(57)【要約】隠された状態のマルチピース（組立形）ヒンジ構造体を有するマイクロミラーシステムが、反射用途に提供される。一般に、光は、三次元傾動並びに上下又は面外作動を行なうようになったこれら構造体によって反射される。本明細書において記載する種々の光学特徴を利用して光スイッチング、投射及び他の用途、特に光用途に用いられる小型化された制御性の高い解決策を提供するデバイスを製造することができる。
2006518884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロミラーデバイスであって、アドレス回路を含む電気部品を備えた基板と、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの下に位置していて、前記基板と前記マイクロミラーを互いに連結する支持構造体とを有し、前記支持構造体は、各々が前記基板及び前記マイクロミラーに取り付けられた複数の撓み部材を有し、各撓み部材は、多数の回転軸線回りの前記マイクロミラーの回転及び前記基板への前記マイクロミラーの引き寄せを可能にするよう構成されていることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
２つの撓み部材が、前記マイクロミラーの２つの互いに反対側の端部に取り付けられた状態で設けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記マイクロミラーの前記２つの互いに反対側の端部は、互いに反対側のコーナ部であることを特徴とする請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記マイクロミラーの前記２つの互いに反対側の端部は、互いに反対側の側部であることを特徴とする請求項２記載のデバイス。
【請求項５】
３つの撓み部材が、互いに反対側には位置していない前記マイクロミラーの端部に取り付けられた状態で設けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項６】
前記マイクロミラーの前記端部は、コーナ部であることを特徴とする請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
前記マイクロミラーの前記端部は、側部であることを特徴とする請求項５記載のデバイス。
【請求項８】
前記３つの撓み部材は、前記マイクロミラーのコーナ部に隣接して取り付けられていることを特徴とする請求項７記載のデバイス。
【請求項９】
前記撓み部材は、実質的に等間隔を置いて前記マイクロミラーに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記撓み部材は、左右対称のパターンで前記マイクロミラーに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記撓み部材は、三方対称のパターンで前記マイクロミラーに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１２】
前記マイクロミラーは、実質的に四角形であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記マイクロミラーは、実質的に正方形であることを特徴とする請求項１２記載のデバイス。
【請求項１４】
前記マイクロミラーは、実質的に六角形であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１５】
前記撓み部材は、共通の場所で前記基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１６】
前記撓み部材は、別々の場所で前記基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１７】
前記撓み部材は、一方向に部品を有する第１の部分と、別の方向に部品を有する別の部分とを有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１８】
前記部品は、平面内に設けられていることを特徴とする請求項１７記載のデバイス。
【請求項１９】
前記部分は、真っ直ぐな区分によって提供されていることを特徴とする請求項１７記載のデバイス。
【請求項２０】
前記部分は、湾曲した区分によって提供されていることを特徴とする請求項１９記載のデバイス。
【請求項２１】
前記部品は、２つの互いに異なる方向に設けられていることを特徴とする請求項１７記載のデバイス。
【請求項２２】
前記部品は、３つの互いに異なる方向に設けられていることを特徴とする請求項１７記載のデバイス。
【請求項２３】
前記マイクロミラーの直径は、約１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項２４】
前記マイクロミラーの直径は、約１０ミクロン以下であることを特徴とする請求項２３記載のデバイス。
【請求項２５】
電気部品は、引き付け力を前記マイクロミラーに及ぼすようになった電極を更に有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項２６】
前記電極のうちの少なくとも１つは、互いに異なる高さレベルに複数の部分を備え、前記マイクロミラーの回転中心から遠くに位置する部分は、回転中心の近くに位置する部分よりもマイクロミラーから遠い距離のところに位置するようになっていることを特徴とする請求項２５記載のデバイス。
【請求項２７】
前記電極は各々、段付き形態から成ることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
【請求項２８】
各前記電極の前記電極部分は、互いに連続していることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
【請求項２９】
前記部分は、別々の部材であることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
【請求項３０】
各前記電極は、連続した折曲り部材から成ることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
【請求項３１】
各前記電極の前記部分は、電極アレイを形成し、前記電極のうちの少なくとも１つの前記部分のうちの少なくとも１つは、前記部分の他方のものとは無関係にアドレス指定可能であることを特徴とする請求項２６記載のデバイス。
【請求項３２】
各前記部分は、別々にアドレス指定可能であることを特徴とする請求項３１記載のデバイス。
【請求項３３】
請求項１記載の複数のデバイスを有するマイクロミラーアレイ。
【請求項３４】
前記基板への共通取り付け部分は、隣り合う変形可能な部材のために設けられていることを特徴とする請求項３３記載のアレイ。
【請求項３５】
光スイッチング機構であって、少なくとも１つの光入力源からの光信号を受け取ってこれを反射するようになった光反射器の第１のアレイと、光反射器の前記第１のアレイから反射された光信号を受け取り、光信号を少なくとも１つの光出力に向かって反射するようになった光反射器の第２のアレイとを有し、光反射器のうちの少なくとも１つは、請求項１記載のマイクロミラーデバイスの組立体から成ることを特徴とする光スイッチング機構。
【請求項３６】
マイクロミラーデバイスの前記少なくとも１つの組立体の前記マイクロミラーデバイスは各々、独立して三次元配向可能になっていることを特徴とする請求項３５記載の光スイッチング機構。
【請求項３７】
前記光反射器は各々、マイクロミラーデバイスの組立体を有することを特徴とする請求項３５記載の光スイッチング機構。
【請求項３８】
前記マイクロミラーデバイスは各々、独立して三次元配向可能になっていることを特徴とする請求項３７記載の光スイッチング機構。
【請求項３９】
マイクロミラーデバイスの前記組立体は各々、スマート表面を形成することを特徴とする請求項３５記載の光スイッチング機構。
【請求項４０】
光スイッチング方法であって、請求項３５記載の光スイッチング機構を用意する段階と、前記光スイッチング機構を通って光を差し向ける段階と、光を複数のチャネル相互間で切り換える段階とを有することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項１記載の複数のマイクロミラーデバイスにより光の反射波面を整形する段階を更に有することを特徴とする請求項４０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、光波面を修正又は是正することができる空間光変調器の分野に関する。特に、本発明は、アダプティブ光学系、光スイッチング用途又は他の光操作用途、例えばディスプレイに用いられるマイクロミラーデバイスの形態をした微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳデバイスは、典型的には、フォトリソグラフィー、金属スパッタリング又は化学気相成長法、プラズマエッチング又は集積回路の作製のために開発された他のエッチング技術を含む処理技術を用いて半導体ウェーハ上に作製される小型構造体である。マイクロミラーデバイスは、ＭＥＭＳデバイスの一形式である。他の形式のＭＥＭＳデバイスは、幾つかの応用例を挙げると、加速度計、圧力及び流量センサ、燃料噴射器、インクジェットポート、歯車及びモータ等を含む。マイクロミラーデバイスは既に、多大な商業的成功を博している。
【０００３】
ＭＥＭＳマイクロミラーデバイスは、種々の用途に用いられており、かかる用途としては、光ディスプレイシステム、光データ信号の切り換えを行なう光クロスコネクト、相及び他形式の是正のためのアダプティブ光学系が挙げられる。使用されて多大な成功を収めた一形式のディスプレイデバイスは、テキサス・インストラメンツ社のＤＬＰ（登録商標）である。このシステムでは、多くのミラーは、投射ディスプレイを作るために双安定自他ディジタル方式で個々に動作される。現在の商用技術はミラーアレイ中の約１３０万ピクセルに限られているが、これよりも多くのミラー密度及び高い歩留りは、技術の革新につれて将来これを改良するはずである。
【０００４】
多軸傾動ミラーのアレイも又、他の用途、多くの中で例えば印刷、走査、投射に見受けられる。大抵の現在のマイクロミラーのアレイは、２つのカテゴリ、即ち、単一のビームを差し向ける比較的大型の単一のミラー又は多くのミラーが各光ビームの狙いを定める小型ミラーのアレイに分類できる。
【０００５】
大型ミラーは、高反射率の途切れていない名目上平らな表面を提供するという観点から僅かな数の別々の光ビームを舵取りする場合に幾つかの利点を提供することができる。しかしながら、ビームがミラーにとって大き過ぎる（太過ぎる）場合又はこれらビームが位置合わせ不良である場合、反射ビームは、切り取られ、強度が低くなる。このような形式のアレイは、大きな連続光、例えば光学像を反射するのに不向きである。一般に、作動中のミラー要素相互間の支持構造体は、後に広過ぎるほどの空間を残し、かくして、反射像中に見て分かるほどの大きさの穴を生じさせる。また、小型ミラーのアレイには欠点がある。多くの現行設計は、一軸でしか動くことができず、これは、これらの潜在的用途の幾つかを制限する。また、多軸方式で動くことができる他の設計は、或る一ミラーと次のミラーとの間に比較的大きなギャップを有する場合が多く、かかるギャップは、反射ビーム又は像の品質に悪影響を及ぼす。例えばこのようにアレイの状態に設けられたマイクロミラーは、各ミラーの完全運動を可能にする或る程度のギャップをこれら相互間に備えなければならないが、ギャップの大きさをできるだけ減少させることが有利である。加うるに、多くの設計は、小さいが、目に見える表面の一部である支持構造体を有している。これらは又、ミラー相互間の間隔に寄与する場合がある。ミラー表面の後ろに隠れている支持体及びヒンジは、反射表面領域全体を向上させる。
【０００６】
多軸傾動マイクロミラーに関する特に重要な用途は、光スイッチングの分野である。光ネットワーク通信スイッチ用の典型的な光クロスコネクトは、ＭＥＭＳマイクロミラーの２つのアレイ又はクラスタを有するスイッチングマトリックスを有している。マイクロミラーの第１のアレイは、第１のアレイ中のマイクロミラーが１以上の入力源、例えば光ファイバ入力からの光入力信号を受け取るよう配置され、マイクロミラーの第２のアレイは、第２のアレイ中のマイクロミラーが第１のアレイ中のマイクロミラーから反射された光信号を受け取ってかかる光信号を１以上の光出力への光出力信号として差し向けるよう配置されている。
【０００７】
各アレイ中のマイクロミラーを調節し、舵取りし又は傾動させて第１のアレイ中のマイクロミラーが反射光信号を第２のアレイ中の複数のマイクロミラーから選択された第２のアレイ中のマイクロミラーに差し向けることができるようになっている。これと同様に、第２のアレイ中のマイクロミラーを調節し、舵取りし又は傾動させてこれらが第１のアレイ中の複数のマイクロミラーから選択された第１のアレイ中のマイクロミラーと位置合わせできるようにする。かくして、調整、舵取り又は傾動によってマイクロミラーを正しく配向させることにより、第１のアレイ中の第１のマイクロミラーは、光信号を所望に応じて第２のアレイの第１、第２又は第３等のマイクロミラーに置くよう設定でき、それによりクロスコネクトのスイッチング能力をもたらす。
【０００８】
ＭＥＭＳマイクロミラーのかかる構成を用いる光クロスコネクトの性能は、多くの要因で決まり、かかる要因としては、第１のアレイ中のマイクロミラーが第２のアレイ中のマイクロミラーとどれほど良好に光学的に位置合わせされるか、温度の変化、電圧ドリフト、及びマイクロミラーのミラー表面の性能が挙げられ、これらは、ミラー表面の形状又は平坦度によって影響を受ける。最善の環境下であっても、第１及び第２のアレイ中のマイクロミラーが正しく位置合わせされ、上述の他の要因が最小限に抑えられても、現在のクロスコネクトは、システムを通過する光の６０％〜７０％を失う場合が多い（約５〜４ｄＢの損失）。
【０００９】
例えばミラー表面からの赤外波長の不完全な反射及びレンズへのファイバの結合不良のような要因はこれらの損失を生じさせるのに役割を果たすが、ミラー表面の光散乱及び他の欠陥も又、重要な要因である。光スイッチングデバイスに入力された光の量と比較して、かかるデバイスにより出力される光の損失量を減少させる光スイッチングデバイスの改良が現在要望されている。
【００１０】
光スイッチングデバイス並びにマイクロミラーデバイスにおける更なる改良は一般に、電力消費量に関して望ましい。光ビームのサイズに対する大型ミラーの利用では、迅速に切り換わる高電圧を伴う場合がある。マイクロミラーデバイスの改良の一手段は、マイクロミラーデバイスを引き続き小型化していくことにある。性能の観点では、小型化は、電力効率を向上させることができる。というのは、部品相互間の距離が短くなると共に部品を軽量化することは、エネルギ消費量を向上させることになるからである。製造の観点では、ミラー要素を引き続き小型化することにより、所与のサイズのウェーハの歩留りが向上する。
【００１１】
マイクロミラーデバイスの１つの他の一般的用途は、アダプティブ光学系及び位相補正用である。多くの形式のミラーアレイは例えば光スイッチについて説明したチップ及びチルトを補正するが、位相ひずみの頻繁な補正がより望ましい。静的補正ミラー形状がその用途を有していても、位相のひずみは一般に動的であり、かくしてミラー表面を常時更新しなければならない。例えばこのようなシステムは一般に、２つの部品から成り、これら２つの部品は、波面検出器及び変形可能なミラーである。問題の測定中の光の部分は、分割されて波面検出器、例えばビーム内の種々の空間位置でビームのチルトを測定するシャック−ハートマン（Shack-Hartman）センサ又はこれに類似したセンサに差し向けられる。光ビームのひずみを検出することができ、次にフィードバック補正信号を変形可能なミラー表面に送ってこれをリアルタイムで更新することができる。
【００１２】
ＭＥＭＳを用いる変形可能なミラーの多くの設計が、最近の数年間で提供された。人気のある設計の１つは、各箇所で表面全体を変形させる多くの個々のアクチュエータを備えた単一の可撓性ミラー状表面の設計である。別の設計は、各々がピストンと同様な仕方で動作する多数の小型ミラーの設計であり、各個々の各ミラーは、ミラーの平面に垂直に作動する。この用途の一応用例は、本発明で見られる。自由端部を備えたマイクロミラーを支持する可撓性部材により、垂直方向におけるミラー表面全体の運動が可能になると共にチップ及びチルトが可能になる。デバイスの範囲全体は、種々のタイプの運動の各々について運動範囲を制限するが、異なるタイプの運動は、互いに妨害せず、２形式以上の補償が同時に行なわれる。
【００１３】
本発明の種々の特徴は、上述した検討事項の１以上について改良を提供する。当然のことながら、或る特定の特徴は、他でもなく本発明の一変形例で提供できる。いずれにせよ、本発明の特徴により提供される技術進歩は、現行のマイクロミラー設計により示される構造的アプローチから見て飛躍的である。
【００１４】
〔発明の概要〕
本発明は、任意的にアダプティブ光学系又は光スイッチで用いられるマイクロミラー構造を含む。本発明のマイクロミラーアレイデバイスは一般に、アドレス指定特徴を含む下部構造体上に被着された上部構造体を有する。基板上及びその上方に配置された上部構造体の特徴としては、電極、ヒンジ、マイクロミラー、支持部材又はその一部が挙げられる。ミラー／マイクロミラーをヒンジの上方に保持する支持部材の対が設けられ、電極特徴部は、これを作動させるために用いられる。
【００１５】
本発明では、各マイクロミラー要素をミラーの側部又はコーナ部のところ又はこれらに沿ってそのそれぞれのヒンジ部分の上方に支持する。それ自体１以上の特徴部によって基板の上方に支持される変形可能なヒンジ部材が各ミラーについて設けられる。近似部分とミラーとの間の支持体の配設場所は、様々であってよい。好ましい配設場所としては、ミラーの互いに反対側のコーナ部又は側部や交互の（１つ置き）のコーナ部又は側部が挙げられる。一般に、ミラーは、多角形の平面を有し、この場合、形状は密に詰められる（例えば、三角形、六角形及び四角形、例えば正方形、長方形、台形、平行四辺形、菱形）。
【００１６】
動作に当たり、マイクロミラーは好ましくは、アナログ方式で動作する。ただし、ディジタル方式の動作も意図されている。マイクロミラーは、捩り運動及び撓み又は片持ち運動を可能にするヒンジ構造体によって支持される。個々のヒンジは、最も一般的には、実質的にまっすぐな区分を備えた曲げ形状を有し又は曲線状プロフィールを有し、これらはいずれも、これら形式の運動の両方を容易にする。ヒンジ及び支持体の構造は、少なくとも２つの別々の軸線において同時に連続した制御可能な方式で動くよう設計されている。或る特定の設計は又、チルトに加えてミラーの平面に垂直なミラーの運動を可能にする。捩り運動を行なうと共に片持ち方式で動くヒンジの曲げ形状は、ミラーをチルトさせると同時に垂直に動くようにするのに十分な運動の融通性を与える。
【００１７】
本発明の側部支持特徴を利用することにより、光散乱又は非反射特徴によっては損なわれない或るミラーフェース実施形態の製造が可能になる。この方式及び他の有用な設計特徴は、各々２００２年１０月１１日に出願された共通譲受人の同時係属米国特許出願第１０／２６９，７９６号明細書、第１０／２６９，７６３号明細書及び第１０／２６９，４７８号明細書に詳細に記載されている。なお、かかる米国特許出願明細書の記載内容全体を参照によりここに引用する。
【００１８】
例えば、側部支持ミラー方式と関連して、最終的には除去される支持体前駆体領域がアレイの個々のマイクロミラー要素の放出時に空間が開かれる場所に一時的に配置される製造方法が教示されている。したがって、支持構造体を効果的に被着させ／形成するのに必要な空間は、無駄にはならず、ミラーの作動を可能にするためにとにかく開いたままの状態でなければならない空間に属する。本発明の他の変形例では、「ビア」内に形成されるより従来型の柱状ミラー支持体が設けられる。しかしながら、これらは依然として、所与のミラーの互いに反対側の側部に設けられる。
本発明は、上述したこれら改良のうちの任意のものを個々に又は組み合わせて含む。改良型上部構造体を含むマイクロミラーデバイスを採用したシステムは、本発明の装置の使用法及び製造法と関連した方法論の場合と同様、本発明の特徴をなしている。
【００１９】
〔定義〕
「ビーム舵取り」という表現は、アドレス指定電極をミラーの所望の撓みに対応した電圧に荷電してミラーで反射された光を意図した方向に差し向け又は「舵取り」することによるアナログ方式の１以上のマイクロミラーデバイスの動作を意味する。
【００２０】
「直径」という用語は、本明細書においては、定めることができる任意の長手方向軸線を横切る方向における距離を意味する。別段の定めがなければ、直径は、構造体を包囲できる任意の円の直径に一致する。
「暗い空間」又は「デッドスペース」という表現は、反射性ではない又は反射性が低いマイクロミラー又はマイクロミラー組立体の反射面中の領域又は空間を意味する。
「ヒンジ」という用語は、変形可能な部材又は互いにまとめた変形可能な部材のセグメント（例えば、単一の材料層で形成され／単一の材料層中に形成される）、ヒンジは、捩り、曲げ（引っ張り及び圧縮）又はこれらの幾つかの組み合わせの状態で弾性変形可能である。
【００２１】
〔発明の詳細な説明〕
本発明を上述の発明の概要で提供されたレベルよりも詳細に説明する際、適用可能な技術を先ず最初に説明する。この後に、本発明の例示のマイクロミラーデバイス及び組立体の詳細な説明並びに例示の製造方法が続く。プログラム可能なレンズ表面としての本発明の用途についても説明する。この説明に続き、公知の光スイッチングマトリックス及びその機能についての説明が行なわれる。最後に、光スイッチ技術及びアダプティブ光学系の他の分野への本発明のマイクロミラーの利用可能性について説明する。
【００２２】
しかしながら、本発明を詳細に説明する前に、本発明は、説明する特定の変形例には限定されないことは理解されるべきであり、したがって、本発明は、当然のことながら様々である。本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく説明した本発明の種々の変更及び均等範囲を想到できる。本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、本発明を限定するものではないことも又理解されるべきである。というのは、本発明の範囲は、特許請求の記載にのみ基づいて定められる。
【００２３】
本明細書において説明する方法を記載した事象の論理的に可能な任意の順序で実施できる。ただし、記載した用語が明らかに別段のことを指示している場合を除く。或る範囲の値が提供されている場合、その範囲の上限と下限との間の中間の値（文脈上別段の明示がなければ下限の単位の小数点第１位まで）も又具体的に開示されている。言明された範囲内での言明された値又は中間値相互間のより小さな範囲並びにその言明された範囲内の任意他の言明され又は中間の値は、本発明の範囲に含まれる。これら小さな範囲の上限及び下限は、その範囲に別々に含まれ又は排除される場合があり、限度のうちのいずれか又は両方が小さな範囲に含まれ、或いは限度がいずれも小さな範囲に含まれない各範囲も又、言明された範囲の具体的に排除された限度を条件として本発明に含まれる。言明された範囲が限度のうち一方又は両方を含む場合、これら含まれた限度のうちのいずれか一方又は両方を排除する範囲も又、本発明に含まれる。
【００２４】
また、上述した本発明の変形例の任意の特徴が記載され、これは、別個独立に又は本明細書に記載した特徴のうちの任意の１以上と組み合わせてクレーム記載される。
別段の定めがなければ、本明細書で用いる全ての技術的及び科学的用語は、本発明の属する当業者には一般に理解されるのと同一の意味を有する。本明細書において記載される方法及び材料に類似し又はこれらと同等な方法及び材料は全て、本発明の実施又は試験に用いることができるが、好ましい方法及び材料を以下に説明する。本明細書において記載する刊行物は全て、刊行物の引用と関連した方法及び（又は）材料を開示して記載しているものと参照により引用される。
【００２５】
本明細書及び特許の請求の範囲に用いられる単数形式“ａ”、“ａｎｄ”、“ｔｈｅ”は、別段の明示の定めがなければ、複数を含むことは注目されなければならない。かくして、例えば、「（１つの）マイクロミラー」という場合、これは複数のかかるマイクロミラーを含み、「（１つの）入力」という場合、これは一又は複数のかかる入力及び当業者に知られているその均等例を含む、等々である。
【００２６】
本明細書において記載する既存の主題（例えば、刊行物、特許明細書、特許出願明細書及びハードウェア）は全て、主題が本発明の主題と相反する場合を除き（この場合、本明細書に記載したものが優先する）その記載内容全体を参照によりここに引用する。引用事項は、本願の出願日以前の開示内容についてのみ有効である。本発明が先行発明によりかかる公開日に先立ってなされたという認定が与えられないという承認と解釈されるものは何も無い。さらに、公開日は、実際の発行日とは異なる場合があり、これは個々に確認する必要がある。
【００２７】
次に図１を参照すると、一般的タイプの多軸ミラーが単純化された形態で示されており、このタイプの設計は、当業者には周知である。これは、ミラー／ジンバルであり、ミラー表面の下に配置された４つの個々に制御される電極へのミラーの静電引力によって動作する。ミラーを中央位置に戻し、これを多くの中間位置で安定化させるための復元力は、捩りバーで得られる。図１は、Ｙ軸回りの回転を可能にするジンバル２６として働くフレームに２つの捩りバー２４を介して連結されたミラー表面２２から成る単一の多軸ミラー２０を示している。フレーム２６は、２以上の捩りバー２８によって静止ベース３０に連結されている。この場合、フレームとミラーの組立体は、Ｘ軸回りに回転することができる。すると、アレイ３２の状態に配置された４つの電極３３〜３６を種々の電圧に荷電することができ、それにより両方の軸線におけるミラーの位置のアナログ制御を可能にする。例えば、電極３４，３５，３６が非荷電状態のままで電極３３を所与の電圧に荷電した場合、ミラーは、その電極に向かって両方の軸線で回転することになる。各電極の電圧を注意深く制御することにより、２つの運動軸線が別個独立に回転することができるので、デバイスの範囲内でのほぼ任意の角度を特定の一ミラーに対して設定することができる。
【００２８】
この形式のマイクロミラーは、単一の光ビームを舵取りするために用いられる場合が最も多く、かくして、これは比較的大型であり、即ち、１×１ｍｍ大である。ジンバル２６は、一寸法方向に動くに過ぎず、ベース３０は、全く動かず、それによりミラーのこれら部分は、制御には不向きになる。図においては、ミラーとジンバルとベースとの間のギャップは、分かりやすくするために誇張されているが、構成部品の自由運動を可能にするよう依然として存在しなければならない。ミラー組立体２０のアレイでは、マトリックスの全表面の大部分は、使用できない。
【００２９】
図２は、ここでは単純化された形態で示された別の形式の公知のマイクロミラー３８を示している。この設計では、ミラー４０は、回転対称撓みバー４４（この場合、４つの部分から成る回転対称）により、４つのポスト又は支柱４２を介して静止ベース（図示せず）に取り付けられている。この場合、主要復元力は、捩りとは対照的に撓みであるが、主要な運動軸線は、図１に示すミラーと同一である。ミラーは、図１に示す電極アレイに類似した電極アレイ３２上に設けられている。この場合も又、この種のミラーは、単一の光ビームの狙いを定めるよう設計されていて、したがって静止フレームの撓みバー及び他の部品に用いられる互いに異なるミラー相互間には相当量のデッドスペースが存在する。しかしながら、別々のビームの狙いを定めるためであっても、このデットスペースを実質的に減少させ又は無くすことは、図１又は図２に示すシステムのいずれにとっても有利である。このようなミラーは、アレイ状に束ねられると、１度に数百ビームを差し向けることができる。ミラー相互間のデッドスペースが少ない場合、同一のデバイスで多量のビームを切り換えることができる。というのは、各ミラーについての制御可能な角度が限られるからである。
【００３０】
図３Ａは、単一のマイクロミラーデバイス４６の斜視図であり、本発明のデバイスを製造するための技術を説明する目的でかかる単一のマイクロミラーデバイスを参照する。用いられる材料の詳細、中間準備工程及び説明する方法論と関連したそれ以上の構造的細部は、当業者による適当な実験の範囲内で当業者によって知られていると共に（或いは）上述した背景技術の部分及び以下の米国特許を参照すると理解でき、かかる米国特許としては、ホンベックに付与された米国特許第５，０８３，８５７号明細書（発明の名称：Multi-level Deformable Mirror Device）、ホーンベック等に付与された米国特許第５，０９６，２７９号明細書（発明の名称：Spatial Light Modulator and Method）、ネルソンに付与された米国特許第５，２１２，５８２号明細書（Electrostatically Controlled Beam Steering Device and Method）、ホーンベックに付与された米国特許第５，５３５，０４７号明細書（発明の名称：Active Yoke Hidden Hinge Digital Micromirror Device）、ホーンベックに付与された米国特許第５，５８３，６８８号明細書（発明の名称：Multi-level Digital Micromirror Device）、ホーンベックに付与された米国特許第５，６００，３８３号明細書（発明の名称：Multi-level Deformable Mirror Device with Torsion Hinges Placed in a layer Different From the Torsion Beam Layer）、ヒュイバーズに付与された米国特許第５，８３５，２５６号明細書（発明の名称：Reflective spatial Light Modulator with Encapsulated Micro-Mechanical Element）、ミカリケック等に付与された米国特許第６，０２８，６８９号明細書（発明の名称：Multi-Motion Micromirror）、カーター等に付与された米国特許第６，０２８，６９０号明細書（発明の名称：Reduced Micromirror Mirror Gaps for Improved Contrast Ratio）、ガルシアに付与された米国特許第６，１９８，１８０号明細書（発明の名称：Micromechanisms with Floating Pivot）、ホーンベックに付与された米国特許第６，３２３，９８２号明細書（発明の名称：Yield Superstructure for Digital Micromirror Device）、ヒュイバーズに付与された米国特許第６，３３７，７６０号明細書（発明の名称：Encapsulaated Multi-Directional Light Beam Steering Device）、ウッドに付与された米国特許第６，３４８，９０７号明細書（発明の名称：Display Apparatus with Digital Micromirror Device）、ヒュイバーズに付与された米国特許第６，３５６，３７８号明細書（発明の名称：Double Substrate Reflective Spatial Light Modulator）、フンク等に付与された米国特許第６，３６９，９３１号明細書（発明の名称：Method for Manufacturing a Micromechanical Device）、リチャーズに付与された米国特許第６，３８８，６６１号明細書（発明の名称：Monochrome and Color Digital Display System and Methods）、ヒュイバーズ等に付与された米国特許第６，３９６，６１９号明細書（発明の名称：Deflectable Spatial Light Modulator Having Stopping Mechanisms）である。いずれの場合においても、本発明のマイクロミラーデバイスを同一の詳細又は他の詳細に従って製造すると共に（或いは）動作させることができる。
【００３１】
本発明の特徴に関し、図３Ａは、本発明のマイクロミラーデバイス４６を示している。図３Ｂは、ミラー４８を取り外した状態でマイクロミラーデバイス４６を示している。図３Ｃは、図３Ｂの側面図に示す同一の装置を側面図で示している。図３Ａに示すミラー表面４８は、中断されておらず、それにより優れた反射特性をもたらしている。ミラー表面４８の「潜在的フェース」（実線と破線の両方で示されている）は、ミラーの実際のフェース（実線のみで示されている領域）よりも幾分大きいが、デバイス４６の組立体のギャップ５０に起因する「暗い」空間又は「デッド」スペース及び個々のマイクロミラーデバイス４６相互間の空間から生じる反射損失は、もしそのように構成しなければ上述したように散乱、位置合わせ不良等に起因して失われる光を差し向けるよう個々のデバイスを配向させることができることにより補償されてなお余りある。さらに、以下に説明するように、ギャップ５０に起因する「暗い」空間又は「デッド」スペースは、ミラー支持体５２の注意深い設計により本発明の特徴に従って最小限に抑えられ又はそれどころか無くすことができる。
【００３２】
図示のミラー支持体５２の変形例として、犠牲材料中に生じたビアを充填することにより作ることができる柱状支持体又はポスト（図示せず）を利用してもよい。支持体は、ミラーの縁部のところに壁を有するのがよい（各支持体は、構造体を形成するよう重点される元のビヤ形状に応じて、４以上の壁を有するのがよく又は湾曲した表面を備えるのがよい）。さらに、支持体を、これらに最も近いミラー（選択されるマイクロミラーデバイスの形式に応じて）の側部／コーナ部又は縁部から差し込むことができる。しかしながら、選択されたミラーの形式／フォーマット（即ち、コーナ部支持体位置を備えた正方形、コーナ部支持体位置を備えた正方形、コーナ部支持体位置を備えた六角形、側部支持体位置を備えた六角形等）に鑑みて、ヒンジ又は捩り部材の長さを最大にするような仕方で支持体を位置決めすることが好ましい場合がある。その場合、各支持体（又は中間構造体）のベースは、ヒンジ部分の端部に位置決めされることになる。これら支持体の変形例についての詳細は、共通譲受人の同時係属米国特許出願第１０／２６９，７９６号明細書（発明の名称：Micromirror Systems with Side-Supported Mirrors and Concealed Flexure Members）に見受けられ、かかる米国特許出願明細書の記載内容全体を参照によりここに引用する（例えば、この米国特許出願の第９Ａ′を参照されたい）。
【００３３】
しかしながら、図３Ａ及び図３Ｂに示す本発明の変形例では、ミラー支持体の配設場所は、互いに等間隔を置いて配置され、二等辺三角形を形成している（或る意味では）。したがって、この配設場所は、ミラー４８と一致した３つのミラー平面に沿って対称である（即ち、これらは、三方対称状態になっている）。この構造を見る別の方法は、１つ置きのコーナ部上に存在するということである。したがって、ミラーの反対側は、それに相当する支持体を備えていない（支持体は、互いに反対側には位置していない）。
【００３４】
図示の（例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す）本発明の或る幾つかの他の変形例では、１対の支持体の各々は実際に、互いに反対側に且つミラー４８の本体を横切って位置決めされる。有利には、かかる支持体位置決めにより、左右対称が得られる。ミラーフェース周りの等間隔の配置が、この場合も又好ましい。いずれの場合においても、等間隔又は或る程度の対称性をもたらすことにより、種々のミラー作動モードの制御において大幅な予測性をもたらす（即ち、これにより、実質的に等価な挙動をもたらす）。同じ理由で、本発明の特徴を含む図で明らかなように、ヒンジ構造における或る程度の回転対称が望ましい場合が多い。
【００３５】
本発明の一層の細部を説明すると、かかる特徴の１つは、ミラー４８をそのヒンジに取り付ける仕方に関する。ミラー要素４８の幾つかの側部に設けられた支持体５２は、ミラー要素をヒンジ５７全体のヒンジ部分５４に固定する。ヒンジ部分５８は、中央ヒンジジョイント６３によって基板６０に取り付けられ、この中央ヒンジジョイントは、ミラー要素４８の一部（図３に示す例では中心）の下に位置する。各ヒンジ５７（部分５４，５５，５８で形成される）は、３つの別々の撓み部品又は変形可能な部材部分として働くよう中心が拘束された単一の金属片の状態で設けられる。各支持体５２のベース７２は、各ヒンジ部分５４に直接連結可能である。変形例として、材料の中間層又はナブ７４（例えば、結合インタフェースとして役立つ）を採用してもよい。いずれの場合においても、ヒンジ要素は、ミラーの下に隠される。
【００３６】
ヒンジ５７は、ミラー要素４８を種々の軸線回りに傾動させ又は回転させるときに部分５４及び（又は）５８周りの捩り及び片持ち撓みを可能にするよう基板６０の上方に持ち上げられている。各ヒンジの２つの部分５４，５８は、大きな運動及び可撓性を可能にする曲げ部５５のところで互いに連結されている。他形式の中央支持体の使用が可能であるが、ヒンジジョイント６３は、中央ポスト６９を除き、ヒンジ中央６７の下で好ましくは開いたビアタイプの支持構造体である。基板６０の表面の上方に設けられたヒンジ相互間の距離は、０．１ミクロン以下という短いものであるのがよい。
【００３７】
ヒンジ部分とミラー４８の下面との間の間隔に関し、これは同様に、約０．１ミクロン以下という短いものであるのがよい。それ故、アレイ状又はその他の形態で設けられるべき各マイクロミラーデバイス又は要素のミラーは、基板６０の表面よりも約０．２ミクロン以下という短い距離上方に位置するのがよい。
【００３８】
ミラー支持体を保持する中央ヨークを無くすことにより（テキサス・インストルメント社により製造された公知のデバイスの場合のように）、本発明により非常に低いプロフィールのマイクロミラーデバイスを作製することができ、かかる非常に低いプロフィールのマイクロミラーデバイスは、高い撓み角（代表的には、約±１０°、更に約±１５°〜約±２０°以上上方）を依然として達成することができる。当然のことながら、本発明のミラー／マイクロミラーデバイスは、有利には、大量生産でき（ＭＥＭＳ技術を用いて）、かかるミラー／マイクロミラーデバイスは、他の作動技術を利用することができ、かかる技術としては、電磁気、静電気、熱機械又は圧電を利用した方式が挙げられる。
【００３９】
角度的撓みと共に増大するヒンジ復元力に応答して適度の静電引力を生じやすくする本発明の特徴は、電極７６の上述の形態を利用する必要がある。電極は、互いに異なる高さ位置に複数の部分７８，８０（これ以上）を備えるのがよい。一連の工程で連続部材（各ステージ７８／８０相互間の支持体部分８２で示されている）が設けられるにせよ、種々の工程で別々の部材又は連続折曲り部材が形成されるにせよ、いずれにせよ、電極は、ミラーの回転中心又は回転点から遠くに位置する部分が低い高さ位置にあるように構成される。この形態では、４つ全ての電極７６は、ほぼ同一の形状のものであり、ミラー支持体ベース７２及びヒンジ支持体６２の互いに異なる寸法に対応するよう互いに僅かなばらつきがある。類似した電極の形状及び領域は、多軸ミラーシステムを作動させる方法を単純化するが、非対称の変形例を含む他の形態の電極形状及び寸法の使用が可能である。この場合、追加の構造的安定性を得るために各電極について複数のベース部分８０が設けられる。ただし、１つのベース部分８０が好ましい場合がある。
【００４０】
ミラー又はデバイス全体の中央に近い高い部分及びこれから見て遠くに位置する低い部分を備えた状態で示されている電極形態は、ミラーを或る角度に傾動させるとミラーのクリアランスをもたらす。さらに、かかる形態は、ミラー４８の次の引き付けを可能にする。ミラーを１組の電極から遠ざけて傾斜させると、上方電極部分は、真っ先に相当大きな引き付け静電力をミラーに及ぼす（静電引力と物体相互間の距離との間の逆二乗の関係に照らして）。上方電極部分がミラーを下方に（即ち、上方電極部分に向かって）効果的に引き下げると、電極下方部分の影響は、下方部分とミラーとの間の距離が減少するにつれて増大する。さらに、ミラーをその完全角変位状態に引き付けるのを助けることは、下方電極部分８０と相互作用するミラーの遠隔の領域のところで提供される機械的利点又はレバーアームの増大をもたらす。考えられる電極形状のこの変形例及び他の変形例は、米国特許出願第１０／２６９，７６３号明細書（発明の名称：Micromirror Systems with Electrodes Configured for Sequential Mirror Attraction）に十分に記載されており、かかる米国特許出願明細書の記載内容全体を参照によりここに引用する。
【００４１】
デバイス４６は、複数の軸線で動くよう作動できる。本発明の差異の一つは、規模である。有利には、達成できる本発明の規模は、現在入手できるマイクロミラーよりも非常に小さく、各ミラー要素の直径は、１０〜２０ミクロン以上のオーダーである。図１及び図２に示す規模のオーダーの規模を有する単一のミラー要素に代えて数百又は数千のこれらマイクロミラーのアレイを用いることができる。入射波面の各部分のための多くのマイクロミラーは、出射波面の特性の専用化を高めることができる。個々のミラーのサイズを小型化することは、以下に詳細に説明する多くの他の利点をもたらす。それにもかかわらず、ミラーの直径の寸法を約１ｍｍ以上という大きな寸法に増大させることが計画され、デバイスの他の部品の寸法形状は、これに比例して増大した寸法形状を有する。これにより、本発明の単一のミラー要素は、光ビーム全体を効果的に制御することができる。
【００４２】
図３に示す形態では、ヒンジは、デバイスの中央のところで基板上に支持されている。図４は、別の非常に有利な設計を示しているが、ヒンジはデバイスの外部上に支持されている。このミラー組立体４７の特徴は、図３の特徴と同様に表示されている。同一の要素のうち多くが存在するが、別の方法で連結されている。この変形例では、ベースとミラーは正方形である。ただし、六角形又は他の形状も又、この種のヒンジ構造に役立つ。
【００４３】
図３の場合と同様、図４は、ヒンジ部分５４に連結されたミラー４８を示している。各ヒンジ部分５７の他端部５８は、ヒンジジョイント６２に連結されている。図３と同様、ヒンジ部分５４，５８は、曲げ部分５５によって互いに連結されている。図３のデバイス４６と比較して、デバイス４７では、ヒンジ５７は、物理的に引き離されている。
【００４４】
ヒンジジョイント６２は、ヒンジセンタ６４の下で好ましくは開いたブリッジ形の支持構造体であり、ヒンジセンタは、垂直支持体セグメント６８相互間の橋渡しセグメント６６に取り付けられている。支持構造体を安定させるために足部７０を更に設けるのがよい。さらにもう１つの選択肢は、支持体セグメント６８を基板の表面に対し角度をなして作ることである（即ち、垂直方向成分と水平方向成分の両方を有する）。電極７６の特徴は、本質的に図３に示された特徴と本質的に等しい。
【００４５】
図３及び図４に示された設計は各々、互いに異なって連結されているが、これらは両方共、同一の機能の大部分を提供する。両方は、本願と同日に出願された米国特許出願（代理人事件番号：ＥＸＡＪ−００３、発明の名称：Multi-tilt Micromirror Systems with
Concealed Hinge Structures）に示されたやり方と類似したやり方で複数の軸線において同時に傾動するよう設計されている。なお、かかる米国特許出願明細書の記載内容を参照によりここに引用する。さらに、ヒンジは捩りと片持ち撓みの両方を可能にするよう設計されているので、これらヒンジは又、ミラー表面の平面に垂直な方向でミラーの運動を容易に可能にするほど可撓性である。多軸チルト及び垂直運動（基板に対して）を可能にすることにより、本発明のデバイスは、以下に説明するようなチルトと位相の両方の補正を行うことができる。
【００４６】
本発明の特徴における（例えば、図３に対して図４に示すように）中央支持型ヒンジ構造と端部支持型ヒンジ構造の別の差は、所与の形態の各々について得られる撓み角に関する。即ち、中央支持体を用いると、そうではない場合にヒンジ支持構造体によって占められる領域が空けられる。したがって、大きな撓み角は、厚さ（ミラー高さ）が同一である場合に端部支持型デバイスよりも中央支持型デバイスによって達成できる。
本発明のマイクロミラーデバイス４６を製造する方法が、図５Ａ〜図５Ｇに示されている。当然のことながら、用いられる方法工程は、当業者には容易に理解されるように本発明の所与の変形例において実際に用いられる本発明の特徴がどれかに応じて、様々であろう。
【００４７】
図５Ａでは、材料の犠牲層８４が、基板６０の上に配置されている。これには、エッチング時に基板の高さ位置の部分８８を構成する第１のマスク８６がパターン付けされている。図５Ｂでは、ヒンジ金属層９０が、犠牲層の一部を含む表面全体に被着されている。パッシベーション層（図示せず）をヒンジ前駆体領域９４として役立つ層９０の領域上に構成する際に第２のマスク９２が利用される。金属層９０は、基板の酸化物層の下に位置するアドレス回路相互間の連結具９８を形成するよう基板６０に設けられたビア９６を埋めている。アドレス指定及び基板作製に関する同一の方法を上述したように採用することができ、或いは製造したデバイス上部構造体の電気的制御の別の方法を利用してもよい。これは、デバイス要素相互間の接続性並びに基板６０の形態に関して当てはまる。
【００４８】
図５Ｃに示すように、導電性材料の厚い層１００をヒンジ材料に被着させる。この層は、電極７６及びナブ７４並びにヒンジ部分５８についてヒンジ支持体６２を堆積させる。層１００は又、ビア９６及び接続構造９８を更に埋める。第３のマスク１０２を用いて保護層（図示せず）を、電極前駆体１０４、ナブ前駆体１０６及びヒンジ支持体前駆体１０８として役立つ層１００の領域上に生じさせる。
【００４９】
図５Ｄでは、層９０，１００は、ヒンジ５６、支持体スパナ（ヒンジ支持体又はアンカ）６２及び電極部分７６を露出させるよう選択的にエッチングされた状態で示されている。図４Ｅでは、次にこれら構造を覆っている別の犠牲層１１０を見ることができる。第４のマスク１１２を用いて犠牲層１１０をパターン付けして犠牲層のエッチング時に支持体前駆体領域１１４を形成する。
【００５０】
図５Ｆは、選択的にエッチングされ、次にミラーとして役立つのに適した導電性材料の層１１６の（又は、次に反射性の高い金属又は誘電体で被覆できる基板）で被覆されたままの状態で犠牲層１１０を示している。隣り合うマイクロミラー４６相互間に空間を形成するよう除去される隣接の境界部又は縁部１２２ではなく、保持されるべきミラー前駆体領域１２０上にパッシベーション層を形成するために第４のマスク１１８を用いる。
【００５１】
図５Ｇは、全ての犠牲材料を除去した後の本発明の特徴としてのマイクロミラー要素４６を示している。上述したように、ミラーは、ヒンジに取り付けられた支持体によって互いに反対側の側部又は縁部のところ又はこれらに沿って支持され、ヒンジは、デバイス基板上に支持される。ミラーの互いに反対側の側部／部分のところに配置されることに加えて、支持体部材は、性質上「開いている」という特徴を有するのがよい。漸次又は２段電極も又示されている。
【００５２】
図６Ａは、マイクロミラー４６の例示の７×７アレイ組立体１２４を示している。ミラー４８の表面の頂部の一部は、下に位置する構造を示すために除去されている。潜在的に数百万個の個々に制御されるミラーで構成されるこの種のミラーアレイは、多くの用途に使用できる。組立体１２４のマイクロミラー４６を、傾動軸線のうちいずれか（又は、両方の或る組み合わせ）回りのマイクロミラーデバイス２０の傾動の真似をし、かくして平らな反射面を表すよう位置決めできるだけでなく、「スマート表面」、即ちマイクロミラー４６に入射するようになる所与の波面に応答して反射波面の形状を改変することができるようになった表面を形成するようマイクロミラー４６を別々に位置決めできる。この理由で、組立体１２４を「フレネルミラー」又は「プログラム可能なレンズ」ということができる。図６Ａは又、非常に大きなアレイのほんの僅かな部分として見ることができる。
【００５３】
図６Ａに示すようなアレイ１２４は、レイアウトが単純なので或る利点を有している。加うるに、このレイアウトのアドレス指定は、各ミラー要素４６に関して終始一貫している。しかしながら、図６Ｂに示すようにミラー要素４６の別のレイアウトを用いることが好ましい場合がある。ここでは、僅かに異なるアレイ１２６の小さな２×２部分が表示されている。この形態では、ミラー要素４６は、先のアレイ１２４と同一であるが、要素４６の配向状態が変わっている。１つ置きのミラー要素４６をチェス盤のパターンで９０°回転させる。主要な利点は、各支持体６２が１つの大きな支持体１２８を形成するよう他の３つの支持体６２とコーナ部のところで交わるヒンジ支持体６２の位置に見られる。大きな支持体１２８は、製造されるべき別々の特徴の数を減少させ、個々に製造された支持体６２よりも構造上の安定性が高い。加うるに、これは４つの自立型部品ではなく組み合わせ構造体なので、支持体の寸法全体を小さく作ることができ、これにより、ヒンジを長くすることができ、しかもヒンジのモビリティを高めることができる。
【００５４】
マイクロミラーアレイ１２４／１２６は、波面補正／整形を行なうための表面を形成するこれらの機能及び有効なプログラム可能レンズを形成する形態を含む。平らな形態以外の形態の表面を形成するよう配向されるこれらの機能に大きな融通性をもたらす。かかる形態の例は、図７Ａ〜図７Ｅに概略的に示されている。図７Ａは、図６Ｂに見えるのと同一のアレイ組立体１２４を示している。例示目的で、小文字“ｅ”１３０が、ミラー組立体１２４で反射されるサンプル物体として用いられている。像１３２は、マイクロミラーの特定の形態に起因して生じる。“ｅ”がミラー表面で反射される点線１３４が示され、光路は、矢印１３６を辿る。図７Ａでは、アレイは、完全に平らに構成されており、単純な反射以外に像に生じる変化は殆どない。後で説明する図との比較のために、像１３２は、基準の１組の十字線１３８に対して設定されている。
【００５５】
単純化のために、図７Ｂ〜図７Ｅは全て、図７Ａに見えるのと同一の物体１３０を用いているが、これはこれらの図では省略されている。最終の像１３２だけが示されている。図７Ｂは、ミラーアレイ１４０を示し、このミラーアレイ１４０は、符号１２４で示されたのと同一のアレイであるが、ミラーは全て同一方向に傾動している。像１４２のサイズは不変であるが、その位置は動いている。かくして、アレイ１４０は、この場合傾動フラットミラーとして働く。図７Ｃは、アレイ１４２、この場合も又、同一のアレイ１２４を示しているが、今度は、個々の要素４６は、サイズが減少した状態で示された結果的に得られる像１４６に見ることができるように合焦ミラーの表面に近似するよう傾動している。
【００５６】
図７Ｄは、今や焦点はずれミラーに近似するミラー要素４６を備えた類似のアレイ１４８を示しており、この焦点はずれミラーはこの場合も又、これに対応して大きな像１５０に見ることができる。図７Ｅでは、アレイ１５２は、同一の組のミラー上におけるチルトと焦点の両方を示しており、その結果が像１５４に示されている。各ミラー要素を互いに別個独立に設定することができるので、潜在的に数形式の補正を同時に実施することができる。チルトと焦点を同一の組のミラー上にアドレス指定することができるが、これにより幾つかの制限が生じることは注目されたい。部品の寸法形状に応じて、個々のミラーのチルト角は、各軸線において１０°という大きな角度に過ぎない場合がある。しかしながら、幾つかの設計のチルト角は、２０°以上という大きなものであってよい。ミラーの全てがこれらの最大角にあり又はそれに近い角度にあるようフラットミラーとして働く１組のミラーを傾動させた場合、これは、ビームを更に合焦させ又は焦点はずれさせることはできないであろう。加うるに、湾曲表面の傾動により、反射ビームに非点収差が生じる場合がある。ただし、これは、特定の角度でのプラグラム可能なレンズの注意深い整形によって補正できる。
【００５７】
これらは図示されていないが、他の多くの形式の波面整形が可能である。球以外の種々のタイプのレンズ、例えば円筒鏡又は放物面鏡を作ることができる。初期の表面の欠陥に起因する入射ビームの歪みを検出してこれを是正することができる。マイクロミラーの角度の制約を受ける多くの他の表面を作ることができる。
【００５８】
実際の使用に当たり、非常に大きなミラーアレイのかかる小さなサブセット１２４をビーム又は像を整形するためには用いられないが、このサイズは、ここでは例示目的に用いられている。このように整形されたアレイの幾分大きな部分のミラーは、曲率を有するようには明らかに見えない。というのは、一ミラーとその次のミラーの差が僅かだからである。これらミラーが別々にアドレス指定可能であるという性質に基づく一利点は、アレイを全体として、各々がそれ自体の特性を持つ多くのフィールドに分割できるということである。これを達成する簡単な一方法は、規定のグリッドを用いることであり、この場合、グリッドの各小区分の中心は、各々がそれ自体の焦点長さ及びチルト角を有するプログラム可能なフレネルミラーの中心であるように設定される。本発明は、このマイクロミラーの制御方式には限定されない。任意の数又は形状のフィールドを別々に制御できる。
【００５９】
本発明の別の重要な用途は、光ネットワーク用のスイッチの分野である。図８を参照すると、スイッチングマトリックス１５４の略図が示されている。説明を簡単にすると共に図面を分かりやすくするため、リニアマトリックス１５４しか示されていない。ただし、二次元マトリックスも又、一般に用いられる。図８のマトリックスは、２つのアレイ１５６，１６６をなす操縦可能なマイクロミラー（それぞれ、１５８，１６０，１６２及び１６８，１７０，１７２）を有する。操縦可能なマイクロミラーは各々、アナログモードでこれらの動作によって「操縦可能」であり、これには、マイクロミラー１５８，１６０，１６２，１６８，１７０，１７２を当業者には知られているようにマイクロミラーのミラー表面の所望の偏向に対応した電圧に作動させることを含む。
【００６０】
このように、３つのマイクロミラー１５８，１６０，１６２を各々、その入力チャネル（それぞれ、１６３，１６４，１６５）から受け取った光信号を出力されることが望ましい出力チャネル１７３，１７４，１７５に対応したマイクロミラー１６８，１７０，１７２のいずれか１つに差し向けるよう回転軸線回りに傾動させることができる。入力及び出力チャネルは、合焦光学系を備えた光ファイバである場合が多い。例えば、マイクロミラー１５８は、入力チャネル１６３から受け取った入力信号をマイクロミラー１６８に反射させるよう配向可能であり、かかるマイクロミラー１６８も又、この場合、マイクロミラー１５８からの出力を出力光ファイバ１７３に光学結合するよう傾けられる。変形例として、マイクロミラー１５８，１７２の電極への電圧を変化させることができ、したがってこれらマイクロミラーが互いに光学結合され、この場合、入力光ファイバ１６３からの光入力を出力光ファイバ１７５に出力すること等ができるようになる。米国特許第６，３８９，１９０号明細書は、図８に示す形式のスイッチングマトリックスを詳細に記載しており、かかるスイッチングマトリックスは、かかるスイッチングマトリックスの製作に用いることができるＭＥＭＳマイクロミラーの一例を有する。
【００６１】
本明細書の背景技術の分野において注目されるように、現在入手できる光スイッチング機構は、入力から出力に通る光信号の相当大きな損失、即ち、６０％〜７０％台の損失を生じる。これら損失の大きな原因は、光信号が入力光ファイバから第１及び第２のミラー（入力及び出力ミラーアレイ）に、そして最終的に出力光ファイバに進む際の光信号からの光の散乱である。入力及び出力アレイ状のマイクロミラーの表面の異常が原因となって、光の散乱が生じると共に入力光信号（光ビーム）が入力側マイクロミラー及び出力側マイクロミラーで反射されるときまでに光ビームの一部が出力光ファイバと位置合わせ不良状態になるまで光ビームの変形が生じる場合がある。ミラーに対するファイバの位置合わせ不良は、不釣合いなビームサイズに起因する出力ファイバ内への結合の低下に加えて、相当大きな損失源である。
【００６２】
入力及び出力ミラーのチルト軸線が例えば図８に示す構成において互いに平行でない場合には別の誤差源が生じる場合がある。ただし、これは主として、単一の運動軸線のみを有するミラーのアレイにのみ影響を及ぼす。かかる場合、入力光ファイバと出力光ファイバを光学結合するよう位置合わせされるようになった入力側マイクロミラー及び出力側マイクロミラーの互いに反対側の入力及び出力ミラー表面を互いに平行に位置合わせすることは決してできず、その結果、光ビームの歪みが生じ、したがって出力信号の一部が出力光ファイバに入らないようになる。これに類似した悪影響は、熱的効果及び他の環境効果並びに部品の劣化に起因して生じる場合がある。
【００６３】
本発明は、ミラーの位置合わせ不良、ミラー表面の凸凹及びスイッチング機構を通る光の損失の他の物理的原因に起因する損失源を是正し、それにより実質的にこれらを無くす光スイッチング形態に利用できる。図９は、説明を簡単にするために、入力及び出力アレイの各々からマイクロミラーデバイス（それぞれ、１５８，１６８）を１つだけ示すスイッチング構造の概略二次元略図である。光入力信号が、入力チャネル１６３によって送られた状態でマイクロミラーデバイス１５８に入射する。単一の光ビームの部分を表す７つの光線１７７〜１８３が、マイクロミラーデバイス１５８のミラー表面に入射している状態で図９に概略的に示されており、次に、かかるミラー表面からこれら光線をマイクロミラーデバイス１６８に向かって反射し、次に出力チャネル１７３に差し向け、ここで、符号１５８ａ，１６８ａは、これらミラーの回転軸線を表している。この例では、光線１７３，１８３は、ミラーに当たるビームの膨張に起因してマイクロミラーデバイス１６８のミラー表面に対し位置合わせ不良状態になる。これと同様に、光線１７９は、光の散乱に起因して誤って差し向けられて出力チャネルには送られず、かかる光の散乱は、マイクロミラーデバイス１５８のミラー表面の平坦部の欠如又はミラーの一部で反射する光の位置合わせ不良を生じさせる他の形状不良によって引き起こされる場合がある。
【００６４】
マイクロミラーデバイス１５８，１６８は、軸線１５８ａ，１６８ａ回りに傾動することにより調節可能であるが、図９のマイクロミラーデバイス１５８，１６８のそれ以上の調整の結果として、光損失の減少が得られないということに注目されたい。例えば、マイクロミラー１５８を時計回りの僅かな回転により傾動させた場合、光線１８３は、マイクロミラー１６８の表面に当てられるが、それと同時に、光線１７８は、マイクロミラー１６８の反射面を外す恐れがあり、しかも光線１７７は、マイクロミラー１６８から依然として反射されないことは確実である。これと同様に、反時計回りのマイクロミラー１６８の回転が光線１７７を出力光チャネル１７３内へ差し向けるが、それと同時にこれは又、光線１７８を誤って差し向けてもはや出力チャネル１７３内へは導かれないようになる。
【００６５】
マイクロミラーデバイス１５８，１６８の各々を図１０に示すように本発明の複数の小型で且つ制御性の高いマイクロミラーデバイス１４６で置き換えることにより、マイクロミラー組立体（それぞれ、１８４，１８６）が、図９のマイクロミラーデバイス１５８，１６８の各々に取って代わるように設けられる。各マイクロミラー組立体は、複数（図示の非限定的な例では、７つ）のマイクロミラーデバイス４６（ここでは、４６−１〜４６−１４として示されている）で構成され、これらマイクロミラーデバイスは各々、ミラー表面を２つの回転軸線回りに別個独立に又は両方の回転軸線回りに様々な度合いに回転するときに生じる合成ベクトルによって定められる無限の数の回転軸線回りに動かすことができるよう別個独立に制御できる。図示の例では、光線１７７と組立体１８６上の対応のマイクロミラー（４６−８）と位置合わせして光線１７７が出力光チャネル１７３へ今や正しく導かれるようにするようマイクロミラーデバイス４６−１を時計回りに回転させ又は傾動させている。マイクロミラー４６−１の回転は、説明上の目的で誇張して示されており、ミラーの実際の回転は、本質的には非常に僅かであって本質的には知覚できず、他方、光線１７７を正しい方向に反射させるためにこの場所の反射面を「平らにする」効果を有する。これと同様に、マイクロミラー４６−７は、光線１８３を正確に差し向けてマイクロミラーデバイス４６−１４に入射するよう幾分反時計回りに傾動させ又は回転させ、それにより、光線１８３を出力光チャネル１７３内へ差し向ける。組立体１８４のマイクロミラーデバイス４６−３は、光線１７９の向きを組立体１８６上の正しい位置に代えて出力チャネル内への正しい差し向けを可能にするよう反時計回りの方向に傾動し又は回転している。
【００６６】
図９及び図１０に示されているこの特定の例では、入力光チャネル１６３からの光ビームは、本発明の細部を示すよう僅かに拡大した状態で示されている。実際のシステムでは、光ビームは、ビームの空間プロフィールを光スイッチの長さ全体を通じてできるだけ小さく保つよう注意深く合焦されている。ビームサイズを小さく保つことにより、個々のミラーのサイズ及びこれら相互間の間隔も又、小さくすることができ、これにより高密度のスイッチングマトリックスが得られる。これは望ましいが、その理由は、ＭＥＭＳマイクロミラー設計が一般に、限定された利用可能な角運動範囲を有し、したがって密度が高いことは直接、スイッチでの高いポートカウントを招く。しかしながら、ビームサイズをこのように変化させることにより、幾つかの悪影響が生じる。たとえ光線が全て合焦されてこれらが合焦レンズに出力チャネルのところで当たっても、各光線（１７７〜１８３）の出射角は、ファイバ内への良好な結合効率を得る上で最善ではない場合がある。最善の結合を得るためのスイッチングミラーの両方の調整は、損失の大部分を無くすことはない。ミラー相互間の比較的広い間隔に対応するため、ミラー相互間に長い距離が必要な場合が多い。長い距離全体にわたって小さなビームスポットサイズを維持するには、入射ビームに対する合焦要素の非常に良好な一様性が必要である。これら制約により、大型のフラットミラーを用いた場合、高いポートカウントを有する稼働デバイスを作ることは困難な場合がある。
【００６７】
各マイクロミラー組立体（例えば、１８４，１８６）を形成するために複数の別々に調節可能なマイクロミラー４６を提供することにより、これら組立体の入力アレイ及び出力アレイを、現在入手できる光スイッチング又はクロスコネクト装置と比較して、光の損失量を減少させることができる光スイッチング又はクロスコネクト装置を製作する際に製造できる。事実、デバイス４６を別々に調節することができるようにすることにより、組立体に、受信中の光信号の波面に光学的に適合すると共にその波面を操作して最終的にスイッチングデバイスの出力端部のところで受け取られる信号の量を最大にする能力が与えられる。上述したように組立体１８４，１８６のマイクロミラー４６の反射面はかくして、損失を最小限に抑えるよう受け取って反射された光を合焦させるプログラム可能なフレネルミラーとして使用することができる。正しく合焦された光を長い距離とは対照的に、短い距離にわたって保つことは非常に容易である。複数のミラーを用いることにより、入力ファイバ後の合焦要素を第１のミラーアレイまでの短い距離だけ最適化することができる。第１のミラーアレイは、第２のミラーアレイに正しく合焦することができ、第２のミラーアレイは、次に出力ファイバ内への良好な結合を可能にするよう正しく合焦する。
【００６８】
少量の光が各アレイ中のマイクロミラーデバイス４６相互間の間隔に起因して失われるが、この損失は、例えば図９に示すようなシステムにより通常失われるが、図１０を参照して説明したように、マイクロミラー４６の正しい配向により再捕捉される光の量と比較して僅かである。図１０の例を、組立体１８４，１８６を形成するようマイクロミラー４６の一次元組立体（即ち、各組立体において、１×７アレイのマイクロミラー４６）に関して説明したが、本発明は、例えば分かりやすくするためにだけ説明したかかる構造には全く限定されないことは注目されるべきである。事実、可能性の高い組立体は、図８に示すようなスイッチングセットアップを備えた各組立体を形成するようマイクロミラー４６の二次元アレイを有することにある。例えば、マイクロミラーデバイス２０に代えて、例えば図５に示すアレイ１２４のような組立体を形成するよう１０×１０又は１００×１００アレイのマイクロミラー４６を用いることができる。マイクロミラー４６は、２つの軸線（又は、上述したようにこれらの組合せ）回りに傾動し又は回動する能力を有しているので、入射光信号の三次元方向転換又は合焦が得られるよう各組立体に二次元アレイのマイクロミラーを形成することが好ましい。
【００６９】
図１１は、三次元クロスコネクト構造１９０の略図である。この構造では、光入力アレイ１９２中のマイクロミラーと光出力アレイ１９８内のマイクロミラーを光学結合するよう三次元的に位置決めされたものであるのがよい。かくして、例えば、マイクロミラー１９４及びこれに対応した光出力アレイ１９８内のマイクロミラーの適切な位置により、光入力２０４をマイクロミラー１９４と光出力マイクロミラー２００〜２０３のそれぞれとの適当な光学結合によって光出力２０６，２０９に出力するよう差し向けることができる。入力側マイクロミラー１９５〜１９７は各々、出力ミラーの適当な調節によりほぼ同じ実現性を有している。
【００７０】
図１２は、図１１のクロスコネクト１９０と類似しているが、ミラー要素のうちの２つ１９４，１９６に代えて例示の５×５アレイ２１４，２１６が用いられた三次元クロスコネクト２１０を示す図である。単一のミラー要素を置き換えることは、上述したように多くの利点があるが、これはこの図で分かるように明らかである。この例では、２つのアレイは、切り換えられているビームについて２つの互いに異なる合焦要素として働くよう構成されている。入力ビーム２０４が入力ビーム２１８よりも僅かに変えられた合焦特性を有している場合、アレイ要素を別々に調節して結合効率を最大にすることができる。殆どの場合、レンズアレイ又は各ファイバ上の個々のレンズにより光ファイバから出る光スイッチの入力ビームを合焦させる。これらレンズに関する焦点距離の一様性は、達成するのが非常に難しい場合があるが、これらレンズの一貫性における僅かな変化は、ビームの合焦具合い、及びかくして出力ビームに戻る光の結合効率に大きな影響を及ぼす場合がある。追加のレンズ要素として働くよう小さなアレイのミラーを光路の一部として用いることにより、出力への電力スループットを犠牲にしないで、入力ビームに僅かな変化を生じさせることができる。これら設計を利用した実際のシステムでは、入力及び出力ミラー１９５，１９７，２００〜２０３の残部は全て、類似したアレイのマイクロミラーによって表される。
【００７１】
マルチミラーアレイのもう１つの利点は、位置決めの利点である。図１１に示すような単一のミラーシステムでは、各入力ファイバを他の全ての入力ファイバと共にその対応関係にあるミラーの中心に正確に位置合わせしなければならない。僅かな不規則性でも、入力ビームをミラーの縁部で切断され又は全て無くなる場合がある。各ファイバ及び（又は）合焦部品の個々の調整は、一般に可能ではなく、時間の大部分、入力ファイバ及びレンズのアレイ全体の狙いは、たとえチャネルのうちの多くに関するスループットがその結果として損なわれても、最善の妥協的位置を見出すよう定められる。正確な一様性を達成することは、簡単ではない仕事である。この問題の考えられる１つの解決策は、アレイ１９２，１９８中の個々のミラーのサイズを大きくすることである。これは各ミラーの縁部のところでビームからの出力を減少させるという問題を緩和するが、この解決策は、ミラーアレイの密度を全体として低下させるという欠点があり、これは、上述したように、スイッチの全ポートカウントを減少させる。図１２では、単一のミラーに代えてアレイ状のミラーが用いられている。実際には、各単一ミラーに代えて、単一のマイクロミラーの元の表面相互間に特定の境界部の無いアレイ状のミラーが用いられるが、これは、分かりやすくするためにこのように表示されている。図１２では、アレイ２１４，２１６相互間には、多くの同一のミラーが見え、これらミラーは全て、全体として単一の大きなアレイを形成している。単一のファイバの中心をミラーアレイ状のその入力ビームの位置を変更するよう僅かな量だけ不正確に傾動させた場合、この新しい位置は、縁部で減衰するビームに対して余分な損失を生じさせないで、ミラーのその舵取り組の中心として選択される。当然のことながら、入力ファイバ及びビームの一様性は、全体としてアレイ状の任意の一場所における２以上のビームの部分とオーバーラップするほど貧弱ではないが、単一のミラーシステムの性能に悪影響を及ぼす僅かな変化は、この場合スループットを損ねるであろう。加うるに、単一の光ビームのアレイドメインについての境界部が無いことにより、ビームの密な間隔が可能になり、これは、上述したように、大きなポートカウントを有する高密度のスイッチの実現が可能になる。
【００７２】
図６Ａは、図１１のマイクロミラーデバイス１９４（又は、他のマイクロミラーデバイス１９５〜１９７及び２００〜２０３のうちいずれか）に取って代わることができるマイクロミラー組立体１２４を形成する本発明のマイクロミラーデバイス１４６の組立体を示している。ただし、アレイのこのサイズは、本発明を限定するものではない。光スイッチングフィールドに現在用いられている典型的なマイクロミラーデバイスは、約１ｍｍ×１ｍｍの幅と長さの寸法を有するミラー表面を採用している。本方法を用いて、本発明のマイクロミラーデバイス４６を約８ミクロン×８ミクロンという小さなミラー表面を有するよう作製できる。かくして、１５，０００のマイクロミラー（即ち、１２５×１２５アレイ）の組立体が、先行技術における単一のマイクロミラーデバイスに取って代わるよう設けられる。上述したように、本発明は、このサイズのマイクロミラーには限定されない。というのは、８ミクロン×８ミクロンよりも大きな寸法を有するマイクロミラーを確実に製造でき、したがって、複数であるが、１００よりも少ない数のマイクロミラーデバイス４６の単一の公知のマイクロミラーデバイスに取って代わるよう組み立てることができる。また、更に小さなマイクロミラーデバイス４６が、製造技術の現状の進展につれて可能になる。
【００７３】
本発明のミラーデバイスの別の重要な用途は、アダプティブ光学系に通常用いられている用途であり、このアダプティブ光学系は、位相補正のアダプティブ光学系である。これは、画像化技術の品質を場合によっては劇的に向上させる種々の分野、例えば天文学又は共焦点顕微鏡検査法でますます利用されている。位相補正アダプティブ光学系の主要な要素は、変形可能なミラー表面であり、これは、背景技術の部分で一般的に説明したが、ここでは詳細に示されている。変形可能な表面を一般に、像の種々の部分相互間の位相歪みを補正するようリアルタイムで変化させる。
【００７４】
図１３Ａは、単純化された形態で先行技術に用いられている一般形式のアダプティブ光学ミラーの一部を示している。ミラー組立体２４０は、基板２４６上に設けられた単一の可撓性ミラー表面２４２で構成されている。ミラー表面２４２は、直線状アクチュエータ要素２４４のまばらなアレイによって基板２４６上に保持され、これらのうちの６つが個々に示されている。アクチュエータ要素２４４は、種々の方法、例えば静電引力、圧電効果、熱機械的効果等を用いて働く。アクチュエータ２４４の間隔は一般に、ミラー表面の制御を最大にするが、複雑さを最小限に抑えるよう選択される。ミラー表面はアクチュエータの全てを１つの大型システムに連結するので、ミラーを所望の形状に動かすには、種々の要素２４４相互間に複雑な相互作用を伴う場合がある。詳細なモデルは、ミラー表面２４２を所望の形状に調節するために必要な場合が多い。この種のシステムの一利点は、反射面が単純であり、途切れていないということにある。
【００７５】
図１３Ｂは、これに類似したデバイスを示しているが、この場合、個々のミラー２５０が大きなミラー表面２４２に取って代わっている。この図で理解できるように、ミラーの高さは、デバイス２４０によって可能な任意の大抵の形状を真似るよう調節できる。比較すると、このミラー表面には多くの小さなギャップが設けられ、これらは、特にギャップが大き過ぎる場合には入射光を散乱させる場合がある。これは、各ミラーの位置がこれに隣接した位置に悪影響を及ぼさないので装置の融通性及び容易な制御によって補償される。比較を容易にするため、図１３Ａ及び図１３Ｂに示された２つのデバイスは、同一尺度のものである。ただし、これは一般的にはそうではない。大抵の場合、マルチミラーデバイス２４８は、同一の形状を達成するにはこれよりも大きなマイクロミラー及び高い密度のアクチュエータを必要とし、このデバイスの電力消費量は、高い場合がある。
【００７６】
本発明によって組み立て可能なデバイスは、図１３Ｂのアレイ２４８と幾分似ている。図１３Ｃは、上下方式で作動できる個々の要素４６のアレイを示している。例えば符号４６で示す特定のミラー要素の電極の全てが同一電圧で駆動される場合、同じ力がミラーの平面に垂直な垂直方向にミラー全体に及ぼされることになる。ヒンジの設計が大きな融通性を与えるので、組立体４６は、最低ミラーの停止箇所まで動的範囲を有するはずである。しかしながら、図１３Ｄに示すように、本発明のミラー要素では、追加の特徴を提供できる。即ち、本発明者の設計の利点のうちの１つは、ミラーを一度に多数の軸線で作動できることにある。種々の電極に印加される等しくない駆動電圧は、ミラーを傾動させると同時にこれを垂直方向に駆動する。
【００７７】
かくして、入射光のチルト補正及び（又は）位相補正の両方を同一表面上で実施できる。これは、システムを駆動するのに必要な制御電子回路を全体として大幅に単純化するだけでなく、他の光学的利点も又提供できる。幾つかの形式のシステムでは、空間歪みをチップ／チルト位相表面が空間内で引き離されている場合、光ビーム中に作ることができる。両方の補正を同一表面で行なうようにすることにより、幾つかのアーチファクト、例えば視差誤差を無くすことができる。
【００７８】
また、マイクロミラーの規模は、ここでは重要な役割を果たすことに注目されたい。上述したようなマイクロミラー４６では、各ミラーの好ましいサイズは、比較的小さく、直径が８〜１０ミクロン大までである。小さなサイズは、所与のミラー高さの場合、電力消費量を小さくすると共に角度を大きくすることができる。これは、位相補正用途では最善ではない場合があり、これら用途のうち多くは、問題の光の幾つかの波長であるようミラー表面の運動を必要とする。大抵の場合、これは、数ミクロン以下である。ミラーの最も小さな規模は、この範囲の運動を考慮に入れていない。幾分大きな又は種々の厚さの部品を備えたマイクロミラーを形成することは、これよりも大きな範囲を考慮に入れるが、傾動のために許容される角度を制限する場合がある。チルト温度と垂直運動の両方を可能にするミラー表面に関し、選択される規模は、少なくとも或る用途に関し、両方の形式の運動に使用できるデバイスを与えるようこれら２つの限度相互間の妥協点でなければならない。他の用途に関し、ミラーのこれよりも小さな横方向運動が必要であり、最も小さなミラーが、良好に働くであろう。
【００７９】
図３に示す変形例以外の本発明の設計の多くの他の変形例が可能である。図１４Ａ〜図１４Ｃは、幾つかの側部で支持された六角形のミラー頂部を備えたマイクロミラー２２０の細部を示している。その構造及び概観は、図３Ａ〜図３Ｃに示すマイクロミラー要素４６と酷似しており、図の各部分についての見る方向は同一である。デバイスのこの変形例では、六角形ミラー４８は、ヒンジ部分５４のコーナ部支持体５２に取り付けられ、別のヒンジ部分５８が、類似したヒンジジョイント６３で基板６０に取り付けられている。
【００８０】
ヒンジ構造に関し、観察される差は、各ヒンジ構造５７がヒンジ（５４，５８）の他の２つの部分相互間の追加のバー／区分６１を有するということにある。このように提供された長いヒンジ区分は、図３のヒンジ５７よりも高い応従性を提供し、ミラーの容易な作動を可能にする。しかしながら、この設計の潜在的な欠点は、大きなヒンジによって占められる追加の領域が先に電極７４によって占められた領域に当たるということにある。さらに、長いヒンジ構造体によって許容される大きな運動は、この欠点を補うべきである。上述したように、相対的な利点を得るための本発明の或る特定の特徴の選択は、要求される用途で決まる場合がある。
【００８１】
図３Ａ及び図３Ｂの設計と比較したこの設計の別の差は、電極設計にあることが示されている。図１４Ａ〜図１４Ｃでは、互い違いに配置されたマルチレベル電極７６に代えて、単一の段付き電極２２６が示されている。ビアを利用した支持体コラム２２８を用いて、電極表面２３０全体は、ミラーの近くに持ち上げられている。この構成は、最大静電引力を考慮している。
【００８２】
或る程度の静電引力を達成するのに必要な電圧が低いのでビア電極が好ましい場合があるが、製造性に関して、段付き電極が好ましい場合がある。ビアタイプ電極は、ミラーが或る電極／ヒンジレイアウトに関し、或る特定の方向における最大チルト角に達するのを潜在的に阻止する場合がある。他の１つの電極変形例（図示せず）は、基板６０上の低い平らな単一電極を用いる設計である。この設計は最も小さな静電引力を持ち、かくして作動するのが困難であるが、製造が非常に簡単である。当然のことながら、図１４Ｂの例を参照して説明した電極設計はどれも、図１４に示すマイクロミラーには限定されず、本明細書で説明する他の設計のどれにも適用でき、又その逆の関係が成り立つ。
【００８３】
これら変形例のうちの任意に関する電極構成の選択とは無関係に、ヒンジ、ミラー及び電極を互いに邪魔しないように設計されていることに注目されたい。ヒンジ及び電極層は同時に構成されるので、これら相互間のオーバーラップは存在しない。両方の軸線におけるミラーの最大の角度延長部で、ミラーは、基板６０又はヒンジ支持体６０にのみ下で当たる。通常の動作中、ミラー及び取り付けられた金属構造体は、バイアス電圧まで荷電され、アドレス指定電極はこれとは異なる電圧に荷電され、構造体が一ミラー又は他の多くのミラーをショートさせて潜在的に損傷し又は動作不能にする危険性は無い。
【００８４】
ヒンジ及び電極の多くの他の形態がここで教示した同一の概念の枠組みを用いて可能である。可能な接続性のうちの幾つかの略図が、図１５に示されている。図１５Ａの左上コーナ部に示された概略的なミラーレイアウト２５２は、図３Ａ〜図３Ｃに示された設計に対応し、図１５Ａのものは、図４Ａ〜図４Ｃの設計に対応し、図１５Ｃは、図１４Ａ〜図１４Ｃに対応している。
【００８５】
各ミラーレイアウトでは、黒く塗った円２５６が、基板への一般化された接続部に対応し、太い線２５４は、ヒンジ材料に対応し、白抜きの円２５８は、ミラーへのヒンジ材料の接続部に対応している。図１５の各々の考えられる形態の一覧は、決してこれらには限られず、本発明の及ぶ可能性の一例に過ぎない。加うるに、単純化のために、六角形及び正方形の形状のみを示しているが、平面を整然とタイルのように並べる多くの他の形状も可能である。しかしながら、図示の設計は、本発明者によって確認されたようにこれら設計の提供する優れた可能性を得る上では最も好ましい場合がある。
【００８６】
さらに、図１５Ａ〜図１５Ｒに概略的に示された本発明の変形例は、図１５Ａ′〜図１５Ｒ′に対応物によって表されている。これら「対応物」は、実質的に湾曲したヒンジ部分を採用している。両方の組をなす図において、ヒンジは、異なる経路に沿って差し向けられた（即ち、別々の方向に延びる）部品又は部分を有するという共通の特徴を共有している。応力除去目的で、多少曲線状のプロフィールを備えたヒンジ／変形可能な部材が本発明において用いられるということは事実上そのような場合である。
【００８７】
本発明と関連して考えられる更に別の変形例は、互い違いであるにせよビアであるにせよ平らであるにせよ、いずれにしても上述した電極のうちの任意のものに取って代わる多数の電極を利用する必要がある。これら考えられる設計のうちの幾つかが、図１６Ａ〜図１６Ｃに示されている。図１６Ａは、図４Ｂに示すものと実質的に同一の要素を示しているが、ヒンジ下部構造体は、基板６０及び電極２３２だけが示されるよう省かれている。この場合、電極７６（例えば、図４Ｂの実施形態からのもの）の各々に代えて電極アレイ２３２が用いられている。種々のタイプの電極を互いに異なる形状及び高さの形態で提案したが、電極アレイ２３２は、上述したものとは異なっている。というのは、アレイ２３２の各要素を別々にアドレス指定できるからである。
【００８８】
図１６Ｂは、単一の電極７６に代えて用いられる別の形式の電極アレイ２３４を示している。ここでは、各サブ電極の形状が様々であるだけでなく、高さも様々であり、それによりアレイ２３４中の各要素の電界強度を変化させることができる。図１６Ｃは、更に別の考えられる変形例を示しており、この場合、電極アレイ２３６は、二次元で更に分解されている。単一の要素電極７６は、連続位置決めのためにミラーのアナログ運動を可能にするためには電圧の微調整を必要とする。マルチ要素電極を用いると、各ミラー要素４６の制御回路の複雑さをかなり小さくすることができる。潜在的に、十分な数のアドレス指定可能な電極がミラーの下に配置されている状態では、ミラーのほぼアナログ制御は、ディジタルアドレス指定方式を用いて可能になる。
【００８９】
電極及びミラー全体の他の形態並びに関連のヒンジ連結形態は、本発明の範囲に属する。図示の本発明の実施形態及び例えば計画される他の実施形態では、変形例も又、要素相互間の垂直方向間隔に対して提供できる。特に、選択された物品の高さ又は相対間隔は、部品、例えば電極領域のサイズ及び（又は）配向状態に影響を及ぼす場合がある。即ち、電極の形状及び高さは、マイクロミラーの所望の偏向範囲を満たす際の妨害を回避する特注を必要とする場合がある。
【００９０】
加うるに、ＭＥＭＳ処理と関連して本明細書において説明した特徴を比較的大きな規模に適用できることが注目される。即ち、本明細書で用いた「マイクロミラー」という用語は、直径、高さ及び（又は）長さが１ｍｍ以上のミラー構造に適用できる。かかる大きな構造は、上述した分野以外に利用できる。全体として、本発明に従って構成されたデバイスを、光スイッチング装置に関して説明した場合だけでなく、アダプティブ光学を含む用途にも適用できることは理解されるべきである。
【００９１】
本発明の範囲の広さは、特許請求の範囲の文言上の範囲又は均等範囲によってのみ限定される。該当する場合には公知の均等構造及び（又は）特徴を表明する手だてがなされる。一又は複数のかかる項目が特許請求の範囲において記載されていないということは、それを含むということを全く排除しようとするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】一般的な捩りバーミラー及びジンバル組立体の先行技術を示す斜視図である。
【図２】撓みヒンジを光スイッチングアレイの一部として用いる単一ミラーを示す先行技術の平面図である。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施形態の斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａと同一の図であるが、ミラーが取り外された状態を示す図である。
【図３Ｃ】同一要素の側面図である。
【図４Ａ】本発明の別の形態の斜視図である。
【図４Ｂ】図３Ｂと類似した図である。
【図４Ｃ】図３Ｃと類似した図である。
【図５Ａ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｂ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｃ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｄ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｅ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｆ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図５Ｇ】図３に示すデバイスの製造方法を示す図である。
【図６Ａ】図３に示すミラーのサンプル７×７アレイをミラー頂部のうち何割かを省いた状態で示す斜視図である。
【図６Ｂ】図４の類似のアレイの僅かな部分をその好ましい形態で示す斜視図である。
【図７Ａ】プログラム可能な「フレネルミラー」として用いられる図６Ｂのアレイを示す斜視図である。
【図７Ｂ】プログラム可能な「フレネルミラー」として用いられる図６Ｂのアレイを示す斜視図である。
【図７Ｃ】プログラム可能な「フレネルミラー」として用いられる図６Ｂのアレイを示す斜視図である。
【図７Ｄ】プログラム可能な「フレネルミラー」として用いられる図６Ｂのアレイを示す斜視図である。
【図７Ｅ】プログラム可能な「フレネルミラー」として用いられる図６Ｂのアレイを示す斜視図である。
【図８】単純な直線３×３光スイッチの平面図であり、ミラー要素及び光ビームを示す図である。
【図９】単一ミラー型スイッチングデバイスを用いる光ファイバ結合を含む図８の単一光路の拡大図である。
【図１０】多ミラー型スイッチングデバイスを用いる光ファイバ結合を含む図８の単一光路の拡大図である。
【図１１】ミラー要素及び光ビームを含む三次元４×４光スイッチの斜視図である。
【図１２】図１１に示すのと同一のスイッチの斜視図であるが、２つのミラーに代えてマルチミラーアレイが用いられている状態を示す図である。
【図１３Ａ】ＭＥＭＳを利用した位相補正型アダプティブ光学系技術の先行技術を示す図である。
【図１３Ｂ】ＭＥＭＳを利用した位相補正型アダプティブ光学系技術の先行技術を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明により可能になる動作を示す図である。
【図１３Ｄ】本発明により可能になる動作を示す図である。
【図１４Ａ】ビア電極を備えた異なる撓み設計を用いる図３の変形要素の同一の図である。
【図１４Ｂ】ビア電極を備えた異なる撓み設計を用いる図３の変形要素の同一の図である。
【図１４Ｃ】ビア電極を備えた異なる撓み設計を用いる図３の変形要素の同一の図である。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｒは、実質的にまっすぐなヒンジ区分が用いられたヒンジ及び電極設計の有利な変形例を単純化された形態で示す図である。図１５Ａ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ａの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｂ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｂの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｃ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｃの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｄ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｄの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｅ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｅの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｆ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｆの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｇ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｇの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｈ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｈの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｉ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｉの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｊ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｊの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｋ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｋの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｌ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｌの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｍ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｍの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｎ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｎの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｏ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｏの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｐ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｐの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｑ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｑの変形例の対応した変形例を示す図である。図１５Ｒ′は、Ｊに湾曲したヒンジ区分が用いられた、図１５Ｒの変形例の対応した変形例を示す図である。
【図１６Ａ】様々な高さの一種類のセグメント状電極設計を示す図である。
【図１６Ｂ】様々な高さの別種類のセグメント状電極設計を示す図である。
【図１６Ｃ】様々な高さの別種類のセグメント状電極設計を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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