(57)【要約】偏光変調器は、偏光ビームスプリッタが偏光子及び検光子としての役割を有する干渉設計に基づいている。偏光変位装置は、直交する偏光をそれらの細長の断面の長軸に並行してシフトする。直線状のアレイＭＥＭＳ光位相シフト装置によって直交する偏光に移送シフトが与えられる。光変調器の出力は、ライン画像であり、ライン画像を走査することで二次元画像を形成してもよい。輝度、コントラスト、設計の全体のコンパクトさに対する特徴が開示される。
2009524114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光ビームスプリッタと、
偏光変位装置と、
ＭＥＭＳ光位相シフト装置と、
を備え、
光は、前記ＭＥＭＳ光位相シフト装置に到達する前に、前記ＭＥＭＳ光位相シフト装置におけるリボンに対して垂直に向いた細長断面を備えたビームとして、前記偏光ビームスプリッタおよび前記偏光変位装置を通って伝搬する、
偏光変調器。
【請求項２】
前記偏光変位装置は、直交する偏光を、前記細長断面の長軸と平行な方向にオフセットする、請求項１に記載の変調器。
【請求項３】
前記偏光ビームスプリッタが走査ミラーとして機能する、請求項２に記載の変調器。
【請求項４】
変調器から出力されるライン画像は、観察者による接近観察のために無限遠の近くに集光される、請求項２に記載の変調器。
【請求項５】
迷光が前記ＭＥＭＳ光位相シフト装置に達することを妨げる開口を更に備えている、請求項２に記載の変調器。
【請求項６】
ライン画像におけるコントラストを高めるダブルスリット開口を更に備えている、請求項２に記載の変調器。
【請求項７】
前記ＭＥＭＳ光位相シフト装置が、剛さを備えた複数のリボンを交互に備えている、請求項２に記載の変調器。
【請求項８】
前記ＭＥＭＳ光位相シフト装置が、両端で支持される複数のリボンを備え、複数のリボンにおいてリボンが交互に中間支持体によって更に支持されている、請求項２に記載の変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ビジュアルディスプレイ装置および光変調システムに関する。特に、本発明は、光学的偏光敏感装置を含む微分干渉光変調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
テレビや映画のプロジェクターなどのディスプレイ装置は、多くの場合、光を二次元パターンまたは画像へ分配するための変調器を組み込んでいる。例えば、映画リールのフレームは、プロジェクターランプからの白色光を、映画スクリーン上に画像を形成する色および形状へと変調する。現代のディスプレイにおいて、光変調器は、変調器を制御する電子信号に応じて画像中の個々のピクセルをＯＮおよびＯＦＦするために用いられる。
【０００３】
テキサスインスツルメントは、何百万もの極めて小さいミラーをその表面上に含むデジタルミラーデバイスと呼ばれる微小電気機械光変調器を導入した。各ミラーは画像中のピクセルに対応しており、また、チップ内の電子信号によってミラーが移動して光を異なる方向に反射し、それにより、明るいピクセルおよび暗いピクセルが形成される。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第４，７１０，７３２号を参照されたい。スタンフォード大学およびＳｉｌｉｃｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓは、光を明るいピクセルまたは暗いピクセルへと回折させるために回折格子をＯＮおよびＯＦＦできるグレーティング光変調器と呼ばれる微小電気機械チップを開発した。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，３１１，３６０号を参照されたい。
【０００４】
ディスプレイのためのこれらの反射光変調方式および回折光変調方式はいずれも、光変調素子の二次元アレイを伴う。しかしながら、高速光変調器の直線状アレイに対して光が入射するディスプレイを形成することもできる。適切な拡大光学系および走査ミラーを用いると、二次元のように観察者に見せることができる直線状アレイを形成することができる。振動ミラーの走査作動により、光変調器の単一の列に、同じ分解能の本当の二次元表示を与えるために必要な変調器の多くの列のような働きをさせることができる。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，９８２，５５３号を参照されたい。
【０００５】
Ｍａｎｈａｒｔは、グレーティングライトバルブアレイを含むディスプレイ装置および干渉光システムを導入した。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，０８８，１０２号を参照されたい。Ｍａｎｈａｒｔにおいて、ディスプレイシステムは、表示されるべき画像を表わすための空間光変調器として、プレーナグレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）アレイを使用する。システムは、画像表示に関して、ＧＬＶアレイの面と平行な面を通じて移動するＧＬＶアレイの可動反射素子の位置に依存する。可動素子は、入射位相差波面から、表示されるべき画像を表わす反射位相変調波面を与える。表示画像は、入射位相差波面から直接的にあるいは間接的に形成される基準波面と位相変調波面とを干渉的に組み合わせることにより与えられる。
【０００６】
多くの微小電気機械光変調器はデジタルイメージング技術と適合する。デジタル情報が変調器へ電子的に送られてもよい。例えば、一部の時間だけピクセルをＯＮすることによりグレースケール画像を得ることができる。５０％のデューティサイクルで明から暗へと切り換えられるピクセルは、明と暗との間の半分の一定の強度を有するように観察者に見える。しかしながら、ピクセルは、約３０Ｈｚの人間の眼の臨界点滅周波数よりも速く、あるいはそれが点滅するように見えるよりも速く明状態または暗状態間で切り換えられなければならない。したがって、ディスプレイ用の二次元デジタル光変調器は、明と暗との間の所定範囲の光レベルを表示するために、状態間で急速に切り換わらなければならない。
【０００７】
それを二次元として表すために振動ミラーによって走査される一次元デジタル光変調器アレイは、速い切り換え速度を有する変調器を組み込まなければならない。各変調要素は、グレースケールの印象を与えるためにすばやくＯＮおよびＯＦＦに切り換わらなければならず、また、この作動は、ミラーの走査周期内で１つのライン内の各ピクセル毎に繰り返されなければならない。グレーティング光変調装置は特に高い切り換え速度を示す。これは、それらの機械的要素が非常に短い距離だけ移動するからである。グレーティング光変調器は、回折格子を形成するためにリボンが１つ置きに静電的に湾曲される平行リボン構造を組み込んでいる。リボンは、光の１／４波長の距離を移動するだけで、格子をＯＮまたはＯＦＦに切り換える。また、一次元または二次元光変調器をデジタルモードではなくアナログモードで動作させることもできる（多くの場合に望ましい）。
【０００８】
Ｇｕｄｅｍａｎは、グレーティング光変調器に非常に類似する機械的構造に基づく干渉光変調器を提案した。これについては、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，４６６，３５４号を参照されたい。Ｇｕｄｅｍａｎの光変調器は、リボン構造に基づくファブリー・ペロー干渉計の形状をなしている。
【０００９】
前述したテキサスインスツルメントのデジタルミラーデバイスおよびタンフォード／Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓのグレーティング光変調装置によって代表される微小電気機械光変調器は、既に幅広い商業的成功を享受してきており、他の関連する設計を生み出してきている。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，７２４，５１５号を参照されたい。
【００１０】
デジタルミラーデバイスは、比較的遅く、したがって通常は二次元ミラーアレイとして供給される。通常、二次元変調器アレイは、一次元のアレイを作成するより高価であり、ミラーのために精巧なアドレス指定方式を必要とする。二次元アレイは、大きなチップ面積にわたって欠陥の無いＮ×Ｎピクセルの製造を必要とするが、同じ画像分解能を有する一次元アレイは、単一のライン内でチップ上にＮ個の作動ピクセルを必要とするだけである。
【００１１】
グレーティング光変調装置は、非常に高速であるが、回折に起因する限界を有している。グレーティング光変調器は、反射状態すなわち反射構成と、回折状態と、を有している。回折状態では、入射光が光学格子の＋１および−１の回折次数へと回折される。しかしながら、これらの２つの次数では、約８０％の光だけが集められる。
【００１２】
多くの望ましい特徴を有する干渉光変調器は、参照により本明細書に組み込まれる、２００４年１１月２６日に出願された、米国特許第１０／９０４，７６６号の「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ａｎｄ  ｉｍａｇｅ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｄｅｖｉｃｅ」に開示されている。その装置は、高速および高コントラストを特徴とする。干渉設計は、より高い回折次数で光が失われず（回折装置では問題となり得るため）、また、回折光を非回折光から区別する必要がないことを意味する。
【００１３】
米国特許第１０／９０４，７６６号において、新規な光変調器は、光ビームを直交する偏光成分へと分割するために偏光プリズムを組み込んでいる。これらの偏光成分は、変調器内で等しくない距離を移動し、そして、プリズム内で再結合されるようになっている。１つの偏光成分が他の偏光成分に対して位相シフトされると、再結合されたビームの全体の偏光が変えられる。そして、再結合ビームの偏光は、偏光ビームスプリッタによって分解（analyze）される。偏光ビームスプリッタから出力される光強度は、入射光ビームの偏光状態に依存し、また、入射光ビームの偏光状態は、偏光成分の相対的位相シフトに依存する。
【００１４】
直交する偏光成分を、設計された平らでない面上に集光させ、そこから反射させることによって、変調器における直交する偏光成分に位相シフトが与えられる。この位相シフト面は、僅かに異なる変位をなす領域を有しており、反射時に光ビームを僅かに異なる距離だけ移動させる。新規な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リボンアレイデバイスが提供され、リボン表面から反射される光ビームの位相シフトを変調するために用いられる。
【００１５】
一般化かつ改良された干渉光変調器は、２００５年８月３日に出願された、米国特許第１１／１６１，４５２号の「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  ａｎｄ  ｉｍａｇｅ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｓｙｓｔｅｍ」に開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。光学的偏光変位装置、ＭＥＭＳ光位相シフト装置の設計、及び、視野を向上させるための補償スキームが記載されている。
【００１６】
米国特許第１１／１６１，４５２号において、微分干渉光変調器および画像ディスプレイシステムは、偏光ビームスプリッタと、偏光変位装置と、ＭＥＭＳ光位相シフト装置とを備える。ＭＥＭＳ光位相シフト装置の直線状アレイは、ディスプレイにおけるピクセルのラインを変調する役割を備えている。偏光ビームスプリッタは、干渉計において偏光子および検光子の両方として作動する。偏光変位装置は、偏光子からの偏光された光を、互いに平行に伝搬する直交する偏光成分へ分割する。ＭＥＭＳ光位相シフト装置、すなわち、そのような装置のアレイは、偏光成分に対して相対的位相シフトを与えるとともに、それらの偏光成分を偏光変位装置へ戻し、この偏光変位装置においてこれらの偏光成分が再結合されて検光子へ送られる。ＭＥＭＳ光位相シフト装置は、電子的に制御されるとともに、電子画像データ（光変調命令）を実際の光変調へ変換する。
【００１７】
しかしながら、更なる開発が常に可能である。でき得る限りコンパクトな偏光変調器設計を有することが望ましい。輝度および高コントラストは、ディスプレイの重要な特徴であり、継続的な改善を必要とする。ヘッドマウントディスプレイなどの幾つかの用途においては、観察者の眼に接近して配置されるように設計されたビューアーが必要とされる。
【発明の詳細な説明】
【００１８】
ディスプレイシステムは、テキスト、グラフィックス、および、他のビジュアルシーンの画像を形成するために光を操作する。光伝播は、波動特性および偏光を含む複雑な様々な現象を伴う。関連出願米国特許第１０／９０４，７６６号および、米国特許第１１／１６１，４５２号では、光波の位相をシフトするＭＥＭＳデバイスと組み合わせた偏光干渉計を備える新たな種類のディスプレイシステムが導入された。
【００１９】
これらの新たなシステムでは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置の直線状アレイが、表示された画像中のピクセルのラインを変調する役割を備えている。偏光ビームスプリッタは、干渉計における検光子および偏光子の両方の機能を果たし、一方、偏光変位装置は、偏光子からの偏光された光を直交する偏光成分へ分割する。ＭＥＭＳ光位相シフト装置アレイは、相対的位相シフトを偏光成分に対して与えるとともに、それらの偏光成分を偏光変位装置へ戻す。偏光変位装置では、偏光成分が再び結合されて検光子へ送られる。ＭＥＭＳ光位相シフト装置は、電子的に制御されるとともに、電子画像データ（光変調命令）を実際の光変調へ変換する。
【００２０】
米国特許第１０／９０４，７６６号および、米国特許第１１／１６１，４５２号に開示される干渉光変調器では、偏光変位の方向がＭＥＭＳ光位相シフト装置におけるリボン、すなわちカンチレバーと平行である。このことは、特定のピクセルを形成する光が、単一のリボンすなわちカンチレバーの異なる部分から反射された光からくることを意味している。
【００２１】
本出願では、異なる光学的配置が開示されており、この配置においては、直交する偏光が、ＭＥＭＳ光位相シフト装置におけるリボンに対して垂直に変位される。したがって、表示されたピクセルを形成する光は、複数のリボンすなわちカンチレバーから反射される光からくる。また、本明細書には、コンパクトな偏光変調器および接近観察用のディスプレイの光学的設計も開示されている。ＭＥＭＳ光位相シフト装置の設計は、高パワーハンドリングのための最適化を含んで与えられる。
【００２２】
偏光変調器ディスプレイは、表示された画像中のピクセルを変調するために干渉分光法に依存する。また、干渉分光法は、建設的干渉または相殺的干渉を生成するために光の位相を操作することに依存する。偏光変調器の重要な役割は、光の偏光成分を分離してこれらの偏光成分間の相対位相を変えることができるようにする装置であることである。
【００２３】
図１Ａ〜図１Ｄは、様々な偏光分離光学要素を概略的に示している。図１Ａ〜図１Ｄに示される要素は、関連する出願である米国特許第１０／９０４，７６６号、及び、米国特許第１１／１６１，４５２号に導入されているが、更なる特徴について本明細書で説明する。
【００２４】
図１Ａにはウォラストンプリズムが示されている。図１Ｂは、１焦点距離だけ離れて配置されたレンズと組み合わせたウォラストンプリズムを示している。図１Ｃはサバール板を示している。図１Ｄは一般化した偏光変位装置を示している。
【００２５】
図１Ａに示すウォラストンプリズムは、入射光ビーム１０２を直交する偏光成分１１２、１１４へ分割する。光ビーム１１２、１１４は、異なる角度でプリズムから出射するため、互いに無限に離れて伝播する。ウォラストンプリズムは、光軸が矢印１０８、１１０によって示されるように方向付けられた２片の材料１０４、１０６から構成される。
【００２６】
破線矢印１１６は、入射光ビーム１０２に対して垂直なウォラストンプリズムの並進が、光ビーム１１２、１１４の特性を変化させることを示している。並進は、ビーム間の位相差を変化させ、したがって、干渉計の設定点を調整するために使用できる。また、プリズムは、紙面内で（すなわち、紙面に対して垂直な軸を中心に）傾けることができる。プリズムを傾けることは、分離角θの僅かな調整を行なうために用いられる。この自由度は、ＭＥＭＳ光位相シフト装置における１つのリボンから隣のリボンまでの距離に偏光変位を合わせるときに役立つ。
【００２７】
図１Ｂは、ウォラストンプリズムから１焦点距離だけ離間して配置されたレンズ１６０を示している。この状態は、システムから出射する直交する偏光ビーム１５６、１５８が互いに平行である点を除き、図１Ａに示される状態に類似している。偏光変位装置がこの特性を有していること、すなわち、光ビームが、それらが互いに平行に偏光変位装置から出ること、は望ましい。そのようにして、ビームは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置から反射すると、それらの経路を引き返す。距離間隔ｄは、θが小さい角度である時にｄ＝ｆ・θにしたがって、焦点距離ｆ、および、分離角θに関連する。
【００２８】
通常は、可能ならいつでも、２つの光学部品を１つの光学部品に置き換えることが有利である。そのような置き換えは、図１Ｃに示すサバール板によって達成される。サバール板は、それに入射する光の偏光成分に対して横方向の変位を与えるウォークオフ結晶の一例である（ウォラストンプリズムは、偏光成分に対して角度分離を与える複屈折プリズムの一例である）。図１Ｃにおいて、入力光ビーム１２２は、直交する偏光成分１３２、１３４へ分割される。サバール板は、光軸が矢印１２８、１３０によって示されるように方向付けられた２片の材料１２４、１２６から構成される。矢印１３０は、それが紙面内に位置していないことを示すために破線となっている。実際に、矢印は、紙面と４５度の角度をなしている。
【００２９】
距離Ｌ１およびＬ２は、サバール板の厚さが光ビーム１３２、１３４の特性を変えることを示している。これらの厚さは、干渉計の設定点を定めるように設定することができる。また、サバール板は、紙面内で（すなわち、紙面に対して垂直な軸を中心に）傾けることができる。サバール板を傾けることは、分離距離ｄの僅かな調整を行なうために用いられる。この自由度は、ＭＥＭＳ光位相シフト装置における１つのリボンから隣のリボンまでの距離に偏光変位を合わせるときに役立つ。
【００３０】
一般に、それが図１Ｄに示される効果を有する限り、偏光変位装置として任意の装置を使用することができる。入射光ビーム１６２は、互いに直交するように偏光された２つの平行光ビーム１６４、１６６へ分離される。同様に、偏光ビーム１６４、１６６が入力と見なされる場合には、装置がこれらの偏光ビームを１つのビーム１６２に結合する。この場合、ビーム１６２の偏光は、ビーム１６４、１６６の偏光成分の相対位相によって決定される。
【００３１】
ここにおいて、また、米国特許第１０／９０４，７６６号および、米国特許第１１／１６１，４５２号に記載されているように、偏光変位装置は、レンズと組み合わせたウォラストンプリズム、ロションプリズムないしセナルモンプリズム、サバール板またはその変形、あるいは、同じ効果を有する任意の他の光学部品から形成することができる。
【００３２】
図２Ａおよび図２Ｂは、偏光変調器の設計を示している。図２Ａおよび図２Ｂは、同じ設計を互いに垂直方向から見た図である。便宜上、図２Ａを「平面」図とし、図２Ｂを「側面」図としてもよい。
【００３３】
いずれの図においても、光源２０２からの光は、ＭＥＭＳ光位相シフト装置（ＭＯＰＤ）２２０から反射する前に、様々な光学要素を通して伝搬する。ＭＯＰＤ２２０から光源２０２へと戻る経路上で、光の一部が偏光ビームスプリッタ２０６によってレンズ２０８へ向けて偏向される。これは図２Ｂだけに示されている。図２Ａでは、レンズ２０８が偏光ビームスプリッタ２０６の背後に隠れている。
【００３４】
光源２０２からの光は、異なる面内において異なる場所に集光される。例えば、図２Ａにおいて、光は、光源２０２からレンズ２０４へ向けて発散している。実際、光源は、光がレンズ２０４、２１２間で平行となるように、レンズから約１焦点距離だけ離間して配置される。ＭＯＰＤ２２０は、レンズがＭＯＰＤ２２０上で光を集光させるように、レンズ２１２から約１焦点距離だけ離間して配置される。しかしながら、図２Ｂに示す垂直方向から見ると、光源２０２からの光はおおよそ平行となっている。したがって、光は、レンズ２０４を通過してレンズ２０４、２１２の組み合わせ焦点距離にほぼ等しい距離だけ移動し、レンズ２１２を通過した後、ＭＯＰＤ２２０に達するときにほぼ平行となる。
【００３５】
同等の説明は、光は、ＭＯＰＤ２２０において、細幅のスリット状の断面で集光されるということである。ＭＯＰＤ２２０において、光は、図２Ａの紙面に対して垂直方向で、かつ、図２Ｂの紙面内で延びている。後述するように、ＭＯＰＤ２２０におけるリボンアレイのこの細長い照明は、光の効率的な使用およびディスプレイにおける対応する高い輝度にとって有益である。
【００３６】
ウォラストンプリズム２１０およびレンズ２１２は、米国特許第１０／９０４，７６６号および、米国特許第１１／１６１，４５２号に記載されるような偏光変位装置を形成する。したがって、偏光変調器の動作原理を変えることなく、異なる偏光変位装置がそれらに取って代えられてもよい。
【００３７】
図２Ａおよび図２Ｂにおける光の細長の集光方向と光の偏光変位方向との間の空間的関係は、米国特許第１０／９０４，７６６号及び米国特許第１１／１６１，４５２号に記載される先の設計の空間的関係とは異なる。先の設計において、偏光変位装置は、光を、スリット形状の断面の長軸に対して垂直な方向にオフセットされたスリット形状ビームへと分離している。本明細書では、偏光変位装置（すなわち、ウォラストンプリズム２１０およびレンズ２１２）は、光を、スリット形状の断面の長軸に対して平行な方向にオフセットされたスリット形状ビームへと分離する。これは、図２Ｂに点線で示されており、図２Ｂでは、点線がＭＯＰＤ２２０において距離ｄだけ変位されるシステム内の光の部分を示している。この変位は図２Ａでは見えない。なぜなら、それが紙面に対して垂直だからである。
【００３８】
ＭＯＰＤ２２０に到達する光の偏光成分は、ＭＯＰＤにおけるリボンに対して垂直にオフセットされる。また、これは図７Ａにも示されており、例えばこの場合、領域７３４（濃い破線で境界付けられている）は、リボン５０６または５０８に対して垂直な方向かつ紙面内でリボンの幅だけオフセットされた直交する偏光を取り囲んでいる。
【００３９】
図２Ａおよび図２Ｂでは、光源２０２が線光源であることが有益であるが、線光源でない場合には、その形状をビーム整形光学系（図示せず）によって変更することができる。偏光ビームスプリッタ２０６は、それが偏光変位装置（ウォラストンプリズム２１０およびレンズ２１２）およびＭＯＰＤ２２０と共に形成する干渉計における偏光子および検光子の両方として作動する。干渉計の２つのアームは、直交する偏光によって形成され、これらの偏光は、僅かに異なる経路でＭＯＰＤへ向けて且つＭＯＰＤから伝搬する。
【００４０】
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、光源２０２は、レンズ２０４、偏光ビームスプリッタ２０６、ウォラストンプリズム２１０、レンズ２１２、および、ＭＥＭＳ装置２２０と一直線になっている。レンズ２０８へ向けて偏光ビームスプリッタ２０６により反射される光は、２次元画像を形成するために走査されるであろうライン画像を形成する。しかしながら、レンズ２０８がその光を光学系へと集光するであろう位置に光源を配置し、光源２０２が示されているところにライン画像を形成することも全く可能である。これらの２つの等価な配置間の選択は、透過対反射において偏光ビームスプリッタにより達成されるコントラストなどの実用性、および、使用される光源の形状に依存する。
【００４１】
図３Ａおよび図３Ｂは、コンパクトな偏光変調器の設計を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、同じ設計を互いに垂直方向から見た図である。便宜上、図３Ａを「平面」図とし、図３Ｂを「側面」図としてもよい。図中、光源３０２は、図３Ａの眺めから見たときにはＭＯＰＤ３２０の近傍の腰部分へと収束するが、図３Ｂに示す垂直方向の眺めから見たときには平行となる光を与える。適した光源の例としては、円筒レンズ（図示せず）によって形成される点光源または線光源が挙げられる。
【００４２】
ＰＤＤ３１１は「偏光変位装置」であり、その用語は米国特許第１１／１６１，４５２号において規定される。その機能は、入射光ビームにおける直交する偏光成分を２つの平行な光ビームへオフセットすることである。偏光変位装置の一例は、ウォラストンプリズムまたはロションプリズムなどの偏光プリズムとレンズとの組み合わせである。ＭＯＰＤ３２０は「ＭＥＭＳ光位相シフト装置」であり、その用語は米国特許第１１／１６１，４５２号において規定されている。その機能は、電子的に制御可能な位相シフトを入射光に対して与えることである。多くのタイプのＭＯＰＤが米国特許第１１／１６１，４５２号において議論されている。本明細書では、図５〜図８に関連して、１つのＭＯＰＤの詳細について説明する。
【００４３】
図３Ｂにおいて、レンズ３０８は、ＭＯＰＤ３２０から約１焦点距離だけ離間して配置される。図３Ａにはレンズが示されていない。これは、レンズがその眺めでは偏光ビームスプリッタ３０６の背後に隠れているからである。また、図３Ｂには、レンズ３０８の焦点面内の位置ｘと光強度Ｉとの間の関係を示すグラフ３３０も描かれている。言い替えると、グラフ３３０の点線のｘ軸およびＭＯＰＤ３２０はいずれも、反対方向ではあるが、レンズ３０８から約１焦点距離だけ離間している。２つの強度プロット３３２、３３６がグラフ３３０上に描かれている。要素３４０は、ダブルスリット開口すなわち絞りである。
【００４４】
グラフ３３０の点線のｘ軸は、ＭＯＰＤ３２０におけるフーリエ平面内に位置している。したがって、例えば、一つ置きのリボンが湾曲されるような方形波パターンでＭＯＰＤが変調されると、フーリエ平面における光強度は、ほぼプロット３３２で示される光強度となる。ＭＯＰＤが変調されない場合、すなわち、リボンが湾曲されないときには、フーリエ平面における光強度は、ほぼプロット３３６で示される光強度となる。
【００４５】
前述した偏光変調器における暗状態と明状態との間で利用できるコントラストは、主に、偏光を区別できる偏光ビームスプリッタの能力によって決定される。理想的なケースでは、１つの偏光の全ての光が偏光ビームスプリッタによって透過される一方で、それに直交する偏光の全ての光が反射される。しかしながら、実際には、「誤った」偏光における一部の光が意図せずに漏れ、また、反射される。
【００４６】
ダブルスリット開口すなわち絞り３４０は、偏光変調器におけるコントラストを高めるために使用することができる。開口３４０がレンズ３０８のフーリエ平面に配置される場合、開口は、ＭＯＰＤ３２０が変調されないときに光を遮るが、ＭＯＰＤが変調されるときに光を通過させる。これは、偏光ビームスプリッタ３０６の偏光識別によって与えられるコントラストを高める。
【００４７】
グラフ３３０の点線のｘ軸は、全体としてＭＯＰＤのフーリエ平面内に位置する。しかしながら、それは、ＭＯＰＤで変調されるライン画像中のピクセルにおける像平面ではない。レンズ３０８がＭＯＰＤ３２０から１焦点距離の位置に配置されると、ライン画像が無限遠に形成される。画像は、レンズ作製式１／ｄ１＋１／ｄ２＝１／ｆ（ｄ１およびｄ２は、レンズから測定される画像およびＭＯＰＤまでの距離）にしたがってレンズをＭＯＰＤから離れるように移動させることにより、レンズに更に近接させることができる。あるいは、画像を、更なる光学系（図示せず）を用いて観るようにしてもよい。
【００４８】
図４Ａおよび図４Ｂは、接近観察のための偏光変調器の設計を示している。そのような設計は、観察者の眼が装置に接近したヘッドマウントディスプレイに適している。
【００４９】
図４Ａおよび図４Ｂは、互いに垂直方向から見た同じ設計の図である。便宜上、図４Ａが「平面」図とし、図４Ｂを「側面」図としてもよい。図中、光源４０２は、図４Ａの眺めから見たときには平行であるが、垂直方向である図４Ｂの眺めから見たときにはレンズ４０４へ向かって発散する光を与える。図４Ｂにおいて、光源は、レンズ４０４が光を平行にするように、ある位置から光を発散する。すなわち、光源は、レンズ４０４から約１焦点距離だけ離れている。適した光源の例としては、円筒レンズ（図示せず）によって形成される点光源または線光源が挙げられる。
【００５０】
図中の要素４０６は、走査ミラーとしてとしても作動する薄い偏光ビームスプリッタである。この偏光ビームスプリッタは、図４Ｂの紙面に対して垂直な軸（図示せず）を中心に回転させることができる。図４Ｂにおける薄い偏光ビームスプリッタ４０６の近傍の曲がった矢印は、おおよその走査の動きを示している。レンズ４０７は、ＭＯＰＤ４２０から約１焦点距離だけ離間して位置している。要素４１１は偏光変位装置である。
【００５１】
図４Ａの眺めから見ると、光は、レンズ４０４、４０７間の腰部へ集光されるが、垂直方向である図４Ｂの眺めでは、これらの２つのレンズ間で平行のままである。焦点は、薄い偏光ビームスプリッタ４０６の位置と一致している必要はない。
【００５２】
観察者の眼は、要素４２４として図４Ｂに概略的に描かれている。眼のレンズが要素４２６である。レンズ４０７がＭＯＰＤ４２０から１焦点距離に配置されると、ＭＯＰＤの像は無限遠に現れる。しかしながら、観察者の眼４２４内のレンズ４２６は、容易な観察のために眼の裏の網膜上に像を形成する。この像は、ＭＯＰＤにおける電子的に制御される位相シフト面の直線状アレイによって変調される光の薄いシートから生じるライン画像である。薄い偏光ビームスプリッタ４０６が回転すると、観察者の眼の網膜を横切ってライン画像が移動する。この走査動作は、ライン画像から二次元画像を形成するために用いられ。
【００５３】
図５Ａ〜図５ＣはＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。図５Ｂおよび５Ｃは、表示された線に沿った図５Ａの断面図である。図５Ａ〜図５Ｃにおいて、要素５０２は基板すなわち支持ベースであり、５０４は端部支持体であり、５１０は中間支持体である。要素５０６、５０８はリボン構造であり、５０６は中間支持体によって支持されるリボン、一方、５０８は中間支持体を伴わないリボンである。図５Ａ〜図５Ｃには、８個のリボンだけが示されているが、実際の装置は、数百または数千のリボンを含んでいてもよい。図は単なる概略図である。
【００５４】
図５Ｂは、図５Ａに「５Ｂ」で記された断面において基板とリボンとの間に支持体が存在しないことを示している。逆に、図５Ｃは、図５Ａに「５Ｃ」で記された断面において一つ置きのリボンにおいて支持体が存在することを示している。図５Ａにおいて、断面「５Ｃ」はリボンの端部から約１／３の箇所に印されており、これは好ましい配置であるが、他の設計も可能である。唯一重要な点は、支持体または他の手段によって一つ置きのリボンに剛さが付与されているという点と、光がリボンによって反射される中央部に支持体が無いという点である。
【００５５】
図５Ａ〜図５Ｃに示されるタイプの装置は、米国特許第１０／９０４，７６６号に概説されるような任意の標準的なＭＥＭＳ製造プロセスを使用して構成されてもよい。図面は一定の縮尺で描かれてはいないが、リボンが通常は約１〜１００ミクロンの長さであり、リボンが約０．０５〜０．５ミクロンだけ基板へ向けて屈曲することに留意することによって典型的な装置のサイズを認識することができる。
【００５６】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａに示される装置の「６Ａ」および「６Ｂ」の印がそれぞれ付された部分における断面を概略的に示している。図６Ａおよび図６Ｂにおける符号が付された要素の全ては、図５Ａ〜図５Ｃにおいて同様の符号が付された要素に対応している。電圧信号すなわち電源６１０は図５には示されていない。
【００５７】
リボン５０８によって例示されるように、その両端でのみ支持されるリボンに対して電圧が印加されると、リボンは基板へ向けて屈曲する。リボンが曲がる距離Ｄは、図２〜図４の偏光変調器におけるＭＯＰＤの通常の動作時の光の約１／４波長である。逆に、リボン５０６によって例示されるように、中間支持体によって支持されるリボンに対して電圧が印加されると、リボンは、支持されていない場合よりも屈曲がかなり小さい。図６Ｂのリボン５０６は、全く曲がっていないように描かれているが、実際には僅かに屈曲する。しかしながら、撓みは、支持体間の距離の非線形関数であるため、支持されたリボンと支持されていないリボンとでは、撓みは著しく異なり得る。
【００５８】
一つ置きのリボンに剛さを与えるために支持体を使用する利点は、各リボンを同じ厚さで、かつ同じ材料から形成することができるという点である。しかしながら、最終的な結果が同じ、すなわち、一つ置きのリボンは、印加電圧の影響下において異なる量で湾曲される、のであれば、支持体以外の他の手法を用いてもよい。
【００５９】
図７Ａおよび図７Ｂは、開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。図７Ａは、図５Ａに示される図に類似するＭＯＰＤの図を示しており、一方、図７Ｂは、図６Ａにおける図に類似する図を示している。しかしながら、図７において、開口７２２はリボン構造上にわたって配置されている。
【００６０】
図７において、要素５０２〜要素６１０は、図５および図６における同様の符号が付された要素と同じである。要素７１０はスペーサである。要素７２０、７２２は、不透明コーティング７２２を有する透明シート７２０から開口構造を形成する。図７Ａでは、開口構造７２０／７２２が切開図として示されている。７３０によって表わされる斜線領域および点線は、ＭＯＰＤに入射する細長の光ビームのおおよその範囲を示している。また、光線７３１は、伝搬方向に対して垂直な方向から見た光ビームを表わしている。
【００６１】
境界付けられた領域７３２は、開口構造７２０／７２２を通過し、ＭＯＰＤのリボンに入射する光の横方向の広がりを表わしている。境界付けられた領域７３２内において、濃い破線境界によって輪郭付けられる領域７３４はＭＯＰＤの一部分を示しており、この一部分から反射された光は、図２〜図４に示される任意の変調器などの偏光変調器から出力されるライン画像における単一のピクセルを形成する。
【００６２】
開口構造７２０／７２２は、ライン画像に寄与しない迷光がＭＯＰＤリボンによって反射されるのを防止する。好ましくは、開口は、それから反射する偏光に影響を与えない。図７において、開口は、ガラスなどの透明基板上のパターン化された不透明コーティングによって形成されるように示しているが、他の方法で形成されるが同じ機能を果たす開口を用いてもよい。開口は、スペーサ７１０によってＭＯＰＤのリボンから離されている。開口を近視野に保つため、スペーサ厚は〜ｗ２／λ未満でなければならない。ここで、ｗは開口のサイズであり、λは光の波長である。
【００６３】
領域７３４は、この領域から反射光がライン画像中の単一のピクセルを形成するリボンデバイスの領域を表わしている。領域７３４は、図では略正方形となるように示されているが、実際には長方形であってもよい。領域の１つの辺の長さは、開口７２０／７２２の開放スロットの幅によって設定される。領域の該辺に対して直交する辺の長さは、ＭＯＰＤにおける２つのリボンの幅に等しい。図２〜図４の偏光変調器におけるＰＤＤがＭＯＰＤに入射する光の１つの偏光のためのオフセットを与えることを想起されたい。オフセットの大きさは、図１Ｂ〜図１Ｄ、図２Ｂでは「ｄ」によって示され、図３Ｂおよび図４Ａでは点線によって示されている。
【００６４】
偏光変調器は、オフセットがＭＯＰＤにおけるリボンの幅と一致するように設計される。そのようにして、偏光変調器の干渉計は、ＭＯＰＤにおける隣り合うリボンによって反射される光の位相を比較する。隣り合う対のリボンのうちの一方が移動し、他方が静止したままであると、リボンによって反射される光の位相が４πＤ／λだけ変化する。ここで、Ｄは、移動するリボンの変位であり、λは光の波長である。
【００６５】
図８は、図７Ａに示される開口よりも幅が広い開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。図８において、境界付けられた領域８３２は、図７における対応する境界付けられた領域７３２の約２倍の幅で描かれている。同様に、領域８３４は、正方形７３４ではなく長方形として表わされている。図は、これらの領域の正確なアスペクト比を示すことを意図しておらず、異なるアスペクト比を使用し得ることは重要である。光ビーム断面８３０は、対応するビーム７３０ほどは細長くない形状を有している。
【００６６】
全ての他の条件が同じ場合、図８におけるＭＯＰＤに入射する光は、図７Ａの場合よりも幅広い領域にわたって広がっている。したがって、材料制限がＭＯＰＤに向かう光の強度（単位面積当たりのパワー）の制限を要する場合には、図７Ａの場合に比べてより大きなパワーを図８におけるＭＯＰＤに対して適用することができる。図８は、より大きなパワーハンドリング能力、したがって、図７Ａにおける表示される画像よりも明るい表示画像をもたらすことができる能力を有する設計を表わしている。円筒光学系の使用により図８の場合のようにより幅広い開口スロットを用いた動作のために入射光ビームを広げることができる。
【００６７】
本明細書で説明される偏光変調器は、細長のビーム断面の光を、直線状アレイＭＯＰＤ上に集光する。直交する偏光は、細長のビーム断面の長軸と平行に変位される。高い輝度およびコントラストに最適なコンパクトな変調器設計について説明した。
【００６８】
本明細書中の実施形態の開示内容から当業者であれば容易に分かるように、本明細書に記載された対応する実施形態とほぼ同じ機能を果たし、あるいはほぼ同じ結果を達成する現存のあるいは後に開発されるプロセス、機械、製造、手段、方法、または、ステップが、本発明にしたがって用いられてもよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、それらの範囲内に、そのようなプロセス、機械、製造、手段、方法またはステップを含むことを意図している。
【００６９】
システムおよび方法の図示の実施形態の以上の説明は、網羅的となるよう意図されているものではなく、あるいは、システムおよび方法を開示された形状に限定しようとするものではない。本明細書では、例示目的で、システムおよび方法の特定の実施形態およびシステムおよび方法のための実施例が説明されているが、当業者であれば分かるように、システムおよび方法の範囲内で様々な均等な変形が可能である。本明細書で与えられるシステムおよび方法の教示内容は、前述したシステムおよび方法にだけでなく、他のシステムおよび方法にも適用できる。
【００７０】
一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、システムおよび方法を明細書および特許請求の範囲中に記載された特定の実施形態に限定するように解釈されるべきではなく、特許請求の範囲の下で作動する全てのシステムを含むように解釈されるべきである。したがって、システムおよび方法は開示内容によって限定されるのではなく、システムおよび方法の範囲は、専ら特許請求の範囲によって決定されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
図面は、明確のためヒューリスティックである。
【図１Ａ】図１Ａは、様々な偏光分離光学素子の一つを概略的に示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、様々な偏光分離光学素子の一つを概略的に示している。
【図１Ｃ】図１Ｃは、様々な偏光分離光学素子の一つを概略的に示している。
【図１Ｄ】図１Ｄは、様々な偏光分離光学素子の一つを概略的に示している。
【図２Ａ】図２Ａは、偏光変調器の設計を示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、偏光変調器の設計を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、コンパクトな偏光変調器の設計を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、コンパクトな偏光変調器の設計を示している。
【図４Ａ】図４Ａは、接近観察用の偏光変調器の設計を示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、接近観察用の偏光変調器の設計を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａに示される装置の断面を概略的に示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａに示される装置の断面を概略的に示している。
【図７Ａ】図７Ａは、開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図８】図７Ａに示される開口よりも幅広い開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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