JP4406098B2 - 改善されたコントラスト比を有する空間光変調器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、入射光を変調して光学的画像を形成する空間光変調器に関し、更に詳細には、アドレス回路上につくられるバイステイブル・マイクロミラーのアレイを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）に関連する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
空間光変調器（ＳＬＭ）は、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビ、及び電子写真プリントなど多数の用途が見出されている。ＳＬＭは、空間パターンの入射光を変調して、電気的又は光学的入力に対応する光画像を形成する装置である。入射光は、位相、強度、偏光、又は方向で変調することができる。光変調は、種々の電子光学的又は磁気光学的効果を示す種々の材料によって、及び表面変形により光を変調する材料によって達成され得る。
【０００３】
ＳＬＭは典型的にはアドレス指定可能な画像素子（画素）の領域又は線形アレイで構成される。ソース画素データは、通常ＳＬＭの外にある関連する制御回路によってまずフォーマットされ、その後、１度に１フレームが画素アレイにロードされる。この画素データは、種々のアルゴリズムを用いて画素アレイに書込まれる、即ち、トップからボトムへ順に１度に１ラインの画素を、１ラインおきの画素、例えば奇数列の画素を、トップからボトムへ順にアドレス指定し、その後アドレス指定するため偶数ラインの画素へ戻ることによってインターリーブする等を用いて画素アレイに書込まれる。陰極線管（ＣＲＴ）ではこのデータ書込み技術はラスタリングとして知られ、それにより高出力電子銃が発光スクリーンの画素素子を１度に１ライン左から右に走査する。この画素アドレス・データ書込み方式は同様に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）にも適用できる。
【０００４】
テキサス州ダラスのテキサス インスツルメンツ インコーポレイテッドの最近の技術革新は、ディジタル・マイクロミラー・デバイス又は変形可能なミラー・デバイス（総称してＤＭＤ）である。ＤＭＤはそれが真にディジタル・ディスプレイ・デバイスであり、集積回路による解決策である点で革新的である。ＤＭＤは、ディスプレイ、プロジェクタ、及びハードコピー・プリンタの用途に適する電子的／機械的／光学的ＳＬＭである。ＤＭＤはモノリシック単一チップ集積回路ＳＬＭであり、１６ミクロン四方の可動マイクロミラーの高密度アレイで中心間距離１７ミクロンで構成される。これらのミラーは、ＳＲＡＭセルのアレイ及びアドレス電極を含むアドレス回路上方につくられる。各ミラーはＤＭＤアレイの１画素を形成し、バイステイブル、つまり２つの位置のうち１つの位置で安定であり、ミラーアレイ上に導かれた光源は２方向のうちの一方に反射される。ひとつの安定「オン」ミラー位置では、そのミラーへの入射光は投射レンズへ反射され、表示スクリーン又はプリンタの感光素子にフォーカスされる。もう一方の「オフ」ミラー位置では、ミラーへ導かれた光は光吸収器へ偏向される。アレイの各ミラーは個別に制御され、入射光を投射レンズへ又は光吸収器のいずれかへ導く。投射レンズは、最終的に画素ミラーからの変調光を表示スクリーン上へフォーカスし拡大し、表示する場合の画像をつくる。ＤＭＤアレイの各画素ミラーが「オン」位置にある場合、表示される画像は明るい画素のアレイとなる。
【０００５】
ＤＭＤデバイス及びその利用についてのより詳細な説明のため、ホーンベック(Hornbeck)の米国特許番号第５，０６１，０４９号、発明の名称「空間光変調器およびその方法」、デモンド(DeMond)らの米国特許番号第５，０７９，５４４号、発明の名称「標準独立ディジタル化ビデオシステム」、及びネルソン(Nelson)の米国特許番号第５，１０５，３６９号、発明の名称「プリンティング・システム露光モジュール整合方法及び製造装置」を参照する。それぞれの特許は本発明と同じ譲渡人に譲渡されており、参照のためその記述をここに引用する。画像を形成する画素のグレイ・スケールは、本発明と同じ譲渡人に譲渡され参照のためその記述をここに引用する米国特許番号第５，２７８，６５２号、発明の名称「パルス幅変調されたディスプレイシステムで用いるためのＤＭＤアーキテクチャ及びタイミング」に記載されたように、ミラーのパルス幅変調技術によって達成される。
【０００６】
共に譲渡された米国特許番号第５，５３５，０４７号、発明の名称「アクティブ・ヨーク・隠れヒンジ・ディジタル・マイクロミラー・デバイス」に詳細に説明され、本発明の図１に示すように、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）空間光変調器が開示されており、１０で示される。ＤＭＤ１０は単一チップ集積回路であり、基板上に形成されるメモリ・セル・アレイにモノリシックに構成されるマイクロミラー３０のアレイを含む。各画素ミラー３０は、矩形の支柱３４によって、全体として３２で示す蝶の形のヨーク上に支えられ上方に持ち上げられた四角形のミラーを含む。支柱３４はミラー３０の中心から下方へ伸び、図示する様にそのねじれ軸に沿ったヨーク３２の中心へ取付けられ、ヨーク３２上でミラー３０の質量の中心のバランスをとる。ヨーク３２は、１対のねじれヒンジ４０によってその中心軸に沿って軸上に支えられる。各ねじれヒンジ４０の反対の端は、それぞれヒンジ支柱４４の頂部に定められているヒンジ支柱キャップ４２に取付けられヒンジ支柱キャップ４２によって支えられる。持ち上げられた１対のミラー・アドレス電極５０及び５４は、それぞれのアドレス支柱によって支えられる。アドレス支柱及びヒンジ支柱４４は、アドレス電極５０及び５４、ねじれヒンジ４０、及びヨーク３２を、バイアス／リセット・バス６０及び１対の基板レベル・アドレス電極パッド２６及び２８から離して上方に支える。ミラー３０及びヨーク３２が、ヒンジ４０により定められるヨークのねじれ軸の回りを共に回転するとき、ヨーク３２の撓んだ側の１対のヨーク片５８は、着地サイト６２でバイアス／リセット・バス６０上に着地しバイアス／リセット・バス６０に接する。この従来のＤＭＤの更に詳細な説明のため、共に譲渡された米国特許番号第５，５３５，０４７号の記載を参照のためここに引用する。
【０００７】
更に図１を参照すると、支柱３４は四角形のミラー３０の反射性変調表面から下方へ伸び、６４で支柱エッジ（縁）を定めることが分かる。これらの支柱エッジ６４は従来は３×４μｍの寸法を有し、そのエッジは矩形を成し光の入射ビームに垂直又は平行に向いている。図２を参照すると、全てのミラーがオフ状態にあるとき投射光学系に回折された（diffracted back ）光が示されている。ミラー３０がオフ状態に傾けられるとき、これらの支柱エッジ６４は入射光を投射システム光学系に回折し、その回折は光の点６６として示されており、そのため形成されるディスプレイ画像のコントラスト比を減少させることが分かる。更に図２では、下にある上部構造及びアドレス回路から回折される、ミラー・エッジ間からの光も示されている。
【０００８】
支柱エッジ６４から投射光学系への入射光の回折が実質的に減少され、改善されたコントラスト比を有する画像を形成するＤＭＤ空間光変調器が望まれている。
【０００９】
【課題を達成するための手段及び作用】
本発明は、支柱エッジをミラー・エッジと平行になるように向け、ミラー・エッジを入射光に対し４５度に向けることによって、マイクロメカニカル空間光変調器としての技術的利点を達成する。更に、支柱エッジの寸法は実質的に３×４μｍから２．４×２．４μｍに減少される。この設計は、支柱エッジから暗視野投射システム光学系への散乱光の量を実質的に減少させる。支柱エッジによって形成されるコーナーは、この向きにおいて投射光学系へ回折する光の量を最小にする。支柱エッジは対応するミラー・エッジに平行であり、入射光に対し４５度に向けられ、そこからの光回折を最小にする。
【００１０】
【実施例】
次に図３を参照すると、本発明の好ましい実施例に従って改善された空間光変調器が７０で示されており、同様の数字は同様の要素を表す。空間光変調器７０はディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であることが好ましいが、他のマイクロメカニカル空間光変調器も同様に本発明にカバーされることを意図する。
【００１１】
ＤＭＤ７０は、光源８０により発生される光の入射ビームに対し全て４５度に向けられる支柱エッジ７６を定めるミラー支柱７４を、各ミラー７２に提供することによって、図１に示した従来の設計に比べ改善される。各エッジ７６はそれぞれのミラー７２の対応するミラー・エッジ７８に平行であり、従ってエッジ７８も光源８０により発生される光の入射ビームに対し４５度に向けられる。入射光ビームに対する支柱エッジ７６のこの向きは、ミラー表面がオフ状態に向けられるとき、暗視野投射システム光学系へ散乱される光の回折を最小化する。これはＳＬＭ７０によって形成されるディスプレイのコントラスト比を高めるために重要である。暗視野光学系システムでは、ミラー７２がオフ状態にあるとき光学系へ回折される光をできるだけ少なくすることが必須である。支柱エッジ７６を光の入射ビームに対し４５度で伸びるように向けることによって、光のこの回折は最小化され、図２に示したようなオフ状態のミラーによって回折される投射光学系への光の点６６の発生は実質的に減少される。エッジ７６によって定められるコーナーから投射光学系への光の回折も実質的に減少される。
【００１２】
本発明に従って、支柱エッジ７６の寸法は従来の設計のものよりも実質的に減少される。特にエッジ７６は、図１に示した典型的に３×４μｍである従来の寸法から実質的に減少され、約２．４×２．４μｍの長さまで減少されている。支柱エッジ７６の長さを最小化することは、本発明の好ましい実施例に従った空間光変調器７０によって表示される画像の改善されたコントラスト比にも貢献する。
【００１３】
以前の設計では、図１に示したように、支柱エッジ６４を光の入射ビームに平行に又は垂直に向けることが、支柱のコーナーからの光の回折を最小化するために不可欠であると思われていた。しかし、図４に示すように、支柱エッジ７６の寸法を減少させ、これらのエッジ７６を光の入射ビームに対し４５度で伸びるように向けることで、実質的に改善されたコントラスト比を有する画像が提供されることが分かった。支柱エッジ７６から及びこれらのエッジによって定められるコーナーからの散乱光の量は、比較のため図４に示した従来の表示に比較し、実質的に減少される。実際、図１の実施例に対し約２０％改善されたコントラスト比が達成される。このように本発明の改善は目覚しい結果を有する。
【００１４】
本発明は特定の好ましい実施例に関して説明されたが、本出願の記載を参照すれば種々の変形及び修正は当業者にとって明白である。したがって、添付の特許請求の範囲はあらゆるこれらの変形及び修正を包含することを意図する。
【００１５】
以上の説明の関して更に次の項を開示する。
（１） 空間光変調器であって、
撓み可能なヨークを含む支持構造と、
前記ヨークを撓ませる手段、及び
前記ヨーク上に持ち上げられヨークによって支えられる画素とを含み、前記画素は表面エッジを定める光変調表面と、前記表面と前記ヨークとの間に伸びる支持部材とを含み、前記支持部材は前記表面で支持エッジを定め、前記支持エッジは表面エッジに平行である
空間光変調器。
【００１６】
（２） 第１項に記載の空間光変調器であって、前記表面エッジ及び前記支持エッジの両方は矩形である空間光変調器。
（３） 第１項に記載の空間光変調器であって、前記支持部材は前記光変調表面に関し中心に位置する空間光変調器。
（４） 第３項に記載の空間光変調器であって、前記支持部材は前記光変調表面から垂直に伸びる空間光変調器。
（５） 第１項に記載の空間光変調器であって、入射の角度を定める前記光変調表面へ入射する光ビームを発生する光源を更に含み、前記表面エッジ及び前記支持エッジの両方は前記入射方向に対し４５度で伸びる光変調器。
（６） 第１項に記載の空間光変調器であって、前記支持エッジは５．７６平方ｍｍより大きくない領域を定める空間光変調器。
【００１７】
（７） ディスプレイ・システムであって、
光ビームを発生する光源と、
ヨークを含む支持構造と、
前記ヨークを撓ませる手段、及び
前記ヨーク上に持ち上げられヨークによって支えられる画素とを含み、前記画素は表面エッジを定める光変調表面を含み、更に前記表面と前記ヨークとの間に伸びる支持部材とを含み、前記支持部材は前記表面で支持エッジを定め、前記光ビームは前記光変調表面への入射でありそれに対する入射角度を生じ、前記入射角度は前記支持エッジ及び前記表面エッジの両方に対し４５度である
ディスプレイ・システム。
【００１８】
（８） 第７項に記載の空間光変調器であって、前記表面エッジ及び前記支持エッジの両方は矩形である空間光変調器。
（９） 第７項に記載の空間光変調器であって、前記支持部材は前記光変調表面に関し中心に位置する空間光変調器。
（１０） 第７項に記載の空間光変調器であって、前記支持部材は前記光変調表面から垂直に伸びる空間光変調器。
（１１） 第７項に記載の空間光変調器であって、前記支持エッジは５．７６平方ｍｍより大きくない領域を定める空間光変調器。
【００１９】
（１２） 空間光変調器７０であって、それぞれ支柱７４を含むマイクロミラー７２のアレイで構成される。支柱７４は、ミラー７２の上側表面で支柱エッジ７６を定める。これらの支柱エッジ７６は全て、光源８０からの光の入射ビームに対し４５度の角度に向けられ、ミラーがオフ状態に向けられるとき、エッジ７６から暗視野光学系への光の回折を最小限にする。本発明は従来の設計に対し約２０％改善されたコントラスト比を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＤＭＤアレイの画素の３×３アレイの断面図であり、下にある支持構造を示すため、ヨーク、持ち上げられたアドレス電極、及びヒンジ支柱の幾つかが取除かれて示されており、ミラー支柱エッジは入射光に対して垂直か平行のいずれかであるため入射光は投射光学系へ回折し、これらの支柱エッジの寸法は約３×４μｍである。
【図２】オフ状態での図１のミラーのアレイによって形成される画像の写真（pictorial view）であり、光の点で示すように、光は支柱エッジから投射光学系へ回折され、それにより空間光変調器によって形成される画像のコントラスト比は減少される。
【図３】本発明に従った画素の３×３アレイの断面図であり、支柱エッジは全て入射光に対し４５度に向けられ、各エッジは対応するミラー・エッジに対し平行であり、オフ状態に向けられるとき投射光学系に回折される光の量は実質的に減少する。
【図４】オフ状態での図３の支柱エッジから回折された光の写真であり、支柱エッジから投射光学系へ回折される光の量が最小化され、それにより表示画像のコントラスト比が著しく高められることを示す。
【符号の説明】
２６，２８ アドレス電極パッド
３２ ヨーク
４０ ねじれヒンジ
４２ ヒンジ支柱キャップ
４４ ヒンジ支柱
５０，５４ アドレス電極
５８ ヨーク片
６０ バイアス／リセット・バス
６２ 着地サイト
７０ 空間光変調器
７２ マイクロミラー
７４ 支柱
７６ 支柱エッジ
７８ ミラー・エッジ
８０ 光源

Claims (2)

1. 空間光変調器であって、
   撓み可能なヨークとねじれヒンジを含む支持構造と、
   前記ヨークを、前記ねじれヒンジで規定されるねじれ軸に沿って、撓ませる手段、及び
   前記ヨーク上に持ち上げられヨークによって支えられる画素とを含み、前記画素は表面エッジを定める光変調表面と、前記表面と前記ヨークとの間に伸びる支持部材とを含み、前記支持部材は前記表面で支持エッジを定め、前記支持エッジは表面エッジに平行で、前記全ての支持エッジと前記平行な表面エッジはねじれ軸に関して４５度の角度にあり、ねじれ軸に直交する入射光は光変調表面の表面エッジに関して４５度となる、
   空間光変調器。
2. ディスプレイ・システムであって、
   光ビームを発生する光源と、
   ヨークを含む支持構造と、
   前記ヨークを撓ませる手段、及び
   前記ヨーク上に持ち上げられヨークによって支えられる画素とを含み、前記画素は表面エッジを定める光変調表面を含み、更に前記表面と前記ヨークとの間に伸びる支持部材とを含み、前記支持部材は、少なくとも表面エッジの一つに各々平行な前記表面で支持エッジを定め、前記光ビームは前記光変調表面への入射でありそれに対する入射角度を生じ、前記入射角度は前記支持エッジ及び前記表面エッジの全てに対し４５度である
   ディスプレイ・システム。

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