(57)【要約】  光学システム（５０）は、光学表面（８２Ａ）を有する磁性流体（８２）の層を備える。磁性流体は、表面が反射性である第１の状態と、表面が非反射性である第２の状態とを有する。磁気アクチュエータ（７０）が、磁性流体に選択的に磁界をかけて、流体を第２の状態にさせる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露出した表面（８２Ａ）を有する磁性流体（８２）の層であって、
前記磁性流体は、前記表面が反射性である第１の状態と、前記表面が非反射性である第２の状態とを有する、磁性流体の層と、
前記磁性流体に選択的に磁界をかけて、前記流体を前記第２の状態にさせるための磁気アクチュエータ（７０）と、
を備えることを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記磁界をかけるために、前記磁気アクチュエータに制御信号を与えるための制御回路（８８）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記磁性流体の前記表面に照射される光の光源をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記磁気アクチュエータは、磁性コア（７２）と、導電性材料から形成されるコイル（７４Ａ〜７４Ｅ）とを有する電磁石を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の光学システム。
【請求項５】
前記磁性流体の層から離隔して配置される透明なカバー（８０）をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の光学システム。
【請求項６】
基板（６０）をさらに備え、前記磁気アクチュエータは前記基板上に形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の光学システム。
【請求項７】
請求項１に記載の光学システムのアレイを含む光スイッチアレイであって、
基板（６０）と、
前記基板上に形成される前記磁気アクチュエータ（７０）のアレイと、
前記基板上の前記磁気アクチュエータのアレイから離隔して配置される透明なカバー（８０）と、
前記磁性流体の表面と前記透明なカバーとの間にある空気ギャップ又は真空ギャップ（８４）と、
をさらに備えることを特徴とする光スイッチアレイ。
【請求項８】
前記アレイを構成する磁気アクチュエータを選択的に起動するために、前記磁気アクチュエータのアレイに制御信号を与えるための制御回路（１３０）をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光スイッチアレイ。
【請求項９】
前記アレイの表面に照射される光の光源（２１０）をさらに備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の光スイッチアレイ。
【請求項１０】
前記磁気アクチュエータはそれぞれ、導電性材料から形成されるコイル（７４Ａ〜７４Ｅ）及びコア構造（７２）を備える電磁石であることを特徴とする請求項７から９のいずれか一つに記載の光スイッチアレイ。
【請求項１１】
前記電磁石はそれぞれ、幅が約１００ミクロン、長さが約１００ミクロンであることを特徴とする請求項１０に記載の光スイッチアレイ。
【請求項１２】
請求項８に記載の光スイッチアレイを含むことを特徴とする空間光変調器。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光スイッチアレイを含む光学プロジェクタであって、
光ビームを生成するための光源（２１０）と、
前記光源と前記光スイッチアレイとの間に配置される色域フィルタ（２２０）であって、前記光スイッチアレイは、前記色域フィルタを通る光が前記光スイッチアレイからディスプレイ画面に反射されるように配置される、色域フィルタと、
をさらに備えることを特徴とする光学プロジェクタ。
【請求項１４】
光ビームを磁性流体（８２）の表面（８２Ａ）に照射することであって、前記磁性流体は、その表面が反射性で前記光ビームを反射する第１の状態と、その表面が非反射性である第２の状態とを有する、光ビームを照射することと、
前記磁性流体に選択的に磁界をかけることであって、それによって、前記流体を前記第２の状態にさせて、前記磁性流体の表面から反射される部分の前記光ビームの強度を変調する、選択的に磁界をかけることと、
を含むことを特徴とする光ビームを変調するための方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光通信及びディスプレイシステム等の応用形態では、光スイッチング及び空間光変調が必要とされる。小さなミラーから成る複雑なアレイを用いる従来の技法は、製造するのが難しく、結果として歩留まりが低く、製品の価格が高くなっていた。
【発明の開示】
【０００２】
製造するのが簡単であり、可動機械部品を含まない光スイッチ及び空間光変調器のような光学システムが必要とされている。
【０００３】
本開示の特徴及び利点は、以下に記載される詳細な説明を、添付の図面と合わせて読むことによって当業者には容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
磁性（ＭＲ）流体は、磁界によって分極可能な粒子及び液体キャリアを含む。ＭＲ流体は磁界に応答し、磁界によって分極可能な粒子が分極され、粒子鎖へと組織化される。そのような鎖は流体の粘性を高める。磁界が存在しない場合、粒子は組織化されない状態であり、ＭＲ流体は、磁界をかけられるときよりも低い粘性を有する。
【０００５】
図１及び図２は、本発明の１つの例示的な実施形態、すなわち光スイッチアレイ又は空間光変調器として用いることができるシステム５０の概略的な断面図を示す。そのシステムは、基板６０の上側表面６２上に製造され、その基板として、シリコン、ガラス又はプラスチックのような、その上に薄膜を堆積することができる任意の材料を用いることができる。１つ又は複数のトランジスタ起動式電磁石７０が基板上に設けられる。反射性表面８２Ａを有するＭＲ流体８２が、電磁石のアレイと透明なカバー８０との間に挟まれる。カバーは、透明な材料、たとえばガラス又はプラスチックから製造することができる。反射性表面８２Ａとカバーの下側表面８０Ａとの間に空気ギャップ又は真空ギャップ８４が設けられる。反射性表面８２Ａとカバーの下側表面８０Ａとの間の間隔は、以下に説明されるように、電磁石７０を起動することによって引き起こされるＭＲ流体８２の表面の凹凸の大きさと少なくとも同程度の大きさである。
【０００６】
この例示的な実施形態では、電磁石７０はウェーハ製造法を用いて形成され、概ね１００ミクロン×１００ミクロンで形成することができる。その電磁石は、磁性材料、たとえば１つの例示的な実施形態では、スーパーマロイ（７９％ニッケル、１５％鉄、５％モリブデン）から成るコア７２を備える。コア７２を取り囲んで、銅のような導電性材料からなる一連の導電性コイル７４Ａ〜７４Ｅが連続した層として形成され、それらの層はそれぞれ絶縁体層によって分離される。絶縁体層のために適した１つの例示的な材料は、スピンコーティング技法を用いて被着されるビスベンゾシクロブテンである。それらのコイルは、各コイル層において半巻きで形成され、コイル層間を貫通する導電性バイアによって直列に接続されて、磁石コイル７４が形成される。上側コイル７４Ｅの端部は、位置合わせされた一連のバイアによって形成されるグランド導体７６に接続される。各コイルの中央端子及び外部端子は、基板内に形成される垂直な導電性バイアによって、トランジスタスイッチ回路が形成される埋込層に接続される。１つの例示的な実施形態では、コア７２及びコイル７４は、基板上に正方形又は長方形の形状を有するが、代わりに他の構成を用いることができる。正方形の形状は、基板上にマイクロ電磁石のアレイを形成するのに適している。電磁石を形成するための例示的な技法は、当該技術分野において知られており、たとえば、S. Chowdhury他著「MEMS Acousto-Magnetic Components for use in a Hearing Instrument」（SPIE Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS, May 9-11, 2000, Paris, France）を参照されたい。
【０００７】
グランド導体７６は、線７５によって概略的に示されるように、グランドに接続される。コイル７４Ａの端部は、線８７及びスイッチ８８によって概略的に示されるように、トランジスタスイッチを通して電圧源に接続される。スイッチ５０の１つの例示的な実施態様では、トランジスタスイッチは、コイル及びコアの下にある埋込層構造内に形成される。
【０００８】
ＭＲ流体８２は電磁石の表面にわたって均等に広げられ、透明なカバー８０によって閉じ込められる。壁構造（図示せず）を用いて、側面の閉じ込め構造を設けることができる。この例示的な実施形態では、ＭＲ流体はカルボニル鉄粒子８２Ｂを含む。トランジスタスイッチ８８に電流を流すことによって電磁石７０が起動されるとき、図２の磁力線９０によって示されるように、磁界が形成され、電磁石の直ぐ上にあるＭＲ流体は自己組織化し、それにより表面の凹凸が引き起こされる。電磁石上にある流体は暗く、非反射性になる。これは図２に示されており、電磁石７０上にあるエリア８２Ｃは粗くされる。また図２は、隣接する電磁石も示しており、電磁石のアレイが形成される。グランド線及びトランジスタスイッチは図２には示されない。ＭＲ流体の表面上に光を照らすことによって、光を能動的に反射又は吸収することができる。こうして、システム５０は、光ビームを変調するための光スイッチ又は光変調器として用いることができ、それは、表面が反射性であり、光ビームを反射する第１の状態と、表面が非反射性である第２の状態とを有する磁性（ＭＲ）流体の表面上に光ビームを照射することによって用いることができる。ＭＲ流体に磁界を選択的にかけて流体を第２の状態にさせることによって、ＭＲ流体の表面から反射される部分の光ビームの強度を変調することができる。
【０００９】
所与の応用形態のためのシステムの特定の構成は、応用形態の要請によって決まるであろう。変数には、カルボニル鉄粒子のサイズ、流体粘度、流体層の厚み、流体と電磁石との近さ、電磁石コイルの巻き数、コイルと強磁性コアとの近さ、マイクロ電磁石コイルの中の電流、並びに、磁石コア、コイル及び絶縁性材料のために用いられる材料が含まれる。
【００１０】
磁界の強度を高めるために、１つの層内の同心コイルの数を増やすことによって、又は重ねられるコイル層の数を増やすことによって、又はその２つの組み合わせによって、強磁性コアを取り囲むコイル内に、さらに多くの巻き数を作り出すことができる。また磁界の強度は、電磁石のコイルの中に流れる電流を増やすことによっても高めることができる。カルボニル鉄粒子への磁界の影響を高めるために、粒子のサイズを小さくし、それにより慣性を小さくすることができ、又は流体の粘度を小さくすることができ、又はその組み合わせを用いることができる。流体を電磁石に近づけるほど、カルボニル鉄粒子への磁界の影響が大きくなる。
【００１１】
図３は、各層において電磁石の複数のコイルが同心のコイルとして巻かれる、システム５０’の一実施形態を示す。したがって、導体線７３はコイル構造の高電圧側に繋がり、各層は複数の同心コイル部分を有する。たとえば、１つの層内に、同心コイル部分７４Ａ１〜７４Ａ４が形成され、図１及び図２の実施形態よりも磁界が高められる。
【００１２】
マイクロ電磁石素子には、そのサイズ及び実装密度に影響を及ぼすことになる得失の問題があるであろう。たとえば、コアを取り囲んで、コイルが同心の環状に巻かれる場合には、単一のコイルとして重ねられる場合よりも大きな面積を占めるであろう。複数のコイル層を製造するコストは、電磁石が有することができる積層数に上限を課すことになる。また、マイクロ磁石コイルが、過熱も溶融もせずに耐えることができる最大電流もある。
【００１３】
図４〜図６Ｂは、本発明の１つの例示的な実施形態を示しており、光スイッチアレイ又は空間光変調器として用いることができるシステム１００を示す。そのシステムは、図１及び図２のシステムに関して先に説明されたように、基板６０の上側表面６２上に製造される。スイッチ起動式の電磁石７０のアレイが基板上に形成される。１つの例示的な実施形態では、電磁石はそれぞれ、名目上１００ミクロン×１００ミクロンの面積を覆う。反射性表面８２Ａを有するＭＲ流体８２が、電磁石のアレイと透明なカバー８０との間に挟まれる。システム１００は、光スイッチ素子１１０のアレイを備える光スイッチ／空間光変調器を形成し、各光スイッチは電磁石７０のうちの１つによって起動される。アレイの表面上に光を照射することによって、各電磁石素子（ピクセル）において光を能動的に反射又は吸収することができる。コリメートされた光を用いることが好ましいが、高輝度の集束光を用いることもできる。この実施形態では、光スイッチ素子は行及び列に配列される。
【００１４】
図５はシステム１００の動作を示しており、大部分の光スイッチ素子は起動されていないが、いくつかのスイッチ素子が起動されている。スイッチのうちの起動されていないスイッチはスイッチ又はピクセル１１０Ａを付されており、起動されているスイッチ又はピクセルはスイッチ１１０Ｂを付されている。ピクセル１１０Ａの表面は反射性であり、ピクセル１１０Ｂの表面は暗く、非反射性である。
【００１５】
図６Ａは、１つの例示的な光スイッチセル１１０を起動するための１つの例示的なトランジスタ制御回路１２０を示す。その回路は、スイッチ素子として動作するように構成されるトランジスタ８８を含み、ゲートが抵抗１２４を通してゲート端子１２６に接続されており、ゲート端子には制御信号が加えられる。トランジスタのソースは、ノード１２８において、正の電圧源に接続される。トランジスタのドレインは、電磁石７０を通して、グランドに接続される。したがって、電磁石の一方の端子はトランジスタに接続され、他方の端子はグランドに接続される。適当な電圧レベルの制御信号を加えることによって、トランジスタ８８はオンに切り替えられ、すなわち導通し、電圧源から電磁石を通ってグランドまで電流を流すことができる。起動用の制御信号がない場合には、トランジスタはオフに切り替えられ、すなわち導通しなくなり、電磁石の中に電流は流れない。
【００１６】
回路１２０を複製して、光素子のアレイを駆動するための複数のトランジスタスイッチ回路を作製することができる。図６Ｂはスイッチ回路１４０を示しており、スイッチ回路１４０は、図１のシステムを含む複数の光スイッチ１１０の対応する電磁石７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを制御するように構成される複数のスイッチ回路１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを備える。システムコントローラ１３０が、回路１２０Ａを制御する制御信号１、回路１２０Ｂを制御する制御信号２及び回路１２０Ｃを制御する制御信号３を含む、トランジスタ回路を選択的に起動するための制御信号を生成する。システムコントローラ１３０及びスイッチ回路１４０は、それぞれのトランジスタスイッチの中に電流を流すことによって、電磁石のアレイの個々の電磁石を選択的に起動するための手段を提供し、それにより、起動された電磁石の直ぐ上にあるＭＲ流体が自己組織化し、暗くなり、非反射性になる。代わりに、他のスイッチ回路を用いることもできる。そのスイッチ回路は一般的には、電磁石のアレイとともに集積回路内に、たとえば基板上に形成される１つ又は複数の回路層内に実装されるであろう。
【００１７】
システム１００のための１つの例示的な応用形態はデジタルプロジェクタシステム、すなわち各ピクセルがオン又はオフのいずれかであるディスプレイシステムである。プロジェクタシステム２００の１つの例示的な実施形態が図７及び図８に例示される。図７は概略的な等角図であり、図８は制御システムの概略的なブロック図である。システム２００は光源２１０、たとえば高輝度水銀ランプを含む。その光源から放射される光ビーム２１２は色域フィルタ２２０の中に通され、そのフィルタは、時分割して赤色光、緑色光及び青色光を順に通す。フィルタ２２０には、たとえば、中央軸を中心にして回転する、回転式の赤−緑−青（ＲＧＢ）フィルタを用いることができる。フィルタの周辺部は３つの弧状の部分、すなわち赤部分、緑部分及び青部分を有する。光ビーム２１２が赤部分を通っているときには、フィルタを通る光は赤になり、光ビーム２１２が緑部分を通っているときには緑になり、光ビーム２１２が青部分を通っているときには青になるであろう。この例示的な実施形態では、各フィルタ部分は１２０°の弧を画定する。
【００１８】
フィルタに通された光ビーム２２６はレンズ２３０の中に通され、そのレンズは出力ビーム２３２をシステム１００の表面上に合焦する。その光は、図５に関して先に説明されたようにして、システム１００のピクセルによって反射／吸収され、ディスプレイ出力光ビーム２４２が生成され、そのビームがさらにディスプレイ出力画面２４０に入射する。個々のピクセル又は光スイッチの状態は、画面２４０上での動的な表示を生成するために、動的に変化している。
【００１９】
図８は、システム２００の簡略化された制御ブロック図である。システムコントローラ２５０が、光源２１０及びフィルタ２２０を含む色発生器２１５と、空間光変調器システム１００とを制御する。そのコントローラは、一例として、マイクロコンピュータを含むことができる。したがって、コントローラは、適当な制御信号を与えることにより、フィルタ２２０を空間光変調器の動作と同期させて、たとえば、ピクセルが画像の赤成分のために起動されているときには、赤色光がその変調器を照明するようにし、それ以外の色でも同様にする。１つの例示的な応用形態の場合、色毎に毎秒少なくとも３０フレームが存在し、すなわち表色系のために毎秒少なくとも９０フレームが存在するであろう。これらは、ディスプレイの技術分野において、よく知られている技法である。
【００２０】
上記の実施形態は、本発明の原理を表すことができる実現可能な具体的な実施形態の例示にすぎないことを理解されたい。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、これらの原理に従って、当業者は他の構成を容易に考案することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光スイッチ又は空間光変調器として用いることができる、本発明の１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図２】励磁された状態の電磁石を示す、図１のスイッチの図である。
【図３】各層において電磁石の複数のコイルが同心のコイルとして巻かれる、本発明による光スイッチの一実施形態を示す図である。
【図４】光スイッチアレイ又は空間光変調器として用いることができる、本発明によるシステムの１つの例示的な実施形態の簡略化された等角図である。
【図５】起動されているいくつかの例示的な光スイッチ素子を示す、図４のシステムの等角図である。
【図６Ａ】図４及び図５のシステムを含む光スイッチ素子のためのトランジスタスイッチ回路の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図６Ｂ】図４及び図５のシステムを含む複数のスイッチ素子を制御するためのトランジスタスイッチ回路の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図７】図４〜図６Ｂのシステムを利用するプロジェクタシステムを示す図である。
【図８】図７のプロジェクタシステムの制御システムの概略的なブロック図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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