KR100284469B1 - 광선을 조향하는 방법 및 장치 - Google Patents

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윌리엄 비. 켐플러
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Abstract

기술된 방법은 각각이 미러의 에지로부터 안쪽에 위치한 적어도 2개의 지지 부재(20, 22)에 회전가능하게 고정된 미러 및 이 미러를 회전시키기 위한 전극을 포함하는 다수의 변조기에 광선을 비추는 단계, 미러가 회전될 수 있는 각도를 선택하는 단계, 상기 각도의 특성 신호를 발생시키는 단계, 상기 전극에 특성 신호를 인가하는 단계, 및 선택된 각도로 미러를 회전시키는 단계를 포함한다.

Description

광선을 조향하는 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 제1 실시예를 도시한 사시도.
제2도는 제1도에 도시된 미러 소자를 도시한 사시도.
제3도 및 제4도는 제2도에 도시된 미러 소자를 각각 라인 3-3 및 4-4를 따라 절취하여 도시한 단면도.
제5(a)도 내지 제5(f)도는 제2도에 도시된 미러 소자의 순차적인 제조 단계를 도시한 단면도.
제6도는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 사시도.
제7도는 제6도에 도시된 본 발명의 제2 실시예를 라인 7-7을 따라 절취하여 도시한 단면도.
제8도는 본 발명의 제3 실시예를 도시한 사시도.
제9도는 제8도에 도시된 본 발명의 제3 실시예를 라인 9-9를 따라 절취하여 도시 한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 렌즈 13 : 광선 빔
14 : 기판 16 : 미러 소자
17 : 반사기 22 : 지지 부재
34,36 : 전극 37,39 : 신호 발생기
본 발명은 전기 광학 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광선을 조향하는 방법에 관한 것이다.
가시 광선은 적어도 세종류의 전기 광학 디바이스, 즉 검류계 스캐너(galvanometric scanners), 공진 미러 및 회전 다면체 미러에 의해 정확하게 위치 설정되거나 조향될 수 있다.
검류계 스캐너는 고정 자계가 존재하는 곳에 전류를 인가함으로써 축에 대해 작은 각도로 회전할 수 있는 미러로부터 광선을 반사시킨다. 전류는 전류에 비례하는 자계를 발생하고, 2개의 자계의 상호 작용에 의해 전류를 전도하는 전기 인입선을 고정 자계에 대하여 트위스트시킨다. 이러한 트위스트 모션은 입사 광선에 의해 조향시킬 수 있는 소형 미러와 연결된다.
이와 마찬가지로 공진 미러는 전기 신호의 인가에 의해 이동하게 되는 미러로부터 광선을 반사시킨다. 그러나, 여기에서 전기 신호는 오디오 스피커로부터의 음성 코일과 같은 부속 부품을 구동시킨다. 그 다음, 음성 코일이 스프링 장착식 힌지 미러에 의해서 밀리게 된다. 통상, 미러에는 균형추가 부착되어 있어 이 균형추 및 미러 어셈블리의 공진 주파수가 음차(tuning fork)처럼 작용하도록 한다. 그다음, 미러는 입사 광선을 주기적인 형태로 조향하기 위해 공진 주파수에서 진동하도록 형성될 수 있다. 이들 두 종류의 디바이스는 통상 비점(flying spot) 스캐너 및 레이저 프린트와 같은 응용물에 사용된다.
회전 다면체 미러는 정밀 모터에 의해 고속으로 회전되는 복수의 마면을 갖는 미러(multi-faceted mirror)이다. 각 마면이 레이저 광원으로부터의 광선 빔을 대할 때, 광선 빔은 약 120°까지의 사잇각을 갖는 호를 통해 이를 스캔한다. 미러 소자는 때로는 다른 형상도 가능하지만, 일반적으로 디스크의 외주상에서 절단된 마면으로 되어 있다. 레이저 다면체는 광학 스캐너와 같은 레이저 제로그래픽 프린터 시스템(laser xerographic printer system)에 자주 사용되어, 디지탈 입력을 광 수용체 표면 상에서 광선 패턴으로 변환시킨다. 이어서, 이 패턴이 현상되어 용지 상에 프린트된다.
검류계 스캐너, 공진 미러 및 다면체 미러가 광선의 조향에 사용될 때에는 단점을 갖는다. 이들 세 종류의 디바이스는 비교적 대형이고, 값이 비싸며, 충격과 진동에 민감하다. 이러한 제한 사항은 많은 소비자 용품에 있어서 이들의 사용을 불가능하게 하는데 이는 부품의 크기가 부적합하기 때문이다. 검류계 스캐너 및 공진 스캐너는 일반적으로 응답이 느리고, 또한 통상적으로 스캐너의 동작시의 변화에 민감하다. 이것은 대부분의 이동성 환경에서 이들의 사용을 제한하게 된다.
본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지된 다른 전기 광학 디바이스로서 변형가능한 미러 디바이스(DMD)와 같은 공간 광 변조기가 있다. DMD가 소정의 광선 조향 응용물에 사용되는 경우, 이들은 많은 응용 분야에서 너무 소형이라는 단점을 갖게 된다. 통상적인 DMD 미러는 약 12 × 12 ㎛2이다. 사용가능한 광선 조향 디바이스의 범위는 0.5 × 0.1 in2정도 되어야 한다. DMD의 크기를 증가시키고자 할 경우, 미러 왜곡의 결과로 중요한 문제점이 발생한다. 통상, DMD는 두 개의 에지(edge)에 의해 지지된다. 이러한 대형 DMD에서의 크기 증가로 인해, 이들은 인가된 동작 전압의 영향으로 왜곡되게 되어, 쓸모없게 된다.
그러므로, 매우 소형으로 저렴하며 전력이 효율적이고 이동성 환경에서 사용하는 데에 적합한, 광 조향 방법 및 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 공진 미러, 검류계 스캐너, 레이저 다면체 스캐너 및 DMD와 관련된 단점 및 문제점을 대체적으로 제거 및 감소시키는 방법 및 장치가 제공된다.
적어도 2개의 지지 소자에 의해 고정된 미러로부터 광선 빔을 반사시키는 단계를 포함하여 광선 빔을 주기적으로 조향하는 방법이 기술되어 있다. 적어도 2개의 지지 소자는 미러의 에지로부터 안쪽에 위치된다. 미러를 회전축에 대해 회전시키기 위해, 주기적인 전압이 미러로부터 변위되는 전극에 인가된다.
기술된 방법은, 각각이 미러의 에지로부터 안쪽에 위치되는 적어도 2개의 지지 부재에 회전가능하게 고정된 미러 및 이 미러를 회전시키기 위한 전극을 포함하는 다수의 변조기에 광선을 비추는 단계, 미러가 회전하게 되는 각도를 선택하는 단계, 상기 각도의 특성 신호를 발생시키는 단계, 전극에 특성 신호를 인가하는 단계, 및 선택된 각도로 미러를 회전시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 첫번째 기술적 장점은 이것의 크기면에 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 광선 조향 장치에 사용되는 것으로 통상적인 집적 회로 패키지의 크기의 특성을 갖는 변조기가 기술되어 있다.
본 발명의 두번째 기술적 장점은 이것의 전력 소모 면에 있다. 개시된 디바이스는 정전기적 특성을 가지므로, 무시해도 좋을 만한 전력을 소모한다. 그러므로, 본 발명은 보다 낮은 열 발생과 보다 양호하고 안전한 특성에 의한 부가적인 이점을 얻을 수 있다.
세번째 장점은 응답 속도면에 있다. 미러는 박막 반도체 공정을 사용하여 제조되기 때문에, 전체 부피는 종래의 기판 상에서 제조된 미러보다 훨씬 작다.
본 발명의 마지막 기술적 장점은 이것의 휴대성에 있다. 적절하게 패키지된 경우, 공진 미러는 성능의 저하없이, 또한 조기의 시스템 고장의 우려 없이 이동 환경에서 이용가능하다.
본 발명의 양호한 실시예가 제1도 내지 제9도에서 도시되고 있으며, 이들 도면에서 동일 및 대응하는 부분은 동일한 참조 번호를 붙인다.
제1도는 본 발명의 한 실시예로서 빔 조향 장치(10)를 도시한 사시도이다. 빔 조향 장치(10)는 기판(14) 및 길고 가는 편향 미러 소자(16)를 감싸고 있는, 통상 플라스틱으로 된 본체(12)를 포함한다. 통상, 기판(14)은 베이스부 및 측벽을 갖는(제2도에 도시된) 얕은 웰을 포함하는데, 상기 측벽으로부터 미러 소자(16)가(제2도에 도시된) 가요성 힌지에 의해 지지된다. 상기 웰에 의해 미러 소자(16)는 그 편평성을 유지하는 동안 기판을 포함하는 평면으로부터 힌지에 의해 형성된 축에 대해 회전가능하게 된다. 개략적으로, 집광 시스템은 광원(15) 및 반사기(17)로부터의 광선 빔(13)을 렌즈(11)를 통해 DMD(16) 상으로 시준한다.
실질적인 응용에 있어서, 광선 다발(light bundle)(13)은 레이저와 같은 소정의 광원에 의해 제공될 수 있고, 영상 정보를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 렌즈(11)는 다른 공간 광 변조기(SLM)로부터의 광선을 DMD 스캐닝 미러에 중계할 수 있다. 다음, 스캔된 광선이 중간 렌즈 소자를 통과하거나 통과하지 않고, 장치(10)를 지나 영상 평면의 한 촛점에 집속된다.
미러 소자(16)는 실질적으로 기판(14)의 평면에서 동작하기 때문에, 종래의 스캐너의 경우와 같이 초점이 흐려지는 효과 또는 소정의 필드 곡률을 최종 영상에 도입하지 않는다.
또한, 장치(10)에는 다른 부속 부품들에 접속되는 가변 개수의 전기 인입선(18)이 접속되어 있다. 인입선(18)의 개수는 장치(10)에 포함된 회로의 복잡성(sophistication) 수준에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 기판(14)은 그 자체가 반도체일 수 있고 미러 소자(16)의 회전 속도를 제어하는 내부 신호 발생기를 포함할 수 있다. 이 경우, 장치(10)는 단지 3개의 인입선, 즉, 접지, 전원 및 온/오프 수단을 필요로 한다. 그러나, 장치(10)는 또한 외부 신호 발생기에 의해 구동되도록 설계될 수도 있다(제3도에 도시됨). 이 경우, 미러 소자(16)의 모션을 제어하기 위해 추가의 핀들이 필요할 수 있고, 기판은 반도체일 필요가 없다.
동작시, 입사된 광선 다발(13)은 장치(10)의 상부면에 시준되고 여기에서 미러 소자(16)로부터 반사된다. 그 다음, 미러 소자(16)는 트위스트되거나 그 지지대에 의해 정해진 축에 대해 회전하도록 만들어져 반사된 광선이 미러 소자의 회전각의 2배까지 조향된다. 미러 소자(16)는 고유 회전 진동수, 즉 “공진 진동수”와 관련되어 있는데, 이 공진 주파수에서는 최소 구동력으로 회전하게 된다. 미러 소자(16)의 물리적 크기 및 재료를 조절함으로써, 미러 소자(16)의 공잔 주파수는 특정 응용에 대해 조정된다. 미러 소자(16)의 공진 주파수는 다음의 식으로 주어진다 :
또는
여기서, I는 미러 소자의 관성 모멘트이고, τ는 피크 진폭 θ에서의 미러의 피크 진동 토크 반발력이며, K는 스프링 상수이고, τ/θ는 힌지 소자(16)의 회전 강도의 측정치이다. 간단한 기하학에서의 기계적 특성 및 대부분의 반도체 재료들은 공지되어 있으므로, K 및 I는 대부분의 상환에 대해서 결정될 수 있다.
미러 소자(16)의 전자 기계적 특성들은 광범위한 시스템에 통합될 수 있다. 예를 들면, 장치(10)는 변조된 레이저 빔을 제로그래픽 프린터 또는 범용 생산 코드(“UPC”) 스캐너의 드럼 상으로 반복적으로 조향하는데 사용될 수 있다. 제1 응용에 있어서, 레이저 빔은 이 레이저 빔에 의해 부딪치는 토너를 끌어당기도록 만들어진 드럼상에 스캔된다. 다음에, 드럼은 현상된 토너 패턴을 평평한 용지상에 전송하여 인쇄된 영상을 생성할 수 있다. 다른 응용에서는, 레이저 빔이 소비자에게 판매될 제품으로 스캔된다. 빔은 제품상에서 일련의 이격된 라인으로부터 반사되어 광다이오드 검출기로 복귀된다. 그 다음에 스캐너는 구매될 제품의 아이덴더티(identity)를 라인의 패턴으로 결정할 수 있고, 이에 따라 소비자는 요금을 지불할 수 있다. 레이저 빔은 공간을 반복적으로 스캔하도록 전환되어야 하기 때문에 제품의 아이덴더티는 레이저 빔의 방향에 무관하게 결정될 수 있다.
다른 응용에 있어서는, 장치(10)가 가상 디스플레이 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 이러한 시스템에서, 공간 광 변조기 어레이로부터의 일렬의 행의 디스플레이 픽셀들은, 미러가 진동하는 동안에 공진 미러상에 순차적으로 투영된다. 일련의 행의 픽셀들은 예를 들어, 백색 광원을 반사시키는 종래의 변형 가능한 미러 디바이스에 의해 생성될 수 있다. 변형 가능한 미러 디바이스의 출력 및 공진 미러의 위치를 시간 조절함으로써, 완전한 전 화면 디스플레이를 만들 수 있다. 시청자의 눈의 지속성으로 인해 시청자는 일련의 인접 라인들을 전 화면 디스플레이로서 감지하게 한다. 이러한 시스템은 넬슨의 미합중국 특허 출원 제808,827호인 “가상 디스플레이 디바이스 및 그 사용 방법(Virtual Display Device and Method of Use)”에 기재되어 있다. 최종적으로, 스폿, 또는 적절하게 변조된 광 펄스의 어레이를 스캐닝함으로써 사진 필름, 포토레지스트 또는 다른 포토폴리머 등과 같은 감광 매체의 노출을 달성할 수 있다.
제2도는 제1도의 미러 소자(16)의 좌측 절반부를 도시한 사시도이다. 미러 소자(16)의 절반부만을 도시하였지만, 이와 대칭적인 우측부를 유도할 수 있을 것이다. 미러 소자(16)는 일련의 축 방향으로 정렬된 지지대에 의해 길이를 따라 지지된다. 안정성을 위해서는, 적어도 2개의 지지대가 사용되어야 한다. 이들은 힌지 소자(20)에서와 같이 미러 소자(16)의 단부에 위치할 수 있거나, 지지 부재(22)와 같이 미러 소자(16)의 에지로부터 안쪽에 위치될 수 있다. 모든 지지부는 “회전 축”을 형성하는 라인(24)을 따라 정렬된다. 이러한 중간 지지 부재(22)는 회전축 주위의 미러 소자(16)의 회전을 방해하지 않고도 미러 소자(16)를 긴 길이 방향으로 지지한다. 그 결과로, 일반적으로 미러 소자(16)는 웰(26)의 상부 또는 하부 기판에 대해 평면을 이룬다. 각 지지 부재는 웰의 기부에 고정되어 있으며 동작 중 미러 소자(16)의 편평성을 보장한다. 사실상, 웰(26)은 기판(14)으로부터 에칭되거나, 측벽(28)을 형성하는 층(들)을 제조한 후에만 남을 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 측벽(28)은 일반적으로 미러 소자(16)의 주변을 따라 연속되어 있다.
지지 부재(22)가 없으면, 미러 소자(16)는 비교적 매우 길고 얇은 단면으로 되어 있기 때문에 웰(26) 안으로 휘어질 수 있다. 동작시에는, 미러 소자(16)가 구동될 때에(후술하는 바와 같이) 회전 축(24)에 대해 회전하지 않지만 지지 부재(22)없이 제조되면 쉽게 하향으로 더 휘게 된다. 이러한 결과는 디바이스의 바람직한 광 조향 능력에 지장을 초래한다. 지지 부재(22) 자체는 미러 소자(16)를 중심 기둥(32)에 접속시키는 1개 이상의 힌지 소자(30)를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 지지 부재(22)는 2개의 대칭 힌지 소자(30)를 포함한다. 이러한 힌지 부재는 통상 힌지 소자(20) 및 미러 소자(16)와 동일한 재료이지만, 두께가 다르게 하여 만들어진다.
제3도는 미러 소자(16)를 제2도의 라인 3-3을 따라 절취하여 도시한 것이다. 미러 소자(16)는 웰(26)내에서 중심 기둥(32)에 의해 지지된다. 중심 기둥(32)은 회전축(24)을 따라 웰(26)의 기부로부터 미러 소자(16)를 지지한다. 또한, 장치(10)는 회전축(24)으로부터 바깥쪽에 위치한 적어도 하나의 전극(34)을 포함한다. 제2의 상보 전극(36)은 회전축(24)으로부터 바깥쪽에 위치한 제2 위치에서 전극(34)의 방향에 보통 대향하는 방향으로 장치(10)에 추가된다. 도시된 바와 같이, 전극(34 및 36)은 신호 발생기(37)에 전기적으로 접속된다. 미러 소자(16) 및 중심 기둥(32)은 전극(34 및 36)으로부터 전기적으로 절연될 수 있기 때문에, 추가 전압이 신호 발생기(39)에 의해 미러 소자(16) 자체에 인가되어 바이어스 및 리세트와 같은 DMD 사용자에게 공지된 다른 제어 기능을 달성할 수 있다. 신호 발생기(37 및 39)는 장치(10)내에 또는 외부에 배치될 수 있다.
또한, 장치(10)는 전극(34 및 36)으로부터 바깥쪽에 위치한 1개 또는 2개의 저지대(38)를 포함하고, 이들은 미러 소자(16)와 동일한 전위로 유지된다. 이러한 저지대는 강착(landing) 전극이라 불리우고 미러 소자(16)가 전극(34 및 36) 또는 장치(10)의 다른 부분에 부딪치기 전에 이들 저지대에 부딪치도록 위치한다. 이것은 미러 소자(16)와 전극(34 및 36) 또는 이들 둘을 퓨즈시키거나 다른 손상을 입힐 수 있는 어떤 다른 부분 사이에 전류가 흐르지 못하게 한다. 전극 및 저지대는 한 세트의 작은 패드들, 복수 세트의 작은 패드들 또는 회전축에 보통 평행하게 이어지는 긴 스트립들일 수 있다.
회전축(24)에 대한 미러 소자(16)의 주기적 회전은 전극(34와 36)들 사이에 교류를 인가함으로써 제어될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 전극(34 및 36)에 인가된 신호들은 서로 180° 위상차가 있고 미러 소자(16)의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는다. 한편, 미러 소자(16)는 중간 위치에 유지된다. 회전 진폭은 교류 파형의 진폭을 제어함으로써 조절될 수 있다.
다르게는, 미러 소자(16)가 공진으로 인해 구동될 수 있다. 이 경우에, 미러 소자(16)는 최대 회전각의 약 50% 정도까지 아날로그 방식으로 편향된다. 그 이후에는, 전극(34와 36)에 대해 미러 소자(16)의 역제곱만큼 간격을 두어 정전 인력(引力)이 힌지(30)의 선형 복원 토크의 영향을 받지 않도록 하고, 미러 소자는 완전 편향 각도로 강착 전극(38)상에 장착한다. 이것이 디지탈 동작 모드이다. 회전율은 미러 관성 I에 의해 제어되며, 미러 소자와의 공동(空洞)(26)내에 있는 가스로 인해 감쇄된다.
제4도는 미러 소자(16)를 제2도의 라인 4-4를 따라 절취하여 도시한 단면도이다. 여기에서, 미러 소자(16)는 2개의 얇은 힌지 소자(30)에 의해 지지 기둥(32)에 연결되어 있다. 힌지 소자(30)는 부분적으로 산화물층(40)으로 피복되고, 일부는 후술하는 바와 같이 제조 후에 남는다. 중심 기둥(32)은 절연 패드(42) 및 층(44 및 46) 상에 놓여 있다. 기판(46)은 상술한 바와 같이 미러 소자를 회전축에 대해 구동시키는데 필요한 회로를 포함할 수 있다.
제5(a)도 내지 제5(f)도는 제4도에 도시된 미러 소자의 순차적인 제조 단계를 단면도로 도시한 것이다.
a) 처음에, 기판층(46)은 종래의 포토리소그래픽 기술을 이용하여 준비된다. 기판층은 예를 들어, 미러 소자(16)(제1도 내지 제4도)를 구동시키기 위한 내부 진동기 또는 그외 제어 회로를 포함할 수 있다.
각 지지 기둥 패드(42)는 통상 2000Å 두께를 갖는 실리콘 이산화물층(44)과 같은 절연체에 의해 하부 기판으로부터 절연된다. 기둥 패드(42)는 두께가 약 3,000Å의 두께를 가지며, 알루미늄, 티타늄 및 실리콘의 합금(“Ti : Si : Al”)으로 제조된다. Ti : Si : Al은 실리콘 산화물층(44)상에 스퍼터 피착된 후에, 기둥 패드(42), 전극(34와 36) 및 저지대(38) [3개의 후자들(34, 36 및 38)은 제3도에서 도시됨]을 형성하기 위해 패터닝 및 플라즈마 에칭된다.
b) 그 다음, 포토레지스트가 스핀 및 소성되는데, 이는 통상 전체 두께가 약 4 미크론이 되도록 3회 제공되어 스페이서(48)를 형성한다. 통상 포지티브 레지스트를 3회 스핀 및 베이크(bake)하는 것은, 하나의 매우 두꺼운 층 상에서 스핀될 때에 발생할 수 있는 레지스트 표면파를 방지할 수 있을 정도의 두께로 채우는데 이용된다. 스페이서로부터 과잉 용매를 제거하고 힌지 금속 아래의 용매 기포의 형성을 방지하기 위해서는, 이전 층이 후속 레지스트 도포시에 용해되는 것을 방지하도록 각 레지스트 도포 후 약 180℃의 베이크가 필요하다.
c) 스페이서(48)는 각 기둥 패드(42)를 노출시키는 비아(via)를 형성하도록 에칭된다.
d) 각 기둥 부분, 및 단부 힌지와 중앙 힌지가 에칭되게 하는 얇은 힌지층(50)을 형성하도록 약 800Å의 Ti : Si : Al이 스페이서(48)에 도포된다. 힌지의 트위스트에 대한 내성 또는 유연성은 길이, 폭 및 두께와 함께 이들의 조합을 제어함으로써 제어될 수 있다. 통상, 각 힌지는 폭이 2 미크론이다. 지지 기둥 힌지는 길이가 10 미크론이다. 다음에, 1500Å의 실리콘 질화물이 피착, 패터닝 및 에칭되어 모든 친지들 위에 힌지 에칭 저지대(52)를 형성한다.
e) 약 3600Å의 Ti : Si : Al이 힌지층(50) 및 힌지 에칭 저지대(52) 상에 스퍼터 피착되어 미러층(54)을 형성한다. 미러층(54)의 금속 피착은 힌지층(50)의 피착 조건과 동일한 상태에서 이루어지기 때문에 이 금속층들 사이에는 어떠한 응력도 생길 수 없다. 각 미러 소자(16)(제1도 내지 제4도에 도시됨)의 관성 모멘트(I)는 길이, 폭 및 두께와 함께 이들의 조합을 제어함으로써 제어될 수 있다. 통상, 각 미러 소자는 폭이 1/4인치이고, 길이는 1인치이다. 최종적으로, 에칭 저지층(56)은 후속 제조 단계 동안에 보호용으로 미러층(54)의 상부에 피착되어 있다.
f) 포토레지스트층이 도포되어 저지층(56)을 에칭하고, 패터닝되어 힌지 저지대(52)(제5(e)도에 도시됨)상에 플라즈마 에칭 억세스 홀(58)을 형성한다. 다음에, 패터닝된 포토레지스트층은 각 힌지 저지대 위의 미러 소자층을 플라즈마 에칭하기 위한 마스크로서 사용될 수 있다. 억세스 홀(58)은 상부에서 볼 때 서로 마주보는 한 세트의 “C′”들로 보인다. 알루미늄 합금의 플라즈마 에칭은 염소/붕소 삼염화물/탄소 삼염화물 에칭 가스 혼합물로 이루어질 수 있다. 나머지 포토레지스트 층이 제거된 후에, 나머지 에칭 저지층(50) 및 힌지 에칭 저지대(52)가 비등방성 에칭에 의해 제거될 수 있다.
억세스 홀(58)은 이들을 기둥 및 힌지 크기에 맞추도록 형성함으로써 최소화될 수 있고, 1 또는 2 미크론의 갭에 의해 기둥 및 힌지를 미러(16)로부터 분리시키고 있다. 이에 의해 미러 성능에 대하여 기둥 및 힌지 특징의 광학적 영향들이 최소화된다.
예를 들어, 스페이서(48)는 몇 퍼센트의 불소를 갖는 산소로 에칭함으로써 제거된다. 공진 미러의 완료된 지지 기둥이 제4도에 도시되어 있다.
임의의 단부 힌지(20)(제2도에 도시됨)는 제5(a)도 내지 제5(f)도에 도시된 중심기둥 및 힌지 소자들을 제조하는 단계와 동일한 단계를 사용하여 제조된다. 각각의 단부 힌지(20)는 비회전 미러 금속의 주변물에 일체화된다. 몇몇 응용시에는, 액티브 미러 소자만이 기판 층(46) 위로 돌출하도록 주변 구조물을 제거하는 것이 바람직하다. 지지 기둥은 이 경우에 미러의 최단부에 제공될 수 있다.
상술된 실시예의 실질적인 제한 요소는 합당한 반도체 공정을 사용하여 달성할 수 있는 제한된 스페이서 두께 및 지지 기둥 높이에 관련된다. 제5(c)도에서 형성된 비아의 크기는 기술적 공정에 의해서 스페이서 층(48)의 두께와 관련된다. 일반적으로, 스페이서 층이 두꺼울수록, 뒤이어서 생성되는 비아는 더 커져야만 한다. 그러나, 비아의 크기를 최소화하여 최종 미러 소자(16)의 소정의 광학적 편이를 최소화해야만 한다. 따라서, 이 광학적 제한 요소는 스페이서 층(48)의 두께 및 최대 회전각을 제한하게 된다. 소정의 4 미크론 두께의 스페이서는 감지할 수 있을 만큼의 폭을 갖는 미러에 다소 작은 회전각을 허용할 수 있다. ±10°회전각을 원한다면, 미러의 폭은 스페이서 층(48)의 두께의 12배 또는 약 50 미크론이 될 수 있다.
제6도 및 제7도는 회전에 대한 제한 사항을 극복하는 비대칭 미러 구조물을 도시한 것이다. 이것은 한 방향으로만 동작될 수 있지만, 상기 스페이서의 제한 사항 내에서 비교적 넓은 미러 및 합당한 동작 각도를 고려한 것이다.
제8도 및 제9도는 10°이상의 각도로 동작할 수 있고 스페이서 층(48) 및 지지 기둥(32)의 제조상 제한 사항에 부합하는, 대면적 미러를 달성하는 실질적인 방법을 도시한 것이다. 이 방법에서, 대형 크기의 미러는 길고 가느다란 소자(16)의 그물형 어레이로 분할된다. 각각의 미러 소자(16)는 제3도에 도시된 바와 같이 지지 소자(22)의 라인 상에 지지된다. 각각의 미러는 미러를 어드레스하는데 필요한 제3도에 도시된 전극(34) 및 저지대(38)를 갖는다.
평행 축(24)에 대해 소자들의 어레이에 동기하여 회전시키는 광학 효과는 더욱 큰 미러를 동일한 각도 회전시키는 효과와 동등하다. 그물형 미러의 회전 구조의 이점은 미러 어레이의 최단부가 중심 소자와 거의 동일한 평면 내에 있다는 것이다. 광 경로에 직각인 축에 대한 회전의 결과로서 광 경로 길이의 변화를 유발시키는 종래의 마이크로스코프 검류계 미러와는 달리, DMD 미러 어레이는 광 경로 길이를 수 미크론 이상만큼 변화시키지 않고 빔 조향을 달성한다. 검류계가 초점 변화 및 다른 결과들을 초래하는 반면, 그물형 미러 방법은 이것들을 제거한다. 프레넬 렌즈(Fresnell lenses)가 동일한 원리로 구성된다.
정밀한 전기적 제어 하에서 미러 어레이중 긴 소자를 개별적으로 경사지게 하는 능력이 있기 때문에, 어레이는 원통형의 반사형 프레넬 렌즈와 동일한 효과(예를 들어, 하나의 축만을 따르는 광 전력을 가지고 있으며 직교 축을 따라서는 광 전력을 갖지 않음)를 달성하는데 사용될 수 있다. 신호 발생기(37 및 39)(제3도에 도시됨)는 원하는 1차원적 광학 표면을 설명하는 식에 대응하는 평행한 미러 행들의 어드레스 전극들에 일련의 소정 전압 스텝들(voltage step)을 인가할 수 있다. 예를 들어, 평면 미러는 일반적으로 동등한 전압 레벨을 각 전극에 인가함으로써 모델화될 수 있다. 다른 광학적 표면들은 미러를 다양하게 기울임으로써 모델화될 수 있다. 이것은 액티브하고 전자적으로 프로그램가능한 반사형 실린더형 광학 소자를 제공할 수 있다.
또한, 신호 발생기(37 및 39)의 제어 하에서 렌즈와 조향 미러의 양 효과를 결합할 수 있다. 이 때, 표면상에서 충돌하는 광이 동시에 집속되어 재조향될 수 있다. 이것은 DMD 모놀리식 반도체형 미러 소자의 매우 빠른 응답 속도로 인해 가능하다.
본 발명은 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 원리와 범위를 벗어나지 않고서 여러가지로 변화 및 변경시킬 수 있으며, 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위 내에서만 제한된다.

Claims (19)

  1. 광선을 조향하는 방법에 있어서, 다수의 변조기에 광선을 비추는 단계 -각각의 변조기는 미러의 에지(edge)로 부터 안쪽에 위치한 적어도 2개의 지지 부재에 회전가능하게 고정된 미러 및 상기 미러를 회전시키기 위한 전극을 포함함-, 상기 미러가 회전하게 되는 각도를 선택하는 단계, 상기 미러가 회전하게 되는 상기 각도의 특성 신호를 발생시키는 단계, 상기 전극에 상기 특성 신호를 인가하는 단계, 및 상기 미러를 상기 선택된 각도로 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  2. 제1항에 있어서, 빔을 형성하기 위해 광선을 시준(collimating)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 특성 신호가 주기 전압(periodic voltage)인 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 특성 신호가 1차원 광학 표면을 정의하는 주기 전압인 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 특성 신호가 제1 및 제2 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전압이 1차원 광학 표면을 정의하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 특성 신호가 상기 변조기의 공진 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 특성 신호가 1차원 광학 표면을 정의하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 방법.
  9. 광선을 조향하는 장치에 있어서, 광원, 다수의 변조기 -각각의 변조기는 편향기 및 미러의 에지로부터 안쪽에 위치한 적어도 2개의 지지 부재에 회전가능하게 고정된 미러를 포함하며, 상기 지지 부재는 회전축을 형성함-, 상기 미러가 편향하게 되는 각도의 특성 신호를 발생하기 위한 전자 회로, 및 상기 신호를 상기 변조기에 인가하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광원은 광선 빔을 발생시키기 위한 시준기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 다수의 변조기는 단일 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 편향기는 전극인 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 편향기는 상기 회전축과 수직인 라인을 따라 배치된 한 쌍의 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 미러가 상기 편향기와 접촉되는 것을 방지하는 저지대(stop)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  16. 광선을 조향하는 장치에 있어서, 광원, 다수의 변조기 -각각의 변조기는 편향기 및 미러의 에지로부터 안쪽에 위치한 적어도 두 개의 지지 부재에 회전가능하게 고정된 미러를 구비함-, 및 각각의 미러가 회전하게 되는 각도의 특성 제어 신호를 발생하여, 이 제어 신호를 상기 변조기로 인가하기 위한 전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 변조기들은 단일 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 편향기는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 편향기는 적어도 2개의 지지 부재에 의해 형성된 라인과 수직인 라인을 따라 배치된 전극 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 조향 장치.
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