JP2001500629A - コンパクトディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コンパクトディスプレイシステムは、視認面（３０）と；ビーム操作機構（２８）と；視認面（３０）およびビーム操作機構（２８）から離間した光源（２６）と；光源から視認面（３０）への照射を行うために、光源と視認面（３０）とを接続する少なくとも一つの導波路（２４）と；を備えている。ビーム操作機構（２８）は、導波路により視認面上に伝送された照射をスキャンするために、導波路（２４）および視認面（３０）と関連づけられている。光源を変調するための変調器（３２）と；該変調器とビーム操作機構とを同期させるためのサブシステムとを備えている。ただし、導波路の末端部およびビーム操作機構のみが視認面の近傍に配置されている。これにより、眼鏡に取り付けることができるさらにコンパクトなディスプレイを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 コンパクトディスプレイシステム 発明の属する技術分野 本発明は、ヘッドマウント式または携帯式ディスプレイ等の小型ディスプレイ に関する。より詳細には、本発明は、特に光ファイバによる低パワーでコンパク トな画像伝送に適した、光信号伝播処理システムと、効率的な画像再構築とを用 いて形成されたディスプレイシステムに関する。 本発明の背景 ヘッドマウント式ディスプレイ（例えば小型ディスプレイを組み込んだヘルメ ット、ゴーグルおよび眼鏡）および、英数字、グラフィックまたはビデオの形式 とされたデータを供給する他のリモート式コンパクト型ディスプレイシステムは 、アビオニクス、医薬および娯楽の分野並びに多くの他の分野で用いられている 。例えば米国特許第５，３４８，４７７号明細書；来国特許第５，２８１，９６ ０号明細書；４，８０６，０１１号明細書；５，１６２，８２８号明細書を参照 されたい。例えば、このようなシステムは、航空機パイロットが、航空機周囲の 状況に気を配るとともに目視をも維持しつつ、航空機の機器を見ることができる ものである。このシステムは、通訳装置等の他の分野にも使用することができる 。例えば米国特許第４，３１１，９９９号明細書を参照されたい。 たいていの従来技術によるヘッドマウント式ディスプレイは、画像を表す電子 ディジタルまたはアナログ信号をヘッドマウント式ディスプレイに伝送すること により操作される。ディスプレイ内または近傍の電子回路は、ディスプレイ内の 電気光学手段と組み合わされて、画像面上で視認するための光学画像へと電子信 号を変換する。例えば、陰極線管は、ラスタスキャンされる電子ビームの強度を 変調するための同期された電子アナログ信号を利用する。この電子ビームは蛍光 体上で電気光学効果を順次引き起こし、これにより光学画像が形成される。第二 の例としては、液晶ディスプレイである。これは、電気光学液晶の配列を変調す るために電子信号が用いられ、これにより電気信号を光学画像に変換するもので ある。 従来技術による電子ディスプレイの第一の制限としては、電子信号を光学両像 に変換するために必要とされる電子回路要素および電気光学部材は、かさばり、 ディスプレイシステムに対して重量を加え、電力を消費し、さらに熱を放出する ものである。これらの要素は、眼鏡のフレームの一部分として組み込まれる高解 像度のヘッドマウント式ディスプレイに対して特に制限を加えるものである。例 えば、米国特許第４，８０６，０１１号明細書には、眼鏡内に取り付けられた時 計を一例として備えた単純なディスプレイが示されている。各ディジット（digi t）が七つのセグメントによる数字のディスプレイを備えている場合、時計用デ ィスプレイは２８ピクセルしか要求せず、特に低い解像度とされている。今日の カラービデオグラフィックアレイ（VGA）に使用されるようなコンピュータ用デ ィスプレイに必要とされるレベルまでピクセル数が増加した場合には、６４０ｘ ４８０ｘ３（または９２１，６００）のピクセルが必要とされる。高解像度ディ スプレイを実現する電子回路要素はさらに複雑となり、従って眼鏡内に組み込む にはさらに困難になる。さらに発展させて何百万ものピクセルを備えたディスプ レイを想定すると、この困難性はさらに制限となってくる。例えば、６０Ｈｚの フレームレート（frame refresh rate）で操作される一色あたり８ビットのグレ ースケールを有する１２８０ｘ１０２４ディスプレイに対しては、１秒あたり２ ３６メガバイトものデータが必要とされる。この容量を実現する高速電子回路要 素は、熱を発散し、（追加的に体積および重量をもたらす遮蔽物が必要とされる ）電磁妨害を放出する。したがって、集積回路技術を用いたとしても眼鏡内に容 易に組み込むことができない。このことは、この種の従来技術のヘッドマウント 式ディスプレイ内で熱を発生する電子回路だけでなく、通常効率が悪い光発生電 気光学部材もまた同様である。エレクトロルミネセンス素子、発光ダイオードお よび電界放射装置もまた熱を発生する。液晶ディスプレイは熱を放射しないが、 このようなディスプレイは、熱を発生する光源が背面に配置されている。これら のディスプレイが人体、特に頭部の近傍に取り付けられる用途に対しては、熱が 発生することによる人体への熱輸送を遮断するべく、遮蔽物、ヒートシンク等が 必要とされ、これにより重量および体積が増加させられることになる。したがっ て、コ ンパクト性を高めたシステム内にこれらディスプレイを組み込むことは困難であ る。 従来技術によるヘッドマウント式ディスプレイの第二の形式は、ＣＲＴ等の離 間したディスプレイから所望の画像面位置まで画像を中継するために、可干渉性 を有するファイバ束を使用するものである（例えば米国特許第５，３４８，４７ ７号明細書参照）。このようなディスプレイは、イメージを変換するための信号 を使用しない。むしろ、画像は可干渉性ファイバ束により保存され、該ファイバ 束は、ＣＲＴ（または他のディスプレイ）画像面から使用者の目の近傍の離間し た画像面へと光子を中維する。したがつて、このようなアプローチは、ヘッドマ ウント式システムへの信号変換を採用するアプローチとは全体として異なってい るとともに、ずっと単純化されている。この種の従来技術によるディスプレイの 変形例は、米国特許第５，２８１，９６０号明細書に開示されている。可干渉性 ファイバ束の位置は、解像度を向上させるために振動させられる。しかし、画像 面を中継する操作の原理は、振動を行わないより単純な場合と同様である。これ らのディスプレイは、可干渉性ファイバ束があまりコンパクトではないという制 限を有している。さらに、光解像度システムに対する媒体に関して、可干渉性フ ァイバ束は、曲げることができないという制限をさらに有する。さらなる制限は ファイバ束に必要とされる体積である：典型的には、可干渉性ファイバ束は、入 口部とほぼ同程度の大きさの画像面を出口部において必要とする；この大きさは 、テーパ状にすることにより多少減少させることができる。しかし、ファイバ束 自体が画像面の後方に大きな体積を占有しており、このアプローチにより達成し うる小型化を制限するものとなっている。例えば、１平方インチの画像面に対し て、ファイバ束は、画像面の後方に最小で約１立方インチの体積を必要とする。 さらに、ファイバ束は主としてガラスとされており、従ってヘッドマウント式シ ステムに対しては大きな重量となってしまう。このアプローチは、電子ディスプ レイを小型化することよりも頭部近傍のパワー散逸を減少させるが、可干渉性フ ァイバ束の体積および重量のため、眼鏡へ適用しうる程度にコンパクトなシステ ムを得ることは困難となる。 米国特許第３，１１２，３００号明細書および米国特許第３，４７０，３２０ 号明細書には、光源と、静止した一端部から移動自由とされた対向端部へと短い 距離だけ光を伝送する短い光パイプとが開示されている。光はこの移動可能とさ れた端部から出射される。パイプの移動端部は、二次元領域を横切って光パイプ の端部を移動させるための電磁スキャナにより、水平方向および垂直方向へと振 動させられる。したがって、パイプの移動端部は、光源が適切に変調された場合 、画像の形成に対する移動光源として用いることができる。コンパクトなディス プレイへの適用に対して、このアプローチは多くの制限を有している。第一に、 光パイプを偏向させるには大きな電圧が必要となる（米国特許第３，１１２，３ ００号明細書の開示によれば５０ｋＶのオーダ）。第二の欠点は、光パイプ近傍 にランプを取り付けることにより熱の散逸が生じることである。第三に、光源を 変調しなければならないため、上述した従来技術によるディスプレイと同様の方 法で、電気信号をランプに供給しなければならない。これは既に説明したように 総ての制限を伴うものである。 米国特許第４，３１１，９９９号明細書には、振動によるスキャンを行う光学 ディスプレイが開示されている。このディスプレイは、電磁バイブレータにより 垂直方向に振動される、線上に列をなした複数の光ファイバを使用するものであ る。各ファイバの端部は、視認面（viewing surface）内に線状に形成されると ともに、この線状に形成された各端部は、二次元画像を形成するように垂直方向 振動によりスキャンされる。しかし、このシステムにおいて、各ファイバの他端 部における各ＬＥＤは、眼鏡上のディスプレイと共に取り付けられている。これ は、上述したように、熱を発生するとともに重量を増加させるものである。この 装置のさらなる制限は、各ピクセル間の距離が、ファイバの外側寸法により固定 されてしまうということである。この装置の他の制限は、光ファイバ装置内に検 知センサまたは位置センサを組み込むことができない。そのため、各パーツに対 して必要とされる体積を減少させることができない。改良された振動によるスキ ャンを行う光学ディスプレイは、米国特許第５，４１６，８７６号明細書に開示 されている。これは、光源を離間させて取り付けることができるようにするため に、米国特許第４，３１１，９９９号明細書で示された複数の光ファイバから成 る線状の列を、光ファイバケーブル内へと延在させたものである。このアプロー チに よれば、頭部における熱散逸を除去するとともに頭部上の重量を減少させること ができるが、固定された寸法の光ファイバの使用による本来の制限を解消するこ とができず、また、高いコンパクト性を有するシステムという要求を達成するこ ともできない。例えば、米国特許第５，４１６，８７６号明細書（図３）には、 ディスプレイ領域の外側に取り付けなければならない、スキャン同期を行うため の分離された光検出器の必要性が示されている。米国特許第５，３４８，４７７ 号明細書に示されたような複数の画像導管および／または米国特許第５，４１６ ，８７６号明細書に示されたような複数の線状光ファイバケーブルの使用は、以 下のさらなる制限を有する。それは、例えば電気形式に再変換することなく画像 を調節または修正する際に、単一ピクセル、列状ピクセルまたは完全なイメージ （ピクセルの行および列）の形式とされた光ファイバの光出力を、頭部上でさら に処理することができないということである。これは、米国特許第５，３４８， ４７７号明細書で説明されているように、システムの機械設計から得られる機械 共鳴周波数でスキャンしなければならない共鳴スキャンシステムの特有の制限で ある。 上述の従来技術による各ディスプレイは、主として軸線方向の光学システムを 有しており、従来の近軸画像光学部材を用いて画像が視認される。眼鏡内に取り 付けられるディスプレイのような高いコンパクト性を有するヘッドマウント式デ ィスプレイを得るには、非軸線（nonaxial）光学設計が必要とされる。以上の従 来技術から予期される追加的な制限要素は、非軸線光学設計で生じる台形歪み（ keystone）および他の歪曲である。これらの歪曲は、重量を増加させることにな る特別な光学部材を使用することにより、または、好ましくは画像を予め補正す べく信号形式の画像を処理することにより補正しなければならない。 従来技術の他の制限は、起こりうるディスプレイの故障から使用者の目を保護 する安全のための構成部材が存在しないということである。 本発明の要旨 したがって、本発明の目的は、さらにコンパクトなディスプレイシステムを提 供することである。 本発明の他の目的は、ヘッドマウント式ディスプレイに関連して使用すること ができるコンパクトディスプレイシステムを提供することである。 本発明の他の目的は、携帯式ディスプレイ（hand held display）に関連して 使用することができるコンパクトディスプレイシステムを提供することである。 本発明の他の目的は、画像を表すディジタル又はアナログ信号を画像へと変換 するための高速信号処理電子回路要素または電気光学要素をディスプレイシステ ム内に設ける必要性のないコンパクトディスプレイシステムを提供することであ る。 ディスプレイ上またはディスプレイ近傍にＬＥＤまたは他の光発生源を取り付 ける必要のないコンパクトディスプレイシステムを提供することである。 本発明の他の目的は、画像を表す電気ディジタル又はアナログ信号の代わりに 光自身を視認面へと伝送するコンパクトディスプレイシステムを提供するととも に、これにより、離間しかつ頭部に取り付けられた（head-mounted）各構成要素 から電子回路要素を分離することで、よりコンパクト、軽量かつ冷却性能を有す るディスプレイシステムを提供することである。 本発明の他の目的は、画像の光学的な歪曲または収差を補正する画像信号処理 手段を提供し、安全装置を提供し、かつ、輝度制御等の有用な信号条件または処 理を与える他の形式の手段を提供することである。 本発明の他の目的は、ヘッドマウント式ディスプレイを照射する光発生源を、 頭部に取り付けられたディスプレイシステム自身から他の位置へと再配置する手 段により、ヘッドマウント式ディスプレイの発熱および重量を減少させることで ある。 本発明の他の目的は、単一ピクセル、列状ピクセルまたはフレーム状ピクセル として信号を伝送しなければならない光ファイバ伝送によるディスプレイに存す る制限を未然に回避することである。 本発明は、長い光ファイバケーブルを介して光信号形式の画像を伝送すること により、真にコンパクトなディスプレイシステムを達成し、かつ、最も効率的、 人間工学的またはコスト効率の良いシステムでケーブルおよび光プロセッサを構 成することができるものである。この光信号には画像を構成するために使用され る光子が含まれており、これにより、画像面に又は画像面近傍に光源を配置する 必要性を除去することができる。各信号ビットから画像を再構成するために、光 信号プロセッサが使用され；このプロセッサは、照射するための信号光子を使用 する。このように、信号は光の状態のままで用いられ、電気信号に変換されない 。離間したディスプレイ位置（即ち頭部上）で電気信号と光信号と間の変換を未 然に回避することにより、例え信号処理が行われるとしても、パワー消費の節約 、およびこの結果としてパワー散逸の減少が実現される。さらに、光プロセッサ を小型化することができ、これにより、かなりの体積を節約することができる。 したがって、ヘッドマウント式システムの小型化を実現できるとともに、高いコ ンパクト性を有するヘッドマウント式ディスプレイシステムを形成することがで きる。 本発明は、以下の構成を有するコンパクトディスプレイシステムである：それ は、視認面（viewing surface）と；ビーム操作手段と；視認面およびビーム操 作手段から離間した光源と；光源から視認面への照射を行うために、光源と視認 面とを接続する少なくとも一つの導波路を備えている。ビーム操作手段は、導波 路により視認面上に伝送される照射をスキャンするために、導波路および視認面 と関連づけられている。光源を変調するための変調器と、該変調器とビーム操作 手段とを同期させるための手段とが設けられている。 好ましい態様において、ビーム操作手段は、眼鏡上に取り付けられているとと もに、導波路の一端部に接続されている。視認面は眼鏡を含むが、光源および変 調器は眼鏡から離間されている。装着者の目を保護するために、ビーム操作手段 によるスキャンの範囲を検出する検出手段と、スキャンの範囲が所定の閾値を超 えた際にビーム操作手段への光の伝送を妨げるために、前記検出手段に応答しか つ変調器内で応答する手段とが設けられている。 ビーム操作手段を形成することができる機構が多数採用されている。一態様に おいて、ビーム操作手段は、導波路からの光を受け取るために位置決めされた一 対の反射部材と、第一の方向に反射部材の一つを偏向させるための手段と、第二 の方向に他の反射部材を偏向させるための手段とを備えている。典型的には、導 波路は光ファイバとされているとともに、ビーム操作手段は、光ファイバの出力 端部を備えた片持ち部を有する片持ち支持された導波路を備えている。一態様に おいて、片持ち導波路は、基板と、光ファイバを収容するために前記基板に切り 込み形成された溝部とを有している。溝部は二つの部分を有しており、それは、 光ファイバの位置を固定するための第一の深さを有する第一の部分と、光ファイ バの末端部が移動自由とされるようなさらに深い第二の深さを有する、片持ち部 とされた第二の部分である。 あるいは、片持ち導波路はキャパシタそ備えており、該キャパシタの第一のプ レートは片持ち部の構成部分とされているとともに、第二のプレートは、光ファ イバが偏向される方向である第一の方向に第一のプレートから離間して配置され ている。二軸方向にスキャンさせるためには、第二のキャパシタと、光ファイバ が偏向される方向である第二の方向に第一のプレートから離間して配置された第 三のプレートとが設けられる。 他の態様において、片持ち部は、圧電材料の層と、該圧電材料を横切って電圧 を与える手段とを備えている。あるいは、片持ち部は、一の、磁力に引きつけら れる材料および電磁材料と、これらから離間された他の、磁力に引きつけられる 材料および電磁材料とを備えている。 システムはさらに、各移動部の移動の減衰を制御するために、片持ち部を囲む 真空囲い部、および／または、片持ち部の変位を増幅するための手段を備えてい る。この増幅するための手段は、導波路の末端部を励起する光路に対して所定角 度だけ変位される一組の反射部材を備えている。 他の態様において、ビーム操作手段は、偏向可能とされた片持ちパッド上に、 平行に配列された複数の出力用導波路を備えている。さらに、各出力用導波路の 何れかへの照射を方向づけるために、光ファイバの末端部の位置をスイッチング するための手段を備えている。 カラーディスプレイに対して、光源は白色光源とされるとともに、システムは 、白色光を複数の着色光に分解するための分光手段を備えている。この分光手段 は、典型的には、各着色光のそれぞれに対してダイクロイック装置を備えている とともに、変調器は、分離されたそれぞれの着色光を別々に変調するための手段 を備えている。導波路は、複数の入力用光ファイバを備えており、各入力用ファ イバ は、変調する各手段および各入力用ファイバと接続するためのファイバカプラに 対して光学的に接続されている。そして、カプラに接続された出力用光ファイバ を備えている。 光源は少なくとも一つの光電子装置を備えることができ、光ファイバは、典型 的には、約１μｍ〜５μｍの幅のコア直径を有する単一モードファイバとされ、 好ましくは、視認面の操作性を増大させるために３フィートよりも長い長さを有 している。 さらに、本発明は以下の構成を有するコンパクトディスプレイシステムとされ ている：それは、視認面と；導波路と；導波路からの光を受け取るために位置決 めされた一対の反射部材、第一の反射部材を第一の方向に偏向させる手段、およ び他の反射部材を第二の方向に偏向させる手段を有するビーム操作手段と；視認 面から離間された光源と；を備えている。導波路は、光源からビーム操作手段へ と照射を行うために、光源とビーム操作手段とを接続する；光源を変調するため の変調器が設けられている；さらに、変調器と偏向させる手段とを同期させる手 段を備えている。 他の態様においては、視認面と；可撓性を有する長い光ファイバと；光ファイ バの末端部を備えた片持ち部を有する片持ち支持された導波路を具備するビーム 操作手段と；視認面から離間された光源と；光源を変調するための変調器と；変 調器とビーム操作手段とを同期させる手段と；を備えている。好ましくは、片持 ち導波路は、基板と、光ファイバを収容するために基板内に切り込み形成された 溝部とを備えている。溝部は二つの部分を有しており、それは、光ファイバの位 置を固定するための第一の深さを有する第一の部分と、光ファイバの末端部が移 動自由とされるようなさらに深い深さを有する第二の部分である。好ましい実施形態の開示 図１は、従来技術によるディスプレイシステムを示したプロック図である； 図２は、本発明によるコンパクト型ディスプレイシステムを示したプロック図 である； 図３は、ヘッドマウント式ディスプレイに関連して使用される図２に示したコ ンパクト型ディスプレイシステムの概略を示した図である； 図４は、携帯式ディスプレイに関連して使用される図２に示したコンパクト型 ディスプレイシステムの概略を示した図である； 図５は、図２に示したコンパクト型ディスプレイの一実施形態をさらに詳細に 示したプロック図である； 図６は、本発明によるビーム操作手段としての水平・垂直方向偏向ミラーが組 み込まれた本発明によるコンパクト型ディスプレイシステムを示したプロック図 である； 図７は、図５に示したコンパクトディスプレイシステムに使用するビーム操作 手段の他の実施形態を示した側面図である； 図８は、図７の線８−８におけるビーム操作手段の断面図である； 図９は、図７の線９−９におけるビーム操作手段の側面図である； 図１０は、図７に示したビーム操作手段の底部プレートを示す平面図である； 図１１は、図７に示したビーム操作手段の頂部プレートを示す平面図である； 図１２は、図５に示したビーム操作手段の本発明による他の実施形態を示す側 面図である； 図１３は、両軸線スキャンを行うための図５に示したビーム操作手段の他の実 施形態を示した斜視図である； 図１４は、従属発明に関するビーム操作手段の他の実施形態を示した側面図で ある； 図１５は、従属発明に関するビーム操作手段のための真空封入を示した側面図 である； 図１６は、従属発明による増幅器を示した側面図である； 図１７は、本発明によるビーム操作手段の他の実施形態を三次元的に示した概 略図である； 図１８は、図１７に示したビーム操作手段と共に使用されるスイッチ回路を示 した概略図である； 図１９は、図１８に示した光学スイッチ手段を示した平面図である； 図２０は、本発明による着色光信号発生手段を示したプロック図である。 本発明の背景で述べたように、従来の電子ヘッドマウント式ディスプレイシス テム１０は、図１に示すように、典型的には本体から離れた位置にあるコンピュ ータからヘッドマウント式ディスプレイシステムへと、所定距離を隔てて画像を 伝送する信号を提供するための画像−データ変換回路要素１２を備えている。こ の回路要素は、ディジタルカメラにより行われているような画像から電子信号へ の直接変換を達成し、或いは、電子式保存媒体またはメモリから画像を読み出す 電子回路要素を備えている。画像には、英数字データ、記号、人工的に作られた シーン（scenes）、スチル写真、または動画が含まれる。信号形式の画像は、一 または二以上の伝送線１４により観者の目の近傍へと中継される。概して電子信 号処理回路要素およびディスプレイを備えたデータ−画像変換器１８により、ヘ ッドマウント式ディスプレイユニット２０へ伝送されるディジタルまたはアナロ グ信号が、画像面１６内で視覚される画像へと変換される。ヘッドマウント式デ ィスプレイユニット２０内に取り付けられた回路要素１８は、重く、かさばり、 しかも不快な頭蓋骨への負担を招くものである。データ−画像変換器１８の構成 要素としてのランプまたはＬＥＤを用いるディスプレイは、熱を発生するととも に、ヘッドマウント式ディスプレイ２０を不快なものとする。 本発明では、図２に示すように、電子的なディジタルまたはアナログ信号をヘ ッドマウント式ディスプレイ２２へと伝送する代わりに、光源２６から光信号３ ４を伝送するために、可撓性を有する長い光ファイバケーブル２４が使用される 。光信号処理及びビーム操作手段（opitical signal processing and beam stee ring means）２８により、自由空間、一対の眼鏡レンズ、背面映写スクリーン等 の何らかの視覚面となりうる画像面３０上に画像が形成される。光源２６は、符 号３４で示す如くパルス信号を送るように変調器３２により制御されている。光 信号処理及びビーム操作手段２８はさらに、ビーム操作手段２８から出射される 光線３６が光源２６からの光変調と同期して偏向されるように、変調器３２の制 御トで操作される。ヘッドマウント式ディスプレイ２２上に設けられたシステム の一部分のみが、光ファイバケーブル２４の出射端部並びに、光信号処理及びビ ーム操作手段２８とされていることに留意すべきである。この構成により、より コンパクトで軽量とされ、しかも熱を発生しないディスプレイシステムが達成さ れ ることになる。ビーム操作手段２８は非常にコンパクトに構成されることになる 。さらに、電子信号処理回路を事前に除去することにより、本発明は、熱を発生 しかつ、かさばるものとされた従来技術による電子回路要素を消去している。光 信号自身３４は画像を照明するために使用され得ることにも留意すべきである。 このように、ランプ、ＬＥＤまたは他の光発生装置の必要性がなくなるので、ヘ ッドマウント式ディスプレイ２２内でさらに熱発生が減じられることになる。 図３に示すように、コンパクトなビーム操作手段２８は、眼鏡のフレーム４０ に容易に取り付けることができる。また、光ファイバ２４はそこ（ビーム操作手 段）から延在している。本実施形態において、光線は、眼鏡レンズ２９上で集束 させられるとともに反射させられる。観者は位置３０で画像を認識する。 図３に示された信号処理及びビーム操作手段２８は、図４に示すように、映写 スクリーン５４の背面上に画像を形成するためのレンズ４６および複数のミラー ４８，５０，５２を有する携帯型ディスプレイ４４のハウジング４２内に取り付 けられている。 図５には、画像面３０およびレンズシステム６２を備えた完全なディスプレイ システム６０がさらに詳細に示されている。ビーム操作手段２８は、光源２６か らの光に応答するとともに、変調器３２をビーム操作手段２８と同期させるため のスキャン駆動回路６４の制御下で光の向きを再び変更させる。変調器３２は、 ビデオ信号プロセッサ６６およびクロック及び制御諭理回路６７の制御下で光源 ２６からの光を変調する。変調器３２は、一の又は一組の光ファイバケーブル若 しくは自由空間内に光を伝送するための一組の光学装置とすることができる導波 路６８を介して、ビーム操作手段２８へと変化する長さのパルスを伝送する。ビ ーム操作手段２８は、これら光パルスを受け取るとともに、スキャン駆動回路６ ４の制御下で画像面３０上の適切な位置へと向きを変える。視覚させる画像を形 成するべく、画像面３０上の正しい位置でかつ正しい時刻にピクセル７０が位置 されるように、スキャン駆動回路６４は変調器３２をビーム操作手段２８と同期 させる。 図６に示すように、一実施形態において、ビーム操作手段２８は、画像面３０ の水平方向軸線７４に沿ってピクセル７０を移動させるための水平方向偏向ミラ ー７２と、画像面３０の垂直方向軸線７８に沿ってピクセル７０を移動させるた めの垂直方向偏向ミラー７６とを備えている。ビーム操作手段２８に関する他の 実施形態の詳細は、図７〜図１９を参照して以下に説明する。 照射部２６からの一定光束はグレー階調変調器（grey level modulator）３２ を通過する。あるいは、例えば半導体レーザまたは発光ダイオードを用いること により、光源自身を変調させることもできる。変調器の目的は、各ミラー７２， ７６を通過する光束を調節することである。ミラー角度（θ，φ）により、光束 が照射される画像面３０上の点（特定のピクセル７０）が決定されるとともに、 変調器３２は、ピクセルに適切な輝度を与えるために光を調節する。正しい輝度 が与えられるために、グレー階調変調器３２は、スキャン駆動回路６４により、 各ミラー７２，７６の位置と同期させられる。変調器の階調（level）は、コン ピュータ又は他のソース（図示せず）からビデオ入力データを受け取るとともに 変調器３２へと対応する信号を供給するビデオ信号プロセッサ６６を参照するこ とにより決定される。変調器からの光は、特定のピクセルに対して符号化される とともに、光ファイバまたは同等の自由空間光学方法により、光路７３に沿って 各ミラー７２，７６へと伝送される。クロックタイミング回路６８により、標準 パルスタイミングが与えられ、この標準パルスタイミングにより、スキャンしか つ変調する回路における総ての動作が同期されるとともに制御される。 光信号プロセッサは、スキャンの始点および終点にビームが到達したときに検 出し、かつフィードバック回路（図示せず）を用いてスキャンの同期を補助する ために用いることができる光オーバースキャン検出器（optical overscan detec tor）７１を備えている。さらに、適切な時刻に終点においてスキャンが検出さ れなかつた場合に、光束を遮るための信号を変調器３２へと発するようにされた 安全オーバーライド回路（図示せず）に対して、オーバースキャン検出器７１は パルスを与える。この安全装置は、スキャンの誤りが生じた場合に使用者の目を 保護するために使用される。 ビデオ信号プロセッサ６６は、（限定的ではないが）典型的にはコンピュータ からアナログまたはディジタル形式のビデオ信号を受け取る。信号またはビデオ 入力は、アナログの赤、緑、青の電圧レベルの形式とされた従来のヒデオグラフ ィック配列コンピュータ回路（video graphics array computer circuit）の出 力、または、ＲＳ１７０の如く標準アナログフォーマット等とすることができる 。あるいは、信号は、ＶＧＡ回路の特有のコネクタに利用できるようなディジタ ルとすることもできる。ビデオ信号プロセッサの機能は、入力されるビデオデー タに基づいてフレーム及びライン同期パルスを発生することであり、また、クロ ック回路６８へとこれらの同期パルスを提供することである。さらに、ビデオ信 号プロセッサ６６は、アナログ形式のビデオデータをグレー階調変調器３２へと 中継する。ディジタル形式でビデオデータがビデオ信号プロセッサ６６へと供給 された場合には、ビデオ信号プロセッサ６６は、ディジタルーアナログ変換器の 機能を果たすとともに、アナログデータをグレー階調変調器３２へと中継する。 他の実施形態において、ビデオ信号プロセッサ６６からグレー階調変調器３２へ とディジタル形式でデータが供給されるとともに、グレー階調変調器により、デ ィジタル−アナログ変換が行われる。 クロック回路６８は、総てのシステム機能に対する同期されたシステムタイミ ングを与える。クロック回路は、システム的な時間遅延および、システムの正し い同期に対して必要とされる他の調節に対する補正をも含むものである。クロッ ク回路は、標準分野の（standard field）プログラム可能グートアレイ、または 他のプログラム可能論理集積回路から形成される。あるいは、好ましくは、大量 に生産されるシステムに対して、クロック回路は、カスタムな用途限定集積回路 （application-specific integrated circuit；ＡＳＩＣ）を用いて形成される 。 グレー階調変換器３２は、供給された電気信号に応じて光子束の伝送を変化さ せる装置である。このような装置としては、以下に説明する光学−電気−機械装 置と同様に、ポッケルス効果およびカー効果を有する複数のセル（Pockels and Kerr cells）を備えた装置のように多くの適用例がある。 スキャン駆動回路６４は、光信号プロセッサおよびビーム操作手段２８へとス キャン信号を提供する複数のファンクションジェネレータを備えている。これら の駆動回路は、直線傾斜発生集積回路（linear ramp generating integrated ci rcuits）を備えることができ、しかし好ましくは、画像の歪曲または収差の補正 のために信号プロセッサおよびビーム操作手段によって使用され得る複数のプロ グラム可能任意波形回路を含むことができる。 好ましくは、図５に示されたビーム操作手段２８の各実施形態は、高解像とさ れた両軸線画像への適用に対して要求される速度で動作する。両軸線スキャナの 構成に影響を与えるキーファクタは、ビーム操作手段が動作する速度と、得られ る角度位置である。６０Ｈｚのフレームレートで１２８０×１０２４のオーダの 解像度に対して、フレームスキャン時間は１７ｍｓとなる。対応するラインスキ ャン時間は１５μｓである。図６に示すようなスキャン用ミラーが使用された場 合には、要求される水平方向スキャン周波数は約１００ｋＨｚである。スキャン 用導波路は、スキャン用ミラーおよび導波路の組み合わせと同様に、ビーム偏向 に採用することができる。１００ｋＨｚという周波数は、従来のマイクロミラー および電気光学ビームスキャナ技術の十分上をいくものである。これらの期間内 で±２０°の回転角に対して、ミラーまたは導波路は４×１０⁶°／ｓの速度で スキャンしなければならない。 より低い解像度またはフレームレートに対しては、より低い周波数を用いるこ とができるが、たいていの両軸スキャンに対して、要求されるスキャン周波数は ５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲である。従属発明は、高い共鳴周波数および速いビ ーム操作をもたらすとともに機械的共鳴周波数よりもかなり低いスキャン手段の 動作をさらに許容する向上した機械特性を達成するために、シリコンまたは異な った化合物とされた他の材料を用いた、高速移動するミラーおよび導波路を形成 するマイクロマシニング技術を使用することも含む。 本発明の好ましい各実施形態は、マイクロマシン加工されたシリコンの使用だ けでなく、さらに速い応答時間を与えかつミラー及び／又は導波路の構成に対し て優れたアプローチを与えるためにシリコンと組み合わせた他の材料の使用をも 含む。好ましい材料としては、III-V属およびII-VI属の半導体とされ、これらの 多くはウエハ状で入手可能とされている。さらに、本発明は、移動するミラーだ けでなく、以下に説明するように、移動する導波路および回折性の構造をも含む ものである。高共鳴周波数を有する装置に対して、非常に低い質量および大きな ヤング率が要求される。 （例えばガリウム砒素等の）化合物半導体を使用することにより、マイクロマ シン加工されたシリコンの各特性を増大させる以下のキーとなる有利点を奏する ことができる。それは、イオン結晶内の圧電効果、エピタキシャル成長をしうる 多くの三成分系（ternaries）の利用可能性、および電気光学装置との組み込み 容易性である。化合物半導体の有利点は、ある種のイオン結晶内の強い圧電効果 、III-V属およびII-VI属の半導体材料の異なる弾性定数、異方性材料特性の可能 性、エピタキシャル技術を用いて形成することができる材料の幅広い多様性、お よび最後にはマイクロマシン加工された複数の装置を有する光射出または光スイ ッチ光電子装置を組み込む可能性に関連する。 さらには、速いスキャンを行うミラーおよび導波路として、二者択一とされた 薄いフィルム状材料に対して関心が持たれている。ミラー製造に関して、Ｎｉは 、多くの興味を引きつけている材料の一つである。さらに、ダイヤモンドまたは ダイヤモンド状フィルムの使用により、通常でない機械的光学的特性を有する優 秀な導波路構造を形成する可能性がもたらされる。ダイヤモンドの大きなヤング 率により、高周波スキャナに対して特に適したものとすることができる。これら の材料の機械的特性の要約が表１にまとめられている。これらの材料の多くがＳ ｉに比べて不利な点を有していることに留意すべきである。すなわち、質量は、 材料の密度のおかげでかなり大きくなっている。 マイクロ光導波装置に対する重要性の一つの分類は、ダイヤモンドまたはダイ ヤモンド状材料ということである。図２には、Ｓｉ、ＧａＡｓおよびダイヤモン ドの機械的特性に関する幾つかの比較が示されている。ダイヤモンドの大きな弾 性係数により、非常に速い（ultrafast）スキャンを行うマイクロ光導波路に適 したものとなることに留意すべきである。さらに、大きな屈折率を有するダイヤ モンドにより、低損失の導波路を形成するのに適したものとされることに留意す べきである。 表１ 金属および半導体の機械的特性 表２ ダイヤモンド、シリコンおよび砒化ガリウムの比較 片持ち支持されたビーム操作装置に対ずるマイクロマシン加工されたシリコン の使用は、ウエニシ氏（Uenishi）等により開示されている（"Micro-opto-mecha nical Devices Fabricated By Anisotropic Etching of（110）Silicon,"Proce edings of the IEEE Micro Electro Mechanical System Conference：An Inves tigation of Micro Structures，Sensors，Actuators，Machines and Robotic S ystems，Osio，Japan，January 25-28，1994，pp．319-324）。また、ホーンベ ック氏（Hornbeck）により、アルミニウムの薄いフィルムを用いたいわゆる変形 可能とされたミラー装置が開示されている（"Deformable-Mirror Spatial Light Hodulators,”SPIE Critical Reviews Series Vol．1150）。片持ち支持された 複数のミラーの配列が、ピーターセン氏（Petersen）により開示されている（IB M Technical Disclosure Bulletin Vol．20，No．1 June 1977）。ビーターセン 氏によるマイクロメカニカルテクノロジーのレビュー（”Dynamic Hicromechani cs on Silicon，Techniques and Devices,"IEEE Trans．Electron Devices，Vol ．ED-25，No．10，Page 1241，1978）には、ディスプレイの用途に対して、移動 する片持ち支持された複数のミラーを使用することが開示されている。ゴトウ氏 （Goto）およびイマナカ氏（Imanaka）により、圧電アクチュエータにより駆動 されるトーションスプリングによる共振器を用いたコンパクトなビームスキャン ユニットが開示されている（SPI 1544 p．272，1991）。最近でば、スミッツ氏 （Smits）等により、ビーム操作のために用いる、ＺｎＯバイモルフによる片持 ち支持された複数のミラーが開示されている（SPIE Vol．2383，page 38，1995 ）。したがって、光子ビームを操作するために、片持ち支持されたミラーを使用 し得ることは、従来技術において十分に確立されたものである。ミラーに対する 他のアプローチも提案されている；例えば、ピーターソン氏（Peterson）により 、ねじりによるマイクロミラー（torsional micromirror）が開示されている（I BM J．Res．Develop．Vol．24，No．5，p.631，1980）。 ワッツ氏（watts）等により、光スイッチを行うための片持ち支持された導波 路が開示されている（”Electromechanical Optical Switching and Modulation in Micromachined Silicon-on-insulator Waveguides,”IEEE International S 0I Conference Proceedings，Vail Valley，Colorado，October 1-3 1991，pp． 62-63）。このアプローチの変形例には、片持ち梁状とされた振動するファイバ を使用することが含まれる。このアプローチは、パイク氏（Pike）により、米国 特許第３，４７０，３２０号明細書に開示されている。このようなビーム操作手 段は、 図５および図６に示されたように組み込むことができる。 図７には、マイクロマシン加工され、片持ち支持とされたビーム操作手段８０ が示されており、該ビーム操作手段８０は、シリコン基板８２に接着された光フ ァイバ２４を備えている。基板８２には、図８に示すように、光ファイバ２４の 位置を固定するために領域８４内に浅いＶ溝が形成されている。光ファイバ２４ が移動できるように、さらに大きく、深いＶ溝が領域８６内に形成されている（ 図９参照）。各Ｖ溝は、例えば各（１１１）面を露出させるべく水酸化カリウム を用いて、異方性エッチングにより形成される；各面は、図１０の平面図で示す ように、各Ｖ溝の側部を形成する。図１０の底部プレート９２に結合されたとき 、二軸方向に共鳴動作を励起させることができる四つの電極にファイバ８６が取 り囲まれるように、対応する各Ｖ溝が形成された頂部プレート９０が設けられて いる（図１１参照）。光ファイバ２４の共鳴周波数は、ファイバの密度、長さお よびヤング率の関数である。ファイバの偏向は静電気的に得られる。静電的な偏 向は、頂部プレート９０および底部プレート９２上の対向する各静電偏向面に電 圧を付加することにより得られる。各偏向面は、好ましくは、アルミニウム、銅 、他の導体等の金属の蒸着により形成されている。集積回路の金属被覆を行う技 術分野で知られているように、絶縁層分離、接着層等の応用による多層薄膜体積 法によって、各偏向面を形成することもできる。各静電偏向面と外部回路との電 気接続は、図１０に示すような複数のボンディングパッドを使用することにより 得られる。頂部プレート９０上に形成された各静電偏向面は、底部プレート９２ と電気接触を行うよう結合される。底部プレート９２よりも短い頂部プレート９ ０を用いることにより、頂部プレート９０と底部プレート９２とを結合た後に各 ボンディングパッドが望ましい量だけ露出されるという点に留意すべきである。 図１２には、マイクロマシン加工され、片持ち支持とされた他のビーム操作手 段が、片持ち支持された導波路として示されている。典型的な導波路用被覆材と しては、窒化シリコン、酸窒化物シリコン（silicon oxynitride）、ガラス、融 解シリカ、酸化物半導体、１．４〜２．０の屈折率を有する関連する材料等の被 覆領域に小さな屈折率を有する材料、あるいは、それに代わるものとして屈折率 が１とされた自由空間が挙げられる。典型的な導波路用コア材料としては、窒化 シリコン、融解シリカ、酸窒化物シリコン、ガラス、酸化物半導体、ダイヤモン ド、および１．５〜４．０の屈折率を有する他の材料が挙げられる。低損失とさ れた導波路に対する重要な要求は、導波層の屈折率よりも被覆層の屈折率をが小 さいということである。二酸化シリコンと酸窒化物シリコン、又は酸窒化物シリ コンとダイヤモンドのような組み合わせは、低損失とされた導波路をもたらす材 料の組み合わせの例示である。これらの組み合わせは、所望の共鳴周波数を得る 特定の機械的特性を考慮して選択することもできる。 静電的に偏向された片持ち支持された導波ビームスキャナ１００は、図１２に 示すように、光ファイバ２４に接続されている。光ファイバ２４は、図１０に示 したＶ溝法により、導波コア１０７に対して正確に並べられて位置されている。 静電的に偏向され、片持ち支持された導波装置１００は、図に示すように、上側 被覆層１０６および下側被覆層１０８に囲まれた導波コア１０７を具備する片持 ち部１０４の下方に、金属プレート１０２を備えている。図に示すように、片持 ち部１０４と関連づけられる金属プレート１１０が設けられており、該金属プレ ート１１０は、絶縁構造物１１１によって金属プレート１０２から分離されてい る。このようにキャパシタが形成され、これらプレートのうちの一のプレートが 金属プレート１１０とされ、かつ第二のプレート１０２が絶縁構造物１１１によ り金属プレート１１０から離間されている。キャパシタを荷電することにより、 静電的な引力が形成されるとともに、この荷電を変動させることにより、片持ち 部１０４に対して駆動力が付与され、動作が引き起こされる。この用途に使用で きる材料としては、アルミニウム、ニッケル、クロム、銅、銀および金が挙げら れる。あるいは、プレート１０２を基板１１２自身によって形成することもでき る。また、両プレート１１０，１０２を導電シリコンから形成することもできる 。各金属プレートおよび各誘電層の典型的な厚さは、０．１〜１０マイクロメー タの範囲とされる。 二軸に沿った偏向を行うために、図１３に示すように、片持ち部１０４の側部 に追加的な金属プレート１１４が設けられている。これにより、両軸スキャンを 達成するために異なる共鳴周波数とすることができる側方偏向モードが励起され ることになる。磁気駆動による片持ち支持された導波路の他の実施形態では、図 １２の金属プレート１１０，１０２は、一のプレート（例えば１１０）が磁性材 料に、他のプレート（例えば１０２）が電磁材料に置き換えられる。光ファイバ またはロッドの使用に関するこれらの改良点（米国特許第３，４７０，３２０） により、片持ち部１０４の機械的特性を二軸方向に独立して調節することができ る。他の実施形態として、一の軸線方向にスキャンさせるために導波路１００を 使用し、かつ、他の方向にスキャンさせるためにミラー（例えば図６のミラー７ ６）を使用することができる。図１４に示すように、片持ち支持された圧電導波 装置１２０を提供するために、導波用コア１０７を取り囲む土側被覆層１２４の 頂部に圧電材料１２２が設けられている。絶縁層１２６により、接触パッド１２ ８と接触パッド１３０とが分離されている。図示されているように、接触パッド １２８は、接触媒介部１３２を介して圧電材料層１２２と電気接触している。各 接触パッド１２８，１３０間に電位を与えることで、圧電材料層１２２により曲 げ動作が生じ、これにより導波路１０７が偏向されることになる。この曲げ動作 は、所望角度まで片持ち部１０４の静的偏向を得るため、または、片持ち部の共 鳴動作もしくは非共鳴動作（nonresonant motion）を引き起こすために、使用す ることができる。 図７〜図１４に示した片持ち支持された導波路の何れか又は総ては、動作の粘 性減衰を減じたり、あるいは真空チャンバ１４０内の残余ガス量を調節すること により片持ち部１４２の共鳴動作を減衰させたりするために、図１５の真空キャ ビティ内に配置することができる。図１６の光ファイバ２４から出射させられる 光１５０の変位を増幅するために、固定ミラー１６２および一組の分離された各 ミラー１６４，１６６，１６８を有する増幅器１６０が使用される。符号１７０ で示された位置における、増幅器１６０から出射される光線１５０の角度は、各 分離ミラー１６４，１６６，１６８の角度変位の総和と等しいものとなる。ビー ム１５０の所望の偏向を得るために、多数の分離ミラーを使用することができる 。基板１７１はガラスを備えることができ、かつ、位置１７２で示されているよ うに、ミラー１６２をガラスの背面に配置することができる。この場合、光ファ イバ２４の位置を光路中の正しい点へと移動させなげればならない。 単一の導波管移動片持ちスイッチについては、ワッツ氏（watts）等により開 示されている（"Electromechanical Optical Switching and Modulation in Mic romachined Silicon-on-Insulator Waveguides"，IEE International SOI Confe rence Proceedings，Vail Valley，Colorado，October 1-31991，pp．62-63）。 ワッツ氏の装置において、数ミクロンの偏向を行うためには、数ボルトの電圧を 付加することにより片持ち導波管の微少の偏向が行われる。したがって、スイッ チングまたは変調効果を生じさせるための固定導波管と移動導波管との整列が誤 ってしまうことになる。スキャン用導波装置を得るべく材料構造および片持ち支 持の構成を偏向させることにより、さらに大きな片持ち支持の変位を得ることを 実現化するために、従属発明はワッツ氏の発明を改良するものである。このワッ ツ氏の開示における重要な制限すなわち移動された制限範囲は、片持ち部の長さ を増加させ、材料を改良し、かつ表面マイクロマシン加工よりもむしろ体積マイ クロマシン加工を用いることにより克服することができる。ワッツ氏のさらなる 制限は、赤外線波長のスイッチングに対しては有用であるが可視域の波長に対し ては有用でないシリコンを導波管のコアに使用することである。 ワッツ氏の発明に対して改良されかつヘッドマウント式ディスプレイへの適用 に有用な片持ち導波路は、代替材料を用いかつ、上述の如くスキャンの用途に適 した構成を用いることより、従属発明により形成することができる。例えば、ス キャンされたディスプレイへの用途に対して、シリコンは可視光を十分に透過し ないという理由でシリコンよりむしろ酸窒化物シリコンがコア材料として選択さ れる。さらに、ダイヤモンド等の他の代替材料により、片持ち部の光学特性だけ でなく機械特性をも最適化することができる。好ましい実施形態において、導波 用コアは、酸窒化物シリコンから形成されているとともに、長さ数μｍとされ、 高さ約１μｍ、幅３μｍとされたコンパクトな断面積を有し、約２００μｍの先 端変位を与えるものである。この大きさの変位を与えるために、片持ち部近傍の 基板は除去しなければならない。このような構成において、図１２の片持ち部１ ０４、絶縁ポスト１１１、および該ポスト１１１近傍に残された基板１１２は、 電極１０２に取って代わる静電偏向電極を備えた新しい基板上に載置しなければ ならない。 他の実施形態において、図５のビーム操作手段２８は、図１７の出力導波装置 １８０として達成される。片持ち部の表面上に一組の導波路１８２，１８４，１ ８６・・が形成されており、片持ち部の端部１８８の偏向により、各導波路１８ ２，１８４，１８６から伝播する線状の光線のスキャンが行われるようになって いる。片持ち部の端部１８８は、静電偏向パッド１９０と導電プレート１８９と の間に変動する電圧Ｖを図１２で用いた方法で供給することにより静電気的に偏 向させられるようになっている。片持ち部は、特に６０Ｈｚまたは７２Ｈｚとさ れた特定の共鳴周波数で変動するように構成されている。あるいは、片持ち部は 、高い共鳴周波数を有するように構成されているとともに、０〜７２Ｈｚの間で 片持ち部の位置を制御しうるために、共鳴周波数以下で操作することができるよ うになっている。 一例として、１０２４×７６８ディスプレイの構成について考える。この導波 路へのアプローチを用いたスキャナを形成するために、片持ち部は、片持ち部の 端部１８８においてそれぞれが終端する１０２４個の平行な導波路を具備しなけ ればならない。片持ち部の移動は、例えば（６０Ｈｚのフレームレートに対応す る）６０Ｈｚにおいて垂直方向スキャンと同等のものを形成する。光信号は、ラ スター線の形式における来国特許第４，３１１，９９９号明細書および米国特許 第５，４１６，８７６号明細書に記載された方法により、または従属発明の方法 により、片持ち部へと伝送される。 従属発明の第一の構成は。電気信号への変換を行うことなく、光形式の信号を 扱うことである。これにより、信号が適切な可視域の波長で形成されていれば、 照射のために信号自身を使用することができる。従属発明の第二の構成は、信号 照射を処理しかつスキャンするために、信号処理とビーム操作とを統合すること である。信号処理は、ビームスキャン法から分離することができ、或いは、以下 に述べるように統合することができる。 ヘッドマウント式ディスプレイ内の光信号プロセッサを使用しかつビームスキ ャナと統合することにより、ヘッドマウント式ディスプレイ内で信号の条件設定 が可能となる。可能とされた信号処理により、光信号のデマルチプレクスを行う （demultiplexing）だけに限らず、歪曲および収差補正、スキャン検知および輝 度制御をもできる。 光信号のデマルチプレクス及び／又はリマルチプレクス（remultiplexing）を 行うことは、光スイッチングマトリクス（optical switching matrix）の構成と することにより可能となる。赤外線波長に対してスイッチングを行う三次元構造 に基づいたスイッチングマトリクスは、最近、スキンル氏（Schienle）等により 開示された（"A 1x8 InP/InGaAsP Optical Natrix Switch with Low Insertion Loss and High Crosstalk Suppression,"Journal of Lightwave Technology Vol ．14.，No．5，May 1996 pp．882-826）。三次元構造とすることにより、（例え ば光ファイバから）一または二以上の出力チャンネルへの信号源の経路を定める ことができる。スキンル氏等により、能動化合物半導体装置が開示されている。 可視域の波長をスイッチングするマトリクスは、同様の方法で、あるいは後に述 べるマイクロ電気−光学−機械技術を使用して構成することができる。小型ディ スブレイへの適用におけるスイッチングマトリクスの利用は、複数のミラーまた は導波路を移動させることにより得られる自由空間の水平方向スキャンを、スキ ンル氏の方法で代替導波路に置き換え得ることが実現されることによりもたらさ れるものである。このようなアプローチにおいて、片持ち部上に固定された導波 路が複数形成される（図１７）。片持ち部１８８の垂直方向の移動は自由空間の 垂直方向スキャンを与える。片持ち部は、上述したように、静電気的、圧電的ま たは磁気的手段によりエネルギーが与えられる。図１８に単純化して示されてい るように、光が光ファイバ２４から入口側導波路２１０へと通過し、さらにツリ ー型構造のスイッチングマトリクス２１８を通過することにより、導波回路内で 水平方向のスキャンが得られることになる。光信号が適切な導波路２２０を介し て片持ち部１８８へと出射されるように、マトリクスは変調器（図５）と同期さ せて切り替えられる。このようなマトリクス２１８により、水平方向スキャン用 ミラーと置き換えることができ、又は、複数の導波路およびスイッチからなる配 列体を有する導波装置と置き換えることができる。そのため、水平方向のピクセ ルの位置決めは、静止した導波路２１０に対してＶ溝２１１内で正確に位置決め された光ファイバ２４からの光信号を、導波路２１０、これに続くツリー型スイ ッチングマトリクス２１８、そして最後に所望の出力用導波チャンネルを通過さ せて経路を定めることにより得られる。したがって、移動する片持ち部の端面に より範囲が規定された領域上に画像面が形成される。得られた画像は、観者の目 にふれさせるため、自由空間における光学機器により中維することができる。 スイッチングマトリクス２１８は、複数の能動半導体装置を用いることにより 、または、スイッチングマトリクス内に配列された、複数の片持ち部、ミラーま たはレンズのような複数の光学マイクロ電気機械要素を用いることにより得るこ とができる。図１３に平面図として示した実施形態において、図１３に示された 形式の片持ち支持された導波路は、基板２１８上に形成された二または三以上の 静止導波路２５５，２５６の近傍のキャビティ２５１内に形成されている。接触 パッド２５８は図１３の金属電極１１０と接触しており、さらに各接触パッド２ ６０，２６２はそれぞれ各電極２６３，２６４と接触している。パッド２５８と パッド２６０との間に電位を与えることにより、（パッド２６０と電気接触させ られた）電極２６３と、図１３の片持ち部１１０上の静止電極との間に電界が形 成され、これにより生じる力により、片持ち部２５０を、静止導波路２５５と光 学的に整列させられる位置まで、静電引力により移動させることができる。この 位置において、導波路２５０から導波路２５５へと光が伝播させられる。あるい は、パッド２５８とパッド２６２との間に電位が与えられた場合は、片持ち部２ ５０は、静止導波路２５６と光学的に整列させられる位置まで静電力により引き つけられる。スイッチング動作を行うために片持ち部の先端の変位を約５μｍよ りも大きくする必要はないということに留意すべきである。このように光スイッ チが行うことができる。わかりやすくするために、図１９において、キャビティ ２５１の各側壁および各電極２６３，２６４を直線上としたが、偏向された片持 ち部と静止電極（２６３又は２６４）との間の空間を最小化するために、配置さ れた片持ち部の形状に近似した曲率を有する形状とすることもできる。これによ り、必要とされるスイッチング用電圧が減じられることになる。スイッチ内に組 み込むことかできる他の構成として、スイッチ内での光損失を最小化させるため に使用することができる、複数のレンズ、複数のミラーおよび複数の他のマイク ロ−オプティカル要素が含まれる。スイッチングネットワーク２１８を形成すべ く個々の導波路に対して光学的に接続するための各静止導波路を用いることによ り、 モノリシック基板２１９上で複数のスイッチを相互接続することができる。この 場合、各パッド２６０，２６２に替えて、集積回路の相互接続において常用され ている金属製相互接続部を使用することもできる。各光スイッチのための制御回 路要素は、基板２１８の縁部に位置する各接触パッドと各電極とを相互接続する ことにより形成することができる。あるいは、制御回路要素は、トランジスタを 形成しかつ基板材料自身内で相互接続するために使用される集積回路技術により 形成することができる。 各光学スイッチを縦続接続することにより、導波路に基づく水平方向スキャン （waveguide-based horizontal scan）を形成するため、ツリー構造のスイッチ ングマトリクスを形成することができる。光信号を並列に伝送するために使用す ることができる複数の光ファイバケーブル２４からの複数の信号を統合するため 、このようなツリー型スイッチを多数組み合わせることもできる。 可視域の波長（０．４μｍから０．６５μｍ）に対して、各出力用導波路１８ ２，１８４，１８６・・・（図１７）は、二酸化シリコンの被覆層を備えた酸窒 化物シリコンまたはダイヤモンドのコア領域を具備している。導電層１８９は、 シリコンまたはアルミニウム等の金属から形成されており、近傍に位置する二酸 化シリコン層１１１により基板から絶縁されている。 この実施形態において、水平方向のスキャンは光プロセッサ（図１８）により 達成されるとともに、光スイッチングはスイッチングネットワーク２１８により 達成される。このネットワークを用いることで、入力用導波路２１０に接続され た単一の光ファイバ２４は、出力用セットのうちの一の導波路を選択し、これを 介して所定のファイバからの光が出力用導波路２２０上へとパイプ輸送するネッ トワーク２１８に対して、ピクセル照射を行うことになる。これにより、所定の 時間内で、正しい色および輝度で一または二以上のピクセルが照射されることに なる。このプロセスは、ライン上の各ピクセルに対して連続的に繰り返される。 水平方向スキャンプロセスは、特定の最終導波ピクセルに対して、正しい色およ び光強度をパイプ輸送に続く、正しいスイッチ位置の設定を含む。スイッチング 信号は電気的または光学的に与えられるが、低速の繰り返し信号であり、頭部へ と電気的に伝送すること、あるいは、基板２１９内の単純な回路で発生させるこ とが比較的容易であるということに留意すべきである。対照的に、本質的に任意 またはランダムとされたピクセル毎のグレー階調データは、光プロセッサへと光 学的に高速で供給される。 図１９の片持ち部２５０が応答しなければならない速度は、ディスプレイ解像 度、フレームレートおよび並列データラインの数によって特定される。６０Ｈｚ のフレームレートに対するフレーム時間は１６．７ｍｓである。１６．７ｍｓで 表示される７６８ラインに対して、ラインスキャン時間は２１．７μｓである。 単一のデータラインに対して、スイッチングネットワークは一度で１ピクセルの 照射に適応させなければ成らず、かつ２１．７μｓ内で１０２４ピクセルをアド レスしなければならないので、ピクセル照射時間は２１ｎとなる。多数の光ファ イバに対して並列にデータが供給された場合、データラインにより供せられるピ クセル数は減じられるとともに、したがって照射回数は増加させられる。表３に ば、６４０ｘ４８０の場合および１０２４ｘ７６８の場合に対して多重化処理を 行う種々のデータラインに必要とされるスイッチング時間および片持ち部の速度 がまとめられている。スイッチング時間はピクセル照射時間の１０％と仮定され る。静止（出力用）導波路のピッチが３μｍと同程度に遅い（slow）ことを考慮 して速度は決定される。 表３．要求されるロータースイッチング速度 表３は、１０２４ｘ７６８ディスプレイの単一のデータラインに対して、先端 部は超音速で移動することを示している。したがって、光スイッチに基づく片持 ち部は真空内に配置しなければならないということが最も適切である（図１５参 照）。しかし、１０の並列入力ラインを有するＶＧＡディスプレイに対しては、 先端速度は５６ｍ／ｓとされ、扱いやすい速度となる。 装置内で達成することができる他の信号処理としては、輝度制御および歪曲ま たは収差の補正が挙げられる。輝度制御は、導波減衰器または好ましくはマイク ロマシン加工された片持ち導波減衰器を介して光信号を通過させることにより達 成することができる。収差制御は、一組の追加的な偏向ミラーを介して光信号を 通過させることにより達成することができる。既知の光学的な歪曲に応じた画像 を再配置するように、これらのミラーの移動が設定される。このような補正は、 主要なスキャン手段のスキャンタイミングを修正することにより達成することも できる。 光信号処理回路は、さらに、スキャンされたビームが極限の限界に位置したと きを決定するエッジ検出センサを備えている。このセンサからの信号は、上述し たように、システムタイミングと同期させるため及び目を防護する安全装置を提 供するために使用することができる。 カラーディスプレイの場合には、三要素色（赤、緑および青）は別個に変調し 、そして組み合わせなければならない（図２０参照）。したがって、複数のダイ クロイックミラー３０８およびエンドミラー３１０を用いて各変調器３０２，３ ０４，３０６に対して光源３００から白色光を供給しなければならない。各変調 器３０２，３０４，３０６からの光は光ファイバカプラ３１２を用いて混合され 、光ファイバ３１６によりビーム操作手段へと伝送される。あるいは、自由空間 における光学機器によりそれぞれの色を組み合わせることができ、この組み合わ された色はファイバへと伝送される。短い距離（＜１０ｃｍ）とされた構成に対 しては、自由空間における光学機器を使用することができる。長い距離に対して は、スキャナへと光を供給するには光ファイバが好ましい方法とされる。赤、緑 および青を発生する他の方法は、複数のＬＥＤおよび複数のレーザを使用するこ とを含み、これらの出力は、自由空間における各光学機器またはファイバカプラ を介して混合することができる。 本発明の特定の実施形態について各添付図面を用いて説明したが、これは、本 発明による他の構成の総てまたは幾つかを組み合わせることについて単に容易で あるからである。 請求の範囲に記載した範囲を逸脱しない範囲で変形例を加え得ることは当業者 であれば明らかである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 視認面と； ビーム操作手段を有する光信号プロセッサと； 前記視認面および前記ビーム操作手段から離間した光源と； 該光源から前記視認面への照射を行うために、前記光源と前記視認面とを接続 する少なくとも一つの導波路と；を備えてなり、 前記ビーム操作手段は、前記導波路により前記視認面上に二方向に伝送される 照射をスキャンするために、前記導波路および前記視認面と関連づけられおり； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させるための手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ２． さらに眼鏡を備えており、前記ビーム操作手段は、該眼鏡上に取り付けら れているとともに、前記導波路の一端部に接続され、前記視認面は眼鏡を含み、 前記光源および前記変調器は前記眼鏡から離間されていることを特徴とする請求 項１記載のシステム。 ３． ビーム操作手段によるスキャンの範囲を検出する検出手段を備えているこ とを特徴とする請求項２記載のシステム。 ４． 眼鏡を装着した者の目を保護すべく、スキャンの範囲が所定の閾値を超え た際に前記ビーム操作手段への光の伝送を妨げるために、前記検出手段に応答し かつ前記変調器に応答する手段を備えていることを特徴とする請求項３記載のシ ステム。 ５． 前記ビーム操作手段は、前記導波路からの光を受け取るために位置決めさ れた一対の反射部材と、第一の方向に前記反射部材の一つを偏向させるための手 段と、第二の方向に他の前記反射部材を偏向させるための手段とを備えているこ とを特徴とする請求項１記載のシステム。 ６． 前記導波路は光ファイバとされていることを特徴とする請求項１記載のシ ステム。 ７． 前記ビーム操作手段は、片持ち部を有していることを特徴とする請求項６ 記載のシステム。 ８． 前記ビーム操作手段は、基板を有しているとともに、前記光ファイバを収 容するために前記基板に切り込み形成された溝部が形成されていることを特徴と する請求項７記載のシステム。 ９． 前記溝部は、光ファイバの位置を固定するための第一の深さを有する第一 の部分と、光ファイバの末端部が移動自由とされるようなさらに深い第二の深さ を有する、片持ち部とされた第二の部分と、からなる二つの部分を有しているこ とを特徴とする請求項８記載のシステム。 １０． 前記ビーム操作手段はキャパシタを備えており、該キャパシタの第一の プレートは片持ち部の構成部分とされているとともに、第二のプレートは、片持 ち部が偏向される方向である第一の方向に第一のプレートから離間して配置され ていることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １１． 片持ち部が偏向される方向である第二の方向に第一のプレートから離間 して配置された第三のプレートを有する第二のキャパシタを備えていることを特 徴とする請求項１０記載のシステム。 １２． 前記片持ち部は、圧電材料の層と、該圧電材料を横切って電圧を与える 手段とを備えていることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １３． 前記片持ち部は、一の、磁力に引きつけられる材料および電磁材料と、 これらから離間された他の、磁力に引きつけられる材料および電磁材料とを備え ていることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １４． 前記ビーム操作手段の移動の減衰を制御するために、該ビーム操作手段 を囲む真空囲い部を備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。 １５． 前記導波路から出射される光の変位を増幅するための増幅手段を備えて いることを特徴とする請求項１記載のシステム。 １６． 前記増幅手段は、前記導波路の末端部から出射される光路に対して所定 角度だけ変位される一組の反射部材を備えていることを特徴とする請求項１５記 載のシステム。 １７． 前記ビーム操作手段は、偏向可能とされた片持ちパッド上に、平行に配 列された複数の出力用導波路を備えていることを特徴とする請求項１記載のシス テム。 １８． 前記少なくとも一つの導波路は、光ファイバを備えていることを特徴と する請求項１７記載のシステム。 １９． 前記各出力用導波路の何れかへの照射を方向づけるために、前記光ファ イバの末端部の位置をスイッチングするための手段を備えていることを特徴とす る請求項１８記載のシステム。 ２０． 前記光源は白色光源とされ、白色光を複数の着色光に分解するための分 光手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。 ２１． 前記分光手段は、各着色光のそれぞれに対してダイクロイック装置を備 えていることを特徴とする請求項２０記載のシステム。 ２２． 前記変調器は、それぞれの着色光を別々に変調するための手段を備えて いることを特徴とする請求項２０記載のシステム。 ２３． 前記導波路は、複数の入力用光ファイバを備えており、各入力用ファイ バはそれぞれ、変調するための各手段と、前記各入力用ファイバと接続するため のファイバカプラとに対して光学的に接続されていることを特徴とする請求項２ ２記載のシステム。 ２４． 前記カプラに接続された出力用光ファイバを備えていることを特徴とす る請求項２３記載のシステム。 ２５． 前記光源は、少なくとも一つの半導体光出射装置を備えていることを特 徴とする請求項１記載のシステム。 ２６． 前記光ファイバは、約１μｍ〜５μｍの幅のコア直径を有する単一モー ドファイバとされていることを特徴とする請求項６記載のシステム。 ２７． 前記光ファイバは、前記視認面の操作性を増大させるために、３フィー トよりも長い長さを有していることを特徴とする請求項６記載のシステム。 ２８． 視認面と； 導波路と； 該導波路からの光を受け取るために位置決めされた一対の反射部材、第一の反 射部材を第一の方向に偏向させる手段、および他の反射部材を第二の方向に偏向 させる手段を有するビーム操作手段を備えた光信号プロセッサと； 前記視認面から離間された光源と；を備えてなり、 前記導波路は、前記光源から前記ビーム操作手段へと照射を行うために、前記 光源と前記ビーム操作手段とを接続しており； 前記光源を変調するための変調器と；該変調器と前記偏向させる手段とを同期 させる手段と；を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム 。 ２９． 視認面と； 可撓性を有する長い光ファイバと； 前記光ファイバにより二方向に伝送される照射をスキャンするための片持ち部 を備えたビーム操作手段と； 前記視認面から離間された光源と； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させる手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ３０． 前記ビーム操作手段は、基板を有しているとともに、前記光ファイバを 収容するために基板内に切り込み形成された溝部が形成されていることを特徴と する請求項２９記載のシステム。 ３１． 前記溝部は、光ファイバの位置を固定するための第一の深さを有する第 一の部分と、光ファイバの末端部が移動自由とされるようなさらに深い深さを有 する第二の部分と、からなる二つの部分を有していることを特徴とする請求項３ ０記載のシステム。 ３２． 視認面と； 可撓性を有する長い光ファイバと； 片持ち部と、該片持ち部の構成部分とされている第一のプレート、および前記 ファイバの末端部が偏向される方向である第一の方向に第一のプレートから離間 して配置されている第二のプレートを有するキャパシタと、を備えたビーム操作 手段と； 前記視認面から離間された光源と； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させる手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ３３． 視認面と； 可撓性を有する長い光ファイバと； 前記光ファイバの末端部を有する片持ち部と、圧電材料の層と、該圧電材料を 横切って電圧を印可する手段と、を備えたビーム操作手段と； 前記視認面から離間された光源と； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させる手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ３４． 視認面と； 該視認面から離間された光源と； 該光源から前記視認面へと照射するために、前記光源と前記視認面とを接続す る可撓性を有する長い光ファイバと； 前記光ファイバの末端部を有する片持ち部を備え、該片持ち部が、一の、磁力 に引きつけられる材料および電磁材料と、これらから離間された他の、磁力に引 きつけられる材料および電磁材料とを備えているビーム操作手段と； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させる手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ３５． 視認面と； 偏向可能とされた片持ちパッド上に、平行に配列された複数の出力用導波路を 有するビーム操作手段と； 前記視認面から離間された光源と； 前記光源と前記ビーム操作手段とを接続する、可撓性を有する長い光ファイバ と；を備えてなり、 前記ビーム操作手段は、前記光ファイバにより前記視認面上に伝送される照射 をスキャンするために、前記光ファイバの末端部および視認面と関連づけられて おり； 前記光源を変調するための変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期させる手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。 ３６． 前記各出力用導波路の何れかへの照射を方向づけるために、前記光ファ イバからの光子の位置をスイッチングするための手段を備えていることを特徴と する請求項３５記載のシステム。 ３７． 視認面と； ビーム操作手段と； 白色光源と； 白色光を複数の着色光へと分解するための分光手段と； 前記光源から前記視認面への照射の伝送を行うために、前記光源と前記視認面 とを接続する少なくとも一つの導波路と；を備えてなり、 前記ビーム操作手段は、前記導波路により前記視認面上に伝送される照射をス キャンするために、前記導波路および視認面と関連づけられており； 前記各着色光を別々に変調するための手段を備えた変調器と； 該変調器と前記ビーム操作手段とを同期する手段と； を備えていることを特徴とするコンパクトディスプレイシステム。