(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上の開口エリアで規定されるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、
MQW構造を形成するために交互に積み重ねられた、狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、
第１の半導体表面に配置された少なくとも１つの第１の電極と、第２の半導体表面に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
を備えており、
前記第１と第２の半導体表面は、前記開口エリアの面に概ね平行であり、
前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的にかつ空間的に概ね均一な電界を発生するよう、前記少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との少なくともいずれか１つが、前記開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素を有する構成とすると共に、前記導電要素と接続する駆動回路を設け、
前記導電要素は、少なくとも前記開口エリアの一部に重なり合う導体メッシュから成ること、を特徴とする光画像シャッタ。
【請求項２】
前記電極の少なくともいずれか１つは、少なくとも１つの電圧源への多数の接続を有すること、を特徴とする請求項１に記載の光画像シャッタ。
【請求項３】
平面上の開口エリアで規定されるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、
MQW構造を形成するために交互に積み重ねられた、狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、
第１の半導体表面に配置された少なくとも１つの第１の電極と、第２の半導体表面に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
を備えており、
前記第１と第２の半導体表面は、前記開口エリアの面に概ね平行であり、
前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的にかつ空間的に概ね均一な電界を発生するよう、前記少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との少なくともいずれか１つが、前記開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素を有する構成とすると共に、前記導電要素と接続する駆動回路を設け、
前記電極の少なくともいずれか１つは、少なくとも１つの電圧源への多数の接続を有すること、を特徴とする光画像シャッタ。
【請求項４】
少なくとも１つの開口を少なくとも部分的に覆う少なくとも１つの電極が、分離した導電要素を備える、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項５】
平面上の開口エリアで規定されるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、
MQW構造を形成するために交互に積み重ねられた、狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、
第１の半導体表面に配置された少なくとも１つの第１の電極と、第２の半導体表面に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
を備えており、
前記第１と第２の半導体表面は、前記開口エリアの面に概ね平行であり、
前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的にかつ空間的に概ね均一な電界を発生するよう、前記少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との少なくともいずれか１つが、前記開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素を有する構成とすると共に、前記導電要素と接続する駆動回路を設け、
少なくとも１つの開口を少なくとも部分的に覆う少なくとも１つの電極が、分離した導電要素を備えること、を特徴とする光画像シャッタ。
【請求項６】
前記分離した導電要素が、独立に駆動される、請求項４または請求項５に記載の光画像シャッタ。
【請求項７】
概ね同一の電圧が概ね同時に前記導電要素に設定されるように、電圧が、同期化された時間に前記導電要素にかけられること、を特徴とする請求項６に記載の光画像シャッタ。
【請求項８】
前記少なくとも一つの第１の電極と少なくとも一つの第２の電極の一つは、前記開口エリアの概ね全てを覆い、前記画像シャッタに入射する光が前記シャッタの物質を一度通過した後に前記光を反射する金属導体であること、を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項９】
平面上の開口エリアで規定されるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、
MQW構造を形成するために交互に積み重ねられた、狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、
第１の半導体表面に配置された少なくとも１つの第１の電極と、第２の半導体表面に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
を備えており、
前記第１と第２の半導体表面は、前記開口エリアの面に概ね平行であり、
前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的にかつ空間的に概ね均一な電界を発生するよう、前記少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との少なくともいずれか１つが、前記開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素を有する構成とすると共に、前記導電要素と接続する駆動回路を設け、
前記少なくとも一つの第１の電極と少なくとも一つの第２の電極の一つは、前記開口エリアの概ね全てを覆い、前記画像シャッタに入射する光が前記シャッタの物質を一度通過した後に前記光を反射する金属導体であること、を特徴とする光画像シャッタ。
【請求項１０】
導電要素の種々の部分が同時に電力供給されるように、導電要素が、複数の駆動線によって駆動される、請求項１から９のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項１１】
平面上の開口エリアで規定されるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、
MQW構造を形成するために交互に積み重ねられた、狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、
第１の半導体表面に配置された少なくとも１つの第１の電極と、第２の半導体表面に配置された少なくとも１つの第２の電極と、
を備えており、
前記第１と第２の半導体表面は、前記開口エリアの面に概ね平行であり、
前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的にかつ空間的に概ね均一な電界を発生するよう、前記少なくとも１つの第１の電極と少なくとも１つの第２の電極との少なくともいずれか１つが、前記開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素を有する構成とすると共に、前記導電要素と接続する駆動回路を設け、
前記導電要素の種々の部分が同時に電力供給されるように、導電要素が、複数の駆動線によって駆動されること、を特徴とする光画像シャッタ。
【請求項１２】
前記開口エリアは、４平方mmよりも大きいこと、を特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項１３】
前記開口エリアは、９平方mmよりも大きいこと、を特徴とする請求項１２に記載の光画像シャッタ。
【請求項１４】
前記エリアは、１６平方mmよりも大きいこと、を特徴とする請求項１３に記載の光画像シャッタ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの第１電極と前記少なくとも１つの第２の電極の少なくともいずれか１つは、前記開口エリアを取り囲む、閉じた境界線の形状の導電層を備えること、を特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項１６】
前記電極の少なくとも１つの導電要素は、前記導電要素が配置される半導体表面に位置している少なくとも１つの回路要素を通過して、電源に接続されること、を特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの回路要素の少なくともいずれか一つはFETであること、を特徴とする請求項１６に記載の光画像シャッタ。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの回路要素の少なくともいずれか一つは、エミッタ・ホロワであること、を特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の光画像シャッタ。
【請求項１９】
前記少なくとも一つの回路要素は、それぞれ別々に前記少なくとも一つの導電要素に接続される複数の回路要素から成ること、を特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２０】
前記複数の回路要素の少なくとも二つは、同一の導電要素に接続されること、を特徴とする請求項１９に記載の光画像シャッタ。
【請求項２１】
前記電極が配置される少なくとも一つの半導体表面は、少なくとも１０１９不純物／cm３のp不純物の濃度を有するpドーピングされた層から成ること、を特徴とする請求項１から請求項２０のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２２】
前記電極が配置される少なくとも一つの半導体表面は、少なくとも１０１９不純物／cm３のn不純物の濃度を有するnドーピングされた層から成ること、を特徴とする請求項１から請求項２１のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２３】
光が前記画像シャッタに入り又は出て行く表面は、前記画像シャッタの挿入損失と出口損失を０．５％より低い値まで低減する反射防止コーティングで覆われること、を特徴とする請求項１から請求項２２のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２４】
光が前記画像シャッタに入り又は出て行く表面は、前記画像シャッタの挿入損失と出口損失を０．１％より低い値まで低減する反射防止コーティングで覆われること、を特徴とする請求項１から請求項２３のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２５】
電極は、透明な導電金属から形成されること、を特徴とする請求項１から請求項２４のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２６】
伝達状態と、非伝達状態との間を、１０ナノ秒以下で切り換わる、請求項１から請求項２５のいずれかに記載の光画像シャッタ。
【請求項２７】
伝達状態と、非伝達状態との間を、５ナノ秒以下で切り換わる、請求項２６に記載の光画像シャッタ。
【請求項２８】
伝達状態と、非伝達状態との間を、２ナノ秒以下で切り換わる、請求項２７に記載の光画像シャッタ。
【請求項２９】
少なくとも２つの、請求項１から請求項２８のいずれかに記載の画像シャッタを備える光デバイスであって、前記画像シャッタが、前記少なくとも二つの画像シャッタの１つに入る光が、前記少なくとも２つの画像シャッタの全てによって変調されるように、整列していること、を特徴とする光デバイス。
【請求項３０】
請求項１から請求項２８のいずれかに記載の第１と第２の画像シャッタを備える、時間Δｔの光パルスを作る光デバイスであって、前記第１のシャッタは、前記第２のシャッタがオープンである間の第１の時刻にクローズの状態からオープンの状態に切り換わるように制御され、前記第２のシャッタは、前記第１の時刻から時間遅延Δｔだけ遅れた第２の時刻にクローズされるように制御されること、を特徴とする光デバイス。
【請求項３１】
少なくとも二つの異なる波長バンドに波長を有する光をシャッタリング（shuttering）するための、それぞれの波長バンドに対して請求項１から請求項２８のいずれかに記載の少なくとも一つの画像シャッタを備える、光デバイスであって、前記少なくとも二つの波長の内の特定の波長バンドに対するシャッタは、特定の波長の光を伝達し且つ前記少なくとも二つの波長バンドの別の波長の光を反射する前面コーティングと、前記特定の波長の光を反射する背面コーティングとを有し、前記シャッタがオープンであるとき、前記光デバイスは前記特定の波長バンドの光を伝達すること、を特徴とする光デバイス。
【請求項３２】
請求項１から請求項２８のいずれかに記載の少なくとも１つの画像シャッタと、単一のユニットの状態にともに統合化された光学素子とを備えること、を特徴とする光デバイス。
【請求項３３】
前記光学素子はレンズを備えること、を特徴とする請求項３２に記載の光デバイス。
【請求項３４】
前記光学素子はイメージ・センサを備えること、を特徴とする請求項３２又は請求項３３に記載の光デバイス。
【請求項３５】
前記イメージ・センサはCCDであること、を特徴とする請求項３４に記載の光デバイス。
【請求項３６】
前記光学素子はミラーを備えること、を特徴とする請求項３２又は請求項３３に記載の光デバイス。
【請求項３７】
レンズが組み合わされた、請求項１から請求項２８のいずれかに記載の画像シャッタと、シャッタの付いた画像化装置を作るために前記レンズの焦点面に配置されたイメージ・センサとから成ること、を特徴とする光デバイス。
【請求項３８】
レンズが組み合わされた、請求項１から請求項２８のいずれかに記載の画像シャッタと、前記レンズの焦点面に配置されたイメージ・センサと、発光素子とから成る光デバイスであって、
前記発光素子によって発せられた光は、シーン（scene）を照射するために前記レンズを通して伝えられ、前記シーンから反射された発光素子からの光は、前記シャッタによってシャッタを切られ、前記レンズによって前記イメージ・センサに焦点が合うこと、を特徴とする光デバイス。
【請求項３９】
前記発光素子は、LEDであること、を特徴とする請求項３８に記載の光デバイス。
【請求項４０】
前記発光素子は、レーザーであること、を特徴とする請求項３８に記載の光デバイス。
【請求項４１】
前記発光素子は、前記画像シャッタの半導体表面上に位置していること、を特徴とする請求項３８から請求項４０のいずれかに記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光シャッタ及び光変調器に関し、特に、高周波で動作可能な大開口の固体画像シャッタに関する。
【０００２】
［発明の背景］
多くの光学画像の応用分野が、非常に高速な大開口の画像シャッタを要求する。ほぼどのようなサイズの開口も利用可能なメカニカル・シャッタは、一般に、これらの応用分野用として遅すぎる。ゲート制御のイメージ増倍管は、ナノ秒オーダーの立ち上がり時間であり十分に高速であるが、一般に、１６０から１０００ボルトの範囲の好ましからざる大きな駆動電圧を必要とする。液晶シャッタは低い電圧で動作し、また、メカニカル・シャッタより相当に高速であるけれども、ゲート制御のイメージ増倍管よりはまだかなり遅い。
【０００３】
１０９ヘルツオーダーの周波数で動作し、低電圧で高速な光変調器又は光シャッタが、T.H. Woodsらによる「High Speed Optical Modulation with GaAs/GaAlAs Quantum Wells in P-I-N Diode Structure」Appl. Phys. Lett. 44(1), p16 (1984)、D.A.B. Millerらによる「Band-Edge Electro- /absorption in Quantum Well Structure: The Quantum ? Confined Stark Effect」Phys. Rev. Lettr. 26, p2173 (1984)、D.A.B. Millerらによる「Electric Field Dependence of Optical Absorption Near Band Gap of Quantum Well Structures」Phys. Rev. B, vol 32 #2, p1043, (1985)、及び、Chemlaらによる米国特許4,525,687に記載されており、これら全ては参照によって本明細書に組み込まれる。これらの変調器は、半導体内の光の屈折率の吸収性の部分（虚数部）は、半導体物質にかけられた電界に依存させることができるという事実に基づく。このシャッタは、連続の量子井戸を形成するためにともにサンドイッチ状に挟まれた非常に薄い半導体物質の層から成る。シャッタの量子井戸構造が、物質の屈折率の吸収性の部分の電界の効果を増幅し、それにより、比較的小さな動作電圧で、比較的大きな光吸収の変化を与える。これら半導体シャッタは、とても高速且つ低電圧で動作するが、それらがそのスピードを達成するのは、それらのアクティブなボリュームや開口がとても小さいからである。これらは主として、その小さい開口が許容される光通信の応用分野で用いられる。
【０００４】
半導体光シャッタのテクノロジーは、光子が半導体物質と相互作用するということに基づく。光のビームが半導体を通過して進むとき、ビーム中の光子は半導体の物質と相互作用し、ビームから吸収され、光ビームは減衰される。光子のエネルギーの関数として光子の減衰の比率をグラフ化すると、明確に規定された光子のエネルギー又は波長で、半導体の吸収端（absorption edge）と呼ばれる非常に急峻な立ち上がりを見せる。吸収端が発生するそのエネルギー（以下、“吸収端エネルギー”という）は、一般に半導体のバンドギャップに非常に近い。吸収端エネルギー以下のエネルギーを有する光子は（また、したがって波長は吸収端エネルギーに対応する波長より上。以下、“吸収端波長”という）、（するとしても）非常に弱く半導体物質と相互作用し、半導体物質によって非常にわずかに減衰されるのみである。吸収端エネルギーより上のエネルギーを持つ光子は（すなわち、吸収端波長より下の波長）、その物質と強く相互作用し、物質中の単位経路長当たりで急速に減衰される。
【０００５】
通常、吸収端エネルギーのすぐ下のエネルギーの光子の吸収距離は、１０ｃｍ−１のオーダーであり、吸収端エネルギーのすぐ上のエネルギーの光子は、〜１０４ｃｍ−１である。一般に、吸収端エネルギーは、半導体に電界をかけることによって低いエネルギーにシフトさせることができ、また、その後かけた電界の解除又は低減によりもとの高いエネルギーにシフトさせることができる。この結果、吸収端エネルギーに十分に近いエネルギーの光子にとって、吸収端エネルギーは、半導体にかけられた電界により、光子のエネルギーのすぐ下又はすぐ上にシフトさせることができる。このことは、光子を、半導体によって非常に強く又は非常に弱くかのどちらかで減衰させる。このやり方で、半導体の吸収端波長に近い波長（以下、動作波長（operational wavelength）という）における、半導物質によって伝えられる光の量は、半導体内部の電界によって制御できる。この半導体は、その半導体物質の動作波長と等しい波長を有する光に対する、電気的に作動される光シャッタのように動く。
【０００６】
半導体の吸収端は、半導体のバンドギャップエネルギーより僅かに小さいエネルギーで発生する。電子を価電子帯から伝導帯に持ち上げる代わりに、光子は、電子をほぼ伝導帯にまで励起し、短命の水素のような共鳴において電子が持ち上げられたホールとゆるく結合させておくことができる。電子とホールの結合された共鳴は、エキシトン（exciton）と呼ばれる。エキシトンの結合エネルギーは通常低く、数mevオーダーである。室温でエキシトンは、フォノンから素早くエネルギーを取り、電子は伝導帯に入っている状態で、分離された電子とホールにイオン化する。吸収端が起きるエネルギーを“Ex”とし、バンドギャップエネルギーとエキシトン結合エネルギーをそれぞれ“Eg”，“Eb”とすると、Ex=Eg − Ebである。
【０００７】
バルク半導体に電界をかけたときEgとEbともに、広がり減少する。電界は、半導体のセル距離（cell length）（通常、0.5nm）のオーダーの距離の間でエネルギーを価電子に結合させることによりEgを広げ減少させる、これはFranz-Keldysh効果として知られる。電界は、通常およそ30nmであるエキシトンの直径のオーダーの距離の間でエネルギーをエキシトンに結合させることにより、エキシトン結合エネルギーEbを広げ減少させる。エキシトンについての電界の効果は、電界がエキシトンを少しばかり分極させエキシトンの電子とホールの平均の分離を増加させ、それによりエキシトンの結合のエネルギーを減少させるStark効果である。
【０００８】
Franz-Keldysh効果もStark効果も、バルク半導体内で吸収端エネルギーExをシフトさせる効果は無い。Franz-Keldysh効果は、あまりにも小さい。Stark効果は、非常に大きいが、エキシトンを急速にイオン化し、吸収端のエネルギーを、かけられた電界に無反応にさせる。
【０００９】
吸収端エネルギーについての電界の効果は、半導体が、狭いバンドギャップの半導体物質の薄い層と交互の広いギャップの半導体物質の層から形成され、その狭いギャップの層の厚みがエキシトンの直径よりも小さいときに増大する。このように層状に積み重ねられた構造においては、狭いギャップの層は、狭いギャップの層の厚さに等しい物理的な幅を持つ量子井戸として動作する。井戸の半導体物質内で形成された電子とホールは、飛び飛びのエネルギーレベルでこれらの量子井戸内に閉じ込められる。広いギャップの層が十分に厚ければ、量子井戸内の電子とホールの波動関数は、量子井戸内に厳しく限定され、また、隣接の量子井戸に通り抜けることは出来ない。分離された量子井戸の連続のように作用するこの構造は、多重量子井戸又はMQW’sと呼ばれる。
【００１０】
量子井戸内の電子とホールの閉じ込めの結果、エキシトン内の電子とホール間の距離は、層の面に垂直な方向で、量子井戸の幅よりも小さい距離に、すなわち狭いギャップの層の厚みに限定される。このことは、量子井戸に閉じ込められたエキシトン内の電子とホール間の平均距離を、同一の半導体物質から形成され量子井戸がその半導体物質から形成される、バルク半導体のエキシトン内の電子とホール間の平均距離よりも小さくする。それゆえ、ある一定の半導体物質から成るMQW内のエキシトンは、高い結合エネルギーを持ち、またそれは同じある一定の半導体からなるバルク半導体内のエキシトンよりも安定である。さらに、MQW層に垂直にかけられた電界は、エキシトンをイオン化する程までは（量子井戸の幅以上までは電子とホールを分離できない。）、エキシトンを分極したり歪ませたりしないであろう。その結果、もし電界が量子井戸の面に垂直であるならば、バルク半導体と異なり半導体MQW構造においては、電界は、吸収端エネルギーを効果的に制御するために用いることができる。したがって、MQW構造は、光シャッタとして用いることができる。
【００１１】
量子井戸内における電子とホールの閉じ込められた状態の第１番目の離散的なエネルギーをそれぞれ“Ee”と“Eh”とすれば、MQW’sの吸収端エネルギーは、Ex=Eg ＋ Ee ＋ Eh − Ebである。Eg，Eh又はEbのいずれにも著しく影響を与える、MQW構造にかけられる電界は、Exをシフトさせるため、また吸収端エネルギー又は吸収端波長を効果的に制御するために用いることが出来る。狭いギャップの層がGaAsから形成され、広いギャップの層が、ｘ〜0.36のGa（１−ｘ）AlｘAsから形成され、また層の厚みがおよそ10nmであるMQWについて、Ee，Eh及びEbは、それぞれおよそ50mev，5mev及び10mevであり、Exは、〜1.45mevである。このMQW構造の層に垂直にかけられた1−5×10４Ｖ／ｃｍの電界は、10−50mevのエネルギーを電子とホールの波動関数（［1−5×10４V/cm × 10−６cm］×電子の電荷）に結び付け、それにより、吸収端のエネルギーを制御するために用いることができる。
【００１２】
それぞれ9.5nmの厚みである50のＧａＡｓ量子井戸から成るMQW光シャッタが米国特許4,525,687に記載されている。この井戸は、pinダイオードの固有の部分に形成される。このダイオードは、ダイオードにかけられた電位差の全てが概ね量子井戸の両端に発生するように、逆バイアスで動作される。光は、量子井戸の面に垂直に、ダイオードを通過する。シャッタがオープンのとき（ダイオードに電圧はかけられていない）857nmの波長（1.446ev）においてシャッタは光の約75%を伝達し、ダイオードに8Vの電位をかけることによりシャッタが閉じられると約35−40 %である。したがって、このシャッタは、on/off伝達比率約２を有する。記述されたこの有用な光学のシャッタの開口は、直径が約100ミクロンのエリアに限定され、またシャッタのアクティブ・ボリュームは約100立方ミクロンに限定される。このシャッタは、およそ２ナノ秒の立ち上がり時間で動作する。
【００１３】
MQWテクノロジーに基づく先行技術の光シャッタは、とても小さな開口であって、小さなボリュームのデバイスが主として光通信の応用分野で用いられた。シャッタは比較的大きな周波数で動作するが、それらの開口は多くの応用分野にとって小すぎる。特に全体の画像のシャッタリング（shuttering）には非常に小さすぎる。例えば、1997年1月9日に公開され、その開示が参照によって本明細書に組み込まれる、タイトル“Improved Optical Ranging Camera”のPCT特許公開WO97/01111は、全体の拡張された画像に渡って同時に奥行き又は距離情報を取得する距離検出カメラを記述する。このようなカメラは、速いスピード、高いon/off伝達比率を有する大開口シャッタを必要とする。光通信で使用される小さなボリュームのMQWシャッタの周波数で動作し、且つ高いon/off伝達比率を有する、画像をシャッタリング又は変調するための大開口のシャッタが望まれる。
【００１４】
［発明の概要］
本発明の目的は、高いon/off伝達比を持ち、大開口で、速い立ち上がり時間の光画像シャッタを提供することである。
本発明の好ましい実施形態による光画像シャッタは、完全な画像の光シャッタリング及び光変調に適し、大開口で速い立ち上がり時間のシャッタを提供するためにMQWテクノロジーを使用する。この画像シャッタは、pinダイオードの限定された部分に多重量子井戸を持つpinダイオード構造を形成するために、nドプ層とpドープ層間で成長された、狭いギャップと広いギャップの半導体物質の多数の薄い交互になっている層を含むのが好ましい。Pinダイオード構造の、量子井戸の面に平行な断面は、先行技術のデバイスに比べると比較的大きい。シャッタは、量子井戸の面に平行であり、ダイオード構造のそれぞれの端部に２つの比較的大きな平面の端部表面を持つ。端部表面の表面エリアは、光が画像シャッタに入り及び出て行く開口として働く。開口を通ってシャッタに入る光は、量子井戸の面にほぼ垂直な方向で画像シャッタを通過して進む。シャッタのpinダイオード構造は、量子井戸の物質内で量子井戸の面に垂直に電界を作るため逆バイアスされる。バイアス電圧の変更、またそれによる量子井戸内の電界の変更は、シャッタに入る光がシャッタを通過するときに減衰する量を制御する。画像シャッタは、少なくとも4mm２の面積の開口を有するが好ましい。開口の面積は、9mm２より大きいのがさらに好ましい。開口の面積は、16mm２より大きいのが最も好ましい。
【００１５】
大きなサイズの開口を有する高速なMQWシャッタの提供にまつわる問題は、シャッタを動かすために電圧変更がかけられるときに結果として生じる電界の変化をシャッタのアクティブ・ボリュームに集中させること、それがシャッタのアクティブ・ボリューム全体に渡ってほぼ均一であること、及びそれが望まれるシャッタの立ち上がり時間よりも短い時間に落ち着かせること、を保証することである。かけられた電圧の変化をシャッタの全てのアクティブ・ボリュームに渡ってほぼ平衡状態に到達させることから生じる、電界の変化のために要する時間は、シャッタのRC時定数によって間単に推定されても良い。先行技術のMQWシャッタにしたがって造られた3mm直径の光シャッタは、約50ナノ秒の推定RC時定数であった。この時定数は、多くの画像の応用分野にとってとても長すぎる。
【００１６】
大きく速いスピードのシャッタにおける長い立ち上がり時間の原因の一つは、シャッタの開口のエッジに沿う点にかけられる信号又は電圧が、シャッタの中央部に伝わるのにかかる長い時間である。本発明の好ましい実施形態において、画像シャッタのRC時定数は、シャッタのアクティブ・ボリューム内の異なる場所で、シャッタにかけられた電圧変化が感知される時間の相違を減じることにより低く保たれる。本発明の特に好ましい実施形態において、このことは、シャッタのpinダイオード構造のそれぞれの端部で厚く非常に高濃度にドーピング（不純物注入）されたコンタクト層を提供することにより、及び／又は、シャッタの量子井戸内で電界を生成するための、特別に構成された純粋金属の駆動電極をコンタクト層上に堆積することにより達成される。それぞれの高濃度にドーピングされたコンタクト層内の不純物のレベルは、好ましくは10１９不純物/cm３のオーダー又はそれより大きい。
【００１７】
高濃度のドーピングは、駆動電極とコンタクト層間の境界面での空乏層の幅をとても小さくする。その結果、駆動電極とコンタクト層間の電気的接触、またそれにより駆動電極と量子井戸間は、オーミック（ohmic）であり低い抵抗を有する。このことは、シャッタのRC時定数を減じる一因となり、また、pinダイオード構造の異なる端部で駆動電極に加えられたほとんど僅しかない電圧差は、駆動電極とコンタクト層間の境界面で“失われる”。シャッタのpinダイオード構造のp端部におけるコンタクト層の高濃度のドーピングは、濃度が〜10１９不純物／cm３までのpタイプのドーピングを提供するベリリウム・ドーピング技法によって達成されるのが好ましい。pinダイオード構造のn端は、シリコンが高濃度にドーピングされたGaAs層から成っているのが好ましい。
【００１８】
特別に構成された駆動電極は、シャッタのキャパシタンスに可能なだけ並列に電圧を与えることにより、シャッタの立ち上がり時間を減じる。本発明の好ましい実施形態において駆動電極は、シャッタの入口及び出口開口を取り囲む導電金属フレームである。本発明の別の好ましい実施形態において、駆動電極は、導電フレームの側面をつなぐ好ましくは透明な導体の金属メッシュから成るメッシュ電極である。好ましくはシャッタの入口及び出口開口は、メッシュ電極の網目でそれぞれ覆われ、またメッシュ電極のフレームに囲まれている。メッシュの中の導体の幅及び導体の間隔取りは、挿入及び抜出し損失がわずかしかないように、また、画像シャッタによってシャッタリング又は変調された光の不要な回折を防止するように選択される。電圧は、駆動電極のフレームの外周を囲むそれぞれの点に接触する好ましくは複数の等しい長さのリードで駆動電極に接続された、適当な電源によって駆動電極にかけられる。
【００１９】
本発明のさらに別の好ましい実施形態において、入口及び出口開口は、複数の独立に駆動される電極にそれぞれ覆われる。それぞれ個々の電極は、その個々の電極が電源に対して接続される開口のエッジにおける点まで伸びるリードを持つ導体から成る。その独立に駆動される電極は、比較的長く、細い、直線状の導体であるのが好ましい。その導体は透明であるのが好ましい。代替として、好ましくは前記電極は、小さな導電ループである。その電極は、量子井戸内の電界がいつでも空間的に概ね均一であるように、開口の中心から離れた電極よりも早く電気を通じられた、開口の中心に近い電極とともに逐次的に駆動されるのが好ましい。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、入力及び出力開口は、反射防止コーティングによってコーティングされる。反射防止コーティングは、挿入及び抜出し損失５％より下まで減少させるのが好ましい。挿入及び抜出し損失が１％より下まで減少されるのがもっと好ましい。挿入及び抜出し損失が０．５％より下まで減少されるのが最も好ましい。
本発明の別の側面によれば、光ビームが複数の画像シャッタのそれぞれを通過して変調される複合画像シャッタを形成するために、複数の画像シャッタがかわるがわる置かれる。複合シャッタのon/off伝達比は、単一シャッタのon/off伝達比よりもはるかに高められる。On/off伝達比の増加が単一のシャッタを動かすのに用いられる電圧で達成されるように、シャッタは並列に駆動されるのが好ましい。
【００２１】
本発明の別の側面によれば、開口の面に垂直な共通軸に沿って同一線上に並べられる第１と第２の画像シャッタは、非常に短く、早い立ち上がり時間の光パルスを与える。第１の画像シャッタが閉じ、第２の画像シャッタが開いると仮定する。２つのシャッタの動作波長に等しい波長を有する光ビームが、第１と第２のシャッタの共通軸に沿って進み、最初に第１のシャッタに入射すると仮定する。第１のシャッタは閉じていると仮定する。その結果、ビームの光は、２つのシャッタを通過して伝達されない。時刻t1に第１のシャッタが開き、時刻t2（t2＞t1）で第２のシャッタが閉じる。ビームの光は、t1とt2の間隔の時間シャッタを通過して伝達され、これにより（t2−t1）sの長さの光のパルスを生成する。
【００２２】
本発明のさらに別の側面によれば、光デバイス（以下、“多重波長シャッタ”という。）が、少なくとも２つの異なる波長バンドに波長を有する光をシャッタリングするために提供される。多重波長シャッタは、少なくとも２つの波長バンドのそれぞれの波長バンドに対する、少なくとも一つの画像シャッタから成る。それぞれの波長バンドに対するその少なくとも一つの画像シャッタは、背面の開口上にその波長バンド内の波長を反射する反射コーティングを有し、また、前面にその波長バンドの波長を伝達し、その少なくとも二つの波長バンドの別のバンドの波長を反射する反射コーティングを有する。少なくとも一つの画像シャッタの前面開口に入射するその波長バンドの光は、少なくとも一つの画像シャッタが開かれていれば、少なくとも一つの画像シャッタの背面開口上の反射コーティングから反射する。画像シャッタが閉じられていると、光は吸収される。
【００２３】
多重波長シャッタ内の画像シャッタは、多重波長シャッタに入る光が、光が波長シャッタを出る前に、多重波長シャッタ内で構成される画像シャッタのそれぞれの前面から反射されるように互いに並べられる。その結果、多重波長シャッタの少なくとも２つの波長バンドのいずれかの特定の波長バンドの光は、その特定の波長バンドの光を伝達する反射コーティングをコーティングされた前面開口を有する画像シャッタを制御することにより、多重波長シャッタによって選択的にシャッタリング又は変調される。
【００２４】
本発明のさらに別の側面によれば、画像シャッタは、独立の自動のシャッタリング又は変調の機能を有するハイブリッド光学部品を提供するための様々な光学部品が組み合わされる。本発明の好ましい実施形態によるハイブリッド光学部品は、画像シャッタが概ね開いているときのみ、シャッタの動作波長で活性化され又は光を伝達する。当技術分野で知られたプロセスを用いることにより、本発明の好ましい実施形態によるこのようなハイブリッド光学部品の一つにおいて、画像シャッタにレンズを接着することによりレンズ自身のシャッタが提供される。本発明の好ましい実施形態による別のハイブリッド光学部品において画像シャッタは、シャッタのダイオード構造の端面の一つが、当技術分野で知られたプロセスを用いて反射ミラーを接着される。そのミラーは、リフレクター及び電極として動作するメタリック・コーティングであることが好ましい。本発明の好ましい実施形態による別のハイブリッド部品において、CMOS-CCDのような光感知デバイスは、その表面に画像シャッタを取り付けられる。
【００２５】
本発明のさらに別の側面において、画像シャッタは、モジュール光デバイスを形成するための様々な光学部品が組み合わされる。本発明の好ましい実施形態による一つのモジュール光デバイスにおいて、画像シャッタは、レンズと、好ましくはCMOS-CCDであるイメージング・デバイスを組み合わされる。CMOS-CCDは、レンズの像平面に置かれ、画像シャッタは、画像シャッタが開かれるときのみCMOS-CCDが画像シャッタの動作波長の光で活性化されるように、レンズとCMOS-CCDの間に置かれる。
【００２６】
それゆえ、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、面上の開口エリアで定められるシャッタ開口を有し、前記開口エリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、MQW構造を形成するために積み重ねられた、交互の狭いギャップ及び広いギャップの半導体物質の多数の薄い層と、前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面の間にかけられる電圧差が、MQW構造のボリューム内で時間的に及び空間的に概ね均一な電界を発生するように構成された、前記画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面に配置された電極とから成り、その開口エリアは、４平方mmよりも大きい。開口エリアは、９平方mmようりも大きいことがさらに好ましい。開口エリアは、１６平方mmよりも大きいことが最も好ましい。
【００２７】
代替として又は追加として、電極は、第１の半導体表面に配置された第１の電極と第２の半導体表面に配置された第２の電極とから成り、第１と第２の半導体表面は、開口エリアの面に概ね平行である。第１と第２の電極は、開口エリアを取り囲む、閉じた境界線の形状の導電層から成ることが好ましい。代替として追加として、第１と第２の電極の少なくともいずれか一つは、開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素から成る。
【００２８】
また、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、面上の開口エリアで定められるシャッタ開口を有し、開口のエリアへの入射光を変調する、光変調のための光画像シャッタであって、画像シャッタの少なくとも二つの半導体表面に配置された電極と、シャッタの比較的光を伝達する状態と比較的光をブロックする状態を発生するために電極に選択的に電圧を印加する電圧源とから成り、第１と第２の電極の少なくともいずれか一つは、開口エリアの少なくとも一部分を覆う導電要素から成る。
【００２９】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、導電要素は、開口エリアに最少の部分で重なり合う導体メッシュから成る。
電極の少なくともいずれか一つは、少なくとも一つの電圧源への多数の接続から成る。
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、導電要素は、独立に駆動される。導電要素は、選択可能な相対的な遅延をもって順次に駆動されることが好ましい。
【００３０】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、第１と第２の電極の一つは、開口エリアの概ね全てを覆い、画像シャッタに入射する光がシャッタの物質を一度通過した後に光を反射する金属導体から成る。
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、電極の少なくとも一つの導電要素は、導電要素が配置される半導体表面に位置している少なくとも一つの回路要素を通過して、電源に接続される。少なくとも一つの回路要素の少なくともいずれか一つはFETであることが好ましい。代替として又は追加として、半導体表面の少なくともいずれか一つ上の回路要素は、エミッタ・ホロワである。
【００３１】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、少なくとも一つの回路要素は、それぞれ別々に少なくとも一つの導電要素に接続される複数の回路要素から成る。複数の回路要素の少なくとも二つは、同一の導電要素に接続されることが好ましい。
【００３２】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、少なくとも一つの導電要素は、複数の切り離された導電要素から成り、回路要素の少なくともいずれか一つは、切り離された回路要素のそれぞれに接続される。
【００３３】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、電極が配置される少なくとも一つの半導体表面は、高濃度にpドーピングされた層から成る。pドーピングされた層は、少なくとも１０１９不純物／cm３のp不純物の濃度を有することが好ましい。本発明のいくつかの好ましい実施形態において、電極が配置される少なくとも一つの半導体表面は、高濃度にnドーピングされた層から成る。nドーピングされた層は、少なくとも１０１９不純物／cm３のn不純物の濃度を有することが好ましい。
【００３４】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、伝達の状態と非伝達の状態間の遷移は、１０ナノ秒より少ない時間で確立される。本発明の別の好ましい実施形態において、伝達の状態と非伝達の状態間の遷移は、５ナノ秒より少ない時間で確立される。本発明のさらに別の好ましい実施形態において、伝達の状態と非伝達の状態間の遷移は、２ナノ秒より少ない時間で確立される。
【００３５】
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、光が画像シャッタに入り又は出て行く表面は、画像シャッタの挿入及び抜出し損失を０．５％より低い値まで低減する反射防止コーティングで覆われる。本発明の別の好ましい実施形態において、光が前記画像シャッタに入り又は出て行く表面は、画像シャッタの挿入及び抜出し損失を０．１％より低い値まで低減する反射防止コーティングで覆われる。
本発明のいくつかの好ましい実施形態において、電極は、透明な導電金属から形成される。
【００３６】
また、本発明のいくつかの好ましい実施形態によって提供されるのは、本発明のいくつかの好ましい実施形態による少なくとも二つの画像シャッタから成る光デバイスであって、画像シャッタは、少なくとも二つの画像シャッタの一つに入る光が、少なくとも二つの画像シャッタの全てによって変調されるように整列される。
【００３７】
また、本発明のいくつかの好ましい実施形態によって提供されるのは、本発明の好ましい実施形態による第１と第２の画像シャッタから成る、時間Δｔの光パルスを作る光デバイスであって、第１のシャッタは非伝達となるように制御され第２のシャッタは伝達となるように制御され、光は第１のシャッタに入射し、第１のシャッタが時刻ｔで伝達となるように制御されるとき、第２のシャッタは時刻ｔ＋Δｔで非伝達となるように制御される。
【００３８】
また、本発明のいくつかの好ましい実施形態によって提供されるのは、それぞれの波長のための、本発明の好ましい実施形態による少なくとも一つの画像シャッタから成る、少なくとも二つの異なる波長バンドに波長を有する光をシャッタリング（shuttering）するための光デバイスであって、波長バンドのための少なくとも一つの画像シャッタは、前記波長バンドの波長を反射する、背面の反射コーティングと、前記波長バンド内の波長を伝達し、少なくとも二つの波長バンドの他方の波長を反射する、前面の反射コーティングとを有し、前記波長バンドの光は前面に入射し、少なくとも一つの画像シャッタがオープンであるならば、光は背面から反射される。
【００３９】
また、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、本発明の好ましい実施形態による少なくとも一つの画像シャッタと、ハイブリッド光学部品を形成するために一つのユニットに統合化された光学素子とから成る光デバイスである。本発明のいくつかの好ましい実施形態による、ハイブリッド光学部品は、本発明の好ましい実施形態によるシャッタに取り付けられるレンズから成る。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態による、別のハイブリッド光学部品は、本発明の好ましい実施形態によるシャッタに取り付けられるイメージ・センサから成る。イメージ・センサはCCDであることが好ましい。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態において、さらに別のハイブリッド光学部品は、本発明の好ましい実施形態によるシャッタに取り付けられるミラーから成る。
【００４２】
また、本発明の好ましい実施形態によって提供される光デバイスは、レンズが組み合わされた、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタと、シャッタの付いた画像化装置を作るためにレンズの焦点面に配置されたイメージ・センサとから成る。
【００４３】
また、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、レンズが組み合わされた、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタと、レンズの焦点面に配置されたイメージ・センサと、発光素子とから成る光デバイスであって、発光素子から発せられた反射光は、前記イメージ・センザに合焦される。発光素子は、LEDであることが好ましい。代替として、発光素子は、レーザーである。本発明の好ましい実施形態による光デバイスにおいて、発光素子は、画像シャッタの半導体表面上に位置している。
【００４４】
［発明の実施の形態］
図１（a）から図１（c）は、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタ２０，２２及び２４を示している。これらの図において寸法は、発明の簡単と明確さのために、非常に誇張され、また一律の縮尺ではない。
【００４５】
画像シャッタ２０は、pinダイオード構造を形成するための高濃度のpドーピング層２８とnドーピング層３０の間のエピタキシャルMQW構造２６から成る。MQW構造２６は、多数の狭いギャップの半導体層３２と交互の広いギャップの半導体層３４から成る。MQW構造２６を形成するために、様々なIII-Vの元素の化合物が用いられても良い。層３２は全て同一の厚さであるのが好ましい。層３２の厚さは、層３２内のエキシトンの直径よりも概ね小さいことが好ましい。広いギャップの層３４は、MQW２６の狭いギャップの層（すなわち、量子井戸）内に限定される電子とホールの波動関数が、MQW２６の隣接の層内の素粒子の波動関数から概ね分離されるように十分に厚い。MQW構造２６の吸収端のエネルギーは、そしてそれによる画像シャッタ２０の動作波長は、狭いギャップの層３２を形成するために用いられる元素を変えることにより、層の元素と厚みのモル分数を変えることにより変化される。
【００４６】
画像シャッタ２０の第１の端部表面３８上の第１の開口３６を通過して画像シャッタ２０に入る光は、MQW構造２６内の層３２及び３４の面に概ね垂直に画像シャッタ２０を通過して進み、画像シャッタ２０の第２の端部表面４０上の、好ましくは第１の開口３６と等しく且つ平行である第２の開口３６（図示しない）を通過して出る。第１の端部表面３８は、厚い濃密にpドーピングされた半導体層４２の表面エリアであるのが好ましい。第２の端部表面４０は、厚い濃密にnドーピングされた半導体層４４の表面エリアであるのが好ましい。画像シャッタ２０は、正方形の断面を持ち、また第１の開口３６は正方形であるが、他の都合の良い断面と開口の形状が、可能性があり有利である。
【００４７】
第１と第２の開口３６は、画像シャッタ２０の動作波長の光が挿入及び抜出し損失がほとんど無く画像シャッタ２０に入り及び出て行くように、当技術分野で知られたプロセスによって反射防止コーティングでコーティングされる。挿入及び抜出し損失の合計は、5％より小さいのが好ましい。その合計が1％より小さいのがより好ましい。その合計が、0.5％より小さいのが最も好ましい。第１と第２の開口３６の面積が、4mm２より大きいのが好ましい。第１と第２の開口３６の面積が、9mm２より大きいのがより好ましい。第１と第２の開口３６の面積が、16mm２より大きいのが最も好ましい。
【００４８】
第１と第２の開口３６のそれぞれが、“ピクチャ・フレーム（picture frame）”形状で構成された駆動電極４６に取り囲まれているのが好ましい（第１の開口３６を取り囲む駆動電極４６のみが示される）。駆動電極４６は、当技術分野で知られた方法で端部表面３８及び４０に接着される。端部表面３８と４０で駆動電極４６間にかけられる電圧差は、MQW構造２６内で電界を生成し、画像シャッタ２０を画像シャッタ２０の動作波長で光を減衰させる。電圧差は、それぞれの駆動電極４６が駆動電極４６のエッジに沿う複数の点で同時に電気を通じられるマルチポート通電方式（multiport electrification scheme）を用いることによって、駆動電極４６間にかけられるのが好ましい。このことは、好ましくは、電極４６のすぐ外のサブストレート上に形成されたFET又はエミッタ・ホロワ４７を用いて達成される。駆動電極４６とマルチポート通電方式の幾何学形状は、画像シャッタ２０の立ち上がり時間を減少させる。
【００４９】
狭いギャップの層３２は、GaAsから形成され、広いギャップの層３４は、AlｘGa（１−ｘ）As（n＋＋）から形成されるのが好ましい。高濃度にpドーピングされた層２８は、それぞれ４００nm のAlｘGa（１−ｘ）As（p＋＋）と２０nmのGaAs（p＋＋）の層５０、５２から成るのが好ましい。高濃度にnドーピングされた層３０は、それぞれ３００nmのAlｘGa（１−ｘ）As（n＋＋）、２０nmのGaAs（n＋＋）及び１００nmのAlｘGa（１−ｘ）As（n＋＋）の層５４、５６及び５８から成るのが好ましい。層２８及び３０のドーピングのレベルは、好ましくは１０１９／cm３である．８６０nm近辺の動作波長について、ｘ〜0.36であり、また狭いギャップの層と広いギャップの層の厚みはそれぞれ１０nm、８nmである。MQW構造２０の狭いギャップの層３２の多重度は好ましくは１００より大きい。発明者は、１２０の狭いギャップの層３２と反射防止コーティングが、挿入及び抜出し損失を約０．１％まで減少させ、画像シャッタ２０は、８６０nm近辺の動作波長についてon/off比率２０を与えることを発見した。なお、モル比の値、それぞれの層の厚み及び上記のドーピングレベルは例であって、述べられた値と異なるこれらパラメータの値が、可能性があり有利であることをはっきり認識しなければならない。
【００５０】
図１（b）は、本発明の第２の好ましい実施形態による画像シャッタ２２を示している。画像シャッタ２２は、画像シャッタ２０の駆動電極４６の代わりの、表面３８、４０上の駆動電極６０（一つのみが示されている）を除き、画像シャッタ２０と類似している。それぞれの駆動電極６０は、導電の“ピクチャ・フレーム”６２と導電ワイヤ６６のメッシュ６４から成る。駆動電極６０は、ピクチャ・フレーム６２が開口３６を取り囲み、導電メッシュ６４が、開口３６の表面を覆うように、画像シャッタ２２の開口３６（その一つのみが示される）のそれぞれ上に置かれる。導電ワイヤ６６の断面の寸法と、メッシュ６４内の導電ワイヤ６６間の間隔は、駆動電極６０が挿入及び抜出し損失の重大な原因とならず、画像シャッタ２２の不必要な回折効果の原因とならない程度である。駆動電極４６の場合のように、駆動電極６２は、電極６２のすぐ外側のサブストレート上に形成されたFET又はエミッタ・ホロワ４７を用いるマルチポート通電方式で、通電されるのが好ましい。
【００５１】
図１（c）は、画像シャッタ２０及び２２と類似しており、開口３６上の電極が分割された電極７０である（１つだけが示されている）画像シャッタ２４の模式図を示している。それぞれの分割された電極７０は、それぞれのセクタ電極７２が、分割された電極７０が配置されるか開口３６のそれぞれの領域を覆う、複数のセクタ電極７２から成る。向かい合わせの面３８と４０上のそれぞれの開口３６の分割された電極７０は、それらが互いにミラーイメージとなるように、同一で、お互いに対応する方向に向いているのが好ましい。画像シャッタ２４は、一つの開口３６上のセクタ電極７２から成る一組のセクタ電極７２と、反対側の開口３６のそのミラーイメージのセクタ電極７２（図示しない）間に電位差をかけることにより動作する。一組のセクタ電極７２は、一組のセクタ電極７２にかけられる電圧の間の、制御可能な小さなディレイタイムを伴って、互いに独立に駆動されるのが好ましい。単一のセクタ電極対キャパシタンスは、画像シャッタ２４のキャパシタンスを、分割された電極７０のセクタ電極７２の数で割ったキャパシタンスにほぼ等しい。セクタ電極対は、本質的にそれらの間の画像シャッタ２４のキャパシタンスを分割する。したがって画像シャッタ２４は、それぞれの端部表面３６上に一つの、２つの単一の大きな電極を伴う画像シャッタ２４を駆動によるよりも、別々の電源（図示しない）を通した個々のセクタ電極７２を駆動によって、はるかに速い立ち上がり時間で動かされる。さらに、セクタ電極対にかける電圧の間の小さなタイムディレイの導入により、シャッタにかけられる信号が、シャッタの中心に伝達するための有限の無視できない時間を必要とするという、大開口のシャッタに共通の絞りが徐々に動く（iirising）問題が改善され得る。開口３６の中心に近いセクタ電極に、開口３６のエッジに近いセクタ電極よりも僅かに早く通電することが、このことを行う。
【００５２】
分割された電極７０は、少なくとも２つのセクタ電極７２から成る。図１（c）における分割された電極７２は、６つのセクタ電極７２を有するように示されている。それぞれのセクタ電極７２は、透明な導電金属から形成された小さい平面の導体であるのが好ましい。代替として、それぞれのセクタ電極７２は、小さな導電ワイヤ又はループである。導電ワイヤ又はループは、透明な導電金属から形成されるのが好ましい。それぞれのセクタ電極７２は、分割された電極７０がつなげられる、同じ半導体層上に形成されるそれ自身のFET又はエミッタ・ホロワ４７によって駆動されるのが好ましい。なお、セクタ電極７２の形状と配置に関して図１（c）に示された以外の幾何学形状が、可能性があり有利である。例えば、セクタ電極７２は、三日月形に形作られ、同心円に整列され得る。
【００５３】
本発明の好ましい実施形態による多数の画像シャッタは、複合シャッタを形成するために、それらの開口の表面に垂直な共通の軸に沿って同一線上に整列される。このような複合シャッタでは、一直線に並べられた画像シャッタの第１番目の開口に入る光は、全ての画像シャッタを通過する。本発明の好ましい実施形態による複合シャッタは、非常に高いon/off伝達比で且つ低電圧で動作する画像シャッタを提供するために使用される。例えば、本発明の好ましい実施形態による複合シャッタが、多数のNシャッタから成り、その多数のシャッタのそれぞれのシャッタが電圧変化Vに対してon/off伝達比CRを提供するとすると、複合シャッタは、同一の電圧変化Vに対してon/off伝達比CRＮを提供する。
【００５４】
図２は、on/off伝達比が７であり、複合画像シャッタを形成するためにともに接着された、図１（a）に示す画像シャッタ２０の多重度が３の例を模式的に示している。複合画像シャッタ１００は、on/off伝達比７３＝３４３を提供し、また画像シャッタ２０と同じ電圧範囲で動作する。それぞれの画像シャッタ２０にそれらを閉じる電圧がかけられたとき、すなわち、それらを動作波長において最大に光を減衰するようにしたとき、矢印１０２で図示される光は、一つの画像シャッタ２０を通過する度に、ファクター７で減衰される。複合画像シャッタ１００内の互いに隣接する駆動電極４６は、同じ電圧で駆動されるのが好ましい。なお、それぞれ図１（b）、図１（c）における画像シャッタ２２及び２４のように、本発明の別の好ましい実施形態による画像シャッタ２０以外の画像シャッタを、複合画像シャッタを形成するために用いることが出来る。図２における複合画像シャッタ１００を形成するための画像シャッタ２０の使用は、例示のためである。
【００５５】
本発明の別の好ましい実施形態による複合画像シャッタが、複合画像シャッタの動作波長と等しい波長を持つ入射光の輝度の、あらかじめ決められた数分の一の輝度で光を伝達することにより光を変調するためにも使用され得る。例えば、画像シャッタ１００を構成するそれぞれの画像シャッタ２０がon/off伝達比２を有するならば、複合画像シャッタ１００は、複合画像シャッタ１００に入射する光の輝度の〜１，１／２，１／４及び１／８倍の輝度で光を伝達させるために使用することができる。
【００５６】
図３は、とても短く、速い立ち上がり時間の光パルスを提供するために、本発明の別の好ましい実施形態により、開口３６に垂直な軸１６３に沿って同一線上に整列された、図１（a）から図１（c）に示されたタイプの２つの画像シャッタ１６０及び１６２を示している。曲線１６４はシャッタ１６０の“オープン／クローズ”状態を表す。曲線１６４の立ち上がった部分１６６は、シャッタ１６０がオープンであるときを示し、曲線１６４の立ち下がった部分１６８は、シャッタ１６０がクローズであるときを示している。時刻t1で、シャッタ１６０は、クローズからオープンに切り換わる。同様に、曲線１７０は、シャッタ１６２のオープン／クローズ状態を表す。曲線１７０の立ち上がった部分と立ち下がった部分、１７２と１７４はそれぞれ、シャッタ１６２がオープンであるときとクローズであるときを示す。時刻t2で、シャッタ１６２は、オープンからクローズに切り換わる。光は、シャッタ１６０と１６２の一方の側からシャッタ１６０と１６２の他方の側へ、両方が同時にオープンの時にのみ、両方のシャッタ１６０と１６２を通過することができる。このことは、時刻t1から時刻t2まで起きる。曲線１７６は、いっしょに動作するシャッタ１６０及び１６２のオープン／クローズ状態を表す。曲線１７６の立ち上がった部分１７８は、シャッタ１６０及び１６２が同時に光を伝達している間である時間間隔t1−t2を表す。シャッタ１６２の方向においてシャッタ１６０に入射する波状の矢印１８０で示される光は、２つのシャッタが（t2−t1）秒の長さの光のパルスを形成するために開いている時間伝達される。シャッタ１６０及び１６２の多重量子井戸構造の吸収端が非常に急峻なので、シャッタ１６０及び１６２は、シャッタ１６０又は１６２にかけられる電界の立ち上がりの間の非常に短い時間間隔で伝達状態から非伝達状態に切り換わる。したがって、スイッチング時間は、シャッタ１６０及び１６２の電気的な立ち上がり時間よりも短くすることができる。図３に例示によって示された本発明の別の好ましい実施形態による、シャッタ１６０及び１６２の動作の結果、十分に非常に短く規定された光のパルスを生成することができる。
【００５７】
本発明の別の好ましい実施形態による多数の画像シャッタは、複数の異なる波長バンドの光を変調する多重波長シャッタ（multi-wavelength shutter）を提供するために用いることができる。多数の画像シャッタのそれぞれは、多重波長シャッタが変調する複数の波長バンドの一つと異なる波長を有する光を伝達する選択的な反射のコーティングで覆われた一つの開口である、前面の開口を有する。それぞれの画像シャッタの別の開口である背面の開口は、画像シャッタの前面の開口上の反射コーティングが伝達する波長バンドの波長を有する光を反射する反射コーティングで覆われる。
【００５８】
波長帯域内で画像シャッタの前面の開口上の反射コーティングによって伝達される、特定の画像シャッタに入射する光は、画像シャッタの背面の開口上の反射コーティングによって、画像シャッタがオープンのときに画像シャッタから反射される。画像シャッタがクローズであると、シャッタは光を吸収する。画像シャッタは、多重波長シャッタの他の波長バンドいずれの光も常に反射する。
【００５９】
多重波長シャッタにおける多数の画像シャッタは、多重波長シャッタに入射する光が、光が多重波長シャッタを出て行く前に、それぞれの多数の画像シャッタの前面の開口から反射されるように互いに整列される。その結果、多重波長シャッタのいかなる特定の波長の光も、特定の波長バンドの光を伝達する反射コーティングで覆われた前面の開口を有する画像シャッタを制御することにより、多重波長シャッタによって選択的にシャッタリング又は変調される。多重波長シャッタによって変調される異なる波長バンドの数は、その波長シャッタを構成する画像シャッタの数以下である。
【００６０】
図４は、本発明の好ましい実施形態による、それぞれ波長バンドλ１，λ２，λ３及びλ４で参照される４つの異なる光の波長バンドを変調するための、多重波長シャッタ２００の模式図を表す。多重波長シャッタ２００は、４つの異なる画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４から成る。それぞれの画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４は、前面の開口２０６と背面の開口２０８を有する。画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４の前面の開口２０６と背面の開口２０８は、反射コーティング（図示しない）で覆われている。画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４の前面の開口２０６上の反射コーティングは、それぞれ波長バンドλ１，λ２，λ３及びλ４の光を伝達し（それぞれ図４の数字２０１，２０２，２０３及び２０４の脇の括弧内に示される）、また、他の波長バンドのいかなる光も反射する。画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４は、画像シャッタ２０１の前面の開口に入射する光が、画像シャッタ２０２，２０３及び２０４の前面から必ず反射されるように、そしてその上多重波長シャッタ２００を通過して伝達されるように、互いに対応する方向に向けられる。
【００６１】
図４には、画像シャッタ２０１の前面２０６上に入射する４つの光線２１１，２１２，２１３及び２１４が示される。光線２１１，２１２，２１３及び２１４は、それぞれ波長バンドλ１，λ２，λ３及びλ４の波長を有する（それぞれ図４の数字２１１，２１２，２１３及び２１４の脇の括弧内に示される）。画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４は、オープンで、それぞれの光線２１１，２１２，２１３及び２１４は、多重波長シャッタ２００を通して伝達される。光線２１１，２１２，２１３及び２１４は、それぞれ画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４の背面の開口２０８から反射される。画像シャッタ２０１，２０２，２０３及び２０４がクローズであるならば、光線２１１，２１２，２１３及び２１４はそれぞれ伝達することが停止されるであろう。
【００６２】
図５（a）から図５（c）は、本発明の好ましい実施形態によるハイブリッド光学部品１１０，１１２及び１１４を示す。図５（a）は、レンズ２０に接着された、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタ２０から成っているハイブリッド光学部品１１０を示す。図５（b）は、CMOS-CCDのような光感知デバイス１２２に接着された、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタ２０から成っているハイブリッド光学部品１１２を示す。図５（c）は、本発明の好ましい実施形態による、ミラー１２４に接着された画像シャッタ２０から成るハイブリッド部品１１４を示す。矢印１２６によって図示された光は、ハイブリッド部品１１４に入り、ミラー１２４によって反射される。光は、ハイブリッド部品１１４を出る前に、一度はミラー１２４へ向かう道筋で、一度はミラー１２４からの道筋で、画像シャッタ２０のMQW構造２６を２度通過する。したがって、ハイブリッド部品１１４によって達成されるon/off伝達比は、光が一度MQW構造２６を通過する伝達部品で利用されるon/off伝達比の二乗である。
【００６３】
図６（a）から図６（c）は、本発明の好ましい実施形態によるモジュール光デバイスを示している。図６（a）は、本発明の好ましい実施形態による、レンズ１３６と、レンズ１３６の焦点面に配置されたCMOS-CCDのような画像感知デバイス１３８が組み合わされた画像シャッタ２０から成るデバイス１３０を示している。図６（b）は、本発明の好ましい実施形態による、レンズ１３６と、画像感知デバイス１３８とが組み合わされた、画像シャッタ２０の最も外側の半導体層の一つの上に成長されたLEDやレーザのような光源１４０を有する画像シャッタ２０から成るデバイス１３２を示している。図６（c）は、本発明の好ましい実施形態による、光源と画像シャッタ・スイッチの両方を制御するために、光源１４０とFET１５０が一つのユニットとしていっしょに成長された画像シャッタ２０から成っているデバイス１３４を示す。画像シャッタ２０は、完全なモジュールデバイスを形成するために、レンズ１３６と、画像感知デバイス１３８が組み合わされる。デバイス１３４は、PCT特許出願PCT/IL96/00020に述べられた光学式距離カメラと同等の光学式距離カメラとして使用することができる。
【００６４】
本発明は、本発明の好ましい実施形態の非限定的な詳細な記述を用いて記述されてきた。記述された実施形態の変形が、当業者に想起されるであろう。詳細な記述は、例証によって提供されたものであり、発明の範囲の限定を意味するものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  寸法が、発明の簡単と明確さのために非常に誇張され、また一律の縮尺ではない、本発明の好ましい実施形態による画像シャッタの図である。
【図２】  本発明の好ましい実施形態による、複合画像シャッタを形成するために用いられる３つの画像シャッタの配列を模式的に示す図である。
【図３】  本発明の好ましい実施形態による、非常に短い、速い立ち上がり時間の光パルスを提供する、同一線上に並べられた２つの画像シャッタを模式的に示す図である。
【図４】  本発明の好ましい実施形態による、４つの異なる波長バンドの光を変調するための、多重波長シャッタを模式的に示す図である。
【図５】  本発明の好ましい実施形態による、ハイブリッド光学部品を模式的に示す図である。
【図６】  本発明の好ましい実施形態による、モジュール光デバイスを模式的に示す図である。
【符号の説明】
２０，２２，２４  画像シャッタ
２６  ＭＱＷ構造
２８  ｐドーピング層
３０  ｎドーピング層
３２  狭いギャップの半導体層
３４  広いギャップの半導体層
３６  開口
４６，６０  駆動電極
６４  メッシュ
６６  導電ワイヤ
７０  分割された電極
７２  セクタ電極
１００  複合画像シャッタ
１６０，１６２  画像シャッタ
２００  多重波長シャッタ
２０１，２０２，２０３，２０４  画像シャッタ
１１０，１１２，１１４  ハイブリッド光学部品
１３０，１３２，１３４  モジュール光デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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