(57)【要約】  光学マイクロプロジェクションシステムが、下記構成要素、すなわち、少なくとも１つの光源（４０１）と、前記光源からの光を偏光するためのＭＥＭＳ技術に基づいた少なくとも１つのミラー（２００）と、少なくとも１つのビームスプリッタ（４０３）と、少なくとも１つの波長板（４００）とを備え、前記構成要素のうちの少なくとも２つの相互アライメントが、前記構成要素の基準接触面（５００）の間の直接的接触によって行われる。提案される構造は、動的光学組立法の使用を回避するとともにシステム内の光損失を最小限に抑えることを可能にする。【選択図】  図５Ｂ
2012526291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成要素、すなわち、
少なくとも１つの光源（４０１）と、
前記光源からの光を偏光させるためのＭＥＭＳ技術に基づいた少なくとも１つのミラー（２０２）と、
少なくとも１つのビームスプリッタ（４０３）と、
レーザビームの偏光を変えるための少なくとも１つの波長板（４００）と、
を備える光学マイクロプロジェクションシステムであって、
前記構成要素のうちの少なくとも２つの相互アライメントが、前記構成要素の接触面（５００）の間の相互直接接触によって行われる、光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項２】
前記構成要素が相互に位置合せされた構成要素のスタックの形で配置され、前記構成要素の各々が前記スタックの少なくとも１つの他の構成要素と直接接触する、請求項１に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項３】
前記構成要素を保持するためのフレームを備え、
少なくともいくつかの前記構成要素が前記フレームと位置合せするための基準側面を備える、請求項２に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳ構成要素が、接触面（５００）を提供するキャップ窓（２０４）の背後に配置された完全に密封された走査マイクロミラー（２００）である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項５】
少なくとも１つのモジュールが、屈折率分布媒質によって与えられる少なくとも１つの接触面（５００）を有する平行６面体形状の構成要素の中に組み込まれる、前記屈折率分布媒質で作られたレンズである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項６】
隣接するマイクロ光学構成要素同士が同じ屈折率を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項７】
隣接するマイクロ光学構成要素同士が同じ光学材料で作られる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項８】
マイクロ光学構成要素が、組み付けられるべき前記構成要素とほぼ同じ屈折率をもつ組立材料または接着剤を用いて互いに取り付けられる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項９】
互いに平行に配置された少なくとも２つの光源（４０１）を備え、
動作中、光ビームがビームスプリッタ（４０３）の中へ反射される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１０】
互いに垂直に配置された少なくとも２つの光源（４０１、８０５）を備え、
動作中、ビームコンバイナ（８００）が前記出力光源と同じ方向に混合光を透過する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１１】
中央ビームコンバイナ（８００）と共に互いに垂直に配置された少なくとも３つの光源（４０１、８０５）を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１２】
ビームコンバイナ（８００）をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１３】
前記光源（４０１、８０５）が、前記光源を支持しかつ少なくとも１つの接触面（５００）を提供するためのレーザホルダ（４０２）内に設けられる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１４】
光源（４０１、８０５）が、レーザダイオード、垂直共振器面発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、平行光発光ダイオード（ＬＥＤ）および高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）よりなるリストから選択される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光学マイクロプロジェクションシステムを組み立てる方法であって、
少なくとも２つの実質的に直角をなす基準面（３０４、３０５）を用意するステップと、
組み付けられるべき光学システムモジュールを事前組立位置に配置するステップであって、前記モジュールが少なくとも１つの接触面（５００）を有し、前記接触面が互いに向かい合う、ステップと、
前記モジュールが前記光学システムの適切な動作のために位置合せされるように、前記モジュールを基準面（３０４、３０５）と密接に連動して調整するステップと、
接触面（５００）が互いに接触するように前記モジュールを配置するステップと、
前記光学システムを提供するために、組立手段を使用して前記モジュールを連結するステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの光源と、ビームスプリッタと、少なくとも１つのＭＥＭＳ走査ミラー（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）と、少なくとも１つの波長板とを有するマイクロ走査プロジェクション装置（ｍｉｃｒｏ−ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）に関する。本発明は、そのようなマイクロプロジェクションシステム（ｍｉｃｒｏ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）を組み立てる方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
光学システム（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）の個々の構成要素は通常、光学システムが効率的に動作するようにするために位置合せされる必要があり、各構成要素の互いに対するわずかな位置ずれが、光路内での重大な効率損失または逸脱を引き起こす可能性がある。現在、多数の光学構成要素を互いに組み立てるための２つの主要な技術、すなわち「パッシブ」アライメント技術（「ｐａｓｓｉｖｅ」  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）および「アクティブ」アライメント技術（「ａｃｔｉｖｅ」  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）がある。
【０００３】
光学構成要素の古典的アライメントには、個々の構成要素のそれぞれをそれらの構成要素の所定の位置に正確に保持するために、複雑な外部機械構造が使用される。この固定システムは、パッシブアライメント法（Ｐａｓｓｉｖｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ）としても知られている。パッシブアライメント法は、光学構成要素の位置が初期固定後に調整される必要のない結像光学系に広く使用されている。光学システムの複雑さ、サイズおよび精度に応じて、そのような機械的保持構造の作製は、従来の機械技術で作製されるには複雑すぎる可能性がある。さらに、製造歩留りが劇的に低下する可能性があり、その場合、そうした光学システムの組立てに関係する関連コストを増大させる。
【０００４】
光学構成要素の精密アライメントでは、アクティブセットアップ技術を用いるのに大部分の時間を要しており、各構成要素が次々に配置され、システムが作動している間に構成要素の位置が調整される。アクティブアライメント法は、レーザダイオードや他の半導体光学素子などの、コヒーレントな放射を用いる小型構成要素の場合に広く使用される。
【０００５】
しかし、アクティブアライメント法は非常に時間がかかり、完全な光学システムを形成するためにより多くの構成要素が互いに位置合せされなければならない場合にはコストが発生するようになる可能性がある。
【０００６】
Ａｄｒｅａｓｃｈ  Ｗｏｌｆｇａｎｇの米国特許第５，８３３，２０２号明細書は、最初に標準マイクロ光学素子がそれぞれの一体フレーム上に取り付けられ、次に一体フレームが取付け板上の適所に固定されうる、機械的固着システムを記述している。この固着システムは複雑な組立ステップを伴い、アライメント能力が不十分になる。
【０００７】
Ｒｅｍｙ  ｄｅ  Ｇｒａｆｆｅｎｒｉｅｄの国際公開第９９／２６７５４号パンフレットは、はんだ付け接合を用いてベースプレート上に小型構成要素を固定する方法を記述している。開示されている方法は、操業コストが非常に高く、アライメント精度に関して比較的不十分な結果をもたらす。
【０００８】
米国特許第７２３８６２１号明細書は、光学装置およびマイクロメカニカル装置（ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ）を作製する方法を記述しており、どちらの装置も基板とモノリシックに一体化される。光学面およびマイクロメカニカル装置はそれぞれ、その装置を形成するのによく適しているエッチングステップで形成される。開示されている実施形態により、光学面およびマイクロメカニカル装置を基板表面上に厳密なトポグラフィに関係なく作製することが可能になる。この方法に必要なエッチングステップは特定の高価な機器を必要とし、複雑な製造プロセスを伴う。
【０００９】
米国特許第６６４９４３５号明細書は、マイクロミラーアレイをマイクロミラーパッケージに対して、そしてマイクロミラーパッケージをディスプレイシステムに対して位置合せするシステムおよび方法を開示している。このシステムおよび方法は、一貫した精度基準領域の組を用いることにより、ディスプレイシステムに対するマイクロミラーアレイのアライメントを向上させる。マイクロミラーパッケージ基板は、ダイ取付け作業の間は取り付けられるダイのアライメント固定具部分と係合し、ディスプレイシステム内に設置されるときには類似の固定具と係合する。パッケージ基板は、２つの縁部上の予め規定された領域と最上面上の３つの予め規定された領域とで保持される。装置をパッケージ内に取り付けるときに光学技術がｘ−ｙ面アライメントに使用されうる。パッケージまたはソケットの使用は、システムの複雑さを増大させ、精度をかなり低減する。
【００１０】
国際公開第２００７／１２０８３１（Ａ２）号パンフレットは、複数の光学構成要素が保持されかつアライメントフレームで位置合せされる一体化フォトニックモジュール（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｍｏｄｕｌｅ）を記述している。
【００１１】
一般的に言えば、上記の文献はすべて、複雑なステップを特徴とする方法およびシステムを含んでおり、すべての構成要素の精密で信頼性のあるアライメントを提供していない。
【００１２】
マイクロプロジェクション応用例では、高確度の組立およびアライメント法が使用されなければならない。これは特に、マイクロミラーをベースとする走査プロジェクションシステムの場合である。
【００１３】
現在、共振マイクロミラーを有するマイクロ電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍｓ）（ＭＥＭＳ）がプロジェクション目的で使用されている。プロジェクションは、２本の中心軸線および垂直軸線に沿って動く１つのミラー（２自由度（２ＤＯＦ））か、１本の中心軸線に沿って動く互いに９０度で配置された２つのミラー（１自由度（１ＤＯＦ））のどちらかを使用して行うことができる。図１および２に、２つのプロジェクションスキームを示す。図１Ａでは、画像は、レーザ１０１によって生成された平行レーザビームをフレーム１０５内の２ＤＯＦマイクロミラー面１０２の中央に集中させることによって作り出される。レーザビームは、２方向に反射されかつ偏光され、それによって投影面（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ）１０４上に走査画像を投影する。図１Ｂでは、投影画像は、平行レーザビームを第１の１ＤＯＦマイクロミラー面１０２の中央に集中させることによって作り出される。レーザは、回転軸線が第１の１ＤＯＦマイクロミラーに対して９０度で置かれた第２の１ＤＯＦマイクロミラー面１０３へ反射される。ミラーの作動中、平行レーザビームは、明暗部分およびグレースケール部分を有する画像を作り出すように特定の周波数でパルスにすることができる。単色レーザ光源が使用された場合に単色画像が投影される。複数の異なる単色レーザ光源が同時に使用された場合に多色画像が投影されうる。
【００１４】
以前のプロジェクションシステムの設計によれば、レーザ光源とマイクロミラーとの間の精密アライメントが必要である。一例として、マイクロミラーの反射および可動部のサイズが１ｍｍ平方であり、１／ｅ強度での直径０．５ｍｍのガウス分布レーザビームがミラーの中心にあたるように位置合せされなければならない場合、最大位置ずれは、５０〜１００μｍ程度とすることができる。
【００１５】
光学システムにおける位置ずれの１つの結果が光路内での光の損失であり、それによってより暗い投影画像を引き起こし、そのことはプロジェクションシステム内部の温度を上昇させる可能性がある。そのような位置ずれの別の結果が投影画像の光均一性の低下である。
【００１６】
ＭＥＭＳマイクロミラーとプロジェクション応用のための光学構成要素との位置ずれの別の結果が投影画像の変形である。
【００１７】
図２で分かるように、ＭＥＭＳマイクロミラーは、ハンドル基板面２０１から古典的に動く可動構造体２０２である。したがって、マイクロミラーは、レンズやプリズムなどの光学構成要素と直接接触することはできない。これによりマイクロミラーの機械的な動きが妨げられるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記の既知の方法に従って得られる光学構成要素のアライメントには問題がある。特に、多数の光学構成要素の精密なアライメントでは、機械配置の解決が非常に重要なネックになり、アライメント誤差を引き起こす。
【００１９】
可動部、例えばＭＥＭＳ部品を使用するプロジェクションシステムのこれらの光学組立セットアップに伴う別の問題は、小さい機械的ホルダが使用され、機械製作公差がアライメント誤差をさらに大きくすることである。
【００２０】
光学構成要素を有するＭＥＭＳマイクロミラーの組立てに伴う別の問題は、小型または複雑設計の場合、アクティブアライメントをいつでも使用できるわけではなく、したがって大きいアライメント誤差が生じうるということである。
【００２１】
アクティブアライメントを使用できない光学構成要素を有するＭＥＭＳマイクロミラーの組立てに伴う別の問題は、アライメントの問題が、すべてのレーザおよびＭＥＭＳ駆動電子構成要素が光学構成要素に組み付けられるときだけ検出可能となりうる以外は、光学組立段階中に検出不可能であり、欠陥のあるプロジェクションシステムを修理するのが困難になるという点である。
【００２２】
既知の組立およびアライメント法に伴う別の問題は、コストが高いことである。
【００２３】
したがって、上述の欠点、すなわち既知の方法によって得られる組立技術および設計に関する問題のない、一般にＭＥＭＳマイクロミラーおよびＭＥＭＳ構成要素を有するマイクロ光学構成要素のための新規な組立技術および設計が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明によれば、これらの目的は、下記構成要素、すなわち、
少なくとも１つの光源と、
前記光源からの光を偏光するためのＭＥＭＳ技術に基づいた少なくとも１つのミラーと、
少なくとも１つのビームスプリッタと、
任意選択で、レーザビームの偏光を変えるための１つの波長板と、
を備える光学マイクロプロジェクションシステムであって、
前記構成要素のうちの少なくとも２つの相互アライメントが、前記構成要素の接触面の間の相互直接接触によって行われる、光学マイクロプロジェクションシステムを用いて達成される。
【００２５】
接触面により、マイクロ光学モジュールが互いに直接接触して組み立てられ、アライメントが単純化され、より正確になる。光学システムにおける適切なアライメントには、光路内での光の損失をなくして、投影画像を暗くさせプロジェクションシステム内部の温度を上昇させるのを回避することが必要である。
【００２６】
接触面は、光学的に平坦（少なくともλ（ラムダ）／４、λ（ラムダ）は６３２．８ｎｍに等しい）であることが好ましい。これは、面相互間の完全な接触を可能にし、隣接するモジュール間のアライメントを容易にする。２つの隣接する接触面は、大きい接触面および精密アライメントを与えるために、少なくともほぼ同じ寸法を有することが好ましい。
【００２７】
モジュールは、光学システムのアライメントおよび組立てを容易にするために、本質的に平行６面体形状または輪郭、より好ましくは長方形もしくは正方形輪郭を与えられることが好ましい。すべての構成要素が積層構成で互いに接触して組み立てられることにより、考えられる位置ずれの問題がかなり減少し、システムが非常に小型になりかつ機械的に安定する。
【００２８】
オプションの波長板はλ／４波長板であることが好ましい。しかし、他の波長板も可能であり、アクロマティックλ／４波長板リターダ（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｌａｍｂｄａ  ｑｕａｒｔｅｒ  ｗａｖｅ  ｐｌａｔｅ  ｒｅｔａｒｄｅｒ）、アクロマティックλ／２波長板リターダ、液晶可変リターダ、直線偏光子、ダイクロイックフィルタ、帯域通過フィルタ、ホットミラー、コールドミラー、グロイティング（ｇｒｏｉｔｉｎｇ）などがある。アクロマティック波長板リターダは、規定波長域にわたってリターダンス変化がほとんどないことを保証する。λ／４波長板リターダおよびλ／２波長板リターダは石英のポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｏｆ  ｑｕａｒｔｚ）で製作することができる。リターダは、ゼロ・オーダ・リターダ（すなわち、異なる入射角に対してリターダンス変化がない）とすることができる。１つまたは複数のレンズがシステム内に設けられてもよい。
【００２９】
一変形形態では、構成要素は相互に位置合せされた構成要素のスタック（積重体）で配置され、各構成要素の１つの平坦面がスタックの少なくとも１つの他の構成要素の１つの平坦面と直接接触する。これらの特徴により、マイクロ光学装置を、アクティブ技術とパッシブ技術の両方の特質を組み合わせた単一モノリシックブロックの中に組み込むことが可能になる。したがって、異なる技術で製造された複数の光学構成要素が積層固定して組み立てられて、１つの単一モノリシックブロックを形成することができる。
【００３０】
一実施形態では、光学マイクロプロジェクションシステムは前記構成要素を保持するためのフレームを備え、少なくともいくつかの構成要素は前記フレームと位置合せするための基準側面を備える。そのような配置は、迅速かつ容易なアライメントをもたらすように特別に適合された基準面に沿って組み立てられるべきモジュールの配置を可能にする。しかし、精密な基準側面は、光学構成要素を光路に垂直な任意の方向に精密に位置決めする必要がない場合に省くことができる。
【００３１】
別の変形形態では、ＭＥＭＳ構成要素は、接触面を提供するキャップ窓の背後に配置される完全に密封された走査マイクロミラーである。したがって、アライメントの困難性を伴わずにＭＥＭＳ構成要素を他のタイプの構成要素と効率的に一体化することが可能である。その場合、ＭＥＭＳ可動マイクロミラーは接触面を有する装置に使用することができる。
【００３２】
有利な一実施形態では、モジュールのうちの少なくとも１つは、屈折率分布媒質（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｉｎｄｅｘ  ｍｅｄｉｕｍ）によって与えられる少なくとも１つの接触面を有する平行６面体（好ましくは長方形または正方形）形状の構成要素の中に組み込まれる屈折率分布媒質で作られたレンズである。この面は、１／４波長板やミラーキャップ窓などの隣接する構成要素と直接連動して、一体に組み立てられたときに構成要素間の空間を小さくするかまたはなくすように適合される。例えば、ＭＥＭＳミラーキャップ窓と２つのλ／４波長板との間に置かれる２つのレンズが屈折率分布媒質で作られる場合、レンズと１／４波長板またはミラーキャップ窓との間の空間は完全に取り除かれる。したがって、空隙による光学的損失がなくなる。
【００３３】
別の態様によれば、隣接するマイクロ光学構成要素は同じ屈折率を有する。これは、境界面における光損失の低減をもたらす。例えば、隣接するマイクロ光学構成要素は同じ光学材料で作られる。
【００３４】
別の態様によれば、光学構成要素は、組み付けられるべき構成要素とほぼ同じ屈折率をもつ組立材料または接着剤を用いて互いに取り付けられる。例えば、すべての光学構成要素が、ビームスプリッタまたはマイクロミラーキャップ窓の光屈折率とほぼ同じ光屈折率をもつ接着剤コーティングを使用することによって互いに接着された場合、光パワーの利得はかなり高くなる。
【００３５】
好ましい一実施形態では、ＭＥＭＳマイクロミラーキャップ窓は、光学的損失をさらに低減するために、ビームスプリッタと同様の材料で作られる。
【００３６】
別の実施形態では、光学システムは、互いに平行に配置された少なくとも２つの光源を備え、動作中、光ビームはビームスプリッタの中へ反射される。
【００３７】
別の実施形態では、光学システムは、互いに垂直に配置された少なくとも２つの光源を備え、動作中、ビームコンバイナが出力光源と同じ方向に混合光を透過する。
【００３８】
別の実施形態では、３つの光源が中央ビームコンバイナと共に互いに垂直に配置される。
【００３９】
別の実施形態では、光学マイクロプロジェクションシステムはビームコンバイナをさらに備える。ビームコンバイナは、複数のレーザ光源を用いてカラープロジェクションを可能にする。ビームコンバイナには、隣接するモジュールの容易な配置およびアライメントを可能にするために、少なくとも２つの接触面が設けられることが好ましい。
【００４０】
光源は、前記光源を支持しかつ少なくとも１つの接触面を提供するためのレーザホルダ内に設けられることが有利である。種々の光源は、例えば、レーザダイオード、垂直共振器面発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、平行光発光ダイオード（ＬＥＤ）、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）などから選択することができる。
【００４１】
本発明は、上述の光学マイクロプロジェクションシステムを組み立てる方法も提供し、この方法は、
少なくとも２つの実質的に直角をなす基準面を用意するステップと、
組み付けられるべき光学システムモジュールを事前組立位置に配置するステップであって、前記モジュールが少なくとも１つの接触面を有し、前記接触面が互いに向かい合う、ステップと、
モジュールが光学システムの適切な動作のために位置合せされるように、前記モジュールを基準面と密接に連動して調整するステップと、
接触面が互いに接触するようにモジュールを配置するステップと、
前記光学システムを提供するために、組立手段を使用してモジュールを連結するステップと、
を備える。
【００４２】
この方法の利点は、その場合に組立工程が手でまたは自動化システムを使用することによって実行されうることである。様々なブロックは、様々な接着剤、例えばＵＶ（紫外線）硬化接着剤または他の任意の表面結合方法を用いて、あるいは構成要素ホルダまたはフレームで互いに固定することができる。
【００４３】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して例示としてかつ非限定的なものとして与えられる諸実施形態の下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】２本の垂直軸線に沿って動く単一ミラー（２自由度（２ＤＯＦ））を使用する既知のＭＥＭＳマイクロミラーベースのプロジェクタの例を示す上述した図である。
【図１Ｂ】１本の軸線に沿って動く２つのＭＥＭＳマイクロミラー（１ＤＯＦ）を使用するプロジェクタの例を示す上述した図である。
【図２】ホルダ面に対して傾きを有する作動下の既知のＭＥＭＳマイクロミラーの例を示す上述した図である。
【図３Ａ】両側からキャップウェハで完全に密封されたＭＥＭＳマイクロミラーを示す図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＡＡ’部分に沿った断面であり、ＭＥＭＳマイクロミラーの作動の動きを示す図である。
【図４Ａ】長方形ブロックを光学構成要素または光学構成要素ホルダとして使用した場合を示す図である。
【図４Ｂ】相互に位置合せされた構成要素のスタックを保持するためのフレームの一部を示す図であり、このフレームには、長方形ブロックの２つの面をアライメント基準として用いることにより、長方形ブロックをベースとする、光学積層ユニットのアライメントのための基準面を設けることもできる。
【図４Ｃ】構成要素が基準側面に沿って位置合せされかつ固定されるポリマーまたは金属フレームを示す図である。
【図４Ｄ】構成要素が基準側面に沿って位置合せされかつ固定されるポリマーまたは金属フレームと１つまたは複数のクリップで固定されうる頂壁とを示す図である。
【図４Ｅ】光学マイクロプロジェクションシステムが組み込まれた携帯電話の一例を示す図である。
【図５Ａ】光学構成要素およびレーザ光源とほぼ同じ寸法を有する２つの密封されたＭＥＭＳマイクロミラーのアセンブリを示す図である。
【図５Ｂ】同構成を分解要素で示す図である。
【図６Ａ】図５Ａに示されている構成の一変形形態を示す図であり、ＭＥＭＳマイクロミラーが向かい合って配置される。
【図６Ｂ】同構成を分解要素で示す図である。
【図７Ａ】図５Ａに示されている構成に基づくマイクロプロジェクタの動作原理を示す図である。
【図７Ｂ】図６Ａに示されている構成に基づくマイクロプロジェクタの動作原理を示す図である。
【図８Ａ】キューブ・ビーム・スプリッタ（ｃｕｂｅ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ）と２つのミラーとの間にレンズ４０４を必要としないプロジェクション構成を示す図である。
【図８Ｂ】キューブ・ビーム・スプリッタと２つのミラーとの間にレンズ４０４を必要としない構成を示す図である。
【図８Ｃ】単一の２ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーを用いた別の光学システム構成を示す図である。
【図９Ａ】単色光ビームを実現するように複数のレーザ光源を混合するための構成を示す図である。
【図９Ｂ】同じ目的で他の色混合技術を提案する図である。
【図９Ｃ】同じ目的で他の色混合技術を提案する図である。
【図１０】図８Ａのプロジェクション構成で図９Ａに示されている色混合の組合せを示す図である。
【図１１Ａ】光学構成要素が固定されている、異なる中央ブロック形状を用いた走査およびプロジェクション目的の他の構成を示す図である。
【図１１Ｂ】光学構成要素が固定されている、異なる中央ブロック形状を用いた走査およびプロジェクション目的の他の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
明瞭にするために、一般にマイクロシステムを表す場合のように、様々な図が原寸に比例して描かれていない。
【００４６】
図３Ａおよび３Ｂは、完全に密封されたＭＥＭＳマイクロミラーチップ２００を示す。密封されたＭＥＭＳマイクロミラーチップ２００は、光が基板２０１内のマイクロミラー面２０２で透過および反射できるようにする光学窓２０４を有するキャップで構成される。キャップの光学窓は通常、ガラス、パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）、またはボロフロート（ｂｏｒｏｆｌｏａｔ）材料で製作される。マイクロミラー面は、可視赤外波長で強い光反射を得るために、薄膜に堆積された金、アルミニウム、銀などの反射性材料で被覆することもできる。任意選択で、ＭＥＭＳマイクロミラーチップは、ＭＥＭＳマイクロミラーチップの反対側から基板２０３によって実装されてもよい。理想的には、各透明要素は、寄生光反射を回避するために、両面上に反射防止コーティングで被覆される必要がある。
【００４７】
密封されたＭＥＭＳマイクロミラーの両面上の平行６面体輪郭および平坦基準面５００を使用することにより、システムの他の相互に接触する構成要素との適切なアライメントが可能になる。
【００４８】
図４Ａは、正方形または長方形のブロック３０１を光学構成要素としてまたは他の光学品目用ホルダとして使用した場合を示す。正方形ブロックは、単独でホルダとして使用されていてもいなくても、ガラス、ポリマー、または他のバルク材料もしくは中空材料で作ることができる。プリズム３０２、立方体３０３、レンズなどの様々な構成要素が、平行６面体ホルダ３０１の１つまたは複数の面上に取り付けられうる。光学構成要素はホルダ３０１の中心に配置することができるが、必要に応じて他の場所に配置することもできる。
【００４９】
本発明の別の態様は、ブロック３０１の２つ以上の外側面を光学システムの組立て時のアライメント基準側面として使用することに関係する。図４Ｂに示されているように、組立アライメントは、長方形ホルダの２つの側面を基準面３０４および３０５として使用することによって行われる。少なくともいくつかの構成要素の側面は、基準面３０４および３０５と直接接触し、したがって調整を全く必要とせずに精密な相互アライメントを可能にする。この技術の利点は、その場合に組立工程が手でまたは自動化システムを使用することによって実行されうることである。
【００５０】
様々なブロックは、様々な接着剤、例えばＵＶ（紫外線）硬化接着剤または他の任意の表面結合方法を用いて互いに固定することができる。別の実施形態では、構成要素は、構成要素の配置およびアライメントのための複数の側面３０４、３０５、３０６を備えるフレーム３１０内に配置される。側面は、フレーム内に構成要素を配置し位置合せするために精密に機械加工されてもよいが、ほとんどの状況で基準側面は不要であり、構成要素は、構成要素の基準面を用いて互いに対して直接接触して位置合せされるだけである。
【００５１】
一実施形態では、構成要素が配置されるフレームは、図４Ｃに示されているような形状にされる。このようなフレームにより、下部から外側面、上部、後部および前部までのすべての方向を考慮した構成要素の位置付け、場合によりアライメントが可能になり、それによって光学システムの組立工程時の正確なアライメントが可能になり、このアライメントの耐久性を確実にする。例えば、ＰＶＣフレームは費用効率の高い解決法を提供する。アルミニウムや銅などの他の材料あるいは他の金属材料を使用することもできる。ＰＶＣまたは金属のフレームは、従来の機械でバルク材料から製造することができる。フレームを製造する別の可能性が鋳造のポリマーを使用することである。
【００５２】
図４Ｄは、光学構成要素が側面に沿って固定された状態のポリマーまたは金属のフレーム３１０を示す。頂壁３１１は、１つまたは複数のクリップ３１１ａでベースフレーム３１０に固定することができる。頂壁は、プロジェクションシステムを塵挨から保護するのに役立つことができる。頂壁はベースフレームと同じ材料で製造することができる。
【００５３】
図４Ｅは、本発明による光学マイクロプロジェクションシステムが組み込まれている携帯電話の一例を示す。マイクロプロジェクションシステムは、携帯電話のハウジングの下部３２０上に配置することができる。携帯電話ハウジングの下部３２０および上部３２１は、レーザビーム用の開口３２２を有することができ、開口は電話前面３２３の中央に配置される。
【００５４】
本発明の別の態様が図５Ａに示されており、キャップ２０４を有し１本の回転軸線に沿って個々に動く２つのマイクロミラー（１ＤＯＦ）が、偏光子キューブ・ビーム・スプリッタ４０３の２つの異なる面上に、２つのλ／４波長板４００と、２つのガラスもしくはポリマーのレンズ４０４と、ガラスもしくはポリマーのコリメーションレンズが挿入されうる最適化レーザホルダ４０２内に配置されたレーザ光源４０１とともに固定される。これらの構成要素はすべて、その構成要素を積層組成で組み立てることを可能にする長方形や正方形などの平坦接触面５００（図３Ｂ、４Ｂ、５Ｂおよび６Ｂに示されている）を含む形状および輪郭を用いて提供される。ＭＥＭＳマイクロミラーキャップ窓２０４はパイレックスまたはボロフロート材料で作られるため、マイクロミラーは、他の隣接する光学構成要素と接触して直接配置することができる。すべての構成要素が積層構成で互いに接触して組み立てられることにより、考えられる位置ずれの問題がかなり減少し、システムが非常に小型になりかつ機械的に安定する。基準側面を用いたモジュールの心出しおよび相互アライメントも有利である。参照符号２０５は、ＭＥＭＳを駆動するための電気ケーブルを示す。
【００５５】
単独で使用されうるシステムの改善は、積層光学システム全体における空隙を除去することによって光学損失を低減することが提案される。空隙はとりわけ、各光学構成要素の接触面が完全には平坦でない場合に生じる。図５Ｂで分かるように、少なくとも２つのレンズ４０４がマイクロプロジェクションシステム内に使用され、これらのレンズは通常、ガラスまたはポリマー材料で作られる。この実施形態では、レンズの表面は球形または非球面とすることができ、それによってレンズと近傍のモジュールとの間に空隙が作られる。
【００５６】
この空隙を除去するために、非平坦レンズは、屈折率分布媒質で作られた平坦な外面を有するレンズ４０４で置き換えられることが好ましい。したがって、レンズ４０４と１／４波長板４００またはミラーキャップ窓２０４との間の空間は完全に除去することができる。
【００５７】
屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズが光学の技術分野で既に知られており、種々の材料または構成要素の中で光を集束させかつ平行にするために使用される。ＧＲＩＮレンズは、レンズの光学軸線から縁部までのレンズ材料の屈折率の半径方向変化を精密に制御することによって、光を集束させる。この技術により、平坦面を有するレンズ、例えばコリメートレンズを提供することが可能になる。平坦面は接触面５００として使用される。レンズ材料内の屈折率を徐々に変化させることにより、光線を焦点位置の方へ滑らかにかつ連続的に向け直すことができる。本発明のマイクロプロジェクションシステムでＧＲＩＮレンズを使用することにより、長方形ブロックや正方形ブロックなどの平行６面体形状の中に正確に制御された屈折変化を与え、それによって凹凸外面を回避することが可能になる。
【００５８】
図５Ｂは図５Ａの分解図を示しており、走査およびプロジェクションシステムのすべての個々の構成要素に、互いに協働ないしは連動するように配置された接触面５００が設けられている。図５Ｂのレーザホルダ４０２は正方形または長方形形状をもつ別個の構成要素で構成され、レーザホルダ４０２の側面のうちの１つが中央キューブ・ビーム・スプリッタ４０３と接触する。レーザホルダ４０２は、ホルダの中心に優先的に配置される円筒孔と共に製造することができるが、円筒孔は、レーザチップ４０１が、光学システムを通過する光を最適化するためにそのような配置を必要とする特定のビーム形状を有する場合に、他の場所に配置することもできる。
【００５９】
図５Ａの光学システムの動作原理が図７Ａに示されており、レーザビームは、レーザダイオード４０１から２つの同じまたは異なる発散角で出ていき、楕円または円形状の光を平行にするために、レーザダイオード放射面から焦点距離に等しい距離のところに配置されたレーザホルダ内のレンズ４０２を通過する。楕円形状は、レーザダイオードの発散角が互いに異なる場合に実現される。円形状は、２つの発散角が等しい場合または特別なサーキュラライザ光学素子がレンズ４０２に追加された場合に実現される。
【００６０】
図７Ａに矢印で示されている平行で水平な直線偏光レーザビームは、光の大部分がキューブ・ビーム・スプリッタ４０３を透過するようにコーティングした偏光子キューブ・ビーム・スプリッタ４０３と整合しなければならない。
【００６１】
キューブ・ビーム・スプリッタ４０３から出た水平偏光ビームは、１／４波長板４００とビームを円偏光させかつ集束させるレンズ４０４とを通過する。図７Ａでは、円偏光が一連の矢印と点で表されている。円偏光は、ＭＥＭＳマイクロミラー面２０２に集束される。ＭＥＭＳマイクロミラー面２０２は入射光を反射してレンズ４０４および１／４波長板４００に戻す。次に光は平行にされかつ垂直に偏光される。光の垂直偏光は図７Ａに点で表されている。
【００６２】
次に、垂直偏光は、表面をコーティングしたキューブ・ビーム・スプリッタ４０３によってほとんどが反射される。別の１／４波長板４００およびレンズ４０４がビームを円偏光させ、第２のＭＥＭＳマイクロミラー２０２に集束させる。反射により、ビームは両方の構成要素を２回通過して光ビームを平行にしかつ水平偏光させる。レーザビームは、キューブ・ビーム・スプリッタ４０３を透過し投影面に向けられる。
【００６３】
図５Ａに示されている提案される構成は、システム内の光損失を最小限に抑えることを可能にするとともに、密封されたＭＥＭＳマイクロミラー２００および他の光学構成要素の機械的特性を利用することにより、構成要素の光学アライメントの問題を大幅に軽減する。図５Ａの走査およびプロジェクションシステムには、ほぼ同じ反射面サイズとほぼ同じチップサイズとを有する２つのマイクロミラーの使用を可能にして、組立ての複雑さを軽減するという利点もある。
【００６４】
図５Ａに示されている構成の別の利点は、光ビームが両方のＭＥＭＳマイクロミラー面２０２に集束されて、ミラーサイズの縮小を可能にすることである。ＭＥＭＳマイクロミラーの反射可動部のサイズ２０２の縮小は、投影画像の解像度に直接関係するミラー掃引周波数の増加を可能にし、したがって投影画像の解像度も同様に増加されうる。
【００６５】
走査およびプロジェクション応用例のための別の提案される光学構成が図６Ａに示されており、２つのＭＥＭＳマイクロミラー２００が向かい合って配置される。この光学プロジェクションシステムは図６Ｂに分解図として示されており、図５Ａ／５Ｂで提案されたものと同じように動作する。この構成の主な特徴は、図５Ａ／５Ｂで提案されたものと比べると、キューブ・ビーム・スプリッタ４０３の光ビーム透過に関係している。図６Ａに示されている構成の光学的動作原理は図７Ｂによって示されている。図７Ｂに描かれている構成は、光強度損失が減少する図７Ａの構成に比べて有利である。実際、図７Ａの構成では、光ビームは、キューブ・ビーム・スプリッタ４０３で１回だけ反射し、ビームスプリッタ４０３の全長を２回透過するが、図７Ｂの構成では、ビームは、キューブ・ビーム・スプリッタ４０３で２回反射し、キューブ・ビーム・スプリッタの全長を１回通過する。キューブ・ビーム・スプリッタは一般に透過効率より優れた反射効率を示し、したがって、図７Ｂに示されている構成は、図７Ａに示されている構成に比べて光損失が少ない。
【００６６】
走査およびプロジェクション目的の別の提案される光学構成が図８Ａに示されているものであり、光学システムは、２つのレンズ４０４を必要とせずに適切に動作する。図８Ａの実施形態では、第２のミラーは、第１のミラーの表面によって反射された光をすべて収集できるようにする長方形形状を有する。このことは、図１Ｂに示されているのと同じ原理に対応するが、ビームスプリッタおよび１／４波長板は２つのミラーの間に置かれる。この構成は組み立てる構成要素の数を減らし、光学システム全体を単純化する。図８Ａでは、レーザダイオード４０１の出力光が、非球面ガラスレンズまたはポリマーレンズ４０２を使用して、円形または楕円形ビームで平行にされる。平行光ビームは、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３および１／４波長板４００を通過し、２つの１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラー２００の第１の可動面２０２によって反射される。次いで、光ビームは、第１の１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーによって掃引された光をすべて収集するのに十分な長さの、回転軸線の方向により長い反射部を有する第２の１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラー２００で反射される。次いで、反射された光ビームは、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３を透過して投影面に入る。
【００６７】
図８Ｂは図８Ａと同じ光学的原理を示しており、２つの１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラー２００が向かい合って配置される。図８Ａに示されている光学的構成と同様に、図８Ｂのシステムは、第１の１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーによって掃引された光をすべて収集するのに十分な長さの２つの１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラー２００の一方を有する。図７Ｂで先に説明したように、この光学的配置は、図８Ｂに示されているように２つの１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーが向かい合って配置されており、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３内での光損失を低減するのに役立つ。
【００６８】
図８Ｃは走査またはプロジェクション応用例のための別の構成を示し、図８Ａおよび８Ｂの２つの単一１ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーが１つの単一２ＤＯＦ  ＭＥＭＳマイクロミラーで置き換えられている。このような新しい構成の利点は、システム内の構成要素の数が減少し、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３内でのビームの反射回数が減少することである。別の利点は、システム内での光損失が低減することである。この構成は、１／４波長板４００を、図８Ａおよび８Ｂについて先に説明した２つではなく１つだけ示している。
【００６９】
光学システム内で構成要素が直接接触するため、光が１つの光学構成要素から次の光学構成要素に通過している間に屈折率のわずかな変化が起こり、屈折率変化の反射のために光損失量が減少する。すべての光学構成要素が、ビームスプリッタ４０３の光屈折率またはマイクロミラーキャップ窓２０４の光屈折率とほぼ同じ光屈折率をもつ接着剤コーティングを使用することによって互いに接着された場合、光パワーのこの利得はかなり高くなる。理想的には、ＭＥＭＳマイクロミラーキャップ２０４の窓は、光学的損失をさらに低減するために、ビームスプリッタ４０３と同様の材料で作られるべきである。
【００７０】
単色の走査およびプロジェクションは、単一レーザ光源を用いた前述の構成で実現することができる。複数のレーザ光源を用いるカラープロジェクションの場合、既知のビームコンバイナ８００の光モジュールを特別に形づくることにより、同様の組立概念を適用することができる（図９Ａ）。ビームコンバイナ８００は、ある波長を反射させ他のいくつかの波長を透過させる特定のコーティングを有する複数の光学構成要素８００Ａ、８００Ｂおよび８００Ｃで構成することができる。図９Ａおよび図９Ｂの場合、複数のレーザ光源８０５は、互いに平行に配置され、ビームコンバイナ８００に対して垂直にビームコンバイナ８００の長さに沿って置かれる。光学コーティングが各光源の波長に対して規定される場合、ビームコンバイナの出力８０４で得られるビームは、各光源が重なり合って構成される。すべての光源が３つのレンズ８０１Ａ、８０２Ａ、８０３Ａを使用して個々に平行にされると、得られる結合ビームもまた平行にされる。図９Ｃは、異なる光ビームを互いに混合するように使用することができるビームコンバイナ８０６を用いた別の配置を示す。
【００７１】
カラープロジェクション用の提案される構成は、可視スペクトル領域を実現するために、３つの光源、一般に赤、緑および青を使用している。しかし、この構成は、３つの光源および可視スペクトルに限定されるものではなく、多数の光源およびスペクトルの他の部分にまで拡大することができ、このことはより幅広いスペクトル領域を実現するのに役立つことができる。
【００７２】
図１０は、図９Ａのビームコンバイナが図５Ａのものと同様のプロジェクション構成の中に使用されているシステムを示す。図１０では、ビームコンバイナ８００は、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３と同じ側面寸法を有するように特別に設計される。理想的には、ビームコンバイナ８００は、２つの材料の間の反射または光損失を回避するために、偏光キューブ・ビーム・スプリッタ４０３と同じ材料で作られる。図１０に示されているプロジェクションシステムは、図４Ｂに示されている技術を用いることにより、相互に協働ないしは連動する接触面を含んでいる積層されたモノリシックブロックの形で組み立てられる。図８Ａ、６Ａ、８Ｂおよび８Ｃに示されているプロジェクション構成はすべて、図１０の完全なプロジェクションシステムに適用することができる。
【００７３】
走査およびプロジェクション目的の別の提案される光学構成が図１１Ａおよび図１１Ｂに示されている。２つの構成はそれぞれ中心体４０５、４０６を示しており、中心体４０５、４０６上には、図４Ｂに提案され示されているアライメントおよび組立技術に従って、他の光学構成要素を位置合せし取り付けることができる。中心体は、ガラス、ポリマーまたは別のバルクもしくは中空材料で作ることができる。この異なる光学システムは、単色または複数色のレーザ光源で動作している上述の構成のいずれかで使用することができる。これらの構成は、走査およびプロジェクション目的で必要とされる光学構成要素の数をさらに減らすという利点がある。
【００７４】
提案されているシステム内の構成要素の数をさらに減らすために、ビームコンバイナの一部がビームスプリッタの一部と一緒に作製されてもよい。次の態様では、コリメーションレンズ、ビームコンバイナの一部、およびビームスプリッタの一部が単一型で製作されてもよい。
【００７５】
レーザ光源が本発明における光源として記述されている。当業者なら、上述の光源４０１および８０５は、レーザダイオード、垂直共振器面発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、さらに光ファイバガイドまたは平行光の発光ダイオード（ＬＥＤ）のいずれかとして適用されうることも理解するであろう。そのような改変、変更および改良は、本発明の精神および範囲内にあることを意図している。
【００７６】
ＭＥＭＳ走査マイクロミラーの形状は、図２に示されている幾何形状に限定されるものではなく、円形または楕円形状を有することもできる。上述の革新的な構成は、静電気、電磁気、熱、および圧電の作動原理に基づいて、完全または部分的に密封されたＭＥＭＳ走査マイクロミラーに適用することができる。
【図１Ａ】
2012526291.tif 000003
【図１Ｂ】
2012526291.tif 000004
【図２】
2012526291.tif 000005
【図３Ａ】
2012526291.tif 000006
【図３Ｂ】
2012526291.tif 000007
【図４Ａ】
2012526291.tif 000008
【図４Ｂ】
2012526291.tif 000009
【図４Ｃ】
2012526291.tif 000010
【図４Ｄ】
2012526291.tif 000011
【図４Ｅ】
2012526291.tif 000012
【図５Ａ】
2012526291.tif 000013
【図５Ｂ】
2012526291.tif 000014
【図６Ａ】
2012526291.tif 000015
【図６Ｂ】
2012526291.tif 000016
【図７Ａ】
2012526291.tif 000017
【図７Ｂ】
2012526291.tif 000018
【図８Ａ】
2012526291.tif 000019
【図８Ｂ】
2012526291.tif 000020
【図８Ｃ】
2012526291.tif 000021
【図９Ａ】
2012526291.tif 000022
【図９Ｂ】
2012526291.tif 000023
【図９Ｃ】
2012526291.tif 000024
【図１０】
2012526291.tif 000025
【図１１Ａ】
2012526291.tif 000026
【図１１Ｂ】
2012526291.tif 000027
【国際調査報告】
2012526291.tif 000028
2012526291.tif 000029