JP4573522B2

JP4573522B2 - 電子機械式格子デバイスを作動させるための方法

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Publication number: JP4573522B2
Application number: JP2003417717A
Authority: JP
Inventors: ダブリュコウォルツマレク; ジーフェイレンジェームズ
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2010-11-04
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Description

本発明は、電子機械式格子デバイスのアレイを包含するイメージ形成システムに関する。より詳細に述べれば、本発明は、電子機械式格子デバイスの線形アレイを備える投影型ディスプレイシステムにおけるグレイレベルの形成に関する。

多くの投影型ディスプレイシステムは、空間光変調器を使用して電子的イメージ情報を出力イメージに変換している。現時点のその種のディスプレイシステムにおいては、光源が一般に白色光ランプであり、空間光変調器が一般に液晶デバイスもしくはマイクロミラーデバイスを包含するエリアアレイである。１ないしは複数のレーザソースおよび電子機械式格子デバイスの線形アレイとなる空間光変調器を伴う代替ディスプレイシステムアーキテクチャは、より将来性を呈するものである。高品質の動画を表示するためには、これらの異なる空間光変調器の個別のデバイスが、多くのグレイレベルを迅速にイメージ内に生成できる必要がある。可能なグレイレベルの数の制限は、一般に、デバイスのダイナミクスによって、あるいはディスプレイシステム内の電子コンポーネントの速度によって左右される。

従来の発明に、変調エレメントの速度もしくは関連するエレクトロニクスの速度を増加させることなく画像のグレイレベルの数を増加させるためのスキームの開示がある。これらのスキームは、１フレームの間に空間光変調器に入射する照度を変化させる。より具体的には、１９９８年９月２２日にヒューレット（Ｈｅｗｌｅｔｔ）ほかに対して発行された『ＮＤフィルタを用いる光の振幅変調（ＬＩＧＨＴＡＭＰＬＩＴＵＤＥＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮＷＩＴＨＮＥＵＴＲＡＬＤＥＮＳＩＴＹＦＩＬＴＥＲＳ）』と題された特許文献１によれば、可変ＮＤフィルタを使用して明るいグレイレベルおよび暗いグレイレベルを生成することにより、マイクロミラーを用いて追加のグレイレベルを獲得することができる。暗いグレイスケールは、１フレームを表示する間に数回にわたって照度を減衰することによって得られる。明るいグレイスケールは、減衰を伴わない。実際上は、多セグメントのＮＤフィルタを伴うフィルタホイールをデータストリームとの同期を保って回転させることによってこの発明が具体化される。

別のアプローチは、１９９７年９月１６日にアーンストッフ（Ｅｒｕｎｓｔｏｆｆ）ほかに対して発行された『パルスレート変調照度を組み込んだフルカラーシーケンシャルイメージ投影システム（ＦＵＬＬＣＯＬＯＲＳＥＱＵＥＮＴＩＡＬＩＭＡＧＥＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧＰＵＬＳＥＲＡＴＥＭＯＤＵＬＡＴＥＤＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ）』と題された特許文献２に述べられているように、パルスレーザ等のパルス光源を使用して電子コンポーネントに関する速度要件を軽減している。空間光変調器に対する照度は、パルスレートもしくはパルス数を変化することによって調整される。さらに、光源の平均輝度がパルス数によって決定される。相補的な方法は、１９９９年５月１１日にアーンストッフ（Ｅｒｕｎｓｔｏｆｆ）ほかに対して発行された『時間変調照度を組み込んだフルカラーシーケンシャルイメージ投影システム（ＦＵＬＬＣＯＬＯＲＳＥＱＵＥＮＴＩＡＬＩＭＡＧＥＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧＴＩＭＥＭＯＤＵＬＡＴＥＤＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ）』と題された特許文献３に開示されているように、光源の直接強度変調を使用して複数レベルの輝度を得ている。これらの特許文献２および特許文献３は、いずれも、新しいイメージデータビットを空間変調器にロードするために電子コンポーネント用の充分に大きい時間ウインドウを持つという特定の問題を解決している。

上記の発明のそれぞれは、光源の効率の代償としてグレイレベルの向上または電子コンポーネントの速度要件の緩和を得ている。しかしながら、投影されるイメージの輝度および彩度を最大化するために、高品質の投影型ディスプレイには、効率的な光源の使用が必要となる。

近年、周期的な中間サポートの連続によって基板の上方に懸架されたリボンエレメントからなる電子機械式コンフォーマル格子デバイスが、２００１年１０月２３日にコウォルツ（Ｋｏｗａｒｚ）に対して発行された『コンフォーマル格子デバイスを伴う空間光変調器（ＳＰＡＴＩＡＬＬＩＧＨＴＭＯＤＵＬＡＴＯＲＷＩＴＨＣＯＮＦＯＲＭＡＬＧＲＡＴＩＮＧＤＥＶＩＣＥ）』と題された特許文献４の中でコウォルツ（Ｋｏｗａｒｚ）によって開示されている。電子機械式コンフォーマル格子デバイスは、静電作用によって動作し、リボンエレメントをサポート構造周りに順応させ、それによって格子を作り出す。特許文献４のデバイスは、より最近になってコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとして知られるようになったデバイスであり、ＧＥＭＳは格子電子機械システムを表す英語に基づく略語である。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスは、多くの魅力的な特徴を有している。このデバイスは、高いコントラストおよび優れた効率とともに高速ディジタル光変調を提供する。それに加えて、コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイにおいては、アクティブ領域が比較的大きく、かつ格子の周期がアレイと垂直の方向を向く。この格子の周期の向きは、回折された光ビームを線形アレイの直近において分離し、光学系のほぼ全体にわたって空間的な分離を維持するとともに、より小規模の光学エレメントを用いた、よりシンプルな光学系の設計を可能にする。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイを基礎としたディスプレイシステムは、２００２年６月２５日に発行された『空間的に分離された光ビームを用いた電子機械式格子ディスプレイシステム（ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＧＲＡＴＩＮＧＤＩＳＰＬＡＹＳＹＳＴＥＭＷＩＴＨＳＰＡＴＩＡＬＬＹＳＥＰＡＲＡＴＥＤＬＩＧＨＴＢＥＡＭＳ）』と題された特許文献５の中でコウォルツ（Ｋｏｗａｒｚ）ほかによって、また２００２年１１月５日に発行された『セグメント化した波長板を用いた電子機械式格子ディスプレイシステム（ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＧＲＡＴＩＮＧＤＩＳＰＬＡＹＳＹＳＴＥＭＷＩＴＨＳＥＧＭＥＮＴＥＤＷＡＶＥＰＬＡＴＥ）』と題された特許文献６の中でコウォルツ（Ｋｏｗａｒｚ）によって記述されている。

特許文献４に開示されたコンフォーマル格子電子機械式システム（ＧＥＭＳ）デバイスを図１〜３に示す。図１は、非作動状態における２つの横並びのコンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａおよび５ｂを示している。コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａおよび５ｂは、デバイス５ａおよび５ｂを作動するための電極として作用するボトム導体レイヤ１２によって覆われた基板１０の上に形成される。ボトム導体レイヤ１２は、誘電体の保護レイヤ１４によって覆われ、さらにその上にスタンドオフレイヤ１６およびスペーサレイヤ１８が続く。スペーサレイヤ１８の上には、リボンレイヤ２０が形成され、反射および導体レイヤ２２によってそれが覆われている。反射および導体レイヤ２２は、コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａおよび５ｂを作動するための電極として作用する。つまり、反射および導体レイヤ２２がパターン化されて、２つのコンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａおよび５ｂに関する電極がそれぞれ提供される。リボンレイヤ２０は、好ましくは大きな復元力を提供する充分な引っ張り応力を伴う材料から構成される。各コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａおよび５ｂは、反射および導体レイヤ２２ならびにリボンレイヤ２０からパターン形成された、それぞれに関連する細長いリボンエレメント２３ａおよび２３ｂを有している。これらの細長いリボンエレメント２３ａおよび２３ｂは、スペーサレイヤ１８から形成されたエンドサポート２４ａおよび２４ｂによって、また幅の等しいチャンネル２５を形成するために一様に離隔された１ないしは複数の中間サポート２７によって支持されている。細長いリボンエレメント２３ａおよび２３ｂは、エンドサポート２４ａ，２４ｂ、および中間サポート２７に固定されている。チャンネル２５のボトムには、スタンドオフレイヤ１６から複数の方形スタンドオフ２９のパターンが形成されている。これらのスタンドオフ２９は、細長いリボンエレメント２３ａおよび２３ｂが作動されたときに貼り付いてしまう可能性を低減する。

図２には、コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａ、５ｂ、５ｃ、および５ｄを備える４デバイス線形アレイの上面図が示されている。細長いリボンエレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、および２３ｄは、下側にあるアクティブ領域８内の構造を示すために、図のＡ‐Ａ線の下が部分的に除去されている。最適光学パフォーマンスおよび最大コントラストのためには、中間サポート２７が好ましくは細長いリボンエレメント２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、および２３ｄの下に完全に隠れる必要がある。つまり、上方から見たとき、コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａ〜５ｄの間のギャップ２８内に中間サポート２７が見えないものとする。この場合であれば、コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａ〜５ｄのそれぞれが幅の等しい４つのチャンネル２５を伴う３つの中間サポート２７を有している。中間サポート２７の中心間離隔Λは、作動状態にあるコンフォーマルＧＥＭＳデバイスの周期を定義する。細長いリボンエレメント２３ａ〜２３ｄは、互いに機械的かつ電気的に分離されており、４つのコンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａ〜５ｄの独立な動作を可能にする。図１のボトム導体レイヤ１２は、コンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ａ〜５ｄのすべてに共通とすることができる。

図３（ａ）は、非作動状態のコンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ｂ（図１および２に示し、説明したとおり）の２つのチャンネル２５の、図２の３，７‐３，７線を通る側面図である。図３（ｂ）は、同一の部分を作動状態に関して示している。このデバイスの動作について言えば、ボトム導体レイヤ１２と、細長いリボンエレメント２３ｂの反射および導体レイヤ２２の間に、電圧差を印加することによって静電引力が生成される。電位差のない（Ｖ＝０）の非作動状態（図３（ａ）参照）では、リボンエレメント２３ｂがサポートの間に平坦に懸架される。この状態においては、単純な平面ミラーの場合と同じように、入射光ビーム３０が主として０次光ビーム３２に反射される。作動状態を得るためには、このコンフォーマルＧＥＭＳデバイス５ｂに電圧を印加し、それにより細長いリボンエレメント２３ｂがひずんで周期Λを伴うコンフォーマル格子が部分的に作り出される。図３（ｂ）は、Ｖ＝Ｖ_HIGHの印加電圧を伴ってデバイス５ｂ（図１および２に示し、説明したとおり）が完全に作動されている状態を示しており、細長いリボンエレメント２３ｂが、スタンドオフ２９と接触している。エレメント２３ｂのボトムとスタンドオフ２９のトップの間の高さの差は、入射光の波長λの約１／４に選択される。最適な高さは、作動されたデバイスの特定のコンフォーマル形状に依存する。作動された状態においては、入射光ビーム３０が主として＋１次光ビーム３５ａおよび‐１次光ビーム３５ｂに回折され、さらに＋２次３６ａおよび‐２次３６ｂに回折された光も伴う。少量の光がさらに高次の回折を受け、一部は０次に残る。概して、応用に応じて、１ないしは複数の各種ビームを光学系によって集光し、使用することができる。印加された電圧がなくなると、引っ張り応力および曲げに起因する力がリボンエレメント２３ｂを、図３（ａ）に示されるような、オリジナルの非作動状態に復元する。

図４は、特許文献５に開示されているようなコンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイ８５を含むディスプレイシステムを例示している。好ましくはレーザとする、光源７０から放出された光が、１対のレンズ７２および７４によって調和された後、回転ミラー８２に命中し、線形アレイ８５を照明する。このディスプレイシステムは、線形アレイ８５の１次元線形イメージのスキャンから、スクリーン９０上に完全な２次元シーンを形成する。線形アレイ８５のコンフォーマルＧＥＭＳデバイスは、入射光を迅速に変調して、複数のグレイレベルを伴う複数のピクセルラインを生成することができる。コントローラ８０が、選択的に線形アレイ８５を作動し、２次元シーンの所定ラインに関する望ましいピクセルパターンが得られる。特定のコンフォーマルＧＥＭＳデバイスが作動されていない場合には、それが入射光ビームを、主として０次の光ビームに反射し、回転ミラー８２によって光源７０に向けて戻される。特定のコンフォーマルＧＥＭＳデバイスが作動されている場合には、それが入射光ビームを、主として＋２次、＋１次、‐１次、および‐２次の光ビームに回折する。これらの回折された光ビームは、回転ミラー８２の周囲を通過し、投影レンズシステム７５によってスクリーン９０上に投影される。スキャニングミラー７７が、スクリーン９０全体にわたってラインイメージを掃引し、２次元イメージを形成する。スキャニングミラー７７とイメージデータストリームの間の同期は、コントローラ８０によって提供される。

イメージ内に複数のグレイレベルを形成するために、非特許文献１に記述されているように、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形が線形アレイ８５のコンフォーマルＧＥＭＳデバイスに印加される。図５は、電圧Ｖ_HIGHを伴う従来の単一レベルＰＷＭ波形４５を、対応するデバイスの出力（たとえば、回折後の光の強度）とともに示している。所望のグレイレベルを得るために、コントローラ８０は、データストリームに従って各変調ウインドウ５４内のパルス幅を選択する。単一レベルのＰＷＭ波形４５が０ＶからＶ_HIGHに遷移するとき、デバイス（たとえば図１に示されている５ａおよび５ｂ）が作動し、光の回折を開始する。波形が０Ｖに戻ると、デバイスが回折を終了する。このプロセスが、線形アレイ８５内の各コンフォーマルＧＥＭＳデバイスに適用される。図４に示されているディスプレイシステムにおいては、変調ウインドウ５４が２次元イメージの単一ラインの形成に使用される時間に対応する。したがって、イメージの１ピクセル内において知覚されるグレイレベルは、変調ウインドウ５４内における積分された光の強度５２である。デバイスの充電効果を最小化するために、Ｖ_HIGHと‐Ｖ_HIGHの間において印加電圧を周期的に切り替える（特許文献７参照）。リボンエレメント２３ａ〜２３ｄ上の力が極性と独立であることから、回折光の強度は極性と独立である。

図６は、図５に示した従来の単一レベルＰＷＭアプローチを使用して生成されたグレイスケール５５の一例を示している。このプロットにおいては、相対グレイレベルが、２０μｓｅｃの変調ウインドウ５４に関するパルス幅（＋／‐Ｖ_HIGH）の関数として示されている。パルス幅が０．３μｓｅｃと２０μｓｅｃの間にあるときには、グレイレベルとパルス幅の間の関係が概略で線形になる。しかしながら、概略で０．３μｓｅｃと０．１μｓｅｃの間においては、パルス幅に関する非単調（かつ非線形）領域５０が存在する。この非単調な振る舞いは、コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの共振ダイナミクスに起因して生じる。非単調領域５０の個々の形状は、デバイスのジオメトリならびにドライバのスルーレートを含む多数の要因に依存する。概略で０．１μｓｅｃより短いパルス幅については、パルス幅とグレイレベルの間に単調、非線形の対応が存在する。非単調領域５０内の暗さ（グレイ）レベルは、望ましいグレイレベルと、その特定のグレイレベルの生成に必要なパルス幅の間の正確な対応の決定が困難なことから、実際上の使用が困難なものとなり得る。

米国特許第５，８１２，３０３号米国特許第５，６６８，６１１号米国特許第５，９０３，３２３号米国特許第６，３０７，６６３号米国特許第６，４１１，４２５号米国特許第６，４７６，８４８号米国特許第６，１４４，４８１号コウォルツ（Ｋｏｗａｒｚ）ほか著「高速ディジタル光変調のためのコンフォーマル格子電気機械システム（ＧＥＭＳ）（ＣｏｎｆｏｒｍａｌＧｒａｔｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ（ＧＥＭＳ）ｆｏｒＨｉｇｈ‐ＳｐｅｅｄＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）」ＩＥＥＥ第１５回国際ＭＥＭＳ会議テクニカルダイジェスト（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭＥＭＳＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ）２００２年、ｐ５６８‐５７３３．

グレイレベルの向上に関する従来技術において説明したテクニックは、すべていくらかの時間的期間にわたって空間光変調器の平均光学パワー入射を下げ、それにより減少させた強度に対応する複数の照度レベルを生成している。複数の照度レベルは、空間光変調器ならびにその関連電子コンポーネントの速度要件を減じる。しかしながら、このアプローチの重大な技術的な欠点は、より低い照度区間の間において光源から使用可能な光学パワーを無駄にするということである。さらに、特定タイプの光源については、照度レベルの低減がシステムの複雑性を増加する。同じ欠点が、電子機械式格子デバイスを基礎とするディスプレイシステムにこれらのテクニックを使用する場合にも当てはまる。したがって、使用可能な光学パワーを効率的に使用し、システムの複雑性の著しい増加を招かない電子機械式格子ディスプレイシステムにおいて向上したグレイレベルを生成する方法に対するニーズがある。

上記のニーズは、本発明に従って、リボンエレメントを有する電子機械式格子デバイスを作動するための方法を提供することによって満たされる。その方法は、データストリームを提供するステップと、前記データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するステップと、前記パルス幅変調波形を前記リボンエレメントに印加するステップと、を含み、前記パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態に前記リボンエレメントを遷移させる、ことを特徴とする。

本発明のもう１つの側面は、リボンエレメントを有する電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムを提供する。このシステムは、データストリームを提供するデータソースと、データストリームから少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するための手段と、パルス幅変調波形をリボンエレメントに印加するための手段とを備え、その印加により、パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態にリボンエレメントを遷移させる。

本発明の第３の側面は、基板、および基板の上方に懸架される細長いリボンエレメントのセットを備える電子機械式格子デバイスを提供する。さらに、この電子機械式格子デバイスは、データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するための手段と、パルス幅変調波形を細長いリボンエレメントに印加するための手段とを備え、その印加により、細長いリボンエレメントが、パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態に遷移する。

以下に説明するが、クロックレートの要件の軽減に加えて、本発明は、図６の非単調領域５０に対応する暗レベルのより良好な生成を可能にするという追加の利点を有している。

本発明においては、追加の電圧レベルＶ_LOWが使用されて暗レベルの生成が改善される。本発明は、コンフォーマルＧＥＭＳデバイスにもっとも良好に適しているが、そのほかの、たとえばシリコンライトマシーンズ（ＳｉｌｉｃｏｎＬｉｇｈｔＭａｃｈｉｎｅｓ）によって作られているグレーティングライトバルブ（ＧｒａｔｉｎｇＬｉｇｈｔＶａｌｖｅ；ＧＬＶ）等の電子機械式格子デバイスに適用することも可能である。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスにＶ_LOWが印加されると、図７に例示されているように、部分的に作動された状態が生成される。Ｖ_LOWによって生成される静電気力は、細長いリボンエレメント２３ｂにわずかな変形をもたらし、周期Λの弱い格子を生成する。したがって、細長いリボンエレメント２３ｂは、下側にある構造の充分に上方に、つまりスタンドオフ２９の上方に懸架されたままとなる。この部分的に作動された状態においては、入射ビーム３０の大半が０次光ビーム３２に反射され、入射ビームのわずかな部分が各種の非ゼロの回折次（＋１次３５ａ、‐１次３５ｂ、＋２次３６ａ、および‐２次３６ｂ）に回折される。通常、Ｖ_LOWとしては、リボンエレメント２３ｂがスナップされてスタンドオフ２９に接触するプル‐ダウン電圧Ｖ_PDより低い数ボルトが選択される。

図８は、ディジタル入力信号に関する正規化した強度対印加電圧のプロットであり、特定のコンフォーマルＧＥＭＳデバイスに関するＶ_LOWとＶ_HIGHの選択を例示している。これにおいて、Ｖ_HIGHは約２２Ｖ、Ｖ_PDは約２０Ｖ、Ｖ_LOWは、約１６Ｖである。電圧がＶ_HIGHにあるとき、反射される０次がほぼ完全に消失し、入射光のほとんどが非ゼロ次に回折される。これに対して、Ｖ_LOWにおいては、入射光のほとんどが反射され、わずかなパーセンテージが非ゼロ次に存在する。このわずかなパーセンテージを使用してより細密かつ、より予測可能な暗レベルを生成することができる。

図９は、本発明に関するデュアル‐レベルＰＷＭ波形５１を例示しており、さらに対応する回折光強度を示している。２つの電圧の振幅Ｖ_HIGHおよびＶ_LOWは、それぞれに関連付けされた強度レベルＩ_HIGHおよびＩ_LOWを生成する。各変調ウインドウ５４内において所望のグレイレベルを獲得するために、コントローラ８０は、電圧振幅（Ｖ_HIGHまたはＶ_LOWのいずれか）、電圧パルス幅、および極性（オプション）を選択する。デュアル‐レベルＰＷＭ波形５１の０Ｖから＋／‐Ｖ_HIGHへの遷移時においては、コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの細長いリボンエレメントが作動されてスタンドオフに接触し、それによってほとんどの入射光が非ゼロ次の回折を受ける。０Ｖから＋／‐Ｖ_LOWへの遷移時においては、デバイスが部分的に作動されて、少ないパーセンテージの光を非ゼロ次に回折する。前述同様に、グレイレベルが変調ウインドウ５４内の積分された光の強度５２から得られる。部分的に作動された状態においてリボンに掛かる応力が、完全に作動された状態におけるより小さいことから、またイメージコンテンツの大半が比較的暗いことから、デュアル‐レベルＰＷＭ波形の使用は、デバイスの経時変化を抑えるという追加の利点を有する。

図９のデュアル‐レベルＰＷＭ波形５１によって生成されるグレイスケール６１を図１０に示す。２つの電圧振幅Ｖ_HIGHおよびＶ_LOWは、関連する、グレイレベルをパルス幅に対して相関させた曲線をそれぞれ有する。イメージ内の明るいレベルについては、コントローラ８０がＶ_HIGHの電圧振幅を選択し、暗いレベルについてはＶ_LOWを選択する。所定のパルス幅においてパルスが約０．１μｓｅｃより広くなる場合には、Ｖ＝Ｖ_LOWに対応するグレイレベルが、Ｖ＝Ｖ_HIGHに対応するレベルの約１０分の１になる。図６の非単調領域５０は、Ｖ＝Ｖ_LOWを適切なパルス幅とともに使用して、関心が向けられているグレイレベルを生成することによってバイパスすることができる。Ｖ_HIGHもしくはＶ_LOWのいずれを用いてもグレイレベルが生成可能な遷移領域は、２つのグレイレベル曲線の間の較正用のヘッドルームを提供するために使用可能であり、その結果、滑らかな連続グレイスケールがもたらされる。

本発明のデュアル‐レベルＰＷＭ波形５１のクロックレートと従来の（単一レベル）ＰＷＭ波形４５とを、コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイを基礎とする高品質投影型ディスプレイに関して比較することは有益である。この例においては、１，９２０本の走査線（１，０８０×１，９２０ピクセル）を伴うＨＤＴＶ解像度、６０Ｈｚのフレームレート、および１カラーフレーム当たり１３線形ビット（８，１９２グレイレベル）のグレースケール性能を有するシステムが選択されている。通常のＰＷＭの場合には、パルス幅の増加を、１／（１，９２０×６０×８，１９２）すなわち約１ナノ秒よりいくぶん小さくして、スキャニングに関するいくらかのオーバーヘッドを許容する必要がある。したがって、コントローラ内のディジタルエレクトロニクスは、約１ＧＨｚの有効ＰＷＭクロックを生成する必要がある。この有効クロック周波数は、デュアル‐レベルＰＷＭを実装することによって、実質的に下げることが可能であり、しかも同一のシステム仕様が維持される。たとえば、強度レベルの比、Ｉ_LOW／Ｉ_HIGHが約１０となるようにＶ_HIGHおよびＶ_LOWを選択することによって、有効ＰＷＭクロック周波数を約１００ＭＨｚまで下げることができる。

３レベルのパルス幅変調の場合を例示した図１１からわかるように、２を超える電圧振幅を伴うマルチ‐レベルＰＷＭ波形（図示せず）を使用して、イメージのグレイスケール６３をさらに向上させることができる。この例においては、Ｖ_HIGHの印加が細長いリボンエレメントを完全に作動してスタンドオフに接触させる一方、Ｖ_LOW1およびＶ_LOW2＜Ｖ_LOW1は、２つの異なる部分的なリボンの作動をもたらす。その場合にグレイスケール６３は、Ｖ_HIGHを使用して生成される明るいレベル、Ｖ_LOW1を使用して生成される暗いレベル（図１１の暗レベル１）、およびＶ_LOW2を使用して生成される非常に暗いレベル（図１１の暗レベル２）を包含することになる。この場合においても遷移領域を使用して異なるグレイレベル曲線の使用可能領域間をわたることができる。図１１内の、グレイレベルの増加方向を向いている矢印は、３つの曲線上の３つの部分から構成される連続グレイスケール６３の一例を示している。

図１２は、投影型ディスプレイまたはプリンティングシステムとすることができるイメージ形成システムにおけるデュアル‐レベルＰＷＭの実装に関する電子的なアーキテクチャを示したブロック図である。データソース１００は、電子機械式格子デバイス、好ましくはコンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイからイメージを生成するために適切に処理された（シリアル）データストリーム１０５を提供する。この線形アレイ内の各電子機械式格子デバイス１２０が独自のデバイスドライバ１０８を有していることから、データストリーム１０５を適切なパラレルデータチャンネル１１５に逆多重化するためのシリアル‐パラレルコンバータ１０２が必要になる。たとえば、前述したＨＤＴＶシステムにおいては、１０８０個の電子機械式格子デバイス１２０をアドレスするために１０８０個のパラレルデータチャンネル１１５が必要となるが、図１２には１つのパラレルデータチャンネル１１５しか示されていない。各デバイスドライバ１０８からのパルス幅変調出力は、クロック１０４を介して各電圧パルスの幅をコントロールするパルス幅ジェネレータ１０６、および各電圧パルスの振幅ならびに極性を選択する電圧セレクタ１１０によって決定される。これらの結果は、図９に示されている波形に類似したデュアル‐レベルＰＷＭ波形になる。

この電子機械式格子デバイスを作動するための方法においては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGHおよびＶ_LOWを含む。

この電子機械式格子デバイスを作動するための方法においては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、リボンエレメントが下部構造に接触する。

この電子機械式格子デバイスを作動するための方法においては、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、リボンエレメントが下部構造の上方に懸架される。

この電子機械式格子デバイスを作動するための方法においては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGH、Ｖ_LOW、‐Ｖ_HIGH、および‐Ｖ_LOWを含む。

電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法が、データストリームを提供するステップと、データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するステップと、パルス幅変調波形を電子機械式格子デバイスのリボンエレメントに印加するステップとを含み、その印加よってパルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態を通ってリボンエレメントが遷移し、その結果、イメージに関する複数のグレイレベルが生成される。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、リボンエレメントの、少なくとも３つの異なる作動状態が、たわめられていない状態、部分的にたわめられた状態、および完全にたわめられた状態を含む。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧がＶ_HIGHおよびＶ_LOWを含む。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、リボンエレメントが下部構造に接触する。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、リボンエレメントが下部構造の上方に懸架される。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGH、Ｖ_LOW、‐Ｖ_HIGH、および‐Ｖ_LOWを含む。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、イメージの明るいレベルが生成され、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、イメージの暗いレベルが生成される。

この電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、イメージの明るいレベルと、イメージの暗いレベルの間にオーバーラップを伴う遷移領域が存在する。

電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法が、データストリームを提供するステップと、データストリームから、線形アレイ内の各電子機械式格子デバイスに関する少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するステップと、パルス幅変調波形を電子機械式格子デバイスに印加するステップとを含み、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の一方においてイメージ内の明るいレベルが生成され、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の他方においてイメージ内の暗いレベルが生成される。

この電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法は、さらに、データストリームに従って、線形アレイ内の各電子機械式格子デバイスに関する少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の１つを選択することによって明るいレベルおよび暗いレベルを同時に生成するステップを含む。

この電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法は、さらに、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧をＶ_HIGHとＶ_LOWの間において交番することによって明るいレベルおよび暗いレベルを連続的に生成するステップを含む。

この電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法においては、明るいレベルおよび暗いレベルを連続的に生成することが、ラインごとのベースでＶ_HIGHとＶ_LOWを交番することを含む。

この電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法においては、明るいレベルおよび暗いレベルを連続的に生成することが、フレームごとのベースでＶ_HIGHとＶ_LOWを交番することを含む。

この電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法においては、暗いレベルが、異なる強度レベルを伴う第１および第２の暗いレベルを含む。

リボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムが、データストリームを提供するデータソースと、データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するための手段と、パルス幅変調波形をリボンエレメントに印加するための手段を備え、その印加の結果、パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態を通ってリボンエレメントが遷移する。

このリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、リボンエレメントの、少なくとも３つの異なる作動状態が、たわめられていない状態、部分的にたわめられた状態、および完全にたわめられた状態を含む。

このリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧がＶ_HIGHおよびＶ_LOWを含む。

このリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、リボンエレメントが下部構造に接触する。

このリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、リボンエレメントが下部構造の上方に懸架される。

このリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGH、Ｖ_LOW、‐Ｖ_HIGH、および‐Ｖ_LOWを含む。

向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムが、データストリームを提供するデータソースと、データストリームを受信し、データストリームをパルス幅ジェネレータに転送するための、パルス幅変調波形を生成するシリアルパラレルコンバータと、変調ウインドウ内のデータストリームに従ってパルス幅ジェネレータをコントロールするためのクロックと、入射光ビームを複数の回折光ビームに回折するための電子機械式格子デバイスと、電子機械式格子デバイスに印加するための少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の間の選択を行う電圧セレクタとを備え、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の一方においてイメージ内の明るいレベルが生成され、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の他方においてイメージ内の暗いレベルが生成される。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、複数の回折光ビームが、０次、＋１次、‐１次、＋２次、および‐２次を含むグループから選択される。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧がＶ_HIGHおよびＶ_LOWを含む。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGH、Ｖ_LOW、‐Ｖ_HIGH、および‐Ｖ_LOWを含む。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、電子機械式格子デバイスが、懸架されたリボンエレメントを備える。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、リボンエレメントが、たわめられていない状態、部分的にたわめられた状態、および完全にたわめられた状態を含む少なくとも３つの異なる状態を受ける。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、懸架されたリボンエレメントが下部構造に接触する。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、懸架されたリボンエレメントが、下部構造と空間的に離隔される。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムは、投影型ディスプレイシステムである。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムは、プリンティングシステムである。

この向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、電子機械式格子デバイスがレーザによって照明される。

前述の電子機械式格子デバイスを作動するための方法においては、電子機械式格子デバイスをコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとする。

前述の電子機械式格子デバイスを伴うイメージ形成システムにおける向上されたイメージのグレイレベルを生成するための方法においては、電子機械式格子デバイスをコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとする。

前述の電子機械式格子デバイスの線形アレイを含むディスプレイシステムにおける向上されたグレイレベルを生成するための方法においては、電子機械式格子デバイスをコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとする。

前述のリボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるためのシステムにおいては、電子機械式格子デバイスをコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとする。

前述の向上されたグレイレベルを伴うイメージ形成システムにおいては、電子機械式格子デバイスをコンフォーマルＧＥＭＳデバイスとする。

電子機械式格子デバイスが、基板と、基板の上方に懸架される細長いリボンエレメントのセットと、データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するための手段と、パルス幅変調波形を細長いリボンエレメントに印加するための手段とを備え、その印加の結果、細長いリボンエレメントが、パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態を通って遷移する。

この電子機械式格子デバイスにおいては、細長いリボンエレメントの、少なくとも３つの異なる作動状態が、たわめられていない状態、部分的にたわめられた状態、および完全にたわめられた状態を含む。

この電子機械式格子デバイスにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧がＶ_HIGHおよびＶ_LOWを含む。

この電子機械式格子デバイスにおいては、パルス幅変調波形がＶ_HIGHであるとき、細長いリボンエレメントが下部構造に接触する。

この電子機械式格子デバイスにおいては、パルス幅変調波形がＶ_LOWであるとき、細長いリボンエレメントが下部構造の上方に懸架される。

この電子機械式格子デバイスにおいては、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧が、Ｖ_HIGH、Ｖ_LOW、‐Ｖ_HIGH、および‐Ｖ_LOWを含む。

前述した実施態様においては、電圧振幅の選択が各ピクセルイメージに関して独立に行われている。したがって、線形アレイの各電子機械式格子デバイスに印加される電圧振幅を独立に選択することができる。このアプローチは、もっとも高い柔軟性を提供し、もっとも光の効率が高い。光源から充分な照度が使用できる場合には、周期的な態様において電圧振幅を変化させてもよい。たとえば、ラインごとのベースで、あるいはフレームごとのベースで波形をＶ_HIGHからＶ_LOWに、そこから‐Ｖ_HIGHに、さらにそこから‐Ｖ_LOWに遷移させることもできる。このアプローチは、実装がよりシンプルになるが、入射光の概略で半分が無駄になる。

線形アレイ内の２つのコンフォーマルＧＥＭＳデバイスを示した従来技術の斜視図である。線形アレイ内に４つのコンフォーマルＧＥＭＳデバイスを備える従来技術の部分的なカットアウェイ上面図である。非作動状態および完全作動状態におけるコンフォーマルＧＥＭＳデバイスの動作を示す従来技術の断面図である。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスの線形アレイを組み込んだライン‐スキャンディスプレイシステムを示した従来技術の説明図である。単一レベルのパルス幅変調を介した従来技術におけるグレイレベルの生成を示した説明図である。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスに関するグレイスケールを、単一レベルのパルス幅変調を介して得られたグレイレベルとともに示したプロットである。Ｖ＝Ｖ_LOWを伴う部分的な作動状態におけるコンフォーマルＧＥＭＳデバイスの動作を示した、図２の３，５‐３，５線を通る断面図である。Ｖ_LOWおよびＶ_HIGHの選択を例示した、０次および１次の光の強度を電圧の関数として表したプロットである。デュアル‐レベルパルス幅変調を介したグレイレベルの生成を示した説明図である。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスに関するグレイスケールを、デュアル‐レベルパルス幅変調を介して得られるグレイレベルとともに示したプロットである。コンフォーマルＧＥＭＳデバイスに関するグレイスケールを、マルチ‐レベルパルス幅変調を介して得られるグレイレベルとともに示したプロットである。デュアル‐レベルパルス幅変調の生成に使用される電子的なアーキテクチャを示したブロック図である。

符号の説明

５ａコンフォーマル格子デバイス、５ｂコンフォーマル格子デバイス、５ｃコンフォーマル格子デバイス、５ｄコンフォーマル格子デバイス、８アクティブ領域、１０基板、１２ボトム導体レイヤ、１４保護レイヤ、１６スタンドオフレイヤ、１８スペーサレイヤ、２０リボンレイヤ、２２反射および導体レイヤ、２３ａ細長いリボンエレメント、２３ｂ細長いリボンエレメント、２３ｃ細長いリボンエレメント、２３ｄ細長いリボンエレメント、２４ａエンドサポート、２４ｂエンドサポート、２５チャンネル、２７中間サポート、２８ギャップ、２９スタンドオフ、３０光ビーム、３２０次光ビーム、３５ａ＋１次光ビーム、３５ｂ ‐１次光ビーム、３６ａ＋２次光ビーム、３６ｂ ‐２次光ビーム、４５単一レベルのＰＷＭ波形、５０非単調領域、５１デュアル‐レベルＰＷＭ波形、５２積分された光の強度、５４変調ウインドウ、５５単一レベルＰＷＭに関するグレイレベル、６１デュアル‐レベルＰＷＭに関するグレイレベル、６３マルチ‐レベルＰＷＭに関するグレイレベル、７０光源、７２球面レンズ、７４円筒レンズ、７５投影レンズシステム、７７スキャニングミラー、８０コントローラ、８２回転ミラー、８５線形アレイ、９０スクリーン、１００データソース、１０２シリアル‐パラレルコンバータ、１０４クロック、１０５データストリーム、１０６パルス幅ジェネレータ、１０８デバイスドライバ、１１０電圧セレクタ、１１５パラレルデータチャンネル、１２０電子機械式格子デバイス。

Claims

リボンエレメントを備える電子機械式格子デバイスを作動させるための方法であって、
データストリームを提供するステップと、
前記データストリームから、少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧を含むパルス幅変調波形を生成するステップと、
前記パルス幅変調波形を前記リボンエレメントに印加するステップと、
を含み、
前記パルス幅変調波形に対応する少なくとも３つの異なる作動状態に前記リボンエレメントを遷移させ、
前記少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧のうちの比較的大きいＶ _ＨＩＧＨを利用してイメージ内の明るいレベルを生成し、前記少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧のうちの比較的小さいＶ _ＬＯＷを利用することにより、前記Ｖ _ＨＩＧＨを利用した場合に非単調領域を発生させるイメージ内の暗いレベルを生成する、
ことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記少なくとも３つの異なる作動状態は、たわめられていない状態、部分的にたわめられた状態、および、完全にたわめられた状態を含む、
ことを特徴とする方法。
データストリームを提供するデータソースと、
前記データストリームを受信し、パルス幅変調波形を生成するパルス幅ジェネレータに対して前記データストリームを転送するシリアルパラレルコンバータと、
変調ウインドウ内の前記データストリームに従って、前記パルス幅ジェネレータをコントロールするクロックと、
入射光ビームを複数の回折光ビームに回折するための電子機械式格子デバイスと、
前記電子機械式格子デバイスに印加するための少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧の選択を行う電圧セレクタと、
を備え、
前記少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧のうちの比較的大きいＶ _ＨＩＧＨを利用してイメージ内の明るいレベルが生成され、前記少なくとも２つの異なる非ゼロ電圧のうちの比較的小さいＶ _ＬＯＷを利用することにより、前記Ｖ _ＨＩＧＨを利用した場合に非単調領域を発生させるイメージ内の暗いレベルが生成される、
ことを特徴とするイメージ形成システム。