(57)【要約】  マイクロミラー・アレイは、複数のマイクロミラーを含み、マイクロミラーの回転および／または並進の制御によって所定の自由表面を再生成する。マイクロミラーは、制御回路によって制御され、機械構造によって支えられ、反射面を備えている。レンズの所定の自由表面は、マイクロミラーの回転および／または並進の制御によって変化する。マイクロミラーは、レンズを形成するために、１または複数の同心円状に配置されている。マイクロミラーは、扇形、六角形、長方形、正方形、または三角形の形状を有している。マイクロミラーの反射面は、ほぼ平面である。制御回路は、半導体超小型電子技術を用いてマイクロミラーの下に設けられている。マイクロミラーは、静電力および／または電磁力によって作動する。マイクロミラーの反射面は、高反射率の材料によって作られている。レンズは、画像装置、監視カメラ、カムコーダなどに用いられる。
2009503590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロミラーを含み、マイクロミラーの回転、並進、または、回転および並進の制御によって、所定の自由表面を再生成する、マイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２】
前記レンズの前記所定の自由表面は、マイクロミラーの回転、並進、または、回転および並進によって変化する、請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
前記レンズの前記所定の自由表面は、固定されている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項４】
マイクロミラーの前記回転量および回転方向は、前記所定の自由表面の勾配によって決定される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項５】
各マイクロミラーの並進は、同位相条件を満たすように制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項６】
全ての前記マイクロミラーは、平面上に配置されている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項７】
前記マイクロミラーは、１つまたは複数の同心円状に配置されており、前記マイクロミラーは、１つまたは複数の電極を備えている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項８】
各同心円状のマイクロミラーは、同心円に対応する１つまたは複数の電極によって制御される、請求項７に記載のレンズ。
【請求項９】
前記マイクロミラーは、１つまたは複数の電極を備えており、
前記マイクロミラーは、電極によって、作動する、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１０】
同一の並進および回転移動をするマイクロミラーは、同じ電極によって作動する、請求項９に記載のレンズ。
【請求項１１】
前記マイクロミラーは、扇形である、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１２】
前記マイクロミラーは、六角形である、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１３】
前記マイクロミラーは、長方形である、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１４】
前記マイクロミラーは、正方形である、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１５】
前記マイクロミラーは、三角形である、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１６】
さらに、制御回路を備えており、
前記マイクロミラーは、前記制御回路によって制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１７】
前記制御回路は、半導体超小型電子技術を用いて前記マイクロミラーの下に設けられている、請求項１６に記載のレンズ。
【請求項１８】
前記制御回路は、マイクロミラーの下に設けられており、
前記制御回路は、少なくとも１つのワイヤ層を備えている、請求項１６に記載のレンズ。
【請求項１９】
前記マイクロミラーは、静電力によって作動する、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２０】
前記マイクロミラーは、電磁力によって作動する、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２１】
前記マイクロミラーは、静電力および電磁力によって作動する、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２２】
さらに、機械構造を備えており、
前記マイクロミラーは、機械構造によって支えられている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２３】
前記マイクロミラーを支える前記機械構造および作動部品は、前記マイクロミラーの下に配置されている、請求項２２に記載のレンズ。
【請求項２４】
前記マイクロミラーは、独立して制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２５】
前記マイクロミラーは、反射面を備えている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項２６】
前記マイクロミラーの前記反射面は、ほぼ平面である、請求項２５に記載のレンズ。
【請求項２７】
前記マイクロミラーの前記反射面は、湾曲している、請求項２５に記載のレンズ。
【請求項２８】
前記マイクロミラーの湾曲は、制御される、請求項２７に記載のレンズ。
【請求項２９】
前記マイクロミラーの湾曲は、電熱力によって制御される、請求項２７に記載のレンズ。
【請求項３０】
前記マイクロミラーの湾曲は、静電気力によって制御される、請求項２７に記載のレンズ。
【請求項３１】
前記マイクロミラーの前記反射面は、高反射率の材料から作られている、請求項２５に記載のレンズ。
【請求項３２】
前記マイクロミラーの前記反射面は、金属によって作られている、請求項３１に記載のレンズ。
【請求項３３】
前記金属は銀を含んでいる、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３４】
前記金属はアルミニウムを含んでいる、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３５】
前記金属はプラチナを含んでいる、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３６】
前記金属は金を含んでいる、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３７】
前記金属は、誘電体コーティングによって保護されている、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３８】
前記金属は、多層構造の誘電体コーティングによって保護されている、請求項３２に記載のレンズ。
【請求項３９】
前記マイクロミラーの前記反射面は、金属化合物によって作られている、請求項２５に記載のレンズ。
【請求項４０】
前記金属化合物は、誘電体コーティングによって保護されている、請求項３９に記載のレンズ。
【請求項４１】
前記金属は、多層構造の誘電体コーティングによって保護されている、請求項３９に記載のレンズ。
【請求項４２】
前記マイクロミラーの前記反射面は、多層構造の誘電体材料によって作られている、請求項２５に記載のレンズ。
【請求項４３】
空間光変調器を備えている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項４４】
前記空間光変調器は、対象物と画像との間の媒体に基づく位相誤差を補正する、請求項４３に記載のレンズ。
【請求項４５】
前記空間光変調器は、収差を補正する、請求項４３に記載のレンズ。
【請求項４６】
前記空間光変調器は、近軸像の基準からのずれを補正する、請求項４３に記載のレンズ。
【請求項４７】
前記空間光変調器は、肉眼で見える機械的動作無しに画像化を行うために、光学軸からずらして被写体を生成することを特徴とする、請求項４３に記載のレンズ。
【請求項４８】
カラー画像を得るために、赤、緑、青（ＲＧＢ）の各波長が同位相条件をそれぞれ満たすように制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項４９】
カラー画像を得るために、多数の波長のうち、１つの波長に対する同位相条件を満たすように制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項５０】
位相条件に対する効率的な波長として、赤、緑、青の光の波長の最小公倍数を用いて、カラー画像に対する同位相条件を満たすように制御される、請求項１に記載のレンズ。
【請求項５１】
光学システムにおいて１つの回転軸を持って配置されている、請求項１に記載のレンズ。
【請求項５２】
表面形状は、Ｙ軸に関して対称である、請求項５１に記載のレンズ。
【請求項５３】
画像装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項５４】
前記画像装置は、光学ズームの機能を有している、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項５５】
前記画像装置は、デジタルズームの機能を有している、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項５６】
前記画像装置は、オートフォーカスの機能を有している、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項５７】
前記画像装置は、立体画像化の機能を有している、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項５８】
前記画像装置は、ビデオ監視カメラを備えている、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項５９】
前記ビデオ監視装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項５８に記載のレンズ。
【請求項６０】
前記画像装置は、カムコーダを備えている、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項６１】
前記カムコーダは、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項６０に記載のレンズ。
【請求項６２】
前記画像装置は、携帯機器に用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項６３】
前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項６２に記載のレンズ。
【請求項６４】
前記画像装置は、携帯電話のカメラを備えている、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項６５】
前記携帯電話のカメラは、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項６４に記載のレンズ。
【請求項６６】
前記画像装置は、テレビに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項６７】
前記テレビに包含された前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項６６に記載のレンズ。
【請求項６８】
前記画像装置は、ノートパソコンに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項６９】
前記ノートパソコンに包含された前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項６８に記載のレンズ。
【請求項７０】
前記画像装置は、コンピュータに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項７１】
前記コンピュータに包含された前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項７０に記載のレンズ。
【請求項７２】
前記画像装置は、コンピュータ用モニターに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項７３】
前記コンピュータ用モニターに包含された前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項７２に記載のレンズ。
【請求項７４】
前記画像装置は、ＰＤＡに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項７５】
前記ＰＤＡに包含された前記画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームを備えた機能を有している、請求項７４に記載のレンズ。
【請求項７６】
前記画像装置は、パターン認識システムに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項７７】
前記パターン認識システムは、携帯電話に用いられる、請求項７６に記載のレンズ。
【請求項７８】
前記画像装置は、動認識システムに用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項７９】
前記動認識システムは、携帯電話に用いられる、請求項７８に記載のレンズ。
【請求項８０】
前記画像装置は、内視鏡に用いられる、請求項５３に記載のレンズ。
【請求項８１】
三次元表示装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項８２】
二次元投影表示装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項８３】
前記二次元投影表示装置は、携帯機器に用いられる、請求項８２に記載のレンズ。
【請求項８４】
前記携帯機器は、携帯電話を備えている、請求項８３に記載のレンズ。
【請求項８５】
前記二次元投影表示装置は、キーボード画像を投影する、請求項８２に記載のレンズ。
【請求項８６】
三次元画像装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項８７】
前記三次元画像装置は、三次元パターン認識システムに用いられる、請求項８６に記載のレンズ。
【請求項８８】
前記三次元パターン認識システムは、携帯電話に用いられる、請求項８７に記載のレンズ。
【請求項８９】
前記三次元画像装置は、三次元動認識システムに用いられる、請求項８５に記載のレンズ。
【請求項９０】
前記三次元動認識システムは、携帯電話に用いられる、請求項８９に記載のレンズ。
【請求項９１】
前記三次元動認識システムは、車の衝突防止システムに用いられる、請求項８９に記載のレンズ。
【請求項９２】
前記三次元画像装置は、三次元内視鏡に用いられる、請求項８６に記載のレンズ。
【請求項９３】
バーコード読み取り装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項９４】
光ピックアップ装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項９５】
ビームフォーカスおよび走査システムに用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項９６】
前記ビームフォーカスおよび走査システムは、印刷装置に用いられる、請求項９５に記載のレンズ。
【請求項９７】
前記ビームフォーカスおよび走査システムは、スキャナーに用いられる、請求項９５に記載のレンズ。
【請求項９８】
光学トラッキングシステムに用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項９９】
前記光学トラッキングシステムは、三次元マウスに用いられる、請求項９８に記載のレンズ。
【請求項１００】
三次元積分画像および表示システムに用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【請求項１０１】
手ぶれ補正装置に用いられる、請求項１に記載のレンズ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズに関し、特に、小型であり、高性能なマイクロミラー・アレイレンズに関する。
【０００２】
球面レンズは平行光線を一点に集光することができない。したがって、多くのレンズはこれを補正するために重ね合わせられている。この場合、多数のレンズが組み合わさっているため、小型であり、高開口であるもので高い性能を得るには限界がある。
【０００３】
一方、１点に光を集めることができる所望の自由表面を持つ非球面レンズを用いた場合、単一レンズによって平行光線を一点に集光することができる。光学システムの容積および重量を減らすことができ、光学性能を高くすることができる。
【０００４】
このため、非球面レンズは、ビーム・プロジェクタ、投影ＴＶ、ＣＤ−ＲＯＭピックアップ、ＤＶＤプレイヤー、レーザープリンタ、レーザーユニットなどに用いられている。
【０００５】
しかし、既存機械の性能上、０．１μｍ未満の精度を必要とする複雑な非球面の表面を実際に製造することは難しい。加えて、０．１μｍ未満の精度によって製造されたレンズの誤作動を測定することも難しい。一方、自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズは、０．１μｍ未満の精度の非球面レンズを形成することができる。
【０００６】
〔発明の要約〕
本発明は、上記の先行技術の問題点を解決するために成されたものである。
【０００７】
本発明の目的は、自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズを提供することである。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、小型な高開口レンズにおいて高い性能を実現する自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズを提供することである。
【０００９】
マイクロミラー・アレイレンズは、複数のマイクロミラーを含む。マイクロミラー・アレイレンズは、マイクロミラーの回転および／または並進の制御によって所定の自由表面を再生成する。
【００１０】
マイクロミラーは、制御回路により制御される。マイクロミラーは、機械構造により支えられている。マイクロミラーは、反射面を含む。
【００１１】
レンズの所定の自由表面は、マイクロミラーの回転および／または並進を制御することにより変化する。
【００１２】
レンズの所定の自由表面は、固定されている。
【００１３】
マイクロミラーの回転量および回転方向は、所定の自由表面の勾配により決定される。
【００１４】
各マイクロミラーの並進は、同位相条件を満たすように制御される。
【００１５】
すべてのマイクロミラーは、平面上に配置されている。
【００１６】
マイクロミラーは、レンズを形成するために、１つもしくは複数の同心円状に配置されている。マイクロミラーは、電極を含む。各同心円上のマイクロミラーは、その同心円に対応する１つまたは複数の電極によって作動する。同一の並進および回転移動をするマイクロミラーは、同じ電極によって作動する。
【００１７】
マイクロミラーは、扇形、六角形、長方形、正方形、もしくは、三角形である。
【００１８】
マイクロミラーの反射面は、ほぼ平面である。
【００１９】
制御回路は、半導体超小型電子技術を用いて、マイクロミラーの下に設けられている。制御回路は、少なくとも１つのワイヤ層を含む。
【００２０】
マイクロミラーは、静電力、電磁力、または、静電力および電磁力によって作動する。
【００２１】
マイクロミラーを支え、素子を作動する機械構造は、マイクロミラーの下に位置している。
【００２２】
マイクロミラーは、独立して制御される。マイクロミラーの反射面は、湾曲している。マイクロミラーの湾曲は、制御される。マイクロミラーの湾曲は、電熱力および／または静電気力によって制御される。
【００２３】
マイクロミラーの反射面は、高反射率の材料によって作られている。マイクロミラーの反射面は、金属によって作られている。この金属は、銀、アウミニウム、プラチナ、または金を含む。この金属は、誘電体コーティングもしくは多層構造の誘電体コーティングによって保護されている。
【００２４】
マイクロミラーの反射面は、金属化合物によって作られている。この金属化合物は、誘電体コーティングもしくは多層構造の誘電体コーティングによって保護されている。
【００２５】
マイクロミラーの反射面は、多層構造の誘電体材料によって作られている。
【００２６】
レンズは、空間光変調器である。レンズは、被写体と映像の間の媒体による光の位相誤差を補う空間光変調器である。
【００２７】
空間光変調器は、収差を補正する。空間光変調器は、近軸像の基準からのずれを補正する。空間光変調器は肉眼で見える機械的な動作なしに画像化を行うため、光学軸からずらして被写体を生成する。
【００２８】
レンズは、カラー画像を得るため、赤、緑、青（ＲＧＢ）の各波長が同位相条件を満たすように制御される。
【００２９】
レンズは、カラー画像を得るため、複数の光の波長のうち１つの波長が同位相条件を満たすように制御される。
【００３０】
カラー画像化の同位相条件は、その位相条件にとって効果的な波長としての、赤、緑、青の光の波長の最小公倍数を用いることにより満たされる。
【００３１】
レンズは、光学システムにおいて、１つの回転軸を持って位置づけられる。たとえば、レンズは、光学軸に対して垂直なＸ軸を回転軸として位置づけられる。その場合、表面形状はＹ軸に対して対称的である。このとき、Ｙ軸は、光学軸およびＸ軸に対して垂直である。
【００３２】
レンズは、画像装置に用いられる。この画像装置は、光学ズーム、デジタルズーム、オートフォーカス、および立体画像化のうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３３】
画像装置は、ビデオ監視カメラである。ビデオ監視カメラは、光学ズーム、オートフォーカス、三次元映像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３４】
画像装置は、カムコーダである。このカムコーダは、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３５】
画像装置は、携帯機器に統合されている。この画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３６】
画像装置は、携帯電話のカメラである。この携帯電話のカメラは、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３７】
画像装置は、テレビに統合されている。このテレビに統合されている画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００３８】
画像装置は、ノートパソコンに統合されている。
【００３９】
このノートパソコンに統合されている画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００４０】
画像装置は、コンピュータに統合されている。このコンピュータに統合されている画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００４１】
画像装置は、コンピュータ用モニターに統合されている。
【００４２】
このコンピュータ用モニターに統合されている画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００４３】
画像装置は、ポータブル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）に統合されている。このＰＤＡに統合されている画像装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、およびデジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えている。
【００４４】
画像装置は、パターン認識システムに用いられる。このパターン認識システムは、携帯電話に統合される。
【００４５】
画像装置は、動認識システムに用いられる。動認識システムは、携帯電話に統合される。
【００４６】
映像装置は、内視鏡に用いられる。
【００４７】
映像装置は、三次元表示装置に用いられる。
【００４８】
レンズは、二次元投影表示装置に用いられる。この二次元投影表示装置は、携帯機器に統合される。携帯機器は、携帯電話である。この二次元投影表示装置は、キーボード画像を投影する。
【００４９】
レンズは、三次元画像装置に用いられる。この三次元画像装置は、三次元パターン認識システムとして利用される。この三次元パターン認識システムは、携帯電話に統合される。この三次元画像装置は、三次元動認識システムに用いられる。この三次元動認識システムは、携帯電話に統合される。この三次元動認識システムは、車の衝突防止システムに用いられる。この三次元画像装置は、三次元内視鏡に用いられる。
【００５０】
レンズは、バーコード読み取り装置に用いられる。
【００５１】
レンズは、光学ピックアップ装置に用いられる。
【００５２】
レンズは、ビームフォーカスおよび走査システムに用いられる。ビームフォーカスおよび走査システムは、印刷装置に用いられる。ビームフォーカスおよび走査システムはスキャナーに用いられる。
【００５３】
レンズは、光学トラッキングシステムに用いられる。光学トラッキングシステムは三次元マウスに用いられる。
【００５４】
レンズは、三次元積分画像および表示システムに用いられる。
【００５５】
レンズは、手ぶれ補正装置に用いられる。
【００５６】
本発明は、上記の画像装置に利用することも可能である。なぜならば、自由表面を持つＭＭＡＬ（マイクロミラー・アレイレンズ）は、光学システムの容積および重量を減らし、光学的な性能を上げることができるからである。
【００５７】
画像装置がデジタルカメラに用いられるとき、その画像装置は、デジタルズーム機能を備えている。
【００５８】
本発明は、ズームシステム、３次元画像装置、オートフォーカスシステム、ビデオ監視カメラ、手ぶれ補正装置、３次元画像装置、２次元画像投影システム、光学ピックアップ装置、ビームフォーカスおよび走査システム、光学トラッキング装システム、および三次元積分画像および表示システムとして用いることができる。これらは、２００４年３月２２日に出願された米国特許出願第１０／８０６，２９９号明細書“小さく速いズームシステム、２００４年４月１２日に出願された米国特許出願第１０／８２２，４１４号明細書“三次元投影装置”、２００４年７月２１日に出願された米国特許出願第１０／８９６，１４１号明細書“高速自動フォーカスシステム”、２００５年３月１０日に出願された米国特許出願第１１／０７６，６８８号明細書“焦点距離が可変なレンズを用いたビデオ監視システム”、２００４年１１月２日に出願された米国特許出願第１０／９７９，６１２号明細書“マイクロミラー・アレイレンズを用いた画像スタビライザ”、２００４年２月１３日に出願された米国特許出願第１０／７８８，２８１号明細書“焦点距離が可変なレンズを用いた三次元表示装置”、２００４年８月９日に出願された米国特許出願第１０／９１４，４７４号明細書“二次元画像投影システム”、２００４年９月３日に出願された米国特許出願第１０／９３４，１３３号明細書“光学ピックアップ装置”、２００４年１１月２日に出願された米国特許出願第１０／９７９，５６８号明細書“マイクロミラー・アレイレンズを用いたビームフォーカスおよび走査システム”、２００４年１１月２日に出願された米国特許出願第１０／９７９，６１９号明細書“焦点距離が可変なレンズを用いた光学トラッキングシステム”、および、２００４年１１月２日に出願された米国特許出願第１０／９７９，６２４号明細書“焦点距離が可変なレンズを用いた三次元積分画像および表示システム”に記載されている。
【００５９】
自由表面を持つマイクロミラーＭＭＡＬが上記の用途に応用されると、本発明は、米国特許出願明細書：第１０／８０６，２９９号、第１０／８２２，４１４号、第１０／８９６，１４１号、第１１／０７６，６８８号、第１０／９７９，６１２号、第１０／７７８，２８１号、第１０／９１４，４７４号、第１０／９３４，１３３号、第１０／９７９，５６８号、第１０／９７９，６１９号、および第１０／９７９，６２４号に記載の効果に加えて、システムの容積および重量が減少され、光学性能を高くすることができる。
【００６０】
自由表面を持つＭＭＡＬを含む画像装置は、パターン認識および動認識システムに利用できる。動認識システムは、携帯電話への統合が可能で、画像装置は内視鏡に利用できる。
【００６１】
自由表面を持つＭＭＡＬを含む三次元画像装置は、三次元パターン認識システムおよび三次元動認識システムに利用できる。特に、装置が、高い光学性能、高速、および小型であることは、これらの用途にとって最も有利な点である。三次元動認識システムは携帯電話への統合が可能である。さらに、高い光学性能、高速、および小容量であることから、車の衝突防止システムにも利用できる。また、三次元投影装置は、高い光学性能、高速、および小型であることから三次元内視鏡にも利用できる。
【００６２】
自由表面を持つＭＭＡＬを含む画像装置は、携帯機器にも統合することができる。この携帯機器は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、デジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えることが可能である。
【００６３】
自由表面を持つマイクロミラーＭＭＡＬを含む画像装置は、ビデオ監視カメラ、カムコーダ、または携帯電話のカメラでもよい。それらは、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、デジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えることが可能である。ビデオカメラおよびカムコーダには、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、デジタルズーム、小型、軽量、および高性能の利点がある。画像装置はテレビ、ノートパソコン、デスクトップパソコン、コンピュータ用モニターへの統合が可能である。装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、デジタルズームのうち少なくとも１つの機能を備えることが可能である。したがって、装置は、光学ズーム、オートフォーカス、立体画像化、デジタルズーム、小型、軽量、および高性能という利点を得ることができる。
【００６４】
自由表面を持つＭＭＡＬを含む二次元投影表示装置は、携帯機器への統合が可能である。携帯機器の容量および重量の軽減と高い光学性能が期待できる。携帯機器は、米国特許出願第１０／９１４，４７４号明細書に記載の効果も期待できる。二次元投影表示装置は、小型、軽量、および省電力であることから、携帯電話やＰＤＡなどの携帯機器への統合が可能である。
【００６５】
キーボード画像は、上記二次元投影表示装置を用いて、デスクや壁のようなスクリーンに映し出すことができる。携帯電話やＰＤＡなどの携帯機器において、投影画像の携帯キーボードは必需品である。指動作の検出も投影キーボードを開発する上で必須である。
【００６６】
自由表面を持つＭＭＡＬを含むビームフォーカスおよび走査システムは、印刷装置やスキャナーに利用できる。ＭＭＡＬの高速フォーカスや走査機能は、システムの高解像度の印刷と走査を可能にする。
【００６７】
自由表面を持つＭＭＡＬを含む光学トラッキングシステムは、三次元マウスに利用できる。自由表面を持つＭＭＡＬの高速三次元トラッキング機能は、三次元マウスを可能にする。
【００６８】
本発明の利点は、（１）自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズが、高口径レンズを高性能にすること、および（２）自由表面を持つマイクロミラー・アレイレンズが、小型光学装置を造ることを可能にすること、である。
【００６９】
ここまで本発明は簡潔に要約されたが、以下に詳述する説明と添付の請求項で、より明らかになるであろう。
【００７０】
〔図面の簡単な説明〕
前述および他の本発明の態様と利点は、添付の図面を参照することによってさらに明確に理解されるであろう。
【００７１】
図１は、フレネルレンズとマイクロミラー・アレイレンズの原理を示す図である。
【００７２】
図２は、軸対称のマイクロミラー・アレイレンズを示す平面図である。
【００７３】
図３は、どのようにしてマイクロミラー・アレイレンズが画像を作るかを示す図である。
【００７４】
図４は、軸対称の反射面の一部を再生成するマイクロミラーを示す図である。
【００７５】
図５は、非球面の２つの例、Ｕ型とＷ型を示す図である。
【００７６】
図６は、二重焦点距離ＭＭＡＬの図である。
【００７７】
図７は、マイクロミラーの回転２自由度と並進１自由度を示す図である。
【００７８】
図８ａは、六角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円筒型レンズの図である。
【００７９】
図８ｂは、六角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円形レンズの図である。
【００８０】
図９は、長方形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円筒型レンズの図である。
【００８１】
図１０は、三角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な長円形レンズの図である。
【００８２】
図１１は、自由表面を持つＭＭＡＬを使用した投影システムの図である。
【００８３】
〔本発明の好ましい実施の形態の詳細な説明〕
米国特許出願明細書：第１０／８５５，２８７号、第１０／８５７，７１４号、第１０／８５７，２８０号、第１０／９８３，３５３号、第１０／７７８，２８１号、第１０／８０６，２９９号、第１０／８２２，４１４号、第１０／８９６，１４１号、第１０／９１４，４７４号、第１０／９３４，１３３号、第１０／９７９，５６８号、第１０／９７９，６１９号、第１０／９７９，６２４号、第１０／９７９，６１２号、第１１／０７６，６８８号は、ここに十分な説明をするように、本願の開示の中に参考として引用される。
【００８４】
図１は、フレネルレンズとマイクロミラー・アレイレンズ１１の原理を示す。完璧なレンズを作るには、２つ条件がある。１つ目は、被写体の１点から散在した全ての光を映像面の１点に集光すべきであるという集光条件である。2つ目は、全ての集束光は、映像面において同位相を有しているべきであるという同位相条件である。完全なレンズ条件を満たすために、従来の反射レンズ１２の表面形状は、被写体の１点から散在した全ての光が映像面の１点に集光され、全ての集束光の光学距離が同じであるように形成される。
【００８５】
図２は軸対称のマイクロミラー・アレイレンズ２１の平面を示す。マイクロミラー２２は鏡と同じ機能を有する。したがって、マイクロミラー２２の反射面は、金属、金属化合物、多重構造の誘電性材料、もしくは他の高反射率材料から作られている。マイクロ加工プロセスは反射率の高い表面を作るものとして良く知られている。それぞれのマイクロミラー２２は、作動コンポーネント２３によって静電気的におよび／または電磁的に制御されることが知られている。軸対称レンズの場合、マイクロミラー・アレイレンズ２１はマイクロミラー２２の極配置を持っている。それぞれのマイクロミラー２２は、光学的な能率を向上させる効果的な反射領域を増やすため扇形をしている。マイクロミラーは軸対称レンズを形成するため、１つまたは複数の同心円を形づくるように配置されている。同じ同心円上のマイクロミラーは、同じ電極によって作動するか、またはＭＯＳ、ＣＭＯＳなどのよく知られた半導体超小型電子技術によって独立して制御される。各反射マイクロミラー２２を支える機械構造と作動コンポーネント２３は、効果的な反射領域を増加させるために、マイクロミラー２２の下に位置する。マイクロミラーを作動する各制御回路は、ＭＯＳ、ＣＭＯＳなどのよく知られた半導体超小型電子技術によって置き換えることができる。さらに、制御回路は、米国特許出願第１１／０７２，２９６号明細書に記載の少なくとも１つのワイヤ層によって作ることが可能である。
【００８６】
マイクロミラーアレイの下に超小型電子技術回路を適用し、作動電力を供給するための電極パッドおよびワイヤに必要な領域を取り除くことにより、効果的な反射領域は増加することができる。
【００８７】
図３は、どのようにしてマイクロミラー・アレイレンズ３１が画像を作るかを示す。任意の散乱光３２、３３は、マイクロミラー３４の位置を制御することによって、映像面の１点Ｐに集光される。任意の光３２、３３の位相は、マイクロミラー３４の並進によって調節することが可能である。必要な並進による移動は、少なくとも光の波長の半分である。各マイクロミラー３４は湾曲していることが望ましい。なぜならば、従来の反射レンズ１２の理想的な形状は湾曲しているからである。平面マイクロミラーのサイズが十分に小さい場合、平面マイクロミラー３４を含むレンズの収差も十分に小さくなる。この場合、マイクロミラーには湾曲していなくてもよい。マイクロミラー・アレイレンズ３１の焦点距離は、それぞれのマイクロミラー３４の回転と並進を制御することにより変えることができる。
【００８８】
視覚角度（もしくは走査装置の走査角度）が0度の平行光線は、放物線面により1点に集光する。ところで、実際の光学システムは、視野（もしくは走査範囲）において連続的な視覚角度（もしくは走査角度）を必要とする。したがって、求められている表面は、通常の多項式関数による簡単な放物線ではない。連続的な視野（もしくは走査角度）にとって最適な表面は、一般的に光学シミュレーションソフトによって得ることができる。図１に説明されるように、最適な表面は、フレネルレンズの原理を用いたマイクロミラーアレイによって形成される。
【００８９】
今日、ＭＭＡＬの各マイクロミラーの最適な回転と並進を得る光学ソフトはない。したがって、各マイクロミラーの回転と並進は、光学シミュレーションソフトによって得られた最適な非球面の機能から計算されるべきである。
【００９０】
図４は、軸対称の反射面の一部が再生成するマイクロミラーを示す。非球面４１は、以下の式で表すことができる。
ｚ＝ｆ（ｒ）
ｚは非球面４１の側面である。ｒは円筒型座標システムの半径要素である。
【００９１】
マイクロミラー４２の回転（θ）は、ｚの勾配（ｄｚ／ｄｒ）から計算することができる。非球面４１によって反射される光線４３の方向は、マイクロミラーによって反射される光線４４の方向と同じである。なぜなら、点Ｐにおける非球面のｒ方向の勾配は、マイクロミラー４２の回転によって再生成されるからである。
【００９２】
非球面が軸対称でない場合、次式で示すことができる。
ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）
ｚは、非球面の側面であり、ｘおよびｙは面内座標である。
【００９３】
この場合、ｘ方向およびｙ方向に回転する、回転２自由度が必要である。
【００９４】
【数１】
2009503590.tif 000003
【００９５】
【数２】
2009503590.tif 000004
【００９６】
マイクロミラー４２は、マイクロ加工プロセスによって加工されているので、それらは、図４に示す平面４５に配置されている。それゆえ、非球面によって反射された光線の光学距離は、マイクロミラー４２によって反射された光線の一つとは異なる。光学距離の違いは、非球面とマイクロミラーとの間の高さΔｚの違いによって生じる。これは、次式で示される。
ＯＰＤ＝２×Δｚ
ＯＰＤは、光学距離である。
【００９７】
集束光のＯＰＤが異なるとしても、２つの光の位相は、ＯＰＤを波長のｍ倍に合わせることによって一致させることができる。なぜなら、光の位相は周期的であるからである。ここで、ｍは、整数である。
【００９８】
図５は、Ｕ形状５１およびＷ形状５２の２つの非球面の例を示している。これらは、図５に示す、ＭＭＡＬ５３によって再生成される。
【００９９】
図６は、二重焦点距離ＭＭＡＬ６１を示している。異なる焦点距離を持つ２つの非球面６２，６３は、１つのＭＭＡＬ６１に対して再生成される。複数の焦点距離ＭＭＡＬもまた１つのＭＭＡＬに生成可能である。
【０１００】
図７は、マイクロミラー７１の回転２自由度および並進１自由度を示している。独立して制御される、回転２自由度７２，７３および並進１自由度７４を持つマイクロミラー７１を含むアレイは、任意の非球面を作ることができる。入射光は、任意の非球面を作ることによって任意に調整することができる。このために、回転２自由度７２，７３の制御によって入射光が任意の方向へ屈折される必要がある。それぞれのマイクロミラーの独立並進も位相条件を満たす必要がある。
【０１０１】
図８ａ，８ｂ，９，１０において、マイクロミラーの回転量および回転方向は、矢印８２の長さによって表される。マイクロミラーの回転を表す側面勾配方向は、矢印８２の方向によって表される。図８ａは、六角形のマイクロミラー８１を含む焦点距離が可変な円筒型レンズを示している。図８ｂは、六角形のマイクロミラー８１を含む焦点距離が可変な円形レンズ８３を示している。焦点距離が可変な円形レンズ８３の形状、位置、およびサイズは、２つのＤＯＦ回転および１つのＤＯＦ並進の独立した制御によって変えることができる。図８ｂおよび図１０において、レンズの要素ではないマイクロミラー８５は、画像または焦点に影響の無いマイクロミラー８５によって反射された光の生成を制御される。
【０１０２】
図８ａ−８ｂは、六角形のマイクロミラー８１を示しているが、扇形、長方形、正方形、および三角形のマイクロミラーアレイを用いることができる。扇形のマイクロミラーを含むアレイは、軸対称のレンズに適している。図９は、長方形マイクロミラー９２を含む焦点距離が可変な円筒型レンズ９１を示す。正方形あるいは長方形マイクロミラー９２を含むアレイは、円筒型レンズ９１のような面内の軸に対して対称性を持つレンズに適している。回転が同じマイクロミラーは、同じ電極によって作動するか、もしくはＭＯＳまたはＣＭＯＳなどの良く知られた半導体によって独立して制御される。
【０１０３】
図１０は、三角形のマイクロミラー１０２を含む焦点距離が可変な円形のレンズ１０１を示す。三角形マイクロミラー１０２を含むアレイは、六角形マイクロミラーを含むアレイなどの任意の形状および／またはサイズのレンズに適している。
【０１０４】
マイクロミラー・アレイレンズは、能動光学素子である。なぜなら、マイクロミラーの並進７４と回転７２、７３を独立して制御することにより、光の位相を変えることができるからである。能動光学マイクロミラー・アレイレンズは、個別にアドレス可能なマイクロミラーの二次元アレイを必要とする。これを得るためには、マイクロミラーをオンチップ電子技術と組み合わせる必要がある。こうするためには、良く知られた超小型電子技術回路によるマイクロミラーのウエハレベルの集積化が必要となる。
【０１０５】
マイクロミラー・アレイレンズは、位相誤差を補正することができる。これは、能動光学素子が、被写体と映像の間にある媒体による光の位相誤差を補正できること、および／または、映像を近軸像の基準からずらすレンズシステムの異常を補正することができるからである。たとえば、マイクロミラー・アレイレンズは、マイクロミラーの、並進７４および回転７２、７３を調整することにより、光学傾斜による位相誤差を補正することができる。
【０１０６】
マイクロミラー・アレイレンズによって満たされる同位相条件は、単色光であるという条件を含む。したがって、カラー画像を得るために、マイクロミラー・アレイレンズは、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）の各波長の同位相条件をそれぞれ満たすように制御される。さらに画像システムは、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）の波長で単色光を作るために、バンドパス・フィルタを用いることができる。
【０１０７】
光電子センサが、マイクロミラー・アレイレンズを用いた画像化システムにおいて画像センサとして利用される場合、カラー画像は、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）の画像センサからの電気信号の処理によって取得される。このとき、バンドパス・フィルタは利用してもしなくてもよい。バンドパス・フィルタは、マイクロミラー・アレイレンズの制御と同期されるべきである。被写体から散在した赤色光を画像化するためには、マイクロミラー・アレイレンズが赤色光の位相条件を満たすように制御される。その操作の間、赤色、緑色、および青色の画像センサは、被写体から散在した赤色、緑色、および青色の各光の強度を測定する。それらのうち、赤色光の強度だけが画像データとして記憶される。これは、赤色光だけが適切に画像化されるからである。緑色または青色のそれぞれの光を画像化するために、マイクロミラー・アレイレンズおよび各画像センサが、赤色光の処理と同じ方式で作動する。
したがって、マイクロミラー・アレイレンズは、赤色、緑色、および青色の画像センサと同期している。あるいは、カラー画像の同位相条件は、赤色、緑色、および青色の波長の最小公倍数を位相条件に効果的な波長として用いることにより、満たされる。
この場合、マイクロミラー・アレイレンズは赤色、緑色、および青色の各光の位相条件を満たすように制御される必要はない。代わりに、波長の最小公倍数の位相条件が満たされているべきである。
【０１０８】
より単純な制御では、各マイクロミラーの並進だけが赤色、緑色、および青色の光のうちの一つの光の位相条件を満たすように制御されるか、もしくは、赤色、緑色、および青色以外のいななる光の位相条件をも満たすようには制御されない。
マイクロミラー・アレイレンズは光の異位相誤差による多重波長の位相条件を満たすことはできないが、それでもレンズは低品質な焦点距離が可変なレンズとして利用することができる。
【０１０９】
図１１は、自由表面１１０を持つＭＭＡＬを使用した画像システムを示す。画像システム１１１は、自由表面を持つＭＭＡＬを使用した光学システムの一例である。図１１に示すように、ＭＭＡＬは反射レンズであるため、ＭＭＡＬは、通常、センサ１１４に光が屈折されるように、傾斜をもって配置される。
従来の屈折レンズ１１２は光学軸１１３に対して垂直になるように配置される。しかし、ＭＭＡＬ１１０がX軸に対する回転として位置づけられると、ＭＭＡＬの表面の断面はY軸対称にしかならない。
【０１１０】
所定の自由表面は非球面を含む。
【０１１１】
以上、種々の実施形態を参照して本発明を示して記載したが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神と範囲から逸脱しなければ、当業者は、形状、細部、構成、および操作において変更を施すことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】フレネルレンズとマイクロミラー・アレイレンズの原理を示す図である。
【図２】軸対称のマイクロミラー・アレイレンズを示す平面図である。
【図３】どのようにしてマイクロミラー・アレイレンズが画像を作るかを示す図である。
【図４】軸対称の反射面の一部を再生成するマイクロミラーを示す図である。
【図５】非球面の２つの例、Ｕ型とＷ型を示す図である。
【図６】二重焦点距離ＭＭＡＬの図である。
【図７】マイクロミラーの回転２自由度と並進１自由度を示す図である。
【図８ａ】六角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円筒型レンズの図である。
【図８ｂ】六角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円形レンズの図である。
【図９】長方形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円筒型レンズの図である。
【図１０】三角形マイクロミラーを含む焦点距離が可変な円形レンズの図である。
【図１１】自由表面を持つＭＭＡＬを使用した投影システムの図である。
【図１】
2009503590.tif 000005
【図２】
2009503590.tif 000006
【図３】
2009503590.tif 000007
【図４】
2009503590.tif 000008
【図５】
2009503590.tif 000009
【図６】
2009503590.tif 000010
【図７】
2009503590.tif 000011
【図８ａ】
2009503590.tif 000012
【図８ｂ】
2009503590.tif 000013
【図９】
2009503590.tif 000014
【図１０】
2009503590.tif 000015
【図１１】
2009503590.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月26日(2008.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロミラーを含み、マイクロミラーの回転２自由度および並進１自由度の制御によって、所定の自由表面を再生成する、マイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２】
前記レンズの前記所定の自由表面は、マイクロミラーの回転２自由度および並進１自由度の制御によって変化する、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項３】
前記レンズの前記所定の自由表面は、固定されている、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項４】
マイクロミラーの前記回転量および回転方向は、前記所定の自由表面の勾配によって決定される、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項５】
各マイクロミラーの並進は、同位相条件を満たすように制御される、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項６】
前記マイクロミラーは、平面上に配置されている、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項７】
前記マイクロミラーは、扇形、六角形、長方形、正方形、および三角形から成るグループから選択された形状を有している、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項８】
さらに、制御回路を備えており、
前記マイクロミラーは、前記制御回路によって制御される、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項９】
前記制御回路は、半導体超小型電子技術を用いて前記マイクロミラーの下に設けられている、請求項８に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１０】
前記マイクロミラーは、静電力によって作動する、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１１】
前記マイクロミラーは、電磁力によって作動する、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１２】
さらに、機械構造を備えており、
前記マイクロミラーは、前記機械構造によって支えられている、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１３】
前記マイクロミラーを支える前記機械構造および作動部品は、マイクロミラーの下に配置されている、請求項１２に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１４】
前記マイクロミラーは、独立して制御される、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１５】
前記マイクロミラーは、反射面を備えている、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１６】
前記マイクロミラーは、高反射率の材料から作られている反射面を備えている、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１７】
前記高反射率の材料は、金属、金属部品、および多層構造の誘電体材料から成るグループから選択される、請求項１６に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１８】
前記反射面は、誘電体コーティングによって保護されている、請求項１６に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項１９】
空間光変調器を形成しており、マイクロミラーは独立して制御される、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２０】
前記空間光変調器は、収差を補正する、請求項１９に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２１】
表面形状は、軸に関して対称である、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２２】
画像装置に用いられる、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２３】
前記画像装置は、光学ズームの機能を有している、請求項２２に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２４】
前記画像装置は、オートフォーカスの機能を有している、請求項２２に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２５】
三次元表示装置に用いられる、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２６】
二次元投影表示装置に用いられる、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【請求項２７】
三次元画像装置に用いられる、請求項１に記載のマイクロミラー・アレイレンズ。
【国際調査報告】
2009503590.tif 000017
2009503590.tif 000018