JP2007516465A - 高密度の空間光変調器 - Google Patents

Abstract

一実施形態では、高密度の空間光変調器(300)は、反射表面(404)と該反射表面上の反射性リボン(304)とを有する基板(402)を含む。該リボン(304)は、矩形のスロット(308)といった１つ又は２つ以上の開口を有することが可能である。該開口は、光が該リボンを通って前記反射表面に入射することを可能にする。このため該リボン(304)を基板(402)に向かって偏向させることにより、入射光の動的に制御可能な回折が可能となる。該空間光変調器の画素が必要とする空間は従来の光変調器よりも小さく、このため、作成可能なデバイスサイズ内で比較的大きな画素数が可能となる。他の実施形態もまた開示される。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に光変調器に関し、特にＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System：マイクロマシン技術）を基礎とする空間光変調器に関する（但しこれには限定されない）ものである。

ＭＥＭＳ技術を用いて作製された空間光変調器は一般に周知のものである。かかる光変調器の一例として、Silicon Light Machines Corporation (Sunnyvale, California)から入手可能なGrating Light Valve (R) （ＧＬＶ(R)）光変調器が挙げられる。以下ではＧＬＶ(R)光変調器と同じタイプの装置を「リボン光変調器」と称することとする。リボン光変調器については、例えば、Bloom等の「Method and Apparatus for Modulating a Light Beam」と題する米国特許第5,311,360号、Bloom等の「Flat Diffraction Grating Light Valve」と題する米国特許第5,841,579号、Bornstein等の「Method of Making and an Apparatus for a Flat Diffraction Grating Light Valve」と題する米国特許第5,661,592号、及びBloom等の「Method and Apparatus for Modulating an Incident Beam for Forming a Two-Dimensional Image」と題する米国特許第6,215,579号といった文献に開示されている。リボン光変調器は、光ネットワーク、ビデオ、及びプリンティングを含む、様々な用途で採用することができるものである。

図１及び図２は、従来のリボン光変調器の構造の概略図を示している。図１において、反射層103を有する各リボン102は、反射層106を上部に有する基板104に向かって静電気的に偏向させて、調節可能な回折強度を有する回折格子を形成することが可能なものである。図２では、アクティブな偏向可能なリボン202はまた、静電気的に偏向不能なリボン204と交互に配置されて、調節可能な回折強度を有するアドレス指定可能な回折格子が形成されている。図２では、基板208は、反射表面層を有している必要はない。図１におけるリボン102及びギャップ108（リボン-ギャップ）ペア110又は図２におけるアクティブリボン202及び静止リボン204（リボン-リボン）ペア206は、回折周期を構成する。１つ又は２つ以上の周期を１つの「画素」としてアドレス指定することができる。このため、例えば、一画素を使用して一単位のイメージを表示し又はプリントすることができる。

従来の空間光変調器は、広範な高解像度の用途において満足のゆくように使用できるものであるが、更に高い画素解像度を必要とする用途が現れつつある。かかる用途には、超高解像度表示装置、マスクレス・リソグラフィ、プリント回路基板及びフラットパネルディスプレイ用の高解像度印刷、及びその他の多くの用途が含まれる。レーザプリンタといった既存の用途もまた存在し、かかる用途では、高解像度の空間光変調器を使用することにより大きな改善をもたらすことができる。

一実施形態では、高密度の空間光変調器は、反射表面と該反射表面上の反射性リボンとを有する基板を含む。該リボンは、矩形のスロットといった１つ又は２つ以上の開口を有することが可能である。該開口は、光が該リボンを通って前記反射表面に入射することを可能にする。このため、該リボンを該反射表面に向かって偏向させることにより、入射光の動的に制御可能な回折が可能となる。該空間光変調器の画素が必要とする空間は、従来の光変調器よりも小さく、このため、比較的大きな画素数が可能となる。

本発明の上述その他の特徴は、図面及び特許請求の範囲を含む本開示全体を参照することにより、当業者には容易に明らかとなろう。

本発明は、発明者Jahja I. Trisnadi 及び Clinton B. Carlisleにより2003年9月26日に出願された「Spatial light modulator」と題する米国仮出願第60/506,624号の利点を請求するものである。

異なる図面における同一の符号は、同一要素又は類似した要素を示している。図面は、特に言及しない限り、実際の縮尺であるとは限らない。

本開示では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、装置、構成要素、及び方法の実例といった様々な特定の細部が提供される。しかし、本発明は、かかる１つ又は２つ以上の特定の細部なしで実施することが可能である、ということが当業者には理解されよう。別の例では、本発明の特徴が曖昧になるのを回避すべく、周知の細部は図示せず又は説明しない。

本発明は、回折式の空間光変調器に関するものである。例として直線状のリボン光変調器を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のタイプの空間光変調器で採用することも可能なものであることが理解されよう。

図３及び図４は、本発明の一実施形態による、高密度又は高画素数の直線状の回折式の空間リボン光変調器300の概略図を示している。図３は、該光変調器300の平面図を示し、図４は、光変調器300の実施形態を図３に示す線状照明302に沿って切断した断面図を示している。光変調器300は、数個から数千個又はそれ以上の反射性リボンを有することが可能であるが、例示の明瞭化のために４つのリボン304のみを示す。各リボン304の両端は、支柱306その他の手段を用いて固定することが可能である。リボン304及びその下方の基板は好適には、反射性の上面を有し、空隙により分離される。図４の例では、基板402の上面は、上部に位置する反射層404を有するものとして示されている。各リボン304は好適には、その上面にかかる反射層を（図１及び図２に示すように）有する。各リボンは、矩形のスロット308という形の１つ又は２つ以上の開口を有する。該スロット308は、「線状照明」と記載する網掛け領域を照明する光の部分が該リボン304の下方に位置する基板402の反射層404上に入射することを可能にする。好適な一実施形態では、空間光変調器300は、a) リボン上の反射層の面積-反射率の積と、b) リボン内の開口及びリボン間の開口の面積-反射率の積とがほぼ等しくなるように構成される。光変調器300は、従来のリボン光変調器の作製で用いられているものと同様のＭＥＭＳプロセス技術を使用して作製することが可能である。

反射性リボン304の中間部分（固定された部分の中間）は、例えば静電気力によって、基板に向かって偏向させることが可能である。リボン304を偏向させることによって、該リボン304の上面と基板402の反射層404との間の距離が変化し、これにより、それらに入射する光の経路長差が変化する。これにより、入射光を回折により変調させることが可能となる。

光変調器300において、回折周期「Λ」は細長いリボン表面と開口からなる。アドレス指定可能な画素「Ｐ」は「Ｎ」周期／画素を有する（すなわち、Ｐ＝ＮΛ）。図３及び図４に示す例では、各画素は３つの周期を有する。リボン間のギャップ310がスロット308と同じ効果を有するものであることに留意されたい。このためリボン幅「Ｗ」は次式により与えられる。

Ｗ＝Ｐ−（Λ／２）
光変調器300は、０次モード又は１次モードで動作することが可能である。０次モードでは、光の０次成分が収集され、１次または更に高次へと光を回折させることにより変調が達成される。１次モードでは、収集されるのは、変調された光の１次成分である。しかし、光変調器300の周期が僅か数波長となる可能性があるため、回折角が極めて大きくなる可能性がある。このため、光変調器300を０次モードで動作させるのが好ましい。

距離「Ｈ」は、リボンの上部の反射表面と基板の反射層との間の距離である。Ｈ＝（奇数)(Λ／４）である場合には（Λは入射光の波長）、光変調器300は通常はオフになる。換言すれば、未偏向状態が「回折」となって光が破棄され、これは０次モードにおける暗画素に対応する。Ｈ＝（偶数)(Λ／４）である場合には、光変調器300は通常はオンになる。すなわち、未偏向状態が「反射」となり、これは０次モードにおける明画素に対応する。偏向がＨ／３を超えた場合にはリボンが折れてしまう可能性があり、最小の偶数及び奇数の乗数は好適にはそれぞれ４及び５である。高さマージンδを距離Ｈに加えて一様性を較正できるようにすることが可能である。換言すれば、通常オフとなる光変調器300は、Ｈ＝Ｍ（Λ／４）＋δ（Ｍは５以上の奇数（すなわちＭ＝５又は７又は９又は１１等））で構成することが可能であり、通常オンとなる光変調器300は、Ｈ＝Ｍ（Λ／４）＋δ（Ｍは４以上の偶数（すなわちＭ＝４又は６又は８又は１０等））で構成することが可能である。

特定の例として、Λ＝１マイクロメータ（μｍ）及びＮ＝３周期／画素とすると、
Ｐ＝３μｍ（すなわち１μｍ×３）
となる。スロット幅並びにリボン間のギャップは、それぞれ（Λ／２）すなわち0.5μｍ（すなわち１μｍ／２）となる。リボン幅Ｗは2.5μｍ（すなわち３μｍ−（１μｍ／２））である。光源が波長Λ＝0.5μｍを有する場合、通常オフの光変調器は、0.625μｍ（奇数＝５）又は0.875μｍ（奇数＝７）の距離Ｈを有することが可能である。一万画素の場合、ダイはたったの約３０ｍｍ（10,000×３μｍ）となる。

〜Λであるリボン構造の場合には、フルベクトル回折解析を使用して、装置動作を最適化させ、及び該構造との光照射野の相互作用における偏光効果を説明することが可能である。また、各画素毎の装置の電子回路をリボン構造と同じシリコン内に組み込んで、極めて高い画素数と細密な画素ピッチを可能にすることができる。

高画素数の回折式の空間光変調器を開示した。変調器は、直線状のアレイとして構成することが可能であるが、代替的に、２次元アレイとして構成することが可能である。特定の実施形態を提供したが、これらの実施形態は例示を目的としたものであって制限を意図したものではないことが理解されよう。本開示を参照することにより多くの更なる実施形態が当業者には明らかとなろう。

従来のリボン光変調器の構造を概略的に示している。 別の従来のリボン光変調器の構造を概略的に示している。 本発明の一実施形態による高密度リボン光変調器の上面を概略的に示している。 図３のリボン光変調器の中央の断面を概略的に示している。

Claims (21)

1. ＭＥＭＳ空間光変調器であって、
   反射表面を有する基板と、
   該反射表面上のリボンであって、反射表面を有しており、及び該リボンを光が通過して前記反射表面上に入射することを可能にする１つ又は２つ以上の開口を中間部分に有している、リボンとを含み、
   該リボンが、前記基板に向かって偏向させて、入射光を制御可能な態様で回折させることが可能なものである、ＭＥＭＳ空間光変調器。
2. 前記リボンが静電気力を使用して偏向される、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記光変調器が、約１／４波長の光によって前記リボンを制御可能な状態で偏向させるよう構成される、請求項１に記載の光変調器。
4. 前記反射表面に向かって偏向させることが可能な第２のリボンを更に含む、請求項１に記載の光変調器。
5. 前記２つのリボン間のギャップが、該リボンの前記開口の幅と同じ距離を有する、請求項４に記載の光変調器。
6. 各開口がスロットからなる、請求項１に記載の光変調器。
7. 前記スロットがほぼ矩形の形状を有する、請求項６に記載の光変調器。
8. 各開口の幅が２つの開口間の距離と等しい、請求項１に記載の光変調器。
9. 前記リボンが単一画素を表すよう制御される、請求項１に記載の光変調器。
10. 前記リボンの未偏向の高さが前記光の１／４波長の整数倍にほぼ等しい、請求項１に記載の光変調器。
11. 前記整数が、少なくとも、リボンが偏向された際に該リボンが折れた状態となる条件を回避するための最小の数である、請求項１０に記載の光変調器。
12. 前記最小の数が４である、請求項１１に記載の光変調器。
13. 前記整数が奇数であり、前記リボンが未偏向である際に前記光が回折される、請求項１０に記載の光変調器。
14. 前記整数が偶数であり、前記リボンが未偏向である際に前記光が反射される、請求項１０に記載の光変調器。
15. 高密度の空間光変調器であって、
    基板と、
    該基板上に構成された変更可能な複数のリボンデバイスのアレイと、
    前記複数のリボンデバイスの各々における１つ又は２つ以上の開口と、
    隣接する前記リボンデバイス間の開口と、
    各リボンデバイス上の反射層と、
    少なくとも前記開口の下方に構成された前記基板上の反射層とを含み、
    a) 前記リボン上の前記反射層と、b) 前記リボン内の開口及び前記リボン間の開口との、面積-反射率の積がほぼ等しくなるように、該空間光変調器が構成される、
    高密度の空間光変調器。
16. 前記アレイが直線状のアレイからなる、請求項１５に記載の空間光変調器。
17. 前記アレイが２次元アレイからなる、請求項１５に記載の空間光変調器。
18. 前記直線状のアレイにおけるリボンデバイスの周期性が１リボンデバイス／３μｍ又はそれ未満である、請求項１６に記載の空間光変調器。
19. 前記アレイが単一のダイ内に10000個又はそれ以上のリボンデバイスを含み、各リボンデバイスが１つの制御可能な画素に対応するものである、請求項１６に記載の空間光変調器。
20. 光を空間的に変調させる方法であって、
    基板上のリボンデバイスのアレイ上に所定の波長の光を入射させ、
    該リボンデバイスを制御可能な状態で偏向させ、
    前記基板が反射表面を含んでおり、
    各リボンデバイスが、反射表面を有し、及び光が通過することを可能にする１つ又は２つ以上の開口を中間部分に含んでいる、
    光を空間的に変調させる方法。
21. 少なくとも単一のリボンデバイスが１つの別個に制御可能な画素に対応する、請求項２０に記載の方法。

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