(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多色光学画像を生成する表示装置であって、
光が通過することのできる光学開口を有するハウジング手段と、
前記ハウジング手段内に配設され、離散的な光変調画素ユニットのアレイを形成する光弁手段とを備え、各画素ユニットは縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子要素が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子要素が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成され、前記表示装置がさらに、
反射状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から反射した光が前記開口を通過せず、回折状態の前記各画素ユニットの前記副画素構成要素のうちの対応する副画素構成要素から回折した光が前記開口を通して送られるように、それぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めされた、複数の有色光源を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
多色光学画像を生成する表示装置であって、
光が通過することのできる光学開口を有するハウジング手段と、
前記ハウジング手段内に配設され、離散的な光変調画素ユニットのアレイを形成する光弁手段とを備え、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子要素が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成され、前記表示装置がさらに、
回折状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から回折した光が前記開口を通過せず、反射状態の前記各画素ユニットの前記副画素構成要素のうちの対応する副画素構成要素から反射した光が前記開口を通して送られるように、それぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めされた、複数の有色光源を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項３】
多色光学画像を生成する装置であって、
光が通過することのできる光学開口を形成している手段と、
離散光変調画素ユニットのアレイを形成する手段とを備え、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、前記各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子素子が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が固定構成を有し、前記副画素構成要素が、入射光を完全に反射させ、あるいは入射光を完全に回折させ、あるいは入射光を部分的に回折させ部分的に反射させ、前記装置がさらに、
反射状態の照明された副画素構成要素から反射した光が前記開口を通過せず、回折状態の照明された副画素構成要素から回折した光が前記開口を通して送られるように、それぞれ前記アレイの少なくとも１つの画素ユニットを同時に照明するように位置決めされた、複数の有色光源を備えることを特徴とする装置。
【請求項４】
多色光学画像を生成する装置であって、
光が通過することのできる光学開口を形成している手段と、
離散的な光変調画素ユニットのアレイを形成する手段とを備え、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、前記各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子要素が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と屈折状態のどちらかの固定構成を有し、前記副画素構成要素が、入射光を完全に反射させ、あるいは入射光を完全に回折させ、あるいは入射光を部分的に回折させ部分的に反射させ、前記装置がさらに、
回折状態の照明された副画素構成要素から回折した光が前記開口を通過せず、反射状態の照明された副画素構成要素から反射した光が前記開口を通して送られるように、それぞれ、前記アレイの少なくとも１つの画素ユニットを同時に照明するように位置決めされた、複数の有色光源を備えることを特徴とする装置。
【請求項５】
多色光学画像を生成する方法であって、
光が通過することのできる光学開口を設けるステップと、
離散光変調画素ユニットのアレイを形成し、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子素子が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成されるステップと、
前記各副画素構成要素を前記反射状態と前記回折状態のどちらかにするステップと、
反射状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から反射した光が前記開口を通過せず、回折状態の副画素構成要素から回折した光が前記開口を通して送られるように、複数の有色光源をそれぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めするステップとを備え、それによって、前記画素ユニットの状態に対応する光学画像を前記光学開口を通して見ることができることを特徴とする方法。
【請求項６】
多色光学画像を生成する方法であって、
光が通過することのできる光学開口を有するハウジング手段を用意するステップと、
前記ハウジング手段内に配設され、離散光変調画素ユニットのアレイを形成する光弁手段を設け、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子素子が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素の格子素子のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成されるステップと、
反射状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から反射した光が前記開口を通過せず、回折状態の前記各画素ユニットの前記副画素構成要素のうちの対応する副画素構成要素から回折した光が前記開口を通して送られるように、複数の有色光源をそれぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めするステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
多色光学画像を生成する方法であって、
光が通過することのできる光学開口を設けるステップと、
離散的な光変調画素ユニットのアレイを形成し、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子素子が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成されるステップと、
前記各副画素構成要素を前記反射状態と前記回折状態のどちらかにするステップと、
回折状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から回折した光が前記開口を通過せず、反射状態の副画素構成要素から反射した光が前記開口を通して送られるように、複数の有色光源をそれぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めするステップとを備え、それによって、前記画素ユニットの状態に対応する光学画像を前記光学開口を通して見ることができることを特徴とする方法。
【請求項８】
多色光学画像を生成する方法であって、
光が通過することのできる光学開口を有するハウジング手段を用意するステップと、
前記ハウジング手段内に光弁手段を配設し、離散光変調画素ユニットのアレイを形成し、各画素ユニットが、縦長の格子素子を有する複数の副画素構成要素を含み、各画素ユニットの少なくとも２つの副画素構成要素の格子素子が、前記２つの副画素構成要素のうちの第１の副画素構成要素の格子素子が前記２つの副画素構成要素のうちの第２の副画素構成要素の格子素子の方向とは異なる方向へ延びるように配向され、前記各副画素構成要素が、反射状態と回折状態とを選択的に有するように構成されるステップと、
回折状態の前記副画素構成要素のうちの任意の副画素構成要素から回折した光が前記開口を通過せず、反射状態の前記各画素ユニットの前記副画素構成要素のうちの対応する副画素構成要素から反射した光が前記開口を通して送られるように、複数の有色光源をそれぞれ、前記アレイの各画素ユニットの特定の副画素構成要素を照明するように位置決めするステップとを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
関連事例
本出願は、１９９５年３月１３日に出願された米国特許出願第０８／４０４１３９号の一部継続出願であり、米国特許出願第０８／４０４１３９号は、１９９３年５月２０日に出願された米国特許出願第０８／０６２６８８号の一部であり、米国特許出願第０８／０６２６８８号は、１９９２年４月２８日に出願された米国特許出願第０７／８７６０７８号の一部継続出願である。
発明の背景
発明の分野
本発明は、全般的には、光学画像を生成する表示装置に関し、詳細には、数組の格子光弁のアレイと複数の色光源を使用して、直接見ることができあるいは画面上に投影することのできる多色画像を形成する方法および装置に関する。
本発明は、米国陸軍研究所との契約ＤＡＡＬ０３−８８−Ｋ−０１２０の下で政府の支援を得て達成されたものである。政府は、本発明におけるある種の権利を有する。
従来の技術の簡単な説明
たとえば、光の振幅、周波数、または位相を変化させることによって光線を変調する装置には多数の応用例がある。そのような装置の例として空間光変調器（ＳＬＭ）がある。空間光変調器は、画素素子を一次元的に及び二次元的に再構成されるパターンを電気的または光学的に制御できる装置であり、各パターンをそれぞれ、光波面の振幅、位相、または偏向を個別に変調できる。
このような装置は、特に、光学処理および光学コンピューティングの分野の応用例に関して、広範囲に開発されている。このような装置は、アナログ乗算および加算や、信号変換（電気光学変換、インコヒーレント・コヒーレント変換、増幅など）や、非線形演算や、短期蓄積など様々な機能を実行することができる。ＳＬＭは、これらの機能を使用し、表示技法から光学信号処理まで多数の異なる応用例を有する。たとえば、ＳＬＭは、光学相関器（たとえば、パターン認識装置やプログラム可能なホログラム）や、光学マトリックス・プロセッサ（たとえば、マトリックス・マルチプライヤや、ブロードキャスト機能を有する光学クロスバー・スイッチや、光学ニューラル・ネットワークや、レーダ・ビーム形成）や、ディジタル光学アーキテクチャ（たとえば、高度に並列化された光学コンピュータ）や、ディスプレイとして使用されている。
ＳＬＭ技法の要件は当該の応用例に強く依存する。たとえば、ディスプレイには低帯域幅と共に高ダイナミック・レンジが必要であり、それに対して、光学コンピュータは早い応答時間で利益を得るが、高ダイナミック・レンジは必要としない。一般に、システム設計者は、高解像度、高速（ｋＨｚフレーム・レート）、良好なグレー・スケール高コントラスト比または変調深さ、光学的平面度、ＶＬＳＩ互換性、使い勝手、低コストなどの特性を有するＳＬＭを必要とする。現在の所、すべての前述の要件を満たすことのできるＳＬＭ設計はない。その結果、それぞれの異なる応用例に関してそれぞれの異なる種類のＳＬＭが開発され、多くの場合、それらの兼ね合いがとられている。
静電偏向可能な光弁のアレイを備える目標物を有する陰極線装置を使用したカラー・ビデオ撮影装置が、Ｎａｔｈａｎｓｏｎ等の米国特許第３８９６３３８号で開示されている。この光弁構造およびアレイとしての光弁の構成によって、特定の原色ビデオ信号に応答して光弁を順次活動化することができる。光弁は、３要素グループとして配置され、それぞれの原色透過部分を有するシュリーレン光学手段が設けられ、偏光弁から反射された光はこの原色透過部分を通過し、表示画面上に色画像を投影れる。
テキサス・インストルメンツ社は、光線を偏光させる電気機械手段を使用した「変形可能な鏡装置（Deformable Mirror Device:ＤＭＤ）」を開発した。ＤＭＤの動作に必要な機械的運動のために、帯域幅は数１０キロヘルツに制限される。しかし、この装置は一般に、前述の技法よりも良好なコントラスト比を実現し、十分な「高解像度」を実現し、ＣＭＯＳなど従来型の半導体処理技法に適合する。
ネマチック液晶および強誘電液晶も、いくつかのＳＬＭの活性層として使用されている。液晶の電気光学効果は分子双極子の機械的再配向に基づくものなので、一般に、液晶はＤＭＤ型装置よりも高速であることが判明している。強誘電液晶を使用した変調器は、適度な切換速度（１５０μｓｅｃないし１００ｎｓｅｃ）と、低電力消費量と、ＶＬＳＩ互換切換電圧（５Ｖないし１０Ｖ）と、高消光比と、高解像度と、大口径を示している。しかし、このような装置は、液晶の寿命および動作温度範囲が限られているという欠点を有する。また、位置合わせ問題および膜厚一様性問題のために製造工程が複雑である。
磁気光学方式を使用して、より速い切換速度が達成され、光学パターン・メモリ・セルが形成されている。このような装置は、速い切換速度を達成するだけでなく、高いコントラスト比を達成することができるが、スループット効率が低く（＜１０％）、したがって、多くの応用例に対して不適切であることが多い。
したがって、これらの欠点を解消する光変調装置が必要である。
ＳＬＭだけでなく、光変調器の他の使用分野も光ファイバ装置に関連している。光ファイバ変調器は電子的に制御される装置であり、光強度を変調し、光ファイバとの互換性を有するように構成される。高速通信応用例では、ニオブ酸リチウム（ＬＩＮｂＯ3）進行波型変調器が最新の変調器であるが、シリコン・センサおよび電子機器と一体化することのできる、データ収集応用例および医学応用例用の低電力・高効率・低損失で廉価な光ファイバ変調器が必要である。光ファイバ技法と組み合わされた変調器の典型的な用途はたとえば、リモート・センサからデータを収集する中央演算処理装置からなる航空機上のデータ収集システムである。光ファイバは、その軽量と電磁耐性のために、プロセッサと、伝送のために光信号に変換しなければならない電気出力を生成するセンサとの間の理想的な通信媒体を形成する。これを行うための最も効率的な方法は、プロセッサ側に連続波レーザを有し、センサ側に反射的に動作する変調器を有することである。この構成では、ファイバを介してセンサに電力を与えることも可能である。
この種の応用例では、変調器は、高コントラストおよび低挿入損失で動作して、信号対雑音比を最大にし、電力消費量を低くすべきである。このようなシステムで使用されるセンサおよび信号調整電子機器は主としてシリコン中に実装されるので、変調器はさらに、シリコン技法に適合すべきである。
光ファイバ技法と組み合わされた変調器の他の用途は、人体に外科的に移植されたセンサの監視である。この場合、電子ケーブルには、ガルバニック絶縁のために光ファイバが好ましく、このような応用例で使用される変調器は、コントラストが高いと共に、信号対雑音要件のために低挿入損失であるべきである。さらに、移植される装置の寸法が重要なので、変調器はシリコン・センサおよび電子機器と一体化できなければならない。
III−Ｖ半導体の電気光学効果、フランツ／ケルディシュ効果、量子拘束シュタルク効果、またはワニエ・シュタルク効果に基づく変調器はコントラストが高く挿入損失が低いが、高価であり、かつシリコン装置との互換性を有さない。ガラスまたはシリコン上のエピ層を使用したウェーブガイド変調器は、過度に広い面積と過度に複雑な製造法を必要とするので、他のシリコン装置と容易に一体化することができない。ウェーブガイドを使用せずプラズマ効果に基づくシリコン変調器は、電気駆動力を必要とし高コントラストを達成しない。
したがって、低電力要件と、高効率と、低損失と、低コストと、シリコン技法に対する適合性とを有する改良された光変調器装置が必要である。
前述の種類の光変調器技法を使用した多色表示装置も必要である。
発明の概要
発明の目的
したがって、本発明の目的は、電子入力信号に応答し、直接見ることができ、あるいは表示画面上に投影することのできる画像を生成する、格子光弁変調器を使用した新規の表示装置を提供することである。
本発明の他の目的は、高解像度、高速（ｋＨｚフレーム・レート）、高コントラスト比または変調深さ、光学的平面度、ＶＬＳＩ互換性、使い勝手、低コストの諸特性を示す光変調表示装置を提供することである。
本発明の他の目的は、高光パワーに対する耐性と良好な光スループットとを有する光変調視覚画像生成装置を提供することである。
本発明の他の目的は、数群の格子光弁を光変調画素形成素子として使用する光学表示装置を提供することである。
本発明の他の目的は、半導体加工と適合できる光変調器を提供することである。
本発明の他の目的は、光ファイバ技法と共に使用することのできる光変調器を提供することである。
本発明の他の目的は、白色光を変調して有色光を生成することのできる光変調器を提供することである。
概要
簡単に言えば、本発明の現在好ましい実施態様は、入射光線を空間的に変調させる光変調画素ユニットを形成するように構成された格子光弁（ＧＬＶ）のアレイで構成された視覚画像生成装置を含む。この画素ユニットは、それぞれ、互いに平行に等間隔に配置され、かつその光反射表面も互いに平行に配置された複数の縦長反射格子素子を含む、３つの副画素構成要素で構成される。各副画素構成要素は、格子素子を互いに対して支持する手段を含み、この場合、１つおきの素子が、他の非可動素子に対して移動することができ、かつ構成要素が入射光線を平面鏡として反射するように働く第１の構成と、入射光線が格子素子から反射したときに構成要素が入射光線を回折させる第２の構成との間で移動することができるように構成される。動作時には、各副画素構成要素の素子の光反射表面は第１の構成と第２の構成の両方で互いに平行なままであり、互いに隣接する素子の反射表面の平面の間に存在する垂直方向間隔は入射光線の波長のｍ／４倍に等しい。この場合、ｍは、各素子が第１の構成であるときは偶数または零であり、各素子が第２の構成であるときは奇数である。
各画素ユニットの３つの副画素構成要素は、赤光源、緑光源、青光源がアレイ上に向けられたときに、第２の構成で動作する特定の副画素構成要素によって回折された有色光が、視開口を通過するように方向付けされ、第１の構成で動作する特定の副画素構成要素から単に反射された光が、視開口を通過しないように方向付けられるように構成される。
当業者には、光を視開口から離れる方向へ回折させ開口へ反射することによって本発明の基本を同様に実施できることが理解されよう。
本発明の一実施態様は、電子的に制御できる格子振幅を有する変形可能な格子光弁のアレイを含み、基板自体の上方に懸垂された変形可能な複数の格子素子を有する反射基板で構成される。変形可能な格子素子は、薄膜のマイクロマシーニングおよび犠牲エッチングを使用して格子を作製することによってシリコン技法で実装される。通常、格子は、窒化シリコン、アルミニウム、二酸化シリコン、またはリソグラフィック・エッチングすることのできるその他の材料で構成された膜をリソグラフィック・エッチングすることによって形成される。光弁にアドレスし光弁を多重化する回路は、同じシリコン基板上に作製され、したがって、光変調機構と直接一体化される。
電子機器と直接一体化することにより、装置をより小型にかつより正確に作製することができるので、液晶油膜光弁や電気光学ＳＬＭなど非シリコン・ベースの技法に勝る重要な利点がもたらされる。さらに、この装置は、製造が簡単であり、いくつかのリソグラフィック・ステップのみで製造することができる。
本発明の他の利点は、格子光弁が、変調機構として偏光ではなく回折を使用するので、必要な機械的運動が数ミクロン（変形可能な鏡装置の場合）から数１０ミクロンへ減少し、したがって、動作速度を場合によっては他のＳＬＭ技法と比べて３桁高くすることができることである。この速度は、最高速の液晶変調器に相当するが、この場合、製造プロセスはそのような変調器の場合と同じ複雑さを有さない。
本発明の他の利点は、ビデオ・データを、直接見ることができあるいは画面またはフィルム上に投影することのできる光学画像に変換することのできる小型手段を本発明が提供し、あるいはデータを、遠隔地へ光学伝送できるように光ファイバ・ケーブルに結合できることである。
当然のことながら、当業者には、本発明のこれらおよびその他の目的および利点が、いくつかの図面に示した好ましい実施形態の下記の詳細な説明を読んだ後に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、単一の格子光弁または変調器の等角部分切取図である。
第２（ａ）図ないし第２（ｄ）図は、第１図に示した変調器の製造プロセスを示すシリコン基板の断面図である。
第３図は、第１図の変調器の「非回折」モードでの動作を示す図である。
第４図は、第３図の変調器の「回折」モードでの動作を示す図である。
第５図は、第１図の変調器によるレーザ光線の変調をグラフィック表現した図である。
第６図は、ある変調器を他の変調器と組み合わせて複雑な変調器を形成することのできる１つの方法の図である。
第７図は、変調器が白色光を変調して有色光を生成する動作を示す図である。
第８図は、変調器の「非回折」モードでの代替実施形態を示す第３図の断面図と同様な断面図である。
第９図は、「回折」モードでの第８図の変調器を示す第４図の断面図と同様な断面図である。
第１０図は、変調器の他の実施形態を示す絵画図である。
第１１図は、第１０図の線１１−１１に沿った断面図である。
第１２ａ図ないし第２０図は、変調器の他の実施形態を示す断面図である。
第２１図、第２２図、第２８図は、白色光源と有色光源のどちらかを使用した本発明の実施形態を示す概略図である。
第２３図ないし第２６図は、３つの色画素ユニットのアレイを示し、本発明によるいくつかの代替格子素子構成を示す図である。
第２７図は、本発明によるページャ形通信装置の部分切欠斜視図である。
好ましい実施形態の説明
第１の実施形態
格子光弁（ＧＬＶ）または変調器は第１図では全体的に１０で示されている。変調器１０は、後述のように、入射光線を空間的に変調するために使用することのできる格子を形成するいくつかの縦長のビーム状素子１８を含む。素子１８は、比較的剛性の支持構造を形成し縦長の素子１８内に引張り応力を維持する外周フレーム２１と一体に形成される。この構造は、部分的にエッチングされた二酸化シリコン膜１２によってシリコン基板１６の表面から所定の距離２１３ｎｍだけ上方に支持された格子２０を形成する。
変調器１０をどのように製造するかについての説明を始める前に、この場合、各素子１８が、厚さが２１３ｎｍであり基板１６から距離２１３ｎｍだけ離れた位置に浮かせていることに留意されたい。これは、各素子の表面から基板の表面までの距離が４２６ｎｍであることを意味する。この距離を格子振幅と呼ぶ。
変調器１０を製造する１つの方法を第２（ａ）図ないし第２（ｄ）図に示す。
第１のステップは、第２（ａ）図に示したように、二酸化シリコンのバッファ層で覆われた化学量論的窒化シリコンで構成された絶縁層１１を堆積させることである。
この後に、共に厚さが２１３ｎｍの犠牲二酸化シリコン膜１２および低応力窒化シリコン膜１４をシリコン基板１６上に堆積させる。低応力窒化シリコン膜１４は、堆積プロセス中に膜に（化学量論的平衡を超えた）余分のシリコンを取り込むことによって得られる。これによって、窒化シリコン膜の引張り応力が約２００ＭＰａに低減する。
第２（ｂ）図に示した第２のステップでは、窒化シリコン膜１４をリソグラフィックでパターン化し、ドライ・エッチングして縦長のビーム状素子１８の形の格子素子のグリッドを得る。このリソグラフィック・パターン化・エッチング・プロセスの後に、シリコン基板１６の上面の周縁全体の周りに周辺に窒化シリコンフレーム２１が残る。個々の変調器では、すべての素子が同じ寸法であり、互いに隣接する素子間にこの素子の幅に等しい間隔を置いて互いに並行に配置される。しかし、変調器の設計に応じて、素子は通常、幅が１μｍ、１．５μｍ、または２μｍであってよく、１０μｍないし１２０μｍの範囲の長さを有することができる。
第２のステップのパターン化プロセスの後に、犠牲二酸化シリコン膜１２をフッ化水素酸でエッチングし、第２（ｃ）図に示した構成を得る。図でわかるように、この場合、各素子１８は、シリコン基板から距離２１３ｎｍ（これは、エッチングされた犠牲膜１２の厚さである）だけ離れた位置に浮かされた厚さが２１３ｎｍの自立窒化シリコンブリッジを形成する。さらにこの図からわかるように、二酸化シリコン膜１２はフレーム２１の下方から完全にエッチングされるわけではなく、したがって、フレームは、二酸化シリコン膜１２の残りの部分によってシリコン基板１６から距離２１３ｎｍの位置に支持される。素子１８は、フレーム内で伸長され、窒化シリコン膜１４の堆積時にこの膜に加えられる引張り応力によって真っ直ぐに維持される。
第２（ｄ）図に示した最後の製造ステップは、ステンシル・マスクを通して厚さ５０ｎｍのアルミニウム膜２２をスパッタリングして素子１８と基板１６の両方の反射率を高め、素子と基板との間に電圧を印加する第１の電極を形成することである。第２の電極は、シリコン基板１６のベース上に同様な厚さのアルミニウム膜２４をスパッタリングすることによって形成される。
前述の製造プロセスが１種類の変調器のみと１つの製造プロセスのみを示すことを認識されたい。他の製造法については、以下で第１２図ないし第１８図を参照して説明する。
変調器１０の動作を第３図および第４図に関して示す。
第３図には、基板１６と個々の素子１８との間に電圧が印加されておらず、全体的に２６で示した波長λ＝８５２ｎｍの光波が変調器１０に入射している変調器１０が示されている。したがって、格子振幅４２６ｎｍは入射光の波長の半分に等しく、そのため、素子および基板から反射された光の総経路長差は入射光の波長に等しくなる。したがって、素子および基板から反射された光は位相が加算され、変調器１０は平面鏡として光を反射させる。
しかし、第４図に示したように、素子１８と基板１６とに間に電圧を印加すると、静電気によって素子１８が下向きに基板１６上に引っ張られ、そのため、素子の表面と基板の表面との間の距離は２１３ｎｍになる。これは入射光の波長の４分の１であるので、素子および基板から反射された光の総経路長差は入射光の波長の半分（４２６ｎｍ）になり、反射どうしが互いに干渉し、２８で示したように光を回折させる。
したがって、格子からのあるオーダーの回折光、たとえば零次の回折光を検出するように寸法付けされた開口数を有する、回折光を検出するシステムと、この変調器を組み合わせて使用する場合、この変調器を使用して反射光を高コントラストで変調することができる。
各変調器の中心部上のスポット・サイズ３６μｍに合焦されたヘリウム・ネオン・レーザ（波長６３３ｎｍ）を使用することによって、上記で示した変調器と設計が類似しているが寸法の異なるいくつかの変調器の電気的特性、光学的特性、機械的特性を調査した。このスポット・サイズは、変調器が照明された領域内の素子の湾曲が無視できるほど小さいが、光波を平面波とみなせるようにし、変調器が動作した結果として得られる零次回折モードと一次回折モードとを適切に分離するのに十分な格子周期をカバーするほど大きい。格子周期（すなわち、格子内の２つの隣接する素子の中心線の間の距離）が２μｍ、３μｍ、４μｍであり、波長が６３３ｎｍある場合、それぞれ、一次回折角度１８□、１４□、９□が得られることがわかった。
大気圧で長さが１２０μｍであり幅が１．５μｍである素子を有する格子変調器を、低雑音フォトレシーバによって検出されるビット・レート５００ｋＨｚで変調されオシロスコープ上で観察されるＨｅＮｅ光線と共に使用することによって、これらの一次回折光線のうちの一つを生成した。この結果得られたオシロスコープの表示画面２７を第５図に示す。
しかし、この図に示したフィーチャの議論に進む前にまず、格子素子の共振周波数を検討しておく。
階段関数を用いて変調器を駆動し、リンギング周波数を観測することによって、変調器の回折格子の機械的構造の共振周波数を測定した。変調器上のアルミニウムの面積は約０．２ｃｍ2であり、１ＭＨｚのＲＣ制限３−ｄＢ帯域幅と約１００オームの直列抵抗に対応する。
この大きなＲＣ時定数によって階段関数が減速したが、より短い素子の場合でも励振するのに十分なパワーが共振周波数に存在した。通常の大気中にリンギングが観測されたが、Ｑ値が低すぎて（約１．５）正確に測定することができず、したがって、圧力１５０ｍｂａｒで測定を行った。この圧力では、Ｑ値は８．６に上昇し、通常の大気中では空気抵抗がこの種の格子用の主要な減衰機構であることを示した。
それにもかかわらず、ビーム状素子内の引張り応力が高いので、張力が主復元力であり、したがって、素子を振動ストリングとしてモデル化できることが判明した。このモデル化を行い、測定共振周波数と理論上の予想共振周波数を比較すると、特に、素子の引張り応力および密度の不確実さを考慮したときに、理論が実験値とうまく一致することが判明した。機械構造の強制振動の帯域幅が共振周波数およびＱ値にのみ関係するものであることが知られているので、Ｑ値が１．５である場合、共振周波数よりも１．４倍大きな１．５ｄＢ帯域幅の変形可能な格子変調器が生成される。したがって、これらの格子の帯域幅の範囲は、長さが１２０μｍの素子を有する変形可能な格子変調器の場合の１．８ＭＨｚから長さが４０μｍの素子を有する変形可能な格子変調器の場合の６．１ＭＨｚまでである。
次に第５図に戻るとわかるように、印加電圧スイングが３Ｖである場合、長さが１２０μｍのブリッジでは１６ｄＢのコントラストが観測できることに留意されたい。この場合、「変調深さ」の語は、光強度のピーク強度への変化率を意味するために使用される。
画面２７上の入力（下部トレース２９ａ）は、１ｃｍ×１ｃｍのダイ上の１組の格子装置全体にわたる０Ｖと−２．７Ｖとの擬似ランダム・ビット・ストリーム切換を表す。最初の高速部分とその後に続くＲＣ支配部分とを有する観測される切換遷移は、５０オーム・ソース抵抗に相当する変形可能な格子変調器の直列抵抗によってもたらされる。
画面上の出力（上部トレース２９ｂ）は、使用される格子の一次回折を検出する低雑音フォトレシーバの光学出力に対応する。フォトレシーバからの出力（上部トレース２９ｂ）は、変形可能な格子から検出される光に対して反転され、素子が弛緩したときには高く、素子がたわんだときには低い。リンギングは、静電力の電圧に対する二次依存のために立上り遷移の後にのみ観測される（電圧−２．７Ｖから０Ｖへの切換時の、キャパシタの充電のより高速な部分は、反対の切換時よりも大きな静電力の変化に対応する）。受信信号中のこのリンギングは、臨界減衰に近い減衰を示す。
さらに、ビーム状素子が基板の方へ引っ張られるにつれてキャパシタンスが増加するので、あるたわみに必要な電圧は、このたわみの線形増加関数ではない。ある印加電圧条件では、印加電圧の増分的増加によって、素子が自発的に基板に引っ張られ（ラッチされる）、この電圧は変調器の「切換電圧」と呼ばれる。切換電圧は、長さが１２０μｍの素子を有する格子では３．２Ｖであることが判明しており、張力が復元力を支配していると仮定した場合、切換電力は素子の長さに反比例し、したがって、長さが４０μｍの素子の予想切換電圧は９．６Ｖである。
切換電圧の重要な点は、この電圧よりも低い場合、変形可能な格子変調器をアナログ的に操作することができるが、切換電圧よりも大きな電圧を変調器に印加した場合、変調器がディジタル的に働くことである。それにもかかわらず、前述のように、素子が静電力によってたわむ際に、素子のたわみが３分の１の点を超えた後に変調器が不安定になるので、応用の観点からは、変調器を接触点まで操作することが望ましいことに留意することが重要である。このため、素子を下方位置で「ラッチ」するヒステリシス動作が行われる。このラッチング機能は、アクティブ構成要素を必要とせずにアクティブ・マトリックス設計の利点を変調器に与える。このラッチング機能のさらなる利点は、素子がラッチされた後、最初の印加電圧よりもずっと小さな非常に小さな「保持電圧」のみで素子をそのラッチ構成に維持できることである。この機能は、利用可能な電力の効率的な使用が非常に重要な低電力応用例で特に価値がある。
本発明の変調器をディスプレイで使用するには、個々の変調器ユニットを第６図に示したような２−Ｄアレイとして高歩留まりに統合する必要がある。この図は、グレースケール演算を行うために使用することのできる複数の連続格子変調器ユニットを示す。個々の各変調器はそれぞれの異なる数の素子からなり、各変調器をバイナリ加重的にアドレスすることによってグレースケールを得ることができる。ラッチングのヒステリシス特性（前述）を使用して、個々の格子変調器素子に供給される電圧のアナログ制御なしにグレースケール変更を行うことができる。
第７図に、ＧＬＶを他の格子（ＧＬＶ）と組み合わせて使用して白色光を変調し有色光を生成する方法が示されている。この手法は、光スペクトルをその組成色に分離または分散するＧＬＶの能力を利用する。それぞれ、ＧＬＶの分離されているが連続した赤変調ユニット、緑変調ユニット、青変調ユニットを含み、それぞれ、適切な色を単一の光学系に回折させるように構成された格子周期を有する、画素ユニットのアレイを構成することにより、白色光によって照明されるカラー・ディスプレイを得ることができる。この手法は、大面積投影ディスプレイに魅力的なものである。
代替実施形態
第８図および第９図に、本発明の回折変調器３０の代替実施形態を示す。この実施形態では、変調器３０は、等間隔に配置され、等しい寸法を有する複数の固定素子３２と、等間隔に配置され等しい寸法を有する複数の可動ビーム状素子３４とからなり、可動素子３４は固定素子３２の間の空間内に位置する。各固定素子３２は、固定素子３２の全長にわたる支持材料３６の本体上に支持され、この本体によって所定の位置に保持される。材料３６の本体は、本体３６の間の材料を除去するリソグラフィック・エッチング・プロセスで形成される。
第８図からわかるように、固定素子３２は、可動素子３４と同一平面に存在するように配置され、反射層３８で被覆された平坦な上面を有する。このため、変調器３０は、入射光を反射する際に平面鏡として働くが、素子と変調器３０のベースにある電極４０との間に電圧を印加すると、第９図に示したように、可動素子３４が下向きに移動する。それぞれの異なる電圧を印加することによって、その結果得られる素子３４に対する力を変化させ、したがって可動素子３４のたわみ量を変化させることができる。したがって、格子振幅（互いに隣接する素子上の反射層３８の間の垂直距離ｄとして定義される）が、格子３０に入射する光の波長のｍ／４倍であるとき、変調器３０はｍ＝０、２、４．．．（すなわち、偶数または零）のときには平面鏡として働き、ｍ＝１、３、５．．．（すなわち、奇数）のときには反射回折格子として働く。このように、変調器３０は、第１の実施形態に示した変調器と同様に入射光を変調するように働くことができる。
本発明の変調器の他の実施形態を第１０図および第１１図に示す。他の実施形態と同様に、この変調器４１は犠牲二酸化シリコン膜４２と、窒化シリコン膜４４と、基板４６とからなる。しかし、この実施形態では、基板４６上には反射層が形成されず、窒化シリコン膜４４のみ上に反射コーティング４５が形成される。第１０図に示したように、変形可能な素子４８は、共にほぼ平坦な反射表面を形成するように、その未変形状態では同一平面上に存在し互いに近くに位置する。しかし、素子４８は、各素子４８の長手方向中心線からずれたネック５０を各端部に備える。
たとえば印加電圧の結果として得られる一様に分散された力を素子４８に印加すると、各素子４８ごとの結果として得られる力Ｆはその素子の幾何中心５２に作用する。この結果得られる各力Ｆは（各ネック５０の中心線に一致する）回転軸５４からずれ、そのため、各素子４８に回転またはトルクのモーメントが加えられる。これによって、各素子４８はその軸５４の周りで、破線で示した位置４８’に回転する。これを回折格子を「ブレーズ」すると言う。
第１１図からわかるように、素子４８の反射平面５６はこの「ブレーズ」された構成でも互いに平行なままであり、したがって、格子振幅ｄは、互いに隣接する素子の反射表面の間の垂直距離である。この「ブレーズ格子」は、のこぎり歯格子と同じように光を回折させる。
変調器６８の他の実施形態の基本製造手順を第１２（ａ）図ないし第１２（ｃ）図に示す。まず、低圧気相成長技法を使用して、１３２ｎｍの二酸化シリコン層７０と、その後に続く１３２ｎｍの窒化シリコン層７２を、ホウ素をドーピングされたウェハ７４上に堆積させる。窒化シリコン層７２内の引張り応力は、堆積プロセス中に存在するジクロロシラン・ガスとアンモニア・ガスの比率に応じて、４０ＭＰａないし８００ＭＰａの範囲である。引張り応力が高ければ高いほど素子が剛性になり、したがって切換速度が高くなるが、変調器を操作するのに必要な電圧も高くなるので、引張り応力は本発明の変調器の性能に影響を与える。
その後、窒化シリコン層７２上にフォトレシジスト（図示せず）を堆積させパターン化し、その後、窒化シリコン層７２を二酸化シリコン層７０までドライエッチングする（第１２（ａ）図）。第１２（ｂ）図に示したように、酸化層７０も部分的にドライエッチングする。次いで、フォトレジストを剥離する。
フォトレジストを除去した後に、バッファ酸化エッチングを行い、窒化シリコンの下方から二酸化シリコン７０を等方性にアンダーカットする。窒化フレーム（図示せず）は残りの窒化素子７６よりも幅が大きいので、いくらかの酸化物が窒化フレームの下方に残り、酸化スペーサとして働く。素子７６および基板７４上に３０ｎｍのアルミニウム層を蒸着させて頂部電極および底部電極を形成し反射率を高めたときに処理が完了する。
通常、このプロセスによって形成された縦長の素子は幅が１．０μｍと１．２５μｍと１．５０μｍのいずれかであり、それぞれ、青色光変調器、緑色光変調器、赤色光変調器に使用することができる。
解放された素子構造を乾燥させると、溶媒の表面張力によって素子が下降し基板に付着する恐れがある。変調器を動作させたときにも、素子が下降して基板に密に接触し付着する恐れがある。
冷凍乾燥、フォトレジストアセトン犠牲層のドライ・エッチング、ＯＴＳ単層処理など様々な方法を使用して窒化素子の基板への付着を防止することができる。これらの技法は、比付着力強度（すなわち、単位接触面積当たりの力）を低減することによって付着を制限するものである。さらに、より短い素子と、より張力の高い窒化膜を使用することによって、より剛性の素子を使用することが可能である。
しかし、素子を下方の材料に付着させる力は２つの表面の間の接触面積と比力の積であるので、付着を低減する他の方法に、
（ａ）ラフニングおよびコルゲーティングによって接触面積を減少し、
（ｂ）表面の化学的性質を変化させることによって比力を低減することを含めることができる。
接触面積を減少させる１つの方法は、反射率を高めるために素子の表面がアルミニウムであり、復元力を与えるために第２の層が応力窒化物であり、有効接触面積を減少するために第３の層が粗粒ポリシリコンである複合素子を設けることによって実施することができる。
素子の底部と基板との間の接触面積を減少する他の方法が存在し、これについては以下で第１３（ａ）図ないし第１５（ｃ）図を参照して説明する。
第１３（ａ）図および第１３（ｂ）図に示したように、基板または素子の底部上に線７９をパターン化することによって接触面積を減少させることができる。このような線７９は通常、幅が１μｍで高さが２００Åであり、中心間距離５μｍで離隔される。図のように、線は素子の方向に垂直に構成され、基板上に配置される。別法として、線は素子の方向に平行であってもよい。
この手順ではまず、ブランク・シリコン・ウェハをパターン化しドライ・エッチングする。次いで、低温酸化層８０またはその他の平面膜を堆積させ、その後に、前述の処理を行って第１３（ｂ）図の構成を得る。
同じ結果を得るための異なる方法を第１４（ａ）図および第１４（ｂ）図に示す。この場合、ベア・シリコン基板９４上で酸化物を成長させ、パターン化しドライ・エッチングまたはウェット・エッチングして、幅１μｍ、中心間距離５μｍ、深さ２００Åの溝８９を形成し、その後、前述のように処理を継続する。これによって、第１４（ｂ）図に示した最終構造が得られる。
接触表面の面積を減少させる他の方法を第１５（ａ）図および第１５（ｃ）図に示す。
フォトレジストを除去した（第１５（ａ）図）後、約５０ｎｍの第２の窒化層１００を堆積させる。第１５（ｂ）図に示したように、この第２の層は側壁も被覆し、そのため、後に続く異方性プラズマ・エッチングによって、直角に露出されているすべての第２の窒化層１００を除去すると、各窒化素子１０４の底部の下方へ延びる少なくとも１つの側壁１０２が残る。この時点で、バッファ酸化エッチングを行って素子を解放し、第１５（ｃ）図の構造を得ることができる。横方向支持用の反転レールとして働く側壁スペーサを用いた場合、接触面積が最小限に抑えられ、付着が防止される。動作時には、素子は、下方に変形したときに、下向きに突き出るレールの領域でのみ基板に接触すると考えられる。
付着力は、接触面積に比例するので、この構成によって大幅に低減され、それによって、引張り応力が２００ＭＰａ程度であり長さが最大で３０μｍの素子を有する動作可能な格子が得られる。レール構造は、光学的に平坦な表面を維持するようにも動作し、製造時に追加のマスキング・ステップを必要としないという利点を有する。
付着は、接触する領域の材料を変更することによって対処することもできる。それぞれの異なる材料の間の付着レベルが類似したレベルになるが、膜の表面粗さが著しく異なり、接触面積が有効に変化すると考えられる。
これを行う１つの方法として、素子の材料を多結晶シリコンに変更することができる。この材料をアニーリングしてその引張り力を高める必要がある。この材料は、その下方の犠牲層として二酸化シリコンを使用することもできる。
他の方法では、金属素子材料（たとえば、アルミニウム）と、犠牲層としてのポリアミドなどの有機ポリマーを使用する。
他の方法では、多形素子材料を使用する。これによって最初の多層構造が得られ、第１６（ａ）図ないし第１６（ｃ）図で説明するようにこの多層構造をパターン化し、主として窒化シリコンで構成されるが他の加工材料の接触面積を有する素子構造を形成することができる。
これは以下のことによって行われる。
（ｉ）まず、低応力窒化シリコンまたは高応力窒化シリコンあるいは細粒多形素子材料または粗粒多形素子材料を基板１０８被覆層１１０に堆積させる。この層は約１００Åであり、第１の（下部）接触表面として働く。
（ii）低温酸化物層１１２を４００℃で堆積させる。
（iii）第２の接触表面層１１４を堆積させる。窒化シリコン素子の機械的特性を変化させないようにこの層は薄くすべきである（約１００Å）。
（iv）最後に、窒化シリコン素子材料１１６を堆積させ、その後、上記で説明したのと同様なドライ・エッチングおよびアンダーカッティングを行う。
第１７（ａ）図ないし第１７（ｅ）図に示した、上記のプロセスをわずかに変形した一例では、基板上に二酸化シリコン層１２０を堆積させ、（たとえば、過度に露出したシリコン表面にのみ堆積させることによって）二酸化シリコン層上にタングステンの層１２２を選択的に堆積させることができる。前述のように素子を完全に解放するのではなく、構造を下方から支持する細い柱１２４状の材料を残すようにエッチングのタイミングをとることによって、酸化層１２０を部分的に除去する（第１７（ｃ）図参照）。その後、ウェハを選択的タングステン堆積チャンバ内に戻し、露出したシリコン領域を覆うが酸化柱１２４にも窒化シリコン素子１２８上にもないタングステン層１２６を得る。
薄いタングステン層１２６を新しい接触面積として堆積させた後、酸化エッチングを継続して素子１２８を完全に解放することができ、素子１２８はたわんだときにタングステン・ベース上に達する。
すべての上記の実施形態における個々の回折格子変調器は約２５μｍ四方である。したがって、（赤変調器領域、緑変調器領域、青変調器領域を含む）有色光を変調することのできる装置を作製するには、２５×７５μｍ2の装置が必要である。これを正方形の装置に縮小するには、素子を短くすることによって個々の各変調器を２５×８μｍ2に縮小しなければならない。回折上の制限のため他の寸法に減少することは不可能である。
しかし、８μｍの素子を前述のように構築した場合、剛性が大きすぎて実際の電圧では切り換えられないことが、計算によって判明している。この可能な解決策は、第１８（ａ）図ないし第１８（ｂ）図に示したように、各端部で支持される素子ではなくカンチレバー素子１３０を使用することである。これは、両方の端部で支持される素子は、一方の端部でのみ支持されるカンチレバーの２倍も剛性であるからである。
一次元アレイと同様に、素子上にリソグラフィによって形成された金属または導電性シリコンで構築された頂部電極と、底部電極の２組の導電性電極を形成することによって、回折格子の二次元アレイを構築することができる。２つの方法を使用して底部電極を画定することができる。
第１９（ａ）図および第１９（ｂ）図に示した第１の方法では、ベアＰ型シリコン・ウェハまたはベアＮ型シリコン・ウェハ１４２上に酸化層１４０を成長または堆積させる。酸化物をパターン化し、反対の導電型、すなわち、それぞれＮ型またはＰ型のドーパント拡散をウェハ１４２に施し、ドープ領域１４４を作製する。
次いで、前述のように、拡散領域の上面にビーム状素子を作製し、前述のように、表面上にアルミニウムを蒸着させる。拡散領域を接地したままにし、基板と共に形成されたＰＮ接合部に逆バイアスをかける。これによって、拡散領域が互いに絶縁される。
第２０図に示した第２の方法では、非導電基板１５０を使用し、基板１５０上にタングステン１５２などの超硬合金をパターン化する。次いで、ウェハを熱酸化し、ウェハ上に窒化素子材料またはその他の素子材料を堆積させる。次いで、前述のように、素子をパターン化し解放する。
簡単に言えば、変形可能な反射格子光変調器またはＧＬＶは、高解像度（２５×８μｍ2〜１００μｍ2）、多応答回数／大帯域幅（２ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）、高コントラスト比（３Ｖの切換電圧で１００％に近い変調）を示し、偏光に依存せず使い易い装置である。この装置はまた、高光パワーに対する耐性と良好な光スループットとを有し、製造が容易であり、半導体処理に適合し、ＳＬＭとしての使用や光ファイバ技法との併用を含め広い範囲の分野に応用することができる。
上記で全般的に説明し、第２１図に簡単に示したように、ＧＬＶの組合せを使用し、白色光の格子分散を使用して色表示システムにおける各画素の３つの原色成分を分離することによって、視覚表示を行うことができる。この種のシュリーレン光学系は、画素ユニット１６１のアレイ１６０を使用している。各画素ユニットは、白色光源および画素ユニット・アレイに対して特定の位置に配置されたスリット１６９を通して、白色光源１６８からの赤スペクトル照明、緑スペクトル照明、青スペクトル照明を回折させるように選択されたそれぞれの異なる格子周期を有する３つの副画素格子構成要素（１６２、１６４、１６６）を含む。アレイ内の各画素ユニットごとに、各画素ユニットの３つの副画素構成要素のそれぞれによって、光スペクトルの小さいが異なる部分がスリット１６９を通して観察者に方向付けられる。このため、各画素ユニットの３つの色組成は観察者の目によって統合され、したがって、観察者はアレイ１６０全体の面にわたる色画像を認識する。この実施態様では、すべての副画素構成要素が、同じ方向に向けられたビーム状素子を含む格子を有する。したがって、この光学系は、光源１６８と、当該の画素ユニット１６１の中心と観察者の瞳の中心とを通過する単一の平面で分析することができる。適切なレンズ（図示せず）を使用して、アレイから回折し反射した光をスリット（開口）の平面上に合焦させ、画素平面を観察者の網膜または投影画面上に結像させることもできる。
フォトリソグラフィック技法を使用して実際上各画素ユニットを「プログラム」するように作製された固定格子素子を含むように、アレイを実装することができる。別法として、前述のように副画素構成要素に適切な電圧を印加することによって各副画素を動的にプログラムできるように、適切に経路指定されたアドレス線がそのような各副画素へ延びるアクティブ装置としてアレイ１６０を実装することができる。
全色画素ユニットを生成するには３つの副画素構成要素が必要であるが、多色画素、すなわち第１の色、第２の色、第１の色と第２の色の組合せである第３の色、あるいは無色を表示することのできる画素を生成する場合には２つの副画素構成要素しか必要とされないことも留意されたい。
第２２図に示した実施形態では、格子の周期を変化させ白色光源を使用して色を生成するのではなく、周期はほぼ等しいが角配向がそれぞれ異なる３つの副画素格子構成要素で各画素を構成し、各副画素構成要素を３つの原色光源のうちの１つと動作可能に組み合わせる。具体的には、アレイ１７０は、それぞれ、互いに１２０度の角度に配向された副画素構成要素１７２、１７４、１７６で構成された、複数の画素ユニット１７１を含む。次いで、任意の画素ユニットの対応する副画素構成要素が回折モードのときに、特定の光源からの光が視開口を通して回折し方向付けられるように、少なくとも３つの単色光源を位置決めしアレイ上に向ける。たとえば、赤光源１７８からの赤色光を副画素構成要素１７２から回折させ開口１８４を通して送ることができる。光源１８０によって生成された青色光を副画素構成要素１７６によって回折させ開口１８４を通して送ることができる。光源１８２からの緑色光を副画素構成要素１７４によって回折させ開口１８４を通して観察者の瞳孔へ送ることができる。
このシステムは、視開口１８４の幅を顕著に、たとえば少なくとも１０倍広げることができるので、スリットを必要とする前述の実施態様よりも優れている。また第２１図および第２２図の実施形態で適切なレンズ（図示せず）を使用して、アレイから回折し反射した光がスリット（開口）の平面上に合焦し、画素平面が観察者の網膜または投影画面上に結像されるようにすることもできる。
アレイ１７０のＧＬＶレイアウトは第２３図により明確に示されており、この図では、数組の３つのひし形構成副画素構成要素１７２、１７４、１７６が集合的に接合され、１００％フィリング・ファクタを有するシリコン・チップ・アレイとしてタイル化できる六角画素ユニット１７１が形成されている。３つの副画素構成要素１７２、１７４、１７６の格子素子は図のように互いに１２０度に配向され、外側境界のひし形格子を除いて、すべてが前述のように構成された格子素子を有する。
第２４図、第２５図、第２６図に示したように、副画素格子の他の角分離を選択することもできる。第２４図に、行として整列し垂直、水平、４５度の相対角分離を有する格子素子を含む３つの副画素構成要素２０２、２０４、２０６を含む代替３構成要素画素ユニット２００が示されている。この構成は、前の実施形態の一様な格子素子長の利点を有さないが、従来型の直交座標系に基づくものであり、他の実施形態よりも製造が容易である。基本的な鏡が、この設計が適している格子素子ではなく可動素子である実施態様など、いくつかの可能なＧＬＶ実施態様がある。
混成妥協方式では、角配向を使用して赤−緑と緑−青を区別する。赤と青はこの場合も、それぞれの異なる格子周期によって区別される。この方式では、スリットまたは開口の幅を著しく広くすることができる（係数約２）。そのような方式の例示的なレイアウトを第２５図および第２６図に示す。第２５図で、赤副画素構成要素２１２および青副画素構成要素２１４の２倍の数の緑副画素構成要素２１０があることに留意されたい。これは実際には、ある種の小型直接視装置で望ましい。というのは、単色照明源としてＬＥＤが使用できるからである。現在の所、赤ＬＥＤおよび青ＬＥＤは緑ＬＥＤよりもずっと明るく、したがって、これを補償しカラー・バランスを有するためにより多くの緑色領域を有するディスプレイが設計されている。
第２６図に示したレイアウトは、等しい数の赤副画素と緑副画素と青副画素とを有する。３つの副画素構成要素を１つのＬ字形全色画素ユニットとして組み合わせることができる。この両方のシステムの利点は、それらが直角形状を使用し、それによって設計が簡単になることである。
次に第２７図を参照すると、本発明を具体化する小型通信装置の実際の実施形態が２２０に示されている。この装置は、ほぼ標準電話ページャのハウジングの寸法のハウジング２２２を含む。図のように、ハウジング２２２は部分的に切り取られ、視開口２２４が露出されると共に、前述のように副画素格子構成要素を有する画素ユニットのアレイを含むＧＬＶチップ２２６と、チップ２２６を支持しその各格子とのアドレス可能な電気接続部を行うために適切なサポート・リード・フレーム構造２２８と、伝達されたデータを受け取りチップ２２６に入力すべき駆動信号を生成する電子モジュール２３０と、赤ＬＥＤ２３２と、青ＬＥＤ２３４と、一対の緑ＬＥＤ２３６および２３８と、ＬＥＤ電力供給モジュール２４０と、電源バッテリ２４２とを備える様々な内部構成要素が露出されている。上記で第２１図および第２２図に関して指摘したように、適切なレンズ（図示せず）を含めることもできる。
もちろん、ＬＥＤ２３２ないし２３８の相対位置は、上記で指摘したように格子構成によって決定される。この実施形態では、緑色光出力が赤色光源および青色光源の出力強度にほぼ等しくなるように２つの緑色ＬＥＤが使用される。好ましい実施形態では、チップ２２６と開口２２４との間の典型的な距離が２〜１０ｃｍ程度であり、開口２２４の直径が３ｍｍ〜１．５ｃｍの範囲であり、ＬＥＤ、チップ面、および／または開口に関連して適切なレンズ構造を使用することができる。
第２８図に示した実施形態では、白色光源を使用して色を生成するのではなく、各副画素構成要素が３つの原色光源のうちの１つと動作可能に組み合わされる。具体的には、アレイ２５０は、それぞれ、同じ方向に向けられたビーム状素子を含む格子を有する３つの副画素構成要素２５２、２５４、２５６で構成された、複数の画素ユニット２５１を含む。少なくとも３つの単色光源２５８、２６０、２６２が位置決めされ、アレイ上に向けられる。光源と開口２６４は同一平面上に存在する。３つの副画素構成要素（２５２、２５４、２５６）はそれぞれ、そのような副画素構成要素が回折モードであるときに特定の光源（それぞれ、２５８、２６０、２６２）からの光を回折させ開口２６４を通して観察者に送るように選択された異なる格子周期を有する。たとえば、青色光源２５８からの青色光を副画素構成要素２５２から回折させ開口２６４を通して送り、光源２６０によって生成された緑色光を副画素構成要素２５４から開口２６４を通して回折させ、光源２６２からの赤色光を副画素構成要素２５６から開口２６４を通して観察者の瞳に回折させることができる。この実施態様は、色を生成するのに必要な格子素子の数が少なく、格子素子の寸法がそれほど重大ではなく、開口をスリットよりも著しく大きくすることができ、視角を著しく、たとえば少なくとも３倍に広げることができるので、白色光源およびスリットを使用する前述の実施態様と比べて改良されている。この実施形態でも、アレイから回折し反射した光が開口の平面上に合焦し、画素平面が観察者の網膜または投影画面上に撮像されるように適切なレンズ（図示せず）を使用することができる。
第２１図ないし第２８図の実施形態では、全色画素ユニットを生成するのに、３つの副画素構成要素と、それぞれの異なる色を有する少なくとも３つの光源とが必要であるが、多色画素、すなわち第１の色、第２の色、第１の色と第２の色の組合せである第３の色、あるいは無色を表示することのできる画素を生成する場合には２つの副画素構成要素と２つの光源しか必要でないことにも留意されたい。
動作時には、モジュール２３０が、装置２２０に伝達されたデータを受け取って処理し、このデータを使用してチップ２２６内の副画素格子構成要素が起動される。ＧＬＶアレイの画素ユニットから回折した光は開口２２４を通して送られ、画像が生成され、この画像を観察者の目によって観察するか、あるいはカメラに入力するか、あるいは画面上に投影することができる。この画像は、フルカラーであり、固定継続時間または選択可能な継続時間にわたって静的であるか、あるいは時間と共に変化するという点で動的であり、場合によってはビデオ型画像であってよい。
図の実際の実施形態はページャ状通信観察装置であり、別法として投影モードで動作することもできるが、当然のことながら、ゴーグル応用例で同じ技法を使用してユーザの一方の目または両目用のディスプレイを形成することができる。さらに、調整された２つのユニットを使用することによって、三次元ビデオ画像を生成してバーチャル・リアリティ態様を形成するゴーグルを提供することができる。そのような装置が多数のリモート操作応用例、リモート配置応用例、リモート・コントロール応用例用の観察装置としても使用できることは極めて明らかである。
本発明の他の応用例では、３本の有色層ビームを静的情報記憶媒体自体の表面を横切って掃引させるか、あるいは３つの光源を固定しそれに対して記憶媒体を移動するか、あるいは可動光と可動媒体の組合せを使用することによって「読み取る」ことのできる静的情報記憶媒体として画素ユニット・アレイを使用することができる。
上記で本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者には間違いなく、本発明の変更および修正が明らかになろう。したがって、以下の請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内のすべてのそのような変更および修正をカバーするものとして解釈すべきである。
【図１】
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【図３】
0004053598.tif 000003
【図４】
0004053598.tif 000004
【図２（ａ）】
0004053598.tif 000005
【図２（ｂ）】
0004053598.tif 000006
【図２（ｃ）】
0004053598.tif 000007
【図２（ｄ）】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
0004053598.tif 000017
【図１２（ｃ）】
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【図１３（ａ）】
0004053598.tif 000019
【図１３（ｂ）】
0004053598.tif 000020
【図１４（ａ）】
0004053598.tif 000021
【図１４（ｂ）】
0004053598.tif 000022
【図１５（ａ）】
0004053598.tif 000023
【図１５（ｂ）】
0004053598.tif 000024
【図１５（ｃ）】
0004053598.tif 000025
【図１６（ａ）】
0004053598.tif 000026
【図１６（ｂ）】
0004053598.tif 000027
【図１６（ｃ）】
0004053598.tif 000028
【図１７（ａ）】
0004053598.tif 000029
【図１７（ｂ）】
0004053598.tif 000030
【図１７（ｃ）】
0004053598.tif 000031
【図１７（ｄ）】
0004053598.tif 000032
【図１７（ｅ）】
0004053598.tif 000033
【図１８（ａ）】
0004053598.tif 000034
【図１８（ｂ）】
0004053598.tif 000035
【図１９（ａ）】
0004053598.tif 000036
【図１９（ｂ）】
0004053598.tif 000037
【図２０】
0004053598.tif 000038
【図２１】
0004053598.tif 000039
【図２２】
0004053598.tif 000040
【図２３】
0004053598.tif 000041
【図２４】
0004053598.tif 000042
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
0004053598.tif 000045
【図２８】
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