JP2004334208A - Ｍｅｍｓアレイおよび光変調器アレイの制御 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減、小型化、空間解像度の低下防止および信頼性の向上を図る。
【解決手段】列線(40)と行線(30)を持つ光変調器アレイ等のMEMS素子のアレイ(10または15)は、いくつかの個別電圧(70)を供給し、アレイの各MEMS素子に印加される選択電圧(21)を、これらの個別電圧から多重化し、アレイのMEMS素子への選択個別電圧の印加を可能(22)にすることで、入力信号に応答して制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アナログＭＥＭＳアレイの制御に関し、詳細には、光変調器アレイのアナログ電圧制御に関する。

それぞれのピクセル・セル（ｐｉｘｅｌ ｃｅｌｌ）のバイナリ・デジタル制御を用いる光変調器アレイは、白黒のテキスト・ディスプレイやテキスト・プロジェクタに使用されている。グレイスケールやカラーを生成するためには、単純なバイナリ制御ではなく、アナログ信号を用いて、それぞれのピクセル・セルを制御することが望ましい。光変調器アレイ・システムにおいて、高解像度のカラーまたはグレイスケールを得るために、一般に考えられる２つの方法は、変調器要素のパルス幅変調と直接アナログ制御である。パルス幅変調を使用するには、単一のフレーム・サイクルを、複数のサイクル・セグメントに分けて、それぞれのサイクル・セグメントの間、変調器要素ごとにデータを送ることが必要である。アレイが大きく、かつ解像度が高い場合には、これは、非常に速いデータ転送速度を必要とすることもある。光プロジェクタの業界では、所望のカラー解像度を維持しながら、このようなデータ転送速度を低下させる手段を見つけるという目標に向けて、多大な努力が払われている。

光変調要素（例えば、マイクロミラー（微細鏡）、回折ベースの変調器、または干渉ベースの変調器）などのＭＥＭＳ素子（ＭＥＭＳ device）のアレイ、あるいは、ＬＣＤ変調器のアレイでは、グレイスケールやカラーを生成するために、このような変調器を駆動する電圧のアナログ制御も求められることがある。このアレイのそれぞれのセルの下に全アナログ制御を置くことにより、光変調システムの性能および／またはコストに、マイナスの影響が及ぼされることもある。アナログ回路は、集積回路のプロセスにおいて、面積の点で高くつく（area-expensive）。また、個々のセルをアナログ制御するには、セル・サイズを大きくすることが必要となり、そのことから、変調器アレイの空間解像度が低下することがある。セル・サイズを維持しようとして、リソグラフィック解像度がさらに高く、かつフィーチャー・サイズ（feature size）がさらに小さい製造プロセスを利用することから、費用がさらに高くつく場合がある。光変調器アレイのあらゆるピクセル・セルに、アナログ制御回路を繰り返すと(replication)、信頼性にもマイナスの影響が及ぼされることがある。

本発明の特徴および利点は、当業者であれば、図面といっしょに以下の詳細な説明を読めば、容易に理解されよう。

本明細書および併記の特許請求の範囲の全体にわたって、「ＭＥＭＳ」という用語は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（微小電子機械システム）の従来の意味を持っている。本発明は、多くの種類のＭＥＭＳ素子を含むアレイに適用されることがある。わかりやすく、かつ明確にするために、詳述される実施形態は、ＭＥＭＳ素子が変調器ピクセル・セルである光変調器アレイに関して述べられている。これらの実施形態は、他のアナログ制御可能なＭＥＭＳ素子にも適用できる本発明による原理および実施面を示している。

本発明は、それぞれのピクセル・セルに繰り返されたアナログ制御回路のオーバーヘッドなしに、複数の駆動電圧にて、個々にセルをアドレス指定できるという利点を提供する。列（column）線と行（row）線を持つ光変調器アレイは、いくつかの個別電圧を供給し、この光変調器アレイの各ピクセルに印加される選択電圧を、これらの個別電圧から多重化し、光変調器アレイの各ピクセルへの上記選択個別電圧の印加を可能にすることで、入力信号に応答して制御される。

以下に詳述される実施形態は、マイクロミラー・アレイ、または回折ベースの変調器、または干渉ベースの変調アレイなどの光変調要素のアレイ中のセルの電圧制御用の方法を示している。アナログ制御回路は、このアレイの境界に置かれて、ピクセル・セルのレベルでアナログ制御回路を繰り返す必要がないようにしている。このようなアドレス指定方式により、個々のセルに適した電圧レベルを多重化することができる。

図１は、本発明により制御される光変調器アレイ１０の第１の実施形態の略図である。この例は、３×３の正方形アレイ中にピクセル・セル２０が９個しかない単純な光変調器アレイ１０を示しているが、光変調器アレイは、長方形アレイなどの都合の良い形状で多くのピクセル・セルを配列し、かつ、それぞれのピクセル・セルが行３０と列４０でアドレス指定されるものと理解されよう。図１では、行１は参照数字３１で特定され、行２は参照数字３２で特定され、また、行３は参照数字３３で特定される。同様に、列１は参照数字４１で特定され、列２は参照数字４２で特定され、また、列３は参照数字４３で特定される。それぞれのピクセル・セル２０は、Ｖ_in入力２１とイネーブル入力２２を持っている。

いくつかの電圧制御装置５０は、それぞれの列電圧選択ブロックに電線で連絡される一連のアナログ電圧を発生させる。図１に示される実施形態では、電圧制御装置５０は、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）５１、５２、５３である。このアレイ用の列データ６０は、それぞれの列用の電圧選択バスを制御する。ＤＡＣ５１〜５３の入力部にて求められるデジタル信号のビット数は、所望の異なるアナログ電圧の数によって決定される。このアレイ用の行データは、従来のバイナリ駆動式のアレイ（binary-driven array）のものと同じである。この行データは、選択変調器ピクセル・セル２０用の選択列電圧を駆動するイネーブル信号の働きをする。

図２は、本発明により制御される光変調器アレイの第２の実施形態１５の略図である。図２では、やはり行１〜行３が参照番号３１〜参照番号３３で特定され、また、列１〜列３がそれぞれ参照番号４１〜参照番号４３で特定される。この場合も、図１に示されるように、それぞれのピクセル・セル２０が、電圧Ｖ_in入力２１とイネーブル入力２２を持っている。

図２の実施形態では、Ｖｒｅｆ₁７１、Ｖｒｅｆ₂７２、Ｖｒｅｆ₃７３のようないくつかの個別アナログ基準電圧７０が供給される。一組のアナログ・マルチプレクサ（ＭＵＸ）８０は、列・データ６０に基づいて、列ごとに、アナログ基準電圧を選択する。例えば、アナログＭＵＸ８１は、Ｖｒｅｆ₁７１、Ｖｒｅｆ₂７２、Ｖｒｅｆ₃７３の中から１つのアナログ電圧を選択して、列１のバス４１に印加する。同様に、アナログＭＵＸ８２は、同じ組のアナログ基準電圧から１つのアナログ電圧を選択して、列２のバス４２に印加し、また、アナログＭＵＸ８３は、同じ組のアナログ基準電圧から１つのアナログ電圧を選択して、列３のバス４３に印加する。図１の場合と同様に、この行データは、選択変調器ピクセル・セル２０用の選択列電圧Ｖ_inを駆動するイネーブル信号の働きをする。

Ｖｒｅｆ₁７１、Ｖｒｅｆ₂７２、Ｖｒｅｆ₃７３のような設定可能なアナログ基準電圧７０は、個別アナログ基準電圧７１〜７３のそれぞれに対してＤＡＣを用いて、全光変調器アレイ１５向けのただ一組の従来のＤＡＣ（図示されてない）により発生させることがある。個別アナログ基準電圧の数が、図２に示される３つに限定されないことと、任意の所望の数の個別アナログ基準電圧を使用できることが、当業者には理解されよう。

図３は、光変調ピクセル要素などの電圧駆動式のＭＥＭＳ要素用の駆動回路を、単純な略ブロック図で示し、それぞれのピクセル・セル２０において、電圧Ｖ_in入力２１とイネーブル入力２２がどのように処理されるのか図示している。行イネーブル信号３５によりゲート制御される単一パス・ゲート９０は、変調器ピクセル・セル２０に印加される選択Ｖ_in電圧入力４５を駆動する。コンデンサ２５は、必要とされる場合に、印加アナログ電圧Ｖ_inを持続するために用いられるか、あるいは、ピクセル・セル２０は、別個のコンデンサ２５を不必要とする内蔵キャパシタンスＣを持つこともある。

したがって、図１と図２の実施形態は両方とも、いくつかの電圧制御要素５０または８０をそれぞれ利用して、所望の範囲の個別アナログ電圧を発生させる。次に、これらの個別アナログ電圧を、変調器アレイの列線上に多重化する。それぞれのセルにアナログ電圧レベルを発生させるのではなく、所与の範囲の電圧の任意の１つを、個々のピクセル・セルに多重化すれば、データ転送速度の最小限の増加で、カラー解像度を高めることができる。

所与の範囲の電圧の任意の１つを、個々のピクセル・セルに多重化すると、さらに費用のかかる製造プロセスも不必要となり、変調器アレイの個々のピクセル要素の下に収まるサイズのアナログ制御回路が可能となることもある。

光変調器アレイ１０と光変調器アレイ１５を両方とも制御する記述された方法は、いくつかの個別アナログ電圧を供給することを含む。この記述された方法は、ピクセルに印加される電圧を、これらの個別電圧から選択し、その選択電圧を列線に印加し、さらに、そのピクセル用の行線を選択して、そのピクセルへの上記選択電圧の印加を可能にすることで、このアレイのそれぞれのピクセル・セル２０用の行線３０と列線４０を使用する。供給される個別電圧は、図１に示される通りの各列にて、あるいは、図２に示される通りの全アレイ（あるいは、全アレイのうちの任意の所望の部分）に対して、ＤＡＣを用いて設定できるアナログ基準電圧である。この電圧選択、電圧印加、およびイネーブリングは、光変調器アレイのすべてのピクセルに対して、ほぼ同時に行われることがある。

本明細書に述べられる方法は、アナログ電圧信号に応答するようにしたピクセル変調要素２０を有する光変調器アレイを制御するためにも使える。これらの方法の１つは、いくつかの行線３０と、いくつかの列線４０を提供し、特定の列線３０と特定の行線のそれぞれの組合せが、このアレイのピクセル変調要素と、いくつかの個別アナログ電圧７０を選択するようにしている。このアレイのピクセルごとに、そのピクセルに印加される電圧は、個別アナログ電圧７０の中から選択される。この選択電圧は、ピクセルの列線に印加され、またピクセルへの選択電圧の印加は、このピクセル用の行線を選択することにより、可能となる。あるいは、同等の代替方式では、この選択電圧は、このピクセルの行線に印加され、また、このピクセルへの選択電圧の印加は、このピクセル用の列線を選択することにより可能となる。この場合も、この電圧選択、電圧印加、およびイネーブリングは、光変調器アレイのすべてのピクセルに対して、ほぼ同時に行われることがある。アナログ電圧信号に応答するピクセル変調要素２０に関連して、それぞれの個別電圧は、グレイレベルか、あるいは、例えば色の色相、彩度、輝度の一意の組合せに対応することがある。

本発明の他の面は、入力信号に応答して、光変調器アレイを制御する装置である。光変調器アレイ１０または１５は、この光変調器アレイのピクセル・セル２０を選択する行線３０と列線４０を持っている。この装置は、いくつかの個別電圧源、入力信号に応答して、このアレイの各ピクセルに印加される選択電圧を個別電圧源から多重化するマルチプレクサ８０、および、このアレイの各ピクセル・セル２０への上記選択個別電圧の印加を可能にする１つまたは複数のゲート９０を含む。それぞれの個別電圧源は、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）であることもある。この選択アナログ電圧に対応する充電を持続することが必要である場合には、この装置は、ゲート９０に結合されたコンデンサ２５を含む。ゲート９０は、行線３０により、あるいは、列線４０により制御される。

この多重化機能を果たすために、いくつかの電圧選択ブロックが用いられることがある。ただし、それぞれの電圧選択ブロックは、行線３０がゲート９０を制御する場合には、列線４０に結合され、あるいは、列線４０がゲート９０を制御する場合には、行線３０に結合される。

したがって、本発明は、複数のピクセルを持つ光変調器アレイを制御する方法および装置を提供する。この制御装置は、いくつかの個別アナログ電圧を供給し、各ピクセルに印加される特定のアナログ電圧を、これらの個別アナログ電圧の中から選択し、この選択アナログ電圧をそれぞれの選択ピクセルに印加する。それぞれのピクセルへの上記選択アナログ電圧の印加をゲート制御することも、この装置によって行われる。アナログ電圧の多重化は、光変調器アレイの行／列・アドレス指定と一体化される。

本発明の方法および装置は、多くの種類のアナログ制御可能なＭＥＭＳ素子アレイ、光変調器アレイ、光プロジェクタ（例えば、マイクロミラー、回折ベースの変調器、または干渉ベースの変調器）の制御にも、液晶（ＬＣＤ）変調器の制御にも役に立つ。

上記のものは、本発明の特定の実施形態を例示して、説明したものであるが、当業者は、本発明の様々な修正および変更を、併記の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および精神から逸脱することなく、行うことができる。例えば、行線と列線の役割を、例示される実施形態に記載のものと逆にする場合もあることが、当業者には理解されよう。このような方法では、いくつかの個別電圧が供給され、また、このアレイのピクセルごとに、そのピクセルに印加される電圧を、これらの個別電圧から選択し、この選択電圧を、ピクセルの行線に印加し、さらに、このピクセル用の列線を選択して、このピクセルへの上記選択電圧の印加を可能にする。記述された電圧制御も、従来のパルス幅変調といっしょに用いられることもあり、所要のデータ転送速度の最小限の増加で、カラー解像度を高められるようにすることが当業者には理解されよう。例えば、２つのアナログ電圧（例えば、１Ｖと２Ｖ）が用いられ、かつ、パルス幅データの２ビットが用いられる（可能な４つのデューティ・サイクル）場合には、８つの輝度レベルを得ることができる。

本発明により行われる光変調器アレイ制御の第１の実施形態の略図である。 本発明により行われる光変調器アレイ制御の第２の実施形態の略図である。 電圧駆動式のＭＥＭＳ要素用の駆動回路の略ブロック図である。

符号の説明

１０、１５ 光変調器アレイ
２０ ピクセル・セル
３０ 行
４０ 列
７０ 個別アナログ基準電圧
８０ マルチプレクサ
９０ ゲート

Claims (10)

1. 内部の特定のＭＥＭＳ素子を選択する列線と行線を持つタイプのＭＥＭＳ素子のアレイを、入力信号に応答して制御する方法であって、
   ａ）いくつかの個別電圧を供給するステップと、
   ｂ）前記入力信号に応答して、前記アレイのそれぞれのＭＥＭＳ素子に印加される選択個別電圧を、前記いくつかの個別電圧から多重化するステップと、
   ｃ）前記アレイのそれぞれのＭＥＭＳ素子への前記選択個別電圧の印加を可能にするステップと、
   を含む方法。
2. 前記個別電圧が、アナログ基準電圧であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記アレイのそれぞれのＭＥＭＳ素子が光変調器のピクセル・セルから成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記アレイのピクセルを選択する列線と行線を持つタイプの光変調器アレイを、入力信号に応答して制御する方法であって、
   ａ）いくつかの個別アナログ電圧を供給するステップと、
   ｂ）前記入力信号に応答して、前記アレイのそれぞれのピクセルに印加される選択個別アナログ電圧を、前記いくつかの個別アナログ電圧から多重化するステップと、
   ｃ）前記アレイのそれぞれのピクセルへの前記選択個別アナログ電圧の印加を可能にするステップと、
   を含む方法。
5. アナログ電圧信号に応答するようにしたピクセル変調要素を持つ光変調器アレイを制御する方法であって、
   ａ）いくつかの列線といくつかの行線を提供し、かつ、一本の列線と一本の行線のそれぞれの組合せで、１つのピクセルが選択されるようにするステップと、
   ｂ）いくつかの個別電圧を供給するステップと、
   前記アレイのピクセルごとに、
   ｃ）前記ピクセルに印加される電圧を、前記いくつかの個別電圧から選択するステップと、
   ｄ）前記選択電圧を、前記ピクセルの前記列線に印加するステップと、
   ｅ）前記ピクセル用の前記行線を選択して、前記ピクセルへの前記選択電圧の印加を可能にするステップと、
   を含む方法。
6. 内部のピクセルを選択する列線と行線を持つタイプの光変調器アレイを、入力信号に応答して制御する装置であって、
   ａ）いくつかの個別電圧源と、
   ｂ）前記入力信号に応答して、前記アレイのそれぞれのピクセルに印加される選択電圧を、前記いくつかの個別電圧源から多重化するマルチプレクサであって、列線にそれぞれ結合されている複数の電圧選択ブロックを含むマルチプレクサと、
   ｃ）前記アレイのそれぞれのピクセルへの前記選択個別電圧の印加を可能にする複数のゲートであって、行線にそれぞれ結合されている複数のゲートと、
   を備える装置。
7. 内部のピクセルを選択する列線と行線を持つタイプの光変調器アレイを、入力信号に応答して制御する装置であって、
   ａ）いくつかの個別電圧源と、
   ｂ）前記入力信号に応答して、前記アレイのそれぞれのピクセルに印加される選択電圧を、前記いくつかの個別電圧源から多重化するマルチプレクサであって、行線にそれぞれ結合されている複数の電圧選択ブロックを含むマルチプレクサと、
   ｃ）前記アレイのそれぞれのピクセルへの前記選択個別電圧の印加を可能にする複数のゲートであって、列線にそれぞれ結合されている複数のゲートと、
   を備える装置。
8. 複数のＭＥＭＳ素子を持つ光変調器アレイ用のコントローラであって、
   ａ）いくつかの個別アナログ電圧を供給する手段と、
   ｂ）それぞれのＭＥＭＳ素子に印加されるアナログ電圧を、前記いくつかの個別アナログ電圧から選択する手段と、
   ｃ）それぞれのＭＥＭＳ素子に前記選択アナログ電圧を印加する手段と、
   を備える装置。
9. ｄ）それぞれのＭＥＭＳ素子への前記選択アナログ電圧の印加をゲート制御する手段、をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のコントローラ。
10. 前記アレイのそれぞれのＭＥＭＳ素子が、光変調器のピクセル・セルを有することを特徴とする請求項８に記載のコントローラ。

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