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
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Description
【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)
- 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。 - 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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