、入射偏光が光変調素子５０内で反射する場合、例えば第２固定層６１が反射率の高い材料からなる場合は、入射偏光は、光変調素子５０の第２中間層６２まで透過し、第２中間層６２と第２固定層６１との界面で反射して折り返して出射する。このとき、光変調素子５０の第２固定層６１のカー旋光角をθＫpin2とすると、画素４からの出射偏光の旋光角は、θＬｒ１＝２（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2）−θＫpin2、θＤｒ１＝２（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2）−θＫpin2となる。このように、光変調素子５０の各層の透過率、反射率によって、画素４からの出射偏光の旋光角θＬｒ１，θＤｒ１の大きさは異なるが、いずれの場合も磁化が変化する反転層５３，６３をそれぞれ２回透過して出射しているので、磁化反転による旋光角の差｜θＤｒ１−θＬｒ１｜＝４（θＦfree1＋θＦfree2）は共通する。このように、本実施形態の画素４は、電流の向きによる出射偏光の差が、磁化反転層を１層のみ備える従来のスピン注入光変調素子で構成された画素における差より大きい。
【００６１】
入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した図４の左側の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２を透過して検出器９４に到達するので、この画素４は明るく（白く）検出器９４に表示される。一方、右側の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この画素４は暗く（黒く）、検出器９４に表示される。このように、画素毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１の初期状態としては、すべての画素４からの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過せず「暗」状態となるように、すべての画素４の光変調素子５０に上向きの電流を供給すればよい（図５（ｂ））。
【００６２】
ここで、磁気光学効果は、光の入射角が磁気光学材料の磁化方向に対して平行に近いほど大きい。したがって、面内磁気異方性を有する光変調素子５０においては、光（入射偏光）の入射角を、膜面に対して、すなわち画素アレイ４０に対して平行（入射角０°）に近くするほど、旋光角θＬｒ１，θＤｒ１および両旋光角の差を大きくすることができる。しかし、画素アレイ４０の構造上、光が光変調素子５０の上面から入射するためには、入射角にある程度の傾斜が必要である。したがって、空間光変調器１における画素４への光の入射角は、動作時における光変調素子５０の反転層５３，６３の磁化方向すなわち固定層５１，６１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましく、図４に示すように、本実施形態の空間光変調器１は、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。また、入射偏光、出射偏光共に光路が画素アレイ４０の上方にあるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は入射偏光の光路を遮らない位置に、光源９３および入射偏光フィルタ９１は出射偏光の光路を遮らない位置に、それぞれ配置される。
【００６３】
以上のように、第１実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。そして、選択画素−非選択画素間で旋光角の差が従来の反射型空間光変調器よりも大きいため、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた反射型空間光変調器となる。
【００６４】
（第１実施形態の変形例）
本発明の第１実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素の構成を、図６および図７を参照して説明する。図６は第１実施形態の変形例に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。図７は第１実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図３、図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図６に示すように、第１実施形態の変形例の画素４における光変調素子５０Ｂは、下部電極３の上に、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４の順に積層されてなる。そして、第１実施形態と同様に、第１固定層５１、第１中間層５２、および第１反転層５３は第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５を構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および第２反転層６３は第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）６を構成する。なお、図７では光変調素子５０Ｂの保護層５４は省略する。
【００６５】
第１実施形態の光変調素子５０は、第１、第２スピン注入光変調素子５，６を、接続層５５を介して積層した構造であるが、第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂは、この接続層５５を備えず、第１スピン注入光変調素子５の反転層５３と第２スピン注入光変調素子６の反転層６３とが接続されるように積層したものである。
【００６６】
光変調素子５０Ｂの各層の材料、膜厚等は第１実施形態の光変調素子５０と同様であるので説明は省略する。また、本実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法についても、接続層５５を積層しないこと以外は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。そして、光変調素子５０Ｂにおいても、固定層５１，６１および反転層５３，６３は面内磁気異方性材料で構成されており、第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。したがって、電流の供給による第１、第２スピン注入光変調素子５，６の磁化反転は、第１実施形態の光変調素子５０におけるものと同様であるので、説明は省略する（図５参照）。
【００６７】
また、図７に示すように、第１実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ａは、画素４に光変調素子５０Ｂを備えること以外は第１実施形態に係る空間光変調器１と同じ構成であり、その画素選択の動作も第１実施形態と同様である。さらに、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｂによる出射偏光の旋光も第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６８】
以上のように、第１実施形態の変形例によれば、第１実施形態と同様に、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。また、第１実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００６９】
［第２実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図８は第２実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図４と同様、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂは、画素４に光変調素子５０Ａを備える。光変調素子５０Ａは、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、接続層５５を挟んで、第１スピン注入光変調素子５Ａ、第２スピン注入光変調素子６Ａを備えるが、それぞれの固定層５１Ａ，６１Ａおよび反転層５３Ａ，６３Ａは、４層すべてが垂直磁気異方性を有する材料で構成される。また、光変調素子５０Ａにおいて、保護層５４は、図４と同様に図示を省略するが、第１実施形態の光変調素子５０と同じく最上層に積層される（図３参照）。
【００７０】
第１スピン注入光変調素子５Ａにおいて、第１固定層５１Ａは強磁性金属からなり、その厚さは光を十分透過するように、数〜１０数ｎｍとする。また、第１反転層５３Ａも強磁性金属からなり、その厚さは１５ｎｍ以下である。第１固定層５１Ａ、第１反転層５３Ａを構成する強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、［Ｆｅ／Ｐｔ］×ｎ、［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金がそれぞれに適用でき、第１反転層５３ＡにはさらにＭｎＢｉが適用できる。また、第１固定層５１Ａの保磁力が、第１反転層５３の保磁力より大きくなるような構成にする。第２スピン注入光変調素子６Ａは、構成する各層の積層される順序が逆である以外は、第１スピン注入光変調素子５Ａと同じ構成である。したがって、その材料および膜厚等は、第２固定層６１Ａは第１固定層５１Ａに、第２反転層６３Ａは第１反転層５３Ａにそれぞれ倣う。また、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、第２スピン注入光変調素子６Ａのそれぞれの層は第１スピン注入光変調素子５Ａの材料および膜厚と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。特に、第２固定層６１Ａは、１０数ｎｍを超える厚さとして反射率の高い層にして、入射偏光がその表面（第２中間層６２と第２固定層６１Ａとの界面）で反射する構成としてもよい。
【００７１】
光変調素子５０Ａの固定層５１Ａ，６１Ａの各磁化方向は面内方向に対して垂直であり、第１実施形態と同様に、第１固定層５１Ａの磁化と第２固定層６１Ａの磁化は互いに逆方向に固定されるので、第２実施形態では図８に示すように、第１固定層５１Ａの磁化は下方向に、第２固定層６１Ａの磁化は上方向に、それぞれ固定されている。一方、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は、上方向または下方向を示すように、スピン注入によって反転させることができる。したがって、電流を下向きに供給したときは、第１実施形態と同様に第１スピン注入光変調素子５Ａは磁化配置が反平行（ＡＰ）に、第２スピン注入光変調素子６Ａは磁化配置が平行（Ｐ）になるように、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は共に上方向を示す。反対に、電流を上向きに供給したときは、第１スピン注入光変調素子５Ａは磁化配置が平行（Ｐ）に、第２スピン注入光変調素子６Ａは磁化配置が反平行（ＡＰ）になるように、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は共に下方向を示す。また、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、第１反転層５３Ａと第２反転層６３Ａを非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３Ａ，６３Ａの各層を従来の垂直磁気異方性を有するスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。
【００７２】
各層の磁化方向が面内方向に垂直である光変調素子５０Ａにおいても、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、光変調素子５０Ａの各層（固定層５１Ａ，６１Ａ、反転層５３Ａ，６３Ａ）を透過した光はファラデー効果により旋光し、第１、第２スピン注入光変調素子５Ａ，６Ａの磁化反転により、光変調素子５０Ａから出射した偏光の旋光角は変化する。
【００７３】
第２実施形態の空間光変調器１Ｂにおいては、光変調素子５０Ａの各層の磁化方向に平行に光が入射するように、図８に示すように画素４への入射角を９０°として、画素４からの出射光の旋光角θＬｒ３，θＤｒ３を最大とすることができる。したがって、光源９３、入射偏光フィルタ９１を画素アレイ４０の直上に配することが好ましい。この場合、出射偏光（反射光）の光路も入射偏光の光路と同じ画素４の直上である。そこで、空間光変調器１Ｂの画素アレイ４０と入射偏光フィルタ９１の間にハーフミラー９５を配置して、出射偏光のみ側方へ反射させて光路を変え、その先に出射偏光フィルタ９２および検出器９４を配置する。このような構成とすることで、垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子によっても反射型の空間光変調器とすることが可能となる。
【００７４】
以上のように、第２実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。さらに、スピン注入光変調素子に垂直磁気異方性材料を適用することで、磁化方向と平行に光を画素に入射することが容易にできるので、選択画素−非選択画素間で旋光角の差がいっそう大きくなって、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた反射型空間光変調器となる。
【００７５】
（第２実施形態の変形例）
さらに、図９を参照して、本発明の第２実施形態の変形例について説明する。図９は第２実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第２実施形態（図８参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図９に示すように、第２実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｃは、画素４に光変調素子５０Ｃを備えること以外は第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂと同じ構成である。光変調素子５０Ｃは、第２実施形態の光変調素子５０Ａを構成する第１スピン注入光変調素子５Ａ、第２スピン注入光変調素子６Ａを、第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂと同様に、間に接続層５５を備えずに積層したものである。また、光変調素子５０Ｃにおいて、保護層５４は図示を省略するが、光変調素子５０Ｂと同じく最上層に積層される（図６参照）。
【００７６】
光変調素子５０Ｃの各層の材料、膜厚等は第２実施形態の光変調素子５０Ａと同様であるので説明は省略する。また、固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も光変調素子５０Ａと同様であり、したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｃによる出射偏光の旋光も第２実施形態と同様である。
【００７７】
以上のように、第２実施形態の変形例によれば、第２実施形態と同様に垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子を用いることで、光変調度をさらに向上させた反射型空間光変調器となる。また、第２実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００７８】
［第３実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は第３実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第１実施形態の空間光変調器１は反射型であるのに対し、第３実施形態の空間光変調器１Ｄは透過型である。
【００７９】
空間光変調器１Ｄは、画素４Ａに、上部電極２と同様に透明電極材料で構成された下部電極３Ａを備える。上部電極２から入射して光変調素子５０を透過した光は、下部電極３Ａ、さらに透明な基板７１Ａを透過して画素４Ａから出射する。したがって、図１０に示すように、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は、空間光変調器１Ｄの画素アレイ４０の下方に配置される。
【００８０】
下部電極３Ａは、第１実施形態の下部電極３と同様に帯状であるが、光変調素子５０を透過した出射偏光をさらに透過するように、上部電極２の透明電極２ａと同様に、公知の透明電極材料からなる。そして、上部電極２と同様に、光変調素子５０との間に金属膜からなる下地層を備えて接触抵抗を小さくすることが好ましい（図示せず）。これらの構成は、それぞれ上部電極２の透明電極２ａおよび下地層２ｂと同様であるため、説明は省略する。ただし、画素４Ａの製造において、下部電極３Ａの下地層となる金属膜と、その上の光変調素子５０となる各層は、連続して成膜されることが好ましいため、下部電極３Ａの透明電極部分を形成して、その間に絶縁部材７２を堆積させてから、下部電極３Ａの下地層と光変調素子５０を形成する。また、第３実施形態の基板７１Ａは、画素４Ａ（上部電極２、光変調素子５０、下部電極３Ａ）を透過した光がさらに下方へ照射されるように、透明な材料からなり、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等からなる。
【００８１】
画素４Ａに備えられた光変調素子５０は、第１実施形態に係る空間光変調器１の画素４に備えられたものであり、光変調素子５０における固定層５１，６１の磁化方向および電流の供給による反転層５３，６３の磁化反転も、第１実施形態と同様である（図５参照）ため、説明を省略する。ただし、第２固定層６１は、第１固定層５１と同様に、特に厚さが１０数ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成して、光を透過するようにする。第３実施形態に係る透過型空間光変調器１Ｄにおける画素４Ａからの出射光は、画素４Ａ（光変調素子５０）を透過して旋光するので、選択−非選択画素の出射偏光の旋光角θＤｔ１，θＬｔ１は、図５を参照して説明した通りである。そして、第１実施形態において説明したように、第１反転層５３と第２反転層６３を非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３，６３の各層を従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。したがって、従来のスピン注入光変調素子による透過型の空間光変調器に比べて出射偏光の旋光角を大きくすることができる。
【００８２】
また、空間光変調器１Ｄにおける画素４Ａへの光の入射角も、第１実施形態の反射型空間光変調器１と同様に、光変調素子５０の固定層５１，６１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましい。したがって、図１０に示すように、第３実施形態の空間光変調器１Ｄは、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。
【００８３】
以上のように、第３実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。そして、選択画素−非選択画素間で旋光角の差が従来の透過型空間光変調器よりも大きいため、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた透過型空間光変調器となる。
【００８４】
（第３実施形態の変形例）
さらに、図１１を参照して、本発明の第３実施形態の変形例について説明する。図１１は第３実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第３実施形態（図１０参照）および第１実施形態の変形例（図６、図７参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１１に示すように、第３実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｅは、画素４Ａに光変調素子５０Ｂを備えること以外は第３実施形態に係る空間光変調器１Ｄと同じ構成である。光変調素子５０Ｂは、第１実施形態の変形例に適用されたものであり、固定層５１，６１の磁化方向および電流の供給による反転層５３，６３の磁化反転も、第１実施形態の変形例および第３実施形態におけるものと同様である。したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｂによる出射偏光の旋光は第３実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００８５】
以上のように、第３実施形態の変形例によれば、第３実施形態と同様に、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。また、第３実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００８６】
［第４実施形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。図１２は第４実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第２実施形態（図８参照）および第３実施形態（図１０参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第４実施形態の空間光変調器１Ｆは、第３実施形態の空間光変調器１Ｄと同様に、画素４Ａに透明電極材料で構成された下部電極３Ａを備える透過型の空間光変調器であり、また、第２実施形態と同じ垂直磁気異方性材料で構成された光変調素子５０Ａを備える。
【００８７】
画素４Ａに備えられた光変調素子５０Ａは、第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂの画素４に備えられたものであり、光変調素子５０Ａにおける固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も、第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。ただし、第２固定層６１Ａは、第１固定層５１Ａと同様に、その厚さを数〜１０数ｎｍとして、光を透過するようにする。そして、空間光変調器１Ｆにおいては、光変調素子５０Ａの各層の磁化方向に平行に光が入射するように、図１２に示すように画素４Ａへの入射角を９０°として、画素４Ａからの出射光の旋光角θＬｔ３，θＤｔ３を最大とすることができる。したがって、第２実施形態と同様に、光源９３、入射偏光フィルタ９１は、空間光変調器１Ｆの画素アレイ４０の直上に配置されることが好ましい。また、このとき出射角は画素アレイ４０の下面側で９０°となるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は画素アレイ４０の直下に配置される。
【００８８】
以上のように、第４実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。さらに、スピン注入光変調素子に垂直磁気異方性材料を適用することで、磁化方向と平行に光を画素に入射することが容易にできるので、選択画素−非選択画素間で旋光角の差がいっそう大きくなって、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた透過型空間光変調器となる。また、光源や偏光フィルタ等が画素アレイに対して垂直に配置されるので、空間光変調器を備えた装置を小型化できる。
【００８９】
（第４実施形態の変形例）
さらに、図１３を参照して、本発明の第４実施形態の変形例について説明する。図１３は第４実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第４実施形態（図１２参照）および第２実施形態の変形例（図９参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第４実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｇは、画素４Ａに光変調素子５０Ｃを備えること以外は第４実施形態に係る空間光変調器１Ｆと同じ構成である。光変調素子５０Ｃは、第２実施形態の変形例に適用されたものであり、固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も、第２実施形態の変形例および第４実施形態におけるものと同様である。したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｃによる出射偏光の旋光は第４実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００９０】
以上のように、第４実施形態の変形例によれば、第４実施形態と同様に垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子を用いることで、光変調度をさらに向上させた透過型空間光変調器となる。また、第４実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００９１】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態に係る空間光変調器の画素の構成およびこの画素における光変調素子の動作を、図１４および図１５を参照して説明する。図１４は第５実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。図１５は第５実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための断面模式図である。第１，３実施形態（図５、図１０参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第５実施形態の画素は、透過型空間光変調器におけるものとして示す。図１４に示すように、第５実施形態の画素における光変調素子５０Ｄは、下部電極３Ａの上に、第２固定層（第２の磁化固定層）６１、第２中間層（第２の中間層）６２、反転層（磁化反転層）５６、第１中間層（第１の中間層）５２、第１固定層（第１の磁化固定層）５１、保護層５４の順に積層されてなる。なお、図１５では保護層５４は省略する。
【００９２】
第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂは、第１、第２スピン注入光変調素子５，６を積層した構造であるが、第５実施形態の光変調素子５０Ｄは、連続した第１、第２スピン注入光変調素子５，６の各反転層５３，６３を１層の反転層５６としたものである。したがって、第１固定層５１、第１中間層５２、および反転層５６で第１スピン注入光変調素子５Ｄを構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および反転層５６で第２スピン注入光変調素子６Ｄを構成すると見なすことができる。
【００９３】
光変調素子５０Ｄの各層の材料、膜厚等は第１実施形態の光変調素子５０と同様であるので説明は省略する。また、第５実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法についても、層の数が２層少ないこと以外は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。なお、反転層５６は、第１反転層５３、第２反転層６３と同じ材料を適用できるが、層の厚さは各層の１層分より厚くしても同等の電流値で磁化反転させることができる。そして、第１実施形態およびその変形例と同様に、第１、第２固定層５１，６１および反転層５６は、これら３層のすべてが面内磁気異方性材料で構成される。そして、第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。第５実施形態においては、図５に示す第１実施形態と同様に、図１５に、第１固定層５１の磁化を右方向、第２固定層６１の磁化を左方向の矢印で示す。
【００９４】
第５実施形態に係る空間光変調器の画素（光変調素子）における磁化方向と透過光の旋光について、図１５を参照して説明する。第５実施形態の光変調素子５０Ｄは、前記したように、２つのスピン注入光変調素子５Ｄ，６Ｄを備えると見なすことができる。そして、これらのスピン注入光変調素子５Ｄ，６Ｄは、第１実施形態の光変調素子５０の第１、第２スピン注入光変調素子５，６にそれぞれ相当する。したがって、光変調素子５０Ｄについても、図１５（ａ）に示すように電流を下向きに供給すると、第１スピン注入光変調素子５Ｄにおいては、第１固定層５１側から電流が流れるので磁化配置が反平行（ＡＰ）となり、第２スピン注入光変調素子６Ｄにおいては、反転層５６側から電流が流れるので磁化配置が平行（Ｐ）となる。すなわち、反転層５６の磁化は、第１固定層５１の磁化に反平行であり、かつ第２固定層６１の磁化に平行である左方向になる。反対に、図１５（ｂ）に示すように電流を上向きに供給すると、反転層５６の磁化は、第１固定層５１の磁化に平行であり、かつ第２固定層６１の磁化に反平行である右方向になる。この反転層５６の磁化の反転動作は、第１、第３実施形態の第１反転層５３および第２反転層６３の磁化と同じである（図５（ａ）、（ｂ）参照）。
【００９５】
光変調素子５０Ｄの第１固定層５１、第２固定層６１、反転層５６の各層のファラデー旋光角をそれぞれ、θＦpin1，θＦpin2，θＦfree3とし、第１実施形態（図５参照）と同様に、図１０において右方向の磁化を有する層を透過した光が正方向に回転すると定義する。電流を下向きに供給された光変調素子５０Ｄ（図１５（ａ））を透過した光の旋光角θＬｔ５は、（θＦpin1−θＦfree3−θＦpin2）となる。反対に、電流を上向きに供給された光変調素子５０Ｄ（図１５（ｂ））を透過した光の旋光角θＤｔ５は、（θＦpin1＋θＦfree3−θＦpin2）となる。さらに、第１固定層５１と第２固定層６１の旋光角が同じとなる（θＦpin1＝θＦpin2＝θＦpin）ように光変調素子５０Ｄを構成した場合、光変調素子５０Ｄの旋光角は、θＬｔ５≒−θＦfree3、θＤｔ５≒θＦfree3と近似できる。前記したように、反転層５６を、磁化固定層を１層のみ備える従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層より厚くしても、同等の大きさの電流で磁化反転させることができるので、反転層５６内の光路長が長くなって旋光角θＦfree３を大きくすることができる。すなわち、光変調素子５０Ｄの旋光角（θＬｔ５，θＤｔ５）自体が大きく、さらに、磁化反転による旋光角の差｜θＤｔ５−θＬｔ５｜＝２θＦfree3が、従来のスピン注入光変調素子で構成された画素における差より大きい。
【００９６】
また、第５実施形態において、光変調素子５０Ｄは、透過型の空間光変調器におけるものとして示したが、第１実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ｂと同様に、反射型の空間光変調器（図４、図７参照）にも適用することができる。この場合、第２固定層６１、さらに反転層５６を、反射率の高くなるような材料および膜厚で構成してもよい。また、光変調素子５０Ｄは、第１、第２固定層５１，６１および反転層５６の３層のすべてが、第２実施形態の第１、第２固定層５１Ａ，６１Ａおよび第１、第２反転層５３Ａ，６３Ａと同様に垂直磁気異方性材料で構成されてもよい。この場合は、第２、第４実施形態およびその変形例の光変調素子５０Ａ，５０Ｃと同様に、入射角９０°で光を入射される反射型、透過型の空間光変調器（図８、図９、図１２、図１３参照）となる。
【００９７】
以上のように、第５実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた空間光変調器となる。そして、第１実施形態と同様、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた空間光変調器となる。また、第１、第３実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００９８】
［第６実施形態］
図１６、図１７、および図１８を参照して、本発明の第６実施形態について説明する。図１６は第６実施形態に係る空間光変調器の画素アレイの平面模式図で、第１実施形態と同様に５行×５列のアレイ状に２５個の画素を配列したものである。図１７は第６実施形態に係る空間光変調器の画素の、一部を切り欠いた拡大斜視図である。また、図１８は第６実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１６のＣ−Ｃ部分断面図である。また、光路も合わせて示す。第１実施形態（図１〜３参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１６および図１７に示すように、第６実施形態の画素４Ｂは、上部電極２Ｂおよび下部電極３Ｂを備えること以外は第３実施形態の画素４Ａと同様の構成で、透過型の空間光変調器に備えるものである。なお、第６実施形態の画素４Ｂにおける光変調素子５０は、第１〜５実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄのいずれも適用できる。
【００９９】
第６実施形態の上部電極２Ｂは、その形状が第１実施形態の上部電極２と同様に帯状であり、画素アレイ４０Ｂにおいて横方向に延設される。上部電極２Ｂは、前記帯状の形状に複数の孔（貫通孔）を形成された金属電極２ｃと、この孔に充填された形状の透明電極２ａとからなる。金属電極２ｃの孔および透明電極２ａは、平面視で光変調素子５０に重なる領域、すなわち光変調素子５０の直上に備えられる。したがって、１つの金属電極２ｃは、画素４Ｂの横方向（列）の数である５個の孔を有する。そして、この金属電極２ｃの孔に、透明電極２ａが光変調素子５０の上面に電気的に接続されて設けられている。
【０１００】
第６実施形態の下部電極３Ｂは、その形状が第１、第３実施形態の下部電極３，３Ａと同様に帯状であり、画素アレイ４０Ｂにおいて縦方向に延設される。下部電極３Ｂは、前記帯状の形状に複数の孔（貫通孔）を形成された金属電極３ｃと、この孔に充填された形状の透明電極３ａとからなる。金属電極３ｃの孔および透明電極３ａは、平面視で光変調素子５０に重なる領域、すなわち光変調素子５０の直下に備えられる。したがって、１つの金属電極３ｃは、画素４Ｂの縦方向（行）の数である５個の孔を有する。そして、この金属電極３ｃの孔に、透明電極３ａが光変調素子５０の下面に電気的に接続されて設けられている。
【０１０１】
金属電極２ｃ，３ｃは、第１実施形態の下部電極３と同様の一般的な電極用金属材料で構成され、透明電極２ａ，３ａは、第１実施形態の上部電極２におけるものと同様の公知の透明電極材料で構成されるので、それぞれ説明は省略する。透明電極２ａ，３ａは、光が光変調素子５０に入射、出射するための窓であり、その形状（金属電極２ｃ，３ｃの孔の形状）および大きさは特に限定されないが、平面視形状が光変調素子５０の平面視形状に対して小さいと金属電極２ｃ，３ｃが光を遮って集光率が低下し、大きすぎると孔の周縁部で金属電極２ｃ，３ｃが幅狭となって金属電極２ｃ，３ｃの抵抗が大きくなり、電極２Ｂ，３Ｂの抵抗が大きくなる。したがって、透明電極２ａ，３ａの平面視形状は、光変調素子５０の平面視形状の相似形とし、孔の周縁で金属電極２ｃ，３ｃが幅狭にならない範囲で大きくすることが好ましい。このように、電極２Ｂ，３Ｂにおいて、抵抗の小さい金属電極を主要材料とし、光変調素子５０の上下すなわち光路部分のみを透明電極とすることで、応答速度を上げることができる。
【０１０２】
また、第１、第３実施形態と同様に、上部電極２Ｂおよび下部電極３Ｂは、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間にそれぞれ金属膜からなる下地層２ｂ，３ｂを設けることが好ましい。このように、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間にそれぞれ金属膜である下地層２ｂ，３ｂを介在させることで、上部電極２Ｂ−光変調素子５０間および下部電極３Ｂ−光変調素子５０間の接触抵抗を低減させて応答速度をさらに上げ、かつ画素４Ｂ間のばらつきを低減することができる。下地層２ｂ，３ｂの平面視形状については、第６実施形態では、図１７、図１８に示すように、上部電極２Ｂの下地層２ｂは金属電極２ｃの孔に充填するように形成され、下部電極３Ｂの下地層３ｂは光変調素子５０と同じ形状に形成されている。ただし、下地層２ｂ，３ｂは、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間に設けられていればよく、透明電極２ａ，３ａと同じ、すなわち金属電極２ｃ，３ｃのそれぞれの孔に充填するように形成されてもよいし、電極２Ｂ，３Ｂ、または光変調素子５０と同じ平面視形状でもよい。下地層２ｂ，３ｂの材料および厚さは第１実施形態の上部電極２の下地層２ｂと同じであるので説明は省略する。
【０１０３】
次に、本発明の第６実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３Ｂを形成する。基板７１Ａの表面に、金属電極３ｃをスパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により、前記５個の孔を有する帯状に形成する。そして、透明電極材料を金属電極３ｃと同じ厚さに成膜し、フォトリソグラフィ等により金属電極３ｃの孔に充填された部分以外の透明電極材料を除去して透明電極３ａとする。そして、金属電極３ｃ，３ｃ間に絶縁部材７２を堆積させる。
【０１０４】
次に、下地層３ｂと光変調素子５０を、第３実施形態と同様に連続して形成する。さらに第１、第３実施形態と同様に、光変調素子５０，５０間に絶縁部材７２を形成する。
【０１０５】
次に、上部電極２Ｂを形成する。光変調素子５０および絶縁部材７２の表面に、下部電極３Ｂの金属電極３ｃと同様に、金属電極２ｃを前記５個の孔を有する帯状に形成する。そして、金属電極２ｃの孔に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、フォトリソグラフィ等により金属電極２ｃの孔に充填された部分以外の透明電極材料および金属膜を除去して下地層２ｂおよび透明電極２ａとする。最後に、このようにして形成された上部電極２Ｂ，２Ｂ間および上部電極２Ｂ表面の金属電極２ｃ部分に絶縁部材７２を形成して、画素４Ｂ（画素アレイ４０Ｂ）とする。
【０１０６】
なお、透明電極２ａは、金属電極２ｃと上面が図１８に示すような面一である必要はなく、例えば、透明電極２ａが金属電極２ｃの厚さより厚く、さらに孔の周縁で金属電極２ｃの表面に積層されていてもよい。このような形状にすると、透明電極２ａと金属電極２ｃとの接触面積が大きくなって、上部電極２Ｂにおける接触抵抗を低減させることができる。また、図１７および図１８では、透明電極２ａ，３ａの形状は側面が垂直な四角柱だがこれに限らず、例えば、上部電極２Ｂにおいては、金属電極２ｃの孔を、その側壁を傾斜させて、光変調素子５０の側が狭くすなわち入射面へ広がるように形成し、透明電極２ａが逆メサ形状（逆四角錐台）となってもよい。このような形状にすると、透明電極２ａと金属電極２ｃとの接触面積が大きくなって、上部電極２Ｂにおける接触抵抗を低減させることができる。さらに、第１実施形態に係る空間光変調器１（図４参照）のように、面内磁気異方性材料で構成された光変調素子５０を備え、光の入射角が斜め（画素アレイ４０Ｂに非垂直）である場合、入射光の金属電極２ｃに遮られる部分が少なくなるので、集光率が向上する。
【０１０７】
また、図示しないが、第６実施形態の上部電極２Ｂと、第１実施形態の金属電極からなる下部電極３（図３参照）とを備えて、反射型の空間光変調器の画素を構成することもできる。
【０１０８】
以上のように、第６実施形態によれば、光を遮らない透明電極材料と低抵抗の金属材料の双方の利点を兼ね備えた電極により、応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきが低減された空間光変調器となる。
【０１０９】
［撮像装置］
次に、図１９を参照して、本発明の実施形態に係る撮像装置について説明する。本発明の実施形態に係る撮像装置は、本発明の実施形態に係る空間光変調器を撮像装置に適用したものである。図１９は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る空間光変調器（図１、図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【０１１０】
本発明の一実施形態に係る撮像装置１０は、図１９に示すように、複数の画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する駆動制御部８０と、特定の方向の偏光を透過する出射偏光フィルタ（偏光子）９２と、光を電荷に変換する光電変換部（光電変換手段）９６と、電荷を蓄積する電荷蓄積部（電荷蓄積手段）９７と、電荷を信号に変換する電荷／映像信号変換部９８と、を備える。すなわち、撮像装置１０は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器１を構成する画素アレイ４０と駆動制御部８０を備え、これらの構成は、図１に示す空間光変調器１の平面模式図を参照できる。
【０１１１】
画素アレイ４０（画素４）および駆動制御部８０は、それぞれ図１に示す第１実施形態に係る空間光変調器１におけるものと同じ構成であるので説明は省略する。出射偏光フィルタ９２は、画素アレイ４０から出射した光を受けて、選択された画素４から出射した光のみを透過させる濾光手段であり、空間光変調器１で使用されるものと同様に、偏光板等からなる。光電変換部９６は、出射偏光フィルタ９２を透過した光を電荷に変換するもので、フォトダイオード等からなる。電荷蓄積部９７は、光電変換部９６で変換された電荷を蓄積するもので、コンデンサ等を備える。また、電荷蓄積部９７は、駆動制御部８０の画素選択部８４と接続し、蓄積した電荷に対応する画素４を特定する情報を記憶する。電荷／映像信号変換部９８は、電荷蓄積部９７が放出した電荷を前記の画素４を特定する情報と対応付けて電気信号（映像信号）に変換する。出射偏光フィルタ９２、光電変換部９６、電荷蓄積部９７、電荷／映像信号変換部９８は、それぞれ公知の手段によるものでよい。このように、本発明の一実施形態に係る磁気光学式撮像装置１０における画素４は、受光手段のみを備え、ＣＭＯＳ等からなる従来の画素（撮像素子）のように、それぞれに光電変換手段および電荷蓄積手段をさらに備える必要がない。また、撮像装置１０における画素選択は、撮像すなわち出射光の光電変換を行う画素４を走査するもので、例えば、画素アレイ４０において画素４をシフトさせて選択、選択解除を繰り返す。駆動制御部８０による画素選択の方法については、第１実施形態に係る空間光変調器１におけるものと同様であるので説明は省略する。
【０１１２】
次に、本発明の一実施形態に係る撮像装置の画素選択の動作を、図２０を参照して説明する。図２０は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図に対応する図である。図２０に示す撮像装置１０は、反射型の撮像装置であり、本発明の第１実施形態に係る反射型空間光変調器１（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２０に示すように、撮像装置１０は、光（自然光）を画素４に入射する前に偏光する入射偏光フィルタ９１と、出射偏光フィルタ９２を透過した光が光電変換部９６に入射するように集光する集光レンズ９９と、をさらに備える。また、撮像装置１０においては、光の入射面に、空間光変調器１の光源９３に代えて被写体（撮像対象）が配される。また、図２０において、光変調素子５０の保護層５４（図３参照）は図示を省略する。
【０１１３】
撮像装置１０の動作を、図２０を参照して説明する。被写体からの反射光、すなわち被写体光は自然光であり、様々な偏光成分を含んでいるので、これを入射偏光フィルタ９１に透過させて、１つの偏光成分の入射偏光とする。入射偏光は所定の入射角で画素４に入射する。画素４に入射した偏光は、上部電極２を透過して、光変調素子５０内または下部電極３表面で反射して、再び上部電極２を透過して、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、図２０において左側に示す選択された画素４からの出射偏光、すなわち入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した偏光のみを透過させ、透過した出射偏光は集光レンズ９９で集光されて光電変換部９６に入射し、電荷に変換される。画素４（光変調素子５０）から出射した偏光の旋光については、第１実施形態において説明した通りである。このように、光電変換部９６に入射する光はその時点で選択されている画素４のみから出射した光であるので、光電変換部９６は撮像装置１０に１つ備えればよく、画素４毎に備える必要はない。なお、入射偏光フィルタ９１は、出射偏光フィルタ９２と同様に偏光板等からなる。また、集光レンズ９９は、画素アレイ４０のいずれの画素４から出射した光でも光電変換部９６に入射するように集光できるものであればよく、複数枚のレンズで構成されてもよい。
【０１１４】
本実施形態に係る撮像装置１０は反射型撮像装置として示したが、第３実施形態に係る空間光変調器１Ｄ（図１０参照）を備えた、透過型撮像装置とすることもできる。透過型撮像装置とする場合は、透過型空間光変調器と同様に、画素アレイ４０の下方に出射偏光フィルタ９２を配置し、さらに下方にその集光レンズ９９、光電変換部９６を配置する（図示せず）。また、撮像装置１０は、撮像素子として第１実施形態に係る光変調素子５０を備えるが、第１〜５実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄのいずれも適用できる。さらに、第６実施形態に係る空間光変調器の画素４Ｂのように、金属電極と透明電極とを組み合わせた電極２Ｂ，３Ｂを適用してもよい。
【０１１５】
以上のように、本発明の実施形態に係る撮像装置によれば、画素の選択−非選択で旋光角の差が大きいため、画素の走査性に優れた撮像装置となる。
【０１１６】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【実施例】
【０１１７】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素のサンプルを作製した。具体的には、実施例として、本発明の第１実施形態の変形例に係る反射型の画素（図６、図７参照）と同じ積層構造となるように、表１に示す各種材料を熱酸化膜付Ｓｉ基板上にスパッタリング法により成膜、積層して作製した。なお、反射光の旋光角の測定により評価するため、フォトリソグラフィ等による加工は施さず、したがって保護層（図６参照）に相当する膜は設けていない。同様に、従来例として、表１に示す磁化固定層〜磁化反転層が各１層の光変調素子の構成の、反射型の画素のサンプルを作製した。実施例、従来例共に、光変調素子は、面内磁気異方性を有する構成とした。
【０１１８】
作製した実施例、従来例それぞれの画素のサンプルに、外部から一様な磁界Ｈを印加することによって、磁化反転層（第１、第２反転層）の磁化方向が磁化固定層（第１、第２固定層）の磁化方向に平行または反平行となるようにした。なお、この磁界Ｈは、磁化固定層（第１、第２固定層）の磁化が反転する＋５００Ｏｅ以上、−５００Ｏｅ以下の磁界に対して、０Ｏｅ近傍の十分に弱い磁界である。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光によるサンプルからの反射光（下部電極に相当するＣｕ膜で反射した出射光）の旋光角を、面内カー効果測定装置（ＨＤ−２５０、日本分光株式会社製）で測定した。次に、前記印加磁界Ｈと反対方向の磁界−Ｈを印加することによって、磁化反転層（第１、第２反転層）の磁化を反転させて、同様に、サンプルからの反射光の旋光角を測定した。磁化反転による旋光角の差２θを表１に示す。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
表１に示すように、本発明に係る実施例は、磁化反転層の総厚（第１反転層＋第２反転層）が従来例の磁化反転層よりも厚く、それに比例して光路長が長くなったことにより、磁化反転による旋光角の差２θが従来例よりも大きかった。これは、空間光変調器や撮像装置の画素として光変調度が向上したことを示す。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】第１実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である
【図２】第１実施形態に係る空間光変調器の画素の拡大斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図４】第１実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための光変調素子の断面模式図である。
【図６】第１実施形態の変形例に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図８】第２実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】第３実施形態に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】第３実施形態の変形例に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】第４実施形態に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】第４実施形態の変形例に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】第５実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図１５】第５実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための光変調素子の断面模式図である。
【図１６】第６実施形態に係る空間光変調器の画素アレイの平面模式図である。
【図１７】第６実施形態に係る空間光変調器の画素の拡大斜視図である。
【図１８】第６実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１６のＣ−Ｃ部分断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９に示す反射型撮像装置の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１，１Ａ〜１Ｇ 空間光変調器（磁気光学式空間光変調器）
１０ 撮像装置（磁気光学式撮像装置）
４０，４０Ｂ 画素アレイ
４，４Ａ，４Ｂ 画素
２，２Ｂ 上部電極
２ａ 透明電極
２ｂ 下地層
２ｃ 金属電極
３，３Ａ，３Ｂ 下部電極
３ａ 透明電極
３ｂ 下地層
３ｃ 金属電極
５０，５０Ａ〜５０Ｄ 光変調素子
５，５Ａ 第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５１，５１Ａ 第１固定層（磁化固定層）
５２ 第１中間層（中間層）
５３，５３Ａ 第１反転層（磁化反転層）
５５ 接続層
５６ 反転層（磁化反転層）
６，６Ａ 第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
６１，６１Ａ 第２固定層（磁化固定層）
６２ 第２中間層（中間層）
６３，６３Ａ 第２反転層（磁化反転層）
７１，７１Ａ 基板
７２ 絶縁部材
８０ 駆動制御部
８１ 電源（電流供給手段）
８４ 画素選択部（画素選択手段）
９１ 入射偏光フィルタ
９２ 出射偏光フィルタ（偏光子）
９６ 光電変換部（光電変換手段）
９７ 電荷蓄積部（電荷蓄積手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した光を透過あるいは反射させた際に、磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調する空間光変調器と、この空間光変調器を利用した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられているが、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料が用いられた磁気光学式空間光変調器が開発されている（特許文献１〜４）。また、撮像装置（固体撮像装置）は、画素として撮像素子を用い、これを空間光変調器と同様に２次元アレイ状に配列している。この撮像素子としては、従来よりＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ等が用いられている。
【０００３】
磁気光学式空間光変調器においては、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向の違いにより、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差が生じる。光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する方法（特許文献１〜３）や、光変調素子にスピンを注入する方法（特許文献４、非特許文献１）がある。さらに、特許文献３には、選択された画素で磁化方向の反転が確実に起きるように、画素の両側に配線を設けて電流を供給する等の技術が記載されている。また、特許文献４には、サイズが異なる複数の光変調素子を面内に並べて１画素を形成し、高速応答で、光を明暗およびその中間状態の明るさに変調できる空間光変調器が提案されている。また、非特許文献１においては、サイズが同じ複数のスピン注入磁化反転素子を面内に並べて１画素を形成し、磁気光学カー効果を測定することによって電流パルスによる光変調動作を検証する実験が報告されている。
【０００４】
また、画素毎に磁界印加やスピン注入のための電流を供給するため、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）等の透明電極を使用して、光が電極を透過して光変調素子に入射するようにしたり（特許文献４、非特許文献１）、金属電極を画素間に張り巡らせて光変調素子への光を遮らないようにした空間光変調器（特許文献１〜３）が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１０７６８４号公報（段落００３３〜００３５、図４）
【特許文献２】特開２００６−３８９４４号公報（請求項１、図１）
【特許文献３】特開２００６−１５４７２７号公報（請求項１、図１，２）
【特許文献４】特開２００８−６４８２５号公報（請求項１、図３）
【非特許文献１】K. Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に記載された空間光変調器では、ＸＹ駆動ラインをピクセルの外周に沿って配する構造となっているために、数μｍ以下の微細な画素を形成することが困難であり、また、電流による合成磁界を利用するために、画素のいっそうの微細化を行うと隣接画素へのクロストークが大きくなるという問題がある。
【０００６】
これに対して、特許文献４や非特許文献１に記載されたスピン注入により磁化方向を変化させる光変調素子（スピン注入光変調素子）による空間光変調器は、光変調素子の上下に接続した一対の電極（配線）により膜面に垂直に電流を供給するため、画素の微細化に対応できるものである。その一方で、特許文献４および非特許文献１は、膜厚方向に１つのスピン注入光変調素子しか用いていないために、明暗のコントラストが十分に得られておらず、改良の余地がある。すなわち、光変調素子としては、光変調度が大きい、すなわち偏光の向きの変化（旋光）が大きいことが望まれる。そして、旋光角は、磁性体の材料の種類、入射光の波長、磁化方向に対する光の入射角等に依存し、さらに光が透過する磁性体の光路長に比例する。しかし、従来のスピン注入光変調素子において、磁化方向の変化する層（磁化反転層）は、その膜厚が数〜１０数ｎｍ程度である。このような薄い磁性体では、光を大きく旋光させることは困難である。
【０００７】
また、撮像装置（固体撮像装置）においては、高精細な画像を得るために、空間光変調器と同様に画素すなわち撮像素子の微細化が進められ、同時に、撮像素子の搭載数が増大するので高速応答も要求されている。これらの要求に対応するためには、前記のスピン注入光変調素子を撮像素子とする磁気光学式撮像装置が有効であるが、空間光変調器と同様に光変調度が大きいことが望ましい。
【０００８】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入磁化反転する光変調素子を画素に適用することにより、高精細かつ高速応答を可能とすると共に、光変調度を向上させた磁気光学式空間光変調器および磁気光学式撮像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】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明者らは、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory：磁気抵抗メモリ）で、小さい電流で磁化反転させるために適用されている二重スピン注入磁化反転素子を適用し、２つの磁化反転層を光路長方向に積層して、透過した光を大きく旋光させる思想に至った。
【００１０】
すなわち、請求項１に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、接続層を挟んで２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極とを備え、前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて前記接続層を挟んで積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２つのスピン注入磁化反転素子をそれぞれの磁化反転層を対向させるように積層して備え、それぞれの磁化固定層の磁化を互いに反平行に固定することで、磁化方向が常に同じとなる２層の磁化反転層を備える。そして、入射した光がそれぞれの磁化反転層で同じ向きに旋光して透過するので、２層の磁化方向の同時反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。また、それぞれの磁化反転層が接続層で分離されているため、１つのスピン注入磁化反転素子が磁化反転に要する電流と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。
【００１２】
また、請求項２に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極とを備え、前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２つのスピン注入磁化反転素子をそれぞれの磁化反転層を対向させるように積層して備え、それぞれの磁化固定層の磁化を互いに反平行に固定することで、磁化方向が常に同じとなる２層の磁化反転層を備える。そして、入射した光がそれぞれの磁化反転層で同じ向きに旋光して透過するので、２層の磁化方向の同時反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。また、光変調素子を構成する層の数を最小限とすることにより、光の減衰が抑制される。
【００１４】
また、請求項３に係る磁気光学式空間光変調器は、２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、前記画素は、光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極とを備え、前記光変調素子は、前記下部電極の側から、第２の磁化固定層、第２の中間層、磁化反転層、第１の中間層、第１の磁化固定層、の順に積層されてなり、前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定され、前記磁化反転層はスピン注入により磁化反転することを特徴とする。
【００１５】
かかる構成により、磁気光学式空間光変調器は、光変調素子が２層の磁化固定層を備えることで、その間の磁化反転層は小さい電流で磁化反転し易くなるので小さい電流で駆動することができる。または、１層の磁化固定層を備える場合より厚い磁化反転層としても、同程度の電流で磁化反転し、入射した光がこのような厚い磁化反転層を透過する際に大きく旋光するので、磁化方向の反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。
【００１６】
さらに、請求項４に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極および前記下部電極が透明電極を有し、前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成により、出射光の光量の減衰が抑制された透過型の磁気光学式空間光変調器となる。
【００１８】
さらに、請求項５に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極および前記下部電極が、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする。
【００１９】
かかる構成により、光路となる部分に透明電極を設けて入射光および出射光を遮らずに、低抵抗の金属電極を用いることができる。
【００２０】
また、請求項６に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極が透明電極を有し、前記下部電極が金属電極からなり、前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする。
【００２１】
かかる構成により、出射光の光量の減衰が抑制された反射型の磁気光学式空間光変調器となる。
【００２２】
さらに、請求項７に係る磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極が、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、前記下部電極が金属電極からなり、前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする。
【００２３】
かかる構成により、光路となる部分に透明電極を設けて入射光および出射光を遮らずに、低抵抗の金属電極を用いることができる。
【００２４】
また、請求項８に係る磁気光学式撮像装置は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器に、さらに、前記画素選択手段が選択した画素から出射した光を透過させる偏光子と、この偏光子を透過した光を電荷に変換する光電変換手段と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、を備え、前記上部電極側から入射した被写体光を撮像する構成である。
【００２５】
かかる構成により、磁気光学式撮像装置は、２層の磁化反転層または厚く形成した磁化反転層を備え、被写体を反射して磁気光学式撮像装置に入射した被写体光がこのような磁化反転層を透過する際に大きく旋光するので、磁化方向の反転による出射光の旋光角の変化を大きくする。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１、請求項２、および請求項３に係る磁気光学式空間光変調器によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズ（青色：４００ｎｍ）の高精細と、原理的に数ｐｓ程度となる高速応答とを同時に可能とする画素を備え、選択画素−非選択画素間の出射光の旋光角の差が増大し、光変調度が向上して所望の画素から的確に出射光を取り出せる。
【００２７】
請求項４に係る磁気光学式空間光変調器によれば、光変調度が向上し、また透過型とすることができる。請求項５に係る磁気光学式空間光変調器によれば、さらに応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきを低減することができる。
【００２８】
請求項６に係る磁気光学式空間光変調器によれば、光変調度が向上し、また反射型とすることができる。請求項７に係る磁気光学式空間光変調器によれば、さらに応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきを低減することができる。
【００２９】
また、請求項８に係る磁気光学式撮像装置によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズの高精細と、原理的に数ｐｓ程度となる高速応答による高速走査とを同時に可能とする画素を備え、選択画素−非選択画素間の出射光の旋光角の差が増大し、選択された画素のみからの出射光を的確に電荷として得られる画素の走査性に優れた磁気光学式撮像装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る磁気光学式空間光変調器および磁気光学式撮像装置（以下、適宜、空間光変調器および撮像装置という）を実現するための最良の形態について、図を参照して説明する。
【００３１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。なお、本明細書における平面（上面）は、空間光変調器の光の入射面である。また、平面視での縦、横は、図１における縦、横をそれぞれ示す。図２は本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素の、一部を切り欠いた拡大斜視図である。以下に、本発明に係る空間光変調器を構成する各要素について説明する。
【００３２】
空間光変調器１は、図１に示すように、基板７１（図２参照）上に２次元アレイ状に配列された画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する駆動制御部８０と、を備える。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
【００３３】
図１に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２，２，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３，３，…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。したがって、画素４は、空間光変調器１の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、５行×５列の２５個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図１および図２に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた光変調素子５０を備える。また、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５０，５０間、および下部電極３，３間、すなわち図２の空白部分は、絶縁部材７２で埋められている。
【００３４】
図１に示すように、駆動制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２，８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００３５】
上部電極選択部８２は、上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は、下部電極３の１つ以上を選択し、それぞれに電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２，３を電極選択部８２，８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる光変調素子５０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５０に、所定の電流が供給されて磁化反転させる。なお、図１において、電源８１は、電極２，３のそれぞれ一端に電極選択部８２，８３を介して接続されているが、両端に接続されていてもよい。両端に接続されることにより、応答速度を上げ、画素間の動作ばらつきも低減できる。
【００３６】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素の構成の詳細を図１、図２、および図３を参照して説明する。図３は第１実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【００３７】
図１および図２に示すように、上部電極２は、光変調素子５０の上に配され、横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５０に電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調素子５０の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５０に電流を供給する。上部電極２は、光変調素子５０への入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成される。一方、下部電極３は、上方（上部電極２側）から光変調素子５０を透過して到達した光を再び上方へ出射させるため、反射率の高い金属電極材料で構成される。
【００３８】
上部電極２のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続する光変調素子５０との間に金属膜を設けることが好ましい。したがって、本実施形態に係る画素４の上部電極２は、図２および図３に示すように、透明電極材料からなる透明電極２ａと、この透明電極２ａと光変調素子５０との間に積層された金属膜である下地層２ｂと、からなる。透明電極２ａと光変調素子５０との間に金属膜である下地層２ｂを介在させることで、金属電極材料より抵抗が大きい透明電極材料においても、上部電極２−光変調素子５０間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。
【００３９】
透明電極２ａは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。
【００４０】
下地層２ｂを構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等公知の方法により成膜される。そして、下地層２ｂとその上の層すなわち透明電極２ａとの密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地層２ｂとなる金属膜は、透明電極２ａとなる透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。連続して成膜された膜は、一緒に加工されることが多いため、図２および図３に示すように、下地層２ｂは透明電極２ａと同じ平面視形状となるが、例えば光変調素子５０と同じ平面視形状であってもよい。詳細は、画素４の製造方法において説明する。下地層２ｂの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層２ｂの好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００４１】
下部電極３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなる。そして、スパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により前記帯状に形成される。また、下部電極３の下に金属膜（図示せず）を設けてもよい。これは、基板７１と下部電極３との密着性をよくするためであり、金属膜と下部電極３用の金属電極材料とは連続して成膜して、一緒に成形する。金属膜の材料および厚さは、上部電極２の下地層２ｂに倣う。
【００４２】
基板７１は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。絶縁部材７２は、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５０，５０間、および下部電極３，３間（図３不図示）に配され、例えば、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等からなる。
【００４３】
光変調素子５０は、図１および図２に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２，３に上下から挟まれて接続されている。光変調素子５０の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４につき１個の光変調素子５０が配されているが、例えば１つの画素４に面方向で（２×２）個等、複数の光変調素子５０を備えてもよい。図３に示すように、光変調素子５０は、下部電極３の上に、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、接続層５５、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４の順に積層されてなる。そして、第１固定層５１、第１中間層５２、および第１反転層５３は第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５を構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および第２反転層６３は第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）６を構成する。すなわち光変調素子５０は、第１スピン注入光変調素子５と第２スピン注入光変調素子６とを接続層５５を挟んで備え、さらにその微細加工におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層５４を備える。光変調素子５０の各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法によりそれぞれ成膜されて積層され、電子線リソグラフィ等により前記形状に加工される。
【００４４】
第１、第２スピン注入光変調素子５，６は、それぞれがＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子等の公知のスピン注入磁化反転素子である。ただし、第１スピン注入光変調素子５は第１反転層（磁化反転層）５３の側が下に、第２スピン注入光変調素子６は第２反転層（磁化反転層）６３の側が上になるように積層して、それぞれの磁化反転層同士を対向させた構成とする。第１、第２固定層（磁化固定層）５１，６１および第１、第２反転層５３，６３は強磁性体であり、これら４層のすべてが面内磁気異方性を有する材料で構成される。そして、第１、第２固定層５１，６１は磁化方向が固定されており、すべての画素４（画素アレイ４０）において第１固定層５１の磁化は面内方向における一方向に揃えられ、第２固定層６１の磁化は第１固定層５１の磁化と逆方向に揃えられている。一方、第１、第２反転層５３，６３の磁化方向はスピン注入によって容易に面内方向で回転（反転）させることができる。固定層５１，６１と反転層５３，６３の間に設けられる中間層５２，６２は、第１、第２スピン注入光変調素子５，６がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば非磁性の導体、ＴＭＲ素子であれば絶縁体で形成される。以下に、光変調素子５０を構成する各層の詳細を説明する。
【００４５】
第１固定層５１（磁化固定層）は、強磁性金属（ＦＭ）や磁性半導体からなり、その厚さは数〜数１０ｎｍである。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＦＭ／ＰｔＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＰｔＭｎ（シンセティックピン層、積層フェリ構造）のような多層膜、さらにＩｒＭｎ等の磁化固着層を上層に設けたＦＭ／ＩｒＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＩｒＭｎが挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ１−ｘＦｅｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ１−ｘＭｎｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III−Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、ＴｉＯを母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。なお、第１固定層５１は、特に厚さが１０数ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成し、ＺｎＯ，ＴｉＯを母体とする磁性半導体が好ましい。
【００４６】
第１中間層５２（中間層）は、第１固定層５１と第１反転層５３との間に積層される。第１スピン注入光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、第１中間層５２は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜１．５ｎｍである。また、第１スピン注入光変調素子５がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、第１中間層５２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔのような非磁性金属からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。
【００４７】
第１反転層５３（磁化反転層）は、強磁性金属や磁性半導体からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含むＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ等の合金、これらの材料の２種以上からなる積層膜、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ（シンセティックフリー層、積層フェリ構造）が挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ１−ｘＦｅｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ１−ｘＭｎｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III−Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。
【００４８】
前記の通り、第２スピン注入光変調素子６は、構成する各層の積層される順序が逆である以外は、第１スピン注入光変調素子５と同じ構成である。したがって、その材料および膜厚等は、第２固定層６１は第１固定層５１に、第２中間層６２は第１中間層５２に、第２反転層６３は第１反転層５３にそれぞれ倣い、説明は省略する。ただし、第２固定層６１において、その磁化方向を固定するための磁化固着層（ＩｒＭｎ等）は下層に設ける。なお、第２スピン注入光変調素子６のそれぞれの層は第１スピン注入光変調素子５の材料および膜厚と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。特に、第２固定層６１は、第１固定層５１と異なり反射率の高くなるような材料および膜厚で構成してもよい。また、第１、第２スピン注入光変調素子５，６の一方がＣＰＰ−ＧＭＲ素子で、他方がＴＭＲ素子であってもよい。ただし、異なる材料、膜厚とする場合、光変調素子５０を駆動する（磁化反転させる）際に、第１反転層５３と第２反転層６３とが同時に磁化反転するような電流を供給する。
【００４９】
接続層５５は、第１スピン注入光変調素子５と第２スピン注入光変調素子６、すなわち第１反転層５３と第２反転層６３を電気的に接続するための層であり、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性金属からなる。接続層５５の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射光の光量を減衰させる。したがって、接続層５５の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００５０】
保護層５４は、光変調素子５０の微細加工におけるダメージから第１固定層５１を保護するために設けられ、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると入射光の光量を減衰させる。したがって、保護層５４の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。
【００５１】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７１の表面に、金属電極材料をスパッタリング法等により成膜し、フォトリソグラフィ等によりストライプ状に形成して下部電極３とする。そして、下部電極３，３間にＳｉＯ２等の絶縁膜（絶縁部材７２となる）を堆積させる。
【００５２】
次に、光変調素子５０を形成する。下部電極３（および絶縁部材７２）の上面に、連続して、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、接続層５５、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４を、それぞれ成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィ等により所望の形状に加工して光変調素子５０とする。この上から絶縁膜を成膜して光変調素子５０，５０間に堆積させ、エッチングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）等により光変調素子５０の上の絶縁膜を除去して絶縁部材７２とする。または、電子線リソグラフィ等で形成した光変調素子５０上に電子線レジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、その後レジストとその上の絶縁膜を同時に除去するリフトオフ法を用いてもよい。なお、下部電極３，３間の絶縁部材７２は、光変調素子５０の形成後に、光変調素子５０，５０の間への堆積と同時に堆積してもよい。また、第２固定層６１から保護層５４を成膜後、これらの８層を成形せず（光変調素子５０，５０間に絶縁部材７２を堆積させず）、光変調素子５０とする領域以外に窒素等のイオンを上から注入してこれら８層を絶縁化してもよい。
【００５３】
次に、上部電極２を形成する。光変調素子５０および絶縁部材７２の表面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に加工して上部電極２（下地層２ｂ、透明電極２ａ）とする。最後に、上部電極２，２間に絶縁部材７２を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。
【００５４】
次に、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を、図４および図５を参照して説明する。図４は、第１実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。図５は第１実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための断面模式図である。電極２，３は、前記の通り、駆動制御部８０に接続される。また、図４に示すように、第１実施形態に係る空間光変調器１の画素４（画素アレイ４０）の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１と、画素アレイ４０から出射した光から特定の向きの偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とが配置される。なお、図４および図５において、光変調素子５０の保護層５４は図示を省略する。
【００５５】
まず、図４を参照して、空間光変調器１の動作を説明する。光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを画素アレイ４０の上方の入射偏光フィルタ９１を透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０のすべての画素４に所定の入射角で入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５０に入射し、当該光変調素子５０またはその下の下部電極３で反射して、光変調素子５０から出射偏光として出射し、再び上部電極２を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器９４に入射される。偏光フィルタ９１，９２はそれぞれ偏光板等であり、検出器９４はスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
【００５６】
ここで、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の画素における光変調素子の磁化方向とこの光変調素子に入射した光の旋光について、図５を参照して説明する。なお、図５では、光変調素子５０を透過した偏光の旋光角について説明する。前記した通り、本実施形態の光変調素子５０の第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。そして、第１、第２固定層５１，６１は面内磁気異方性材料で構成されているので、図５では、第１固定層５１の磁化を右方向、第２固定層６１の磁化を左方向の矢印で示す。
【００５７】
スピン注入磁化反転素子は、電流供給によりスピン注入されることによって、磁化反転層の磁化方向を１８０°回転（スピン注入磁化反転）させて磁化固定層の磁化方向に対して平行（同方向）または反平行（逆方向）とする。以下、スピン注入磁化反転素子において、磁化固定層の磁化方向に対して、磁化反転層の磁化方向が同方向であることを、スピン注入磁化反転素子の磁化配置が平行である（Ｐ：Parallel）といい、磁化反転層の磁化方向が逆方向であることを、スピン注入磁化反転素子の磁化配置が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。そして、本発明の光変調素子５０に、図５（ａ）に示すように、電流を下向きに供給、すなわち上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にすると、第１スピン注入光変調素子５においては、第１固定層５１側から電流が流れる。このとき、第１スピン注入光変調素子５の磁化配置は反平行（ＡＰ）となって、第１反転層５３の磁化は第１固定層５１の磁化と逆の左方向になる。一方、第２スピン注入光変調素子６においては、第２反転層６３側から電流が流れ、このとき、第２スピン注入光変調素子６の磁化配置は平行（Ｐ）となって、第２反転層６３の磁化は第２固定層６１の磁化と同じ左方向になる。反対に、図５（ｂ）に示すように、電流を上向きに供給、すなわち上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にすると、第１スピン注入光変調素子５の磁化配置は平行（Ｐ）となって、第１反転層５３の磁化は第１固定層５１の磁化と同じ右方向に、第２スピン注入光変調素子６の磁化配置は反平行（ＡＰ）となって、第２反転層６３の磁化は第２固定層６１の磁化と逆の右方向になる。
【００５８】
したがって、図５（ａ）、（ｂ）いずれの電流方向においても、第１反転層５３の磁化と第２反転層６３の磁化は同じ方向となる。また、第１反転層５３と第２反転層６３を非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３，６３内に束縛された電子スピンの交換結合が切断されて、それぞれの反転層５３，６３を磁化反転し易くすることができる。したがって、反転層５３，６３の各層を従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。なお、第１、第２スピン注入光変調素子５，６のそれぞれの磁化配置が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは反転層５３，６３の磁化方向は変化（回転）しない。このように、スピン注入光変調素子において電流供給のないときは磁化が保持されるため、光変調素子５０に供給する電流は、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を適用できる。
【００５９】
光変調素子５０は磁性体を積層して構成されるので、光変調素子５０を透過した光は、ファラデー効果により所定角度で旋光する。光変調素子５０における磁性体である第１固定層５１、第１反転層５３、第２反転層６３、第２固定層６１の各層のファラデー旋光角（以下、適宜、旋光角）をそれぞれ、θＦpin1，θＦfree1，θＦfree2，θＦpin2とし、図５において右方向の磁化を示す層を透過した偏光が正方向に回転すると定義する。電流を下向きに供給された光変調素子５０（図５（ａ））を透過した光の旋光角θＬｔ１は、（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2−θＦpin2）となる。反対に、電流を上向きに供給された光変調素子５０（図５（ｂ））を透過した光の旋光角θＤｔ１は、（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2−θＦpin2）となる。さらに、第１固定層５１と第２固定層６１の旋光角、第１反転層５３と第２反転層６３の旋光角が、それぞれ同等となるように光変調素子５０を構成して（例えば、同じ材料で同じ膜厚）、θＦpin1＝θＦpin2＝θＦpin、θＦfree1＝θＦfree2＝θＦfreeとした場合、光変調素子５０を透過した光の旋光角は、θＬｔ１≒−２θＦfree、θＤｔ１≒２θＦfreeと近似できる。このように、１つの画素が、磁化が回転する層を２層備え、かつ２層が互いに同じ磁化方向を示すので、旋光角θＬｔ１，θＤｔ１それ自体がいずれの向きの電流を供給されても大きく、さらに、磁化反転による旋光角の差｜θＤｔ１−θＬｔ１｜＝２（θＦfree1＋θＦfree2）≒４θＦfreeも大きい。
【００６０】
図４の説明に戻る。左側の画素４における光変調素子５０は、図５（ａ）に示すように下向きに電流が供給されて、反転層５３，６３は左方向の磁化を示している。一方、右側の画素４における光変調素子５０は、図５（ｂ）に示すように上向きに電流が供給されて、反転層５３，６３は右方向の磁化を示している。ここで、本実施形態に係る空間光変調器１は反射型の空間光変調器であり、画素４からの出射偏光は、光変調素子５０内または下部電極３表面で反射して出射したものである。入射偏光が下部電極３で反射する場合、入射偏光は、光変調素子５０の各層をすべて（保護層５４〜第２固定層６１）透過して、下部電極３の上面で反射して折り返し、再び光変調素子５０の各層を透過して出射する。このとき、画素４からの出射偏光の旋光角は、θＬｒ１＝２θＬｔ１＝２（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2−θＦpin2）、θＤｒ１＝２θＤｔ１＝２（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2−θＦpin2）となる。一方、入射偏光が光変調素子５０内で反射する場合、例えば第２固定層６１が反射率の高い材料からなる場合は、入射偏光は、光変調素子５０の第２中間層６２まで透過し、第２中間層６２と第２固定層６１との界面で反射して折り返して出射する。このとき、光変調素子５０の第２固定層６１のカー旋光角をθＫpin2とすると、画素４からの出射偏光の旋光角は、θＬｒ１＝２（θＦpin1−θＦfree1−θＦfree2）−θＫpin2、θＤｒ１＝２（θＦpin1＋θＦfree1＋θＦfree2）−θＫpin2となる。このように、光変調素子５０の各層の透過率、反射率によって、画素４からの出射偏光の旋光角θＬｒ１，θＤｒ１の大きさは異なるが、いずれの場合も磁化が変化する反転層５３，６３をそれぞれ２回透過して出射しているので、磁化反転による旋光角の差｜θＤｒ１−θＬｒ１｜＝４（θＦfree1＋θＦfree2）は共通する。このように、本実施形態の画素４は、電流の向きによる出射偏光の差が、磁化反転層を１層のみ備える従来のスピン注入光変調素子で構成された画素における差より大きい。
【００６１】
入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した図４の左側の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２を透過して検出器９４に到達するので、この画素４は明るく（白く）検出器９４に表示される。一方、右側の画素４からの出射偏光は、出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この画素４は暗く（黒く）、検出器９４に表示される。このように、画素毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１の初期状態としては、すべての画素４からの出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過せず「暗」状態となるように、すべての画素４の光変調素子５０に上向きの電流を供給すればよい（図５（ｂ））。
【００６２】
ここで、磁気光学効果は、光の入射角が磁気光学材料の磁化方向に対して平行に近いほど大きい。したがって、面内磁気異方性を有する光変調素子５０においては、光（入射偏光）の入射角を、膜面に対して、すなわち画素アレイ４０に対して平行（入射角０°）に近くするほど、旋光角θＬｒ１，θＤｒ１および両旋光角の差を大きくすることができる。しかし、画素アレイ４０の構造上、光が光変調素子５０の上面から入射するためには、入射角にある程度の傾斜が必要である。したがって、空間光変調器１における画素４への光の入射角は、動作時における光変調素子５０の反転層５３，６３の磁化方向すなわち固定層５１，６１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましく、図４に示すように、本実施形態の空間光変調器１は、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。また、入射偏光、出射偏光共に光路が画素アレイ４０の上方にあるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は入射偏光の光路を遮らない位置に、光源９３および入射偏光フィルタ９１は出射偏光の光路を遮らない位置に、それぞれ配置される。
【００６３】
以上のように、第１実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。そして、選択画素−非選択画素間で旋光角の差が従来の反射型空間光変調器よりも大きいため、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた反射型空間光変調器となる。
【００６４】
（第１実施形態の変形例）
本発明の第１実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素の構成を、図６および図７を参照して説明する。図６は第１実施形態の変形例に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。図７は第１実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図３、図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図６に示すように、第１実施形態の変形例の画素４における光変調素子５０Ｂは、下部電極３の上に、第２固定層６１、第２中間層６２、第２反転層６３、第１反転層５３、第１中間層５２、第１固定層５１、保護層５４の順に積層されてなる。そして、第１実施形態と同様に、第１固定層５１、第１中間層５２、および第１反転層５３は第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５を構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および第２反転層６３は第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）６を構成する。なお、図７では光変調素子５０Ｂの保護層５４は省略する。
【００６５】
第１実施形態の光変調素子５０は、第１、第２スピン注入光変調素子５，６を、接続層５５を介して積層した構造であるが、第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂは、この接続層５５を備えず、第１スピン注入光変調素子５の反転層５３と第２スピン注入光変調素子６の反転層６３とが接続されるように積層したものである。
【００６６】
光変調素子５０Ｂの各層の材料、膜厚等は第１実施形態の光変調素子５０と同様であるので説明は省略する。また、本実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法についても、接続層５５を積層しないこと以外は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。そして、光変調素子５０Ｂにおいても、固定層５１，６１および反転層５３，６３は面内磁気異方性材料で構成されており、第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。したがって、電流の供給による第１、第２スピン注入光変調素子５，６の磁化反転は、第１実施形態の光変調素子５０におけるものと同様であるので、説明は省略する（図５参照）。
【００６７】
また、図７に示すように、第１実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ａは、画素４に光変調素子５０Ｂを備えること以外は第１実施形態に係る空間光変調器１と同じ構成であり、その画素選択の動作も第１実施形態と同様である。さらに、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｂによる出射偏光の旋光も第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６８】
以上のように、第１実施形態の変形例によれば、第１実施形態と同様に、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。また、第１実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００６９】
［第２実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図８は第２実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図４と同様、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂは、画素４に光変調素子５０Ａを備える。光変調素子５０Ａは、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、接続層５５を挟んで、第１スピン注入光変調素子５Ａ、第２スピン注入光変調素子６Ａを備えるが、それぞれの固定層５１Ａ，６１Ａおよび反転層５３Ａ，６３Ａは、４層すべてが垂直磁気異方性を有する材料で構成される。また、光変調素子５０Ａにおいて、保護層５４は、図４と同様に図示を省略するが、第１実施形態の光変調素子５０と同じく最上層に積層される（図３参照）。
【００７０】
第１スピン注入光変調素子５Ａにおいて、第１固定層５１Ａは強磁性金属からなり、その厚さは光を十分透過するように、数〜１０数ｎｍとする。また、第１反転層５３Ａも強磁性金属からなり、その厚さは１５ｎｍ以下である。第１固定層５１Ａ、第１反転層５３Ａを構成する強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、［Ｆｅ／Ｐｔ］×ｎ、［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金がそれぞれに適用でき、第１反転層５３ＡにはさらにＭｎＢｉが適用できる。また、第１固定層５１Ａの保磁力が、第１反転層５３の保磁力より大きくなるような構成にする。第２スピン注入光変調素子６Ａは、構成する各層の積層される順序が逆である以外は、第１スピン注入光変調素子５Ａと同じ構成である。したがって、その材料および膜厚等は、第２固定層６１Ａは第１固定層５１Ａに、第２反転層６３Ａは第１反転層５３Ａにそれぞれ倣う。また、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、第２スピン注入光変調素子６Ａのそれぞれの層は第１スピン注入光変調素子５Ａの材料および膜厚と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。特に、第２固定層６１Ａは、１０数ｎｍを超える厚さとして反射率の高い層にして、入射偏光がその表面（第２中間層６２と第２固定層６１Ａとの界面）で反射する構成としてもよい。
【００７１】
光変調素子５０Ａの固定層５１Ａ，６１Ａの各磁化方向は面内方向に対して垂直であり、第１実施形態と同様に、第１固定層５１Ａの磁化と第２固定層６１Ａの磁化は互いに逆方向に固定されるので、第２実施形態では図８に示すように、第１固定層５１Ａの磁化は下方向に、第２固定層６１Ａの磁化は上方向に、それぞれ固定されている。一方、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は、上方向または下方向を示すように、スピン注入によって反転させることができる。したがって、電流を下向きに供給したときは、第１実施形態と同様に第１スピン注入光変調素子５Ａは磁化配置が反平行（ＡＰ）に、第２スピン注入光変調素子６Ａは磁化配置が平行（Ｐ）になるように、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は共に上方向を示す。反対に、電流を上向きに供給したときは、第１スピン注入光変調素子５Ａは磁化配置が平行（Ｐ）に、第２スピン注入光変調素子６Ａは磁化配置が反平行（ＡＰ）になるように、反転層５３Ａ，６３Ａの磁化は共に下方向を示す。また、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、第１反転層５３Ａと第２反転層６３Ａを非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３Ａ，６３Ａの各層を従来の垂直磁気異方性を有するスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。
【００７２】
各層の磁化方向が面内方向に垂直である光変調素子５０Ａにおいても、第１実施形態の光変調素子５０と同様に、光変調素子５０Ａの各層（固定層５１Ａ，６１Ａ、反転層５３Ａ，６３Ａ）を透過した光はファラデー効果により旋光し、第１、第２スピン注入光変調素子５Ａ，６Ａの磁化反転により、光変調素子５０Ａから出射した偏光の旋光角は変化する。
【００７３】
第２実施形態の空間光変調器１Ｂにおいては、光変調素子５０Ａの各層の磁化方向に平行に光が入射するように、図８に示すように画素４への入射角を９０°として、画素４からの出射光の旋光角θＬｒ３，θＤｒ３を最大とすることができる。したがって、光源９３、入射偏光フィルタ９１を画素アレイ４０の直上に配することが好ましい。この場合、出射偏光（反射光）の光路も入射偏光の光路と同じ画素４の直上である。そこで、空間光変調器１Ｂの画素アレイ４０と入射偏光フィルタ９１の間にハーフミラー９５を配置して、出射偏光のみ側方へ反射させて光路を変え、その先に出射偏光フィルタ９２および検出器９４を配置する。このような構成とすることで、垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子によっても反射型の空間光変調器とすることが可能となる。
【００７４】
以上のように、第２実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた反射型空間光変調器となる。さらに、スピン注入光変調素子に垂直磁気異方性材料を適用することで、磁化方向と平行に光を画素に入射することが容易にできるので、選択画素−非選択画素間で旋光角の差がいっそう大きくなって、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた反射型空間光変調器となる。
【００７５】
（第２実施形態の変形例）
さらに、図９を参照して、本発明の第２実施形態の変形例について説明する。図９は第２実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第２実施形態（図８参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図９に示すように、第２実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｃは、画素４に光変調素子５０Ｃを備えること以外は第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂと同じ構成である。光変調素子５０Ｃは、第２実施形態の光変調素子５０Ａを構成する第１スピン注入光変調素子５Ａ、第２スピン注入光変調素子６Ａを、第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂと同様に、間に接続層５５を備えずに積層したものである。また、光変調素子５０Ｃにおいて、保護層５４は図示を省略するが、光変調素子５０Ｂと同じく最上層に積層される（図６参照）。
【００７６】
光変調素子５０Ｃの各層の材料、膜厚等は第２実施形態の光変調素子５０Ａと同様であるので説明は省略する。また、固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も光変調素子５０Ａと同様であり、したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｃによる出射偏光の旋光も第２実施形態と同様である。
【００７７】
以上のように、第２実施形態の変形例によれば、第２実施形態と同様に垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子を用いることで、光変調度をさらに向上させた反射型空間光変調器となる。また、第２実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００７８】
［第３実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は第３実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第１実施形態（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第１実施形態の空間光変調器１は反射型であるのに対し、第３実施形態の空間光変調器１Ｄは透過型である。
【００７９】
空間光変調器１Ｄは、画素４Ａに、上部電極２と同様に透明電極材料で構成された下部電極３Ａを備える。上部電極２から入射して光変調素子５０を透過した光は、下部電極３Ａ、さらに透明な基板７１Ａを透過して画素４Ａから出射する。したがって、図１０に示すように、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は、空間光変調器１Ｄの画素アレイ４０の下方に配置される。
【００８０】
下部電極３Ａは、第１実施形態の下部電極３と同様に帯状であるが、光変調素子５０を透過した出射偏光をさらに透過するように、上部電極２の透明電極２ａと同様に、公知の透明電極材料からなる。そして、上部電極２と同様に、光変調素子５０との間に金属膜からなる下地層を備えて接触抵抗を小さくすることが好ましい（図示せず）。これらの構成は、それぞれ上部電極２の透明電極２ａおよび下地層２ｂと同様であるため、説明は省略する。ただし、画素４Ａの製造において、下部電極３Ａの下地層となる金属膜と、その上の光変調素子５０となる各層は、連続して成膜されることが好ましいため、下部電極３Ａの透明電極部分を形成して、その間に絶縁部材７２を堆積させてから、下部電極３Ａの下地層と光変調素子５０を形成する。また、第３実施形態の基板７１Ａは、画素４Ａ（上部電極２、光変調素子５０、下部電極３Ａ）を透過した光がさらに下方へ照射されるように、透明な材料からなり、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等からなる。
【００８１】
画素４Ａに備えられた光変調素子５０は、第１実施形態に係る空間光変調器１の画素４に備えられたものであり、光変調素子５０における固定層５１，６１の磁化方向および電流の供給による反転層５３，６３の磁化反転も、第１実施形態と同様である（図５参照）ため、説明を省略する。ただし、第２固定層６１は、第１固定層５１と同様に、特に厚さが１０数ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成して、光を透過するようにする。第３実施形態に係る透過型空間光変調器１Ｄにおける画素４Ａからの出射光は、画素４Ａ（光変調素子５０）を透過して旋光するので、選択−非選択画素の出射偏光の旋光角θＤｔ１，θＬｔ１は、図５を参照して説明した通りである。そして、第１実施形態において説明したように、第１反転層５３と第２反転層６３を非磁性の接続層５５で分離させたことにより、反転層５３，６３の各層を従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層と同程度の厚さとしても、従来のスピン注入光変調素子と同等の大きさの電流で磁化反転させることができる。したがって、従来のスピン注入光変調素子による透過型の空間光変調器に比べて出射偏光の旋光角を大きくすることができる。
【００８２】
また、空間光変調器１Ｄにおける画素４Ａへの光の入射角も、第１実施形態の反射型空間光変調器１と同様に、光変調素子５０の固定層５１，６１の磁化方向に対して１０°〜６０°の範囲が好ましい。したがって、図１０に示すように、第３実施形態の空間光変調器１Ｄは、画素アレイ４０に対して斜めに光が入射される。
【００８３】
以上のように、第３実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。そして、選択画素−非選択画素間で旋光角の差が従来の透過型空間光変調器よりも大きいため、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた透過型空間光変調器となる。
【００８４】
（第３実施形態の変形例）
さらに、図１１を参照して、本発明の第３実施形態の変形例について説明する。図１１は第３実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第３実施形態（図１０参照）および第１実施形態の変形例（図６、図７参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１１に示すように、第３実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｅは、画素４Ａに光変調素子５０Ｂを備えること以外は第３実施形態に係る空間光変調器１Ｄと同じ構成である。光変調素子５０Ｂは、第１実施形態の変形例に適用されたものであり、固定層５１，６１の磁化方向および電流の供給による反転層５３，６３の磁化反転も、第１実施形態の変形例および第３実施形態におけるものと同様である。したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｂによる出射偏光の旋光は第３実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００８５】
以上のように、第３実施形態の変形例によれば、第３実施形態と同様に、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。また、第３実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００８６】
［第４実施形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。図１２は第４実施形態に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第２実施形態（図８参照）および第３実施形態（図１０参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第４実施形態の空間光変調器１Ｆは、第３実施形態の空間光変調器１Ｄと同様に、画素４Ａに透明電極材料で構成された下部電極３Ａを備える透過型の空間光変調器であり、また、第２実施形態と同じ垂直磁気異方性材料で構成された光変調素子５０Ａを備える。
【００８７】
画素４Ａに備えられた光変調素子５０Ａは、第２実施形態に係る空間光変調器１Ｂの画素４に備えられたものであり、光変調素子５０Ａにおける固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も、第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。ただし、第２固定層６１Ａは、第１固定層５１Ａと同様に、その厚さを数〜１０数ｎｍとして、光を透過するようにする。そして、空間光変調器１Ｆにおいては、光変調素子５０Ａの各層の磁化方向に平行に光が入射するように、図１２に示すように画素４Ａへの入射角を９０°として、画素４Ａからの出射光の旋光角θＬｔ３，θＤｔ３を最大とすることができる。したがって、第２実施形態と同様に、光源９３、入射偏光フィルタ９１は、空間光変調器１Ｆの画素アレイ４０の直上に配置されることが好ましい。また、このとき出射角は画素アレイ４０の下面側で９０°となるので、出射偏光フィルタ９２および検出器９４は画素アレイ４０の直下に配置される。
【００８８】
以上のように、第４実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた透過型空間光変調器となる。さらに、スピン注入光変調素子に垂直磁気異方性材料を適用することで、磁化方向と平行に光を画素に入射することが容易にできるので、選択画素−非選択画素間で旋光角の差がいっそう大きくなって、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた透過型空間光変調器となる。また、光源や偏光フィルタ等が画素アレイに対して垂直に配置されるので、空間光変調器を備えた装置を小型化できる。
【００８９】
（第４実施形態の変形例）
さらに、図１３を参照して、本発明の第４実施形態の変形例について説明する。図１３は第４実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。第４実施形態（図１２参照）および第２実施形態の変形例（図９参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第４実施形態の変形例に係る空間光変調器１Ｇは、画素４Ａに光変調素子５０Ｃを備えること以外は第４実施形態に係る空間光変調器１Ｆと同じ構成である。光変調素子５０Ｃは、第２実施形態の変形例に適用されたものであり、固定層５１Ａ，６１Ａの磁化方向および電流の供給による反転層５３Ａ，６３Ａの磁化反転も、第２実施形態の変形例および第４実施形態におけるものと同様である。したがって、選択、非選択画素それぞれの光変調素子５０Ｃによる出射偏光の旋光は第４実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００９０】
以上のように、第４実施形態の変形例によれば、第４実施形態と同様に垂直磁気異方性材料で構成されたスピン注入光変調素子を用いることで、光変調度をさらに向上させた透過型空間光変調器となる。また、第４実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００９１】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態に係る空間光変調器の画素の構成およびこの画素における光変調素子の動作を、図１４および図１５を参照して説明する。図１４は第５実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。図１５は第５実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための断面模式図である。第１，３実施形態（図５、図１０参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。第５実施形態の画素は、透過型空間光変調器におけるものとして示す。図１４に示すように、第５実施形態の画素における光変調素子５０Ｄは、下部電極３Ａの上に、第２固定層（第２の磁化固定層）６１、第２中間層（第２の中間層）６２、反転層（磁化反転層）５６、第１中間層（第１の中間層）５２、第１固定層（第１の磁化固定層）５１、保護層５４の順に積層されてなる。なお、図１５では保護層５４は省略する。
【００９２】
第１実施形態の変形例の光変調素子５０Ｂは、第１、第２スピン注入光変調素子５，６を積層した構造であるが、第５実施形態の光変調素子５０Ｄは、連続した第１、第２スピン注入光変調素子５，６の各反転層５３，６３を１層の反転層５６としたものである。したがって、第１固定層５１、第１中間層５２、および反転層５６で第１スピン注入光変調素子５Ｄを構成し、第２固定層６１、第２中間層６２、および反転層５６で第２スピン注入光変調素子６Ｄを構成すると見なすことができる。
【００９３】
光変調素子５０Ｄの各層の材料、膜厚等は第１実施形態の光変調素子５０と同様であるので説明は省略する。また、第５実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法についても、層の数が２層少ないこと以外は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。なお、反転層５６は、第１反転層５３、第２反転層６３と同じ材料を適用できるが、層の厚さは各層の１層分より厚くしても同等の電流値で磁化反転させることができる。そして、第１実施形態およびその変形例と同様に、第１、第２固定層５１，６１および反転層５６は、これら３層のすべてが面内磁気異方性材料で構成される。そして、第１固定層５１と第２固定層６１は、すべての画素４において磁化方向がそれぞれ同一に固定され、第１固定層５１の磁化と第２固定層６１の磁化とは互いに逆方向（反平行）である。第５実施形態においては、図５に示す第１実施形態と同様に、図１５に、第１固定層５１の磁化を右方向、第２固定層６１の磁化を左方向の矢印で示す。
【００９４】
第５実施形態に係る空間光変調器の画素（光変調素子）における磁化方向と透過光の旋光について、図１５を参照して説明する。第５実施形態の光変調素子５０Ｄは、前記したように、２つのスピン注入光変調素子５Ｄ，６Ｄを備えると見なすことができる。そして、これらのスピン注入光変調素子５Ｄ，６Ｄは、第１実施形態の光変調素子５０の第１、第２スピン注入光変調素子５，６にそれぞれ相当する。したがって、光変調素子５０Ｄについても、図１５（ａ）に示すように電流を下向きに供給すると、第１スピン注入光変調素子５Ｄにおいては、第１固定層５１側から電流が流れるので磁化配置が反平行（ＡＰ）となり、第２スピン注入光変調素子６Ｄにおいては、反転層５６側から電流が流れるので磁化配置が平行（Ｐ）となる。すなわち、反転層５６の磁化は、第１固定層５１の磁化に反平行であり、かつ第２固定層６１の磁化に平行である左方向になる。反対に、図１５（ｂ）に示すように電流を上向きに供給すると、反転層５６の磁化は、第１固定層５１の磁化に平行であり、かつ第２固定層６１の磁化に反平行である右方向になる。この反転層５６の磁化の反転動作は、第１、第３実施形態の第１反転層５３および第２反転層６３の磁化と同じである（図５（ａ）、（ｂ）参照）。
【００９５】
光変調素子５０Ｄの第１固定層５１、第２固定層６１、反転層５６の各層のファラデー旋光角をそれぞれ、θＦpin1，θＦpin2，θＦfree3とし、第１実施形態（図５参照）と同様に、図１０において右方向の磁化を有する層を透過した光が正方向に回転すると定義する。電流を下向きに供給された光変調素子５０Ｄ（図１５（ａ））を透過した光の旋光角θＬｔ５は、（θＦpin1−θＦfree3−θＦpin2）となる。反対に、電流を上向きに供給された光変調素子５０Ｄ（図１５（ｂ））を透過した光の旋光角θＤｔ５は、（θＦpin1＋θＦfree3−θＦpin2）となる。さらに、第１固定層５１と第２固定層６１の旋光角が同じとなる（θＦpin1＝θＦpin2＝θＦpin）ように光変調素子５０Ｄを構成した場合、光変調素子５０Ｄの旋光角は、θＬｔ５≒−θＦfree3、θＤｔ５≒θＦfree3と近似できる。前記したように、反転層５６を、磁化固定層を１層のみ備える従来のスピン注入光変調素子の磁化反転層より厚くしても、同等の大きさの電流で磁化反転させることができるので、反転層５６内の光路長が長くなって旋光角θＦfree３を大きくすることができる。すなわち、光変調素子５０Ｄの旋光角（θＬｔ５，θＤｔ５）自体が大きく、さらに、磁化反転による旋光角の差｜θＤｔ５−θＬｔ５｜＝２θＦfree3が、従来のスピン注入光変調素子で構成された画素における差より大きい。
【００９６】
また、第５実施形態において、光変調素子５０Ｄは、透過型の空間光変調器におけるものとして示したが、第１実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ｂと同様に、反射型の空間光変調器（図４、図７参照）にも適用することができる。この場合、第２固定層６１、さらに反転層５６を、反射率の高くなるような材料および膜厚で構成してもよい。また、光変調素子５０Ｄは、第１、第２固定層５１，６１および反転層５６の３層のすべてが、第２実施形態の第１、第２固定層５１Ａ，６１Ａおよび第１、第２反転層５３Ａ，６３Ａと同様に垂直磁気異方性材料で構成されてもよい。この場合は、第２、第４実施形態およびその変形例の光変調素子５０Ａ，５０Ｃと同様に、入射角９０°で光を入射される反射型、透過型の空間光変調器（図８、図９、図１２、図１３参照）となる。
【００９７】
以上のように、第５実施形態によれば、高精細かつ高速応答とすることが可能なスピン注入光変調素子を用いて、光変調度を向上させた空間光変調器となる。そして、第１実施形態と同様、画素の明／暗の切り分けおよび切り換えのための選択性に優れた空間光変調器となる。また、第１、第３実施形態と比べて、光変調素子に非磁性金属からなる接続層がないため、その分、光の減衰を抑えることができる。
【００９８】
［第６実施形態］
図１６、図１７、および図１８を参照して、本発明の第６実施形態について説明する。図１６は第６実施形態に係る空間光変調器の画素アレイの平面模式図で、第１実施形態と同様に５行×５列のアレイ状に２５個の画素を配列したものである。図１７は第６実施形態に係る空間光変調器の画素の、一部を切り欠いた拡大斜視図である。また、図１８は第６実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１６のＣ−Ｃ部分断面図である。また、光路も合わせて示す。第１実施形態（図１〜３参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１６および図１７に示すように、第６実施形態の画素４Ｂは、上部電極２Ｂおよび下部電極３Ｂを備えること以外は第３実施形態の画素４Ａと同様の構成で、透過型の空間光変調器に備えるものである。なお、第６実施形態の画素４Ｂにおける光変調素子５０は、第１〜５実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄのいずれも適用できる。
【００９９】
第６実施形態の上部電極２Ｂは、その形状が第１実施形態の上部電極２と同様に帯状であり、画素アレイ４０Ｂにおいて横方向に延設される。上部電極２Ｂは、前記帯状の形状に複数の孔（貫通孔）を形成された金属電極２ｃと、この孔に充填された形状の透明電極２ａとからなる。金属電極２ｃの孔および透明電極２ａは、平面視で光変調素子５０に重なる領域、すなわち光変調素子５０の直上に備えられる。したがって、１つの金属電極２ｃは、画素４Ｂの横方向（列）の数である５個の孔を有する。そして、この金属電極２ｃの孔に、透明電極２ａが光変調素子５０の上面に電気的に接続されて設けられている。
【０１００】
第６実施形態の下部電極３Ｂは、その形状が第１、第３実施形態の下部電極３，３Ａと同様に帯状であり、画素アレイ４０Ｂにおいて縦方向に延設される。下部電極３Ｂは、前記帯状の形状に複数の孔（貫通孔）を形成された金属電極３ｃと、この孔に充填された形状の透明電極３ａとからなる。金属電極３ｃの孔および透明電極３ａは、平面視で光変調素子５０に重なる領域、すなわち光変調素子５０の直下に備えられる。したがって、１つの金属電極３ｃは、画素４Ｂの縦方向（行）の数である５個の孔を有する。そして、この金属電極３ｃの孔に、透明電極３ａが光変調素子５０の下面に電気的に接続されて設けられている。
【０１０１】
金属電極２ｃ，３ｃは、第１実施形態の下部電極３と同様の一般的な電極用金属材料で構成され、透明電極２ａ，３ａは、第１実施形態の上部電極２におけるものと同様の公知の透明電極材料で構成されるので、それぞれ説明は省略する。透明電極２ａ，３ａは、光が光変調素子５０に入射、出射するための窓であり、その形状（金属電極２ｃ，３ｃの孔の形状）および大きさは特に限定されないが、平面視形状が光変調素子５０の平面視形状に対して小さいと金属電極２ｃ，３ｃが光を遮って集光率が低下し、大きすぎると孔の周縁部で金属電極２ｃ，３ｃが幅狭となって金属電極２ｃ，３ｃの抵抗が大きくなり、電極２Ｂ，３Ｂの抵抗が大きくなる。したがって、透明電極２ａ，３ａの平面視形状は、光変調素子５０の平面視形状の相似形とし、孔の周縁で金属電極２ｃ，３ｃが幅狭にならない範囲で大きくすることが好ましい。このように、電極２Ｂ，３Ｂにおいて、抵抗の小さい金属電極を主要材料とし、光変調素子５０の上下すなわち光路部分のみを透明電極とすることで、応答速度を上げることができる。
【０１０２】
また、第１、第３実施形態と同様に、上部電極２Ｂおよび下部電極３Ｂは、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間にそれぞれ金属膜からなる下地層２ｂ，３ｂを設けることが好ましい。このように、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間にそれぞれ金属膜である下地層２ｂ，３ｂを介在させることで、上部電極２Ｂ−光変調素子５０間および下部電極３Ｂ−光変調素子５０間の接触抵抗を低減させて応答速度をさらに上げ、かつ画素４Ｂ間のばらつきを低減することができる。下地層２ｂ，３ｂの平面視形状については、第６実施形態では、図１７、図１８に示すように、上部電極２Ｂの下地層２ｂは金属電極２ｃの孔に充填するように形成され、下部電極３Ｂの下地層３ｂは光変調素子５０と同じ形状に形成されている。ただし、下地層２ｂ，３ｂは、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５０との間に設けられていればよく、透明電極２ａ，３ａと同じ、すなわち金属電極２ｃ，３ｃのそれぞれの孔に充填するように形成されてもよいし、電極２Ｂ，３Ｂ、または光変調素子５０と同じ平面視形状でもよい。下地層２ｂ，３ｂの材料および厚さは第１実施形態の上部電極２の下地層２ｂと同じであるので説明は省略する。
【０１０３】
次に、本発明の第６実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３Ｂを形成する。基板７１Ａの表面に、金属電極３ｃをスパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により、前記５個の孔を有する帯状に形成する。そして、透明電極材料を金属電極３ｃと同じ厚さに成膜し、フォトリソグラフィ等により金属電極３ｃの孔に充填された部分以外の透明電極材料を除去して透明電極３ａとする。そして、金属電極３ｃ，３ｃ間に絶縁部材７２を堆積させる。
【０１０４】
次に、下地層３ｂと光変調素子５０を、第３実施形態と同様に連続して形成する。さらに第１、第３実施形態と同様に、光変調素子５０，５０間に絶縁部材７２を形成する。
【０１０５】
次に、上部電極２Ｂを形成する。光変調素子５０および絶縁部材７２の表面に、下部電極３Ｂの金属電極３ｃと同様に、金属電極２ｃを前記５個の孔を有する帯状に形成する。そして、金属電極２ｃの孔に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、フォトリソグラフィ等により金属電極２ｃの孔に充填された部分以外の透明電極材料および金属膜を除去して下地層２ｂおよび透明電極２ａとする。最後に、このようにして形成された上部電極２Ｂ，２Ｂ間および上部電極２Ｂ表面の金属電極２ｃ部分に絶縁部材７２を形成して、画素４Ｂ（画素アレイ４０Ｂ）とする。
【０１０６】
なお、透明電極２ａは、金属電極２ｃと上面が図１８に示すような面一である必要はなく、例えば、透明電極２ａが金属電極２ｃの厚さより厚く、さらに孔の周縁で金属電極２ｃの表面に積層されていてもよい。このような形状にすると、透明電極２ａと金属電極２ｃとの接触面積が大きくなって、上部電極２Ｂにおける接触抵抗を低減させることができる。また、図１７および図１８では、透明電極２ａ，３ａの形状は側面が垂直な四角柱だがこれに限らず、例えば、上部電極２Ｂにおいては、金属電極２ｃの孔を、その側壁を傾斜させて、光変調素子５０の側が狭くすなわち入射面へ広がるように形成し、透明電極２ａが逆メサ形状（逆四角錐台）となってもよい。このような形状にすると、透明電極２ａと金属電極２ｃとの接触面積が大きくなって、上部電極２Ｂにおける接触抵抗を低減させることができる。さらに、第１実施形態に係る空間光変調器１（図４参照）のように、面内磁気異方性材料で構成された光変調素子５０を備え、光の入射角が斜め（画素アレイ４０Ｂに非垂直）である場合、入射光の金属電極２ｃに遮られる部分が少なくなるので、集光率が向上する。
【０１０７】
また、図示しないが、第６実施形態の上部電極２Ｂと、第１実施形態の金属電極からなる下部電極３（図３参照）とを備えて、反射型の空間光変調器の画素を構成することもできる。
【０１０８】
以上のように、第６実施形態によれば、光を遮らない透明電極材料と低抵抗の金属材料の双方の利点を兼ね備えた電極により、応答速度が向上し、画素間の動作のばらつきが低減された空間光変調器となる。
【０１０９】
［撮像装置］
次に、図１９を参照して、本発明の実施形態に係る撮像装置について説明する。本発明の実施形態に係る撮像装置は、本発明の実施形態に係る空間光変調器を撮像装置に適用したものである。図１９は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る空間光変調器（図１、図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【０１１０】
本発明の一実施形態に係る撮像装置１０は、図１９に示すように、複数の画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する駆動制御部８０と、特定の方向の偏光を透過する出射偏光フィルタ（偏光子）９２と、光を電荷に変換する光電変換部（光電変換手段）９６と、電荷を蓄積する電荷蓄積部（電荷蓄積手段）９７と、電荷を信号に変換する電荷／映像信号変換部９８と、を備える。すなわち、撮像装置１０は、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器１を構成する画素アレイ４０と駆動制御部８０を備え、これらの構成は、図１に示す空間光変調器１の平面模式図を参照できる。
【０１１１】
画素アレイ４０（画素４）および駆動制御部８０は、それぞれ図１に示す第１実施形態に係る空間光変調器１におけるものと同じ構成であるので説明は省略する。出射偏光フィルタ９２は、画素アレイ４０から出射した光を受けて、選択された画素４から出射した光のみを透過させる濾光手段であり、空間光変調器１で使用されるものと同様に、偏光板等からなる。光電変換部９６は、出射偏光フィルタ９２を透過した光を電荷に変換するもので、フォトダイオード等からなる。電荷蓄積部９７は、光電変換部９６で変換された電荷を蓄積するもので、コンデンサ等を備える。また、電荷蓄積部９７は、駆動制御部８０の画素選択部８４と接続し、蓄積した電荷に対応する画素４を特定する情報を記憶する。電荷／映像信号変換部９８は、電荷蓄積部９７が放出した電荷を前記の画素４を特定する情報と対応付けて電気信号（映像信号）に変換する。出射偏光フィルタ９２、光電変換部９６、電荷蓄積部９７、電荷／映像信号変換部９８は、それぞれ公知の手段によるものでよい。このように、本発明の一実施形態に係る磁気光学式撮像装置１０における画素４は、受光手段のみを備え、ＣＭＯＳ等からなる従来の画素（撮像素子）のように、それぞれに光電変換手段および電荷蓄積手段をさらに備える必要がない。また、撮像装置１０における画素選択は、撮像すなわち出射光の光電変換を行う画素４を走査するもので、例えば、画素アレイ４０において画素４をシフトさせて選択、選択解除を繰り返す。駆動制御部８０による画素選択の方法については、第１実施形態に係る空間光変調器１におけるものと同様であるので説明は省略する。
【０１１２】
次に、本発明の一実施形態に係る撮像装置の画素選択の動作を、図２０を参照して説明する。図２０は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図に対応する図である。図２０に示す撮像装置１０は、反射型の撮像装置であり、本発明の第１実施形態に係る反射型空間光変調器１（図４参照）と同一の要素については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２０に示すように、撮像装置１０は、光（自然光）を画素４に入射する前に偏光する入射偏光フィルタ９１と、出射偏光フィルタ９２を透過した光が光電変換部９６に入射するように集光する集光レンズ９９と、をさらに備える。また、撮像装置１０においては、光の入射面に、空間光変調器１の光源９３に代えて被写体（撮像対象）が配される。また、図２０において、光変調素子５０の保護層５４（図３参照）は図示を省略する。
【０１１３】
撮像装置１０の動作を、図２０を参照して説明する。被写体からの反射光、すなわち被写体光は自然光であり、様々な偏光成分を含んでいるので、これを入射偏光フィルタ９１に透過させて、１つの偏光成分の入射偏光とする。入射偏光は所定の入射角で画素４に入射する。画素４に入射した偏光は、上部電極２を透過して、光変調素子５０内または下部電極３表面で反射して、再び上部電極２を透過して、出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、図２０において左側に示す選択された画素４からの出射偏光、すなわち入射偏光に対して角度θＬｒ１旋光した偏光のみを透過させ、透過した出射偏光は集光レンズ９９で集光されて光電変換部９６に入射し、電荷に変換される。画素４（光変調素子５０）から出射した偏光の旋光については、第１実施形態において説明した通りである。このように、光電変換部９６に入射する光はその時点で選択されている画素４のみから出射した光であるので、光電変換部９６は撮像装置１０に１つ備えればよく、画素４毎に備える必要はない。なお、入射偏光フィルタ９１は、出射偏光フィルタ９２と同様に偏光板等からなる。また、集光レンズ９９は、画素アレイ４０のいずれの画素４から出射した光でも光電変換部９６に入射するように集光できるものであればよく、複数枚のレンズで構成されてもよい。
【０１１４】
本実施形態に係る撮像装置１０は反射型撮像装置として示したが、第３実施形態に係る空間光変調器１Ｄ（図１０参照）を備えた、透過型撮像装置とすることもできる。透過型撮像装置とする場合は、透過型空間光変調器と同様に、画素アレイ４０の下方に出射偏光フィルタ９２を配置し、さらに下方にその集光レンズ９９、光電変換部９６を配置する（図示せず）。また、撮像装置１０は、撮像素子として第１実施形態に係る光変調素子５０を備えるが、第１〜５実施形態およびその変形例の光変調素子５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄのいずれも適用できる。さらに、第６実施形態に係る空間光変調器の画素４Ｂのように、金属電極と透明電極とを組み合わせた電極２Ｂ，３Ｂを適用してもよい。
【０１１５】
以上のように、本発明の実施形態に係る撮像装置によれば、画素の選択−非選択で旋光角の差が大きいため、画素の走査性に優れた撮像装置となる。
【０１１６】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【実施例】
【０１１７】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素のサンプルを作製した。具体的には、実施例として、本発明の第１実施形態の変形例に係る反射型の画素（図６、図７参照）と同じ積層構造となるように、表１に示す各種材料を熱酸化膜付Ｓｉ基板上にスパッタリング法により成膜、積層して作製した。なお、反射光の旋光角の測定により評価するため、フォトリソグラフィ等による加工は施さず、したがって保護層（図６参照）に相当する膜は設けていない。同様に、従来例として、表１に示す磁化固定層〜磁化反転層が各１層の光変調素子の構成の、反射型の画素のサンプルを作製した。実施例、従来例共に、光変調素子は、面内磁気異方性を有する構成とした。
【０１１８】
作製した実施例、従来例それぞれの画素のサンプルに、外部から一様な磁界Ｈを印加することによって、磁化反転層（第１、第２反転層）の磁化方向が磁化固定層（第１、第２固定層）の磁化方向に平行または反平行となるようにした。なお、この磁界Ｈは、磁化固定層（第１、第２固定層）の磁化が反転する＋５００Ｏｅ以上、−５００Ｏｅ以下の磁界に対して、０Ｏｅ近傍の十分に弱い磁界である。そして、波長７８０ｎｍのレーザー光によるサンプルからの反射光（下部電極に相当するＣｕ膜で反射した出射光）の旋光角を、面内カー効果測定装置（ＨＤ−２５０、日本分光株式会社製）で測定した。次に、前記印加磁界Ｈと反対方向の磁界−Ｈを印加することによって、磁化反転層（第１、第２反転層）の磁化を反転させて、同様に、サンプルからの反射光の旋光角を測定した。磁化反転による旋光角の差２θを表１に示す。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
表１に示すように、本発明に係る実施例は、磁化反転層の総厚（第１反転層＋第２反転層）が従来例の磁化反転層よりも厚く、それに比例して光路長が長くなったことにより、磁化反転による旋光角の差２θが従来例よりも大きかった。これは、空間光変調器や撮像装置の画素として光変調度が向上したことを示す。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】第１実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である
【図２】第１実施形態に係る空間光変調器の画素の拡大斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図４】第１実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための光変調素子の断面模式図である。
【図６】第１実施形態の変形例に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図８】第２実施形態に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図９】第２実施形態の変形例に係る反射型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】第３実施形態に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】第３実施形態の変形例に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１２】第４実施形態に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】第４実施形態の変形例に係る透過型空間光変調器の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】第５実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＢ−Ｂ部分断面図である。
【図１５】第５実施形態に係る光変調素子の磁化反転と透過光の旋光を説明するための光変調素子の断面模式図である。
【図１６】第６実施形態に係る空間光変調器の画素アレイの平面模式図である。
【図１７】第６実施形態に係る空間光変調器の画素の拡大斜視図である。
【図１８】第６実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１６のＣ−Ｃ部分断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９に示す反射型撮像装置の画素選択の動作を説明する模式図で、図１のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１，１Ａ〜１Ｇ 空間光変調器（磁気光学式空間光変調器）
１０ 撮像装置（磁気光学式撮像装置）
４０，４０Ｂ 画素アレイ
４，４Ａ，４Ｂ 画素
２，２Ｂ 上部電極
２ａ 透明電極
２ｂ 下地層
２ｃ 金属電極
３，３Ａ，３Ｂ 下部電極
３ａ 透明電極
３ｂ 下地層
３ｃ 金属電極
５０，５０Ａ〜５０Ｄ 光変調素子
５，５Ａ 第１スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５１，５１Ａ 第１固定層（磁化固定層）
５２ 第１中間層（中間層）
５３，５３Ａ 第１反転層（磁化反転層）
５５ 接続層
５６ 反転層（磁化反転層）
６，６Ａ 第２スピン注入光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
６１，６１Ａ 第２固定層（磁化固定層）
６２ 第２中間層（中間層）
６３，６３Ａ 第２反転層（磁化反転層）
７１，７１Ａ 基板
７２ 絶縁部材
８０ 駆動制御部
８１ 電源（電流供給手段）
８４ 画素選択部（画素選択手段）
９１ 入射偏光フィルタ
９２ 出射偏光フィルタ（偏光子）
９６ 光電変換部（光電変換手段）
９７ 電荷蓄積部（電荷蓄積手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、接続層を挟んで２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極と、を備え、
前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて前記接続層を挟んで積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項２】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極と、を備え、
前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項３】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極と、を備え、
前記光変調素子は、前記下部電極の側から、第２の磁化固定層、第２の中間層、磁化反転層、第１の中間層、第１の磁化固定層、の順に積層されてなり、前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定され、前記磁化反転層はスピン注入により磁化反転することを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項４】
前記上部電極および前記下部電極は透明電極を有し、
前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項５】
前記上部電極および前記下部電極は、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、
前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項６】
前記上部電極は透明電極を有し、
前記下部電極は金属電極からなり、
前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項７】
前記上部電極は、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、
前記下部電極は金属電極からなり、
前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器に、さらに、前記画素選択手段が選択した画素から出射した光を透過させる偏光子と、この偏光子を透過した光を電荷に変換する光電変換手段と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、を備え、前記上部電極側から入射した被写体光を撮像する磁気光学式撮像装置。
【請求項１】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、接続層を挟んで２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に電流を供給する上部電極および下部電極と、を備え、
前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて前記接続層を挟んで積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項２】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、２つのスピン注入磁化反転素子が積層されてなる光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極と、を備え、
前記２つのスピン注入磁化反転素子は、それぞれの磁化反転層の側を対向させて積層され、前記２つのスピン注入磁化反転素子のそれぞれの磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定されていることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項３】
２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する磁気光学式空間光変調器であって、
前記画素は、光変調素子と、この光変調素子に接続された上部電極および下部電極と、を備え、
前記光変調素子は、前記下部電極の側から、第２の磁化固定層、第２の中間層、磁化反転層、第１の中間層、第１の磁化固定層、の順に積層されてなり、前記第１の磁化固定層と前記第２の磁化固定層はその磁化方向が互いに反平行に固定され、前記磁化反転層はスピン注入により磁化反転することを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
【請求項４】
前記上部電極および前記下部電極は透明電極を有し、
前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項５】
前記上部電極および前記下部電極は、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、
前記上部電極側から入射した光を透過させて前記下部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項６】
前記上部電極は透明電極を有し、
前記下部電極は金属電極からなり、
前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項７】
前記上部電極は、平面視で前記光変調素子に重なる領域に貫通孔を形成された金属電極と、前記金属電極の貫通孔に配されて前記光変調素子に電気的に接続する透明電極と、を備え、
前記下部電極は金属電極からなり、
前記上部電極側から入射した光を前記下部電極で反射させて前記上部電極側に出射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器に、さらに、前記画素選択手段が選択した画素から出射した光を透過させる偏光子と、この偏光子を透過した光を電荷に変換する光電変換手段と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、を備え、前記上部電極側から入射した被写体光を撮像する磁気光学式撮像装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−６０７４８（Ｐ２０１０−６０７４８Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２５３２７（Ｐ２００８−２２５３２７）
【出願日】平成２０年９月２日（２００８．９．２）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２日（２００８．９．２）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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