JP4642859B2

JP4642859B2 - 微分干渉光変調器及び画像表示装置

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Publication number: JP4642859B2
Application number: JP2007543210A
Authority: JP
Inventors: ブルーム，デイヴィッド，エム
Original assignee: アルセステクノロジー，インコーポレイテッド
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: JP2008522218A; US20060114542A1; EP1815291A1; US7193766B2; EP1815291A4; US20060187518A1; US7054051B1; CA2588178A1; WO2006057881A1

Description

本発明は一般的に、画像表示装置及び光変調器に関する。特に本発明は、偏光プリズムを有する微分干渉光変調器に関する。

テレビジョンセット及び映画のプロジェクタのようなディスプレイ装置は大抵の場合、2次元パターンすなわち像に光を分配するための変調器を組み込む。たとえば映画1巻に係るコマはプロジェクタランプからの白色光を変調することで、映画スクリーン上で像を生成する形状及び色にする。今日のディスプレイでは、光変調器は、変調器を制御する電子信号に応答して、像中の個々の画素のオン/オフに用いられる。

テキサスインスツルメンツは、デジタルミラーデバイスと呼ばれる、表面上に数百万個の小さなミラーを有する、微小電気機械による集積回路チップの光変調器を導入した。各ミラーは像中の画素に対応する。チップ中の電子信号により、ミラーは動き、かつ様々な方向に光を反射することで明るい画素又は暗い画素を生成する。これについてはたとえば特許文献1を参照のこと。スタンフォード大学及びシリコンライトマシン(Silicon Light Machines)社は、回折光変調器と呼ばれる微小電気機械チップを開発した。このチップでは、回折格子がオン及びオフになることで、光を暗い画素又は明るい画素へ回折することができる。これについてはたとえば特許文献2を参照のこと。

ディスプレイ用であるこれらの反射及び回折光変調法は、光変調素子の2次元アレイを有する。しかし、発光体の1次元アレイ又は高速光変調器に光が入射するディスプレイを作ることも可能である。適切な拡大光学系及び走査ミラーを用いることで、1次元アレイは観察者に2次元像を表示することができる。振動ミラーによる走査によって、同一解像度を有する真の2次元表示を供するのに必要とされる数の列の光変調器が有する機能を、単一列の光変調器で実行することができる。これについてはたとえば特許文献3を参照のこと。

多くの微小電気機械光変調器は、デジタル画像化技術と相性が良い。デジタル情報が変調器へ電子的に送られて良い。たとえばグレイスケール像は、一時的にだけ画素をオンにすることによって実現可能である。デューティサイクル50%で明るい状態から暗い状態へ切り換えられる画素は、観察者には、明るい状態と暗い状態との半分の一定強度を有するように見える。しかし画素は、大雑把には30Hzである人間の目の臨界フリッカ周波数よりも速く、明るい状態と暗い状態との間で切り換えられなければならない。さもなければフリッカが現れる。従ってディスプレイ用の2次元デジタル光変調器は、迅速に状態間を切り換えることで、明るい状態と暗い状態との間の範囲に属する光レベルを表示しなければならない。振動ミラーによって走査されることによって2次元に見える1次元デジタル光変調器アレイは、速い切り換え速度を有する変調器を内蔵しなければならない。各変調器素子は迅速にオンとオフとを切り換えることでグレイスケールの印象を与える。この動作は、ミラーの走査周期の間に、ライン中の各画素について繰り返されなければならない。回折格子による光変調素子は特に、高い切り換え速度を示す。その理由は、これらの機械的素子が非常に短い距離しか動かないためである。回折格子による光変調素子は、平行なリボン構造を内蔵する。そのリボン構造では、交互に配置されているリボンが、静電的にたわむことで回折格子を形成する。リボンは光の波長の1/4の距離を動くだけで回折格子のオン/オフを切り換える。デジタルではなくアナログモードで1次元又は2次元光変調器を動作させることもまた可能である。

回折格子による光変調器に係る一の限界は、回折変調素子を形成するのに少なくとも2つのリボンが必要なことである。従って各画素は少なくとも2つのリボンを必要とし、各リボンはチップ上の貴重な空間を使い尽くしてしまう。回折格子による光変調器に係る他の限界は、コリメートされた光源を必要とすることである。グーデマン(Gudeman)は、回折格子による光変調器と非常によく似た機械的構造に基づく干渉光変調器を提案した。これについてはたとえば特許文献4を参照のこと。グーデマンの光変調器は、リボン構造に基づいたファブリペロー干渉計の形式である。

上述した、テキサスインスツルメンツのデジタルミラーデバイス及びスタンフォード大学/シリコンライトマシン社の回折格子による光変調素子に代表される微小電気機械光変調器はすでに、広範囲にわたって商業的成功を享受し、かつ他の関連した設計を生み出してきた。これについてはたとえば特許文献5を参照のこと。しかしこれらも限界がないわけではなく、改良の余地がある。
米国特許第4710732号明細書米国特許第5311360号明細書米国特許第5982553号明細書米国特許第6466354号明細書米国特許第6724515号明細書米国特許第5908981号明細書米国特許第7054051号明細書米国特許第5611005号明細書米国特許第6522792号明細書

デジタルミラーデバイスは比較的遅いので、大抵の場合2次元ミラーアレイとして供給される。大抵の場合、2次元変調器アレイは、1次元変調器アレイを作製するよりも高価で、かつ高度なミラーのアドレス指定方法を必要とする。2次元アレイでは、欠陥を発生させることなく広いチップ領域にわたってN×N個の画素を製造する必要がある一方で、同一の像解像度を有する1次元アレイでは、チップ上にある単一ライン中のN個の駆動画素しか必要としない。

回折格子による光変調素子は非常に速い反面、上述したように、1画素につき2つ以上のリボン構造を必要とする。これらはまた、回折による限界によっても影響される。回折格子による光変調器は、反射状態すなわち反射配置、及び回折状態を有する。回折状態では、入射光は、回折格子の+1及び-1の回折オーダーに回折される。しかし光の約80%がこれら2つのモードに回収される。高次に回折される光は失われ、全体としての光の効率は落ちる。

回折格子に基づいた素子は、回折光を回収するのに高開口数の光学素子を用いる。変調器にとっては、より単純かつ低開口数の光学系の利用が可能であることが望ましい。回折格子に基づく素子はまた、暗い状態での高コントラストの実現、つまり像中での黒い領域の表示に困難を伴う。既存の変調器設計に係る多くの限界を可能な限り回避する光変調器が強く望まれている。

本発明の一の態様は画像表示システムを構成するスキャナ及び投影光学系と組み合わせられた新規の干渉光変調器を提供する。光変調器は、偏光敏感プリズム及び新規MEMS素子を内蔵することで、入射光ビームの偏光成分に相対的な位相シフトを与える。MEMS素子中の位相シフト素子の1次元アレイは1次元像を生成する。その1次元像が走査されることによって2次元像が生成される。

本発明の別な態様はMEMS素子の代わりに原子間力顕微鏡のカンチレバーの1次元アレイを提供する。この用途では、本発明の態様は1次元アレイ中の各カンチレバーのたわみを同時に計測する素子を提供する。

図はわかりやすくするため、図を見ることで本発明を自分で理解できるように描かれている。本発明に係る上記及び他の特徴、態様及び利点は、以降の説明、請求項及び図を参照することで十分に理解される。

本発明の態様は、観察者に像を表示するシステムとして、新規の光変調器、スキャナ及び投影光学系を提供する。当該システムは高コントラスト及び速度を含む複数の望ましい特性を有する。

本発明の態様に従うと、新規の光変調器は、偏光プリズムを内蔵することで光ビームを直交する偏光成分に分解する。これらの偏光成分は変調器中でそれぞれ異なる距離を進行し、それぞれ異なる距離を進行した後にプリズム中で再結合する。一の偏光成分が他の偏光成分に対して位相シフトするとき、再結合ビーム全体としての偏光は変換される。続いて再結合ビームの偏光は偏光ビームスプリッタによって解析される。偏光ビームスプリッタからの光強度出力は入射光ビームの偏光状態に依存する。入射光ビームの偏光状態も同様に偏光成分の相対的位相シフトに依存する。

変調器中で直交する偏光成分への位相シフトは、それらの成分を集光し、かつ設計された平坦でない表面で反射させることによって与えられる。この位相シフト表面は、わずかに異なる変位を有する領域を有する。その変位によって、光ビームは反射の際、わずかに異なる距離を進行する。より具体的には、リボン表面から反射される光ビームの位相シフトを変調するのに用いられる、新規の微小電気機械システム(MEMS)リボンアレイ素子が供される。

MEMSリボンアレイ素子は、従来素子と比較して複数の利点を有する。そのような利点には、素子中の単一リボンは1次元像中の単一画素を表すという特性が含まれる。さらに、素子の非活性領域は同一の表面高さで存在するため、表示像中にアーティファクトを発生させない。同一表面高さでの素子中の特徴は、素子から反射される光での相対的な位相変調を引き起こさず、その結果干渉計の出力が現れないことである。

さらに、たとえ本発明の態様が以降において、画像表示への適用可能性について基本的に説明されているとしても、たとえば原子間力顕微鏡(AFM)カンチレバーの1次元アレイ中でのカンチレバー位置の同時読み取りのような他の機能を有利に実行するのに用いられても良い。アレイAFMの読み取りが単純であることは、先端技術の半導体製造において大きな利点となる。なぜならAFMは表面の評価及びリソグラフィの両方にとって有用だからである。あるいはその代わりに、可動式カンチレバーのアレイが、ディスプレイ用の位相シフト素子としてのMEMSリボンの代わりに用いられても良い。

本発明の特定態様をより明確に理解するため、図1A及び図1Bにそれぞれ図示されているウォラストンプリズム100及びロションプリズム150のような複屈折光学プリズムの特性について簡単に概説することは有用である。これらの偏光プリズム各々の重要な特徴は、入射光ビームを直交する偏光成分に分解し、その各成分はそれぞれ異なる方向でプリズムから射出することである。

図1A及び図1Bの各々では、直線偏光光ビーム102又は直線偏光光ビーム152がプリズムの面のうちの1つに垂直入射する。図の面内での偏光成分及び図の面に垂直な偏光成分が、それぞれ両頭矢印及び標的印で示されている。

図1Aに図示されたウォラストンプリズムでは、光の偏光成分のうちの一はプリズムの光学軸と垂直に配向している。その成分は通常波すなわち”o”波と呼ばれる。光の偏光成分のうちの他はプリズムの光学軸と平行に配向している。その成分は異常波すなわち”e”波と呼ばれる。ウォラストンプリズムは、2つのくさび形を有する複屈折材料104及び106を有する。複屈折材料はたとえば石英又は方解石である。そのくさび形を有する複屈折材料は同一の大きさ及び形状を有する。しかしそれらが1つになってプリズムを形成するときには、互いの光学軸が直交するように配置される。

くさび形を有する複屈折材料104では、光学軸は、図の面と垂直な方向108に配向する。その一方で、くさび形を有する複屈折材料106では、光学軸は、図の面内でかつ光ビーム102の伝播方向と垂直な方向110に配向する。

ウォラストンプリズム内部では、o波とe波とでは感じる屈折率がわずかに異なる。石英プリズムでは、屈折率の差は約0.6%である。たとえば石英のような正の単軸結晶では、o波の感じる屈折率の方がわずかに小さいため、o波はe波よりも速く進行する。たとえば方解石のような負の単軸結晶では、e波が感じる屈折率の方が小さいため、e波はo波よりも速く進行する。

e波及びo波がウォラストンプリズムを構成する2つの複屈折材料間の境界に到達するとき、これらの波は屈折する。それに加え、結晶の光学軸の配向は、プリズムの第1複屈折材料でのe波がプリズムの第2複屈折材料ではo波となり、かつ、その逆も起こるようになっている。正味の効果は、入射波が、直交する偏光成分112及び114に分解される。これらの成分はプリズムからそれぞれ異なる方向に射出される。2つの波がなす角は、プリズムを構成する2つのV字複屈折材料の頂角の関数である。

図1Bに図示されているロションプリズムはウォラストンプリズムと似ている。ただし、入射光ビーム152が、プリズムの第1のくさび形を有する複屈折材料154へ、結晶の光学軸158と平行に入射する点は異なる。ビームが、ロションプリズムを構成する2つのくさび形を有する複屈折材料の境界を通過するとき、そのビームは第2のくさび形を有する複屈折材料156に入射する。ここで、光学軸160は伝播方向に垂直で、かつ光はo成分及びe成分に分解される。o波162は角度変化を伴わずにプリズム全体を通過する一方で、e波164は本来の伝播方向からたわむ。セナルモンプリズム（図示されていない）はロションプリズムと非常に似ている。ただし、プリズムの第2のくさび形を有する複屈折材料での光学軸の配向は、e波が直進して通過する一方でo波が偏向されるようになっている点は異なる。

ウォラストンプリズム、ロションプリズム、セナルモンプリズム及び他の複屈折プリズムは、くさび形を有する単軸の複屈折性結晶で作られて良い。単軸の複屈折性結晶とはたとえば、石英、方解石、電気石、硝酸ナトリウム又はルチル(TiO₂)である。くさび形を有する複屈折材料は、グリセリン又はヒマシ油で接合されることがある。光出力の取り扱いに関する要求が高い場合には全く接合されないこともある。

図2Aは、本発明の態様に従った干渉光変調器を図示している。当該光変調器は、光源、複数のレンズ、偏光依存光学系、及び反射性位相シフト表面を有する。その偏光依存光学系は、偏光ビームスプリッタ、光学的1/2波長板、及びウォラストンプリズム又はロションプリズムのような複屈折プリズムを有する。位相シフト表面は、たとえば1/4波長ステップ表面、MEMSリボン素子、又はAFMカンチレバーアレイのような複数の形態のうちの如何なる1つを採っても良い。

図2の視点は、単一の位相シフト表面のみを有する変調器の動作が視覚的にはっきりと理解できるような場所である。しかし以降で説明するように、本発明の態様に従った干渉光変調器は、1次元アレイを構成する位相シフト表面によって同時に動作させることが可能である。たとえば、MEMSリボン素子224の側面は、図3に図示されている1次元アレイを構成するMEMSリボン素子300の側面302に相当する。同様に、AFMカンチレバー226の側面は、1次元アレイを構成するAFMカンチレバーの第1カンチレバーの側面を表して良い。

図2Aで概略的に図示されている干渉光変調器200は、本発明の態様に従ったディスプレイシステムの重要部分である。ディスプレイシステムの他の部分には、走査素子及び投影光学系が含まれる。

図2Aでは、光は光源202によって発生し、アパーチャ203を介して放出される。光源202は、ランプ、レーザー又は他の光源であって良い。アパーチャ203は、小さな穴又はスリットであって良い。あるいはその代わりに、アパーチャ203は、光源そのものの形状に固有なものであっても良い。たとえばレーザービームは小さなスポットに集光されて良く、又はランプは細長いフィラメントを有して良い。さらに光源は、環状、細長スリット状、又は、他の横方向の形状を放出光に供することを目的としたビーム成形光学系（図示されていない）を内蔵して良い。スリット、線源、シリンダレンズ、パウエルレンズ、及び他の集光光学系はすべて、光源を成形するのに用いられて良い。

光源202からの光はレンズ204上に入射する。レンズ204はほぼ1焦点距離だけ離れて設けられているので光を平行にする。レンズ204を通過した後、光は、レンズ212によって、たとえば1/4波長ステップ表面222、MEMSリボン素子224又はAFMカンチレバー226のような位相シフト表面に集光される前に、複数の光学素子を通り抜ける。

レンズ204とレンズ212との間にある光学素子は、偏光ビームスプリッタ206、光学的1/2波長板208、及びウォラストンプリズム210のような複屈折プリズムである。たとえこれらの素子が図では別個の素子として図示されているとしても、これらは単一光学素子として組み合わせられても良い。

光学的1/2波長板208は任意である。変調器の光学的調整中に1/2波長板が含まれていると好都合なので、1/2波長板208は含まれている。1/2波長板208が含まれない場合には、ウォラストンプリズム及び位相シフト表面をレンズ212の光軸の周りに45°回転させなければならない。光学的1/2波長板208を用いることによって、光学部品の光学的位置合わせが容易になり、かつ図2Aのような概略図で光学部品を描くのも容易になる。

偏光ビームスプリッタ206及び複屈折性ウォラストンプリズム210を単一のロションプリズム又はセナルモンプリズムに置き換えることによって、本明細書で詳細に説明した変調器と厳密に同一な方法で動作する変調器を構築することも可能である。そのような変調器は光源202近傍だが、その光軸に対してずれている像平面（像平面216と類似している）を有する。レンズ204は追加的にレンズ214の機能を与える。

光が位相シフト表面から反射された後、光は、レンズ212、プリズム210及び光学的1/2波長板208を、この順序で通り抜ける。続いて変調光は偏光ビームスプリッタ206によってレンズ214へ向かって導光され、最終的には像平面216で集光される。

上述の干渉光変調器の光学素子は、入射光ビームを2つの偏光成分に分解する。それらの成分は空間的に別個の経路を進行し、続いて一の経路を進行する光が他の経路を進行する光に対して位相シフトを起こした後に、ビームを再結合する。このことがどのようにして生じるのかを理解するため、レンズ204によって平行にされた光源202からの光について検討する。偏光ビームスプリッタ206は、入射した直線偏光成分の光を通過させる。続いて直線偏光した光は、偏光を45°回転させるように配向する光学的1/2波長板208を通り抜ける。換言すると、光はここで、同位相である、図の面内の偏光成分及びそれに垂直な成分を有する。この光は、ウォラストンプリズム210によって、2つの異なる伝播方向へ分解される。一の偏光218は図中の上方向へ偏向される一方で、他の偏光220は下方法へ偏向される。これら2つのビーム218及び220は、1/4波長ステップ表面222のような位相シフト表面上に集光される。ウォラストンプリズムは、入射光ビームが2つに分解される位置が、レンズ204とレンズ212との間の中間でかつ、両レンズから1焦点距離だけ離れているような位置に設けられている。レンズ212は空間フーリエ変換を実行するので、一のレンズ焦点面での、ウォラストンプリズム210で生成される光ビーム間の角度の差異は、他のレンズ焦点面での、焦点スポットの横方向変位となる。従って、光ビーム218及び光ビーム220は両方とも、1/4波長ステップ表面222に垂直に到達するが、レンズ212の光軸からは横方向に変位する。光ビーム218及び光ビーム220は1/4波長ステップ表面222で反射されて反対方向に進行し、ウォラストンプリズム210内で再結合する前にレンズ212を介してそのまま反対方向に進行する。結合ビームは2度目となる光学的1/2波長板208の通過をする。その偏光は1度目に通過したときとは反対方向に45°回転する。この点での偏光状態に依存して、ビームは続いて、レンズ204及び光源202へ向かって偏光ビームスプリッタ206を通り抜けるか、又はレンズ214及び像平面216へ向かって偏光ビームスプリッタ内で反射される。

光がレンズ214へ向かって反射されるのか、又はレンズ204へ向かって直進して通過するのかは光の偏光に依存する。よって光の偏光は、図の面内の偏光成分とそれと垂直な偏光成分との間の位相関係によって決定される。これらは偏光成分218及び偏光成分220であり、ウォラストンプリズムが本来の入射光を分解することによって生じた成分である。偏光成分間の位相関係は光路長に依存する。光路長とは、光ビームがウォラストンプリズム中で分解されるときに各成分が進行し始め、それらの成分がプリズムを介した復路で再結合するまでの距離である。結局、光路長差は、光ビーム218及び光ビーム220がレンズ212によって集光される位相シフト表面の幾何学的構造に依存する。

位相シフト表面が1/4波長ステップ表面222である場合、光ビーム218及び光ビーム220の光路鎖は光の波長の1/2である。この理由は、1/4波長ステップ表面222のステップ高さが光の波長の1/4だからである。従って位相シフト表面からの反射の際、光ビーム218は、2×（光の波長の1/4）すなわち光の波長の1/2だけ光ビーム220よりも先に進行する。光ビーム218及び光ビーム220がウォラストンプリズム210で再結合するとき、再結合した光ビームの偏光は、その偏光成分の位相遅れにより90°変化する。

光の偏光が90°変化することで、光はレンズ204へ向かって透過するよりも、ビームスプリッタによって反射されてレンズ214へ向かう。結局、光は像平面216で集光される。従って、直交する偏光光ビーム218及び光ビーム220を反射する、表面での光の波長の1/4に相当する高低差により、像平面216で光出力は最大となる。MEMSリボン素子224（図3も参照のこと）が1/4波長ステップ表面222に代わって用いられるとき、像平面216での光強度がsin²(2πx/λ)に比例することは、すぐに確かめることができる。ここで、xは直交する偏光光ビーム218及び偏光光ビーム220を反射する表面の高低差で、λは光の波長である。たとえば電圧320がMEMSリボン306及びMEMSリボン307へ印加されるとき（図3に図示されているように）、x=D₁-D₂である。

干渉計の動作地点は、ウォラストンプリズム210をレンズ204及びレンズ212によって画定された軸に対して垂直に並進させることによって調節されて良い。その調節の際には、2つのくさび形を有する複屈折性材料で形成されるプリズムを光が通り抜けるとき、その光が通り抜けた材料の量が異なるようにする。一例として、このような調節は、図3の電源320がゼロに設定されるときに干渉計が最小出力を有するように設定するのに用いられて良い。

干渉計では、光ビーム218及び光ビーム220は直交して偏光している。しかし、直線偏光する2つのビームにとっては必要なことではなく、望ましくない場合もある。たとえば反射性位相シフト表面（たとえば222、224、226）が、入射光を反射する際に偏光に依存した損失を与える場合には、垂直な直線偏光は望ましくない。直線ではないが直交する偏光はたとえば、ウォラストンプリズム210とレンズ212との間に光学的1/4波長板を設けることによって実現されて良い。それにより光ビーム218及び光ビーム220は直交した円偏光となる。これらの光ビームは、偏光に依存する損失を与える反射性表面に入射するときに、同じ損失に悩まされる。

図2Aに図示されている干渉計中の像平面216で現れる1次元アレイの出力は走査され、かつ図2で図示されているように投影される。図2では、走査ミラー、投影光学系及び観察スクリーンが図示されている。走査及び投影系は、干渉計によって画素線の出力を2次元像として観察者に表示することを可能にする。

図2Bでは、破線の四角250で囲まれている光学系は図2Aで図示された光学系の斜視図である。斜視図250では、光源252が図2Aの光源202及びアパーチャ203として用いられるとき、位相シフト素子272が1次元アレイの位相シフト表面を有して良いことは明らかである。1次元アレイの位相シフト表面とは、たとえば表面222、表面224又は表面226のアレイのようなものである。

図2Bでは、レンズ254、レンズ262、及びレンズ264は、図2Aのレンズ204、レンズ212、及びレンズ214にそれぞれ対応する。同様に、偏光ビームスプリッタ256、光学的1/2波長板258及びウォラストンプリズム260は、偏光ビームスプリッタ206、光学的1/2波長板208及びウォラストンプリズム210に対応する。結局、像平面266は像平面216に対応する。

図2Bでは、投影レンズ280は像平面266で生成された線画像を拡大する。その拡大された像290は観察スクリーン295上に現れる。走査ミラー285は、観察スクリーン295にわたって線画像290を前後に走査すなわち掃引する。そのような掃引は、観察者がスクリーン上で2次元像を見るのに十分な程度に速く行われる。ミラー285を往復回転すなわち振動させることで、線画像290は横方向に移動する。

図3は、本発明の態様に従ったMEMSリボン素子の上面300及び側面302を示している。その素子は柔軟性を有する反射性リボンの1次元アレイを組み込んでいる。各リボンの目的は、上述の干渉光変調器200の位相シフト表面を形成することである。

図3に図示されたMEMSリボン素子中の各リボンは、その両端部で支持体312及び支持体310によって支持され、かつ前記両端部の間の地点で支持体308によっても支持される。中間の支持体308は意図的に、端部支持体312と端部支持体310との間の中間地点から離れた地点に設けられる。図では、支持体308は支持体312よりも支持体310に近い地点に設けられている。支持体312と支持体310との間の距離はL₁で表され、支持体308と支持体310との間の距離はL₂で表される。L₁>L₂である。支持体312、支持体308、及び支持体310は強固な底部304に固定されている。

検討するためには、図示されているように、たとえばリボンセグメント306及びリボンセグメント307のような2つの部位から構成されるアレイ中の各リボンについて言及するのが便利である。しかしセグメント306及びセグメント307は、同一リボンの一部とみなされる。セグメント306の移動は、セグメント307の移動とは分離している。その理由は、リボンは支持体308に固定されているからである。

図3に図示されているMEMSリボン素子中のリボンは光を反射する。リボンはまた導電性もあるが、支持体312、支持体308、及び支持体310は絶縁体である。側面302に図示されているように、素子中のリボンと導電性底部304との間に電圧が印加されるとき、素子中のリボンは静電力によってたわむ。

たとえば電源302によってリボンと底部304との間に電圧が印加されるとき、リボンは底部に向かうように曲がる。しかしリボンセグメント306とリボンセグメント307とでは曲がりの大きさが異なる。リボンセグメント306は距離D₁だけ曲がる一方で、リボンセグメント307は距離D₂だけ曲がる。距離D₁は距離D₂よりも大きい。なぜなら長さL₁は長さL₂よりも長いからである。単一のリボンに単一の電圧が印加されることで、リボンのセグメント306及び307はそれぞれ異なる距離だけたわむことを明記することは重要である。リボンは、干渉計の位相シフト素子を形成する。

MEMSリボン素子中の各リボンは、その電圧信号によって動作する。従って各リボンは、図2Aの干渉計で用いられる位相シフト表面を表す。1次元アレイのリボンが、細長又はスリット形状の光源を組み込んでいる干渉計中で照射されるとき、各リボンは1次元画素アレイ中の1画素を表す。

MEMSリボン素子中の複数のリボンが、細長いスリット形状の光ビームによって照射されるとき、光の一部はリボンの間に入り込み、底部304によって干渉計304へ戻されるように反射される。しかし底部は平坦であるため、リボンセグメント307近傍に入り込む光に対する相対的な位相シフトをリボンセグメント306近傍に入り込む光に与えない。従って干渉計の特徴の1つは、支持体及び底部構造が出力に現れないことである。換言すれば、干渉計は、暗い状態での高コントラストを実現する高いコモンモード阻止を有する。同一の理由により、干渉計はまた、装置の振動によって生じるコモンモードのアーティファクトをよく阻止する。

図3のMEMSリボン素子は、シリコン微細加工技術を用いて製造された。図4は、リボン素子用のプロセスフローを図示している。リボンはシリコン窒化物で作られる。リボンはアルミニウムでメタライズされ、全体構造はシリコンウエハ上で支持される。

図4では、工程Aは、シリコンウエハ410を図示している。シリコンウエハ410上には、二酸化シリコン層420が成長し、かつ多結晶シリコンの犠牲層430が堆積した。工程Bでは、ビア435は標準的なリソグラフィ技術を用いることによって、多結晶シリコン層430にパターニングされた。工程Cでは、シリコン窒化物層440が堆積された。シリコン窒化物層440は、ポリシリコン層430を覆い、かつビア435をも埋める。工程Dでは、シリコン窒化物層440は、標準的なリソグラフィ技術を用いることによってパターニングされる。工程Eでは、犠牲層である多結晶シリコン層430は、標準的なリソグラフィ技術を用いることによって除去される。最終的に工程Fでは、アルミニウムメタライゼーション層450が堆積される。

図4と図3とを比較すると、底部304がシリコンウエハ410によって実現されるのは明らかである。リボン306、リボン307、及びそれらの支持体308、310及び312はシリコン窒化物層440によって形成される。微細加工技術分野の当業者には、図4で与えられた基本プロセスフローに係る可能な変化型が多数存在することが容易に分かる。

本明細書で説明した干渉ディスプレイ素子は、さらに原子間力顕微鏡にも用いられる。簡単に説明すると、原子間力顕微鏡は、小さくて柔軟性を有するカンチレバーを有し、そのカンチレバーの自由端には、先の尖ったチップがマウントされている。カンチレバーは、レコードプレーヤーの針のように表面上を動く。

原子間力顕微鏡(AFM)に係るカンチレバーの曲がりを計測するための様々な光学的及び電子的方法が開発された。それらの方法は、AFMチップが単一原子の大きさ程度に変位するときにもカンチレバーの動きを検出することができるほど敏感である。最も一般的に利用されている方法は光てこ(optical lever)として知られ、レーザービームでカンチレバーを照射する工程を有する。ビームは反射され、反射光強度は、カンチレバーから数cm離れた場所に設けられる分離した光検出器によって検出される。単一のカンチレバーのたわみを観察する最近の干渉計技術については特許文献6で説明されている。

最近では、研究者は単一のカンチレバーよりも1次元アレイのカンチレバーを有するAFMを作製する。しかしアレイ中の各カンチレバーのたわみを計測するのは困難である。図2Aに図示されている上述の干渉計は、アレイ中の各AFMカンチレバーのたわみを計測するのに用いられて良い。カンチレバーアレイは、干渉計中の位相シフト表面として、MEMSリボン素子に取って代わる。具体的には、カンチレバー226が表面228上をなぞることで曲がるとき、たとえば光ビーム218及び光ビーム220のような、カンチレバーの表面に入射する光ビームは、カンチレバーの各異なるセグメントまでの各わずかに異なる距離を進行した後に反射される。カンチレバーの1次元アレイ全体は、像平面216に光検出器の1次元アレイを設けることによって観察されて良い。

カンチレバー上での光ビーム218と光ビーム220とを分離させるには、ウォラストンプリズム210に係るV字構造の頂角及びレンズ212の焦点距離を都合良く選ぶことによって選択されて良い。光ビーム218及び光ビーム220の集光スポットが互いに近接している場合、又はカンチレバーの底部近傍に位置する場合、たとえ自由端のたわみが干渉計に用いられている光の半波長よりも大きく変位しても、そのたわみを明確に推定することができる。

実際、本明細書で説明されている干渉計素子は、単一位相シフト表面素子又は該素子のアレイを観察することが望ましい如何なる状況にも適用可能である。かつ位相シフト表面それ自体が制御されるときには、干渉計、走査素子及び投影素子と協力して像を生成するのに用いられて良い。制御可能な位相シフト表面アレイはたとえば、本明細書で説明したMEMSリボン素子、及び原子間力顕微鏡で用いられるようなマイクロカンチレバーのアレイを含む。

上述の画像表示装置は、光ビームをその偏光成分に対応した各異なる光路に分解する偏光プリズム、偏光プリズム中で光が再結合する前に光路中の光に相対的位相シフトを与える微小電気機械素子、再結合ビームを走査する走査ミラー、及び、再結合ビームを拡大する投影レンズ、を有する。

実施例に係る画像表示装置はウォラストンプリズムを有する。

実施例に係る画像表示装置はロションプリズム又はセナルモンプリズムを有する。

実施例に係る微小電気機械素子は、薄い反射性リボン、リボンの各端部に設けられた端部支持体、端部支持体間に設けられた中間支持体、及び底部、を有する。

上述の原子間力顕微鏡は、光ビームをその光の偏光成分に対応する様々な光路に分解する偏光プリズム、及び、光路中の光に相対的位相シフトを与える原子間力顕微鏡カンチレバー、を有する。

上述の画像表示装置は、各々が別の光路を進行する偏光成分に光ビームを分解する偏光プリズム、及び、各光路中の偏光成分に相対的位相シフトを与える位相シフト表面素子、を有する。

実施例に係る画像表示装置は電気的に制御される位相シフト表面を有する。

実施例に係る画像表示装置は位相シフト素子の1次元アレイを有する。

実施例に係る画像表示装置は走査ミラー及び投影レンズをさらに有する。

本発明の開示から当業者は、既存の又は将来開発される、実質的に同一の機能を実行する、又は、本発明に記載された対応する実施例と実質的に同一の結果を実現する処理、機械、製造法、手段、方法又は工程が本発明に従って利用可能であることを理解する。従って、「請求の範囲」に係る請求項は、そのような処理、機械、製造法、手段、方法又は工程の範囲を含むと解される。

本発明が現時点で最も実用的でかつ好適実施例と考えられているものに関連して説明されたとしても、本発明は開示された実施例及び記載された代替実施例に限定されず、「請求の範囲」で規定される範囲に含まれる様々な修正型及び均等物をも網羅すると解される。

Aはウォラストンプリズムを介した光の伝播を概略的に図示し、Bはロションプリズムを介した光の伝播を概略的に図示している。干渉光変調器及び様々な位相シフト表面を図示している。図2Aの変調器、走査ミラー、投影レンズ及び観察スクリーンを有する像表示システムを図示している。 MEMSリボン素子を概略的に図示している。 MEMSリボン素子製造方法の工程を図示している。

Claims

光ビームを各異なる光路に分解し、該光路は前記光の偏光成分に対応する、偏光プリズム；
前記偏光プリズム中で再結合する前に、前記の各異なる光路中の光の偏光成分に相対的位相シフトを与える微小電気機械素子；
を有する干渉光変調器。
前記偏光プリズムがウォラストンプリズムである、請求項１に記載の干渉光変調器。
前記偏光プリズムがロションプリズム又はセナルモンプリズムである、請求項１に記載の干渉光変調器。
前記微小電気機械素子が：
薄い反射性リボン；
前記リボンの各端部に設けられた端部支持体；
前記端部支持体間に設けられた中間支持体；及び
底部；
を有する、
請求項１に記載の干渉光変調器。
前記微小電気機械素子がマイクロカンチレバーを有する、請求項１に記載の干渉光変調器。
前記マイクロカンチレバーが原子間力顕微鏡用カンチレバーである、請求項５に記載の干渉光変調器。
前記微小電気機械素子が微小電気機械リボンアレイ素子で、かつ
前記微小電気機械リボンアレイ素子は、前記リボンの表面から反射される光ビームの位相シフトを変調する能力を有する、
請求項１に記載の干渉光変調器。
前記偏光プリズムが複屈折プリズムである、請求項１に記載の干渉光変調器。
請求項１に記載の干渉光変調器を有する画像表示装置であって：
再結合ビームを走査する走査ミラー；及び
前記再結合ビームを拡大する投影レンズ；
をさらに有する、画像表示装置。
請求項１に記載の干渉光変調器を有する原子間力顕微鏡であって、
前記微小電気機械素子は前記光路中の光に相対的位相シフトを与える原子間力顕微鏡用カンチレバーを有する、原子間力顕微鏡。
請求項１に記載の干渉光変調器を有する原子間力顕微鏡であって、
前記微小電気機械素子は各光路中の前記偏光成分に相対的位相シフトを与える微小電気機械位相シフト表面素子を有する、画像表示装置。
前記微小電気機械位相シフト制御表面素子が電気的に制御される、請求項１１に記載の装置。
前記微小電気機械位相シフト制御表面素子が位相シフト素子の１次元アレイを有する、請求項１１に記載の装置。
走査ミラー及び投影レンズをさらに有する、請求項１３に記載の装置。