(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンプロジェクタと、
カメラと、
モバイル機器ドライバ／インターフェースと
を備える３次元奥行取得システムであって、
前記プロジェクタ、前記カメラおよび前記ドライバ／インターフェースがモバイル電子機器の中に統合され、
前記プロジェクタが、デジタル直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器および１次元だけに空間変化を含む２次元画像を投影するレンズシステムを含み、
前記ＭＥＭＳリボン光変調器が、前記ドライバ／インターフェースからデジタル電子信号によって駆動され、カメラによって測定される場合、パルス密度変調光信号が正弦波時間変化を有するよう、前記デジタル電子信号が、時間的周期を有する正弦波のパルス密度変調表示を表わす、３次元奥行取得システム。
【請求項２】
前記カメラが、前記正弦波の一時的期間ごとに３回前記２次元画像をサンプリングする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記３つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記カメラが、前記正弦波の一時的期間ごとに４回前記２次元画像をサンプリングする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記４つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記パルス密度変調が、少なくとも６４回で前記正弦波のオーバサンプリングを表示する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記デジタル電子信号が、サーキュラメモリバッファの中に記憶される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記２次元画像が、前記メモリバッファの中に相対的オフセットによって選択される空間周波数を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記アレイ内の隣接する可動リボン向けの信号が、前記メモリバッファの中のオフセットメモリアドレスから得られる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記カメラから観察される場合、前記画像が正弦波一時的強度変化を含むように見えるように、前記カメラが統合時間を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記デジタル電子信号が、ＣＭＯＳ論理レベルに適合する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記デジタル電子信号が、擬似バイポーラＭＥＭＳ駆動スキームに従う、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記デジタル電子信号が、リボン非線形変位特性を利用するために連続的に加えられるＤＣバイアス電圧および低電圧リボン制御信号を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器が、Ｎ個の可動リボンおよびＫ個の指定行を含み、ＮがＫの整数倍である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記画像が、空間期間のＮ／Ｋサイクルを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記カメラが、ローリングシャッタＣＭＯＳカメラである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記カメラが、グローバルシャッタカメラである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記パターンプロジェクタが、ダイオードレーザ赤外線光源を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記パターンプロジェクタが、赤外線発光ダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記パターンプロジェクタおよびカメラが、コモンタイミング信号を共有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記パターンプロジェクタおよびカメラが、１００％未満の作動デューティーサイクルを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記パターンプロジェクタが、３ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの体積、またはそれより小さい体積の中に嵌る、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに奥行データを提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、新しいカメラサンプルの有限インパルス応答フィルタ機能に基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記モバイル電子機器が、携帯電話である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記モバイル電子機器が、タブレットコンピュータである、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記パターンプロジェクタはオブジェクトに対して２次元画像を投影するように配置され、前記カメラは前記オブジェクトにおける前記２次元画像を取得するように配置され、
前記カメラは統合時間を有し、デジタル電子信号の各々がカメラの統合時間よりも短いデジタル変調時間を有し、その結果、カメラで見たとき、各パルス密度変調デジタル電子信号による前記ＭＥＭＳリボン光変調器の駆動から生じる、前記ＭＥＭＳリボン光変調器による光のデジタル一時的強度変調が正弦波の一時的強度変調として現れる、請求項１に記載の３次元奥行取得システム。
【請求項２８】
デジタル電子信号毎に一つの列を有し、デジタル電子信号のデジタル変調時間毎に一つの行を有するサーキュラメモリバッファ内に、前記デジタル電子信号が記憶されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記２次元画像は、各デジタル電子信号の間に相対的なオフセットを導入するよう、各列の異なる行を読むことで選ばれる空間周波数を有する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
各列に記憶されているデジタル電子信号は同一であるが時間においてオフセットされており、時間におけるオフセットの値は、前記２次元画像の１次元の空間変化を規定する、請求項２８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連技術の相互参照]
本出願は、２０１４年３月２６日に出願された米国特許第１４／２２６，５１５号明細書に対して優先権を主張し、その恩恵を主張するものであり、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
本開示は、３Ｄ奥行取得システムに関し、特にモバイル電子機器の中に統合するために適する３Ｄ奥行取得システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元（３Ｄ）奥行取得システムは、従来の写真術を３次元に拡大する。従来のカメラから獲得される２Ｄ画像は、各（ｘ，ｙ）ピクセルで色彩および輝度を示すが、一方、３Ｄ奥行センサから獲得される３Ｄ点群は、各（ｘ，ｙ）ピクセルでオブジェクト表面までの距離（ｚ）を示す。したがって、３Ｄセンサは、第３の空間寸法ｚの測定を提供する。
【０００３】
３Ｄシステムは、遠近法、相対的な寸法、包蔵、生地、肌理および奥行を感じるための他の手がかりに依存せずに、直接的に奥行情報を取得する。直接的（ｘ，ｙ，ｚ）データは、画像データのコンピュータ解析のために特に有益である。オブジェクトの測定された３Ｄ座標は、例えば、オブジェクトの複製を生成するために３Ｄプリンタに送信され得る。人間の顔の測定された３Ｄ座標は、コンピュータ顔認証アルゴリズムの正確さを改善し、光の変化に起因する誤差を低減することができる。
【０００４】
３Ｄ奥行取得用の多くの技術が存在するが、しかし、これまでに最も成功した２つは飛行時間手法および立体照明手法である。飛行時間は、光が３Ｄ奥行取得システムからオブジェクトまで進み、かつ戻るための往復時間を測定することに基づいている。オブジェクトが遠く離れているほど、往復時間はより長くなる。立体照明は、光パターンをオブジェクトに投影し、プロジェクタから離れた観点からパターンを観察することに基づいている。例えば、顔に投影される平行な縞のパターンが、プロジェクタから離れた位置から観察される場合、歪んで見える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在の３Ｄ奥行取得システムは、携帯電話、タブレットコンピュータなどのモバイル電子機器の中に統合されるために十分に小さくない。いくつかのシステムは、タブレット上に取り付け可能なセンチメータスケールの格納装置の中にパッケージにされてきた。しかし、３Ｄ奥行取得システムをモバイル機器のセンサ一式に加えることが実行可能になるために、ミリメータ規模まで小型化することが必要である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】統合型３Ｄ奥行取得システムを装備されたモバイル電子機器を示す図である。
【図１Ｂ】顔認証シナリオの中で図１Ａの機器を示す図である。
【図２】１対の眼鏡の中に統合された小型３Ｄ奥行取得システムを示す図である。
【図３】ドアフレームの中に統合された小型３Ｄ奥行取得システムを示す図である。
【図４】モバイル電子機器の中に統合された小型３Ｄ奥行取得システムの高レベルブロック図である。
【図５】小型３Ｄ奥行取得システム構成要素の概念的ブロック図である。
【図６】モバイル電子機器の中に統合するために適する小さい体積のパッケージに収納された３Ｄ奥行取得プロジェクタを示す図である。
【図７】３Ｄ奥行取得システムプロジェクタのための光学原理を示す図である。
【図８】小型３Ｄ奥行取得システムの中の電子信号および光学信号の概念的ブロック図である。
【図９Ａ】デジタルリボンデータ信号を生成するためのメモリアドレス指定方法を示す図である。
【図９Ｂ】デジタルリボンデータ信号を生成するためのメモリアドレス指定方法を示す図である。
【図１０】ＭＥＭＳリボン配線図を示す図である。
【図１１】システムバーストモード作動中の電力消費を示すグラフである。
【図１２】空間パターン位相と奥行との間の関係を示す図である。
【図１３】カメラ内の２つのピクセルで位相測定を示すグラフである。
【図１４】奥行データ更新周期を示す図である。
【図１５】小型３Ｄ奥行取得システムの出力データの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に説明される小型３Ｄ奥行取得システムは、スマートフォンおよび他のモバイル機器の中に統合され得るように設計される。モバイルアプリケーションのために必要とされる小型化は、光学パターン投影および検出技術、ならびにシステム統合概念を含む新規な立体照明サブシステムに基づく。小型３Ｄ奥行取得システムは、直線状アレイＭＥＭＳリボン光学パターンプロジェクタに基づく。システムは、相対的に簡単な計算によって、独立して各ピクセルで奥行を推定する。
【０００８】
図１Ａは、統合された３Ｄ奥行取得システムを装備されたモバイル電子機器１０５を示す。システムは、３Ｄシステムプロジェクタ１１０、３Ｄシステムカメラ１１５、および３Ｄシステムドライバ／インターフェース１２０を含む。ドライバ／インターフェースは、モバイル機器のアプリケーションプロセッサ１２５に３Ｄ性能を提供する。プロジェクタは３Ｄシステムの専用の構成要素であるが、一方、カメラは従来の写真およびビデオのためにもまた使用され得る。
【０００９】
図１Ｂは、顔認証シナリオの中で図１Ａの機器を示す。ユーザが、彼または彼女の顔１３０に装置を向ける場合、奥行取得システムは、機器から顔の表面輪郭形状までの距離を示す３Ｄの点（ｘ，ｙ，ｚ）の組を得取得する。このデータは、例えば、生体識別のための顔認証アルゴリズムの中で補助として使用され得る。
【００１０】
スマートフォン、タブレットまたは同様のモバイル機器は、その前面、後面またはさらに側面上にも３Ｄシステムプロジェクタおよびカメラを装備され得る。これらのセンサは、異なる目的のために最適化され得る。前方に向く３Ｄシステムは、電話がその所有者を腕の長さの距離で認証することを助けるために使用されることができ、一方、後方に向く３Ｄシステムは、例として、屋内ナビゲーションアプリケーションまたは状況認識アプリケーションのためのデータを提供することができる。
【００１１】
小型３Ｄ奥行取得システムプロジェクタおよびカメラは、他の種類の個人用アクセサリの中に埋設され得るように十分に小さい。図２は、１対の眼鏡２０５の中に統合された小型３Ｄ奥行取得システムを示す。図２の例では、３Ｄシステムプロジェクタ２１０および３Ｄシステムカメラ２１５が、角縁の眼鏡の対向するコーナの中に配置される。これらの構成要素は、１対の靴２２０の商標または寸法を識別するなど、オブジェクト測定および認証行動を実施するために眼鏡のつる内のプロセッサと通信することができる。
【００１２】
十分に小さく、モバイル電子機器の中に統合するためにさほど高価でない３Ｄ奥行取得システムは、多くの他の状況の中でもまた適する。例えば、図３はドアフレーム３０５の中に統合された小型３Ｄ奥行取得システムを示す。本明細書では、３Ｄシステムプロジェクタ３１０および３Ｄシステムカメラ３１５が、ドアフレームの頂部コーナに配置されるが、しかし、適切な他の取付け選択肢は多い。３Ｄ奥行取得技術を装備されるドアフレームは、人間、動物（犬３２０など）、または近くの他のオブジェクトを識別し、適切であるとしてアクセスを提供する。同様に、３Ｄ奥行取得システムは、車両の乗員を監視するために自動車のダッシュボードの中に統合され得る。自動システムが、例として自動システムが居眠りをして眠る運転者を検出する場合、ブレーキを適用することができる。
【００１３】
モバイル機器、個人用アクセサリ、固定設備、自動車または他の用途の中のいずれかの中で使用される３Ｄ奥行取得システムが、そのようなシステム用の高レベルブロック図である図４に図示される共通のシステムアーキテクチャを共有する。図４では、アプリケーションプロセッサ４０５が、３Ｄシステムドライバ／インターフェース４１０と通信する。ドライバインターフェースは、３Ｄシステムプロジェクタ４１５および３Ｄシステムカメラ４２０と通信する。アプリケーションプロセッサ４０５は、任意のプロセッサまたはグラフィック処理ユニットであることができる。例は、スマートフォン内の主アプリケーションプロセッサまたは自動車内の処理ユニットを含む。ドライバ／インターフェース、プロジェクタおよびカメラの説明および例が、以下で分かる。
【００１４】
図５は、小型３Ｄ奥行取得システム作動および構成要素の概念的ブロック図である。図５では、３Ｄシステムプロジェクタ５１０および３Ｄシステムカメラ５１５がドライバ／インターフェース５２０と協働して、３Ｄデータ表示オブジェクト５００を得る。プロジェクタ５１０は、オブジェクトに対して１次元の空間変化を含む２次元パターン５０５を投影する。カメラ５１５は、基線距離でプロジェクタから離間された観点からパターンを観察する。（基線は、パターン内の空間変化の方向に垂直である。）カメラによって記録されたパターン５２５は、オブジェクトの表面形態によって歪んで見える。
【００１５】
オブジェクト上の各点は、時間と共に正弦波強度変化を含む光によって照明されるようにカメラに出現する。カメラが、プロジェクタと関連する共通の時間を共有し、それぞれが連続的な周期的モードで作動する。カメラの周波数（毎秒カメラ周期）は、プロジェクタの一時的周波数の２倍より大きい整数倍（すなわち３、４、５倍）である。各ピクセルで、カメラは各プロジェクタ周期中に、プロジェクタの一時的強度変調を３回、４回、または５回などサンプリングする。これらの測定は、カメラが各ピクセルで強度変調の一時的位相を決定することを可能にする。次いで、位相測定は、立体照明三角測量技術を使用して奥行を推定するために使用される。
【００１６】
以下により詳細に考察されるドライバ／インターフェース５２０の詳細は、ＭＥＭＳリボンを３Ｄシステムプロジェクタ内の直線状アレイ空間光変調器の中のＭＥＭＳリボンを駆動するパルス密度変調器と、投影されたパターンの空間期間の迅速な再構成を可能にするメモリアドレシング技術と、ローリングシャッタカメラによる同期検波と、ＭＥＭＳリボン用の低電圧駆動スキームと、ＭＥＭＳリボンの擬似バイポーラ操作とを含む。
【００１７】
プロジェクタドライバ／インターフェースおよびレーザ光源を含むプロジェクタ光学構成要素が、図６に図示される。一実施形態では、これらの構成要素は、スマートフォン、タブレットまたは他の機器の中に統合され得るために十分小さい、３ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍである体積６０５の中にパッケージにされる。この体積内の構成要素は、レーザ光源、直線状アレイＭＥＭＳリボン光学位相変調器、フーリエ面光学位相弁別器およびいくつかのレンズを含む。詳細には、図６では、レーザ６１０が赤外線内で発光するダイオードレーザである。レーザからの光が、ドライバ電子機器６２５によってパッケージにされている直線状アレイＭＥＭＳリボン光学位相変調器上に焦点を合わせる（ｘ軸リレーシリンダレンズ６１５および視野レンズ６２０を経て）。一実施形態では、ＭＥＭＳリボンアレイは約０．５ｍｍ×０．２ｍｍ×０．１ｍｍの体積であり、各リボンが約２００μｍ×４μｍ×０．１μｍの体積であり、それらは図６の中に見ることができる。位相変調器によって反射される光が、光学位相弁別器として作動するアポダイゼーションフィルタ６３０上のインシデントである。弁別器は、ＭＥＭＳリボン直線状アレイによって与えられた位相変調を振幅変調に変換する。次いで、投影レンズ（ｙ軸投影シリンダ６３５およびｘ軸投影シリンダ６４０）および固定鏡６４５が、測定されるオブジェクトに向かって光を投影する。
【００１８】
図７は、図６のシステムなどの３Ｄ奥行取得システムプロジェクタについて光学原理を図示する。図７では、視野レンズ７２０が、１−Ｄ（すなわち、「直線状」）ＭＥＭＳリボンアレイ７２５近傍に配置される。視野レンズの焦点距離は、ｆである。フーリエ面位相弁別器７３０が、ＭＥＭＳリボンアレイからレンズの反対側上に、視野レンズからｆだけ離間して配置される。投影レンズ７３５は、パターン７５０を投影する。パターン７５０は、１次元に空間変化を含む２次元パターンである。
【００１９】
フーリエ面位相弁別器は、例えば、２０１１年５月１０日にＢｌｏｏｍらに発行された米国特許第７，９４０，４４８号明細書の中で考察されており、参照としてその開示が組み込まれる＊。（＊この組込みは、１２４ページの「付記Ａ」として本明細書に添付されている。）特に、本明細書で使用される位相弁別器は、米国特許第７，９４０，４４８号明細書の図１０Ｂ、図１６Ａおよび図１８の余弦波（位相相似）アポダイゼーションフィルタに類似する。一実施形態では、シュリーレンスリットが、余弦波透過関数の中央部分に接近する。アポダイゼーションフィルタの期間（またはシュリーレンスリットの幅）が、ＭＥＭＳ直線状アレイの中のリボンの空間に比例するように選択される。
【００２０】
これまでに説明された光学システムは、１次元に空間正弦波強度変化を含むパターンを投影する。パターンは、一時的正弦波強度変化を含むように出現する。しかし、パターンの時間的変調は、デジタル技術を使用して生成される。デジタルの時間的変調は、デジタル変調期間よりも実質的に長い統合時間を含むカメラを用いて観察される場合、滑らかに変化する正弦波変調として出現する。これらの原理は、小型３Ｄ奥行取得システムの中の電子信号および光学信号の概念的ブロック図である図８を参照して理解され得る。
【００２１】
図８は、正弦波の一時的光変調の出現がどのように生成されるのかを図示する。グラフ８０５が、時間の関数として、所望される光強度の正弦波変化を示す。この関数は、パルス密度変調、デジタル波形８１５として、３Ｄシステムドライバ／インターフェース８１０の中で記憶されまたは生成される。リボン駆動パターン波形８１５が、時間経過につれて、２つの値、１と０との間で交互に繰り返す。８１５で示される波形は、図示を容易にするために選択された、６４回オーバサンプリングされた正弦波のパルス密度表示である。実施形態では、２０４８回オーバサンプリングされた正弦波のパルス密度表示が使用される。
【００２２】
ドライバ／インターフェースが、電気駆動信号をＭＥＭＳアレイの中のリボンに送信する。駆動パターン値が「１」であるときはいつも、アレイ中のリボンの複数の対が、８２０に示されるように等しい偏向に設定される。駆動パターン値が「０」であるときはいつも、アレイ内のリボンの対が、８２５に示されるように等しくない偏向に設定される。任意の特定のリボンの対において、一方のリボンが常に静止していることができ、一方、他方のリボンが２つの可能な偏向の１つに設定され、すなわち、他方のリボンが静止状態、または可動状態で偏向しているのと同じである。リボン駆動パターンがデジタルであるので、リボンは中間の偏向に設定されることは決してない。
【００２３】
８２０の中のように同じ偏向を含むリボンの複数対が、１−Ｄパターンの明るいストリップにつながり、一方、８２５の中のように等しくない変更を含むリボンの複数対が、１−Ｄパターンの暗いストリップにつながる。パターン対時間の特定のピクセルでの輝度が、８３０に示される。実際の光出力強度（デジタル光出力８３０）対時間が、デジタル関数であり、実際に、それはリボン駆動パターン８１５と同様のパルス密度変調表示である。デジタルリボン作動は、光出力対リボン駆動信号を表わすピクセル伝達関数を調節する必要性をなくす。ＭＥＭＳリボンの高速認証は、それらがデジタル変調信号に忠実に従うことを可能にする。
【００２４】
ピクセルでのデジタル光出力が、デジタル期間（すなわち、デジタルパターンが「１」または「０」に留まる最も短い時間）よりも実質的に長い統合時間を含むカメラ８３５によって観察される場合、パターンの時間変化が、８４０に示されるような正弦波に見える。これは、カメラ統合時間が低域フィルタである、Σ−Δ変調の例である。本明細書で「実質的に」より長いというのは、５倍以上長いことを意味する。一実施形態では、投影された光パターンの２０４８の再構成が、４つのカメラ露出サイクルと同時に発生し、したがって、プロジェクタ速度はカメラサイクル速度よりも５００倍以上より速い。一般的に、プロジェクタ速度は、カメラサイクル速度よりも１００倍以上より速い。
【００２５】
ＭＥＭＳアレイ内のリボンが対で配置される場合、同じ偏向を含むリボンは最大光出力を生成することができ、一方、異なる偏向を含むリボンは、投影システムから最小光出力を生成することができる。しかし、この挙動を逆転させる交番の位相弁別器設計が可能であり、すなわち、同じ偏向を含むリボンは最小光出力を生成することができ、一方、異なる偏向を含むリボンは最大光出力を生成することができる。これらの両方の手法によって、ピクセルの数（アナモルフィック光学系を経てストリップに分散することができる）は、リボンの数の半分である。
【００２６】
リボンの間の変化がピクセル出力を決定するように、リボンはさらに作動され得る。この場合、ピクセルの数はリボンの数に等しい。光学位相弁別器は、米国特許第７，９４０，４４８号明細書の中で考察されるように、この場合について設計され得る。
【００２７】
デジタル光出力８３０および一時的強度変化８４０は、実際の、感知された光強度対投影された２Ｄパターン内の１つのピクセルでの時間を説明する。パターンは、１つの空間次元における正弦波の変化をさらに含む。
【００２８】
正弦波の空間変化は、８１５などのデジタル信号をアレイ内の連続する各可動リボンに対して遅らせることによって生成される。例えば、パターン８１５は、アレイ内の第１の可動リボンに送信され得る。短い時間、Δｔ遅れて、同じパターンが第２の可動リボンへ送信される。短い時間、Δｔ遅れて、同じパターンが第３の可動リボンなどへ送信される。本明細書では、Δｔはパターン８１５の１回の周期の時間よりも短い。
【００２９】
Δｔに対して小さい値は、粗い解像度および奥行曖昧性間のより大きい距離をもたらす低い空間周波数投影パターンにつながる。一方で、Δｔに対してより大きい値は、きめ細かい解像度および奥行曖昧性間のより小さい距離をもたらす高い空間周波数投影パターンにつながる。８１５などのデジタルパターンは、オンザフライで生成され、またはメモリから検索され得る。後者の場合、時間オフセットΔｔは、メモリアドレス指定スキームによって生成され得る。図９Ａおよび図９Ｂは、デジタルリボンデータ信号を生成するためのメモリアドレス指定方法を図示する。
【００３０】
図９Ａは、デジタルパターン（図８の中のパターン８１５に類似する）がメモリから読み取られ、３２個のドライブラインに同時に供給される例９０５を示す。パターンは、４０９６ビットの長さである。計算器９１０が、４０９６ビットメモリ空間による３２ビットから３２ビット駆動信号を選択する。第４０９６番目の３２ビット信号が読み取られる後、計算器９１０は第１の３２ビット信号に戻る。４０９６ビットパターンは、各可動リボンに対して同様であるが、しかし、連続するリボンについてオフセットされる。例の中の「１」の配置は、連続する可動リボンが、クロックサイクルにつき１ビットだけオフセットされる４０９６ビットパターンのコピーによって駆動されることを示すように意図される。図９Ａの方法は、３２ビット幅データにアクセスするために１つのメモリアドレス計算器を使用する。図９Ａの方法を使用することによって駆動されるＭＥＭＳリボンに基づくプロジェクタから生成される光パターンの空間周波数を変化させるために、４０９６ビットメモリ空間による３２ビットの中のデータが、可動リボン間のオフセットを変化させるために更新されなければならない。図９Ａは、ピクセル（例えば、「ピクセル３」）についてのデータ、ならびに「バイアス」信号および「基板」信号についてのデータを示す。これらの追加の信号が、以下に説明される。
【００３１】
いくつかの奥行取得アプリケーションのために、投影されたパターンの空間周波数を迅速に変化させ得ることが望ましい。これによって、高精度の奥行データ取得（短い曖昧性距離を含む）と、低精度の奥行データ取得（長い曖昧性距離を含む）との間で迅速な切り替えが可能になる。
【００３２】
図９Ｂは、デジタルパターン（図８のパターン８１５に類似する）が、別の計算器を使用してメモリから読み取られる例９１５を示す。図示を容易にするために、各リボン駆動ラインについて１つずつ、３つの計算器だけが示されている。３２のリボン駆動ラインが図９Ａの中のように処理される予定であれば、そのとき３２個の計算器が必要になる。この例では、各計算器が１つの、４０９６ビットメモリ空間９２５による１ビットを処理する。任意の特定の時間に、計算器が４０９６ビットシーケンスの中の異なるビットからデータを検索する。ここで、空間周波数を変化させることは、単に、異なる数のビットのデータを別々に読み取るために計算器を設定するという問題である。
【００３３】
投影されたパターンは、通常、ただ１つではなく、複数の正弦波空間強度変化の期間を含む。そういうわけで、存在するリボンと同数のリボン駆動信号を生成する必要はない。例えば、リボンアレイがＮ個の可動リボンを含み、それがＫ個の空間期間を含むパターンを投影するために使用されると想定されたい。Ｎ／Ｋだけの異なるリボン駆動信号が、パターンを生成するために必要である。これが、ＭＥＭＳリボン配線図を図示する図１０を参照して理解され得る配線の簡易化につながる。
【００３４】
図１０では、リボン１００５が、直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器の部分である。信号ライン１０１０が、デジタル駆動信号を０番目、ｋ番目、２ｋ番目など、アレイ内の可動リボンに伝える。同様に、別の信号ラインが別のデジタル駆動信号を１番目、（ｋ＋１）番目、（２ｋ＋１）番目など、可動リボンに伝える。別の信号ラインがやはり別のデジタル駆動信号を２番目、（ｋ＋２）番目、（２ｋ＋２）番目など、可動リボンに伝える。アレイ内にＮ個の可動リボンが存在することができるが、Ｎ／Ｋの信号ラインだけがそれを駆動するために必要とされる。これが、ＭＥＭＳ信号ライン配置図の相当な簡易化につながる。このスキームを使用して生成され得る最も低い空間周波数パターンが、各可動リボンが別個に処理されると仮定して達成され得る１期間パターンではなく、Ｎ／Ｋ期間を含む。一実施形態では、ＭＥＭＳリボンアレイが１２８個の可動リボンを含み、３２番目ごとのリボンが一緒に処理される（すなわち、上記の表示の中でＮ＝１２８、Ｋ＝３２）。したがって、投影されたパターンの中の空間期間の最小の数は４である。
【００３５】
一実施形態では、リボン駆動電子機器は、同時係属のＢｌｏｏｍらによる２０１２年１０月２２日に出願された米国特許第１３／６５７，５３０号明細書の中に記載される低電圧リボン駆動技術を使用し、その開示は参照として組み込まれる＊。（＊この組込みは、２０ページに「付記Ａ」として本明細書に添付されている。）米国特許第１３／６５７，５３０号明細書の中に記載されるように、本明細書で使用される低電圧リボン駆動スキームは、リボン非線形変位特性を利用するために、連続して加えられるＤＣバイアス電圧およびリボン制御信号に基づく。低電圧リボン駆動技術は、リボンドライバ電子機器をモバイル機器の中に通常見出されるＣＭＯＳデジタル電子機器に適合させる。バイアス電圧は、図９に関連して言及されるバイアス信号によって表わされる。
【００３６】
一実施形態では、リボン駆動電子機器は、２０１３年２月５日にＹｅｈおよびＢｌｏｏｍに発行された米国特許第８，３６８，９８４号明細書の中に記載される擬似バイポーラリボン駆動技術をさらに使用し、その開示は参照として組み込まれる＊。米国特許第８，３６８，９８４号明細書の中に記載されるように、本明細書で使用される擬似バイポーラリボン駆動スキームは、ユニポーラＣＭＯＳ電子機器がＭＥＭＳリボン機器を駆動するために使用される場合、さもなければ発生し得る困難を回避するように設計されている。特に、擬似バイポーラ作動は、ＭＥＭＳリボン機器内の表面電荷蓄積効果を低減し、またはなくする。基板電圧が、図９に関連して言及される基板信号によって表わされる。
【００３７】
小型３Ｄ奥行取得システムは、連続的に、またはバーストで作動することができる。図１１は、システムバーストモード作動中の電力消費を図示するグラフである。グラフは、奥行取得システムの電力Ｐ対時間を描く。システム電力のほとんどが、レーザ光源によって消費されるが、しかし、より速い周期速度でカメラを作動させることもまた電力消費を増加させる。図１１の例では、１つの作動モードでは、レーザ、プロジェクタシステムおよびカメラが連続的に作動し、１ユニットの電力を消費する。第２の作動モード、「バーストモード」では、システムは低デューティーサイクルで作動し、それは、８つある中の１ユニット時間だけの間でオンである。しかし、その１ユニットが「オン」時間中に、システム（主にレーザ）は８ユニットの電力を消費する。消費される平均電力は、両方の場合で同様である。
【００３８】
図１１の例では、カメラは、バーストモードまたは平均モードで、プロジェクタシステムによって発光される同じ数の光子を収集する。しかし、バーストモードでは、カメラのシャッタが１／８の時間だけ開いているので、カメラによって収集される背景光子の数が８の因数によって低減される。したがって、騒音比率に対する信号は、約√８の因数によって改善される。さらに、カメラがより速い周期速度で作動する場合、バーストモードは、モーションアーチテクトを低減する。図１１のデューティーサイクルの１：８または１２．５％は、単なる例である。小型３Ｄ奥行取得システムは、例えば１００％から１％未満までの範囲のデューティーサイクルで作動され得る。
【００３９】
小型３Ｄ奥行取得システムは、１次元に正弦波空間変化を含む２次元パターンを投影する。パターンは、時間内に正弦波変化をさらに含む。図１２は、空間パターン位相と奥行との間の関係を図示する図である。図１２では、要素「Ｐ」は３Ｄ奥行取得システムパターンプロジェクタであり、一方、要素「Ｃ」はカメラである。カメラは、基線距離ｄでプロジェクタから離間されている。プロジェクタＰは、放射状扇形ストライプ１２０５によって図面の中で示される光パターンを発光する。図面の中のストライプパターンは、「オン／オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）」または図示を容易にするために四角い波形を含む。実際のパターンは、正弦波空間変化を含む。Δθはパターンの１期間の角度範囲である。例えば、Δθは、カメラの視野角度をカメラから見えるパターン期間の数で割ることによって推定され得る。
【００４０】
図面の中で示されるｚ軸に沿った距離ｚ0を考慮されたい。プロジェクタからこの点までの距離はｒである。その点でのパターンの空間周波数は、図面内で示されるように、
【数１】
0006657111.tif 000002
方向を指すｋベクトルによって説明される（逆格子空間）。ｋベクトルの大きさは、
【数２】
0006657111.tif 000003
によって得られる。ｋベクトルのｚ成分、ｋ2は以下によって得られる。
【数３】
0006657111.tif 000004
【００４１】
近似値は、ｄ＜＜ｚ0について有効である。
【００４２】
カメラが検出できる空間位相における最初の検出可能な変化は、Δφminであると想定されたい。位相の中のこの変化は、以下による距離の変化に相当する。
【数４】
0006657111.tif 000005
【００４３】
パターン空間位相と距離との間の関係が与えられると、３Ｄ奥行取得システムが、オブジェクトでのパターンの空間位相を推定することによって、オブジェクト（そのカメラによって取得された画像の中のピクセルで出現する）までの距離を推定することができる。パターンの強度Ｉは、以下の形態を有する。
【数５】
0006657111.tif 000006
【００４４】
本明細書では、Ｉ0は最大パターン強度であり、ωはパターン時間的変調の角度周波数であり、ｔは時間であり、およびφは空間位相である。図１３は、カメラ内の２つのピクセルでの位相測定を図示するグラフである。ピクセルは、正方形の添え字および三角形の添え字によって識別される。第１のピクセル（正方形の添え字）でのパターン強度は実線の曲線で示されるが、一方、第２のピクセル（三角形の添え字）でのパターン強度は破線の曲線で示される。
【００４５】
各ピクセルについてパターン強度の測定は、カメラ１１５、２１５、３１５、４２０、５１５、８３５または図１２の中のカメラ「Ｃ」などの３Ｄ奥行取得システムカメラから得られる。一実施形態では、ＣＭＯＳカメラのローリングシャッタが、パターン空間位相を得るために使用される。ローリングシャッタカメラからのデータが、１行ずつ連続的に読み出される。第１の行からのデータが、カメラ画像センサの最後の行からのデータに続いて、即座に読み出される。カメラサイクル時間は、全ての行を読み出すために必要とされる時間である。カメラは、ローリングシャッタサイクルに同期するタイミング信号を生成する。このタイミング信号は、プロジェクタパターンサイクルに対するトリガとして使用され得る。カメラは、各ピクセルで光子を収集することに関連する固有の積算時間を含む。画像センサピクセルの所与の行の中の全ての列が、積算時間の間に同時に光を収集する。積算時間は、ＭＥＭＳリボンアレイプロジェクタによって投影される高速デジタル光変調信号上にローパスフィルタを効果的に課す。したがって、パルス密度変調光信号が、カメラによって測定される場合、正弦波時間変化を含むように出現する。
【００４６】
オブジェクト上に出現するパターンの位相φ、および相当するオブジェクトの奥行は、ピクセルごとに基づいて推定される。各測定は、他のピクセルで行われる測定から独立している。位相は、パターン変調信号の同期検波（すなわち、定期的インターバルでサンプリングすること）によって推定される。カメラタイミング信号を参照して、同位相測定および直角位相測定が、パターン信号位相を推定するために必要なデータを提供する。
【００４７】
図１３の例では、測定が、ωｔ＝０、π／２、３π／２、２πなどで、または正弦波期間ごとに４回実施される。第１のピクセル（正方形の添え字）でパターン強度の同位相測定が、ωｔ＝πで行われた測定をωｔ＝０で行われた測定から差し引くことによって得られる。パターンの直角位相測定は、ωｔ＝３π／２で行われた測定をωｔ＝π／２で行われた測定から差し引くことによって得られる。そのとき、位相は、同位相測定と直角位相測定との比率のタンジェントの逆関数である。同じ手順が、第２のピクセル（三角形の添え字）での位相を生成する。同様の計算が、各ピクセルで行われた同位相測定および直角位相測定について実施される。
【００４８】
位相を得るためには４つの測定が必要であるが、奥行データ更新サイクルを図示する図１４に示されるように、位相推定は、新規な測定が利用可能であるときはいつでも更新され得る。図１４では、正方形の中の「１」、「２」、「３」などが、図１３に示されるように、ωｔがπ／２だけ進むごとに行われる強度測定を表わす。同位相値（Ｉ1）および直角位相値（Ｑ1）に基づいて、位相推定φnが４つの測定（０−３）後に利用可能である。第５の測定（「４」）が利用可能になる場合、新規な同位相値（Ｉ2）が計算される。次いで位相φn+1が、Ｉ2／Ｑ1のタンジェントの逆関数として推定され得る。各新規な測定は、以前の値に取って代わる新規な同位相値および直角位相値をもたらす。
【００４９】
位相情報は、２つ以上のデータサイクルからさらに推定され得る。例えば、最も新しい８または１２のデータ点が使用され得る。有限インパルス応答フィルタが、古い方の測定よりも新しい方の測定によりいっそう重みを加えるために適用されることが可能である。
【００５０】
図１５は、小型３Ｄ奥行取得システム出力データ１５０５の例を示す。実際のデータは、３Ｄの点（ｘ，ｙ，ｚ）である。３Ｄ複写または描画が、擬似光および擬似影の効果によって、図１５の平面画像の中に生成されている。再生するために、図１５に示される顔などの１組のデータ点が、以下のように得られる。３Ｄシステムプロジェクタが、赤外線光のパターンをオブジェクトの上に投影する。パターンは、時間内に、かつ１つの空間次元内で正弦波変化を有する。カメラが、画像を横切る各ピクセルでその位相を得るために、パターンをサンプリングする。奥行情報が、カメラのプロジェクタからの距離に部分的に依存する幾何学的関係に従って位相から計算する。
【００５１】
プロジェクタは、非常に小さい体積の中に収納され、スマートフォンおよびタブレットなどのモバイル機器の中への統合に適合する。一実施形態では、プロジェクタは３ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの体積の内部に嵌る。カメラは、モバイル機器の中にすでに統合されるカメラと同様であることができる。一実施形態では、カメラは、赤外線に高感度なローリングシャッタＣＭＯＳカメラである。
【００５２】
これまでに説明された小型３Ｄ奥行取得システムの複数の変形形態が可能である。３Ｄシステムパターンプロジェクタまたはカメラ、あるいはその両方が、いくつかの実施形態では変更され得る。
【００５３】
異なる種類の直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器が、パターンプロジェクタの中で使用され得る。米国特許第７，９４０，４４８号明細書または２００７年１０月２３日にＢｌｏｏｍに発行された米国特許第７，２８６，２７７号明細書（その開示が参照として組み込まれる。＊）の中に説明される光変調器が、そのような代替形態の例である。（＊この組込みが、１０４ページに「付記Ｃ」として本明細書に添付されている。）加えて、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  ＤｅｖｉｃｅなどのＭＥＭＳ２Ｄアレイ変調器が、前述の１次元空間変化を含むパターンを生成するために作動され得る。
【００５４】
ＭＥＭＳ光変調器に対する代替例として、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬＳ）などの発光素子の直線状アレイが、１次元空間変化を含むパターンを生成するために使用され得る。連続的光源を変調する強誘電体液晶アレイが、別の可能性である。さらに、光源は、レーザではなく、発光ダイオードであることができる。
【００５５】
グローバルシャッタカメラが、ローリングシャッタカメラの代わりに使用され得るが、何らかの潜在的データ収集時間が、カメラのリセット中に浪費されることを認める。プロジェクタ光源は、グローバルシャッタのリセット中にオフにされることができる。
【００５６】
ローリングシャッタカメラであれ、またはグローバルシャッタカメラであれ、位相推定は、パターンの時間的周期につき４つの測定ではなく、３つの測定を使用して得ることが可能である。３つのパターン強度測定、Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3が、ωｔ＝２π／３で離間されて行われる場合、位相が以下に従って推定される。
【数６】
0006657111.tif 000007
【００５７】
プロジェクタサイクルおよびカメラサイクルが、コモンタイミング信号、あるいはプロジェクタまたはカメラクロック周波数のいずれかから由来する信号からトリガされ得る。
【００５８】
開示される実施形態の上記の説明は、当業者が本発明を作製し、または使用することができるように提供される。これらの実施形態に対する様々な修正形態が、当業者にとって容易に明らかになり、本明細書に定義される原理が、本開示の範囲から逸脱せずに他の実施形態に応用され得る。したがって、本開示は本明細書に示される実施形態に限定されるようには意図されず、しかし、本明細書で開示される原理および新規な特徴に矛盾しない最も広い範囲に一致するように意図される。
【００５９】
本明細書に記載される全ての要素、部品およびステップが、含まれることが好ましい。これらの任意の要素、部品およびステップが、他の要素、部品およびステップによって置き換えられ、または当業者にとって明白であるので完全に削除されることが可能である。
【００６０】
概括的に、本文献は少なくとも以下を開示する。
小型３Ｄ奥行取得システムが、３Ｄシステムドライバ／インターフェースと、３Ｄシステムカメラと、３Ｄシステムプロジェクタとに基づく。システムは、スマートフォンおよびタブレットコンピュータなどのモバイル電子機器へ統合することに適合する。
【００６１】
概念
＞＞＞本文献は、先の参照、例えば、概念Ｘ、概念Ｘ−１のシステムまたは概念Ｘ＋１などを含む。先の参照は、本技術のこの開示をより良く理解するように意図されている。
【００６２】
数字の振られたフォーマットで概念が示される。
１  パターンプロジェクタと、
カメラと、
モバイル機器ドライバ／インターフェースと
を備える３次元奥行取得システムであって、
前記プロジェクタ、前記カメラおよび前記ドライバ／インターフェースがモバイル電子機器の中に統合され、
前記プロジェクタが、デジタル直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器および１次元だけに空間変化を含む２次元画像を投影するレンズシステムを含み、
前記ＭＥＭＳリボン光変調器が、前記ドライバ／インターフェースからデジタル電子信号によって駆動され、前記信号が、正弦波のパルス密度変調表示を表わし、前記正弦波が時間的周期を特徴とする、３次元奥行取得システム。
２  前記カメラが、期間ごとに３回前記画像をサンプリングする、概念１に記載のシステム。
３  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記３つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、概念２に記載のシステム。
４  前記カメラが、期間ごとに４回前記画像をサンプリングする、概念１に記載のシステム。
５  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記４つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、概念４に記載のシステム。
６  前記パルス密度変調が、少なくとも６４回で前記正弦波のオーバサンプリングを表示する、概念１−５または概念７−２６に記載のシステム。
７  前記デジタル信号が、サーキュラメモリバッファの中に記憶される、概念１−６または概念１０−２６に記載のシステム。
８  前記画像が、前記メモリバッファの中に相対的オフセットによって選択される空間周波数を含む、概念７に記載のシステム。
９  前記アレイ内の隣接する可動リボン向けの信号が、前記メモリバッファの中のオフセットメモリアドレスから得られる、概念７に記載のシステム。
１０  前記カメラから観察される場合、前記画像が正弦波一時的強度変化を含むように見えるように、前記カメラが統合時間を含む、概念１−９または概念１１−２６に記載のシステム。
１１  前記デジタル信号が、ＣＭＯＳ論理レベルに適合する、概念１−１０または概念１２−２６に記載のシステム。
１２  前記デジタル電子信号が、擬似バイポーラＭＥＭＳ駆動スキームに従う、概念１−１１または概念１３−２６に記載のシステム。
１３  前記デジタル電子信号が、リボン非線形変位特性を利用するために連続的に加えられるＤＣバイアス電圧および低電圧リボン制御信号を備える、概念１−１２または概念１４−２６に記載のシステム。
１４  前記直線状アレイＭＥＭＳリボン光変調器が、Ｎ個の可動リボンおよびＫ個の指定行を含み、ＮがＫの整数倍である、概念１−１３または概念１６−２６に記載のシステム。
１５  前記画像が、空間期間のＮ／Ｋサイクルを特徴とする、概念１４に記載のシステム。
１６  前記カメラが、ローリングシャッタＣＭＯＳカメラである、概念１−１５または概念１８−２６に記載のシステム。
１７  前記カメラが、グローバルシャッタカメラである、概念１−１５または概念１８−２６に記載のシステム。
１８  前記プロジェクタが、ダイオードレーザ赤外線光源を備える、概念１−１７または概念２０−２６に記載のシステム。
１９  前記プロジェクタが、赤外線発光ダイオードを備える、概念１−１７または概念２０−２６に記載のシステム。
２０  前記プロジェクタおよびカメラが、コモンタイミング信号を共有する、概念１−１９または概念２１−２６に記載のシステム。
２１  前記プロジェクタおよびカメラが、１００％未満の作動デューティーサイクルを含む、概念１−２０または概念２２−２６に記載のシステム。
２２  前記プロジェクタが、３ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの体積、またはそれより小さい体積の中に嵌る、概念１−２１または概念２３−２６に記載のシステム。
２３  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに奥行データを提供する、概念１−２２または概念２４−２６に記載のシステム。
２４  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、新しいカメラサンプルの有限インパルス応答フィルタ機能に基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、概念１−２３または概念２５−２６に記載のシステム。
２５  前記モバイル電子機器が、携帯電話である、概念１−２４に記載のシステム。
２６  前記モバイル電子機器が、タブレットコンピュータである、概念１−２４に記載のシステム。
２７  パターンプロジェクタと、
カメラと、
モバイル機器ドライバ／インターフェースと
を備える３次元奥行取得システムであって、
前記プロジェクタ、前記カメラおよび前記ドライバ／インターフェースがモバイル電子機器の中に統合され、
前記プロジェクタが、空間光変調器および１次元だけに空間変化を含む２次元画像を投影するレンズシステムを含み、
前記光変調器が、前記ドライバ／インターフェースから電子信号によって駆動され、前記信号が、正弦波を表わし、前記正弦波が時間的周期を特徴とする、３次元奥行取得システム。
２８  前記光変調器が、垂直共振面発光レーザのアレイを備える、概念２７に記載のシステム。
２９  前記光変調器が、強誘電体液晶を備える、概念２７に記載のシステム。
３０  前記光変調器が、発光ダイオードを備える、概念２７に記載のシステム。
３１  前記プロジェクタが、デジタルデータ信号によって駆動される、概念２７−３０または概念３３−３８に記載のシステム。
３２  前記プロジェクタが、アナログデータ信号によって駆動される概念２７−３０または概念３３−３８に記載のシステム。
３３  前記カメラが、期間ごとに３回前記画像をサンプリングする、概念２７−３２または概念３７−３８に記載のシステム。
３４  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、３つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、概念３３に記載のシステム。
３５  前記カメラが、期間ごとに４回前記画像をサンプリングする、概念２７−３２または概念３７−３８に記載のシステム。
３６  前記モバイル機器ドライバ／インターフェースが、前記４つの最も新しいカメラサンプルに基づいて、奥行データを前記モバイル電子機器の中のアプリケーションプロセッサに提供する、概念３５に記載のシステム。
３７  前記カメラが、ローリングシャッタＣＭＯＳカメラである、概念２７−３６に記載のシステム。
３８  前記カメラが、グローバルシャッタカメラである、概念２７−３６に記載のシステム。
【００６３】
本開示は、一般に、光ディスプレイシステムおよび光学微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの分野に関する。
［背景技術］
【００６４】
投射型高精細テレビジョン（ＨＤＴＶ）、高解像度印刷、およびマスクレス半導体リソグラフィは、高精細光学ディスプレイ技術のいくつかの適用例である。おのおののケースにおいて、１次元または２次元的に配置された光変調器と付属の光学システムが、画像を形成する数百万のピクセルに配光する。一般的なタイプの光変調器としてはデジタルミラーデバイス、グレーティング光変調器、偏光変調器、液晶およびシリコン基板液晶パネルがある。それぞれのデザインに応じて、これらの光変調器は反射モードまたは透過モードで動作し得る。
【００６５】
ＭＥＭＳリボンの構造は、いくつかの種類の光変調器で使用されており、その単純さにもかかわらず、光学画像形成システムについて多数の新しい設計を生み出している。光発想の発展は、ますます少ないリボンに依存して最終画像の各ピクセルを生成するシステムにつながってきた。例えば、初期のグレーティング光変調器はピクセルあたり６個ものリボンを使用しており、一方、偏光変調器はピクセルあたり２個のリボンを使用して実証さている。
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］
［課題を解決するための手段］
【００６６】
ＭＥＭＳリボンの構造は、直線状アレイ光変調器に最も多く見られる。直線状アレイは、その線画像出力がスキャナによって往復走査される際に、２次元画像を「描く」。直線状アレイは２次元アレイよりもはるかに少ないチップ面積を占め、レーザ光源のエタンデュにより緊密に適合する。ピクセルを形成するために必要なリボン数を削減することによって直線状アレイをより短くすることができれば、よりいっそうコンパクトなＭＥＭＳ光変調器チップを作成することができる。
［図面の簡単な説明］
【００６７】
［図１］ディスプレイシステムのブロック図を示す。
［図２］反射型および透過型の直線状アレイ位相変調器の例を示す。
［図３Ａ］微小機械リボンを示す。
［図３Ｂ］微小機械リボンを示す。
［図４Ａ］反射型および透過型の変調器を用いた光学配置を示す。
［図４Ｂ］反射型および透過型の変調器を用いた光学配置を示す。
［図４Ｃ］反射型および透過型の変調器を用いた光学配置を示す。
［図５］直線状アレイ位相変調器に基づくディスプレイシステムを示す。
［図６］デジタル位相変調器の符号化方式の例を示す。
［図７］デジタル位相変調器の符号化方式の第２の例を示す。
［図８］アナログ位相変調器の符号化の例を示す。
［図９Ａ］デジタルおよびアナログ位相変調方式の理解を助けるグラフである。
［図９Ｂ］デジタルおよびアナログ位相変調方式の理解を助けるグラフである。
［図１０Ａ］偏光および非偏光用の例示的な物体面弁別器とフーリエ面弁別器との間の関係を示す。
［図１０Ｂ］偏光および非偏光用の例示的な物体面弁別器とフーリエ面弁別器との間の関係を示す。
［図１１Ａ］光学システムおよびフーリエ面フィルタ応答関数を示す。
［図１１Ｂ］光学システムおよびフーリエ面フィルタ応答関数を示す。
［図１２Ａ］偏光用の例示的な光学システムを示す。
［図１２Ｂ］偏光用の例示的な光学システムを示す。
［図１３］サバール板を示す。
［図１４］サバール板位相弁別器における偏光関係を示す。
［図１５Ａ］例示的な変調器−弁別器の配置を示す。
［図１５Ｂ］例示的な変調器−弁別器の配置を示す。
［図１６Ａ］非偏光用の例示的な光学システムを示す。
［図１６Ｂ］非偏光用の例示的な光学システムを示す。
［図１７］フーリエ面弁別器の理解を助けるための様々な関数関係を示す。
［図１８］フーリエ面弁別器の理解を助けるための様々な関数関係を示す。
［図１９］交互走査において直線状アレイの出力をシフトする効果を示す。
［図２０］直線状アレイディスプレイシステムの連続走査をインタリーブする１つの考えられる方法を示す。
［図２１］２次元位相変調器アレイに有限差分を適用し得る方法を示す。
［図２２Ａ］実験的に得られた直線状アレイ位相変調器から出力された光の像を示す。
［図２２Ｂ］実験的に得られた直線状アレイ位相変調器から出力された光の像を示す。
［発明を実施するための形態］
【００６８】
図１は、ディスプレイシステムのブロック図を示している。システムは、光源１０５、位相変調器１１０、光学システム１１５、およびラインスキャナ１２０を備えている。光源１０５は、レーザ、発光ダイオード、アーク灯または他の明るい光源である。位相変調器１１０は、光の位相を変化させる素子の直線状アレイを備えており、その素子は透過または反射で作用し得る。光学システム１１５は、位相変調器によって生成された位相ステップに対応するピクセルを生成する。光学システムは、これらの位相ステップが明ピクセルまたは暗ピクセルのいずれかに対応するように構成し得る。定義上、位相は２πごとに繰り返すため、最大の位相ステップはπである。さらに、デジタル（１つの明レベルと１つの暗レベル）またはアナログ（多数の階調レベル）動作が可能である。ラインスキャナ１２０は、線画像を往復走査することによって２次元画像を「描く」。
【００６９】
光学システムは、位相エッジ弁別器の役割を果たす。位相素子の直線状アレイが、１つの位相エッジ、すなわち位相の１ステップ増加または減少のいずれかを表わす場合、１ピクセルの線画像が生成される。ｎ個の素子を有する直線状アレイは、ｎ個のピクセルに対応するｎ個のエッジでプログラムすることができる。（素子の個数は、アレイの端の素子をカウントする方法に応じてｎ±１となる可能性があるが、それでも素子とピクセルの数は「同じ」ものとして参照する。）リボン変調器の場合、ピクセルあたりリボンが１個だけ必要である。さらに、先進技術によりリボンの２倍のピクセル、すなわちピクセルあたりリボン「半分」を可能にすることを以下に示す。
【００７０】
ディスプレイシステムについて次に詳しく説明する。先ず、変調器およびディスプレイの基本を示し、続いて画像データを変調器素子の位相設定に変換するための符号化方式の詳細を示す。次に、新たな光弁別器システムについて説明する。最後に、先進技術、２次元変調器への拡張、および実験結果について議論する。
【００７１】
変調器およびディスプレイの基本
【００７２】
図２は、反射型および透過型の直線状アレイ位相変調器の例を示している。位相変調器２０５は、素子２０６、２０７および２０８などの多数の個別反射素子を含んでいる。図には数十素子しか示していないが、実際の変調器は数百または数千素子を含み得る。例えばＨＤＴＶ用途では、素子数は大抵の場合１，０００から５，０００の間である。変調器２０５内の各素子が光を反射する。隣り合った変調器素子によって反射される光の位相差は、素子を異なる高さにセットすることによって、すなわち図の面と垂直に移動させることによって実現され得る。ただし、反射素子は移動可能である必要はなく、例えばＬＣｏＳ素子として実現されてもよい。変調器２０５内の素子は、長方形として描かれているが、正方形または別の形状でもよい。
【００７３】
位相変調器２１０は、素子２１１、２１２および２１３などの位相変調器の個々の素子が透過型であることを除けば、位相変調器２０５と非常によく似ている。これらの透過型素子は、それを通過する光に様々な位相を付与する。透過型素子は必ずしも移動できる必要はなく、例えば液晶として実現されてもよい。素子の数および形状などの位相変調器２１０の他の態様は、位相変調器２０５の場合と同じである。
【００７４】
図３Ａおよび図３Ｂは、変調器２０５などの反射位相変調器の素子を作成するために使用され得るＭＥＭＳの構造の一例である微小機械リボンを示している。図３Ａは、非偏向状態にあるリボンを示しており、一方、図３Ｂは距離Δｚだけ偏向したリボンを示している。
【００７５】
図３Ａおよび図３Ｂでは、ＭＥＭＳリボン３０５は支持３１０によって基板３２０の近くで支持されている。典型的な用途において、リボンの寸法はおよそ長さ１００μｍ（すなわちｙ方向）、幅１０μｍ（すなわちｘ方向）、厚さ０．１μｍ（すなわちｚ方向）である。ただし、これらの寸法は様々な設計で大きく変化し得る。例えば、さきに挙げた寸法が５倍大きいかまたは小さいことは珍しいことではない。
【００７６】
図３Ａは、リボン３０５に反射して光ビーム３５５として戻ってくる光ビーム３５０を示している。光ビーム３５０が距離Δｚだけ偏向したリボンに反射する場合（図３Ｂに示すように）、反射ビーム３５５の位相は
【数７】
0006657111.tif 000008
だけ変化する。ここで、λはその光の波長である。アレイ内で隣り合ったリボンが距離Δｚ1およびΔｚ2だけ偏向している場合、隣り合ったリボンに反射する光の間の位相差は
【数８】
0006657111.tif 000009
である。
【００７７】
ｚ方向におけるリボン３０５の偏向は、リボンと基板３２０との間に電圧を印加することによって実現されてもよい。リボンのサイズに応じて、数ナノ秒の小ささで高さが調節され得る。
【００７８】
点線矢印３６０は、リボン３０５が反射型ではなくて透過型であった場合に光ビーム３５０がたどるであろう経路を示している。大抵の場合、反射面で折り返されない光学システムを描くのが有用である。すなわち、反射面によって透過させられるかのように光ビームを描くことが有用であり得る。
【００７９】
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、反射型および透過型の変調器を用いた光学配置を示す。図４Ａでは、入力光ビーム４０５は、反射位相変調器４１０によって変調され、出力光ビーム４１５を形成する。ステアリングミラー４２０および４２２は、光ビームを、変調器に対して正確にではないがほぼ垂直な入射角で、変調器へおよび変調器から誘導する。図４Ｂでは、入力光ビーム４２５は反射変調器４３０によって変調され、出力光ビーム４３５を形成する。出力ビーム４３５はビームスプリッタ４４０によって入力ビーム４２５から分離される。図４Ｂに示す配置により、変調器を垂直な入射角で照射することができる。図４Ｃでは、入力光ビーム４４５は、透過変調器４５０によって変調され、出力ビーム４５５を形成する。
【００８０】
図５は、直線状アレイ位相変調器に基づくディスプレイシステムを示している。図５では、光源５０５が、直線状アレイ位相変調器５１５によって反射または透過されるまえにレンズ５１０を通過する光を放射する。位相変調器５１５は反射型でも透過型でもよく、図では、透過型であるかのように描かれており、挿入図５２０に模式的に示されている素子の直線状アレイのわずかなオフセットが、透過光に付与される位相差を示している。光学システム５２５は、位相差をスキャナ５３０によって反射された線画像に変換する。最終的に、スキャナ５３０は表示または印刷のために面５４０を横切って線画像５３５を走査する。例として、投射型ディスプレイでは、面５４０は観察側スクリーンである可能性があり、一方、リソグラフィシステムでは、面５４０はフォトレジストがコーティングされたウェハである可能性がある。リソグラフィおよび他の印刷用途においては、走査ミラーに変わる手段は、線画像を走査するのではなく面を動かすことである。システムによっては、回転プリズムが走査ミラーに取って代わり得る。
【００８１】
上述したように、ディスプレイシステムは、光源、位相変調器、光学システムおよびラインスキャナを備えている。位相変調器は、ＭＥＭＳリボンまたは液晶変調器などの透過型または反射型素子の直線状アレイを含んでおり、その素子は垂直入射でまたは光軸を外れて光を照射され得る。光学システムは隣り合った変調器素子によって生成される位相差を線画像内のピクセルにおける輝度変化に変換する。線画像を走査して２次元画像を形成し得る。
【００８２】
符号化方式
【００８３】
画像データは、画像内の個々のピクセルの輝度を意味し、表示のためにディスプレイシステムへ送られる。符号化方式を使用して、画像データを直線状アレイ位相変調器内の変調器素子の位相設定に変換する。ここで説明する符号化方式は、デジタル信号伝送で使用される非ゼロ復帰逆転（ＮＲＺＩ）符号化に似ている。ＮＲＺＩは、バイナリ信号を２つのレベルの物理的信号にマッピングする方法である。ＮＲＺＩ信号は、伝送されるビットが論理の１である場合に、クロックの境界で遷移し、伝送されるビットが論理の０である場合には遷移しない。（ＮＲＺＩは、論理の０が遷移によって符号化され、論理の１がレベル不変によって符号化されるという、反対のルールを採用することもできる。）
【００８４】
図６は、デジタル位相変調器用の符号化方式の一例を示している。デジタル位相変調器は、隣り合った変調器素子間の位相差０またはπから暗ピクセルまたは明ピクセルを生成する。濃淡は、必要に応じて、パルス幅変調などの時間領域法によって実現され得る。
【００８５】
図６では、ビット６０５、６０６および６０７などのビットとしてデータを示しており、一方、変調器素子の位相は６１０、６１１および６１２などの線分で表わしている。線分は、その間の位相差πを表わす２つのポジションのいずれかに表示される。ビット６１５を、明ピクセルを示す「１」と考える。このビットは、変調器素子６１０と６１１との間のπの位相ずれとして符号化される。素子６１０と６１１のどちらが「アップ」または「ダウン」かについてはどちらでもよく、それらの位相の差だけが重要なのである。例えば、ビット６０７は、６１０と６１１とは逆の設定の素子で表わされているが、これもまた「１」である。「０」ビットは、同一の設定の隣り合った素子によって表わされる。
【００８６】
論理図６２０は、直線状アレイ位相変調器において次の素子の位相を正式に特定するための一手法を示している。例えば、全てが同一の位相を有する一連の位相変調器素子によって一連の暗ビット（「０」）が符号化されてきたと仮定する。引き続く明ビット（「１」）はどのように表わすべきか？  論理図６２０は、次の変調器素子の位相「ｂk」が、ビット「ａk」の値（この例では「１」）および前の素子の位相（「ｂk-1」、ここで位相はπ＝１となるように正規化される）から決定されることを示している。これは、「明ピクセルについては位相エッジを生成し、暗ピクセルについては位相を一定に保つ」ということである。そのため、図中の線分はビットの間の点線の境界をまたいでいる。
【００８７】
図７は、デジタル位相変調器用の符号化方式の第２の例を示している。この例は、符号化ルールが「暗ピクセルについては位相を反転させ、明ピクセルについては同じままにする」に変わったことを除いて、図６に示した例と同じである。デジタル変調器で図６または図７の符号化方式のどちらを使用するかの選択は、位相差を明ピクセルまたは暗ピクセルに変換する光弁別器システムに依存する。
【００８８】
図８は、アナログ位相変調器用の符号化の一例を示している。図６および図７と同様に、線分のポジションは、変調器素子の位相を表わしている。ただし、アナログ符号化では、素子は２πの範囲で調節することができる。この例では、より大きな位相差が、より明るいピクセル輝度に対応している。暗を意味する「０」のピクセルは隣り合ったピクセル間の位相差０によって表わされている。輝度「ａ］は、小さな位相差によって表わされており、一方、輝度「ｂ」はより大きな位相差で表わされている。
【００８９】
図９Ａおよび図９Ｂは、デジタル位相変調方式およびアナログ位相変調方式の理解を助けるグラフである。図９Ａは、図６および図７に関連付けて説明したデジタル変調に関するものであり、一方、図９Ｂは、図８に関連付けて説明したアナログ変調に関するものである。図９Ａでは、デジタルビット列（「１１１０１０」）が横軸に沿って示されており、変調器素子の位相が縦軸に沿って示されている。ビットは変調器素子の間の境界に表示されており、例示されるケースは、位相差によって「１」が表わされ、一方、位相に変化がないことによって「０」が表わされるケースである。したがって、表示される出力として「１」が望まれるときはいつも、グラフに縦線が現れる。
【００９０】
最初の「１」のビット（左からカウント）において、１番目と２番目の変調器素子の間の位相差πが縦線で示されている。２番目の「１」のビットにおいて、点線および湾曲した矢印は、２番目と３番目の変調器素子の間の所望の位相差πが、１番目と３番目の変調器素子の間の位相差２πを生成することによってか、またはそれらの素子間の位相差ゼロによってかのいずれかによって実現され得ることを示している。０および２πの位相シフトは同じことであり、反射型デジタル位相変調器内の素子は、λ／４を超えて移動する必要はない。ここで、λはその光の波長である。
【００９１】
図９Ｂでは、一連のアナログピクセル輝度（「ａｂｃｄｅｆ」）を横軸に沿って示しており、変調器素子の位相を縦軸に沿って示している。ピクセルは変調器素子の間の境界における位相差から生成され、この例では、より大きな位相差がより大きなピクセル輝度に対応しているが、使用している光弁別器システムによってはその逆が当てはまる可能性がある。表示される出力として（暗ではない）ピクセルが望まれるときはいつも、グラフに縦線が現れる。
【００９２】
左から始まって、各素子の位相はピクセル「ａ」および「ｂ」については増加するが、ピクセル「ｃ」は、３番目と４番目の変調器素子の間の位相減少によって生成される。ピクセル「ｃ」は、３番目と４番目の変調器素子の間の位相差が位相の増加から得られていたとすると、同じように明るいことになる。ピクセル「ｃ」の輝度は、位相差の符号ではなく、大きさに依存する。
【００９３】
ピクセル「ｅ」は５番目から６番目の変調器素子への位相の増加によって生成される。ただし、定義により位相は２πごとに繰り返す。点線および湾曲した矢印は、６番目の変調器素子を、所望の位相増加のモジュロ２πを表わすように設定することができる方法を示している。別の方法としては、６番目の素子の位相を、５番目の素子からの位相減少を表わすように設定することである。６番目の素子の絶対位相は２つのケースで異なるものの、ピクセル輝度は同じである。
【００９４】
図９Ｂは、アナログ位相変調器用に、いくつかの符号化戦略が可能であることを示唆している。１つの戦略は、変調器素子の間の位相差の符号を常に交互に入れ替えることである。すなわち、前の２つの素子の間の遷移が位相増加だった場合、次の２つの間の遷移は位相減少である。この戦略は、光学システムにおいて光を高い角度に誘導する傾向がある。別の戦略は、変調器素子の間の位相差の符号を常に同じに維持することである。すなわち、常に増加するか、または常に減少することである。当然ながら、位相は２πで「最初に戻る」。この戦略は、光を光学システムの軸の近くに誘導する傾向がある。３つ目の戦略は、変調器素子の間の位相差の符号をランダムに選択することである。
【００９５】
画像データを変調器素子用の位相設定に変換するため、デジタルおよびアナログ、ならびに各ケースにおいて、より大きな位相エッジまたはより小さな位相エッジのいずれかに対応する明ピクセルといった４つの一般的な方式を説明した。
【００９６】
光弁別器
【００９７】
光学システムは変調器によって生成された位相エッジを、表示のために走査して２次元画像を形成し得る線画像に変換する。このシステムは、光学システムの物体面とフーリエ面で行われる操作の間の双対関係に起因して多くの形態をとり得る光位相弁別器の役割を果たす。
【００９８】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、偏光および非偏光用の例示的な物体面およびフーリエ面弁別器の間の関係を説明している。図１０Ａは、光学システムの物体面におけるコンボリューションが、そのシステムのフーリエ面における掛け算と等しいことを示している。この関係は、様々な位相弁別システムを作るための指針として用いることができる。図１０Ｂは、図１０Ａの関係を用いて少なくとも４つの異なった光学システムを構成することができることを示している。
【００９９】
偏光を用いたシステムの場合、弁別器は、物体面内のサバール板と偏光子、またはフーリエ面内のウォラストンプリズムと偏光子に基づき得る。非偏光を用いたシステムの場合、弁別器は、物体面内の厚いホログラム、またはフーリエ面内のアポダイゼーションフィルタに基づき得る。これらの光学配置の詳細を以下に説明するが、図１０Ａに示す関係に従う他の光学方式は疑いなく存在する。
【０１００】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、光学システムおよびフーリエ面フィルタの応答関数を示している。図１１Ａでは、線１１０５はシステムの物体面を表わしており、線１１１５はフーリエ面を表わしている。物体面およびフーリエ面は、レンズ１１１０の両側に、レンズから焦点距離だけ離れて存在している。矢印１１２０および１１２５は、短い距離だけ相隔たった正および負のデルタ関数をそれぞれ表わしている。
【０１０１】
近接した正および負のデルタ関数と光変調器素子の直線状アレイとのコンボリューションは、デルタ関数の間の間隔が素子のセンター間の間隔と等しいかまたはそれより小さい場合に、隣り合った素子からの光の位相の間の差をサンプリングすることに等しい。したがって、図１１Ａは、位相変調器内の隣り合った素子の間のより大きな位相差が、より大きなピクセル輝度に対応するシステムを示している。
【０１０２】
図１１Ｂでは、線１１５５はシステムの物体面を表わしており、一方、線１１６５はフーリエ面を表わしている。物体面およびフーリエ面は、レンズ１１６０の両側に、レンズから焦点距離だけ離れて存在している。矢印１１７０および１１７５は、短い距離だけ相隔たった２つの正のデルタ関数をそれぞれ表わしている。
【０１０３】
近接した正のデルタ関数と光変調器素子の直線状アレイとのコンボリューションは、デルタ関数の間の間隔が素子のセンター間の間隔と等しいかまたはそれより小さい場合に、隣り合った素子からの光の位相の間の類似度をサンプリングすることに等しい。したがって、図１１Ｂは、位相変調器内の隣り合った素子の間のより小さな位相差が、より大きなピクセル輝度に対応するシステムを示している。
【０１０４】
図１０Ａによれば、物体面におけるコンボリューションはフーリエ面における掛け算に相当する。したがって、物体面での近接した正および負のデルタ関数とのコンボリューションは、図１１Ａに示すフーリエ面におけるサイン関数の掛け算に相当する。物体面における近接した正のデルタ関数とのコンボリューションは、図１１Ｂに示すフーリエ面におけるコサイン関数の掛け算に相当する。
【０１０５】
図１１Ａに示す「サイン」のケースをさらに考えると、デルタ関数１１２０および１１２５が近接させられるにつれて、物体面において隣り合ったセグメント間の差をサンプリングすることは微分に近き、フーリエ面におけるサイン関数は１本の直線に近づき始める。言い換えれば、物体面における微分は、フーリエ面における線形勾配の掛け算と等しい。
【０１０６】
図１１Ａに示すように、フーリエ面におけるサイン応答は、有限な横方向の大きさの光学システム内で切り取られる。物体面において対応する効果としては、デルタ関数１１２０および１１２５がシンク関数に拡張される。最終的に、物体面におけるデルタ関数（またはシンク関数）の間の間隔が位相変調器素子の間の間隔と一致する場合に、光学的効率が最大になる。図１１Ａのケースでは、ピクセル輝度はｓｉｎ2（φ／２）に比例する。ここで、φは隣り合った位相変調器素子の間の位相差である。図１１Ｂのケースでは、輝度はｃｏｓ2（φ／２）に比例する。
【０１０７】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、偏光用の例示的な光学システムを示している。図１２Ａのシステムは、フーリエ面の光学素子を使用しており、一方、図１２Ｂのシステムは、物体面の光学素子を使用している。いずれのシステムも、図１１Ａのサイン応答または図１１Ｂのコサイン応答を示すように構成し得る。
【０１０８】
図１２Ａでは、線分１２０５は直線状アレイ光位相変調器の素子を表わしている。レンズ１２１０は、位相変調器素子とウォラストンプリズム１２１５との間に、焦点距離だけ離れて配置されている。ウォラストンプリズムは、偏光子１２３０と１２３５とによって挟まれている。図１２Ａでは、偏光子１２３０および１２３５は、クロスする偏光軸と共に描かれている。この構成は、図１１Ａのサイン応答を生じさせる。偏光子が平行の偏光軸で方向が合っていれば、図１１Ｂのコサイン応答が得られることになる。
【０１０９】
図１２Ｂでは、線分１２５５は直線状アレイ位相変調器の素子を表わしている。レンズ１２６０は、位相変調器素子とフーリエ面１２６５との間に、焦点距離だけ離れて配置されている。サバール板１２７０は、レンズ１２６０と位相変調器素子１２５５との間に配置されている。サバール板は、偏光子１２８０と１２８５とによって挟まれている。図１２Ｂでは、偏光子１２８０および１２８５はクロスする偏光軸と共に描かれている。この構成は、図１１Ａのサイン応答を生じさせる。偏光子が平行の偏光軸で方向が合っていれば、図１１Ｂのコサイン応答が得られることになる。
【０１１０】
図１２Ｂのシステムについてここでさらに詳しく考える。図１３はサバール板１３０５を示している。サバール板は、法面に対して４５°の方向を向き互いに対して９０°回転した光軸を有する２つの複屈折板で構成されている。１番目の板を伝搬した入射光ビームは、互いに離れた常光線と異常光線に分光される。２番目の板に入る時点で、常光線は異常光線になり、逆もまた同様である。２つのビームが斜め方向に沿って距離「ｄ」だけ離れてサバール板から出現する。法線入射の場合、２つのビームの間の光路差はゼロである。
【０１１１】
図１４は、サバール板位相弁別器における偏光関係を示している。「０」と「１」の２つのシナリオを示している。シナリオ「０」では、サバール板１４０５は光軸１４１０を有している。軸１４３０および１４３５は、サバール板の両側、すなわち、１つは板よりも見る者に近い側に、１つは遠い側に配置された偏光子の偏光軸を表わしている。ドット１４２０の位置にあって、軸１４３０に沿って偏光された光ビームを考える。この光ビームは、サバール板によってドット１４１５および１４２５の位置で、光軸１４１０に対してそれぞれ垂直および平行な偏光を有する２つの成分ビームに分割される。これらの２つのビームを軸１４３５方向に沿った偏光子によって分解する場合、光は通過しない。シナリオ「０」は、位相変調器の隣り合った素子を、クロスした偏光子によって挟まれたサバール板を通して眺め、素子が位相のそろった光を放出するときの状況を示している。
【０１１２】
シナリオ「１」では、ドット１４２５にある光が、ドット１４１５にある光と比べて位相がπシフトしてサバール板に到達する。ここで、サバール板の光軸に対して平行および垂直の偏光を有する光は軸１４３５に沿って偏光子によって分解され、成分が同じ位相で加わり、最大の光が伝送される。シナリオ「１」は、位相変調器の隣り合った素子を、クロスした偏光子によって挟まれたサバール板を通して眺め、素子が位相のそろっていない光を放出するときの状況を示している。
【０１１３】
クロスした偏光子によって挟まれたサバール板を物体面に（変調器とレンズとの間に）配置することは、
【数９】
0006657111.tif 000010
のインパルス応答をもつ位相弁別器を構成する方法の１つである。ここで、ｐは図１１Ａにおける理想的なデルタ関数１１２０および１１２５に類似した正および負のシンク関数の間の距離である。ｘ0はシンク関数の幅（第１のゼロクロス点）を決定し、ｘ0がゼロになるときにデルタ関数が得られる。（偏光子がクロスではなく平行であった場合、インパルス応答は
【数１０】
0006657111.tif 000011
となる。）図１０Ｂ、図１２および図１６に要約する４つの弁別器のそれぞれが、これらのインパルス応答関数のいずれかを生成することができる。
【０１１４】
ｈ（ｘ）のフーリエ変換Ｈ（ｋ）は、＋／−（λ／ｘ0）で切り取られたサイン関数である。サイン関数が、図１１Ａの面１１１５にプロットされているように、＋／−（λ／ｐ）で切り取られた場合、対応する線画像のピクセル強度は、ｓｉｎ2（ｘ−ａ）に比例する。ここで、「ａ］は直線状アレイの長さに沿った特定のピクセルの位置を表わしている。もし、サイン関数が光軸から＋／−（λ／ｐ）よりも遠く離れて切り取られたなら、線画像のピクセルはｓｉｎ2（ｘ）の空間的強度プロファイルを有するのではなく、四角になることになる。
【０１１５】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、例示的な変調器−弁別器の配置を示している。図１５の配置は、サインを検出するためのクロスした偏光子を備えた図１２Ｂの弁別器素子を用いた、図４Ａの軸から外れた配置である。位相変調器と図１２Ｂのレンズ１２６０などのレンズ（図１５には示されていない）との間にサバール板が配置されている。
【０１１６】
図１５Ａでは、入力光ビーム１５０５は反射位相変調器１５１０によって変調されて出力光ビーム１５１５を形成する。ステアリングミラー１５２０および１５２２は、光ビームを変調器にほぼ垂直に、変調器からおよび変調器へ誘導する。偏光子１５３０および１５３５は、それぞれの偏光軸が互いに垂直で、サバール板１５４０の光軸に対して４５°の方向に向けられている。入力光ビーム１５０５が、例えばレーザ光源のケースのようにすでに偏光されている場合、偏光子１５３０は不要である。
【０１１７】
図１５Ｂは、補償板１５４５を追加した図１５Ａと同じ配置を示している。この板は別のサバール板でもよいが、本明細書に記載されている光学システムの光位相弁別機能のいずれも実現する必要はない。しかしながら、その板は軸から外れた光について現れ得る副次的効果を低減するのに貢献し得る。
【０１１８】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、非偏光用の例示的な光学システムを示している。これらは、それぞれ図１０に関連して述べたアポダイゼーションフィルタと厚いホログラムである。図１０Ａは、フーリエ面における関数のフーリエ変換の掛け算が物体面におけるそれらの関数のコンボリューションに等しいことを示している。図１６Ａのシステムでは、直線状アレイ位相変調器からの光の電界プロファイルのフーリエ変換に、正弦波的に変化する光学密度をもつフィルタが掛け合わされる。これは、物体面における近接した正および負のデルタ関数（または実際ケースではシンク）と、変調器素子によって表わされる位相差とのコンボリューションに等しい。
【０１１９】
図１６Ａでは、線分１６０５は直線状アレイ光位相変調器の素子を表わしている。レンズ１６１０は、位相変調器素子とアポダイゼーションフィルタ１６１５との間に、焦点距離だけ離れて配置されている。後述するように、フィルタは正弦波的に変化する光学密度およびその範囲の半分に渡る位相シフトを有している。図１６Ｂでは、線分１６５５は直線状アレイ光位相変調器の素子を表わしている。レンズ１６６０は、位相変調器素子とフーリエ面１６６５との間に、焦点距離だけ離れて配置されている。厚いホログラム１６７０は物体面（ここに位相変調器の素子が置かれている）とレンズとの間に配置されている。Ｓｔｅｖｅｎ  Ｋ．  Ｃａｓｅは、通常は光学システムのフーリエ面にマスクを配置することによって実行されるフーリエ処理を、物体面に厚いホログラムを配置することによっても実行し得ることを指摘した（１９７９年、「物体面におけるフーリエ処理」、『Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ』、４、ｐｐ２８６−２８８（”Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｏｂｊｅｃｔ  ｐｌａｎｅ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ４，２８６−２８８、１９７９））。彼は、ホログラムは物体波の空間周波数スペクトルに作用する線形フィルタであることを示している。物体面におけるハイパス空間周波数フィルタは、フーリエ面における微分に等しい。図１０Ａの関係を使用して、所望のフーリエ面のマスクを生成するための物体面のホログラムを設計し得る。
【０１２０】
ここで、フィルタ１６１５などのアポダイゼーションフィルタを構成する方法を考える。図１７は、フーリエ面弁別器の理解を助けるための様々な関数関係を示している。図１７は、ａ〜ｄの４つのパネルを示している。パネル（ａ）は、図１６Ａに示されるようなシステムのフーリエ面に配置された場合に、そのシステムの物体面におけるエッジサンプリングの作用を提供することになる正弦波電界フィルタの関数形を示している。パネル（ｂ）は、パネル（ａ）のフィールドプロファイルに対応する強度プロファイルを示している。すなわち、（ｂ）にプロットされている関数は、（ａ）にプロットされている関数の２乗である。パネル（ｃ）は、パネル（ａ）の正弦波形状（実線）とパネル（ｂ）の強度プロファイルの平方根（点線）を比較している。強度の平方根（ｃ）を正弦波形状（ａ）と一致させるため、光学フィルタは（ｄ）に示されるような位相シフトと組み合わせて光学密度プロファイル（ｂ）を有する板で構成することができる。プロファイル（ｄ）は、例えば、極厚のガラスをフィルタの２分の１に付け加えることによって得られ得る。図１７は、サイン（位相差）弁別用のアポダイゼーションフィルタを構成するための関数関係を示している。この概念は、Ｏｔｉ他による天体観測に適用されてきた（２００５年、「光学微分コロナグラフ」、『アストロフィジカルジャーナル』、６３０、ｐｐ６３１−６３６（”Ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｏｎａｇｒａｐｈ”，  Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，  ６３０，  ６３１−６３６，  ２００５））。
【０１２１】
図１８に示すようにコサイン（位相類似度）弁別用のフィルタを構成するために、同様の概念を用い得る。図１８もフーリエ面弁別器の理解を助けるための様々な関数関係を示している。図１８は、ａ〜ｄの４つのパネルを示している。パネル（ａ）は、図１６Ａに示されるようなシステムのフーリエ面に配置された場合に、そのシステムの物体面においてエッジサンプリング作用を提供することになる正弦波電界フィルタの関数形を示している。パネル（ｂ）は、パネル（ａ）のフィールドプロファイルに対応する強度プロファイルを示している。すなわち、（ｂ）にプロットされている関数は、（ａ）にプロットされている関数の２乗である。パネル（ｃ）は、パネル（ａ）の正弦波形状（実線）とパネル（ｂ）の強度プロファイルの平方根（点線）を比較している。強度の平方根（ｃ）を正弦波形状（ａ）と一致させるため、光学フィルタは（ｄ）に示されるような位相シフトと組み合わせて光学密度プロファイル（ｂ）を有する板で構成することができる。プロファイル（ｄ）は、例えば、極厚のガラスをフィルタの一部に付け加えることによって得られ得る。図１８は、コサイン（位相類似度）弁別用のアポダイゼーションフィルタを構成するための関数関係を示している。
【０１２２】
直線状アレイ位相変調器によって表わされる位相プロファイルを、線画像を形成する強度プロファイルに変換するための光弁別器を、偏光および非偏光の両方について説明してきた。さらに、弁別器は、光学システムの物体面またはフーリエ面に配置された光学部品で設計することができる。
【０１２３】
先進技術
【０１２４】
他の用途のために２次元アレイを使用して、および位相弁別器を使用して線画像をインタリーブすることは、これまで説明した原理の拡張である先進技術の例である。
【０１２５】
これまで説明したディスプレイシステムは、そのピクセルが、隣り合った素子の間で生成される位相差の結果であるため、変調器素子の数と同じ数のピクセルを有する（走査された）線画像を生成する。インタリーブ技術を使用して、生成されるピクセル数を変調器素子の数の２倍に増やし得る。
【０１２６】
図１９は、交互走査に関して直線状アレイの出力をシフトする効果を示している。図１９では、１９０５、１９１５、１９２５、１９３５などの正方形は、直線状アレイ位相変調器の素子を表わしている。これらの素子から発生する光の位相差が、グラフ１９５０に実線で図式的にプロットされているピクセル強度に変換される。ピクセル強度はｓｉｎ2（Δφ／２）に比例する。ここで、Δφはアレイ素子の間の位相差である。グラフ１９５０に表わされるように、ピクセル強度対線画像に沿った位置は、ｓｉｎ2（ｘ−ａ）に比例する。ここで「ａ」は直線状アレイの長さに沿った特定のピクセルの位置を表わしている。例えば、破線の正方形１９１０、１９２０、１９３０、１９４０で表わされるように、位相変調器アレイの素子を素子の周期の２分の１だけシフトした場合、対応するピクセルはシフトされていないアレイによって生成されるピクセルとインタリーブされる。これらのピクセルの強度は、グラフ１９５０に破線でプロットされており、ｃｏｓ2（ｘ−ａ）に比例する。よって、本明細書に記載の弁別器を備えた直線状アレイ光位相変調器は、円滑にインタリーブすることができる線画像を生成することができる。これらの画像は、変調器素子の２倍のピクセルから構成されている。
【０１２７】
図２０は、直線状アレイディスプレイシステムの連続走査をインタリーブするために可能性のある１つの方法を示している。図２０では、表示または印刷のために、スキャナ２０３０が線画像２０３５および２０４５を、面２０４０を横切って交互に走査する。線画像２０３５および２０４５は、矢印２０５０で示すように、線画像に対して平行にスキャナ２０３０をわずかに傾斜させることによってインタリーブし得る。インタリーブするための別の方法としては、線画像を互い違いにするために直線状位相変調器を交互の位置の間でわずかに移動させるということがある。これは、例えば位相変調器をピエゾアクチュエータで揺り動かすことによって実現され得る。
【０１２８】
ここまで、説明したシステムおよび方法は、直線状アレイ光位相変調器に基づいてきた。しかしながら、これらのシステムおよび方法は、２次元位相変調器にも拡張し得る。２次元変調器は直線状アレイのアレイであると考えることができる。位相差（または位相類似度）弁別は、２次元アレイの１つの次元に沿って適用し得、アレイのもう一方の次元によって、線画像を走査する必要がなくなる。
【０１２９】
図２１は、有限差分を２次元位相変調器アレイに適用し得る方法を示している。図２１では、正方形２１０５、２１１５、２１２５、２１３５など、および２１０６、２１０７、２１０８など、および２１１６、２１１７、２１１８など、および２１２６、２１２７、２１２８などが、２次元位相変調器アレイの素子を表わしている。こうしたアレイの一例は、液晶位相変調器である。光位相差弁別器を使用してライン２１５０、２１５２、２１５４などに沿った素子の間の位相差を検出すると、２次元画像が形成される。こういった画像からの代表的なピクセル強度が図の軸２１５１、２１５３、２１５５などにプロットされている。
【０１３０】
図２２Ａおよび図２２Ｂは、実験的に得られた、直線状アレイ位相変調器からの光出力の画像である。実験は、３．７μｍピッチおよびπの位相シフトを生成するのに十分な行程長（例えば、図３ＢのΔｚを参照）を有するＭＥＭＳリボン変調器で実施した。個々のリボン制御によって、単純な電子システムで任意のパターンが生成されることを可能にした。図では、線画像のピクセルに対応する光変調器素子の相対位相を示すために、測定された光出力に重ねて白い棒が描かれている。
【０１３１】
本明細書、特に図１０、図１１、図１２および図１６に記載されている光弁別器は、ディスプレイ、印刷およびリソグラフィ以外の目的に使用し得る。こういった弁別器は、例えば光学データストレージの読み出しに使用し得る。光ディスク（コンパクトディスク、映像ディスクなど）に記録されたビットは、ディスク上のピットまたはランドで反射される光の差を検出する光学システムによって読み出される。ここで記載される位相差弁別器を使用して、例えば光ディスクからの複数の並列チャネルのデータを読み出し得る。
【０１３２】
位相変調器の隣り合った素子の間の位相差を検出することに基づいたディスプレイシステムについて説明してきた。これらのシステムは位相変調器の素子と同じ数の表示画像のピクセルを生成する。場合によっては、インタリーブ技術を使用して２倍の数のピクセルが生成される。
【０１３３】
本明細書での実施形態の開示から当業者は容易に理解するであろうように、現在存在しているかまたは開発される、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同じ機能を果たすかまたは実質的に同じ結果を達成するプロセス、機械、製造物、手段、方法またはステップを、本発明に準じて利用し得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、そのようなプロセス、機械、製造物、手段、方法またはステップを含むことを意図するものである。
【０１３４】
システムおよび方法について上述した実施形態の例示は、全てを網羅することを意図しておらず、またシステムおよび方法を開示されるそのままの形態に限定することを意図するものでもない。システムおよび方法の具体的な実施形態および例は、例示の目的のために本明細書に記載しているのであって、当業者は理解するであろうように、システムおよび方法の範囲内で様々な同等な変更が可能である。本明細書に提供されるシステムおよび方法の教示は、上述のシステムおよび方法に対してのみならず、他のシステムおよび方法にも適用することができる。
【０１３５】
一般に、以下の請求項において、使用される用語は、システムおよび方法を本明細書および請求項に開示される具体的な実施形態に限定するものと解釈されてはならず、本請求項にしたがって作用する全てのシステムを含むものと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によって限定されることはなく、代わりに、システムおよび方法の範囲は請求項によって完全に決定されるべきものである。
［書類名］特許請求の範囲
［請求項１］
光源と、
前記光源によって生成される光の位相を変調する素子の直線状アレイを含む位相変調器と、
隣り合った変調器素子からの光の間の位相差を線画像のピクセルに変換する光位相弁別器と、
画面を横切って前記線画像を走査して２次元画像を生成するスキャナと
を備えるディスプレイ。
［請求項２］
前記光源がレーザである、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項３］
前記光源が発光ダイオードである、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項４］
前記光源がアーク灯である、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項５］
前記位相変調器の前記素子が反射型である、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項６］
前記位相変調器の前記素子が微小電気機械リボンである、請求項５に記載のディスプレイ。
［請求項７］
前記位相変調器の前記素子が透過型である、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項８］
前記位相変調器の前記素子が液晶変調器である、請求項７に記載のディスプレイ。
［請求項９］
前記位相変調器が前記位相弁別器の物体面に存在し、かつ前記位相弁別器がサバール板を備える、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１０］
前記位相変調器が前記位相弁別器の物体面に存在し、かつ前記位相弁別器がウォラストンプリズムを備え、前記ウォラストンプリズムが前記位相弁別器のフーリエ面で作用する、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１１］
前記位相変調器が前記位相弁別器の物体面に存在し、かつ前記位相弁別器が厚いホログラムを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１２］
前記位相変調器が前記位相弁別器の物体面に存在し、かつ前記位相弁別器がアポダイゼーションフィルタを備え、前記アポダイゼーションフィルタが前記位相弁別器のフーリエ面で作用する、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１３］
前記位相弁別器が物体面インパルス応答
【数１１】
0006657111.tif 000012
（式中、ｐは前記位相変調器の素子の空間的周期であり、ｘ0は定数である）をもつ、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１４］
前記位相弁別器が物体面インパルス応答
【数１２】
0006657111.tif 000013
（式中、ｐは前記位相変調器の素子の空間的周期であり、ｘ0は定数である）をもつ、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１５］
前記スキャナが揺動ミラーである、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１６］
前記スキャナが回転プリズムである、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１７］
前記線画像のピクセル数が変調器素子の数と同じである、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１８］
前記線画像の明ピクセルが隣り合った変調器素子の間の非ゼロ位相差に対応する、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項１９］
前記線画像の暗ピクセルが隣り合った変調器素子の間の非ゼロ位相差に対応する、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項２０］
前記スキャナの連続走査によって生成される線画像が、前記線画像に対して平行にずらせることによってインタリーブされる、請求項１に記載のディスプレイ。
［請求項２１］
物体面およびフーリエ面を有するレンズと、
前記物体面に位置する位相変調器であって、前記変調器は空間的周期ｐを有する素子の直線状アレイを含み、素子に入射する光の位相を各素子が独立して変化させることができる位相変調器と、
前記位相変調器の前記素子からの光の位相をサンプリングする光学部品であって、前記部品は前記物体面において
【数１３】
0006657111.tif 000014
（式中、ｘは前記直線状アレイに対して平行な空間座標であり、ｘ0は定数である）で与えられるインパルス応答を有する光学部品と
を備える光学システム。
［請求項２２］
前記光学部品が前記位相変調器と前記レンズとの間に位置するサバール板を備える、請求項２１に記載のシステム。
［請求項２３］
前記光学部品が前記フーリエ面に位置するウォラストンプリズムを備える、請求項２１に記載のシステム。
［請求項２４］
前記光学部品が前記位相変調器と前記レンズとの間に位置する厚いホログラムを備える、請求項２１に記載のシステム。
［請求項２５］
前記光学部品が前記フーリエ面に位置するアポダイゼーションフィルタを備える、請求項２１に記載のシステム。
［請求項２６］
前記光学部品が前記フーリエ面において
【数１４】
0006657111.tif 000015
（式中、λは光の波長）で切り取られた１周期のサイン関数であるインパルス応答を有する、請求項２１に記載のシステム。
［請求項２７］
物体面およびフーリエ面を有するレンズと、
前記物体面に位置する位相変調器であって、前記変調器は空間的周期ｐを有する素子の直線状アレイを含み、素子に入射する光の位相を各素子が独立して変化させることができる位相変調器と、
前記位相変調器の前記素子からの光の前記位相をサンプリングする光学部品であって、前記部品は物体面において
【数１５】
0006657111.tif 000016
（式中、ｘは前記直線状アレイに対して平行な空間座標であり、ｘ0は定数である）で与えられるインパルス応答を有する光学部品と
を備える光学システム。
［請求項２８］
前記光学部品が前記位相変調器と前記レンズとの間に位置するサバール板を備える、請求項２７に記載のシステム。
［請求項２９］
前記光学部品が前記フーリエ面に位置するウォラストンプリズムを備える、請求項２７に記載のシステム。
［請求項３０］
前記光学部品が前記位相変調器と前記レンズとの間に位置する厚いホログラムを備える、請求項２７に記載のシステム。
［請求項３１］
前記光学部品が前記フーリエ面に位置するアポダイゼーションフィルタを備える、請求項２７に記載のシステム。
［請求項３２］
前記光学部品が前記フーリエ面において
【数１６】
0006657111.tif 000017
（式中、λは光の波長）で切り取られた１周期のコサイン関数であるインパルス応答を有する、請求項２７に記載のシステム。
［請求項３３］
その長さに沿って位相ステッププロファイルを生成することができる直線状アレイ位相変調器と、
前記位相ステッププロファイルを明ピクセルおよび暗ピクセルを含む線画像に変換する光位相弁別器とを備え、
前記線画像のピクセルは非ゼロ復帰逆転符号化で前記位相プロファイルにマップされる
光学システム。
［請求項３４］
光源と、
前記光源によって生成される光の位相を変調する素子の２次元アレイを備える位相変調器と、
変調器素子からの光の間の位相差を２次元画像のピクセルに変換する光位相弁別器と
を備えるディスプレイ。
［請求項３５］
前記２次元アレイが直線状アレイのアレイを備え、かつ前記位相差が位相差弁別器によってピクセル強度に変換される、請求項３４に記載のディスプレイ。
［請求項３６］
前記２次元アレイが直線状アレイのアレイを備え、かつ前記位相差が位相類似度弁別器によってピクセル強度に変換される、請求項３４に記載のディスプレイ。
［請求項３７］
前記位相変調器が液晶位相変調器である、請求項３４に記載のディスプレイ。
［書類名］要約書
［要約］
ディスプレイシステムは直線状アレイ位相変調器および位相エッジ弁別器光学システムに基づいている。
[書類名]図面
［図１］
0006657111.tif 000018
［図２］
0006657111.tif 000019
［図３Ａ］
0006657111.tif 000020
［図３Ｂ］
0006657111.tif 000021
［図４Ａ］
0006657111.tif 000022
［図４Ｂ］
0006657111.tif 000023
［図４Ｃ］
0006657111.tif 000024
［図５］
0006657111.tif 000025
［図６］
0006657111.tif 000026
［図７］
0006657111.tif 000027
［図８］
0006657111.tif 000028
［図９Ａ］
0006657111.tif 000029
［図９Ｂ］
0006657111.tif 000030
［図１０Ａ］
0006657111.tif 000031
［図１０Ｂ］
0006657111.tif 000032
［図１１Ａ］
0006657111.tif 000033
［図１１Ｂ］
0006657111.tif 000034
［図１２Ａ］
0006657111.tif 000035
［図１２Ｂ］
0006657111.tif 000036
［図１３］
0006657111.tif 000037
［図１４］
0006657111.tif 000038
［図１５Ａ］
0006657111.tif 000039
［図１５Ｂ］
0006657111.tif 000040
［図１６Ａ］
0006657111.tif 000041
［図１６Ｂ］
0006657111.tif 000042
［図１７］
0006657111.tif 000043
［図１８］
0006657111.tif 000044
［図１９］
0006657111.tif 000045
［図２０］
0006657111.tif 000046
［図２１］
0006657111.tif 000047
［図２２Ａ］
0006657111.tif 000048
［図２２Ｂ］
0006657111.tif 000049
付記Ｂ（Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ｂ）（米国特許出願第１３／６５７，５３０号明細書）
［発明の名称］ＭＥＭＳリボンアレイ光変調器用低電圧駆動
［技術分野］
【０１３６】
本開示は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リボンアレイに基づく光変調器用電子駆動システムに関する。
［背景技術］
【０１３７】
ＭＥＭＳリボンアレイは、多くの異なる種類の高速光変調器の中で有益であると証明されてきた。ＭＥＭＳリボンアレイに基づく異なる種類の光変調器のいくつかの例が、米国特許第７，０５４，０５１号明細書、米国特許第７，２７７，２１６号明細書、米国特許第７，２８６，２７７号明細書および米国特許第７，９４０，４４８号明細書の中に記載されている。
【０１３８】
図１Ａは、ＭＥＭＳリボンアレイ１０５の概念的な図面である。リボン、例えば１１０、１１５は基板１２０の上方に取り付けられる。リボンと基板との間に電圧を印加することによって、リボンが基板に向かって偏向する。例えば、リボン１１０は偏向され、一方、リボン１１５は弛緩されている。アレイ中のＭＥＭＳリボンについての典型的な寸法は、数十から数百ミクロンの長さ、数ミクロンの幅、および１ミクロンの何分の１かの厚みである。リボンは、窒化ケイ素から作製され、アルミニウムによって被覆され得る。
【０１３９】
ＭＥＭＳリボンは、わずか１０ナノ秒の間に弛緩状態と偏向状態との間で切り替えることができる。相当する速いピクセル切替え速度は、ＭＥＭＳリボンの直線状アレイが２次元光変調器のジョブを行うことができることを意味する。直線状アレイ変調器によって生成されるライン画像は、２次元シーンを描くために左右に延びることができる。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］米国特許第７，０５４，０５１号明細書
［特許文献２］米国特許第７，２７７，２１６号明細書
［特許文献３］米国特許第７，２８６，２７７号明細書
［特許文献４］米国特許第７，９４０，４４８号明細書
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］
【０１４０】
高速リボンは、それらを駆動するために高速の電子信号を必要とする。典型的なＭＥＭＳアレイは、４分の１光学波長で偏向するために、基板から１０〜１５ボルトの電位差が必要である。何百メガヘルツで１０〜１５ボルトを切り替えることは、特別注文の電子ドライバ回路を必要とすることが多い特別なタスクである。ＭＥＭＳリボンアレイが従来の高速デジタル電子回路によって駆動され得るならば、より便利になるであろう。ＭＥＭＳとＣＭＯＳ回路との間の統合がより緊密であるほど、例えば、ＭＥＭＳ直線状アレイが集積回路用の光学出力ステージとして考えられることにつながる可能性がある。
［図面の簡単な説明］
【０１４１】
［図１Ａ］ＭＥＭＳリボンアレイの概念的図である。
［図１Ｂ］ＭＥＭＳリボンに接続された信号電圧供給源およびバイアス電圧供給源を示す概略図である。
［図１Ｃ］ＭＥＭＳリボンアレイおよび付随する光学素子、制御信号電圧供給源およびバイアス電圧供給源を含むＭＥＭＳ光変調器の概念的ブロック図である。
［図２］図１Ｂに示されるようなＭＥＭＳリボンについての変位対電圧挙動を示す図である。
［図３］ＭＥＭＳ光変調器用のピクセル強度対電圧のグラフである。
［図４Ａ］バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイ内のリボン変位の概念的図である。
［図４Ｂ］バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についての変位対電圧のグラフである。
［図４Ｃ］バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についてのピクセル強度対変位のグラフである。
［図４Ｄ］バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についてのピクセル強度対電圧のグラフである。
［図５Ａ］バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイ内のリボン変位の概念的図である。
［図５Ｂ］バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についての変位対電圧のグラフである。
［図５Ｃ］バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についてのピクセル強度対電圧のグラフである。
［図６］最大ピクセル強度を得るために必要な電圧が、いずれの場合も１つに対して正規化されるように調整された、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器についてのピクセル強度対電圧のグラフである。
［図７Ａ］リボン駆動スキームについての概略図である。
［図７Ｂ］ＭＥＭＳリボンアレイ内のリボン変位の概念的図である。
［図８］従来の擬似バイポーラリボン駆動スキーム内の連続的フレームについてのタイミング図である。
［図９］バイアス電圧および信号電圧を使用する擬似バイポーラリボン駆動スキーム内の連続的フレームについてのタイミング図である。
［図１０］バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器について、測定されたピクセル強度対電圧のグラフである。
［図１１］最大ピクセル強度を得るために必要な電圧が、いずれの場合も１つに対して正規化されるように調整された、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器について、測定されたピクセル強度対電圧のグラフである。
［発明を実施するための形態］
【０１４２】
ＭＥＭＳリボンアレイ光変調器用の低電圧駆動システムが、ＤＣバイアス電圧およびリボン非線形変位特性を利用するために連続的に加えられる低電圧リボン制御信号に基づく。図１Ｂは、この配置の概略図を提供する。図１Ｂでは、ＭＥＭＳリボン１２５が基板１３０の上方に吊設されている。制御信号電圧ＶSIG１３５およびバイアス電圧ＶBIAS１４０が、リボンと基板との間に組合された電圧を印加するために、直列に接続されている。リボンと基板との間の電位差によって、リボンが破線の曲線によって示されるようにΔｚの量だけ基板に向かって偏向する。
【０１４３】
図１Ｂは、信号電圧源およびバイアス電圧源に接続されたリボンを１つだけ示す。典型的なＭＥＭＳリボンアレイ光変調器では、全てのリボンがバイアス電圧源に接続される。例えば、多くの場合にアレイ内の１つ置きのリボンである、リボンのサブセットが、バイアス電圧源と直列に信号電圧源に接続される。このサブセット内のリボンは「可動」リボンと呼ぶことができるが、一方、信号電圧ではなく、バイアス電圧に接続されるリボンは「静止」リボンと呼ぶことができる。可動リボンは、互いに独立して偏向する。各可動リボンに印加される信号電圧が任意の他のリボンに印加される信号電圧と同様である場合があり、または異なる場合がある。事実上、各可動リボンは、それ自体の信号電圧源を有する。実際に、１つの信号電圧源が、多重化技術によって複数のリボンを駆動することができる。したがって、「信号電圧源」という用語が、異なる信号電圧を異なるリボンに供給することができる供給源を意味する。
【０１４４】
図１Ｃは、ＭＥＭＳリボンアレイおよび付随する光学素子、制御信号電圧供給源およびバイアス電圧供給源を含むＭＥＭＳ光変調器の概念的ブロック図である。焦点レンズ、位相弁別器、ビームスプリッタ、走査ミラーなどの光学の詳細部品は、図面を分かり易くするために省かれている。変調器は、直列のバイアス電圧および信号電圧によって駆動されるＭＥＭＳリボンアレイを含む。図１Ｃ変調器のような変調器は、投影型ディスプレイ、マイクロディスプレイ、プリンタおよび数ある他の用途の中の３Ｄ奥行取得システム中に使用され得る。
【０１４５】
ＭＥＭＳリボン挙動をより接近して観察することは、図１Ｂおよび図１Ｃの直列に接続されたバイアス電圧供給源および制御信号電圧供給源がＭＥＭＳリボンアレイの低電圧作動につながる過程を説明することに役立つ。特に、図２は、図１Ｂに示されるようなＭＥＭＳリボンについて変位（すなわち、Δｚ）対電圧挙動を図示する。図２では、変位が、電圧が全く印加されない弛緩状態のリボンと基板との間の距離に正規化される。言い換えれば、変位が１に等しい場合、リボンは基板に接触する。電圧のユニットは、任意である。
【０１４６】
破線は、リボンが電気的にコンデンサとして、および機械的にばねとして扱われるモデルに従って計算されたリボン変位を描いている。リボン変位が１／３に到達する場合、システムは不安定になり、リボンは基板までスナップダウンする。前記別の方法では、位相のスロープ対電圧曲線はその点で無限大になる。スナップダウンを回避するために、ほとんどのＭＥＭＳリボンアレイ機器は、スナップダウン電圧未満の電圧で作動される。
【０１４７】
実線は、実際のリボン変位曲線に対する近似値を描く。この近似値では、変位は電圧の２乗に比例する。Ｖ2近似値が実際の変位を過小評価することが明白であるが、しかし、それがスナップダウン電圧から離れていることはかなり正確である。
【０１４８】
コンデンサ−ばねモデルおよびそれに対するＶ2近似値の両方が、非線形挙動を表わす。電圧が上昇するにつれて、リボン１ユニットを偏向させるために必要な追加の電圧が減少する。図３は、ＭＥＭＳリボンアレイに基づく、光学変調器のためのこの挙動の影響を図示する。図３はピクセル強度対電圧のグラフであり、その場合ピクセル強度は、多くの種類のＭＥＭＳリボン光変調器についての場合と同様に、リボン変位のサイン２乗に比例する。ピクセル強度は、その最大値まで正規化されるが、一方、電圧調整は、ＭＥＭＳリボンアレイ機器の特徴を示す。図３では、リボンを４分の１光学波長（λ／４）偏向させるために必要な電圧ΔＶ1は、１０Ｖである。これは、ピクセル強度
【数１７】
0006657111.tif 000050
につながる。リボンをλ／４からλ／２変位まで偏向させるために必要な追加の電圧ΔＶ2は、Ｉ＝０である場合、わずかに約４Ｖである。
【０１４９】
次いで、電圧上でのピクセル強度の非線形依存性の利用が、さらに詳細に説明される。比較のために基線を設定するために、最初に、０バイアス電圧によるリボン挙動を考察されたい。図４Ａは、バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイ内のリボン変位の概念的図である。図４Ａには、リボン４０５および４１０（断面で観察される）が、高さＺ0で基板上方に静止している。リボン４１５および４２０（やはり断面で観察される）は、印加された電圧の影響下で基板に向かって偏向する。
【０１５０】
図４Ｂ〜図４Ｄは、それぞれ、バイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器用の変位対電圧、ピクセル強度対変位、およびピクセル強度対電圧のグラフである。図４Ｂは、変位が電圧の２乗に比例するという近似値を使用して、リボン変位対電圧のグラフである。図４Ｃはピクセル強度対変位のグラフであり、その場合ピクセル強度が変位のサイン２乗に比例する。最後に、図４Ｄは、ピクセル強度対電圧のグラフであり、その場合ピクセル強度は、電圧の２乗のサイン２乗に比例する。
【０１５１】
図４Ｂ〜図４Ｄのグラフは、ユニット電圧がユニット変位につながり、ユニット変位がユニットピクセル強度につながるように正規化される。（Ｚ−Ｚ0）＝λ／４（４分の１波長）のリボン変位が、典型的なリボンに基づく光変調器の中で最大ピクセル強度につながるので、ユニット電圧およびユニット電圧が生成する変位が、「ＶQW」と表示されている。次いで図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｄが、バイアスの影響を図示する図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃと比較され得る。
【０１５２】
図５Ａは、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイ内のリボン変位の概念的図である。図５Ａでは、リボン５０５および５１０（断面で観察される）は、それらを高さＺ0から高さＺ1まで基板の上方に偏向させるＤＣバイアス電圧の影響下にある。リボン４１５および４２０（やはり断面で観察される）は、同じ電圧によってバイアスされ、追加の信号電圧の影響下でそれらは高さＺ1からさらに基板に向かって偏向する。
【０１５３】
図５Ｂは、リボン５１５および５２０についての変位対電圧のグラフである。図５Ｂでは、変位の目盛りが、バイアスされた高さＺ1から開始する追加の変位を表示し、電圧の目盛りがＤＣバイアス電圧に印加された信号電圧を表示する。ユニット変位がλ／４のリボン移動に相当するように、変位の目盛りが正規化される。図５Ｂのユニット電圧が図４Ｂのユニット電圧と同じ大きさを有するように、電圧の目盛りは正規化される。
【０１５４】
図５Ａの中でリボンを高さＺ1まで偏向させ、図５Ｂおよび図５Ｃに示される結果に影響を及ぼすＤＣバイアス電圧は、図４Ｂ、図４Ｄ、図５Ｂおよび図５Ｃのグラフの目盛り上でユニットの大きさを有する。この例では、バイアス電圧はＶQW、すなわち（Ｚ1−Ｚ0）＝λ／４である。図５Ｂは、追加のλ／４リボン変位を得るために必要な信号電圧（バイアス電圧に連続的に印加される）の大きさが約０．４１であることを示す。これはＺ0からＺ1の第１のλ／４リボン変位を得るために必要な電圧の５９％未満である。
【０１５５】
図５Ｃは、ピクセル強度対電圧のグラフであり、その場合ピクセル強度は、電圧の２乗のサイン２乗に比例する。ユニットのピクセル強度が最大であるように、ピクセル強度目盛りは正規化される。電圧の目盛りは、ＤＣバイアス電圧に印加された信号電圧を表示し、図５Ｂと同様の方法で正規化される。図５Ｃは、最大ピクセル強度を得るために必要な信号電圧（バイアス電圧に連続的に印加される）の大きさが約０．４１であることを示す。これは図４Ａのバイアスされないリボンなどのバイアスされないリボンを含む最大ピクセル強度を得るために必要な電圧の５９％未満である。
【０１５６】
図５Ａ〜図５Ｃの例のために選択されたバイアス電圧は１つの可能性に過ぎない。より低いバイアス電圧は、特定の量でリボンを偏向させるために必要な追加の信号電圧のさほど飛躍的ではない減少をもたらす。バイアス電圧がより大きいと、追加の信号電圧に対してリボン偏向の感度がよりいっそう高くなる結果をもたらす。しかし、バイアス電圧が大きすぎる場合、スナップダウンが発生する可能性がある。
【０１５７】
リボン変位対印加電圧の非線形特性によって、制御信号電圧の適切な範囲が暗から明まで全明変調につながるように、光変調器設計者がバイアス電圧を選択することが可能になる。これらの非線形特性の原因について、完全ではないが直観的な説明は、ＭＥＭＳリボンのような帯電された物体上に力がＦ＝ｑＥによって与えられ、その場合ｑが電荷であり、Ｅが電界であるということに留意することによって得ることができる。リボン上に蓄積される電荷ｑがｑ＝ＣＶによって与えられ、その場合Ｃはリボンおよび基板システムの静電容量であり、Ｖはその間の電圧である。電界ＥがＶ／ｄによって与えられ、その場合Ｖはリボンと基板との間の電圧であり、ｄはその間の距離である。したがって、力ＦはＶの２乗に依存し、すなわち、力ＦはＶ2に依存する。大ざっぱに言えば、バイアス電圧の影響は、リボン上に蓄積する電荷、およびＶの１つの因子を供給するものと考えられ得る。次いで、信号電圧がＶの追加的因子を供給する。これは、バイアス電圧が存在する場合、リボン変位が、印加される信号電圧にほぼ直線的に反応することを意味する。
【０１５８】
リボン変位が、実際的にＶの線形関数であるならば、そのときピクセル強度は、ｓｉｎ2（Ｖ2）ではなく、ｓｉｎ2（Ｖ）に比例するであろう。この極限に接近するリボン挙動が、図６に図示されている。図６は、最大ピクセル強度を得るために必要な電圧が、いずれの場合も１つに対して正規化されるように調整された、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器について、ピクセル強度対電圧のグラフである。言い換えれば、図６は、同じグラフ上に、図４Ｄの曲線（破線）および図５Ｃの曲線（実線）を示すが、しかし、図５Ｃの電圧は、最大ピクセル強度に到達するために必要な追加の信号電圧が、約０．４１ではなくユニット電圧であるように調整されている。再調整が、暗から明の全範囲にわたって、強度対電圧曲線の関数形式を図示する。
【０１５９】
図６の点線の曲線は、リボン変位がＶの線形関数であるならば、光学変調器の中で得られることになるピクセル強度関数ｓｉｎ2（Ｖ）である。リボンがバイアスされる場合、それらの制御信号電圧に対する反応は、この線形状態により緊密に近似するということが、図６の中で理解され得る。デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）がリボン制御信号を生成するために使用される場合、ピクセル強度の全範囲がアクセス可能な別々の出力電圧のＤＡＣの組にわたってより均等に分配されるので、図６の中の点線（ｓｉｎ2（Ｖ））または実線（バイアスされた）の曲線のようなピクセル強度関数が、破線（バイアスなし）の曲線にまさって好適である。
【０１６０】
リボンと基板との間の電界の方向を定期的に変化させることによって、ユニポーラ電力供給を使用しても、潜在的に有毒なリボン帯電現象が回避されるということが、「Ｐｓｅｕｄｏ  Ｂｉｐｏｌａｒ  ＭＥＭＳ  Ｒｉｂｂｏｎ  Ｄｒｉｖｅ（擬似バイポーラＭＥＭＳリボン駆動）」（２０１０年１０月２２日にＹｅｈおよびＢｌｏｏｍによる米国特許第１２／９１０，０７２号明細書）の中で指摘された。ＭＥＭＳ光変調器に供給されるビデオ情報の交互のフレーム中で、変化が行われることが多い。その出願の中で開示される方法は、電圧Ｖ下のリボンによって経験される力が電圧−Ｖ下で経験される力と同じであるという特性に依存している。（米国特許第１２／９１０，０７２号明細書の中に使用される「ｂｉａｓ  ｒｉｂｂｏｎ（バイアスリボン）」という用語が、本明細書で考察されるバイアス電圧またはバイアスされたリボンとは異なる概念に言及しており、それと混同されるべきではないということに留意されたい。）
【０１６１】
図７Ａは、リボン駆動スキームについての概略図である。図７Ａでは、コンデンサ７０５がＭＥＭＳリボンアレイの中の可動リボンの電気的特性を表示し、一方、コンデンサ７１０は、アレイの中の静止リボンの電気的特性を表示する。可動リボンは、異なるピクセル強度を生成するように偏向を変化させるリボンであるが、一方、静止リボンはそうではない。電圧源７１５および７２５は、それぞれ、可動リボンおよび静止リボンに接続されている。電圧源７２０は、リボンの共通の基板に接続されている。電圧源７１５、７２０および７２５は、ＶACTV（可動リボン）、ＶSUB（基板）およびＶSTAT（静止リボン）である。電圧バイアスが以下に説明されるように使用される場合、これらの電圧供給源は、直列に接続されたバイアス電圧および信号電圧を含むことができる。
【０１６２】
図４Ａおよび図５Ａに類似して、図７Ｂは、ＭＥＭＳリボンアレイの中のリボン変位の概念的図である。静止リボンは変位Ｚ2に留まるが、一方、可動リボンの変位がそれらに印加される電圧に依存して変化する。変位Ｚ2は、必ずしもリボンの弛緩状態ではない。
【０１６３】
図８は、低電圧作動を達成するためにリボンバイアス技術を利用しない擬似バイポーラリボン駆動スキーム内の連続的フレームについてのタイミング図である。（より詳細な考察について、ＹｅｈおよびＢｌｏｏｍを参照されたい。）タイミング図の中で、フレーム１、２および３は、リボンアレイが１組のライン画像のために構成される間の時間を表示する。フレーム１および３の間に、静止リボンおよび基板が接地に留まり、一方、可動リボンは、最大ピクセル強度に対して必要な電圧であるＶMAXまでの電圧によって制御される。前述のように、この電圧は、典型的なＭＥＭＳリボンアレイについては約１５Ｖと同じ程度であることができる。フレーム２の間に、可動リボンは接地に留まるが、一方、静止リボンおよび基板は、０とＶMAXとの間で変化する。Ｅ電界はフレームごとに方向を切り替え、電荷の蓄積を防止するが、しかしバイアスをしないので制御電圧はやはり１０〜１５Ｖの範囲にある。
【０１６４】
図９は、バイアス電圧および信号電圧を使用する擬似バイポーラリボン駆動スキーム内の連続的フレームについてのタイミング図である。ここで、各フレームの間、可動リボンが０からＶSIGの間で変化し、静止リボンがＶSIGまたは０に留まる。基板は、フレームごとに、−（ＶMAX−ＶSIG）からＶMAXまでの範囲にわたって変化する。実際は、ＶSIGは約５Ｖ以下であることができるが、一方、ＶMAXは約１０〜１５Ｖであることができる。基板をバイアスすることによって、可動リボンを偏向させるために必要な制御電圧の大きさを低減する。制御電圧は、ビデオデータの各列につき変化するが、バイアス電圧はフレームごとに変化するだけである。したがって、バイアス電圧は、何千倍もより高速に変化することができる信号電圧と比較して「ＤＣ（直流）」と考えられる。
【０１６５】
低減された信号電圧によるリボン制御を証明するために、ＭＥＭＳリボンアレイを用いて実験が実施された。アレイ内のリボンは、アルミニウムで被覆された窒化ケイ素から作製され、長さ約２５０μｍ、幅約４μｍおよび厚み約０．１５μｍであった。それらは、約０．４５μｍのエアギャップ、および厚み約２．７５μｍの絶縁二酸化ケイ素層によって導電性基板から分離された。（これらの距離のそれぞれは、ＭＥＭＳリボンアレイの概念から逸脱せずに、プラスマイナス５０％だけ変化することができる。）図１０および図１１は、実験の結果を図示する。
【０１６６】
図１０は、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器について、測定されたピクセル強度対電圧のグラフである。図１０では、曲線１０１０が、バイアスされない電圧による従来のリボン駆動についてデータを表示する。曲線１００５は、１０Ｖバイアス電圧供給源と直列である制御信号によって駆動されるアレイについてデータを表示する。図面から、そのバイアスされた位置（約４Ｖ）を越えてリボンをλ／４だけ偏向させるために必要な制御信号電圧が、重要なことに、バイアスされないリボンをλ／４（約１１Ｖ）だけ偏向させるために必要な電圧よりも小さい。
【０１６７】
図１１は、最大ピクセル強度を得るために必要な電圧が、いずれの場合も１つに対して正規化されるように調整された、バイアスされたＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器およびバイアスされないＭＥＭＳリボンアレイに基づく光変調器について、測定されたピクセル強度対電圧のグラフである。（この図面は、図６に類似する。）図１１では、曲線１１０５および１１１０が、図１０の曲線１００５および１０１０と同じデータを表示する。しかし、図１１では、ユニット電圧が最大ピクセル強度を生成するように、各曲線についての電圧目盛りが正規化されている。図面から、バイアスされたリボンが、バイアスされないリボンよりもより直線的ピクセル強度反応を提供することが明らかである。これによって、明るい状態から暗い状態まで均等に輝度レベルにアクセスするための高分解能ＤＡＣに対する必要性が減少する。
【０１６８】
前述のように、リボンの非線形偏向特性が、それらを作動するために必要な制御信号電圧を減少させるために使用され得る。これらの技術は、複数の方法に拡大され得る。例えば、最良の光学的コントラストが、通常モード、すなわち、全てのリボンが同じバイアス電圧によってバイアスされ、交互の（「可動」）リボンが、連続的にバイアスを加えられた信号電圧によって制御されるモードで作動されるＭＥＭＳリボンアレイから得られる。しかし、ＭＥＭＳリボンアレイは、このように作動される必要はない。例えば、全てのリボンが弛緩されている、ゼロ電圧状態にある場合でも、基板上方の静止リボンの高さが可動リボンの高さとは異なるように、固定（「静止」）リボンは製造され得る。
【０１６９】
第２に、バイアス電圧に加えられる制御電圧は、陽電気またはさらにユニポーラである必要はない。可動リボンは中間の明状態にバイアスされ、次いで、全体に明から暗を通して、ＡＣ制御信号電圧によってバイアスされ得る。
【０１７０】
最後に、透明な電極がリボン上方に配置され、電気的に基板に接続され得る。次いで、リボンと電極−基板との間に印加されるバイアス電圧が、リボンを全く偏向させずに、制御信号電圧に対するリボンの感度を高める効果を有する。
【０１７１】
これら全ての技術の主題は、印加された電圧に対するＭＥＭＳリボンの感度を高め、それによってより低い信号電圧作動を可能にするために、ＤＣバイアス電圧を使用することである。
【０１７２】
開示される実施形態の上記の説明は、当業者が本発明を作製し、使用することができるように提供される。これらの実施形態に対して様々な修正形態が当業者にとってすぐに明らかになり、本明細書で定義される原理は、本開示の範囲から逸脱せずに他の実施形態に応用され得る。したがって、本開示は、本明細書で示される実施形態に限定されるようには意図されるのではなく、しかし、本原理および本明細書で開示される新規な特徴に矛盾しない最も広い範囲に一致するものと意図される。
［書類名］特許請求の範囲
［請求項１］
基板上方に吊設されたＭＥＭＳリボンのアレイと、
バイアス電圧源と、
信号電圧源と
を備えるＭＥＭＳ光変調器であって、
前記バイアス電圧源、前記信号電圧源および前記アレイ内のリボンが直列に接続されて、前記バイアス電圧がゼロよりも大きい場合、信号電圧に対するリボンの偏向感度が高まるように、前記リボンと前記基板との間に全体的な電位差を生成する、ＭＥＭＳ光変調器。
［請求項２］
前記バイアス電圧が、前記アレイ内の各リボンに接続され、前記信号電圧源が前記アレイ内の前記リボンのサブセットに、前記バイアス電圧源と直列に接続される、請求項１に記載の変調器。
［請求項３］
前記サブセットが、前記アレイ内の１つ置きのリボンである、請求項２に記載の変調器。
［請求項４］
リボンと基板との間の電界の方向が定期的に交互になるように、前記バイアス電圧源および前記信号電圧源が、信号を変化させる、請求項１に記載の変調器。
［請求項５］
前記アレイ内の各リボンの長さ、幅および厚みが、それぞれ、約２５０μｍ、４μｍおよび０．１５μｍであり、前記リボンが、窒化ケイ素および反射性金属被覆から作製される、請求項１に記載の変調器。
［請求項６］
ＭＥＭＳリボンに基づく光変調器を駆動するための方法であって、
基板上方に吊設されたＭＥＭＳリボンのアレイを用意することであって、前記アレイが可動リボンと、静止リボンとを備えること、
信号電圧に対する前記リボンの偏向感度を高めるために、前記リボンの前記それぞれと前記基板との間にバイアス電圧を印加すること、
前記アレイ内の可動リボンに対して前記バイアス電圧と直列に信号電圧を印加すること、
および
各リボンに印加される前記信号電圧を変化させることによって、前記可動リボンの偏向を制御すること
を含む方法。
［請求項７］
前記アレイ内の１つ置きのリボンが、可動リボンである、請求項６に記載の方法。
［請求項８］
前記バイアス電圧源および前記信号電圧源を定期的に変化させることによって、リボンと基板との間の電界の方向を定期的に交互にすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
［書類名］要約書
［要約］
信号電圧を制御するために、直列バイアス電圧がＭＥＭＳリボンの感度を高める。印加された電圧上でのリボン偏向の非線形依存性によって、この効果が得られる。結果として生じるＭＥＭＳリボンの低電圧作動は、ＭＥＭＳリボンを高速電子機器により適合させる。
[書類名]図面
［図１Ａ］（先行文献）
0006657111.tif 000051
［図１Ｂ］
0006657111.tif 000052
［図１Ｃ］
0006657111.tif 000053
［図２］
0006657111.tif 000054
［図３］
0006657111.tif 000055
［図４Ａ］
0006657111.tif 000056
［図４Ｂ］
0006657111.tif 000057
［図４Ｃ］
0006657111.tif 000058
［図４Ｄ］
0006657111.tif 000059
［図５Ａ］
0006657111.tif 000060
［図５Ｂ］
0006657111.tif 000061
［図５Ｃ］
0006657111.tif 000062
［図６］
0006657111.tif 000063
［図７Ａ］
0006657111.tif 000064
［図７Ｂ］
0006657111.tif 000065
［図８］（先行文献）
0006657111.tif 000066
［図９］
0006657111.tif 000067
［図１０］
0006657111.tif 000068
［図１１］
0006657111.tif 000069
付記Ｃ（Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ｃ）（米国特許第８，３６８，９８４号明細書）
［発明の名称］擬似バイポーラＭＥＭＳリボン駆動
［技術分野］
【０１７３】
本開示は、全体に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光リボン装置用の電気的駆動方法の分野に関する。
［背景技術］
【０１７４】
ＭＥＭＳリボン装置は、グレーティングライトバルブ、干渉ＭＥＭＳ変調器、ＭＥＭＳ位相アレイおよびＭＥＭＳ光学位相変調器を含む高速光変調器の複数の種類の中で使用される。これらの光変調器技術のそれぞれは、例えば、パーソナルディスプレイ、投影ディスプレイまたは印刷用途の中で採用され得る。
【０１７５】
ＭＥＭＳリボンは、それらが設計される特定の用途に依存して様々な形状および寸法に作製されるが、しかし、典型的なリボンは、長さ約５０〜３５０ミクロン、幅約２〜１０ミクロン、および厚み約０．１〜０．３ミクロンであることができる。リボンは、電界を加えることによってそれらが引き付けられる基板から約０．２〜０．５ミクロン離間して吊設される。これらの近似寸法のリボンは、わずか数十ナノ秒間に静止位置と偏向位置との間で移動することができる。
【０１７６】
高速ＭＥＭＳリボン装置は、リボンの直線状アレイが表示領域を横切って走査されるライン画像を変調するディスプレイ設計をもたらしてきた。リボンは非常に速く移動するので、リボンの直線状アレイはライン画像の連続を生成することができて、人間の観察者にちらつきを全く感じさせずに２次元画像を形成することができる。２次元ではなく、直線状に光を変調するので、アレイは、高価なシリコンチップという物的財産を効率的に使用する小型変調器をさらにもたらす。
【０１７７】
したがって、ＭＥＭＳ直線状アレイ光変調器は、ＣＭＯＳ製造工程に統合するために魅力的な候補である。ＭＥＭＳ直線状アレイは、集積回路用の光学出力ステージであると考えることさえ可能である。多くのＣＭＯＳ電子駆動チップがユニポーラ供給電圧によって作動するが、しかし、ユニポーラ駆動はリボン装置と共に必ずしもうまく機能するとは限らない。極端な場合、ユニポーラ電源から駆動されるリボンが、作動の数分後でさえも反応することができない。
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］
【０１７８】
したがって、必要とされるのは、リボンおよびＣＭＯＳ電子機器が緊密に統合され得るように、ユニポーラ電源を使用して、ＭＥＭＳリボン装置を駆動するためのロバスト方法である。
［図面の簡単な説明］
【０１７９】
［図１Ａ］ＭＥＭＳリボンおよび基板の断面図である。
［図１Ｂ］図１Ａに示される構造のための均等な回路を示す図である。
［図２Ａ］異なる状態下で、リボンと基板との間の電界の方向を示す図である。
［図２Ｂ］異なる状態下で、リボンと基板との間の電界の方向を示す図である。
［図３］帰線時間を含む、５０％放電デューティーサイクル駆動シナリオによる、擬似バイポーラにおける電圧および電界のグラフである。
［図４］５０％未満の放電デューティーサイクルによる、擬似バイポーラ駆動シナリオにおける電圧のグラフである。
［図５Ａ］電荷テストデータを示す図である。
［図５Ｂ］電荷テストデータを示す図である。
［発明を実施するための形態］
【０１８０】
以下に説明される擬似バイポーラＭＥＭＳリボン駆動方法は、さもなければ、ユニポーラＣＭＯＳ電子機器がＭＥＭＳリボン装置を駆動するために使用される場合に発生する可能性がある困難を回避するために設計される。ＭＥＭＳリボン装置は、典型的には、高応力ストイキ窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の蒸着を含む高温のケイ素半導体製造工程を使用して作製される。ＭＥＭＳの中に高応力層を使用することは一般的ではないが、しかし、リボンの場合、ストイキ窒化ケイ素の高い引張応力が、リボンが急速に移動することを可能にする張力源である。
【０１８１】
リボンと基板との間に電圧が印加される場合、リボンは基板に引き付けられる。リボン上に働く力は、生成される電界の２乗に比例する。窒化ケイ素は絶縁体であるので、リボンと二酸化ケイ素基板層との間のギャップは、それに隣接する導体を全く含まない。リボンと基板との間に電圧が印加される場合、絶縁体はギャップのどちら側にも表面電荷を蓄積する。これらの表面電荷が、ギャップ内の電界の強度を変化させ、所与の印加された電圧についてリボンの移動が経時的に変化する。
【０１８２】
リボンに印加される電圧が常に同じ信号である場合、表面電荷が蓄積する。ユニポーラ電源による簡単な駆動回路は、この現象の原因となる。しかし、力が電界の信号から独立しているので、同じ大きさであるが反対方向の電界が、等しいリボン偏向を生成する。したがって、表面電荷蓄積現象は、一部の時間には一方の方向（例えば、リボンから基板まで）を向くが、残りの時間には反対方向に向く電界によって作動することによって低減され得る。擬似バイポーラＭＥＭＳリボン駆動方法の原理および詳細は添付の資料と連携して次に詳しく説明する。
【０１８３】
図１Ａは、ＭＥＭＳリボンおよび基板の断面図である。図面の中で、高応力ストイキ窒化ケイ素１０５が、ＭＥＭＳリボンの中の構造層である。リボンは、二酸化ケイ素層１１０がその上に成長したケイ素基板１１５から小さいギャップで分離されている。アルミニウム導電層１２０が、高温ステップが完了する後、バックエンド処理中に窒化リボン上に蒸着され得る。（他の工程が、同じ構造を作製するために使用され得る。）一例の構造では、リボンは、長さ約２００ミクロン、幅約３ミクロンであり、層の厚みは、概ね、アルミニウムが６００オーグストローム、ストイキ窒化ケイ素が１５００オーグストローム、および二酸化ケイ素が２ミクロンである。窒化物層と酸化物層との間のエアギャップ（事前にアモルフォスケイ素犠牲層によって充填される）は、約０．４ミクロンである。（これらの寸法は、関係する規模の感覚を提供するためにのみ提供され、それらは限定するように意図されるのではない。）
【０１８４】
図１Ａの中の１２５、１２６、１２７、１２８、１２９、１３０、１３１および１３２など、プラス（＋）およびマイナス（−）の符号は、構造内の電荷の蓄積を示す。特に、リボンと基板との間のギャップ内の１２５、１２６、１２７および１２８などの表面電荷が、接続部１４０を経てアルミニウム層に印加されるＶRと接続部１４５を経てケイ素基板に印加されるＶSとの間の電位差から発生する電界の大きさを変化させる。ユニポーラ駆動回路が使用される場合、ＶRは常にＶSよりも大きい（または常に未満である）。バイポーラまたは擬似バイポーラ駆動回路が使用される場合、状態は、ＶR＞ＶSとＶR＜ＶSとの間で交替する。
【０１８５】
図１Ｂは、図１Ａに示される構造に対して均等な回路である。図１Ｂでは、図１Ａと同様に、ＶRおよびＶSは、それぞれリボンに印加される電圧および基板に印加される電圧である。コンデンサＣ1、Ｃ2およびＣ3が、それぞれ窒化物層、エアギャップおよび酸化物層の静電容量を表わす。以下の、窒化物層の縁部の周りの漏れＲ1、エアギャップの周りの漏れＲ2、アルミニウム層から酸化物層までの漏れＲ3、酸化物層の表面に沿った漏れＲ4、および窒化物層からケイ素基板までの漏れＲ5という回路内の抵抗によって表わされる複数の高抵抗電流漏れ経路が存在する。他の漏れ経路および絶縁層内のトラップ電荷に起因する現象が起こり得るが、図１に図示される反対の符号による表面電荷の蓄積をもたらす可能性がある。
【０１８６】
実際に、Ｃ1からＣ3まで、およびＲ1からＲ5までの正確な値を確認することは困難である可能性があるが、しかし、全体の構造が１つの漏れ抵抗を含む単一の平行なプレートコンデンサであると考えられる場合、そのとき、帯電時間定数は、Ｔ＝ＲleakＣairである。一例の構造では、Ｔは１０3秒までである。
【０１８７】
図２Ａおよび図２Ｂは、異なる状態下でリボンと基板との間の電界の方向を図示する。図２では、リボン２０５の概略断面図が基板２１０の近傍に示されている。図２Ａでは、リボンと基板との間の電圧が、基板よりもリボンの方がより正に帯電されており、結果として生じる電界Ｅの方向が、リボンから基板へ向かう。図２Ｂでは、その反対が当てはまり、リボンと基板との間の電圧が、リボンよりも基板の方がより正に帯電されており、結果として生じる電界Ｅの方向が、基板からリボンへ向かう。しかし、Ｅの大きさが同じであるならば、そのとき、リボンと基板との間に働くＥ2に比例する力が、図２Ａおよび図２Ｂの両方で同じである。
【０１８８】
バイポーラ電源が利用可能である場合、図２Ａのシナリオと図２Ｂのシナリオとの間の切替えは、例として、異なる極性の電圧源をリボンに接続するという事態であるが、一方で、基板は接地された状態に留まる。ユニポーラ電源だけが利用可能である場合、基板だけを常に接地している状態に残すのではなく、リボンおよび基板の両方の電位を制御することによって同じ現象を得ることができる。この作動モードは、「擬似バイポーラ」と呼ばれている。
【０１８９】
図３は、帰線時間を含む、５０％の放電デューティーサイクル駆動シナリオの擬似バイポーラによる、電圧および電界のグラフを示す。図３では、グラフ３０５がリボン電圧対時間を示し、一方、グラフ３１０は、基板電圧対時間を示す。グラフ３１５は、リボンと基板との間の電界の強さおよび極性を描く。図面の左手側から出発して、右に時間が経過するにつれて、電圧＋Ｖが、持続時間ｔ1の間、リボンに印加される。この時間中、基板電圧はゼロであり、リボンから基板へ向かう方向の電界は大きさＥの正電気である。次いで、持続時間ｔ2の間、リボンおよび基板に印加される電圧は両方ともゼロであり、それらの間の電界も同様である。次いで、電圧＋Ｖが、持続時間ｔ1の間、基板に印加される。この時間中、リボン電圧はゼロであり、リボンから基板へ向かう方向の電界は大きさＥの負電気である。次いで、持続時間ｔ2の間、リボンおよび基板に印加される電圧は両方とも＋Ｖであり、間の電界はゼロである。その後、サイクルは繰り返す。
【０１９０】
図３では、時間ｔ1は、リボンと基板との間に生成される電界の２乗に比例する静電力によって、リボンが偏向される時間である。交互のｔ1時間の間、電界の方向は逆である。駆動スキームのこの特性が、リボン装置内の表面電荷の蓄積を低減し、またはなくする。電界が半分の時間に２つの方向のいずれかに向くので、放電デューティーサイクルは５０％である。時間ｔ1は、「フレーム」時間と呼ばれ、それは、画像データが、アレイ内でどのリボンがどれだけの量で偏向されるのかを決定する時間である。一例の設計では、ｔ1は約１４ｍｓである。時間ｔ2の間、リボンおよび基板に印加される電圧は等しく、したがって、電界はゼロであり、表面電荷は蓄積しない。時間ｔ2は、「帰線」時間と呼ばれ、それは、リボンが偏向されず、走査ミラーまたは他の走査機構が開始点に戻ることができる時間である。一例の設計では、ｔ2は約３ｍｓである。
【０１９１】
図３では、フレームデータは、かなり退屈な全て白色の画像をもたらす、フレーム時間全体に対して単純に最大のリボン偏向である。実際の画像についてのデータは、フレーム時間中、複雑な変調パターンを含むであろう。しかし、図３は、画像データの複雑さに関わらず、リボン偏向信号の極性を図示する。
【０１９２】
画像データが、１つのフレームから次のフレームまで著しく異なるとすれば、図３の駆動スキームは、やはり帯電現象につながるであろう。実際に、これは小さい現象であるが、しかし、１度は正のリボンおよび接地された基板、１度は接地されたリボンおよび正の基板というように、連続して２度各画像フレームを表示することによって、これをなくすことができる。このようにして、画像データに関わらず、平均電界は常にゼロである。その代償は、フレーム速度は２倍になったが、しかしＭＥＭＳリボンが非常に速く移動するので、上昇したフレーム速度が、表示されるピクセルの数に依存して調節される可能性があるということである。
【０１９３】
図４は、５０％未満の放電デューティーサイクルを含む、擬似バイポーラ駆動シナリオによる電圧を図示する。図４では、グラフ４０５が、基板電圧対時間を示し、一方、グラフ４１０および４１５は電圧対、２つの隣接するリボン、ぞれぞれ「バイアス」リボンおよび「可動」リボンについての電圧対時間を示す。バイアスリボン４２０、可動リボン４２５および基板４３０が、ビデオ稼働時間の間４４０、および帰線空白時間の間４４５で概略的に図示されている。
【０１９４】
全てのリボンアレイ装置が、バイアスリボンおよび可動リボンを使用するわけではない。使用される場合、バイアスリボンは、ビデオディスプレイシステムの中で暗レベルに対して静止微調整を行う方法を提供する固定リボンに取って代わる。バイアスリボンは、ビデオ稼働時間中でもやはり静止した状態に留まる。帰線空白時間中のその移動は、以下に説明される擬似バイポーラ駆動スキームの副産物である。
【０１９５】
図４の左手側から出発して、右に時間が経過するにつれて、基板はゼロに等しく、電圧＋Ｖ2がバイアスリボンに印加され、電圧＋Ｖ3が可動リボンに印加される。これは、ビデオ稼働時間中に最大輝度ピクセルについての状態である。次いで、持続時間ｔ4の間、バイアスリボンおよび可動リボンはゼロ電圧である。この帰線空白時間ｔ4以内に、持続時間ｔ5の間、電圧＋Ｖ1が基板に印加される。次いで、ビデオ稼働時間ｔ3中に、バイアスリボンおよび可動リボンに正電圧が印加され、基板にゼロ電圧が印加される状態に戻る。
【０１９６】
ビデオ稼働時間ｔ3の間、バイアスリボン４２０は、わずかに偏向されて、暗レベルを較正し、一方、可動リボン４２５は、表示されるべきビデオデータに従って偏向される。４４０で、可動リボンが、最大電圧＋Ｖ3の印加に一致する最大偏向で図示されている。帰線空白時間ｔ4の間に、バイアスリボンおよび可動リボンが同じ量で偏向され、暗状態を保証する。電界の方向は、ビデオ稼働時間と比較すると、帰線空白時間中は逆であり、したがって、表面電荷の蓄積を低減する。電圧が基板に印加される間の時間ｔsは、フレームの開始または終了時に擬似光信号の可能性を低減するために、全体の帰線空白時間ｔ4よりもわずかに短い。一例の設計では、ｔ3は約１４ｍｓであり、ｔ4は約３ｍｓであり、ｔ2は約２ｍｓである。放電デューティーサイクルは、ｔs／（ｔ3＋ｔ4）またはこの場合約１２％である。（放電デューティーサイクルは、電界がビデオ稼働／帰線空白サイクル中に１つの特定の方向に向く間の時間の分数として定義される。定義によれば、放電デューティーサイクルは５０％以下である。）
【０１９７】
図４の擬似バイポーラ駆動スキームは放電デューティーサイクルが５０％未満であるにも関わらず、良好な実験結果を提供した。いくつかのＭＥＭＳリボンアレイ装置探索テーブルが、所望の量だけリボンを偏向させるためにはどれだけの電圧が必要であるかを記憶するために使用される。図３の擬似バイポーラ駆動スキームは２つのそのような探索テーブル、１つの正のリボン電圧および１つの正の基板電圧を必要とする可能性がある。しかし、図４の擬似バイポーラ駆動スキームは１つの探索テーブルだけを必要とし、それは可動リボンがビデオ稼働時間中にそれに印加される正電圧を常に有するからである。
【０１９８】
いくつかの場合、図３の擬似バイポーラ駆動スキームは、２進演算の特性を利用することによって、１つの探索テーブルだけによってもやはり作動され得る。ディスプレイのためのリボン偏向レベルが、例えばＮビット２進数によって表示される場合、そのとき、極性フレームを交替させるためにそのようなレベルが、２N−１という２進表示からの引き算によって関連付けられる。一例として、リボンが正で、基板が接地されている作動の間、所望の量でリボンを偏向するために必要な電圧が、（１０１０１１０１）によって表わされるならば、そのとき、リボンが接地され、基板が正の作動中に、同じ量でリボンを偏向させるために必要な相当する電圧は、（０１０１００１０）によって表わされる。２つのフレームの間の差は、リボン偏向電圧の２進法表示の中で、１を０と交換し、およびその逆に交換することによって決定され得る。
【０１９９】
図４の擬似バイポーラ駆動スキーム内での電荷蓄積を防止することは、Ｖ1とＶ3との間の関係に依存する。通常は、Ｖ1がチップ上で利用できる最大電圧、例えば供給電圧であるように選択され、一方、Ｖ3はビデオ内容と共に絶えず変化する。一般に、Ｖ1とＶ3との間の差が大きいほど、ｔsはより短くなる可能性があるが、一方で表面電荷の蓄積をやはり防止する。
【０２００】
図５Ａおよび図５Ｂは、電荷テストデータを示す。図５Ａは、基板に対して、一定電圧が印加されるリボンについてのデータを示す。図５Ｂは、それぞれ図３および図４に図示される擬似バイポーラ駆動スキーム、５０％放電デューティーサイクルおよび１２％放電デューティーサイクルに従って駆動されるリボンについてのデータを示す。両方の図面の中で、水平軸はユニット時間内の時間であり、一方、垂直軸は、リボンに基づく光変調器のピクセル強度である。ピクセル強度は、リボンの偏向に直接関係する。
【０２０１】
図５Ａでは、三角形が、リボンに印加される一定電圧がオンにされた後、約１．７５時間、２．５時間および３．５時間で取得されるデータ点を示す。一定の印加される電圧に反応するリボンの偏向は、時間が経過するにつれて確実に増加する。３．５時間後、このテスト中のリボンは印加される電圧の変化に、もはや反応しなかった。表面電荷の蓄積が、大きくなりすぎたのである。
【０２０２】
図５Ｂでは、正方形が５０％の放電デューティーサイクル下のリボンについて取得されたデータ点を示し、ダイヤ形が１２％の放電デューティーサイクル下のリボンについて取得されたデータ点を示し、両方の場合に２０時間以上の期間にわたる。図５Ｂの中の強度ユニットは、任意であり、正方形のデータ点がダイヤ形のデータ点よりも高い強度であるように見える事実に重要性はない。両方の組のデータ点が、擬似バイポーラ駆動スキームが一貫性のあるリボン偏向対数時間にわたって印加される電圧につながることを示す。各テストの終了時に、リボンが、テストの開始時に反応したのと同様に、印加された電圧に反応した。
【０２０３】
擬似バイポーラ駆動スキームの実施形態が、接地に対する正電圧に関して説明された。しかし、明らかに負の電圧が使用され得る。
【０２０４】
結果として、上記に説明される擬似バイポーラＭＥＭＳリボン駆動方法は、ユニポーラＣＭＯＳ電子機器がＭＥＭＳリボン装置を駆動するために使用される場合に、さもなければ発生する可能性がある困難な点を回避するために設計される。ＭＥＭＳリボン構造内の表面電荷の蓄積が低減され、またはなくなり、その結果、リボン反応の劣化が全くなしに、リボンは電気信号によって無限に制御され得る。
【０２０５】
開示される実施形態の上記の説明は、当業者が本開示を作製し、使用することができるように提供される。これらの実施形態に対して様々な修正形態が当業者にとってすぐに明らかになり、本明細書で定義される原理は、本開示の範囲から逸脱せずに他の実施形態に応用され得る。したがって、本開示は、本明細書で示される実施形態に限定されるようには意図されるのではなく、しかし、本明細書で開示される原理および新規な特徴に矛盾しない最も広い範囲に一致するものと意図される。
［書類名］特許請求の範囲
［請求項１］
１組のリボンおよび共通電極を含むＭＥＭＳリボン装置であって、コンデンサとして形成される場合、時定数Ｔで帯電することを特徴とする装置を用意すること、および
第１の組の信号が、第１の組のリボン電圧、および前記第１の組のリボン電圧と同じ極性を含み、かつ前記第１の組のリボン電圧と大きさが等しいまたはより小さい第１の一定の共通電極電圧によって表示される第１の構成と、
第２の組の信号が、第２の組のリボン電圧、および前記第２の組のリボン電圧と同じ極性を含み、かつ前記第２の組のリボン電圧と大きさが等しいまたはより大きい第２の一定の共通電極電圧によって表示される第２の構成との２つの交互の構成で前記装置に駆動信号を送信すること
を含む、ＭＥＭＳリボン装置を駆動するための方法。
［請求項２］
前記第２の組のリボン電圧が、
（ａ）前記第１の組のリボン電圧と、前記第１の構成の中の前記第２の組の信号を表示するために必要とされる前記第１の一定の共通電極電圧との間の差の大きさを決定すること、および
（ｂ）前記第２の一定の共通電極電圧から（ａ）の中で決定された大きさを差し引くこと
によって決定される、請求項１に記載の方法。
［請求項３］
全ての電圧が、接地に対して正である、請求項１に記載の方法。
［請求項４］
全ての電圧が、接地に対して負である、請求項１に記載の方法。
［請求項５］
前記第１の一定の共通電極電圧が、接地に対して約ゼロである、請求項１に記載の方法。
［請求項６］
前記第２の一定の共通電極電圧が、前記ＭＥＭＳリボン装置が製造されるチップの供給電圧に概ね等しい、請求項１に記載の方法。
［請求項７］
前記共通電極が、前記ＭＥＭＳリボン装置が製造されるチップの基板である、請求項１に記載の方法。
［請求項８］
前記第１の組の信号と前記第２の組の信号とが異なる、請求項１に記載の方法。
［請求項９］
前記第１の組の信号と前記第２の組の信号とが同じである、請求項１に記載の方法。
［請求項１０］
前記第１の構成の中の前記信号が、画像データを表示する、請求項１に記載の方法。
［請求項１１］
前記第１の構成の中の前記信号が、ビデオデータを表示する、請求項１に記載の方法。
［請求項１２］
前記第２の構成の中の前記信号が、画像データを表示する、請求項１に記載の方法。
［請求項１３］
前記第２の構成の中の前記信号が、ビデオデータを表示する、請求項１に記載の方法。
［請求項１４］
前記信号が、前記時間の５０％で前記第１の構成の中にあり、前記時間の５０％で前記第２の構成の中にある、請求項１に記載の方法。
［請求項１５］
前記信号が、前記時間の５０％未満で前記第１の構成の中にある、請求項１に記載の方法。
［請求項１６］
前記信号が、前記時間の５０％未満で前記第２の構成の中にある、請求項１に記載の方法。
［請求項１７］
前記信号が、画像フレームに分類される画像データを表示し、各画像フレームが、前記第１の構成で１回送信され、かつ前記第２の構成で１回送信される、請求項１に記載の方法。
［請求項１８］
前記２つの信号の構成が、時間Ｔ未満で交替する、請求項１に記載の方法。
［請求項１９］
前記リボンが、前記リボン内のストイキ窒化ケイ素層の中の引張応力に起因して、緊張状態にある、請求項１に記載の方法。
［書類名］要約書
［要約］
ＭＥＭＳリボン装置を駆動するための擬似バイポーラ方法が、装置内の帯電現象を低減する。
[書類名]図面
［図１Ａ］
0006657111.tif 000070
［図１Ｂ］
0006657111.tif 000071
［図２Ａ］
0006657111.tif 000072
［図２Ｂ］
0006657111.tif 000073
［図３］
0006657111.tif 000074
［図４］
0006657111.tif 000075
［図５Ａ］
0006657111.tif 000076
［図５Ｂ］
0006657111.tif 000077
付記Ｄ（Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ｄ）（米国特許第７，２８６，２７７号明細書）
［発明の名称］偏光変調器
関連技術の相互参照
【０２０６】
本出願は、２００４年１１月２６日に出願された米国特許第１０／９０４，７６６号明細書の一部継続出願である、２００５年８月３日に出願された米国特許第１１／１６１，４５２号明細書の一部継続出願であり、その両方が参照として本明細書に組み込まれる。
［技術分野］
【０２０７】
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］
【０２０８】
テレビや映画のプロジェクタなどのディスプレイ装置は、光を２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む場合が多い。例えば、映画リールのフレームは、プロジェクタ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形状および色へと変調する。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オンおよびオフにするために用いられる。
【０２０９】
テキサスインスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）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、かつ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て、明るいピクセルまたは暗いピクセルを形成する。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号明細書を参照されたい。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オンおよびオフにすることが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号明細書を参照されたい。
【０２１０】
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両方とも、光変調器素子の２次元アレイを伴う。しかし、高速光変調器の直線状アレイ上に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、２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が形成され得る。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２次元表示を提供す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号明細書を参照されたい。
【０２１１】
Ｍａｎｈａｒｔは、グレーティングライトバルブアレイおよび干渉光システムを含むディスプレイ装置を導入した。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号明細書を参照されたい。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）アレイを採用する。システムは、画像表示に関して、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提供する。表示画像は、入射位相差波面から直接的にまたは間接的にやはり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って提供される。
【０２１２】
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信され得る。例えば、一部の時間だけピクセルをオンにすることによりグレースケール画像が達成され得る。５０％のデューティーサイクルで明から暗へと切り替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であろう。しかし、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の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２次元デジタル光変調器は、明と暗との間の光レベルの範囲を表示するために、状態間で急速に切り替わらなければならない。
【０２１３】
それを２次元として表わすために振動ミラーによって走査される１次元デジタル光変調器アレイは、速い切替え速度を含む変調器を組み込まなければならない。各変調器要素は、グレースケールの印象を与えるためにすばやくオンおよびオフに切り替わらなければならず、かつこの動作は、ミラーの走査周期内で１つのライン内のピクセルごと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速い切替え速度を示す。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つ置きに静電的に偏向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、格子をオンまたはオフに切り替える。また、１次元または２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作動させることも可能である（多くの場合に所望される）。
【０２１４】
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号明細書を参照されたい。Ｇｕｄｅｍａｎの光変調器は、リボン構造に基づくファブリー・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計の形状をなしている。
【０２１５】
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Ｓｔａｎｆｏｒｄ／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、すで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号明細書を参照されたい。
【０２１６】
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２次元ミラーアレイとして供給される。通常、２次元変調器アレイは、１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。２次元アレイは、大きなチップ面積にわたって欠陥のないＮ×Ｎピクセルの製造を必要とするが、一方、同じ画像分解能を有する１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。
【０２１７】
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、反射状態または反射構成と、回折状態とを含む。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、これらの２つの次数では、約８０％の光だけが集められる。
【０２１８】
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号明細書の「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。
【０２１９】
米国特許第１０／９０４，７６６号明細書において、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、次いで、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。次いで、再結合ビームの偏光が、偏光ビームスプリッタによって分解される。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、次いで、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。
【０２２０】
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、わずかに異なる変位をなす領域を含み、それによって反射時に光ビームをわず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）リボンアレイ装置が提供され、その装置は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。
【０２２１】
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号明細書の「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、および、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。
【０２２２】
米国特許第１１／１６１，４５２号明細書において、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ことに役立つ。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、または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、かつ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それらの偏光成分が再結合され、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、電子画像データ（光変調命令）を実際の光変調へ変換する。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］米国特許第４，７１０，７３２号明細書
［特許文献２］米国特許第５，３１１，３６０号明細書
［特許文献３］米国特許第５，９８２，５５３号明細書
［特許文献４］米国特許第６，０８８，１０２号明細書
［特許文献５］米国特許第６，４６６，３５４号明細書
［特許文献６］米国特許第６，７２４，５１５号明細書
［特許文献７］米国特許第１０／９０４，７６６号明細書
［特許文献８］米国特許第１１／１６１，４５２号明細書
［発明の概要］
［発明が解決しようとする課題］
【０２２３】
しかし、さらなる開発が常に可能である。でき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であろう。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いくつかの用途について、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が必要とされる。
【０２２４】
図面は、分かり易くするために発見を助ける。
［図面の簡単な説明］
【０２２５】
［図１Ａ］図１Ａは、様々な偏光分離光学素子の概略図である。
［図１Ｂ］図１Ｂは、様々な偏光分離光学素子の概略図である。
［図１Ｃ］図１Ｃは、様々な偏光分離光学素子の概略図である。
［図１Ｄ］図１Ｄは、様々な偏光分離光学素子の概略図である。
［図２Ａ］図２Ａは、偏光変調器の設計を示す図である。
［図２Ｂ］図２Ｂは、偏光変調器の設計を示す図である。
［図３Ａ］図３Ａは、小型偏光変調器の設計を示す図である。
［図３Ｂ］図３Ｂは、小型偏光変調器の設計を示す図である。
［図４Ａ］図４Ａは、接近観察用の偏光変調器の設計を示す図である。
［図４Ｂ］図４Ｂは、接近観察用の偏光変調器の設計を示す図である。
［図５Ａ］図５Ａは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［図５Ｂ］図５Ｂは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［図５Ｃ］図５Ｃは、ＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［図６Ａ］図６Ａは、図５Ａに示される装置の概略断面図である。
［図６Ｂ］図６Ｂは、図５Ａに示される装置の概略断面図である。
［図７Ａ］図７Ａは、開口を含むＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［図７Ｂ］図７Ｂは、開口を含むＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［図８］図７Ａに図示される開口よりも幅広い開口を有するＭＥＭＳ光位相シフト装置の概略図である。
［発明を実施するための形態］
【０２２６】
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。光伝搬は、波動特性および偏光を含む複雑な様々な現象を含む。関連出願米国特許第１０／９０４，７６６号明細書および、米国特許第１１／１６１，４５２号明細書では、光波の位相をシフトするＭＥＭＳ装置と組み合わされた偏光干渉計を備える新規な種類のディスプレイシステムが導入された。
【０２２７】
これらの新規なシステムでは、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ことに役立つ。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、かつ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、電子画像データ（光変調命令）を実際の光変調へ変換する。
【０２２８】
米国特許第１０／９０４，７６６号明細書および米国特許第１１／１６１，４５２号明細書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または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、単一のリボンまたはカンチレバーの異なる部分から反射された光から由来することを意味する。
【０２２９】
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、２つ以上のリボンまたはカンチレバーから反射される光から由来する。さらに、本明細書には、小型偏光変調器および接近観察用のディスプレイ用の光学的設計も開示されている。ＭＥＭＳ光位相シフト装置用の設計は、高パワーハンドリングのための最適化を含んで提供される。
【０２３０】
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。次いで、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目は、光の偏光成分を分離し、その結果、そ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ことである。
【０２３１】
図１Ａ〜図１Ｄは、様々な偏光分離光学素子を概略的に示す。図１Ａ〜図１Ｄに示される要素は、関連出願である米国特許第１０／９０４，７６６号および米国特許第１１／１６１，４５２号に導入されているが、追加の特徴が本明細書で説明される。
【０２３２】
図１Ａにはウォラストンプリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ  ｐｒｉｓｍ）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す。図１Ｃはサバール板（Ｓａｖａｒｔ  ｐｌａｔｅ）を示している。図１Ｄは一般化された偏光変位装置を示している。
【０２３３】
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および１１４に分割する。光ビーム１１２および１１４は、異なる角度でプリズムから出射するので、互いから無限に離れて伝搬する。ウォラストンプリズムは、光軸が矢印１０８および１１０によって示されるように配向された２片の材料１０４および１０６から構成される。
【０２３４】
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および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され得る。加えて、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の小さい調整を行うために使用され得る。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場合に役立つ。
【０２３５】
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および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含むこと、すなわち、光ビームが、それらが互いに対して平行に偏光変位装置を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。間隔ｄは、θが小さい角度である場合、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。
【０２３６】
通常は、可能な場合はいつでも、２つの光学構成要素を１つの光学構成要素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に示されるサバール板によって達成される。サバール板は、その上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実施例である（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実施例である）。図１Ｃでは、入力光ビーム１２２は、直交する偏光成分１３２および１３４へ分割される。サバール板は、光軸が矢印１２８および１３０によって示されるように配向された、２片の材料１２４および１２６から構成される。矢印１３０は、それがページ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、ページ面と４５度の角度をなしている。
【０２３７】
距離Ｌ1およびＬ2は、サバール板の厚さが光ビーム１３２および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計され得る。加えて、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）傾けられ得る。傾けることは、分離距離ｄの小さい調整を行うために使用され得る。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場合に役立つ。
【０２３８】
一般に、任意の装置は、図１Ｄに示される効果を含む限り、偏光変位装置として使用され得る。入射光ビーム１６２は、互いに直交するように偏光されている２つの平行光ビーム１６４および１６６に分離される。同等に、偏光ビーム１６４および１６６が入力と見なされる場合、装置がそれらの偏光ビームを１つのビーム１６２に結合する。次いで、ビーム１６２の偏光は、ビーム１６４および１６６の偏光成分の相対位相によって決定される。
【０２３９】
本明細書、米国特許第１０／９０４，７６６号明細書および米国特許第１１／１６１，４５２号明細書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、ロションプリズムまたはセナルモンプリズム、サバール板あるいはその変形、あるいは同じ効果を含む任意の他の光学構成要素から作製され得る。
【０２４０】
図２Ａおよび図２Ｂは、偏光変調器の設計を示す。図２Ａおよび図２Ｂは、垂直方向から見た同じ設計の透視図である。便宜上、図２Ａを「上面」図と呼ぶことができ、一方図２Ｂを「側面」図と呼ぶことができる。
【０２４１】
両方の図において、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、様々な光学素子を通して伝搬する。ＭＯＰＤ２２０から光源２０２に向かって戻る経路上で、光の一部が偏光ビームスプリッタ２０６によってレンズ２０８に向かって偏向される。これは図２Ｂだけに示されており、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。
【０２４２】
光源２０２からの光は、異なる面内で異なる場所に集光される。例えば、図２Ａでは、光は、光源２０２からレンズ２０４に向かって発散している。実際に、光源は、光がレンズ２０４と２１２との間で平行になるように、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、図２Ｂの中で垂直方向から観察されると、光源２０２からの光は概ね平行になっている。したがって、光は、レンズ２０４を通過してレンズ２０４および２１２の組み合わされた焦点距離に概ね等しい距離だけ移動し、レンズ２１２を通過した後、ＭＯＰＤ２２０に到達する場合に概ね平行になる。
【０２４３】
均等な説明は、ＭＯＰＤ２２０で光が、細幅のスリット状の断面に集光されるということである。ＭＯＰＤ２２０で、光は、図２Ａの紙面に対して垂直方向に、かつ図２Ｂの紙面内で伸張している。以下に説明されるように、ＭＯＰＤ２２０内の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内の対応する高い輝度について有利である。
【０２４４】
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号明細書および米国特許第１１／１６１，４５２号明細書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、偏光変調器の作動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り替えられることができる。
【０２４５】
図２Ａおよび図２Ｂの中の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号明細書および米国特許第１１／１６１，４５２号明細書に記載される以前の設計の空間的関係とは異なる。以前の設計では、偏光変位装置は、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に光を分離した。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、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るスリット形状ビームに光を分離する。これは、図２Ｂに点線で示されており、図２Ｂでは、点線がＭＯＰＤ２２０で距離ｄだけ変位されるシステム内の光の部分を示す。この変位は、それが紙面に対して垂直であるので、図２Ａでは見ることができない。
【０２４６】
ＭＯＰＤ２２０に到達する光の偏光成分は、ＭＯＰＤ内のリボンに対して垂直にオフセットされる。これは図７Ａにも示されており、例えばこの場合、領域７３４（濃い破線によって境界されている）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る直交する偏光を取り囲んでいる。
【０２４７】
図２Ａおよび図２Ｂでは、光源２０２が線光源であれば有益であるが、しかし線光源でない場合には、その形状はビーム成形光学系（図示せず）によって修正され得る。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の中で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、わずかに異なる経路でＭＯＰＤまで、かつＭＯＰＤから移動する直交する偏光によって形成される。
【０２４８】
図２Ａおよび図２Ｂでは、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に向かっ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得るライン画像を形成する。しかし、レンズ２０８がその光を光学システムに集光することになる位置に光源を配置し、光源２０２が示されている場所にライン画像を形成することは完全に可能である。これらの２つの均等な配置の間の選択は、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。
【０２４９】
図３Ａおよび図３Ｂは、小型偏光変調器の設計を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、垂直方向から見た同じ設計の透視図である。便宜上、図３Ａは「上面」図と呼ぶことができ、図３Ｂは「側面」図と呼ぶことができる。図中、光源３０２は、図３Ａの斜めから見たときにはＭＯＰＤ３２０の近傍の腰部分へと収束するが、しかし、図３Ｂの垂直方向の斜めから見た場合には平行となる光を提供する。適切な光源の例としては、円筒レンズ（図示せず）によって成形される線光源または点光源が含まれる。
【０２５０】
ＰＤＤ３１１は「偏光変位装置」であり、その用語は米国特許第１１／１６１，４５２号明細書の中で定義される。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号明細書の中で定義されている。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号明細書の中で考察された。本明細書では、図５〜図８に関連して、１つのＭＯＰＤの詳細について考察される。
【０２５１】
図３Ｂでは、レンズ３０８が、ＭＯＰＤ３２０から約１焦点距離だけ離間して配置される。図３Ａでは、レンズが偏光ビームスプリッタ３０６の背後に隠れているので、図３Ａにはレンズが示されていない。図３Ｂには、レンズ３０８の焦点面内の位置ｘに対する光強度Ｉのグラフ３３０がさらに描かれている。言い換えれば、グラフ３３０の点線のｘ軸およびＭＯＰＤ３２０は両方と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および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または絞りである。
【０２５２】
グラフ３３０の点線のｘ軸は、ＭＯＰＤ３２０についてフーリエ平面内に位置している。したがって、例えば、１つ置きのリボンが偏向される方形波パターンでＭＯＰＤが変調される場合、フーリエ平面での光強度は、概ねプロット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、リボンが偏向されない場合には、フーリエ平面での光強度は、概ねプロット３３６で示される光強度となる。
【０２５３】
これまでに説明され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、偏光間で区別する偏光ビームスプリッタの能力によって主に決定される。理想的な場合では、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が、一方、それに直交する偏光の全ての光が反射される。しかし、実際には、「誤った」偏光における何らかの光が意図せずに通って漏れ、または反射される。
【０２５４】
ダブルスリット開口すなわち絞り３４０は、偏光変調器の中でコントラストを高めるために使用され得る。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が変調されない場合に光を遮るが、ＭＯＰＤが変調される場合に光を通過させる。これは、偏光ビームスプリッタ３０６の偏光識別によってもたらされるコントラストを高める。
【０２５５】
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、それは、ＭＯＰＤで変調されるライン画像中のピクセルについての像平面ではない。レンズ３０８がＭＯＰＤ３２０から１焦点距離に配置されると、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（この式では、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）に従ってレンズをＭＯＰＤから離れるように移動させることにより、レンズにさらに近接させることができる。別法として、画像は、追加の光学系（図示せず）を用いて観察され得る。
【０２５６】
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するヘッドマウントディスプレイに適している。
【０２５７】
図４Ａおよび図４Ｂは、垂直方向から見た同じ設計の透視図である。便宜上、図４Ａを「平面」図と呼ぶことができ、一方、図４Ｂを「側面」図と呼ぶことができる。図中、光源４０２は、図４Ａの斜めから見た場合には平行であるが、図４Ｂの垂直方向斜めから見た場合にはレンズ４０４に向かって発散する光を提供する。図４Ｂでは、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し、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。適した光源の例には、円筒レンズ（図示せず）によって成形される点光源または線光源が含まれる。
【０２５８】
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。そ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の中の薄い偏光ビームスプリッタ４０６の近傍の曲がった矢印は、概ね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。
【０２５９】
図４Ａの透視図では、光は、レンズ４０４と４０７との間の腰部へ集光されるが、一方、図４Ｂの垂直透視図では、光は、これらの２つのレンズ間で依然として平行の状態である。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。
【０２６０】
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場合、ＭＯＰＤの像は無限遠に現れる。しかし、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が回転する場合、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２次元画像を生成するために使用される。
【０２６１】
図５Ａ〜図５ＣはＭＥＭＳ光位相シフト装置を概略的に示す。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では、要素５０２は基板すなわち支持基部であり、５０４は端部支持体であり、５１０は中間支持体である。要素５０６および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であり、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、一方、実際の装置は、数百または数千のリボンを含むことができる。図面は単なる概略図である。
【０２６２】
図５Ｂは、図５Ａに「５Ｂ」で記された断面で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」で記された断面で１つ置きのリボンのための支持体が存在することを示している。図５Ａでは、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、しかし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１つ置きのリボンが補剛されているという点、および光がリボンによって反射される中央部に支持体がないという点である。
【０２６３】
図５Ａ〜図５Ｃに示されるタイプの装置は、米国特許第１０／９０４，７６６号明細書に概説されるような任意の標準的なＭＥＭＳ製造工程を使用して構成され得る。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寸法を理解することができる。
【０２６４】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａに示される装置の「６Ａ」および「６Ｂ」とそれぞれ印された部分での断面を概略的に示す。図６Ａおよび図６Ｂの中の符号が付された要素の全ては、図５Ａ〜図５Ｃの中の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に図示されていない。
【０２６５】
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場合、リボンは基板へ向けて屈曲する。リボンが偏向する距離Ｄは、図２〜図４の偏光変調器の中の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場合、リボンは、支持されていない場合よりもはるかに小さく屈曲する。図６Ｂのリボン５０６は、全く屈曲していないように描かれているが、実際にはわずかに屈曲することができる。しかし、偏向は、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、偏向は著しく異なり得る。
【０２６６】
１つ置きのリボンを補剛するために支持体を使用する利点は、各リボンが同じ厚さであることができ、かつ同じ材料から作製され得るという点である。しかし、最終的な結果が同じである、すなわち１つ置きのリボンが、印加される電圧の影響下で異なる量だけ偏向されるならば、支持体以外の代替方法が使用され得る。
【０２６７】
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す。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の中の図に類似する図を示している。しかし、図７では、開口７２２は、リボン構造上にわたって配置されている。
【０２６８】
図７では、要素５０２〜要素６１０は、図５および図６の中で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および７２２は、不透明コーティング７２２を含む透明シート７２０から開口構造を形成する。図７Ａでは、開口構造７２０／７２２が切欠図の中で示されている。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。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さらに表わす。
【０２６９】
境界された領域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範囲を表わしている。境界された領域７３２内部で、濃い破線境界によって輪郭をつけられた領域７３４はＭＯＰＤの部分を示しており、この部分から反射された光は、図２〜図４に図示される任意の変調器など、偏光変調器から出力されるライン画像の中の単一のピクセルを構成する。
【０２７０】
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ことを防止する。好適には、開口は、それから反射する偏光に影響を与えない。図７では、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されているが、しかし他の方法で形成されるが同じ機能を実施する開口を用いることもまた可能である。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に、スペーサの厚みは〜ｗ2／λ未満でなければならず、その場合、ｗは開口のサイズであり、λは光の波長である。
【０２７１】
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装置の領域を表わす。領域７３４は、図では略正方形となるように示されているが、実際には矩形であることができる。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。領域の垂直な辺の長さは、ＭＯＰＤ内の２つのリボンの幅に等しい。図２〜図４の偏光変調器内の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提供す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の中の「ｄ」によって示され、図３Ｂおよび図４Ａの中の点線によって示されている。
【０２７２】
偏光変調器は、オフセットがＭＯＰＤ内の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、偏光変調器内の干渉計は、ＭＯＰＤ内の隣接するリボンによって反射される光の位相を比較する。隣接する対のリボンの一方が移動し、同時に他方が静止した状態に留まると、リボンによって反射される光の位相が４πＤ／λだけ変化し、この場合、Ｄは、移動するリボンの変位であり、λは光の波長である。
【０２７３】
図８は、図７Ａに図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す。図８では、境界された領域８３２は、図７の中の対応する境界された領域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ではなく矩形として表わされている。図面は、これらの領域の正確なアスペクト比を図示することを意図しておらず、しかし異なるアスペクト比を使用でき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含む。
【０２７４】
全ての他の条件が同じ場合、図８の中のＭＯＰＤに入射する光は、図７Ａの中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上に向かう光の強度（単位面積当たりのパワー）を制限することを必要とする場合には、そのとき、図７Ａの場合に比べてより大きなパワーが図８の中のＭＯＰＤに対して加えられることができる。図８は、より大きなパワー処理能力、したがって、図７Ａの中に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示する。円筒光学系の使用により、図８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。
【０２７５】
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小型変調器設計が説明された。
【０２７６】
本明細書中の実施形態の開示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概ね同じ機能を果たし、または概ね同じ結果を達成する現在既存のまた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、本発明に従って利用され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、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その範囲内に含むように意図されている。
【０２７７】
システムおよび方法の図示の実施形態の上記の説明は、網羅的であるよう意図されているものではなく、またはシステムおよび方法を開示される正確な形態に限定しようと意図されるものではない。本明細書では、例示の目的で、システムおよび方法の特定の実施形態ならびにシステムおよび方法のための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修正形態が可能である。本明細書で提供されるシステムおよび方法の教示は、上記に説明される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され得る。
【０２７８】
一般に、以下の特許請求の範囲の中で、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開示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、しかし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るべきである。
［書類名］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、
光が、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配向された細長断面のビームとして、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］
前記偏光変位装置が、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さらに機能する、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が、観察者による接近観察のために無限遠の近傍に集光される、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さらに備える、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さらに備える、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、交互に剛性を含む複数のリボンを備える、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、複数のリボンの中で交互にリボンが中間支持体によってさらに支持されている、請求項２に記載の変調器。
［書類名］要約書
［要約］
偏光変調器は、偏光ビームスプリッタが偏光子およ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２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。
[書類名]図面
［図１Ａ］
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［図１Ｂ］
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［図１Ｃ］
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［図１Ｄ］
0006657111.tif 000081
［図２Ａ］
0006657111.tif 000082
［図２Ｂ］
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［図３Ａ］
0006657111.tif 000084
［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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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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