KR20070085760A - 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사시스템 - Google Patents

마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사시스템 Download PDF

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KR20070085760A
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경일 조
태현 김
청수 서
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스테레오 디스플레이, 인크.
주식회사 옹스트롱
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Abstract

마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 광 포커싱 및 주사 시스템(광학 시스템)은 광을 방출하도록 구성된 광원과, 적어도 하나의 마이크로미러를 포함하고, 그 광원과 광학적으로 연결하여, 광을 투사 매체(투사면)에 반사하도록 구성된 마이크로미러 어레이 렌즈를 포함한다. 또한, 광학 시스템은 적어도 하나의 마이크로미러에 연결되어, 적어도 하나의 마이크로미러가 광을 투사 매체에 포커스하기 위해 적어도 하나의 마이크로미러를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 구동소자를 포함한다. 본 발명의 장점은 고속 가변 포커싱 및 주사, 큰 초점거리 변화, 위상 보정, 높은 신뢰성과 광 효율, 낮은 전력 소모, 및 낮은 비용을 포함한다.

Description

마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템{BEAM FOCUSING AND SCANNING SYSTEM USING MICROMIRROR ARRAY LENS}
관련 출원의 참조
본 출원은 2004 년 5 월 27 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/855,554 (Docket No.1802.05), 2004 년 5 월 27 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/855,715 (Docket No.1802.06), 2004 년 5 월 27 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/855,287 (Docket No.1802.07), 2004 년 5 월 28 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/857,796 (Docket No.1802.08), 2004 년 5 월 28 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/857,714 (Docket No.1802.09), 2004 년 5 월 28 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/857,280 (Docket No.1802.10), 2004 년 6 월 18 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/872, 241 (Docket No.1802.11), 2004 년 7 월 16 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/893,039 (Docket No.1802.12), 2004 년 8 월 9 일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 10/914,474 (Docket No.1802.15), 2004 년 9 월 3 일자로 출원된 미국 특허 일련 번호 10/934,133 (Docket No.1802.16)의 계속 출원(continuation-in-part)이며, 이들의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로는 광학 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게는 가변 초 점거리 렌즈 시스템에 관한 것이다.
전형적인 종래의 가변 초점거리 렌즈 시스템은 두 개의 굴절 렌즈를 이용한다. 이와 같은 시스템은, 거시적(macroscopic)인 이동에 의해 굴절 렌즈의 상대적 위치를 제어하는 복잡한 구동 메카니즘을 필요로 하므로 느린 반응 시간을 가진다.
가변 초점거리 렌즈에서의 또 다른 시도는, 사람의 눈에서 볼 수 있는 것과 유사하게 등방성(isotropic) 액체를 이용하여 그 렌즈의 형상을 변화시킴에 의해 행해진다. 다른 접근방법들은, 종래의 렌즈나 또는 전압 그라디언트(gradient)에 의한 그라디언트 인덱스 렌즈(gradient index lens) 중 어느 한쪽을 형성할 수 있게 하는, 전기적인 가변 굴절률 매질(electrically variable refractive index media)로 제작된 렌즈를 포함한다. 전기적 가변 굴절률은, 전압을 조절함에 의해 렌즈의 초점거리가 제어되도록 한다. 이러한 형태의 한 렌즈는 액정(liquid crystal) 가변 초점거리 렌즈이고, 이는 굴절률을 변조함에 의해 초점거리를 제어하기 위한 복잡한 메카니즘을 필요로 한다. 또한, 이러한 형태의 렌즈는 일반적으로 수 백 밀리초(millisecond)대의 느린 반응 시간을 가진다. 어떤 액정 렌즈들은 수 십 밀리초의 반응 시간을 갖지만, 이는 작은 초점거리 변화만을 허용하고, 집광 효율(focusing effieciency)을 낮게 한다.
또한, 종래의 가변 초점거리 렌즈는 전력 소모가 크고, 진동 내구력과 환경적 신뢰성에 관련된 문제들을 겪는다.
느린 반응 시간 뿐만 아니라 상기 열거된 다른 문제들 때문에, 종래의 가변 초점거리 렌즈의 포커싱 및 주사 능력이 저하된다. 그러므로, 더 효율적인 포커싱과 주사를 허용하는 가변 초점거리 렌즈 시스템이 필요로 된다.
본 발명은 종래의 기술의 문제점을 검토하고 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템(광학 시스템)을 제공한다.
하나의 실시예에서, 광학 시스템은 광을 방출하도록 구성된 광원과, 적어도 하나의 마이크로미러를 포함하고, 광원에 광학적으로 연결되어, 광을 투사 매체(projection medium)(투사면)에 포커스하도록 구성된 마이크로미러 어레이 렌즈를 포함한다. 투사 매체는 마이크로미러 어레이 렌즈의 적어도 하나의 마이크로미러와 광학적으로 연결되어, 적어도 하나의 마이크로미러에 의해 반사된 광을 받도록 구성된다. 또한, 광학 시스템은 적어도 하나의 마이크로미러에 연결되어, 적어도 하나의 마이크로미러가 광을 투사 매체에 포커싱할 수 있도록 하기 위해 적어도 하나의 마이크로미러를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 구동소자를 포함한다.
본 발명의 한 태양에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 한 개의 자유도를 갖는 병진 운동과 두 개의 자유도를 갖는 회전운동을 포함한다.
또 다른 태양에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 광을 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체를 주사(scan)하도록 구성된다. 투사 매체의 주사는 투사 매체에 데이터가 기록되도록 구성될 수 있다.
또 다른 태양에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차(phase aberration)를 보정하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 광학 시스템은 또한 적어도 하나의 구동소자와 연결되어, 적어도 하나의 구동소자에 의해 적어도 하나의 마이크로미러의 이동을 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는, 예로서, 반도체 미세 전자공학을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 정전기력, 전자기력, 또는 정전기력과 전자기력의 조합에 의해 제어된다.
또 다른 실시예에서, 광학 시스템은 또한 마이크로미러 어레이 렌즈와 연결되어, 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 광을 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체의 주사에 응답하여 투사 매체로부터의 데이터를 판독하도록 구성된 판독(read) 센서를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 광학 시스템에서의 방법은 광원으로부터의 광을 마이크로미러에 방출하는 단계와 그 광을 투사 매체에 포커스하기 위해 마이크로미러의 위치를 조절하는 단계를 포함한다.
하나의 태양에서, 상기 방법은 또한 광의 위상 수차를 보정하기 위해 마이크로미러의 위치를 조절하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 포커스된 광을 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체를 주사하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 투사 매체의 주사에 응답하여 투사 매체에 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 포커스된 광에 응답하여 투사 매체로부터 반사된 광을 감지(sense)하는 단계와, 투사 매체로부터 반사된 광의 감지에 응답하여 투사 매체로부터의 데이터를 판독하는 단계를 포함한다.
여기에 기술된 빔 포커싱과 주사 시스템(광학 시스템)의 가능한 응용은 이차원 이미지 프로젝션(projection) 장치, 인쇄기(printer), 광학 픽업(optical pick-up), 및 주사기(scanner)이다. 이들 응용은 단지 예일 뿐이다. 다른 응용 또한 가능하다.
본 발명의 장점은 고속 가변 포커싱 및 주사, 큰 초점거리 변화, 위상 보정, 높은 신뢰성 및 광효율, 낮은 전력 소모, 및 낮은 비용을 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은, 다음 도면들과 함께 발명의 상세한 설명에서 더 상세하게 후술될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면의 도안에서 제한을 통해서가 아닌 예를 통해서 설명되고, 여기서 같은 참조 번호는 유사한 소자를 가리킨다.
도 1은 마이크로미러 어레이 렌즈와 종래의 반사형 렌즈의 절단 측면을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로미러와 구동소자를 포함하는 마이크로미러 어레이 렌즈를 도시한 평면적 개략도.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 렌즈로서 작동하는 마이크로미러 어 레이 렌즈를 도시한 계략도.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로미러의 이동 자유도를 도시한 사시도.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각각 육각형 마이크로미러를 포함하는 원통형 마이크로미러 어레이 렌즈와 육각형 마이크로미러를 포함하는 원형 마이크로미러 어레이 렌즈를 도시하는 개략도.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 직사각형 마이크로미러를 포함하는 원통형 마이크로미러 어레이 렌즈를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 삼각형 마이크로미러를 포함하는 원형 마이크로미러 어레이 렌즈를 도시한 개략도.
도 8a와 도 8b는 본 발명의 두 개의 실시예에 따른 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템의 개략도.
도 8c와 도 8d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템에서의 방법의 흐름도.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 렌즈 어레이의 부분적 상면도.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도 9의 렌즈 어레이에 포함된 마이크로미러 어레이 렌즈의 상면도.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시간의 제1 점에서의 마이크로미러 어레이 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이의 상면도.
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시간의 다른 점에서의 마이크로미 러 어레이 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이의 상면도.
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마이크로미러 어레이 렌즈의 개략적 측면도.
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차원 프로젝션 장치의 작동을 도시한 개략도.
도 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차원 이미지 프로젝션 장치의 임의 주사 기술을 도시한 블록도.
도 16은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차원 이미지 프로젝션 장치의 자기 진단 및 교정 과정을 도시한 블록도.
도 17는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 렌즈 어레이를 포함하는 휴대용 전자 장치를 도시한 개략도.
도 18은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 광 픽업 장치의 개략도.
도 19a와 도19b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 오목 거울과 마이크로미러 어레이 렌즈(프레넬(Fresnel) 반사형 렌즈) 사이의 유사성을 도시한 개략적 측면도.
도 20a와 20b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 광 디스크의 틸트 보정에서 위상 보정을 수행하는 마이크로미러 어레이 렌즈의 작동의 예를 도시한 개략적 측면도.
도 21은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다층의 광 디스크에 데이터를 기록하거나 다층의 광 디스크로부터 데이터를 판독하기 위한 마이크로미러 어레이 렌즈 의 작동을 도시한 개략적 측면도.
도 22는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다수의 마이크로미러 어레이 렌즈를 포함하는 마이크로미러 어레이의 개략적 상면도.
도 23은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다수의 마이크로미러 어레이 렌즈를 갖는 렌즈 어레이를 포함한 광 픽업 장치의 일부의 개략적 측면도.
도 24는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다수의 마이크로미러 어레이 렌즈를 갖는 렌즈 어레이를 포함하는 고속 광 픽업 장치의 개략적 측면도.
(본 발명의 상세한 설명)
본 발명은 이제 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 몇몇의 실시예를 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 후술에서, 본 발명의 깊은 이해를 제공하기 위해 많은 상세 사항이 설명된다. 그러나, 이들 상세 사항의 일부 또는 모두가 없어도 본 발명이 행해질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다. 다른 예들에서, 본 발명을 불필요히 애매하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 처리 단계 및/또는 구조는 상세하게 설명되지 않는다.
종래의 가변 초점거리 렌즈에서의 개선점은 빠른 반응 마이크로미러 어레이 렌즈에서 볼 수 있고, 이의 세부 사항은 제임스 지 보이드 IV 와 조경일의 "Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens"(Proceeding of SPIE Vol. 5055:278-286, 2003)에 기술된다. 이 논문은 여기서 참고문헌으로 편입된다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 마이크로미러와 구동소자를 포함하고 포커싱 시스템을 제어하는데 있어서 종래 기술의 접근방법에서 보다 더 단순한 메카니즘을 이용한다. 마이크로미러 어레이 렌즈에서의 초점거리는 각각의 마이크로미러의 변위에 의해 변화된다.
도 1은 마이크로미러 어레이 렌즈(111)의 원리를 설명한다. 최적화된 렌즈 성능을 얻기 위해, 두 가지 조건이 충족되어야 한다. 첫째는, 피사체의 한 점으로부터 산란된 광이 화상면(image plane)의 한 점에 수렴해야 한다. 둘째는, 수렴하는 광이 화상면에서 동일 위상을 가져야 한다. 이들 조건을 충족시키기 위해, 종래의 반사형 렌즈(112)의 표면 형상은 피사체의 한 점으로부터 산란된 모든 광이 화상면의 한 점으로 수렴되고, 모든 수렴하는 광의 광경로 길이(optical path length)가 동일하게 되도록 형성된다.
평면상에 배열된 마이크로미러 어레이 또한 이들 두 가지 조건을 충족시킬 수 있다. 각각의 마이크로미러(113)는 산란된 광을 수렴시키도록 회전한다. 도1에서 도시된 바와 같이, 마이크로미러 어레이 렌즈(111)의 모든 마이크로미러(113)는 평면상에 배열되기 때문에, 마이크로미러의 회전운동에 의해 수렴되는 광의 광경로 길이가 다르다. 광의 위상이 주기적이기 때문에, 수렴하는 광의 광경로 길이가 다르더라도 위상을 조절함으로써 동일 위상 조건이 충족될 수 있다.
도 2 는 마이크로미러 어레이 렌즈(221)의 평면도를 도시한다. 마이크로미러(222)는 거울과 같은 기능을 가진다. 그러므로, 마이크로미러(222)의 반사면은 금속, 금속합금, 다층의 유전물질(dielectric material), 또는 높은 반사율을 갖는 다른 물질로 만들어진다. 많은 공지된 미세 제조 공정들로 높은 반사율을 갖는 표 면을 제조할 수 있다. 알려진 바와 같이, 각각의 마이크로미러(222)는 구동소자(223)에 의해 정전기적 및/또는 전자기적으로 제어된다. 회전대칭(axisymmetric) 렌즈의 경우, 마이크로미러 어레이 렌즈(221)는 마이크로미러(222)의 극주회 어레이를 갖는다. 각각의 마이크로미러(222)는 유효 반사 영역을 증가시키는 부채꼴 형상(fan shape)을 가져, 광효율을 증가시킨다. 회전대칭 렌즈를 형성하기 위해 마이크로미러는 하나 이상의 동심원을 형성하도록 배열되고, 동일한 동심원상에 있는 마이크로미러는 동일한 전극에 의해서 제어되거나, MOS나 CMOS와 같은 공지된 반도체 미세전자공학 기술에 의해서 독립적으로 제어될 수 있다.
유효 반사 영역을 증가시키기 위해 마이크로미러(222)의 하부에 각각의 반사형 마이크로미러(222)를 지지하는 기계 구조와 구동소자(223)가 배치된다. 또한, 마이크로미러를 작동시키기 위한 전기 회로는 MOS와 CMOS 같은 공지된 반도체 미세전자공학 기술로 대체될 수 있다. 마이크로미러 어레이의 하부에 미세전자공학 회로를 적용하여, 구동 전력을 공급하기 위해 이용되는 전극 패드와 전선을 위해 필요한 영역을 제거함으로써, 유효 반사 영역이 증가될 수 있다.
도 3은 마이크로미러 어레이 렌즈(331)가 어떻게 결상하는 지를 설명한다. 마이크로미러(334)의 위치를 제어함에 의해 임의의 산란된 광(332,333)이 화상면의 한 점 P로 수렴된다. 마이크로미러(334)를 병진시킴으로써 임의의 광(332,333)의 위상이 동일하게 되도록 조절될 수 있다. 요구되는 병진 변위 거리는 적어도 광의 파장의 절반이다.
통상의 반사형 렌즈(112)의 이상적인 형상은 곡률을 갖기 때문에 각각의 마이크로미러(334)는 곡률을 갖는 것이 바람직하다. 만약 평평한 마이크로미러의 크기가 충분히 작으면, 평평한 마이크로미러(334)를 포함하는 렌즈의 수차 역시 충분히 작다. 이러한 경우, 마이크로미러는 곡률을 필요로 하지 않는다.
마이크로미러 어레이 렌즈(331)의 초점거리 f는 각각의 마이크로미러(334)의 회전운동과 병진운동을 제어함으로써 변화된다.
도 4는 마이크로미러(441)의 두 개의 회전운동 자유도와 한 개의 병진운동 자유도를 도시한다. 독립적으로 제어되는 두 개의 회전운동(442,443) 자유도와 한 개의 병진운동(444)자유도를 갖는 마이크로미러(441)를 포함하는 어레이로 임의의 형상 및/또는 크기를 갖는 렌즈를 제조할 수 있다. 임의의 형상 및/또는 크기의 렌즈를 형성함으로써 입사된 광은 임의로 변조될 수 있다. 이를 수행하기 위해, 두 개의 회전운동(442,443) 자유도를 제어함에 의해 입사된 광이 임의의 방향으로 편향되는 것이 요구된다. 또한, 동일 위상 조건을 충족시키기 위해 각각의 마이크로미러의 독립적인 병진운동(444)이 요구된다.
도 5a, 도 5b, 도 6 및 도 7에서, 마이크로미러의 회전운동의 크기는 화살표(552)의 길이에 의해 나타내어지고, 마이크로미러의 회전운동의 방향을 나타내는 형상 기울기(profile gradient) 방향은 화살표(552)의 방향에 의해 나타내어진다. 도 5a는 육각형의 마이크로미러(551)을 포함하는 가변 초점거리 원통형 렌즈를 도시한다. 도 5b는 육각형의 마이크로미러(551)를 포함하는 가변 초점거리 원형 렌즈(553)를 도시한다. 두 개의 회전운동 자유도와 한개의 병진운동 자유도를 갖는 마이크로미러(551)의 독립적인 제어에 의해, 가변 초점거리 원형 렌즈(553)의 형상, 위치, 및 크기가 변화될 수 있다. 도 5b 와 도 7에서 렌즈의 구성요소가 아닌 마이크로미러(555)는 그 마이크로미러(555)에 의해 반사된 광이 결상 또는 포커싱에 영향을 미치지 않도록 제어된다.
도 5a와 도 5b가 육각형의 마이크로미러(551)를 도시하지만, 부채꼴, 직사각형, 정사각형, 및 삼각형의 마이크로미러 어레이가 이용될 수 있다. 부채꼴 형상의 마이크로미러를 포함하는 어레이는 회전대칭 렌즈에 적합하다. 도 6은 직사각형의 마이크로미러(662)를 포함하는 가변 초점거리 원통형 렌즈(661)를 도시한다. 정사각형 또는 직사각형 마이크로미러(662)를 포함하는 어레이는 원통형 렌즈(661)와 같이 평면상에 있는 한 축에 대해 대칭인 렌즈에 적합하다. 같은 회전운동을 갖는 마이크로미러는 동일한 전극에 의해서 제어되거나 MOS나 CMOS와 같은 공지된 반도체 미세전자공학 기술에 의해서 독립적으로 제어된다.
도 7은 삼각형의 마이크로미러(772)를 포함하는 가변 초점거리 원형렌즈(771)을 도시한다. 육각형의 마이크로미러를 포함하는 어레이와 같이 삼각형의 마이크로미러(772)를 포함하는 어레이는 임의의 형상 및/또는 크기를 갖는 렌즈에 적합하다.
다시 도 4를 참조하여, 마이크로미러의 병진운동(444)과 회전운동(442,443)을 독립적으로 제어함에 의해 광의 위상이 변화될 수 있기 때문에, 마이크로미러 어레이 렌즈는 적응성(adaptive) 광학 소자이다. 이제 도 4와 도 7을 참조하여, 적응성 광학 마이크로미러 어레이 렌즈는 독립적으로 어드레싱할 수 있는 마이크로 미러의 이차원 어레이를 요구한다. 이를 달성하기 위해, 마이크로미러를 온칩(on-chip) 전자공학과 결합시킬 필요가 있다. 이를 수행하기 위해, 마이크로미러와 알려진 미세전자공학 회로의 웨이퍼(wafer) 레벨 집적화가 필요하다.
적응성 광학소자가 피사체와 그 상(image) 사이의 매질로 인해 발생되는 광의 위상오차를 교정할 수 있고, 및/또는 그 상을 근축상(paraxial imagery)의 법칙으로부터 벗어나게 하는 렌즈 시스템의 결함을 교정할 수 있기 때문에, 마이크로미러 어레이 렌즈는 위상오차를 교정할 수 있다. 예로서, 마이크로미러의 병진운동(444) 및 회전운동(442,443)을 조절함으로써 마이크로미러 어레이 렌즈는 광학적 틸트(tilt)로 인해 유발되는 위상 오차를 교정할 수 있다.
마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 충족된 동일 위상 조건은 단색광의 가정을 이용한다. 그러므로, 색 상(color image)을 얻기 위해, 마이크로미러 어레이 렌즈는 적색, 녹색, 청색(RGB)의 각각의 파장에 대하여 동일 위상 조건을 각각 충족시키도록 제어되고, 결상 시스템은 적색, 녹색, 청색(RGB)의 파장을 갖는 단색광을 만들기 위해 대역통과 필터를 이용할 수 있다.
마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 결상 시스템에서 영상센서(imaging sensor)로서 칼라 광전 센서가 이용되는 경우, 색 상은 대역 통과 필터의 유무를 불문하고 적색, 녹색, 청색(RGB) 영상 센서로부터의 전기 신호를 처리함으로써 얻어질 수 있고, 이는 마이크로미러 어레이 렌즈의 제어와 동기화되어야 한다. 피사체로부터 산란된 적색 광을 결상하기 위해, 마이크로미러 어레이 렌즈는 적색 광의 동일 위상 조건을 충족시키도록 제어된다. 작동 중, 적색, 녹색, 청색 영상센서는 피사체로부터 산란된 각각의 적색, 녹색, 청색 광의 강도를 측정한다. 이들 중, 적색 광만이 적절히 결상되기 때문에, 적색 광의 강도만이 화상 데이터로서 저장된다. 각각의 녹색과 청색 광을 결상하기 위해, 마이크로미러 어레이 렌즈와 각각의 영상센서는 적색 광의 과정과 동일한 방법으로 작동한다. 그러므로, 마이크로미러 어레이 렌즈는 적색, 녹색, 청색 영상센서와 동기화된다. 다른 방법으로, 동일 위상 조건을 위한 유효 파장으로서, 적색, 녹색, 청색 광의 파장의 최소 공배수를 이용함으로써 색 상을 위한 동일 위상 조건이 충족될 수 있다. 이러한 경우, 마이크로미러 어레이 렌즈는 각각의 적색, 녹색, 청색 광을 위한 동일 위상 조건을 개별적으로 충족시키도록 제어될 필요는 없다. 대신, 파장의 최소 공배수를 위한 동일 위상 조건이 충족되어야 한다.
더욱 단순한 제어를 위해, 각각의 마이크로미러의 병진운동은 적색, 녹색, 청색 광들 중 하나의 광만을 위한 동일 위상 조건을 충족시키도록 제어되거나, 또는 적색, 녹색, 청색의 어떤 다른 광에 대해서 동일 위상 조건이 충족되도록 제어되지 않는다. 다중 파장을 갖는 광의 위상 오차 때문에 이러한 마이크로미러 어레이 렌즈는 동일 위상 조건을 충족시킬 수 없지만, 렌즈는 여전히 저화질을 갖는 가변 초점거리 렌즈로서 이용될 수 있다.
도 8a와 도 8b는 마이크로미러 어레이 렌즈(광학 시스템)를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템의 개략도이다. 도 8a에서, 광학 시스템(820)은 광(821)을 방출하도록 구성된 광원(822)을 포함한다. 광학 시스템(820)은 또한 적어도 하나의 마이크로미러(도 2의 222번 소자 참조)를 포함하고, 광학적으로 광원(822)에 연결 되어, 광을 투사 매체(825)(투사면)에 포커스하도록 구성된 마이크로미러 어레이 렌즈(830)를 포함한다. 투사 매체(825)는, 예를 들어, 종이, 텔레비젼 스크린, 영화 스크린, 또는 어떤 다른 형태의 투사 매체일 수 있다. 투사 매체(825)는 마이크로미러 어레이 렌즈(830)에 광학적으로 연결되어, 마이크로미러 어레이 렌즈(830)에 의해 포커스된 광을 받도록 구성된다. 또한, 광학 시스템(820)은 마이크로미러 어레이 렌즈(830)의 적어도 하나의 마이크로미러와 연결되어, 적어도 하나의 마이크로미러가 광을 투사 매체(825)에 포커스할 수 있게 하기 위해 적어도 하나의 마이크로미러를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 구동소자(도 2의 223번 소자 참조)를 포함한다.
본 발명의 하나의 태양에서, 도 4에 관련하여 더 기술된 바와 같이, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 한 개의 자유도를 갖는 병진운동과 두 개의 자유도를 갖는 회전운동을 포함한다.
또 다른 태양에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 광을 투사 매체(825)를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체를 주사하도록 구성된다. 투사 매체(825)의 주사는 투사 매체(825)에 데이터가 기록되도록 구성될 수 있다.
또 다른 태양에서, 도 20a와 도 20b에 관련하여 더 기술되는 바와 같이, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차를 보정하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 광학 시스템(820)은 또한 적어도 하나의 구동소자와 연 결되어, 적어도 하나의 구동소자에 의해 적어도 하나의 마이크로미러의 이동을 제어하도록 구성된 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는, 예로서, 반도체 미세 전자공학을 포함한다 (도 2 참조).
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 정전기력, 전자기력, 또는 정전기력과 전자기력의 조합에 의해 제어된다 (도 2 참조).
이제 도 8b를 참조하여, 광 시스템(840)은 광원(822)에 광학적으로 연결되어, 광선들(821)을 분리하도록 구성된 빔 스플리터(beam splitter)(826)를 포함한다(도 18의 1826번 소자 참조). 광원(822)는 제1 광학 렌즈(824)를 통과하는 광을 방출한다 (도 18의 1824번 소자 참조). 제1 광학 렌즈는 평행한 광 빔을 형성하고, 이는 빔 스플리터(826)에 전달된다. 제2 광학 렌즈(828)(도 18의 1828번 소자 참조)는 빔 스플리터(826)으로부터 광선(821)의 일부를 받아 그 광선을 판독 센서(read sensor)(875)에 포커스한다. 판독 센서(875)는 마이크로미러 어레이 렌즈(830)에 광학적으로 연결되어, 마이크로미러 어레이 렌즈(830)에 의해 포커스된 광을 투사 매체(825)를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체의 주사에 응답하여 투사 매체(825)로부터의 데이터를 판독하도록 구성된다. 도 20a 와 도 20b 에 관련하여 더 기술되는 바와 같이, 도 8a 에 관련하여 기술된 실시예에서와 같이, 적어도 하나의 구동소자에 의한 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차를 보정하도록 구성될 수 있다.
도 8c는 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템에 서의 방법 흐름도이다. 단계 880에서 광은 광원으로부터 마이크로미러에 방출된다. 단계 885에서, 마이크로미러의 위치는 광을 투사 매체에 포커스하도록 조절된다.
도 8d는 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 빔 포커싱 및 주사 시스템에서의 방법 흐름도이다. 단계 890에서 광은 광원으로부터 마이크로미러에 방출된다. 단계 895에서, 마이크로미러의 위치는 광을 투사 매체에 포커스하고 주사하도록 조절된다.
하나의 태양에서, 상기 방법은 또한 광의 위상 수차를 보정하기 위해 마이크로미러의 위치를 조절하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 광을 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 투사 매체를 주사하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 투사 매체의 주사에 응답하여 투사 매체에 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 또 다른 태양에서, 상기 방법은 또한 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 광에 응답하여 투사 매체로부터 반사된 광을 감지하는 단계와, 투사 매체로부터 반사된 광의 감지에 응답하여 투사 매체로부터의 데이터를 판독하는 단계를 포함한다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c에 관련하여 기술된 빔 포커싱 및 주사 시스템의 가능한 응용은 이차원 이미지 프로젝션 장치, 인쇄기, 광 픽업, 및 스캐너이다. 이들 응용은 단지 예일 뿐이다. 다른 응용 또한 가능하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 마이크로미러 어레이 렌즈의 어레이를 포함하 는 이차원 이미지 프로젝션 장치가 제공된다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는 복수의 마이크로미러를 포함하여, 그의 형상이 마이크로미러 어레이 렌즈의 초점거리, 광축, 렌즈 크기, 렌즈의 개수, 렌즈의 형상 등을 변화시키도록 조절될 수 있다. 종래의 이차원 디스플레이 장치에 응용될 때, 마이크로미러 어레이 렌즈의 어레이는, 광 효율을 증가시킴으로써 투사된 이미지의 밝기와 디스플레이 장치의 전력 소모를 크게 향상시킨다.
도 8a를 다시 참조하여, 광학 시스템(820)은 광원(822), 렌즈 어레이(830), 및 투사면(825)을 포함하는 이차원 이미지 프로젝션 장치에 적용될 수 있다. 광원(822)은 칼라 휠(color wheel)을 갖는 금속 할로겐화물(metal halide), 발광 다이오드(light emitting diode), 적색, 녹색, 청색인 세 개의 레이저 다이오드, 또는 어떤 다른 적절한 광원과 같은 임의의 종래의 광원일 수 있다. 광원은 적색, 녹색, 청색 ("RGB") 광(821)을 발생하고, 이 광은 화상 데이터(image data)에 따라 렌즈 어레이(830)에 의해 반사되고, 투사면(825)에 포커스되어, 여기서 결과적인 이미지가 디스플레이된다.
이제 도 9를 참조하여, 렌즈 어레이(930)는 마이크로미러 어레이 렌즈들(932,934,936)의 평면 어레이를 포함한다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는 복수의 마이크로미러(938)를 포함한다. 마이크로미러(938)는 거울과 동일한 기능을 가지며, 금속, 금속 화합물, 또는 반사율을 갖는 다른 물질로 만들어지는 반사면을 포함한다. 많은 공지된 미세 제조 과정들이 높은 반사율을 갖는 표면을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 마이크로미러는 마이크로미러를 회전시키고 병진시키 는 구동소자에 의해 개별적으로 제어된다. 마이크로미러는 바람직하게는 횡단면(cross-section)이 포물선(parabolic) 모양이다. 더 상세하게 후술되는 바와 같이, 이러한 포물선 구조는 마이크로미러 어레이 렌즈의 집광률을 증가시킨다.
렌즈 어레이(830)는 실질적으로 직사각형인 어레이를 형성하도록 배열된 일련의 마이크로미러 어레이 렌즈들(932,934,936)을 포함할 수 있다. 이와 같은 렌즈 어레이의 기본적 형태와 작동 원리는 2004년 5월 28일에 출원된 미국 특허 출원 번호 10/857,714에 기술된다.
도 10a와 도 10b에 도시되는 바와 같이, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는, 크기와 형상이 변할 수 있는 임의의 개수의 마이크로미러(938)를 포함한다. 그러나, 마이크로미러는 육각형, 직사각형, 및/또는 정사각형의 형상을 포함하는 것이 바람직하다. 이들 형상은 마이크로미러의 제조와 제어를 용이하게 한다.
다른 실시예에서, 원통형 렌즈 어레이 또는 원통형 및/또는 원형 렌즈가 혼합된 렌즈 어레이가 구축될 수 있다.
마이크로미러 어레이 렌즈들(932,934,936)의 상대적 위치는 렌즈 어레이(830)의 평면 상에 고정되지 않는다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는 주어진 시간 동안 존재한다. 화상 신호에 따라, 많은 상이한 마이크로미러 어레이 렌즈들이 프레임 속도 내에서 "구축(contructed)"되고 "해체(destroyed)"된다. 예로서, 도 11에서 도시된 바와 같이, 한 이미지 프레임은 렌즈 어레이(830)가 단지 하나의 마이크로미러 어레이 렌즈(932)만을 포함할 것을 요구할 수도 있다. 그러나, 도 12에서 도시된 바와 같이, 다른 이미지 프레임은, 렌즈 어레이가 12개의 마이크 로미러 어레이 렌즈(932)들을 포함하는 것을 요구할 수도 있다. 본 발명의 목적을 위해, 용어 "가변(variable)"이란, 모든 광학 파라미터, 초점거리, 광축, 렌즈의 크기, 렌즈의 개수, 렌즈의 형상, 및 다른 것들이 처리된 화상 테이터에 따라 변화된다는 것을 의미한다.
각각의 마이크로미러가 대응하는 경사를 갖고, 수렴하는 광의 위상이 동일하게 되도록 마이크로미러들이 구성되는 한, 마이크로미러들이 상대적으로 떨어져 있거나 일정한 간격으로 떨어져있는 일군의 마이크로미러들 조차도, 마이크로미러 어레이 렌즈를 구축할 수 있다.
도 13은 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈(932,934,936)가 어떻게 작동하는 지를 도시한다. 본 발명의 마이크로미러 어레이 렌즈는 제목이 "Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens"(Proceeding of SPIE Vol. 5055:278-286, 2003)인 논문에서, 제임스 지 보이드 IV 와 조경일에 의해 제안된 종래 기술의 마이크로미러 어레이 렌즈와 매우 유사하며, 여기서 완전히 설명된 바와 같이 이의 개시는 여기에 참고문헌으로 편입된다. 상술된 바와 같이, 마이크로미러 어레이 렌즈(932)는 많은 마이크로미러(938)를 포함한다. 각각의 마이크로미러는 원 또는 포물선의 일부분에 대응한다. 종래의 오목 거울과 달리, 마이크로미러 어레이 렌즈는, 각각의 분절된 마이크로미러의 경사를 제어함에 의해, 그의 초점 거리와 광축의 방향을 변화할 수 있다.
마이크로미러 어레이 렌즈(932)는 평행광(1337)을 화상면의 한 점 P(도 8 참조)로 수렴시킴에 의해 초점이 맞취진(in-focus) 이미지 화소를 생성한다. 이는 마이크로미러(938)의 위치를 제어함에 의해 달성된다. 임의의 광의 위상은 마이크로미러의 각각을 병진시킴에 의해 동일 위상이 되도록 제어될 수 있다. 마이크로미러의 요구되는 병진운동 변위의 범위는 적어도 광의 파장의 절반이다.
마이크로미러 어레이 렌즈(932)의 초점거리 f는 각각의 마이크로미러(938)의 회전운동 및/또는 병진운동을 제어함에 의해 변화된다. 마이크로미러가 회전운동과 병진운동을 가질 수 있기 때문에, 마이크로미러 어레이 렌즈는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)일 수 있다. 이미지로부터 위상 수차를 제거하기 위해, 이미지로부터 산란된 광의 광경로 길이를 연장하거나 축소하도록, 마이크로미러가 후퇴하거나 올라간다.
마이크로미러들이 서로 더 가까이 위치될 수 있게 하기 위해, 마이크로미러(938)를 지지하는 기계구조와, 마이크로미러를 회전시키고 병진시키는 구동소자가 마이크로미러의 하부에 위치된다. 이는 마이크로미러 어레이 렌즈(932)의 유효 반사 영역을 증가시킨다. 또한, 마이크로미러를 작동하는 전기 회로는 MOS 또는 CMOS와 같은 공지된 미세전자공학 기술로 대체될 수 있다. 마이크로미러 어레이의 하부에 회로를 적용하여, 구동 전력을 공급하기 위해 이용되는 전극 패드와 전선을 위해 필요한 영역을 제거함으로써, 유효 반사 영역이 증가될 수 있다. 마이크로미러가 질량이 작고 작은 관성 모멘트(moment)를 갖기 때문에, 그의 위치와 자세(attitude)는 대략 10kHz 의 속도로 변화될 수 있다. 그러므로, 마이크로미러 어레이 렌즈는 대략 10kHz의 포커싱 반응 속도를 갖는 고속 가변 포커싱 렌즈가 된다.
상술된 바와 같이, 종래의 반사적 렌즈의 이상적인 형상이 곡률을 갖기 때문에, 각각의 마이크로미러(938)는 곡률을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 마이크로미러의 크기가 충분히 작으면, 평평한 마이크로미러를 갖는 마이크로미러 어레이 렌즈(932)의 수차는 곡률을 갖는 종래의 렌즈와 크게 상이하지 않기 때문에, 마이크로미러의 곡률을 제어할 필요는 크지 않다.
본 발명의 한 가지 이점은, 종래의 마이크로미러 어레이 렌즈의 작동 방법을 개선시키고, 기존의 이차원 이미지 프로젝터에 용이하게 이용되도록 이들 렌즈를 변화시킨다는 점이다. 따라서, 이제 도 4와 도 9를 참조하여, 본 발명은 각각의 마이크로미러(38)에 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 평면에 수직인 축을 따르는 한 개의 병진운동(444)과, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 평면 상의 두개의 축들에 대한 두 개의 회전운동(442,443)인, 세 개의 자유도 운동을 제공한다. 수차를 보정하기 위해, 위상 일치 조건을 만족시키는 병진운동이 요구된다. 광을 임의의 방향으로 편향시키기 위해, 두 개의 회전운동이 요구되고, 이는 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이의 다목적성을 위해 필수적이다. 두 개의 회전운동 자유도만을 갖는 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이 또한 가능하나, 그의 화질이 저하될 수 있다.
도 14는 본 발명의 원리에 따른 렌즈 어레이(1452)를 포함하는 빔 프로젝터(beam projector) 또는 프로젝션 텔레비젼과 같은 이차원 이미지 프로젝션 장치(1450)의 작동을 도시한다. 따라서, 광원(미도시)은 광원으로부터 렌즈 어레이(1452)에 입사하는 평행광(1451)을 생성한다. 광은 마이크로미러 어레이 렌 즈(1454)로부터 반사되고, 투사면(1460)에 포커스되어, 여기서 결과적인 이미지가 보여진다.
어떤 주어진 이미지 프레임에서도, 마이크로미러 어레이 렌즈의 중심 또는 광축은 변할 수 있다. 유사하게, 어떤 주어진 이미지 프레임에서도, 마이크로미러 어레이 렌즈에 포함되는 마이크로미러의 개수, 또는 마이크로미러 어레이 렌즈의 초점거리는 변할 수 있다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈가 투사면을 따라 초점이 맞춰진 광을 주사할 수 있기 때문에, 임의의 두 개 이상의 마이크로미러 어레이 렌즈들은 입사광을 투사면을 따라 각기 상이한 위치에 또는 같은 위치에 동시에 포커스할 수 있다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는 전체 평면(1460)을 주사할 수 있기 때문에 (즉, 입사광을 평면을 따른 어떤 위치에도 포커스할 수 있기 때문에), 투사된 이미지가 생성될 수 있다.
임의 주사 기술
본 발명의 이차원 이미지 프로젝션 장치는, 렌즈 어레이에 포함되는 마이크로미러 어레이 렌즈의 요구되는 개수를 줄이기 위해 임의 주사 기술(Random Scanning Technique, RST)을 적용할 수 있다. 도 15는 어떻게 RST가 이와 같은 이미지 프로젝션 장치에 적용되는 지를 개략적으로 도시한다.
본 기술은 안테나 및/또는 수신 수단(receiving means)으로부터 수신된 화상 신호(1510)로부터 시작된다. 그 후, 이 신호는 프레임의 평균 밝기를 분석하는 화상 처리기에 의해 처리된다(1520). 그 후, 화상 처리기는 각각의 화소의 밝기를 분석한다(1530). 다음으로, 화상 처리기는 각각의 화소를 위해 요구되는 광도와 노출 시간을 산출한다(1540). 그 후, 화상 처리기는 최적화를 수행한다(1550). 최적화를 통해, 움직임을 최소화하고, 마이크로미러 어레이 렌즈의 구축과 해체를 최소화하며, 프레임 속도를 위해 주사 길이를 최소화하는 마이크로미러 어레이 렌즈 조합들의 가장 최적화된 세트가 생성된다. 최적화된 렌즈 조합에 따라, 각각의 마이크로 렌즈를 구동하기 위해(1570), 프레임을 위한 제어 명령이 생성된다(1560). 제어 신호는 이미지를 스크린에 생성하기 위해 렌즈 어레이에 전송된다. 마이크로미러 어레이 렌즈의 반응 시간(>10kHz)이 프레임 속도(~30Hz)보다 훨씬 더 빠르기 때문에, 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이와 임의 주사 기술을 이용하는 이차원 이미지 프로젝션 시스템은 마이크로미러 어레이 렌즈의 개수보다 훨씬 더 많은 화소를 디스플레이할 수 있다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 마이크로미러의 개수 및/또는 마이크로미러 어레이 렌즈의 주사 속도(즉, 광 노출 시간의 지속)를 변화함으로써, 그레이 스케일이 용이하게 표현될 수 있다. 요구되는 마이크로미러 어레이 렌즈의 개수가 화소의 개수보다 훨씬 작다는 사실은 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이의 크기를 매우 작게 한다. 게다가, 마이크로미러의 어레이가 충분한 마이크로미러를 포함하면, 디스플레이 장치는 섬세한(fine) 이미지를 표현할 수 있다.
자기 진단 및 교정 기술
자기 진단 및 교정 기술(Self diagnosis and Correction Technique, SDCT) 역시 이차원 이미지 프로젝션 장치에 적용될 수 있다. SDCT동안, 화상 처리기는 미리 결정된 위치로부터 각각의 지점의 벗어남을 분석하고, 대응하는 마이크로미러 의 배율(scale factor)을 교정한다. 본 발명의 이차원 이미지 프로젝션 장치에 적용된 바와 같은 SDCT(1600)의 단순화된 개략도가 도 16에 도시된다. SDCT 시스템은 광원(1610), 영상 센서(1650), 화상 처리기(1660), 판독 전용 기억 장치(Read Only Memory, ROM)(1670), 렌즈 어레이(1620), 및 제어기(1640)를 주로 포함한다.
이 기술은 제어기(1640)로부터 시작된다. 제어기는 시험 신호(test signal)의 세트를 생성하여, 렌즈 어레이(1620)에 전송한다. 어레이에 포함되는 마이크로미러의 각각은 시험 신호에 의해 제어되고, 광원(1610)으로부터의 입사광은 제어된 마이크로미러에 의해 투사면(1630)을 따라 몇몇 미리 정해진 위치(1635)로 편향된다. 영상 센서(1650)는 투사면을 따른 광점(light spot)들을 검출하는 광 검출기(photo detector)를 포함한다. 그 후, 영상 센서는 영상 데이터를 포함하는 전기 신호를 화상 처리기(1660)에 전송한다. 화상 처리기는 또한 각각의 마이크로미러의 통과 또는 실패를 결정한다. 이 시험은 렌즈 어레이의 모든 마이크로미러에 대하여 수행된다. 마이크로미러의 반응 속도가 10kHz보다 조금 느리기 때문에, 전체 시험은 모든 마이크로미러에 대하여 수 초 안에 완료될 수 있다. 시험은 또한 시청자가 영상 장치를 시청하는 동안 수행될 수도 있다. 어레이의 모든 마이크로미러에 대한 시험 결과는 ROM(1670)에 기록되고, 이는 임의 신호 처리(random signal processing)를 위한 기준(reference) 데이터가 된다. 이차원 이미지 디스플레이를 위한 임의 주사 처리에서, 결함이 있는 마이크로미러는 마이크로미러 어레이 렌즈의 구축시에 제외된다.
자기 진단 과정을 통해, 결함이 있는 마이크로미러가 감별된다. 임의 신호 처리기는 작동 중 결함이 있는 마이크로미러를 제외하고, 마이크로미러 어레이 렌즈 조합과 주사 속도를 조절함에 의해 이를 보정하기 위해, 제어 신호를 최적화한다. 10퍼센트 내지 20 퍼센트까지의 마이크로미러가 결함이 있더라도, SDCT에 의해 디스플레이되는 이미지는 동일한 화질이 유지될 수 있다. SDCT를 적용함으로써, 디스플레이 장치의 신뢰성 및 작동 수명이 훨씬 개선될 수 있다.
본 발명이 종래의 이차원 디스플레이 장치에 적용될 때, 종래 기술의 디스플레이 장치보다 광효율을 증가시킴으로써, 투사된 이미지의 밝기와 디스플레이 장치의 전력 소모는 크게 개선된다. 종래 기술에 따르면, DMD 어레이는 "온" 과 "오프"의 위치를 갖기 때문에, DMD 어레이는 많아야 50 퍼센트의 입사광을 이용한다. 마이크로미러가 "오프"의 위치에 있을 때 광은 버려진다. 반면, 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이는 상술된 바와 같이, 최적 임의 주사 기술을 채택함에 의해 입사광의 대부분을 이용할 수 있다. 이 점에 있어서, 이차원 디스플레이 장치에서 가장 큰 전력 소모 소자는 프로젝션 램프이고, 광효율은 전력 소모에 직접적으로 관련된다.
본 발명의 또 다른 유용한 응용은 휴대용 이차원 이미지 프로젝터로서, 이 이미지 프로젝터에서의 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이는 이동 전화, PDA, 캠코더, 및 다른 관련된 장치와 같은 소형 전자 장치에 연결될 수 있다. 상술된 바와 같이, 마이크로미러 어레이 렌즈는 구조에 있어서 소형일 수 있어, 어레이가 이와 같은 장치에 이용될 수 있다.
도 17은 소형 휴대용 전자 장치(1700)의 내부에 이용된 본 발명의 이차원 이 미지 프로젝터의 예를 도시한다. 이 실시예에서, 이차원 이미지 프로젝터를 소형화하기 위해, 적색, 녹색, 청색의 세 개의 레이저 다이오드 모듈(1710)이 광원으로서 이용된다. 얼룩(speckle)과 가간섭광(coherent light)으로부터의 간섭과 같은 바람직하지 않은 효과를 최소화하기 위해, 광대역 레이저가 바람직하다. 방송 시스템, 다른 외부 장치, 또는 내부 저장 장치로부터 수신된 화상 신호(1760)는 임의 주사 처리 장치(1770)에 전송되고, 임의 주사 처리 장치는 렌즈 어레이(1720)를 구축하도록 최적화된 제어 신호를 전송한다. 렌즈 어레이는 이미지를 디스플레이하기 위해, 레이저 다이오드로부터의 입사광을 편향시킨다. 이미지는 스크린, 벽, 또는 다른 적절한 투사면(1730)에 디스플레이될 수 있다. 휴대용 전자 장치에 제공된 영상 센서(1740)는 스크린으로부터 산란된 광을 검출하는 광 검출기를 포함한다. 영상 센서는 화상 데이터를 운반하는 전기 신호를 생성하여 자동 초점 이미지 처리기(1750)에 전송한다. 화상 처리기는 포커싱 상태를 결정하기 위해, 화상 데이터를 분석하는 자동 초점 알고리즘(automatic focusing algorithm)을 포함하다. 그 후, 화상 처리기는 초점 상태를 임의 주사 처리 장치(1770)에 전송한다. 임의 주사 처리 장치는, 렌즈 어레이의 마이크로미러 렌즈의 각각의 초점을 조절하기 위해, 마이크로미러 어레이 렌즈에 제어 신호를 전송한다.
요약하면, 본 발명은 종래의 이차원 이미지 프로젝션 시스템의 밝기와 전력 소모를 개선시킨다. 본 발명은 휴대용, 소형, 고 성능 이차원 이미지 프로젝션 장치를 제공하도록 적응될 수 있다. 본 발명의 렌즈 어레이에 포함되는 마이크로미러 어레이 렌즈의 각각은 상이한 초점거리, 상이한 광축, 렌즈의 크기, 및 렌즈의 형상을 갖도록 독립적으로 제어될 수 있다. 이것은 렌즈 어레이가 다양한 응용 분야에서 적용될 수 있도록 한다. 더 나아가서, 렌즈 어레이의 마이크로미러 렌즈 어레이의 각각은 상이한 속도로 평면을 주사하도록 제어될 수 있거나, 일군의 마이크로미러 어레이 렌즈가 동시에 평면 상의 동일한 점을 주사하도록 제어될 수 있다. 이는 스크린 상의 광도를 제어하는 것을 용이하게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광 기록/재생 시스템에 이용되는 광 픽업 장치가 제공된다. 광 픽업 장치는 적어도 하나의 가변 초점거리 마이크로미러 어레이 렌즈를 포함한다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 정보를 광 디스크에 기록 및/또는 광 디스크로부터 정보를 판독한다. 본 발명은 최소한의 거시적인 움직임으로 광 픽업의 포커싱, 트랙킹, 및 틸트 보정을 제공한다.
본 발명의 태양은 다양한 광 픽업 장치에 적용 가능하고, 본 발명의 실시예에 적용되는 광 픽업 장치(1820)의 대표적인 예는 도18에 도시된다. 도18에 도시된 바와 같이, 광 픽업 장치(1820)는 레이저 다이오드(1822), 제1 광학 렌즈(1824), 빔 스플리터(1826), 제2 광학 렌즈(1828), 마이크로미러 어레이 렌즈(1830), 센서(1840), 틸트 탐지기(1851), 및 신호 처리기(1850)를 포함한다. 상술된 소자들은 바람직하게는 장치 내에 단일 장치로서 패키지된다. 그러나, 신호 처리기와 같은 장치의 다양한 소자들은 장치로부터 떨어져 있거나 분리될 수 있다.
제1 및 제2 광학 렌즈(1824,1828)는 바람직하게는 고정된 초점거리를 갖는 종래의 굴절 렌즈이다. 도18에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(1822)는 레이저 빔을 방출하고, 이는 제1 광학 렌즈(1824)를 통과한다. 제1 광학 렌즈는 평행 한 광 빔을 형성하고, 이는 빔 스플리터(1826)에 전달된다. 그 후, 빔 스플리터(1826)에 전달된 평행하게 된 빔은 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)에 의해 광 디스크(1860)의 신호 기록 표면에 포커스된다. 광 디스크는 광 빔의 일부를 마이크로미러 어레이 렌즈를 향해 후방으로 반사한다. 반사된 광은 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 평행하게 되고, 빔 스플리터를 향해 실질적으로 90도 편향된다. 빔 스플리터는 반사된 광을 제2광학 렌즈(1828)를 향해 실질적으로 90도 편향시킨다. 제2 광학 렌즈는 반사된 빔을 센서(1840)에 포커스한다.
상술된 바와 같이, 제1 광학 렌즈(1824)를 통과하는 광은 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)에 전달된다. 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는 가변 초점거리 렌즈이다. 이와 같은 마이크로미러 어레이 렌즈는 제목이 "Fast-response Variable Focusing Micromirror Array Lens"(Proceeding of SPIE Vol. 5055:278-286, 2003)인 논문에서, 제임스 지 보이드 IV와 조경일에 의해 제안되었고, 마이크로미러 어레이 렌즈의 개선점은 2004년 3월 22일에 출원된 미국 특허 출원 번호 10/806,299, 2004년 5월 27일에 출원된 10/855,554, 2004년 5월 27일에 출원된 10/855,715, 2004년 5월 27일에 출원된 10/855,287, 2004년 5월 28일에 출원된 10/857,796, 2004년 5월 28일에 출원된 10/857,280, 및 2004년 5월 28일에 출원된 10/857,714에 개시된다.
이제 도2 와 도 18을 참조하여, 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는 바람직하게는 하나 이상의 동심원을 형성하도록 평면 상에 동심원으로 배열된 복수의 마이크로미러(222)를 포함한다. 그러나, 각각의 마이크로미러의 형상과 배열은 마이크 로미러 어레이 렌즈의 형상과 목적에 따라 변화될 수 있다. 마이크로미러(222)는 거울과 동일한 기능을 가지며, 금속, 금속 화합물, 또는 높은 반사율을 갖는 다른 물질로 만들어지는 반사면을 포함한다. 많은 공지된 미세 제조 과정들이 높은 반사율을 갖는 표면을 제조하기 위해 이용될 수 있다.
마이크로미러는 바람직하게는 포물선 형상의 횡단면을 포함하고, 부채꼴 형상을 가진다. 곡률을 갖는 이러한 부채꼴 형상의 구조는 마이크로미러 어레이 렌즈의 유효 반사 영역과 집광률을 증가시킨다. 다른 실시예에서, 마이크로미러의 반사면은 평평할 수 있다.
마이크로미러(222)는 마이크로미러를 회전시키고 병진시키는 구동소자에 의해 정전기적으로 및/또는 전자기적으로 개별적으로 제어된다. 마이크로미러는 마이크로미러의 회전운동 및/또는 병진운동을 제어함에 의해 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)의 초점거리를 변화시키도록 제어된다. 마이크로미러들이 서로 더 가까이 위치될 수 있게 하기 위해, 마이크로미러(222)를 지지하는 기계구조와, 마이크로미러를 회전시키고 병진시키는 구동소자가 마이크로미러의 하부에 위치된다. 마이크로미러를 근접시키는 것은 마이크로미러 어레이 렌즈의 유효 반사 영역을 증가시킨다.
이제 도 2와 도 4를 참조하여, 각각의 마이크로미러(222)는 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 평면에 수직인 축을 따르는 한 개의 병진운동(444)과, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 평면 상의 두 개의 축들에 대한 두 개의 회전운동(442,443)인, 세 개의 자유도 운동을 가진다. 수차를 보정하기 위해, 위상 일치 조건을 만족시키는 병진운동이 요구된다. 광을 임의의 방향으로 편향시키기 위해 두 개의 회전운동이 요구되고, 이는 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이의 다목적성을 위해 필수적이다.
도 19a와 도 19b는 마이크로미러 어레이 렌즈의 원리와 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)와 종래의 오목(concave) 거울(1935) 사이의 유사점을 도시한다. 오목 거울이 볼록(convex) 굴절 렌즈로서 기능한다는 것은 잘 알려져 있다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 사실상 반사형 프레넬 렌즈의 형태이다. 도2에 도시된 바와 같이, 마이크로미러 어레이 렌즈는 복수의 마이크로미러(222)를 포함한다. 종래의 오목 거울과 달리, 마이크로미러 어레이 렌즈는 마이크로미러의 회전운동 및/또는 병진운동을 제어함에 의해 그 초점거리를 변화시킬 수 있다.
그 점에 있어서, 마이크로미러 어레이 렌즈는 임의의 산란된 광(1934)을 마이크로미러(222)의 위치를 제어함에 의해 초점 P에 수렴시킨다(도2 참조). 임의의 광의 위상은 마이크로미러의 각각을 병진시킴에 의해 동일하게 되도록 조절될 수 있다. 요구되는 마이크로미러의 병진운동의 변위 범위는 적어도 광의 파장의 절반이다. 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)의 초점거리는 각각의 마이크로미러의 회전운동 및/또는 병진운동을 제어함에 의해 변화된다.
그러므로, 각각의 마이크로미러를 독립적으로 제어함에 의해, 렌즈는 광 틸트, 기계적 편향 등과 같은 다양한 광학적 효과에 기인하는 결함 및 수차를 교정할 수 있다. 마이크로미러는 위상 수차를 제거하기 위해 병진운동의 양을 제어함으로써, 디스크로부터 산란된 광의 위상 오차를 교정할 수 있다.
렌즈는 또한 높은 집광률을 갖고, 광학적 성능의 손실없이 큰 크기의 구경을 가질 수 있다. 미세 제조 방법의 대표적인 대량 생산성의 이점 때문에, 렌즈는 낮은 생산 비용을 가진다. 또한, 렌즈는 그 단순한 구조 때문에, 포커싱 시스템을 훨씬 더 단순하게 만들 수 있다.
이제 도18을 다시 참조하여, 센서(1840)는 광 검출기를 포함한다. 광 검출기는 광학 저장 매체(1860)에 의해 반사된 광의 광 에너지를 전기적 데이터 신호(1845)의 형태의 전기 에너지로 변환시킨다. 그 후, 센서는 처리를 위해 생성된 데이터 신호를 신호 처리기(1850)에 전송한다. 센서는 CCD(Charge Coupled Device), CMOS 영상 센서, 또는 어떠한 다른 적절한 대안물일 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는 초점 오차를 탐지하고 오차 신호를 추적하기 위해, 하나 이상의 광 검출기를 포함할 수 있다.
신호 처리기(1850)는 바람직하게는 광 픽업 장치(1820) 내에 포함되거나 또는 광 픽업 장치(1820)로부터 분리될 수 있는 처리 장치이다. 신호 처리기는 센서(1840)으로부터의 데이터 신호를 분석하기 위해 알고리즘을 이용한다. 응용 분야에 따라, 잘 알려진 다양한 종래의 신호 처리 알고리즘 중의 하나가 이용될 수 있다. 틸트 탐지기(1851)는 광 디스크의 틸트를 측정한다. 측정된 틸트는 신호 처리기(1850)에 전송된다. 신호 처리기는 센서와 틸트 탐지기로부터 수신된 데이터 신호를 처리하고, 광 디스크에 기록된 정보에 따라 재생 또는 RF 신호(1853)를 생성하고, 트랙킹 오차, 포커싱 오차, 및 틸트 오차를 보정하기 위해 마이크로미러 어레이 렌즈에 전송되는 신호(1855)를 제어한다.
도 20a와 도20b는 광 디스크의 틸트 보정에서 위상 보정을 수행하는 마이크로미러 어레이 렌즈의 작동의 예를 도시한 개략적 측면도이다. 어떠한 응용 장치에 대해서도 마이크로미러의 이동은 위상에서의 차이를 보정할 수 있고, 광 디스크(1860)의 틸트와 편향을 위한 보정은 단지 하나의 예일 뿐임이 이해되어야 한다. 위상 보정은 어떠한 포커싱 또는 주사 작동을 위해서도 수행될 수 있다.
도 20a 와 도20b를 다시 참조하여, 디스크(1860)의 틸트 및/또는 기계적 편향이 일어날 때, 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는 그 초점거리와 광축을 변화함에 의해 디스크 상의 점 P에 초점을 유지한다. 추가로, 또한 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는, 렌즈가 적응성 광학 렌즈이기 때문에, 다양한 수차를 교정할 수 있다. 그러므로, 렌즈는 거시적인 움직임없이, 포커싱 오차, 트랙킹 오차, 및 틸트 및/또는 기계적 편향에 의한 수차를 보정할 수 있다.
도 18 은 본 발명의 광 픽업 장치가 어떻게 광 디스크(1860)로부터 데이터를 판독하는 지를 도시한다. 레이저 다이오드(1822)는 레이저 빔을 방출하고, 이는 제1 광학 렌즈(1824)를 통과한다. 제1 광학 렌즈는 광 빔을 평행하게 한다. 그 후, 광 빔은 빔 스플리터(1826)에 전달된다. 광은 빔 스플리터로부터 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)에 전달된다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 광 빔을 실질적으로 90도 편향시키고, 광을 광 디스크(1860)의 데이터층에 있는 트랙킹 위치에 포커스한다. 광 디스크의 반사층으로부터 반사된 광은 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)에 의해 평행하게 되고, 빔 스플리터(1826)를 향해 후방으로 편향된다. 그 후, 빔 스플리터는 반사된 광을 제2 광학 렌즈(1828)를 향해 실질적으로 90도 편향시킨다. 제2 광학 렌즈는 반사된 광을 통과시키고 이를 광 센서(1840)에 포커스한다. 이 센서는 광 디스크의 반사층으로부터 반사된 광의 강도를 탐지하고, 센서가 받은 광의 강도에 기초하여 전기 신호(1845)를 생성한다. 그 점에 있어서, 반사된 광은, 이것이 데이터층의 피트(pit)(1863)를 맞힐 때 더 확산되어 약한 강도를 가진다. 반사된 광은, 이것이 평탄한 영역, 즉 피트들 사이의 랜드(land)(1865)를 맞힐 때 강한 강도를 가진다. 데이터 신호는 피트 및 랜드에 의해 생성된다.
전기 신호는 신호 처리기(1850)에 전달된다. 신호 처리기는 재생 신호(1853)를 생성한다. 또한, 신호 처리기는 제어 신호(1855)를 생성하고, 이는 트랙킹 오차, 포커싱 오차, 및 틸트 오차를 보정하도록 마이크로미러를 조절하기 위해 마이크로미러 어레이 렌즈에 전송된다.
이와 유사하게, 본 발명의 광 픽업 장치는 광 디스크(1860)에 데이터를 기록할 수 있다. 그 점에 있어서, 레이저 다이오드(1822)에 의해 방출된 레이저 빔의 강도는, 광 기록/재생 시스템 내의 데이터 저장 장치(미도시)를 통해 레이저 다이오드에 전송된 데이터 신호에 따라 변화한다. 레이저 빔은 제1 광학 렌즈(1824)를 통과한다. 제1 광학 렌즈는 광 빔을 평행하게 한다. 그 후, 광 빔은 빔 스플리터(1826)에 전달된다. 광은 빔 스플리터로부터 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)에 전달된다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 광 빔을 실질적으로 90도 편향시키고, 광을 광 디스크(1860)의 염료층에 포커스한다. 광 디스크를 형성하기 위해 이용되는 염료는 저장되는 데이터에 대응하는 일련의 기록된 피트 및 랜드를 형성하도록 레 이저 빔의 강도에 따라, 열과 광에 반응한다.
광 디스크가 광 디스크 드라이브에서 틸트될 때, 광 디스크의 기록 신호 및/또는 재생 신호의 신호 품질이 저하될 수 있다. 광 디스크의 틸트를 교정하기 위해, 광 픽업 장치는 도18에서 도시된 바와 같이, 틸트 탐지기(1851)를 포함할 수 있다. 틸트 탐지기는 광 디스크의 틸트를 탐지하고, 탐지된 틸트에 응답하여 틸트 신호(1852)를 생성한다. 틸트 신호는 신호 처리기(1850)에 전송된다. 신호 처리기는 틸트 신호를 처리하고, 틸트 오차를 보정하도록 마이크로미러 어레이 렌즈에 제어 신호(1855)를 전송한다.
전형적인 광 픽업 장치에서, 자기적으로 구동된 종래의 렌즈는, 디스크에 정보를 기록하거나 디스크로부터 기록된 정보를 판독하기 위해, 포커싱과 트랙킹 동작 모두를 가진다. 더 진보된 장치에서, 종래의 렌즈는 코마 수차(coma aberration)를 일으키는 광학적 틸트를 보상하기 위해 하나 이상의 방향으로 거시적으로 이동된다. 그러나, 본 발명의 광 픽업 장치에서, 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는 거시적인 움직임없이 종래의 렌즈의 포커싱과, 트랙킹, 및 틸트 보상 작동을 담당할 수 있다. 이것이 가능한 것은, 마이크로미러 어레이 렌즈가 각각의 마이크로미러의 미시적(microscopic)인 세 개의 자유도 운동에 의해 광축을 변화시킬 수 있고 수차를 보정할 수 있는 가변 초점거리 렌즈이기 때문이다. 자기적으로 구동되는 종래의 렌즈를 마이크로미러 어레이 렌즈로 대체하여, 이동 부품의 개수를 감소시킴으로써 휠씬 더 단순한 구성이 달성될 수 있다.
도 21 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로미러 어레이 렌즈(1830)는 다층의 광 디스크(2170) 상에 데이터를 기록하고 다층의 광 디스크로부터 데이터를 판독할 수 있다. 이러한 예에서, 마이크로미러 어레이 렌즈는, 요구되는 층에 포커스하도록 마이크로미러 어레이 렌즈의 초점을 변화시킴에 의해, 다층의 광 디스크의 각각의 층에 정보를 기록 및/또는 판독한다.
도 22 과 도 23 에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에서, 광 픽업 장치는 마이크로미러(2236)들의 상이한 형상, 크기, 및 개수를 갖는 마이크로미러 어레이 렌즈들(2232,2233,2234)의 평면 어레이(2230)를 포함할 수 있다. 이와 같은 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이는 2004년 5월 28일에 출원된 미국 특허 출원 번호 10/857,714에 기술된다.
따라서, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 위치는 평면 상에 고정되지 않고, 다수의 상이한 마이크로미러 어레이 렌즈들(2232,2233,2234)이 "생성"되거나 "해체"될 수 있다. 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈의 초점거리, 광축, 렌즈 크기, 마이크로미러의 개수 등과 같은 모든 광학 파라미터 외에, 어레이의 목적에 따라, 어레이를 포함하는 렌즈들의 전체 개수가 변할 수 있다.
마이크로미러 어레이 렌즈는 도22 에 도시된 형상만으로 제한되지 않는다. 마이크로미러는 임의의 형상과 크기를 가질수 있고, 임의의 형상과 크기를 갖는 렌즈 또는 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이를 형성할 수 있다. 도 22 에서 육각형 형상만이 도시되지만, 렌즈 어레이의 유효 반사 영역의 손실없이 렌즈 어레이의 상이한 형태를 형성하도록, 마이크로미러는 상이한 형상을 가질 수 있다. 유효 반사 영역을 증가시키기 위해, 렌즈의 제어 회로는 공지된 미세전자공학 기술에 의 해 구축될 수 있고, 이는 미러의 하부에 위치된다.
도 23 에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈(2232)는 상이한 광축, 상이한 마이크로미러(2236)의 개수, 및 상이한 초점거리를 가질 수 있다. 또한, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈(2232)는 그의 마이크로미러들의 세 개의 자유도 운동을 가져 그의 광축과 초점 거리를 자유롭게 변화시킬 수 있기 때문에, 각각의 마이크로미러 어레이 렌즈는 입사광(2240)이 평면(2250) 상의 임의의 위치에 포커스되게 하거나 전체 평면을 주사하게 한다.
도 24 는 마이크로미러 어레이 렌즈(2232)의 평면 어레이(2230)을 갖는 본 발명의 고속 광 픽업 장치를 도시한다. 상술된 바와 같이, 마이크로미러 어레이 렌즈는 종래의 광 픽업 장치의 포커싱과, 트랙킹, 및/또는 틸트 보상 작동 운동을 담당할 수 있다. 이 실시예에서, 거시적 움직임은 마이크로미러 어레이 렌즈를 이용하는 장치의 트랙킹 작동을 위해서만 요구된다. 그러나, 어레이(2230)가 디스크(2460)의 전체 반경영역을 포함하도록 설정되면, 트랙킹 작동 역시 담당될 것이고, 그 때는 광 픽업 장치에 거시적인 움직임이 없을 것이다. 렌즈 어레이의 각각의 렌즈는, 그들의 마이크로미러(2236)들 각각을 제어함에 의해, 초점 거리와 광축을 매우 빠르게 변화시킬 수 있기 때문에, 각각의 렌즈는 어떠한 거시적인 움직임없이 디스크의 할당된 영역만을 주사하는 것이 요구되어, 트랙킹 작동을 갖는 마이크로미러 어레이 렌즈보다 훨씬 빠르다. 추가로, 시스템은 방사상 방향의 어레이에 더 많은 렌즈(2232)가 추가됨에 따라 속도가 빨라질 수 있다.
그러므로, 마이크로미러 어레이 렌즈들의 어레이가 시스템에 적용되면, 트랙 킹 동작을 포함한 모든 거시적인 움직임이 더 이상 요구되지 않는다. 광 기록/재생 시스템은 광 픽업 장치에서 이동 부품을 제거함으로써, 높은 집광률과 함께 그의 신뢰성과 판독/기록 속도를 향상시킬 수 있다.
현재, 많은 종류의 광학 정보 기록 매체가 존재하고, 이들 광학 정보 기록 매체의 기준(standard)들이 확립되어 있다. 광학 정보 기록 매체는 상이한 기록 밀도를 가지기 때문에, CD와 DVD 사이의 호환성이 요구된다. 이들 광학 정보 기록 매체는 상이한 두께의 투명한 기판(base board)을 가진다. 호환성을 얻기 위해, 투명한 기판의 두께의 차이에 의해 발생되는 구면 수차(spherical aberration)를 교정할 필요가 있다. 구면 수차는 마이크로미러의 회전운동 및/또는 병진운동을 제어함에 의해 보상될 수 있다.
렌즈 어레이는 렌즈들의 어레이이다. 마이크로미러 어레이는 마이크로미러들의 어레이이다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 마이크로미러들의 어레이로 구성된 렌즈이다. 마이크로미러 어레이 렌즈는 적어도 하나의 마이크로미러로 구성된다. 적어도 하나의 마이크로미러의 작동은 마이크로미러 어레이 렌즈의 작동으로 간주될 수 있다. 마이크로미러 어레이 렌즈 내에, 각각의 마이크로미러는 그의 각각의 구동소자에 의해 독립적으로 이동될 수 있다.
본 발명의 장점은 고속 가변 포커싱 및 주사, 큰 초점거리 변화, 위상 보정, 높은 신뢰성 및 광효율, 낮은 전력 소모, 및 낮은 비용을 포함한다.
본 발명이 그의 상이한 실시예들을 참조하여 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구항에서 정의된 바와 같이, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고, 구조, 상 세사항, 구성, 작동의 변화가 행해질 수도 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 광학 시스템으로서,
    a) 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원;
    b) 적어도 하나의 마이크로미러를 포함하며, 상기 적어도 하나의 광원에 연결되고, 상기 광을 투사 매체(projection medium)에 포커스하도록 구성된 마이크로미러 어레이 렌즈(micromirror array lens)로서, 상기 마이크로미러는 한 개의 병진운동 자유도와 두 개의 회전운동 자유도를 갖는 것인 상기 마이크로미러 어레이 렌즈; 및
    c) 상기 마이크로미러 어레이 렌즈의 상기 적어도 하나의 마이크로미러에 연결되며, 상기 광을 상기 투사 매체에 포커스하기 위해 상기 마이크로미러의 이동을 제어하도록 구성된 적어도 하나의 구동소자
    를 포함하는 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 의한 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 상기 광을 상기 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 상기 투사 매체를 주사(scan)하도록 구성되는 것인 광학 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 투사 매체의 상기 주사는 데이터가 상기 투사 매체 에 기록되도록 구성되는 것인 광학 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 의한 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차(phase aberration)를 보정하도록 구성되는 것인 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 연결되며, 상기 구동 소자에 의해 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동을 제어하도록 구성된 제어 회로를 더 포함하는 것인 광학 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 회로는 반도체 미세전자공학을 포함하는 것인 광학 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 의한 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은
    a) 정전기력; 및
    b) 전자기력
    으로 구성된 그룹의 적어도 하나에 의해 제어되는 것인 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 연결되며, 상기 마이크 로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 상기 광을 상기 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 상기 투사 매체의 주사에 응답하여 상기 투사 매체로부터의 데이터를 판독하도록 구성된 판독 센서를 더 포함하는 광학 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 의한 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차를 보정하도록 구성되는 것인 광학 시스템.
  10. 광학 시스템으로서,
    a) 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원;
    b) 적어도 하나의 마이크로미러를 포함하며, 상기 적어도 하나의 광원에 광학적으로 연결되고, 상기 광을 투사 매체에 포커스하도록 구성된 마이크로미러 어레이 렌즈로서, 상기 마이크로미러는 한 개의 병진운동 자유도와 두 개의 회전운동 자유도를 갖는 것인 상기 마이크로미러 어레이 렌즈;
    c) 상기 마이크로미러 어레이 렌즈의 상기 적어도 하나의 마이크로미러에 연결되며, 상기 광을 상기 투사 매체에 포커스하기 위해 상기 마이크로미러의 이동을 제어하도록 구성된 상기 적어도 하나의 구동소자; 및
    d) 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 연결되며, 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 상기 광을 상기 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 상기 투사 매체의 주사에 응답하여 상기 투사 매체로부터의 데이터를 판독하도록 구성된 판독 센서
    를 포함하는 광학 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 소자에 의한 상기 적어도 하나의 마이크로미러의 이동은 광의 위상 수차를 보정하도록 구성되는 것인 광학 시스템.
  12. 광학 시스템에서의 방법으로서,
    a) 광원으로부터의 광을 마이크로미러 어레이 렌즈에 방출하는 단계; 및
    b) 상기 광을 투사 매체에 포커스하기 위해 상기 마이크로미러 어레이 렌즈의 마이크로미러의 위치를 조절하는 단계로서, 상기 마이크로미러는 한 개의 병진운동 자유도와 두 개의 회전운동 자유도를 갖는 것인 상기 조절 단계
    를 포함하는 광학 시스템에서의 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 광 위상 수차를 보정하기 위해 상기 마이크로미러 어레이 렌즈의 상기 마이크로미러의 상기 위치를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 상기 광을 상기 투사 매체를 가로질러 횡단시킴으로써 상기 투사 매체를 주사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 투사 매체의 주사에 응답하여 상기 투사 매체에 데이터를 기록하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    a) 상기 마이크로미러 어레이 렌즈에 의해 포커스된 상기 광에 응답하여 상기 투사 매체로부터 반사된 상기 광을 감지(sense)하는 단계; 및
    b) 상기 투사 매체로부터 반사된 상기 광의 상기 감지 단계에 응답하여 상기 투사 매체로부터의 데이터를 판독하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 광의 위상 수차를 보정하기 위해 상기 마이크로미러 어레이 렌즈의 싱기 마이크로미러의 상기 위치를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
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