JP2011510358A - 画像投影用振動ミラー - Google Patents

Abstract

装置は、基板およびミラーを含む。ミラーは、ばねを介して基板に取り付けられている。電気機械式駆動部は、ミラーを、異なる第１および第２の周波数で、第１および第２の非同一直線上の軸のまわりに回転振動させるように動作可能である。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年１月２２日出願の「ＤＩＦＦＵＳＥＲ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＡＮ ＩＭＡＧＥ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ」という名称の、米国特許仮出願第１２／０１７，４４０号の一部継続出願であり、この仮出願は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

本出願は、一般に振動ミラーならびにそのようなミラーを用いる装置および方法を対象とする。

この段落は、本発明についてのよりよい理解を容易にするのに役立つ態様について紹介する。したがって、この段落の記述はこの観点から読み取られるべきであり、何が従来技術か、あるいは何が従来技術ではないかということに関する容認として理解されるべきではない。

小さな画像投影システムは、携帯電話およびＰＤＡなどの小さな携帯用電子デバイスに投影能力を含む能力を与えることができる。いくつかのそのようなシステムは、画像を生成するのにレーザ光を用いることがある。しかし、レーザからの光ビームの可干渉性は、画像品質を劣化させる画像アーチファクトをもたらす恐れがある。

米国特許仮出願第１２／０１７，４４０号 米国特許第７４４０１５８号 米国特許仮出願第１２／０１７９８４号 米国特許仮出願第１２／００９９９１号 米国特許仮出願第１２／００９８５１号 米国特許仮出願第１１／７１３１５５号 米国特許仮出願第１１／６８１３７６号 米国特許仮出願第１１／７１３４８３号

Ｄｅｎｎｉｓ Ｇｒｅｙｗａｌｌら、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｉｌｔｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、１２巻、ＮＯ．５、ＩＥＥＥ ２００３年１０月

一態様は、基板およびミラーを含む装置を提供する。ミラーは、ばねを介して基板に取り付けられている。電気機械式駆動部は、ミラーを、異なる第１および第２の周波数で、第１および第２の非同一直線上の軸のまわりに回転振動させるように動作可能である。

別の態様は方法を提供する。この方法は、入射光ビームでミラーを照光するステップを含む。ミラーを機械的に駆動する一方で、ミラーが第１の周波数で第１の軸のまわりに回転振動し、別の第２の周波数で第２の非同一直線上の軸のまわりに振動するように照光するステップを実行する。

本開示は、添付図とともに読み取られたとき以下の詳細な説明から最もよく理解される。図中の様々な機構は、必ずしも原寸に比例しない。様々な機構の寸法は、論考を明確にするために増大または縮小されることがある。論考のための参照を提供するために、いくつかの図に座標軸が現われる。１つの図の座標軸は、必ずしも別の図の座標軸と位置合わせされない。諸図を通じて、同じ参照番号は類似の要素を指す。次に、添付図面とともに以下の説明を参照する。

本開示の画像投影システムを示す図である。 例えば図１の画像投影システムで使用可能な反射器を示す図である。 図３Ａ乃至図３Ｃは、光ビームが、例えば図１のシステムの空間光変調器（ＳＬＭ）であるＳＬＭを照光する様子を示す図である。 図４Ａ乃至図４Ｃは、例えば図１の画像投影システムで使用可能なミラーおよびアクチュエータを示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、図４のミラーの、非同一直線上の軸のまわりの回転を示す図である。 例えば図２のミラーである振動ミラーの固有周波数を示す図である。 例えば図１の画像投影システムで使用可能な反射器の代替実施形態を示す図である。 例えば図１の画像投影システムで使用可能な反射器の代替実施形態を示す図である。 例えば図１の画像投影システムで使用可能な反射器の代替実施形態を示す図である。 図８Ａ乃至図８Ｃは、例えば図１のシステムにおける図２のミラーであるミラーを２つの軸のまわりに回転させるための振動の励振を示す図である。 図９Ａ乃至図９Ｃは、例えば、ミラーに取り付けたアクチュエータ要素に電力が供給される図１のシステムで使用可能な反射器の実施形態を示す図である。 例えば、ばねが軸方向に非対称な復元力を加える図１のシステムで使用可能な反射器の実施形態を示す図である。 例えば、圧電素子を使用する図１のシステムで使用可能な反射器の実施形態を示す図である。 図１２Ａ乃至図１２Ｃは、例えば、両回転軸からオフセットした位置に配置されたアクチュエータを使用する図１のシステムで使用可能な反射器の実施形態を示す図である。 例えば図１のシステムで使用可能な反射器の実施形態を示す図（図１３Ａ）およびそのような反射器の配列を示す図（図１３Ｂ）である。

レーザ光ビームでスクリーンを照光すると、一般に、スクリーン上にある程度のスペックルを引き起こす。本明細書では、スペックルは、可干渉性光波の干渉によって生成される、例えば疑似ランダムの空間輝度パターンである小さな画像欠陥を指す。例えば、画像が投影されるスクリーンに画像を生成する光ビーム、またはそのようなスクリーンから乱反射する光にそのような干渉が生じることがある。例えば、画面の粗さからの反射によって生成された個別の光波の干渉によってスペックルが生成されることがある。空間光変調器（ＳＬＭ）を照光するのにレーザを用いる画像プロジェクタでは、スペックルが投影画像中に欠陥を導入することがあり、これによって視聴者への画像の品質が低下する。

レーザ画像プロジェクタでは、スペックル低減は、空間的領域内の２つ以上の独立したスペックル構成および／または人間の眼などの検出器の分解能未満である時間の期間の平均化を含むことができる。人間の眼については、平均する時間は、フリッカー融合閾値またはフリッカー融合率と呼ばれる生理的パラメータから導出することができる。より詳細には、フリッカー融合率より低いレートで振動している光は、人間によって明滅として知覚される。それと対照的に、フリッカー融合率より高いレートで振動している光は、時間において一定であると知覚される。フリッカー融合率は一人一人で一様でなく、個人の疲労レベル、光源の明るさ、および光源を観測するのに用いられている網膜の領域にも左右される。しかし、およそ毎秒７５回（７５ｓ^−１）より高いレートでフリッカーを知覚する人々は、ほとんどいない。実際、映画およびテレビでは、フレーム送出レートは約１６ｓ^−１と６０ｓ^−１との間にあり、通常は２４〜３０ｓ^−１が用いられている。人々の圧倒的多数については、これらのフレーム送出レートは、その人々のフリッカー融合率より高い。

本発明者らは、２つの軸のまわりで振動性の回転を受けるように駆動される平面、凸面、または凹面のミラーによって反射された光でＳＬＭを照光すると、複数の無相関のスペックル・パターンを生成することができることを理解している。いくつかの実施形態では、ミラーのそのような振動モードの固有周波数は、一般的な人間の眼のフリッカー融合率より高い方へ異なるように選択されている。固有周波数は、以下で定義されて論じられる。

図１は、結像システム１００の実施形態を示す。本明細書で説明される結像システムのいくつかの素子、および投影画像を生成するのに前記素子を用いる方法は、米国特許第７４４０１５８号、すべて２００８年１月２２日出願の、米国特許仮出願第１２／０１７９８４号、米国特許仮出願第１２／０１７４４０号（‘４４０出願）、米国特許仮出願第１２／００９９９１号および米国特許仮出願第１２／００９８５１号、すべて２００７年３月２日出願の、米国特許仮出願第１１／７１３１５５号、米国特許仮出願第１１／６８１３７６号、および米国特許仮出願第１１／７１３４８３号、ならびに２００９年１月２２日出願の「Ａ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」という名称のＧａｎｇ Ｃｈｅｎらの米国特許出願（整理番号ＣＨＥＮ １７−１０−２７）の１つまたは複数で説明され得る。上に列挙された米国特許および上に列挙された米国特許出願のすべてが、参照によって本明細書に組み込まれる。

結像システム１００は、光源１１０、拡散／発散光学レンズシステム１２０、反射器１３０、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４０およびＳＬＭ １５０を含む。図示の実施形態では、光源１１０は、可干渉光源１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ（まとめて光源１１２と称される）を含み、これらは、例えばそれぞれ赤色、緑色および青色のレーザでよい。色コンバイナ（「ｘキューブ」としても知られている）１１４は、可干渉光源１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃの出力を組み合わせて単一光ビーム１１５を生成することができる。光ビーム１１５は、拡散／発散光学レンズシステム１２０を通過し、例えば光ビーム１１５の断面積を増加させ、結果として生じる光ビームを視準する。次いで、光ビーム１１５は、反射光ビーム１３５として反射器１３０から反射する。ＰＢＳ １４０は、ＳＬＭ １５０を照光するように反射光ビーム１３５を導く。ＳＬＭ １５０は、例えば液晶ピクセルの平面配列、例えばシリコン上の液晶（ＬＣｏＳ）、またはＭＥＭＳ駆動マイクロミラー配列でよい。ＳＬＭ １５０は、例えば空間振幅変調器として構成されてよい。

図示の実施形態では、反射光ビーム１３５は、例えば投影画像のコントラストを向上させるために使用されている補償波長板１５５を通過する。例えばＳＬＭ １５０がＬＣｏＳデバイスであると、その個々のピクセルは、光をそのピクセルから反射光ビーム１３５として反対の偏光状態または同一の偏光状態で反射するために、それぞれ活性化または非活性化され得る。システム１００の構成次第で、垂直または水平の偏光のうちの一方は、ピクセルから反射して投影光学系（図示せず）へとＰＢＳ １４０を通り、それによって投影画像の明視野ピクセルをもたらす。水平または垂直の偏光の他方は、投影光学系に対して直角の方向にＰＢＳ １４０を通過し、それによって画像の暗視野ピクセルをもたらす。画像ピクセルを形成するように構成されたＳＬＭ １５０の諸ピクセルは、総体として出力光ビーム１６０を生成する。出力光ビーム１６０は、空間フィルタ（図示せず）によってさらに操作されて、投影画像を生成する光ビームを形成する。

レーザ・スペックリングによって生成された画像アーチファクトの感知を低減するために、光ビームの軸外成分の空間的位相および／または強度の相関を低下させてよい。そのような相関を低下させるための１つの技法が、‘４４０出願に開示されている。その技法では、反射器１３０の位置における反射器は、シャフト上に取り付けられた平面、凸面、または凹面のミラーを含む。シャフトは、表面と垂直な角度に対して小さな角度でミラーの表面に固定されている。シャフトは、ミラーの表面を揺動運動させるために回転するように構成され、その結果、ミラーから反射する光の方向が時間に対してわずかに変化し、それによって、例えばそのような反射光は時間的にそれほど相関付けられない。シャフトの回転レートは、視聴者のフリッカー融合率より高くすることができる。

‘４４０出願に説明されている方法は知覚されるスペックルを低減するが、例えばそのような回転デバイスの電気機械的複雑さおよびコストは望ましくないものであり得る。したがって、スペックルの時間相関または空間相関を低下させるための別のミラーが必要である。

図２は反射器１３０を示し、参照用のｘ、ｙ、およびｚの座標軸も示す。反射器１３０において、平面、凸面、または凹面のミラー２１０が、ばね２３０によって基板２２０に取り付けられている。ミラー２１０は高反射性の表面を含む。いくつかの実施形態では、ミラー２１０は、高反射性の表面を有するように形成された金属板を含む。例えば、ミラー２１０は、研磨済みの金属板から形成されてよく、あるいは研磨済みの金属基板上に例えば銀またはアルミニウムの層が通常の方法で堆積されてよい。いくつかの実施形態では、ミラー２１０は、平面状の、ガラスまたはＳｉなどの半導体の基板上に通常の方法で堆積された例えばＡｌである滑らかな反射性の金属層を含む。いくつかの実施形態では、ガラスまたはシリコンの基板は、後述される機械的作動方法によって生成されるストレス下の過度の変形を避けるために十分な剛性を与えるように、約０．５ｍｍ以上の厚さでよい。他の実施形態では、ミラー２１０は誘電体ミラーを含む。関連技術の熟練者なら、例えば狭い範囲の波長に対するブラッグ反射器として高反射率をもたらすように、誘電体ミラーが、別の屈折率（例えば交番する屈折率）の複数の誘電体層を含むことを理解する。誘電体ミラーは、通常の堆積技法により、例えばガラスまたはシリコンの基板上に形成することができる。

ミラー２１０は、関連する表面法線Ｎを有する。ミラー２１０の非偏向状態（平衡位置または静止位置とも称される）では、光ビーム１１５がミラー２１０から反射されて反射光ビーム１３５を形成する。光ビーム１１５、１３５の方向は、例えば、それぞれポインティング・ベクトルＳ_ｉｎおよびＳ_ｏｕｔによって表わすことができる。偏向状態（非平衡位置とも称される）では、ミラーは２１０’で示され、関連する表面法線Ｎ’を有する。ミラーの偏向は、以下で詳細に説明されるように、ｘｙ面に与えられる駆動力に起因するものである。反射光ビーム１３５’は、ポインティング・ベクトルＳ’_ｏｕｔによって表わされる方向を有する。駆動力は時間とともに変化し、したがってＳ’_ｏｕｔの方向も時間とともに変化する。

図２は、ミラー２１０の傾斜がｙ軸まわりのミラー２１０の回転による場合を示す。したがって、表面法線Ｎは、示された参照フレームのｘｚ面で回転する。Ｎをｙｚ面で回転させるために、ミラー２１０もｘ軸のまわりに回転されてよい。したがって、ミラー２１０は、ミラー２１０の駆動力に応答して２つの非同一直線上の軸のまわりに傾斜することができる。この傾斜は、Ｓ’_ｏｕｔの内外への方向の、時間における２次元の変化をもたらす。

ＳＬＭ １５０の一実施例が光ビーム１３５（光ビーム１３５’を含む）によって照光されたときの、平面図が図３Ａに示され、断面図が図３Ｂおよび図３Ｃに示されている。ここで、ｘ、ｙ、およびｚの座標軸は、図２のｘ、ｙ、およびｚ座標軸とは異なって配向されてよい。図示の実施形態では、ＳＬＭ １５０上にピクセル３１０の通常の２次元配列がある。ピクセル３１０は、その上の所望の水平パターンの振幅を反射するように制御され得て、それによって例えば所望の色を有する画像の１つのフレームに関する光ビームを生成する。マルチカラー画像は、例えば赤色、緑色および青色の選択された順序で、一連の単色のフレームを時間に関してインタリーブすることにより形成することができる。

図３Ｂおよび図３Ｃは、反射光ビーム１３５、１３５’を示す。反射光は、Ｓ’_ｏｕｔ−Ｓ_ｏｕｔの差によって表わされた範囲で動的に動き、したがって、ミラー２１０が２つの非同一直線軸のまわりを回転するとき、ＳＬＭ １５０の表面を横切って掃引する。Ｓ’_ｏｕｔの方向は、例えばミラー２１０のｘ軸およびｙ軸まわりの最大の回転によって決定されるコーン内で変化することができる。図３Ｂで、ミラー２１０が図２のｙ軸のまわりでその静止位置からその偏向限界へ偏向するとき、光ビーム１３５は、この表面をｙ方向に横切って距離３２０を掃引する。図３Ｃで、ミラー２１０が図２のｘ軸のまわりでその静止位置からその偏向限界へ偏向するとき、光ビーム１３５は、この表面をｘ方向に横切って距離３３０を掃引する。距離３２０は、距離３３０に等しくてよいが、必ずしも等しくなくてもよい。ミラー２１０が２つの非同一直線上の軸のまわりで同時に回転するとき、光ビーム１３５はＳＬＭを横切って２次元に掃引する。システム１００のいくつかの実施形態では、ピクセル３１０は約５μｍのピッチを有する。いくつかの実施形態では、反射光１３５の方向の１°の変化は、掃引距離３２０、３３０の約２００μｍすなわち約４０ピクセルをもたらす。説明されたやり方で反射光１３５を広げることは、スペックルの空間相関および／または時間相関を有利に低減して、投影画像の品質向上をもたらすと考えられる。他の実施形態では、掃引距離は、例えばシステム１００の素子の構成の違いによって、２００μｍを上回ったり下回ったりする。

以下でさらに説明されるように、光ビーム１３５は、ｘ方向およびｙ方向に振動するやり方でＳＬＭ １５０を横切って掃引する。発振は、一般的な視聴者のフリッカー融合率を超過する周波数で生じる。いくつかの実施形態では、ｘ軸およびｙ軸における振動は、１００Ｈｚから１ｋＨｚの範囲の周波数を有することができる。

図４Ａ〜図４Ｃに移ると、４００で示された機械的に駆動される反射器の実施形態が示されている。反射器４００の、図４Ａは平面図であり、図４Ｂおよび図４Ｃは断面図である。平面、凸面、または凹面のミラー４１０の背面が、ばね４３０によって基板４２０に取り付けられている。以下でさらに説明されるように、アクチュエータ４４０、４５０は、ミラー４１０にトルクを加えるように構成される。ミラー上のトルクは、ばね４３０に伝達され、ばね４３０は、弾性的に曲がってミラー４１０に復元力を供給する。ばね４３０は、例えば曲げビームばね、コイルばね、およびねじりばねのうちの任意の形式を有してよい。電気機械式アクチュエータ４４０、４５０によって加えられるトルク下で著しく変形しないように、ミラー４１０は、一般に十分な剛性を有して形成される。

アクチュエータ４４０、４５０は、ミラー４１０に対して力を生成し、中心から外れたそれらの位置によってミラー４１０を平衡配向から回転させるトルクを生成する。アクチュエータ４４０、４５０は、電気機械式駆動部でよく、引力または斥力を与えることができる。力は、例えばコンデンサ、電磁石、または印加された電界内で全長が変化する圧電構成部品によって生成され得る。

限定的でない実施例では、アクチュエータ４４０、４５０は、互いに引きつける、あるいは互いに退けるように動作することができる、垂直に対向する磁気成分を含む。より詳細には、アクチュエータ４４０は、例えば永久磁石４４０ａおよび電磁石４４０ｂなどのアクチュエータ構成要素４４０ａ、４４０ｂを含んでよい。アクチュエータ４４０、４５０は、ミラー４１０を、異なる第１および第２の周波数で、第１および第２の非同一直線上の軸のまわりに回転振動させるように動作可能である。永久磁石４４０ａと電磁石４４０ｂとの間の力は、永久磁石４４０ａの磁気モーメントＭと電磁石４４０ｂの磁界Ｂとの内積にほぼ比例するものと予期される。永久磁石４４０ａは、図示のようにミラー４１０と基板４２０との間、またはミラー４１０の上に配置されてよい。様々な実施形態では、永久磁石は、強い磁気双極子を維持することができる材料、例えばＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ、ＳｍＣｏ_５またはＳｍ_２Ｃｏ_１７などの希土類磁性材料を含む。そのような磁石は、通常の接着剤でミラー４１０に結合することができる。

ミラー４１０の構成要素の寸法が小さい、例えば直線状ミラーの寸法が１ｍｍ未満の実施形態では、ミラー４１０、ばね４３０、アクチュエータ４４０、４５０を形成するのに、関連技術の熟練者に知られている微細機械加工技法を用いることができる。そのような技法は、例えばリソグラフィのパターニングおよびエッチング、材料のＣＶＤおよびスパッタリング、ならびに例えばウェットエッチングによって犠牲取付け層を除去することによる可動構成要素の解放を含むことができる。例えばパーマロイ（Ｎｉ／Ｆｅ）であるいくつかの磁性材料が、通常の技法を用いて堆積、パターンニング、およびエッチングされ得る。

コントローラ（図示せず）からの制御電流によって命じられたとき、電磁石４４０ｂが磁化され得て、それによって永久磁石４４０ａに対してｚ方向に引力または斥力を生成する。この力が、示された参照フレームにおけるｘ軸のまわりにミラー４１０を回転させるトルクをもたらす。アクチュエータ４４０は、同様に永久磁石４５０ａおよび電磁石４５０ｂを含んでよい。アクチュエータ４５０がエネルギーを与えられたとき、ミラー４１０は、アクチュエータ４５０によって加えられるトルクにより、ｙ軸のまわりに回転する。

アクチュエータ４４０および／または４５０は、交番電流（ＡＣ）源によって駆動することができる。例えば、ＡＣ源は、アクチュエータ４４０またはアクチュエータ４５０内のコンデンサの両端に接続され得る。ミラー４１０は、共振的または非共振的に、すなわち駆動周波数に左右されて回転振動する。いくつかの実施形態では、ＡＣ源は、アクチュエータ４４０、４５０に対して連続的に変化する交番電流を供給することができる。他の実施形態では、ＡＣ源は、周期的な疑似デジタルインパルスを供給する。共振発振の場合には、ミラー４１０、ばね４３０、およびミラー４１０に取り付けられた任意のアクチュエータ構成要素が、メカニカルフィルタを形成する。可動の剛体構成要素（例えばミラー４１０および取り付けられたアクチュエータ構成要素）は、関連する慣性モーメントを有し、アクチュエータ４４０、４５０は力および関連するトルクを供給し、ばね４３０は復元力およびトルクを供給する。フィルタは、関連するＱ値を有する。Ｑが、例えばＱ＞１０と十分に大きいとき、ミラーの運動は、アクチュエータ４４０、４５０のどちらかによって加えられるＡＣ力が共振周波数で加えられると共振することができる。フィルタとして、剛体のミラー４１０は、共振周波数以外の周波数での機械的回転を強く減衰する。場合によっては、非共振で駆動する運動を減衰するこの能力は、いくつかのシステム設計を簡単にすることができる。

いくつかの実施形態では、ＡＣ駆動力が共振周波数から遠く離れた周波数を有するので、ミラー４１０の回転振動は非共振である。場合によっては、共振周波数が存在しないことがあり、あるいは可動組立体のＱが低すぎて（強く減衰して）明確な共振をもたらすことができないことがある。非共振の実施形態では、ミラー４１０の方向はコントローラ（図示せず）によって命じられた値に設定されてよい。コントローラは、ミラー４１０を、ｘ軸およびｙ軸のまわりに、例えば軸のまわりに所望の振動回転をもたらすように調整されるやり方で回転させるように構成された信号も供給することができる。一般に、そのようなコントローラは、平行でない２つの軸のまわりに振動する両回転を独立して制御し、２つの軸のまわりの回転の相対的位相も制御する個別のチャンネルを必要とする。

図５Ａおよび図５Ｂは、偏向された構成の反射器４００を示す。図５Ａは図４Ｂに対応し、図５Ｂは図４Ｃ対応する。アクチュエータ構成要素４５０ａ、４５０ｂは、ミラー４１０およびばね４３０と組み合わせて、ｙ軸まわりの回転振動に関連した機械的共振周波数ω_θを有することができる。周波数ω_θは、主としてミラー４１０の質量、ミラーのｘ方向の長さ、およびばね４３０によって供給されてミラー４１０をｙ軸のまわりに回転させる復元力次第であると予期される。アクチュエータ４４０が電磁石を含む場合、例えば電磁石は、周波数ω_θにおける共振モードを励起するω_θあたりの周波数で駆動されてよい。

同様に、ミラー４１０は、ｘ軸まわりの回転振動に関連した機械的共振周波数ω_φを有することができる。周波数ω_φは、ミラー４１０の質量、ミラーのｙ方向の長さ、およびばね４３０によって供給されてミラー４１０をｘ軸のまわりに回転させる復元力次第であると予期される。ｘ軸まわりの復元力は、必ずしもｙ軸まわりの復元力と等しくない。アクチュエータ４５０が電磁石を含む場合、例えば電磁石は、周波数ω_φにおける共振モードを励起するω_φあたりの周波数でエネルギーを与えられてよい。したがって、ミラー４１０は、ｘ軸まわりの回転に関する第１の共振振動周波数（固有周波数）を有し、かつｙ軸まわりの回転に関する別の第２の共振振動周波数（固有周波数）を有することができる。

反射器４００は、ω_θおよびω_φの両方の共振モードが同時に励振されるように作動され得る。このように作動されたとき、ミラー４１０から反射される光ビームは、時間において複雑な経路（例えばリサージュ図形）を掃引することがある。そのような動作は、スペックルを引き起こす空間相関を時間に関して有利に平均することができる。

例示的実施形態では、ミラー４１０は、長さ約８ｍｍおよび幅約５ｍｍで形成される。ばね４３０は、直径が約１ｍｍで長さが約２ｍｍのコイルばねを使用して形成される。この構成は、約２００ｓ^−１と約３００ｓ^−１との間の共振周波数ω_θおよびω_φをもたらすことができる。他の実施形態では、ミラー側面の長さは、例えば約１センチメートルでよい。静電アクチュエータは、一般にアクチュエータの構成要素（例えばコンデンサ極板）間の間隔を電磁石のものより近くする必要があり、それによってミラー４１０の回転振動の範囲が限定されるので、より大きい（＞１〜２ｍｍ）ミラーは、一般に電磁石によって最善に作動されると考えられる。約１ｍｍ以下のミラーは、磁気または静電気の駆動部によって駆動することができるが、場合によっては、例えばこれらの小さな寸法向けの既知の技法を用いることにより、静電気駆動部は製作するのがより簡単であり得る。

図６は、ミラー４１０の角変位（便宜的単位で）の振幅の大きさを駆動周波数の関数として定性的に示す。ミラー４１０が回転対称ではない図示の実施形態では、共振駆動周波数ω_θおよびω_φで２つのピーク振幅があり得る。ピーク振幅の周波数ω_θおよびω_φは、本明細書ではミラーの駆動力またはトルクの固有周波数と称される。両固有周波数は、ミラー４１０の２つの駆動軸のまわりのミラー４１０の両共振振動に関連するものである。共振モードは、基本モードまたは基本モードの高調波であり得る。

反射器４００がω_φおよびω_θの固有周波数の両方で同時に駆動されるとき、ω_φ−ω_θの大きさに等しいうなり周波数Δωが結果として生じることがある。Δωが視聴者のフリッカー融合率未満であるとき、数人の視聴者によってスペックル・ピークの運動が知覚されることがある。したがって、いくつかの実施形態では、両固有周波数は、人間の眼のフリッカー融合率（例えば約１６ｓ^−１）より大きいうなり周波数をもたらすように選択される。このように、ミラー４１０の共振する機械的駆動によって引き起こされるスペックル・ピークの水平の運動および／または変形の知覚が実質的に低減されると予期される。

図４に戻って、反射器４００は、その反射面の中心にある法線ベクトルのまわりに回転非対称でよい。そのような構成では、ミラー４１０およびそれに取り付けられた機械的構成要素は、ミラー４１０を、２つの別の非同一直線上の軸のまわりで回転振動させるように駆動するための２つの別の固有周波数をもたらすことができる。図示のように、ミラー４１０が長方形であり、例えば円形の断面を有するばね４３０がミラー４１０の回転軸に沿って対称な力を供給すると、ミラー４１０は、ｘ軸（ミラー４１０の長軸）のまわりの回転振動に関連した第１の固有周波数およびｙ軸（ミラー４１０の短軸）のまわりの回転振動に関連した別の第２の固有周波数を有することになる。

反射器４００の機械的性質の他の変形形態は、ミラー４１０のＡＣ駆動が非同一直線上の軸のまわりで回転振動するとき、２つの別の固有周波数をもたらすこともある。いくつかの実施形態では、ばね４３０は、異なる回転軸のまわりの回転振動用に、異なる復元力を生成するように形成され得る。そのようなばねは、例えば矩形断面を有して、あるいは軸方向に非対称な機械的性質を有する材料構成要素を有して形成され得る。

アクチュエータ４４０、４５０は、例えば接着剤または半田といった通常の技法によってミラー４１０および基板４２０に取り付けることができる。アクチュエータ構成の他の態様は、一般に、使用されるアクチュエータのタイプ次第である。例えば、永久磁石は、ミラー４１０または基板４２０に対して機械的に取り付けるだけでよい。しかし、電磁石は、磁石にエネルギーを与えるための電気的接続も必要とする。同様に、容量性アクチュエータの両極板は、プレート間の電圧の印加を可能にするための電気的接続を必要とする。したがって、例えば基板４２０および／またはばね４３０の中に、アクチュエータ構成要素４４０ｂ、４５０ｂの１つまたは両方への電流経路が設けられてよい。

いくつかの実施形態では、アクチュエータ４４０、４５０は、静電引力または静電斥力を供給することができる。したがって、例えば、コントローラは、アクチュエータ構成要素４４０ａ、４５０ａの間に静的電位および／または交番電位を生成するために、それらに対して静的電圧および／または周期的に交番する電圧を印加することができる。いくつかの実施形態では、アクチュエータ構成要素４４０ａ、４５０ａが除去され、ミラー４１０が、直接、アクチュエータ４４０、４５０の１つのコンデンサ極板として働く。

図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、反射器７００の実施形態を示す。図７Ａは反射器７００の断面図である。平面、凸面、または凹面のミラー７１０が、ばね７３０によって基板７２０に取り付けられている。磁石７４０ｘは、ミラー７１０に固定して取り付けられている。基板７２０上にコイル７５０が配置されている。コイル７５０は、座標参照フレームのｚ軸に沿って磁界Ｂを生成するために、電流Ｉでエネルギーを与えることができる。磁界ＢはおよそＭ_ｘ×Ｂのトルクを生成すると予期され、このトルクは、座標参照フレームのｙ軸と平行な回転軸７６０のまわりに角度θだけミラー７１０を偏向する（図７Ｂ）。

図７Ｂは、磁石７４０ｘを通り抜けた平面図である。図示の実施形態では、磁石７４０ｙはミラー７１０に固定して取り付けられており、ｙ軸と平行（磁石７４０ｘに対して垂直）に配向される。磁界ＢはＭ_ｙ×Ｂのトルクを生成すると予期され、このトルクは、座標参照フレームのｘ軸と平行な回転軸７７０のまわりに角度φだけミラー７１０を偏向することになる。

図８Ａに移ると、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃで、平面、凸面、または凹面のミラー７１０の２つの共振周波数を励起する磁界Ｂを生成するように電磁石（複数可）を駆動するためのＡＣ源の時間領域表示の限定的でない実施例が示されている。図８Ｂは、ＡＣ源の周波数領域表示を示す。第１の固有周波数ω_θは、約１０ミリ秒の周期（１００ｓ^−１）を有する。周期１／ω_θのパルス列は、７９０_θで示される。第２の固有周波数ω_φは、約７ミリ秒の周期（１４３ｓ^−１）を有する。周期１／ω_φのパルス列は、７９０_φで示される。ミラー７１０がω_θおよびω_φに共振周波数を有するようにミラー７１０および磁石７４０ｘ、７４０ｙが構成されたとき、ミラー７１０は、これらの周波数でｘ軸およびｙの軸のまわりに共振して回転振動する（すなわち動揺する）ことになる。

図８Ｃは、例示的やり方で駆動されたミラー７１０の一実施例の、偏向の間中時間的に掃引されたφおよびθの値の記録を示す。このトレースは、パラメータ空間の有効範囲が密であり得ることを示している。様々な実施形態において、リサージュ曲線に似ているトレースを得ることが予期され、例えば、ミラーおよび／またはその復元ばねが軸方向に非対称なときは、密なリサージュ曲線が予期される。図８Ｃのもののように密な有効範囲を有するトレースについては、ミラー７１０から反射する可干渉性光ビームが、ミラー７１０の偏向限界内で均一に新たな方向付けがなされると予期され、それによって観測者によるスペックルの知覚が低減する。

一般に、周波数ω_θとω_φとに、例えば小さな整数倍といった関係がないように選択されるのが好ましい。例えば、ω_θ＝ω_φであるとき、図８Ｃのφおよびθのトレースは、例えば円または楕円であり得る。そのような場合、スペックルの時間的相関および／または空間的相関が有利に低減され得るが、図８Ｃの実施例で示されるように、φおよびθのトレースがφ、θパラメータ空間においてより均一に分配されるとき、より大きな利益がもたらされるものと予期される。

図７Ｃに戻ると、反射器７００の代替実施形態が示されている。この実施形態では、磁石７４０ｘ、７４０ｙが、回転軸線７６０、７７０に対して非平行に配向された磁気モーメントＭ_ｘｙを有する磁石７８０で置換されている。図示のように構成されたとき、磁界Ｂがｘおよびｙの両方の軸の成分を有するトルクを生成すると予期される。磁界Ｂがｘ軸およびｙ軸の共振モードの固有周波数を含むように構成されるとき、ミラー７１０は、例えば図８Ｂに示された実例と同様に動作すると予期される。例えば可動組立体のＱ値が約１０より大きいとき、組立体は、共振周波数以外の周波数で運動を効果的に減衰することができる。したがって、他の周波数で好ましくない振動を生成することなく両方の共振周波数を励起するのに、例えば単一電磁石を使用することができる。

一般に、図７Ｃの構成では、図７Ｂと比較して例えばミラー／磁石組立体の質量の分布が異なるために、ミラー７１０の共振周波数が異なると予期される。すなわち、ミラーと固定して取り付けられた組立体とは、ミラーが駆動される非平行回転軸のまわりに異なる慣性モーメントを有する。関連技術の熟練者なら、ミラー７１０の両共振モードの励振をもたらすのに、磁石７８０の他の構成を用いることができるのを理解するであろう。

別の例示的実施形態では、図９は、電磁石アクチュエータ構成要素に電力が供給される反射器９００を示す。アクチュエータ９１０は、２つのアクチュエータ構成要素９１０ａ、９１０ｂを含み、これらは例えば電磁石９１０ａ、９１０ｂでよい。アクチュエータ９２０は、２つのアクチュエータ構成要素９２０ａ、９２０ｂを含み、これらは例えば電磁石９２０ａ、９２０ｂでよい。平面、凸面、または凹面のミラー９３０が、ばね９５０で基板４２０に取り付けられている。電磁石９１０ａ、９２０ａへの電力は、それぞれの導体９６０、９７０を介して供給することができる。いくつかの実施形態では、導体９６０、９７０がばね９５０およびミラー９３０に取り付けられ、コントローラ（図示せず）からのＡＣ制御信号を供給する。他の実施形態では、ばね９５０を通って導体９６０、９７０に接続される導電性経路が設けられる。電磁石９１０ｂ、９２０ｂは、基板４２０に取り付けられた、もしくは内蔵された導体（図示せず）を介して電力を供給することができる。

一般に、電磁石９１０ａ、９１０ｂ、９２０ａ、９２０ｂには、関連する永久磁気双極子がない。したがって、励磁されないとき、電磁石９１０ａ、９１０ｂ、９２０ａ、９２０ｂは、反射器９００の外部ソースからの磁界との深刻な相互作用がないと予想される。したがって、外部磁界が引き起こすミラー９３０の位置の摂動が、永久磁石を使用する実施形態より小さいと予期される。

次に図１０に移ると、全体的に１０００で示された平面、凸面、または凹面の反射器の実施形態が示されている。反射器１０００は、ｘ方向とｙ方向とで異なる復元力を有するばね１０１０を含む。アクチュエータは、存在するが示されていない。限定することなく、ばね１０１０は矩形断面を有して示されている。ばね１０１０が軸方向に非対称な復元力を加えるので、平面、凸面、または凹面のミラー１０２０は、軸方向に対称であり、さらにｘ軸およびｙ軸のまわりの回転振動に関する２つの異なる固有周波数を有してよい。そのような構成は、光ビーム１１５が、例えば正方形または円形の断面を有する場合に望ましいことがある。図示の実施形態では、ばね１０１０がｘ方向よりｙ方向で剛性が高いと予期される。したがって、反射器１０００は、ｘ方向まわりの回転振動に関連した固有周波数より、ｙ方向まわりの回転振動に関連した固有周波数の方が高い。前述のように、ばね１０１０は、２つの共振回転振動モードに関連した固有周波数間の差の大きさが、フリッカー融合率より大きくなるように構成することができる。

図１１は、アクチュエータ１１１０、１１２０が圧電素子である反射器１１００の実施形態を示す。平面、凸面、または凹面のミラー１１３０が、ばね１１５０によって基板４２０に取り付けられている。アクチュエータ１１１０、１１２０は、通常の圧電素子でよく、当業者に既知の方法で制御され得る。反射器４００に関して上で説明されたように、アクチュエータ１１１０、１１２０は、ミラー１１３０に、異なる固有周波数で２つの非同一直線上の方向のまわりの共振回転振動をさせるようにコントローラ（図示せず）によって制御され得る。

この実施形態では、ミラー１１３０の固有周波数は、前述の要因に加えて圧電アクチュエータ１１１０、１１２０の機械的特性にも左右されることが予期される。したがって、反射器１１００の固有周波数は、ミラー１１３０の寸法および慣性モーメントがミラー４１０のものと同一であっても、反射器４００の固有周波数と同一であるとは一般に予期されない。圧電アクチュエータ１１１０、１１２０は、周囲の磁界が、命令によらないミラー４１０の偏向を引き起こす可能性が低いという点で、場合によっては、例えばアクチュエータ４４０、４５０などの磁気駆動構成要素に対する利点をもたらす。さらに、圧電アクチュエータ１１１０、１１２０は、基板４２０およびミラー１１３０に固定して取り付けることができ、したがって、ミラー１１３０の回転軸まわりの振動周波数は、ミラー１１３０とばね１１５０との共振周波数である必要はない。

次に図１２に移ると、ミラー１２２０の２つの固有周波数を励起するように構成されたアクチュエータ１２１０を含む、全体的に１２００で表わされた反射器の実施形態が示されている。アクチュエータ１２１０は、本開示の範囲内の任意のアクチュエータでよく、限定することなく、アクチュエータ構成要素１２１０ａ、１２１０ｂを含むものとして示されている。平面、凸面、または凹面のミラー１２２０が、ばね１２４０によって基板４２０に取り付けられている。ミラー１２２０およびばね１２４０は、限定することなく、それぞれ正方形および長方形の断面を有するものとして示されている。したがって、ミラー１２２０は、ｙ軸まわりの共振回転振動に関連した固有周波数より大きなｘ軸まわりの共振回転振動に関連した固有周波数を有することができる。

アクチュエータ１２１０は、平面、凸面、または凹面のミラーのｘ軸およびｙ軸から変位した位置１２２０に配置される。図示の実施形態では、アクチュエータ１２１０は正方形ミラー１２２０の対角線上に配置されているが、こうする必要はない。図７Ｃの実施形態と同様に、制御信号は、ミラー１２２０の両方の固有周波数でミラー１２２０をアクチュエータで同時に駆動するように構成されたコントローラ（図示せず）によってアクチュエータ１２１０に供給される。制御信号は、例えば励振される各固有周波数に一致する周波数成分を含んでよい。反射器１２００のこの構成により、ミラーの様々な回転振動モードを励起するのに個別のアクチュエータを使用する実施形態に対して、構成要素数が有利に減少する。

最後に、図１３Ａおよび図１３Ｂに移ると、平面、凸面、または凹面のミラーであるＭＥＭＳミラー１３００の実施形態が示されている。ＭＥＭＳミラー１３００は、入射光ビームを２つの軸に方向を変えるように構成することができる。関連技術の熟練者なら、ＭＥＭＳは、一般にマイクロメートルまたはミリメートル台の機構サイズの構成要素を含む微小電気機械システムを指すと理解する。そのようなＭＥＭＳミラーの限定的でない実施例に、米国ニュージャージー州マリーヒルのＡｌｃａｔｅｌ−Ｌｕｃｅｎｔ ＵＳＡ社によって製造されたＷａｖｅｓｔａｒ（商標）Ｌａｍｂｄａルータ内のＭＥＭＳミラーがある。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板上の類似のミラー組立体の製造は、例えばＤｅｎｎｉｓ Ｇｒｅｙｗａｌｌら、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｔｉｌｔｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、１２巻、ＮＯ．５、ＩＥＥＥ ２００３年１０月、に説明されており、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

図１３Ａに示された実施形態では、平面、凸面、または凹面のミラー１３１０は、ねじりばね１３３０を介してジンバル１３２０に取り付けられており、ジンバル１３２０は、ねじりばね１３５０を介してリング１３４０に取り付けられている。ミラー１３１０、ジンバル１３２０およびリング１３４０は、基礎をなす基板に取り付けられている。ミラー１３１０は、ジンバル１３２０の第１の軸に対して自由に回転することができ、ジンバル１３２０は、リング１３４０の第２の別の軸に対して自由に回転することができる。

ＭＥＭＳミラー１３００は、第２の軸のまわりのその傾斜と無関係に第１の軸のまわりに傾斜するように制御可能である。したがって、入射光ビームは、ミラー１３１０の傾斜限界によって定義されたコーン内で、ＭＥＭＳミラー１３００によって任意に反射され得る。コントローラ（図示せず）は、ミラー１３００からの出力光ビーム１６０によって生成される画像に対するスペックルの影響を低減するよう求められた所望の一時的偏向パターンを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ミラー１３１０は、第１の周波数ω_θで第１の軸まわりの振動傾斜を実行し、かつ第２の別の周波数ω_φで第２の軸まわりの振動傾斜を実行するように駆動される。周波数は、差ω_φ−ω_θの大きさが、フリッカー融合閾値または約１６ｓ^−１より大きくなるように選択される。一般に、ミラー１３１０の運動は、例えば空気抵抗によってひどく減衰する傾向があるので、ミラー１３１０は、共振周波数で作動されるわけではない。したがって、反射器４００に関して説明されたように、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳミラー１３００は２つの回転軸の独立した制御で動作するように構成される。ミラー１３１０は、投影画像中の目に見えるアーチファクトの効果的抑制をもたらすように設計されたパターンを用いて周期的回転変位で動くように構成されてよい。いくつかの実施形態では、このパターンは、人間の知覚の閾値未満の空間的相関を低減するように設計された疑似ランダムパターンまたは疑似リサージュパターンである。

図１３Ｂは、それぞれが前述のように構成されたＭＥＭＳミラー１３００の配列１３６０を示す。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳミラーは、同じ方向の入射光ビームを偏向するように同時に制御される。しかし、配列１３６０の動作は、そのような結合された運動に限定されない。例えば、ＭＥＭＳミラー１３００は、そのような制御がスペックルの知覚を低減すると判断されたとき、互いに独立して制御され得る。いくつかの実施形態では、そのような動作がスペックル知覚を有利に低減するとき、別々の回転振動でＭＥＭＳミラー１３００を作動させるのが望ましいことがある。

本出願の関連技術の当業者なら、説明された実施形態に対して、その他の、ならびにさらなる追加、削除、置換および変更がなされ得ることを理解するであろう。

Claims (10)

1. 基板と、
   電気機械式駆動部と、
   ばねと、
   前記ばねを介して前記基板に取り付けられたミラーとを備える装置であって、前記駆動部が、前記ミラーを、異なる第１の周波数および第２の周波数で、第１および第２の非同一直線上の軸のまわりに回転振動させるように動作可能である、装置。
2. 前記ミラーが、前記第１の軸まわりの回転に関する第１の共振振動周波数を有し、前記第２の軸まわりの回転に関する別の第２の共振振動周波数を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記駆動部が、電磁石、圧電素子またはコンデンサを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記駆動部に、前記第１および第２の周波数で前記ミラーを回転振動させるように接続された１つまたは複数の交番電流源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 照光ビームを生成するように構成された空間光変調器および可干渉性光源をさらに備え、前記ミラーが前記照光ビームを前記空間光変調器へ導くように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 入射光ビームでミラーを照光するステップと、
   前記ミラーが第１の周波数で第１の軸のまわりに回転振動し、別の第２の周波数で第２の非同一直線上の軸のまわりに振動するように照光するとともに、前記ミラーを機械的に駆動するステップとを含む、方法。
7. 前記駆動するステップが、電磁石、圧電素子またはコンデンサで実行される、請求項６に記載の方法。
8. 前記ミラーが、ある軸のまわりに軸対称でなく、前記軸が前記ミラーの反射面の中心にあって前記面に対して垂直である、請求項６に記載の方法。
9. 前記駆動するステップが、前記ミラーをその機械的共振周波数で振動させる、請求項６に記載の方法。
10. 前記照光するステップが、可干渉性光源からの入射光で前記ミラーを照光するステップを含み、
    前記ミラーが、空間光変調器の方へ前記照明光を反射するように構成される、請求項６に記載の方法。

Images