(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板から分離している２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイと、
前記基板から分離していて、前記マイクロミラーを取り囲む支持体と、
前記基板から分離していて、前記マイクロミラーを前記支持体に接続し、結果として前記支持体に対する前記マイクロミラーのそれぞれの平行な回転軸を画定する、それぞれのスピンドルと、
前記基板から分離していて、前記マイクロミラーと接続されてそれぞれの前記軸周りに前記マイクロミラーの振動を同期させるための１つ以上のフレキシブル連結部材と、を備え、
前記１つ以上のフレキシブル連結部材はベルトを含み、前記ベルトは、前記マイクロミラーのうちの第１のもの及び第２のものにそれぞれ取り付けられる第１及び第２の端を有し、前記第１及び第２の端の間のポイントで前記支持体に固定される、光学走査デバイス。
【請求項２】
前記支持体は、前記支持体を取り囲む前記基板と分離されており、前記デバイスは、前記基板から分離し且つ前記支持体を前記基板に接続するスピンドルを更に備えており、これによって前記マイクロミラーの前記回転軸と垂直な更に前記支持体の回転軸を提供する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ベルトが前記基板に対して薄くされた、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記１つ以上のフレキシブル連結部材は、前記マイクロミラーに同相で振動させ、前記マイクロミラーが振動中に前記同一の配向角度を有するように連結される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記１つ以上のフレキシブル連結部材は、前記マイクロミラーが逆相で振動するように連結される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記基板の前記マイクロミラー上に塗布される反射性コーティングを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記基板がシリコンウェハの一部である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記マイクロミラーがそれぞれの前記平行軸周りを振動するように駆動されるように連結される電磁駆動装置を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
基板と、
２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイ及び前記マイクロミラーを取り囲む支持体であって、前記マイクロミラー及び前記支持体が前記基板から分離しており、前記マイクロミラーが、前記支持体に対して、それぞれの平行な第１回転軸周りを相互同期で回転する一方で、前記支持体は基板に対して、第２軸回りを回転するように連結される、前記マイクロミラー及び前記支持体と、
前記基板から分離していて、前記マイクロミラーを前記支持体に接続し、その結果として前記支持体に対して、前記マイクロミラーのそれぞれの平行な第１回転軸を画定する、それぞれの第１スピンドルと、
前記基板から分離していて、それぞれの前記第１軸周りの前記マイクロミラーの振動を同期させるように前記マイクロミラーと接続される１つ以上のフレキシブル連結部材であって、前記マイクロミラーのうちの第１のもの及び第２のものにそれぞれ取り付けられる第１及び第２の端を有し、前記第１及び第２の端の間のポイントで前記支持体に固定されるベルトを含む、前記１つ以上のフレキシブル連結部材と、
前記基板からさ分離していて、前記第２軸に沿って前記支持体を前記基板に接続する第２スピンドルと、
前記マイクロミラー及び前記支持体にそれぞれ前記第１及び第２軸の周りを回転するように連結される電磁駆動装置とを、備える、走査装置。
【請求項１０】
前記電磁駆動装置が、
エアギャップを有する少なくとも１つの磁心、及び前記磁心に巻きつけられた少なくとも１つのコイルを含むステータアセンブリと、
前記支持体を載置し、前記少なくとも１つのコイルを通る電流に反応して前記エアギャップ内を動くように前記エアギャップ内に吊るされる少なくとも１つのロータと、を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記支持体は、それぞれのスピンドルによって前記基板にそれぞれ接続される１対の翼を有し、前記少なくとも１つのロータは、前記翼のうちのそれぞれの１つにそれぞれ接続される１対の永久磁石を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記電磁駆動装置及び前記電流は、前記マイクロミラーを回転の共振周波数である第１周波数で前記第１軸周りを回転させる一方で、前記支持体を前記第１周波数よりも低い第２周波数で前記第２軸周りを回転させるように構成される、請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記マイクロミラー及び前記支持体が回転している間に前記マイクロミラーアレイに対して光パルスを含むビームを放射し、前記マイクロミラーにシーンをビームで走査させるように構成されるトランスミッタと、
前記マイクロミラーアレイで反射されることによって前記シーンから反射した光を受光し、前記シーンの中のポイントまでの前記パルスの往復の飛行時間を示す出力を生成するように構成されるレシーバと、
前記レシーバの前記出力を前記ビームで走査している間に処理して、前記シーンの３次元マップを生成するように連結されるコントローラと、を備える、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
光学走査デバイスを製造するための方法であって、
２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイと、
前記マイクロミラーを取り囲む支持体と、
前記マイクロミラーを前記支持体に接続し、結果として前記支持体に対して、前記マイクロミラーのそれぞれの平行な回転軸を画定する、それぞれのスピンドルと、
前記マイクロミラーに接続され、前記マイクロミラーの振動をそれぞれの前記軸に対して同期させるための１つ以上のフレキシブル連結部材と、を画定するために基板をエッチングすることを含み、
前記１つ以上のフレキシブル連結部材はベルトを含み、前記ベルトは、前記マイクロミラーのうちの第１のもの及び第２のものにそれぞれ取り付けられる第１及び第２の端を有し、前記第１及び第２の端の間のポイントで前記支持体に固定される、方法。
【請求項１５】
前記基板がシリコンウェハの一部である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイ及び前記マイクロミラーを取り囲む支持体を画定するためにエッチングされた基板を用意することと、
前記マイクロミラーを、前記支持体に対して、それぞれの平行な第１回転軸周りを相互同期して回転するように駆動する一方で、前記基板に対して、第２軸周りを回転するように前記支持体を駆動することと、
前記マイクロミラー及び前記支持体が回転する間、前記マイクロミラーアレイに光ビームを向けることで前記マイクロミラーにシーンにビームで走査させることと、を含み、
前記基板が、
前記基板からエッチングされていて、前記マイクロミラーを前記支持体に接続し、その結果として前記支持体に対して、前記マイクロミラーのそれぞれの平行な第１回転軸を画定する、それぞれの第１スピンドルと、
前記基板からエッチングされていて、それぞれの前記第１軸周りの前記マイクロミラーの振動を同期させるように前記マイクロミラーと接続される１つ以上のフレキシブル連結部材であって、前記マイクロミラーのうちの第１のもの及び第２のものにそれぞれ取り付けられる第１及び第２の端を有し、前記第１及び第２の端の間のポイントで前記支持体に固定されるベルトを含む、前記１つ以上のフレキシブル連結部材と、
前記基板からエッチングされていて、前記第２軸に沿って前記支持体を前記基板に接続する第２スピンドルと、を画定するためにエッチングされている、
走査方法。
【請求項１７】
前記ビームを向けることは前記マイクロミラーアレイに光パルスを向けることを含み、
前記方法は、
前記マイクロミラーアレイからの反射によって、前記シーンから反射された光を受光することと、
前記シーンのポイントまでの前記パルスの往復の飛行時間を示す出力を生成することと、
前記ビームで走査している間に出力を処理して、前記シーンの３次元マップを生成することと、を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ミラーを駆動することが、前記マイクロミラーアレイに連結した電磁駆動装置に電流を印加し、前記マイクロミラーに前記第１軸周りを回転の共振周波数である第１周波数で回転させる一方で、前記支持体に前記第１周波数よりも低い第２周波数で前記第２軸周りを回転させる、請求項１６又は１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に光学走査に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学３Ｄマッピング、すなわち、物体の光画像を処理することで物体の表面に３Ｄプロファイルを生成する様々な方法が従来知られている。このような類の３Ｄプロファイルは３Ｄマップ、深度マップ、又は深度画像とも称し、３Ｄマッピングは深度マッピングとも称する。
【０００３】
本明細書に参照することによりその開示が組み込まれるＰＣＴ国際公報第ＷＯ  ２０１２／０２０３８０号は、照明モジュールを含むマッピング用装置を記載する。このモジュールは、放射線ビームを放射するように構成される放射線源と、選択された角度範囲にわたってビームを受光して走査するように構成されるスキャナと、を含む。照明光学系は、走査されたビームを映し出して、関心領域にわたって広がるスポットのパターンを生成するように構成される。撮像モジュールは、関心領域内の物体に映し出されるパターンの画像を撮像するように構成される。プロセッサは、物体の３次元（３Ｄ）マップを作成するために画像を処理するように構成される。
【０００４】
本明細書に参照することによりその開示が組み込まれる米国特許出願公報第２０１１／０２７９６４８号は、対象物の２次元画像をカメラで撮像することを含む、対象物の３次元描写を作成する方法を記載する。この方法は、対象物を変調された照明ビームで走査して、対象物の複数の対象領域を１つずつ照らすことと、対象領域それぞれから反射された照明ビームからの光の変調の特徴を測定することを更に含む。移動ミラービームスキャナを用いて照明ビームで走査し、受光器を用いて変調の特徴を測定する。この方法は、対象領域それぞれで計測した変調の特徴に基づいて深度の特徴を算定することと、深度の特徴を２次元画像の対応する画素と関連させることと、を更に含む。
【０００５】
本明細書に参照することによりその開示が組み込まれる米国特許第８，０１８，５７９号は、位相変位の関数として振幅が変調された走査ビームの経路長を計測することによってユーザ入力を光学的に撮像量で検出する、３次元撮像及び表示システムを記載している。検出されたユーザ入力に関する視覚像ユーザフィードバックが提示される。
【０００６】
本明細書に参照することによりその開示が組み込まれる米国特許第７，９５２，７８１号は、走査デバイスに組み込むことが可能な、光ビームを走査する方法及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造方法を記載する。
【発明の概要】
【０００７】
以下に記載される本発明の実施形態は、改良された走査デバイス、並びにそのようなデバイスを用いた３Ｄマッピング装置及び方法を提供する。
【０００８】
したがって、本発明の１実施形態によれば、２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイ及びマイクロミラーを取り囲む支持体を画定するようにエッチングされた基板を含む光学走査デバイスを提供する。それぞれのスピンドルがマイクロミラーを支持体に接続することにより、支持体に対するマイクロミラーの回転のそれぞれの平行軸が画定される。１つ以上のフレキシブル連結部材はマイクロミラーと接続されており、それぞれの軸周りにおけるマイクロミラーの振動を同期させる。
【０００９】
開示の実施形態では、基板は、支持体を、支持体を取り囲む基板と分離するため、及び支持体を基板に接続する更にスピンドルを画定するためにエッチングされており、これによって更にマイクロミラーの回転軸と垂直な支持体の回転軸を提供する。
【００１０】
一実施形態では、１つ以上のフレキシブル連結部材はベルトを含み、ベルトは基板からエッチングされ、マイクロミラーのうちの第１及び第２にそれぞれ取り付けられる第１及び第２の端を有し、第１及び第２の端の間のポイントで支持体に固定されている。ベルトは、基板に対して薄くされていてもよい。
【００１１】
１つ以上のフレキシブル連結部材は、マイクロミラーに同相で振動させることで、振動している間、マイクロミラーが同じ配向角度を有するように、あるいは代替として、マイクロミラーに逆相で振動させるように連結していてもよい。
【００１２】
典型的に、デバイスは、シリコンウェハの一部である基板のマイクロミラー上に塗布される反射性コーティングを含む。開示の実施形態において、デバイスは、マイクロミラーがそれぞれの平行軸周りを振動するように駆動されるように連結される電磁駆動装置を含む。
【００１３】
また、本発明の１実施形態によれば、２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイ及びマイクロミラーを取り囲む支持体を画定するようにエッチングされた基板を含む走査装置であって、マイクロミラーは、支持体に対して、それぞれの平行な第１回転軸周りを相互同期で回転する一方で、支持体は基板に対して、第２軸周りを回転するように連結される走査装置をも提供する。電磁駆動装置は、マイクロミラー及び支持体にそれぞれ第１及び第２軸の周りを回転させるように連結される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、電磁駆動装置は、エアギャップを有する少なくとも１つの磁心と、磁心に巻きつけられた少なくとも１つのコイルと、支持体を載置し、エアギャップ内に吊るされて少なくとも１つのコイルを通る電流に反応してエアギャップ内を動く少なくとも１つのロータと、を含むステータアセンブリを含む。開示の実施形態において、支持体は、それぞれのスピンドルによって基板にそれぞれ接続されている１対の翼を有し、前記少なくとも１つのロータは、翼のうちのそれぞれの１つにそれぞれ接続されている１対の永久磁石を含む。付加的又は代替として、電磁駆動装置及び電流は、マイクロミラーに回転の共振周波数である第１周波数で第１軸周りを回転させる一方で、支持体に第１周波数よりも低い第２周波数で第２軸周りを回転させるように構成してもよい。
【００１５】
開示の実施形態では、基板は、マイクロミラーを支持体に接続し、その結果として支持体に対するマイクロミラーのそれぞれの平行な第１回転軸を画定する、それぞれの第１スピンドルと、それぞれの第１軸周りのマイクロミラーの振動を同期させるようにマイクロミラーと接続される１つ以上のフレキシブル連結部材、及び支持体を基板に第２軸に沿って接続する第２スピンドルを画定するように、エッチングされている。
【００１６】
１実施形態では、装置は、マイクロミラー及び支持体が回転している間にマイクロミラーアレイに対して光パルスを含むビームを放射し、マイクロミラーにシーンをビームで走査させるように構成されるトランスミッタと、シーンから反射した光をマイクロミラーアレイで反射されることによって受光し、シーンの中のポイントまでのパルスの往復の飛行時間を示す出力を生成するように構成されるレシーバと、レシーバの出力をビームで走査している間に処理してシーンの３次元マップを生成するように連結されるコントローラと、を含む。
【００１７】
付加的に、本発明の１実施形態によれば、光学走査デバイスを製造する方法を提供する。本方法は、２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイと、マイクロミラーを取り囲む支持体と、マイクロミラーを支持体に接続し、その結果として支持体に対する、マイクロミラーのそれぞれの平行な回転軸を画定する、それぞれのスピンドル、及びマイクロミラーのそれぞれの軸周りのマイクロミラーの振動を同期させるようにマイクロミラーと接続される１つ以上のフレキシブル連結部材を画定するように、基板をエッチングすることを含む。
【００１８】
本発明の１実施形態によれば、２つ以上の平行なマイクロミラーのアレイ及びマイクロミラーを取り囲む支持体を画定するためにエッチングされている基板を用意することを含む走査方法を更に提供する。マイクロミラーは、支持体に対して、それぞれの平行な第１回転軸周りを相互同期して回転するように駆動される一方で、基板に対して、第２軸周りを回転するように支持体を駆動する。マイクロミラー及び支持体が回転する間、マイクロミラーアレイに対して光ビームが向けられて、マイクロミラーにシーン全体をビームで走査させる。
【００１９】
本発明は、下記の図面と併せて以下の本発明の実施形態の詳細な説明からより完全に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の１実施形態に係る、光学走査ヘッドの概略図である。
【図２】本発明の１実施形態に係る、ＭＥＭＳスキャナの概略図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る、ジンバル式マイクロミラーアレイの概略背面図である。
【図４】図３のマイクロミラーアレイの要素を示す概略詳細図である。
【図５】動作中の図３のマイクロミラーアレイを示す概略正面図である。
【図６】本発明の１実施形態に係る、ジンバル式マイクロミラーアレイの動作の原理を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本特許出願の譲受人に譲渡されて本明細書に参照することによりその開示が組み込まれる、２０１３年２月１４日付出願の米国特許出願第１３／７６６，８０１号は、走査ビームの飛行時間を計測することで３Ｄマッピングデータを生成するデプスエンジンを記載する。レーザなどの光トランミッタは、対象のシーンを光ビームで走査する走査ミラーに対して、短パルスの光を向ける。高感度且つ高速のフォトダイオード（例えば、アバランシェフォトダイオード）などのレシーバは、シーンから同じ走査ミラーを介して返ってきた光を受光する。処理回路は、走査の各ポイントにおいて送り出し及び受け取り光パルスの間の時間遅延を計測する。この遅延は光ビームが進んだ距離を示し、したがってそのポイントにおける物体の深度を示す。処理回路は結果として抽出された深度データを用いて、シーンの３Ｄマップを作成する。
【００２２】
小型化、低費用、及び低電力消費のために、この類の走査システムにおける走査ミラーはＭＥＭＳ技術を用いて製造してもよい（上述の米国特許第７，９５２，７８１号に記載の技術の類の方法を用いることができる）。システムの感度を良くするには、ミラーをできるだけ大きくすることが有利である（典型的には、５〜２５ｍｍ2の能動面積の範囲を有する）。同時に、３Ｄマッピング、並びに他の走査応用において、ミラーが少なくとも１つの軸周りを大きな角度（典型的には±１０〜２５O）にわたって、高周波数（典型的には２〜１０ｋＨｚ）で機械的に走査するのが好ましい。（第２走査軸の走査範囲は更に大きくてもよいが、走査周波数は典型的にこれより低い）。高走査周波数及び範囲を必要とすることはミラーサイズを大きくする要望と矛盾し、スキャナが製造される材料（例えばシリコンウェハ）における制限を踏まえると、好ましい大きさ、範囲、及び周波数能を有する単一の走査ミラーを製造するのが不可能である場合がある。
【００２３】
本明細書に記載される本発明の実施形態は、複数の隣接するミラーのアレイを用いることで、これらの設計上の制約を解消することを求めている。ミラーは相互同期で走査するため、アレイ全体の大きさと等しい大きさの単一のミラーであるかのように光学的に機能する。アレイにおけるミラー間の弱い機械的なリンクは、ミラーの振動を連結してそれらの間の同期を保つために用いられる。
【００２４】
図面に示される実施形態では、同期されたミラーアレイは２つのマイクロミラーを含み、これらは同相で動作して二軸走査用のジンバル式基部に載置される。（用語「マイクロミラー」は本明細書において単に、典型的には横に数ミリメートル未満しかないごく小さなミラーに言及しているだけであるが、本発明の原理をより大きなミラーに適用することも可能である）。代替として、このようなミラーアレイはより多くの数のミラーを含んでいてもよく、ジンバル式に配置されても、ジンバルなしで配置されてもよい。更に代替として又は付加的に、他の同期形式、例えばアレイのミラーによる逆相回転も、ミラー及びそれらの間の機械的リンクが適切に設計されることで実施されてもよい。
【００２５】
図１は本発明の１実施形態に係るジンバル式マイクロミラーアレイ１００を含む光学走査ヘッド４０の要素を概略的に図示する。マイクロミラーアレイ自体を除き、光学走査ヘッド４０は上述の米国特許出願第１３／７６６，８０１号に記載の光学走査ヘッドと同様である。トランスミッタ４４は偏光ビームスプリッタ６０に向けて光パルスを放射する。典型的には、トランスミッタ４４の光路に直接含まれるビームスプリッタの小さな領域のみが反射するようにコーティングされており、ビームスプリッタの残りの部分は送り出した波長領域において完全に透明であり（又は反射抑止コーティングされており）、返ってきた光がレシーバ４８に透過するのを可能としている。トランスミッタ４４からの光はビームスプリッタ６０で反射し、そして折り返しミラー６２で反射してマイクロミラーアレイ１００に向かう。ＭＥＭＳスキャナ６４は、望ましい走査周波数及び振幅でＸ及びＹ方向にマイクロミラーアレイを走査する。マイクロミラーアレイ及びスキャナの詳細を、以下の図に示す。
【００２６】
シーンから返ってきた光パルスはマイクロミラーアレイ１００にあたり、光は折り返しミラー６２を介してビームスプリッタ６０を通って反射される。レシーバ４８に到達する不要な周囲光の量を制限するように、バンドパスフィルタ（図示せず）をレシーバ経路に、例えばビームスプリッタ６０と同一の基板に組み込んでもよい。レシーバ４８は返ってきた光パルスを感知し、対応する電気パルスを生成する。コントローラ３０はトランスミッタ４４及びスキャナ６４を駆動し、送り出したパルスと対応するレシーバ４８からのパルスとの間の時間遅延を分析して、各パルスの飛行時間を計測する。この飛行時間に基づいて、コントローラは走査ヘッド４０によって走査されたシーンの各ポイントの深度座標を算定し、シーンの深度マップを生成する。
【００２７】
検出の感度を向上させるように、ビームスプリッタ６０の全体面積及びレシーバ４８の開口を、送り出したビームの面積よりもかなり大きくする。また、マイクロミラーアレイ１００のマイクロミラーが、スキャナによって課される慣性の制約内で、できるだけ大きいことが好ましい。例えば、各マイクロミラーの面積は約１２．５ｍｍ2であってもよく、マイクロミラーアレイの全体面積は約２５ｍｍ2であってもよい。
【００２８】
図１に示す光学ヘッドの具体的な機械的及び光学的な設計は１例として記載し、同様の原理を実装する代替設計も本発明の範疇に含まれると考慮される。
【００２９】
図２は本発明の１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナ６４の概略図である。このスキャナは上述の米国特許第７，９５２，７８１号に記載の原理と同様に製造され、動作するが、マイクロミラーアレイ１００の２次元走査が可能となっている。マイクロミラーアレイは、アレイ内のマイクロミラー１０２を支持体７２（ジンバルとも称する）から分離し、残りの基板６８から支持体を分離するために、半導体基板６８を好適にエッチングすることで製造する。エッチングを行った後、（好適な反射性コーティングが塗布される）マイクロミラー１０２はスピンドル１０６上の支持体７２に対してＹ方向に回転可能である一方で、支持体７２は支持体７２の翼１０４に連結されたスピンドル７４上の基板６８に対してＸ方向に回転する。
【００３０】
マイクロミラー１０２及び支持体７２は、典型的には永久磁石を含む１対のロータ７６に載置される。（ロータのうち１つだけを図に示す。）ロータ７６は磁心７８のそれぞれのエアギャップ内に吊るされている。磁心７８は導電線からなるそれぞれのコイル８０で巻かれており、これによって電磁ステータアセンブリを形成する。図２では簡略化のために磁心毎に１つのコイルとして示しているが、各磁心に２つ以上のコイルを交互に巻きつけてもよい。コイルは磁心の異なる位置に巻きつけられていてもよく、異なる形状の磁心を用いてもよい。例えば、本明細書に参照することで組み込まれる２０１２年７月２６日付出願の米国特許仮出願第６１／６７５，８２８号に、代替的な磁心及びコイルの設計が示されている。
【００３１】
コイル８０に電流を通すことによってエアギャップに磁界が生成され、ロータ７６の磁化に反応して、ロータに回転させるかエアギャップ内を移動させる。具体的には、コイル８０は高周波数差動電流で駆動し、マイクロミラー４６に、高周波数（上記のとおり、典型的には２〜１０ｋＨｚの範囲内）でスピンドル７０周りを前後して共振させる。この共振回転が、エンジン２２からの出力ビームの高速Ｙ方向ラスタ走査を生成する。同時に、コイル８０をより低い周波数で一緒に駆動し、望ましい走査範囲にわたってスピンドル７４周りを支持体７２が回転することで、Ｘ方向走査が駆動する。代替として、例えば、上述の米国特許仮出願第６１／６７５，８２８号に記載されるように、他のステータ構成及び駆動の仕組みをこれらの目的のために用いてもよい。Ｘ及びＹ回転を共に行うことで、マイクロミラー４６の全体ラスタ走査パターンが生成される。
【００３２】
図１に示すように別々の光学及び機械構成要素から光学ヘッド４０を組み立てることは、位置合わせを正確に行わなければならず、費用も嵩む可能性がある。代替的な実施形態では、正確な配置及び位置合わせが必要な全ての部品（例えば、光トランスミッタ、レシーバ、及び関連する光学系）をシリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）上に、１つの一体パッケージとして組み合わせてもよい。この手法によって、費用を抑えることができ、デプスエンジンをより扱いやすくすることができる。このような類の様々な代替的な設計は、上述の米国特許出願第１３／７６６，８０１号に示されており、マイクロミラーアレイにおける使用に適合させることができる。
【００３３】
図３は本発明の１実施形態に係るジンバル式マイクロミラーアレイ１００の概略背面図である。図３に図示するアレイ１００は、図１及び図２に示されるマイクロミラーアレイと、形状及び配向といったいくつかの詳細においては異なるものの、要素及び動作の原理は同じである。上記のとおり、アレイ１００は、それぞれのスピンドル１０６によって支持体７２に接続される２つの平行なマイクロミラー１０２を含む。磁気ロータ７６は、スピンドル１０６と垂直なスピンドル７４によって基板６８と連結される支持体７２の翼１０４に取り付けられている。図２に示して上記で説明したとおり、動作中、ロータ７６は磁心７８のエアギャップ内に吊るされている。以下に説明するように、ミラー１０２はベルト１０８の形態のフレキシブル連結部材によって、互いに機械的にリンクされている。
【００３４】
図４はマイクロミラー１０２の拡大詳細図であり、１つのベルト１０８を詳細に示している。このベルトは、基板６８からミラー及びそれらのスピンドルがエッチングで分けられる同一のフォトリソグラフィ工程で形成される。したがって、ベルト１０８はシリコンの細い片からなり、典型的には約１０〜１００μｍの幅を有し、一方の側の支持体７２及び他方の側のマイクロミラー１０２から基板をエッチングして形成された溝によって分離される。ベルトの厚さ（すなわち、ウェハ表面に垂直な面の寸法）は、まるまるウェハの厚さであってもよい。代替として、ベルト１０８の厚さを薄くしてベルトの接続剛性を変更し、図５に図示されるねじれ形態に加えてベルトを曲げたり伸ばしたりする形態を可能としてもよい。ベルトの各端はマイクロミラーのうちのそれぞれの１つと接続されており、ベルトは中央ピボットポイント１１０で支持体７２に固定される。
【００３５】
図５は、上記に示すとおり、ＭＥＭＳスキャナで動く、動作中のアレイ１００の概略図である。ＭＥＭＳスキャナは、両方のマイクロミラー１０２を、（図２に定義されたとおり）Ｘ軸周りに同時に回転するように駆動する。ベルト１０８によってもたらされる弾性力は２つのマイクロミラーの動作を連結して、完全な位相同期で回転させて振動中に同一の配向角度を有するようにする。ベルトによって実際にもたらされた力が小さくても、機械的な位相固定を維持するのには充分であり、これにより、およそ同一の共振周波数を有する隣接する２つの振動子（すなわち、マイクロミラー）が同期する。したがって、アレイ１００は１つの振動ミラーであるかのように光学的に動作し、両方のマイクロミラー１０２を一緒に組み合わされた寸法と同一の寸法を有する。
【００３６】
物理的には、スピンドル１０６はねじりバネとして作用し、ベルト１０８はシステムに第３のバネを追加し、マイクロミラー１０２の質量を連結させる。質量がこの第３のバネによって連結されると、２つの動作形態が可能となる。一方は、質量が同一方向に移動する形態であり、他方は質量が逆方向に移動する形態である。（各形態は固有の周波数を有し、両方のミラーによって共有されるものであるのに対し、連結部材が存在しない場合は２つのミラーが個別の周波数を有する）。第３のバネの剛性は調整することができ、ベルト１０８が一次バネであり、ピボット１０６よりもより大きな力をもたらす場合においても調整可能である。
【００３７】
図６は本発明の１実施形態に係るジンバル式マイクロミラーアレイ２００の動作原理を示す概略図である。この図は、どのようにして上記の原理が３つのマイクロミラー２０２、２０４、２０６（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３と表示）又はそれ以上の数のマイクロミラーからなるアレイに拡大適用されるかを図示する。ミラーＭ１、Ｍ２及びＭ３は、ピボット２０８（例えば、上述のスピンドルの類）に載置されており、バネＫ３、Ｋ４、Ｋ５で示し、ミラーはバネＫ１及びＫ２で示すベルト２１０によってリンクされている。この構成は、３つのミラーの回転を上記の２つのミラーを備える実施形態と同様に同期させるために用いることができる。３つ（又はそれ以上）のミラーは、同様にジンバル式支持体に載置されていてもよい。アレイがミラーを２つ、３つ、又は４つ以上含むかにかかわらず、バネは上記図に示すピボット及びベルトの類として実装されてもよく、又は従来知られている任意の好適な技術によって作製可能な、他のフレキシブルで弾性を有する要素を用いてもよい。
【００３８】
上記のマイクロミラーアレイ１００の動作は主に光学ヘッド４０及び３Ｄマッピングについて説明しているが、アレイ１００の原理は他の種類の光学スキャナにも同様に適用することができ、実質的には小型で高周波数共振スキャナを要するいかなる用途においても適用することができる。このようなスキャナは、上記の実施形態で記載するとおり、磁気的に駆動することができ、あるいは、例えば種々の磁気及び静電駆動を含む、従来技術において既知であるその他の好適な駆動機構を用いて駆動することができる。さらに、上述のとおり、ミラーは、同一の周波数で回転している間はそれぞれ走査中に異なる角度に方向付けられるように連結及び駆動されてもよい。この後者の動作形態は、同期マルチビーム走査システムにおいて有用である。
【００３９】
したがって、上述の実施形態は例として挙げられており、本発明は、以上に具体的に図示され説明されたものに限定されないことが理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、以上に説明した様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、並びに当業者であれば前述の説明を読むことによって想到するであろう従来技術に開示されていないそれらの変型及び修正を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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