KR20170002386A

KR20170002386A - 소형 3d 깊이 캡처 시스템

Info

Publication number: KR20170002386A
Application number: KR1020167028909A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 엠. 블룸; 매튜 에이. 리온
Original assignee: 엘크 테크놀로지, 인코퍼레이티드
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-01-06
Also published as: US9389069B2; CN106464857B; EP3123717A4; WO2015148325A1; EP3123717A1; JP2017513000A; JP6657111B2; CN106464857A; US20150281671A1

Abstract

소형 3D 깊이 캡처 시스템은 3D 시스템 드라이버/인터페이스, 3D 시스템 카메라 및 3D 시스템 프로젝터에 기반한다. 이 시스템은 스마트 폰 및 태블릿 컴퓨터와 같이 휴대 전자 기기에 통합되어 호환될 수 있다.

Description

소형 3D 깊이 캡처 시스템{COMPACT 3D DEPTH CAPTURE SYSTEMS}

본원은 그 전문이 참조로 본원에 통합되는, 2014년 3월 26일에 출원된 미국 출원번호 14/226,515의 이익을 청구한다.

본원은 특히 휴대 전자 기기에 통합하기에 적합한 3D 깊이 캡처 시스템에 관한 것이다.

3차원(3D) 깊이 캡처 시스템은 기존의 사진을 3차원으로 확장시킨다. 기존의 카메라로부터 얻어진 2D 이미지는 각 (x, y) 픽셀에서 색상 및 밝기를 나타내는 반면에, 3D 깊이 센서로부터 얻어진 3D 점 구름(point clouds)은 각 (x, y) 픽셀에서 물체 표면(object surface)에 대한 거리(z)를 나타낸다. 따라서, 3D 센서는 세번째 공간 차원 z의 측정을 제공한다.

3D 시스템은 깊이를 감지하기 위해 투시(perspective), 상대적 크기, 폐색(occlusion), 감촉(texture), 시차(parallax) 및 다른 신호(cue)들에 의존하기 보다는 직접적으로 깊이 정보를 얻는다. 다이렉트 (x, y, z) 데이터가 특히 이미지 데이터의 컴퓨터 해석을 위해 유용하다. 예컨대, 한 물체(object)의 측정된 3D 좌표는 3D 프린터로 보내져서 그 물체의 복사본을 창출할 수 있다. 인간 안면의 측정된 3D 좌표는 컴퓨터 안면 인식 알고리즘(computer facial recognition algorithms)의 정확도를 향상시켜서 조명의 변화에 기인한 에러를 줄일 수 있다.

3D 깊이 캡처에 대한 많은 기술이 존재하지만, 지금까지 가장 성공적인 두 기술은 비행 시간 및 구조화된 광 접근법(time of flight and structured light approaches)이다. 비행 시간은 광이 3D 깊이 캡처 시스템으로부터 객체(object)로 이동하고 다시 돌아오는 왕복시간의 측정에 기초한다. 객체가 더 멀리 떨어져 있을수록 왕복시간은 더 길다. 구조화된 광은 객체에 광 패턴을 투사하고 프로젝터에서 분리된 관점(vangage point)으로부터 이 패턴을 관측하는 것에 기초한다. 예를 들어, 안면(face)에 투사된 평행 줄무늬(parallel stripes)의 패턴은 프로젝터로부터 떨어진 일 위치에서 보면 왜곡되어 나타난다.

현재의 3D 깊이 캡처 시스템은 셀 폰(cell phones) 및 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대 전자 기기에 통합되기에 충분히 작지 않다. 몇몇 시스템은 태블릿에 묶일 수 있는 센티미터 규모의 엔클로저(centimeter scale enclosure) 내에 포장되어졌다. 그러나, 3D 깊이 캡처가 휴대 기기의 센서 제품군(sensor suites)에 추가하는 것이 가능하게 되기 위해서는 밀리미터 규모로의 축소가 필요하다.

컨셉(Concept)

이 버전(version)은 앞선 참조(forward references)를 가진다; 예컨대, 컨셉 X: 컨셉 X-1 또는 컨셉 X+1의 시스템... 이 앞선 참조는 본 기술의 개시의 더 좋은 이해를 위해 의도된 것이다.

번호가 매겨진 형식으로 개시된 컨셉:

1. 패턴 프로젝터;

카메라; 및

휴대 기기 드라이버/인터페이스;를 포함하고,

상기 프로젝터, 카메라 및 드라이버/인터페이스는 휴대 전자 기기 내로 통합되며, 상기 프로젝터는 디지탈 선형-어레이 MEMS 리본 광 모듈레이터 및 오직 하나의 차원에서 공간 변화를 가지는 2차원 이미지들을 투사하는 렌즈 시스템을 포함하고,

상기 MEMS 리본 광 모듈레이터는 상기 드라이버/인터페이스로부터의 디지탈 전자 신호들에 의해 구동되며, 상기 신호는 사인파의 펄스 밀도 변조 표시(a pulse density modulation representation)를 나타내고, 상기 사인파는 시간 주기(temporal period)에 의해 특성화되는, 3차원 깊이 캡처 시스템.

2. 상기 카메라는 주기당 세 번 상기 이미지들을 샘플링하는, 컨셉 1의 시스템.

3. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 3개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기의 애플리케이션 프로세서에 제공하는, 컨셉 2의 시스템.

4. 상기 카메라는 주기당 4번 상기 이미지들을 샘플링하는, 컨셉 1의 시스템.

5. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 4개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기의 애플리케이션 프로세서에 제공하는, 컨셉 4의 시스템.

6. 상기 펄스 밀도 변조 표시는 상기 사인파를 적어도 64번 오버샘플링(oversampling)하는, 컨셉 1-5 또는 컨셉 7-26 중의 어느 하나의 시스템.

7. 상기 디지탈 전자 신호들은 순환 메모리 버퍼(circular memory buffer)에 저장되는, 컨셉 1-6 또는 컨셉 10-26 중의 어느 하나의 시스템.

8. 상기 이미지들은 상기 메모리 버퍼 내로의 상대적인 옵셋(relative offsets)에 의해 선택되는 공간 주파수를 가지는, 컨셉 7의 시스템.

9. 상기 어레이의 인접한 활성 리본들을 위한 신호는 상기 메모리 버퍼 내의 옵셋 메모리 어드레스(offset memory addresses)로부터 얻어지는, 컨셉 7의 시스템.

10. 상기 카메라는 상기 카메라에 의해 보여질 때 상기 이미지들이 정현파 시간 강도 변화(sinusoidal temporal intensity variation)를 가진 것처럼 보이도록 통합 시간(integration time)을 가지는, 컨셉 1-9 또는 컨셉 11-26 중의 어느 하나의 시스템.

11. 상기 디지탈 전자 신호들은 CMOS 로직 레벨들과 호환 가능한, 컨셉 1-10 또는 컨셉 12-26 중의 어느 하나의 시스템.

12. 상기 디지탈 전자 신호들은 모의 바이폴라 MEMS 드라이브 체계(pseudo bipolar MEMS drive scheme)를 따르는, 컨셉 1-11 또는 컨셉 13-26 중의 어느 하나의 시스템.

13. 상기 디지탈 전자 신호들은 리본 비선형 변위 특성(ribbon nonlinear displacement characteristics)의 이점을 취하기 위해 직렬로 부가된 DC 바이어스(bias) 전압 및 저압 리본 제어 신호를 포함하는, 컨셉 1-12 또는 컨셉 14-26 중의 어느 하나의 시스템.

14. 상기 선형-어레이 MEMS 리본 광 모듈레이터는 N개의 활성 리본들 및 K개의 어드레싱 라인(addressing line)들을 가지며, N은 K의 정수배(integer multiple)인, 컨셉 1-13 또는 컨셉 16-26 중의 어느 하나의 시스템.

15. 상기 이미지들은 공간 주기의 N/K 사이클들에 의해 특성화되는, 컨셉 14의 시스템.

16. 상기 카메라는 롤링(rolling) 셔터 CMOS 카메라인, 컨셉 1-15 또는 컨셉 18-26 중의 어느 하나의 시스템.

17. 상기 카메라는 구형(global) 셔터 카메라인, 컨셉 1-15 또는 컨셉 18-26 중의 어느 하나의 시스템.

18. 상기 프로젝터는 다이오드-레이저 적외선 광원을 포함하는, 컨셉 1-17 또는 컨셉 20-26 중의 어느 하나의 스세팀.

19. 상기 프로젝터는 적외선 발광 다이오드를 포함하는, 컨셉 1-17 또는 컨셉 20-26 중의 어느 하나의 시스템.

20. 상기 프로젝터 및 카메라는 공통(common) 타이밍 신호를 공유하는, 컨셉 1-19 또는 컨셉 21-26 중의 어느 하나의 시스템.

21. 상기 프로젝터 및 카메라는 100% 미만의 작동 듀티 사이클을 가지는, 컨셉 1-20 또는 컨셉 22-26 중의 어느 하나의 시스템.

22. 상기 프로젝터는 3mm x 6mm x 10mm의 체적 또는 더 작은 체적 내에 결합되는, 컨셉 1-21 또는 컨셉 23-26 중의 어느 하나의 시스템.

23. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 깊이 데이터를 제공하는, 컨셉 1-22 또는 컨셉 24-26 중의 어느 하나의 시스템.

24. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 최근의 카메라 샘플들의 유한 임펄스 응답 필터 함수(finite impulse response filter function)에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는, 컨셉 1-23 또는 컨셉 25-26 중의 어느 하나의 시스템.

25. 상기 휴대 전자 기기는 셀 폰(cell phone)인, 컨셉 1-24 중의 어느 하나의 시스템.

26. 상기 휴대 전자 기기는 태블릿 컴퓨터인, 컨셉 1-24 중의 어느 하나의 시스템.

27. 패턴 프로젝터;

카메라; 및

휴대 기기 드라이버/인터페이스;를 포함하고,

상기 프로젝터, 카메라 및 드라이버/인터페이스는 휴대 전자 기기 내로 통합되며,

상기 프로젝터는 공간 광 모듈레이터 및 오직 하나의 차원에서 공간 변화를 가지는 2차원 이미지들을 투사하는 렌즈 시스템을 포함하고,

상기 광 모듈레이터는 상기 드라이버/인터페이스로부터의 전자 신호들에 의해 구동되며, 상기 신호들은 사인파를 나타내고, 상기 사인파는 시간 주기(temporal period)에 의해 특성화되는, 3차원 깊이 캡처 시스템.

28. 상기 광 모듈레이터는 수직-캐비티 표면-발광 레이저들(vertical-cabity surface-emitting lasers)의 어레이를 포함하는, 컨셉 27의 시스템.

29. 상기 광 모듈레이터는 강유전성 액정들(ferroelectric liquid crystals)을 포함하는, 컨셉 27의 시스템.

30. 상기 광 모듈레이터는 발광 다이오드를 포함하는, 컨셉 27의 시스템.

31. 상기 프로젝터는 디지탈 데이터 신호들에 의해 구동되는, 컨셉 27-30 또는 컨셉 33-38 중의 어느 하나의 시스템.

32. 상기 프로젝터는 아날로그 데이터 신호들에 의해 구동되는, 컨셉 27-30 또는 컨셉 33-38 중의 어느 하나의 시스템.

33. 상기 카메라는 주기당 3번 상기 이미지들을 샘플링하는, 컨셉 27-32 또는 컨셉 33-38 중의 어느 하나의 시스템.

34. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 3개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는, 컨셉 33의 시스템.

35. 상기 카메라는 주기당 4번 상기 이미지들을 샘플링하는, 컨셉 27-32 또는 컨셉 37-38 중의 어느 하나의 시스템.

36. 상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 4개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는, 컨셉 35의 시스템.

37. 상기 카메라는 롤링 셔터 CMOS 카메라인, 컨셉 27-36 중의 어느 하나의 시스템.

38. 상기 카메라는 구형 셔터 카메라인, 컨셉 27-36 중의 어느 하나의 시스템.

도 1a는 통합된 3D 깊이 캡처 시스템이 장착된 휴대 전자 기기를 나타낸 것이다.
도 1b는 안면 인식 시나리오에서의 도 1a의 기기를 나타낸 것이다.
도 2는 한 쌍의 안경에 통합된 소형 3D 깊이 캡처 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 도어 프레임에 통합된 소형 3D 깊이 캡처 시스템을 나타낸 것이다.
도 4는 휴대 전자 기기에 통합된 소형 3D 깊이 캡처 시스템에 대한 고 수준(high-level)의 블럭도이다.
도 5는 소형 3D 깊이 캡처 시스템 구성요소들의 개념도(conceptual block diagram)이다.
도 6은 휴대 전자 기기 내로 통합 가능한 소 용량 패키지(small volume package)에 내장된 3D 깊이 캡처 프로젝터를 도시한 것이다.
도 7은 3D 깊이 캡처 시스템 프로젝터에 대한 광학 원리를 도시한 것이다.
도 8은 소형 3D 깊이 캡처 시스템에서 전자 및 광학 신호들의 개념도이다.
도 9a 및 도 9b는 디지털 리본 데이터 신호(digital ribbon data signals)를 발생시키기 위한 메모리 주소 전략(memory addressing strategies)을 도시한 것이다.
도 10은 MEMS 리본 배선도(ribbon wiring diagram)를 도시한 것이다.
도 11은 시스템 버스트 모드 동작(system burst mode operation) 중 전력 소비를 나타낸 그래프이다.
도 12는 공간 패턴 위상(spatial pattern phase) 및 깊이 사이의 관계를 도시한 다이어그램이다.
도 13은 카메라 내의 두 픽셀에서 위상 측정치(phase measurements)를 도시한 그래프이다.
도 14는 깊이 데이터 갱신 주기(depth data update cycles)를 도시한 것이다.
도 15는 소형 3D 깊이 캡처 시스템 출력 데이터의 실예를 나타낸 것이다.

아래에 기재된 소형 3D 깊이 캡처 시스템은 스마트 폰 및 다른 휴대 기기 내로 통합되도록 설계된 것이다. 휴대 애플리케이션을 위해 필요한 소형화(miniaturization)는 광학 패턴 투사 및 검출 기술 및 시스템 통합 컨셉을 포함하는 새롭게 구조화된 광 서브시스템에 기초한다. 소형 3D 깊이 캡처 시스템은 선형-어레이(linear-array) MEMS-리본 광 패턴 프로젝터(ribbon optical pattern projectors)에 기초한다. 이 시스템은 비교적 단순한 계산으로 각 픽셀에서 독립적으로 깊이를 측정한다.

도 1a는 통합된 3D 깊이 캡처 시스템이 장착된 휴대 전자 기기(105)를 나타낸 것이다. 이 시스템은 3D 시스템 프로젝터(110), 3D 시스템 카메라(115), 그리고 3D 시스템 드라이버/인터페이스(120)를 구비한다. 상기 드라이버/인터페이스는 휴대 기기의 애플리케이션 프로세서(application processor)(125)에 3D 기능을 제공한다. 상기 프로젝터는 이 3D 시스템의 전용 구성요소이지만, 상기 카메라는 또한 기존의 사진과 비디오를 위해 사용될 수도 있다.

도 1b는 안면 인식 시나리오에서의 도 1a의 기기를 나타낸 것이다. 사용자가 이 기기를 자신의 안면(130)을 목표로 할 때, 상기 깊이 캡처 시스템은 이 기기로부터 안면의 표면 윤곽(surface contours)까지의 거리를 나타내는 3D (x, y, z) 포인트들의 세트를 얻는다. 이 데이터는 예컨대, 생체 인식(biometric identification)을 위한 안면 인식 알고리즘(facial recognition algorithm)에서 도움을 주는 것으로 사용될 수 있다.

스마트 폰, 태블릿 또는 유사 휴대 기기에는 그 전면, 배면 또는 심지어 측면에 3D 시스템 프로젝터 및 카메라가 장착될 수 있다. 이 센서들은 여러 목적을 위해 최적화될 수 있다. 전면을 향하는(front-facing) 3D 시스템은 폰이 팔길이 거리에서 그것의 소유자를 인식하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있는 반면에, 후면을 향하는 3D 시스템은 예컨대 실내 내비게이션 또는 상황 인식 애플리케이션(indoor navigation or situational awareness applications)을 위한 데이터를 제공할 수 있다.

소형 3D 깊이 캡처 시스템 프로젝터 및 카메라는 다른 종류의 개인 액세서리에 매립되도록 충분히 작다. 도 2는 한 쌍의 안경(205)에 통합된 소형 3D 깊이 캡처 시스템을 나타낸 것이다. 도 2의 실예에서, 3D 시스템 프로젝터(210) 및 3D 시스템 카메라(215)는 뿔테 안경의 대향하는 코너에 놓여진다. 이 구성요소들은 슈즈(220)의 브랜드 또는 사이즈를 인식하는 것과 같은 객체 측정 및 인식 활동을 수행할 수 있도록 안경 다리에 있는 프로세서들과 통신할 수도 있다.

휴대 전자 기기에 통합하기에 충분히 작고 충분히 저렴한 3D 깊이 캡처 시스템은 또한 많은 다른 상황에 적합하다. 예컨대, 도 3은 도어 프레임(305)에 통합된 소형 3D 깊이 캡처 시스템을 나타낸 것이다. 여기서 3D 시스템 프로젝터(310) 및 3D 시스템 카메라(315)는 도어 프레임의 상단 코너에 위치되지만, 많은 다른 장착 옵션이 적합할 수 있다. 3D 깊이 캡처 기술이 장착된 도어 프레임은 사람, 동물(개(320)와 같이), 또는 근처의 다른 객체를 식별하여 적절한 접근(access)을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 3D 깊이 캡처 시스템은 차량 탑승자를 감시하기 위해 자동차 계기반 내에 통합될 수도 있다. 예로서, 자동 시스템은 운전자가 잠이 들어 고개를 끄덕이는 것을 감지하면 제동을 가할 수 있다.

휴대 기기, 개인 액세서리, 고정된 설치물, 자동차, 또는 다른 애플리케이션에 사용되든지 간에, 3D 깊이 캡처 시스템은 그와 같은 시스템을 위한 고 레벨의 블럭도인 도 4에 도시된 일반적인 시스템 아키텍쳐(common system architecture)를 공유한다. 도 4에서, 애플리케이션 프로세서(405)는 3D 시스템 드라이버/인터페이스(410)와 통신한다. 이 드라이버 인터페이스는 3D 시스템 프로젝터(415) 및 3D 시스템 카메라(420)와 통신한다. 애플리케이션 프로세서(405)는 임의의 프로세서 또는 그래픽 처리 장치(graphics processing unit)일 수도 있다. 실예들은 스마트 폰 또는 자동차의 처리 장치에 있는 메인 애플리케이션 프로세서를 포함한다. 이 드라이버/인터페이스, 프로젝터 및 카메라의 기재 및 실예는 아래에서 밝혀진다.

도 5는 소형 3D 깊이 캡처 시스템 동작 및 구성요소들의 개념도이다. 도 5에서, 3D 시스템 프로젝터(510) 및 3D 시스템 카메라(515)는 객체(500)를 나타내는 3D 데이터를 얻기 위해 드라이버/인터페이스(520)와 함께 작업한다. 프로젝터(510)는 일차원의 공간 변화(spatial variation)를 가진 2차원 패턴(505)을 객체(object)에 투사한다. 카메라(515)는 베이스라인(baseline) 거리만큼 프로젝터로부터 분리된 관점(vangage point)에서 이 패턴을 관측한다. (이 베이스라인은 패턴에서 공간 변화의 방향에 수직하다.) 카메라에 의해 기록된 패턴(525)은 객체의 표면 특징들에 의해 왜곡된 것으로 나타난다.

객체 상의 각 포인트는 카메라에게는 시간 정현파 강도 변화(sinusoidal intensity variation with time)를 가진 광으로 빛나는 것처럼 보인다. 카메라는 프로젝터와 공통의 시간 기준(common time reference)을 공유하며, 각각은 연속적인 사이클릭 모드(cyclic mode)로 작동한다. 카메라 주파수(frequency)(초당 카메라 사이클)는 프로젝터 시간 주파수(temporal frequency)의 2배수(multiple)보다 더 큰 (즉, 3, 4, 5 ...) 정수(integer)이다. 각 픽셀에서, 카메라는 각 프로젝터 사이클 동안 프로젝터 시간 강도 변조(temporal intensity modulation) 3, 4, 또는 5 등의 곱(times)을 샘플링한다. 이 측정치는 카메라가 각 픽셀에서 강도 변조(intensity modulation)의 시간 위상(temporal phase)을 결정하도록 허용한다. 이러한 위상 측정치는 그후 구조화된 광 삼각 측량 기술(structured light triangulation techniques)을 사용하여 깊이를 측정하기 위해 사용된다.

아래에서 더 상세하게 논의되는 드라이버/인터페이스(520)의 상세는 3D 시스템 프로젝터의 선형-어레이 공간 광 모듈레이터(linear-array spatial light modulator)에서 MEMS 리본(ribbons)을 구동시키는 펄스 밀도 모듈레이터(pulse density modulator); 검출된 패턴들의 공간 주기의 신속한 인식을 할 수 있는 메모리 어드레싱 기술(memory addressing techniques); 롤링 셔터 카메라(rolling shutter camera)를 가진 패턴들의 동기 검출(synchronous detection); MEMS 리본을 위한 저압 구동 방식(drive schemes); 및 MEMS 리본의 의사-바이폴라 작동(pseudo-bipolar operation);을 구비한다.

프로젝터 드라이버/인터페이스 및 레이저 광원을 구비한 프로젝터 광학 구성요소들이 도 6에 도시되어 있다. 일 실시예에 있어서, 이 구성요소들은 스마트 폰, 태블릿 또는 다른 기기에 통합되기에 충분히 작은, 3 mm x 6 mm x 10 mm로 되는 체적(605) 내에 포장되어 있다. 이 체적 내의 구성요소들은 레이저 광원, 선형-어레이 MEMS-리본 광 위상 모듈레이터, 푸리에 평면 광 위상 판별기(Fourier plane optical phase discriminator), 그리고 여러 렌즈를 포함한다. 특히, 도 6에서 레이저(610)는 적외선 광을 출사하는 다이오드 레이저이다. 레이저로부터의 광은 드라이버 전자장치(driver electronics)(625)와 함께 포장되는 선형-어레이 MEMS-리본 광 위상 모듈레이터에 (x-축 릴레이 실린더 렌즈(615) 및 필드 렌즈(620)를 경유하여) 집중된다. 일 실시예에 있어서, MEMS 리본 어레이는 대략 0.5 mm x 0.2 mm x 0.1 mm로 되고, 각 리본은 대략 200 μm x 4 μm x 0.1 μm로 된다; 그것들은 도 6에서는 보이지 않는다. 상기 위상 모듈레이터에 의해 반사된 광은 광 위상 판별기로서 작용하는 아포다이징 필터(apodizing filter)(630)로 입사한다. 상기 판별기는 MEMS-리본 선형-어레이에 의해 부여된 위상 변조를 진폭 변조로 변환시킨다. 그리고 나서 투사 렌즈(projection lenses)(y-축 투사 실린더(635) 및 x-축 투사 실린더(640)) 및 고정 미러(645)가 측정될 객체(object)를 향해 광을 투사한다.

도 7은 도 6의 시스템과 같은 3D 깊이 캡처 시스템 프로젝터에 대한 광학 원리를 도시한 것이다. 도 7에서, 필드 렌즈(720)는 1-D (즉, “선형”) MEMS 리본 어레이(725) 근처에 놓여진다. 이 필드 렌즈의 초점 길이는 f이다. 푸리에 평면 광 판별기(730)는 MEMS 리본 어레이로부터 이 렌즈의 맞은편에서 필드 렌즈로부터 f만큼 떨어져서 놓여진다. 투사 렌즈(735)는 패턴(750)을 투사한다. 패턴(750)은 하나의 차원에서 공간 변형을 가진 2차원 패턴이다.

푸리에 평면 위상 판별기는 예컨대 2011년 5월 10일에 발행된 Bloom 등의 US 7,940,448에서 논의되어 있으며, 이 개시물은 참조를 위해 통합되어 있다(이 통합은 여기서 “부록 A”로서 첨부되어 있다). 특히, 여기서 사용되는 위상 판별기는 '448 특허의 도 10B, 16A 및 도 18의 코사인 (위상 유사성(phase similarity)) 아포다이징 필터와 유사하다. 일 실시예에 있어서, 슐리렌 슬릿(Schlieren slit)은 정현파 전달 함수(cosinusoidal transmission function)의 중앙부와 유사한다. 아포다이징 필터의 주기(또는 슐리렌 슬릿의 폭)는 MEMS 선형 어레이에서 리본들의 간격에 상응하도록 선택된다.

지금까지 기술된 광학 시스템은 하나의 차원에서 공간 정현파 강도 변화(spatial sinusoidal intensity variation)를 가지는 패턴을 투사하는 것이다. 이 패턴은 또한 시간 정현파 강도 변화(temporal sinusoidal intensity variation)를 가진 것처럼 보인다. 그러나, 이 패턴의 시간 변조(temporal modulation)는 디지털 기술을 사용하여 생성된다. 디지털 시간 변조는 디지털 변조 주기(digital modulation period) 보다 실질적으로 더 긴 통합 시간(integration time)을 가진 카메라로 볼 때 부드럽게 변하는 정현파 변조처럼 보인다. 이러한 원리는 소형 3D 깊이 캡처 시스템에서 전자 및 광학 신호의 개념도인 도 8을 참조하여 이해될 수 있다.

도 8은 정현파(sinusoidal), 시간 광 변조의 모양(appearance)이 어떻게 생성되는지를 도시한 것이다. 그래프(805)는 시간의 함수로서 광 강도의 원하는, 정현파 변화를 나타낸다. 이 함수는 펄스 밀도 변조, 디지털 파형(waveform)(815)으로서 3D 시스템 드라이버/인터페이스(810)에 저장되거나 생성된다. 리본 드라이브 패턴 파형(815)은 시간이 지남에 따라 두 개의 값, 1과 0 사이에서 번갈아 발생한다. 815에서 나타낸 파형은 예시의 용이성을 위해 선택된, 사인파의 64배 오버샘플링된 펄스 밀도 표시(64 times oversampled pulse density representation)이다. 일 실시예에 있어서, 사인파의 2048배 오버샘플링된 펄스 밀도 표시(representation)가 사용된다.

드라이버/인터페이스는 MEMS 어레이의 리본으로 전기 드라이브 신호를 보낸다. 드라이브 패턴 값이 “1”로 될 때마다, 이 어레이에서 리본 쌍들(ribbon pairs)은 820에서 나타낸 바와 같이 동일한 편향(deflection)으로 설정된다. 드라이버 패턴 값이 “0”으로 될 때마다, 이 어레이에서 리본 쌍들은 825에서 나타낸 바와 같이 동일하지 않은 편향으로 설정된다. 임의의 특별한 리본 쌍에서, 하나의 리본은 모든 시간에서 휴지 상태(at rest)일 수 있는 한편, 다른 리본은 두 개의 가능한 편향 중의 하나로 설정된다: 다른 리본의 휴지 상태와 동일, 또는 활성화된 상태의 편향과 동일. 리본 드라이브 패턴은 디지털이기 때문에, 리본들은 결코 중간 편향으로 설정되지 않는다.

820에서와 같이, 동일한 편향을 가진 리본 쌍들은 1-D 패턴에서 밝은 줄무늬(bright stripes)로 이어지는 반면에, 825에서와 같이, 같지 않은 편향을 가진 리본 쌍들은 1-D 패턴에서 어두운 줄무늬(dark stripes)로 이어진다. 패턴 대 시간의 특별한 픽셀에서 명도(brightness)는 830에 나타나 있다. 실제의 광 출력 강도(디지털 광 출력(830)) 대 시간은 디지털 함수이다; 사실 그것은 리본 드라이브 패턴(815)과 동일한 펄스 밀도 변조 표시(representation)이다. 디지털 리본 동작은 광 출력 대 리본 드라이브 신호를 표시하는 픽셀 전달 함수를 수용할 필요가 없다. MEMS 리본들의 높은 재구성(reconfiguration) 속도는 그것들이 충실하게 디지털 변조 신호를 따르게 허용한다.

픽셀에서 디지털 광 출력이 디지털 주기(즉, 디지털 패턴이 “1” 또는 “0”에서 머무르는 가장 짧은 시간)보다 실질적으로 더 긴 통합 시간을 가진 카메라(835)로 볼 때, 패턴의 시간 변화는 840에 나타낸 바와 같이, 정현파(sinusoidal) 처럼 보인다. 이것은 카메라 통합 시간이 저역 통과 필터(low pass filter)인 Σ-Δ 변조의 실예이다. 여기서, “실질적으로” 더 길다는 것은 5배 이상으로 더 길다는 것을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 투사된 광 패턴의 2048 재구성은 4 카메라 노출 사이클(four camera exposure cycles)과 동일한 시간에 발생한다; 따라서 프로젝터 속도(projector rate)는 카메라 사이클 속도보다 500배 더 빠르다. 일반적으로, 프로젝터 속도는 카메라 사이클 속도의 100배 보다 더 빠르다.

MEMS 어레이에서 리본들이 쌍으로 배열될 때, 동일한 편향을 가진 리본들은 최대 광 출력을 생성할 수 있는 반면에, 다른 편향을 가진 리본들은 투사 시스템으로부터 최소 광 출력을 생성한다. 그러나, 이러한 거동을 반전시키는 대안의 위상 판별기 설계(alternate phase discriminator designs)가 가능하다; 즉, 동일한 편향을 가진 리본들이 최소 광 출력을 생성시키는 반면에, 다른 편향을 가진 리본들이 최대 광 출력을 생성시키는 것이다. 이러한 양 접근법으로, (아나모픽 광학(namorphic optics)을 통해 스트립(strips)으로 확산될 수 있는) 픽셀의 수는 리본의 수의 절반이다.

리본들은 또한 리본들 사이의 전이(transitions)가 픽셀 출력을 결정하도록 동작될 수도 있다. 이러한 경우, 픽셀의 수는 리본의 수와 동일하다. '448 특허에서 논의된 바와 같이, 광 위상 판별기가 이러한 경우를 위해 설계될 수도 있다.

디지털 광 출력(830) 및 시간 강도 변화(840)는 투사된 2-D 패턴에서의 하나의 픽셀에서 실재와 인식된 광 강도(actual and perceived light intensity) 대 시간을 묘사한다. 이 패턴은 또한 하나의 공간 차원에서 정현파 변화(sinusoidal variation)를 가진다.

어레이에서 각각의 연속 활성 리본(each successive active ribbon)으로의 815와 같은 디지털 신호를 지연시킴으로써 정현파 공간 변화가 생성된다. 예를 들어, 패턴(815)은 이 어레이에서의 제 1 활성 리본으로 보내질 수도 있다. 짧은 시간, Δt, 후에 동일한 패턴이 제 2 활성 리본으로 보내진다. 짧은 시간, Δt, 후에 동일한 패턴이 제 3 활성 리본 등으로 보내진다. 여기서, Δt는 패턴(815)의 한 번의 사이클에 대한 시간보다 더 짧다.

Δt에 대한 작은 값들은 거친 깊이 해상도(coarse depth resolution) 및 깊이 앰비규어티(ambiguity)들 사이의 더 큰 거리를 제공하는 저-공간-주파수 투사 패턴(low-spatial-frequency projected patterns)으로 이어진다. 한편, Δt에 대한 더 큰 값들은 미세 깊이 해상도(fine depth resolution)를 제공하지만 깊이 앰비규어티들 사이의 더 작은 거리를 제공하는 고-공간-주파수 투사 패턴으로 이어진다. 815와 같은 디지털 패턴들은 즉석에서(on-the-fly) 생성되거나 메모리로부터 검색될 수 있다. 후자의 경우, 시간 옵셋(time offsets) Δt는 메모리 어드레싱 체계(memory addressing schemes)를 통해 생성될 수도 있다. 도 9a 및 9b는 디지털 리본 데이터 신호를 생성하기 위한 메모리 어드레싱 전략(memory addressing strategies)을 도시한 것이다.

도 9a는 디지털 패턴(도 8의 패턴(815)와 유사)이 동시에 메모리로부터 판독되어 32 리본 드라이브 라인들(32 ribbon drive lines)로 공급되는 실예(905)를 나타낸 것이다. 이 패턴은 4096 비트 길이(long)이다. 카운터(910)는 4096 비트 메모리 공간에 의해 32 비트로부터 32-비트 드라이브 신호를 선택한다. 4096번째 32-비트 신호가 판독된 후, 카운터(910)는 제 1 32-비트 신호로 복귀한다. 4096 비트 패턴은 각각의 활성 리본에 대해 동일하지만, 연속 리본들에 대해 옵셋된다. 이 실예에서 1의 배치(placement of 1's)는 연속 활성 리본들이 클록 사이클(clock cycle)당 하나의 비트에 의해 옵셋된 4096 비트 패턴의 복사본에 의해 구동되는 것을 나타내는 것으로 의도된 것이다. 도 9a의 전략은 32 비트 폭(wide) 데이터에 액세스하기 위해 하나의 메모리 주소 카운터를 사용하는 것이다. 도 9a의 전략을 이용하는 데이터에 의해 구동되는 MEMS-리본-기반의 프로젝터로부터 생성된 광 패턴들의 공간 주파수를 변경하기 위해, 32-비트 x 4096-비트 메모리 공간(32-bit by 4096-bit memory space) 내의 데이터가 활성 리본들 사이에서 옵셋들(offsets)을 변경하기 위해 갱신되어야 한다. 도 9a는 픽셀들(예컨대, "Pix3")에 대한, 그리고 "Bias"에 대한, 그리고 "Substrate" 신호들에 대한 데이터를 보여준다. 이 부가적인 신호들은 아래에서 기술된다.

몇몇 깊이 캡처 애플리케이션에 대해, 투사된 패턴들의 공간 주파수를 빠르게 변경할 수 있는 것이 바람직하다. 이것은 (짧은 앰비규어티 거리를 가진) 고 정밀 깊이 데이터 취득(high-precision depth data acquisition)과 (긴 앰비규어티 거리를 가진) 저 정밀 깊이 데이터 취득 사이에서 신속한 스위칭을 허용한다.

도 9b는 디지털 패턴(도 8의 패턴(815)와 유사)이 분리된 카운터들을 사용하여 메모리로부터 판독되는 실예(915)를 보여준다. 예시의 용이성을 위해 각 리본 드라이브 라인에 대해 하나씩 오직 세 개의 카운터가 나타나 있다. 만일 도 9a에서와 같이 32개의 리본 드라이브 라인이 주소 지정되어야(addressed) 한다면, 32개의 카운터가 필요하다. 이 실예에서, 각 카운터는 하나의 1 bit x 4096 bit 메모리 공간(925)을 주소지정(address)한다. 임의의 특별한 시간에서, 카운터들은 4096 비트 시컨스(sequence)에서 다른 비트들로부터 데이터를 검색한다. 공간 주파수를 변경하는 것은 이제 단지 다른 수의 비트들 데이터를 별개로 판독하기 위해 이 카운터들을 셋팅하는 문제이다.

투사된 패턴은 보통 단지 하나가 아니라 정현파의 공간 강도 변화의 수 개의 주기를 가진다. 그러한 경우, 리본이 있는 만큼의 많은 리본 드라이브 신호를 생성할 필요가 없다. 예컨대 리본 어레이가 N 활성 리본을 갖고 그것이 K 공간 주기를 가진 패턴을 투사하기 위해 사용되는 것을 가정한다. 오직 N/K 다른 리본 드라이브 신호들이 이 패턴을 생성하기 위해 필요하다. 이것은 MEMS 리본 배선도(wiring diagram)를 나타낸 도 10을 참조하여 이해될 수 있는 배선에서의 단순화로 이어진다.

도 10에서, 리본들(1005)은 선형-어레이 MEMS-리본 광 모듈레이터의 일부이다. 신호 라인(1010)은 디지털 드라이브 신호를 0번째(zerogh), k번째, 2k번째 등 활성 리본으로 전달(carry)한다. 마찬가지로, 또다른 신호 라인은 또다른 디지털 드라이브 신호를 첫번째, (k+1)번째, (2k+1)번째 등의 활성 리본으로 전달한다. 또다른 신호 라인은 또다른 디지털 드라이브 신호를 두번째, (k+2)번째, (2k+2)번째 등의 활성 리본으로 전달한다. 이 어레이에서 N개의 활성 리본이 있을 수 있지만, 오직 N/K 신호 라인들이 이것을 구동시키기 위해 요구된다. 이것은 MEMS 신호 라인 배치(layout)에서 상당한 단순화로 이어진다. 이러한 체계(scheme)를 사용하여 생성될 수 있는 가장 낮은 공간 주파수 패턴은 각각의 활성 리본이 분리적으로 주소 지정된다면 실현될 수 있는 하나의 주기 패턴(one-period pattern)보다는 N/K 주기를 가진다. 일 실시예에 있어서, MEMS 리본 어레이는 함께 주소 지정된(addressed) 모든 32번째 리본과 함께 128 활성 리본들(즉, 위에서 사용된 표기(notation)에서 N=128, K=32)을 가진다. 따라서, 투사된 패턴에서 공간 주기의 최소 수는 4이다.

일 실시예에 있어서, 리본 드라이브 전자 장치(ribbon drive electronics)는 2012년 10월 22일에 Bloom 등에 의해 출원된 상호 계류 중인 US 출원번호 13/657,530에 기술된 저압 리본 드라이브 기술을 사용하는 바, 상기 개시물은 참조로 "부록 A"로 첨부되어 병합되어 있다. '530 출원서에 기재된 바와 같이, 여기서 사용되는 저압 리본 드라이브 체계는 리본 비선형 배치 특성(ribbon nonlinear displacement characteristics)의 이점을 취하기 위해 직렬로 추가된 DC 바이어스(bias) 전압 및 저압 리본 제어 신호에 기반한다. 저압 리본 드라이브 기술은 상기 리본 드라이버 전자 장치를 휴대 기기에서 일반적으로 발견되는 CMOS 디지털 전자 기기와 호환 가능하게 한다. 상기 바이어스 전압은 도 9와 관련하여 언급되는 바이어스 신호에 의해 표현된다.

실시예에 있어서, 리본 드라이브 전자 장치는 또한 2013년 2월 5일에 발행된 Yet 및 Bloom의 US 8,368,984에 기재된 의사-바이폴라 리본 드라이브 기술(pseudo-bipolar ribbon drive techniques)을 사용하며, 이 개시물은 참조로 "부록 B"로 첨부되어 병합되어 있다. '984 특허에 기재된 바와 같이, 여기서 사용되는 의사-바이폴라 리본 드라이브 체계는 그렇지 않으면 유니폴라 CMOS 전자 장치(unipolar CMOS electronics)가 MEMS 리본 기기를 구동시키기 위해 사용될 때 발생할 수도 있는 어려움을 피하기 위해 설계된다. 특히, 의사-바이폴라 동작은 MEMS 리본 기기에서 표면 전하 축적 효과(surface charge accumulation effects)를 저감시키거나 제거한다. 기판 전압(substrate voltage)은 도 9와 관련하여 언급되는 기판 신호에 의해 표현된다.

소형 3D 깊이 캡처 시스템은 연속적이거나 이따금씩(in bursts) 작동한다. 도 11은 시스템 버스트 모드 동작(system burst mode operation) 동안 전력 소비를 도시한 그래프이다. 이 그래프는 깊이 캡처 시스템 전력(P) 대 시간을 나타낸 것이다. 더 빠른 사이클 속도로 카메라를 작동시키면 또한 전력 소비를 증가시키지만, 시스템 전력의 대부분은 레이저 광원에 의해 소비된다. 도 11의 실예에서, 하나의 동작 모드에서 레이저, 프로젝터 시스템 및 카메라는 연속적으로 작동하여 하나의 전력 유닛으로 소비한다. 제 2의 동작 모드, "버스트 모드"에서, 이 시스템은 저 듀티 사이클(low duty cycle)에서 작동한다; 그것은 8로부터의 오직 하나의 시간 단위 동안(for only one unit of time out of eight) 작동한다. 그러나, 그 하나의 단위 "온(on)" 타임 동안, 이 시스템(주로 레이저)은 8 단위의 전력(eight units of power)을 소비한다. 소비되는 평균 전력은 양 경우에서 동일하다.

도 11의 실예에서, 카메라는 버스트 모드 또는 평균 모드에서 프로젝터 시스템에 의해 출사된 동일한 수의 광자(photons)를 수집한다. 그러나, 버스트 모드에서, 카메라의 셔터는 오직 1/8의 시간 개방되기 때문에, 카메라에 의해 수집된 배경 양자(background photons)의 수는 8의 인자(a factor of eight)에 의해 감소된다. 그러므로 소음에 대한 신호 비율은 대략

의 인자에 의해 향상된다. 더욱, 버스트 모드는 카메라가 더 빠른 사이클 속도로 작동된다면 동작 잡음(motion artifacts)을 줄인다. 물론, 도 11의 1:8 또는 12.5% 듀티 사이클은 오직 하나의 실예이다. 소형 3D 깊이 캡처 시스템은 예컨대, 100%에서 1% 미만까지 범위의 듀티 사이클로 작동될 수 있다.

소형 3D 깊이 캡처 시스템은 하나의 차원에서 정현파 공간 변화를 가진 2차원 패턴을 투사한다. 이 패턴은 또한 시간에서의 정현파 변화를 가진다. 도 12는 공간 패턴과 깊이 사이의 관계를 나타낸 다이아그램이다. 도 12에서, 항목 "P"는 3D 깊이 캡처 시스템 패턴 프로젝터인 한편, 항목 "C"는 카메라이다. 카메라는 베이스라인 거리 d에 의해 프로젝터로부터 떨어져 있다. 프로젝터(P)는 이 도면에서 스트라이프(stripes)(1205)의 퍼지는 부채(radiating fan)로 표시되는 광 패턴을 출사한다. 이 도면에서 스트라이프 패턴은 도시의 용이성을 위해 "온/오프" 또는 사각 파형(square wave shape)을 가진다; 실제 패턴은 정현파 공간 변화를 가진다. Δθ는 이 패턴의 일 주기의 각 범위(angular extent)이다. 그것은 예컨대, 카메라의 뷰의 각 필드(angular field of view)를 카메라에서의 가시적 패턴 주기(pattern periods visible to the camera)의 수를 나눔으로써 측정될 수 있다.

이 도면에 나타낸 바와 같이, z-축을 따르는 거리 z₀를 검토한다. 프로젝터로부터 이 지점까지의 거리는 r이다. 이 지점에서 패턴의 공간 주파수는 이 도면에 나타낸 바와 같이

방향으로 향하는 (상호 공간(reciprocal space)) k 벡터(vector)로 묘사된다. k 벡터의 크기는

로 주어진다. k 벡터의 z 성분은 아래와 같이 주어진다:

근사치(approximation)는 d<<z₀에 대해 타당하다.

카메라가 검출할 수 있는 공간 위상에서의 최소 검출 가능한 변화는

인 것으로 가정한다. 위상에서의 이러한 변화는 아래에 따른 거리에서의 변화에 대응한다:

패턴 공간 위상과 거리 사이의 관계가 주어지면, 3D 깊이 캡처 시스템은 객체(object)에서 이 패턴의 공간 위상을 추정함으로써 (그것의 카메라에 의해 캡처된 이미지에서의 픽셀에 나타나는) 객체까지의 거리를 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 패턴의 강도 I는 아래의 형태를 가진다:

여기서 I₀는 최대 패턴 강도이고, ω는 패턴 시간 변조의 각 주파수(angular frequency)이며, t는 시간이고, φ는 공간 위상이다. 도 13은 카메라의 두 픽셀에서 위상 측정치를 나타낸 그래프이다. 이 픽셀들은 사각 및 삼각 기호(subscript)로 식별된다. 제 1 픽셀(사각 기호)에서의 패턴 강도는 실선 커브(solid curve)로 나타나 있는 한편, 제 2 픽셀(삼각 기호)에서의 패턴 강도는 점선 커브(dashed curve)로 나타나 있다. 각 픽셀에 대한 패턴 강도 커브의 측정치는 카메라(115, 215, 315, 420, 515, 835) 또는 도 12에서 카메라 "C"와 같이 3D 깊이 캡처 시스템 카메라로부터 얻어진다. 일 실시예에 있어서, 롤링 셔터 CMOS 카메라가 패턴 공간 위상 측정치를 얻기 위해 사용된다. 이 롤링 셔터 카메라로부터의 데이터는 연속해서 행단위로(row-by-row) 판독된다. 제 1 행(row)으로부터의 데이터는 카메라 이미지 센서의 마지막 행으로부터의 데이터에 뒤따라서 즉시 판독된다. 카메라 사이클 시간은 모든 행을 판독하기 위해 요구되는 시간이다. 카메라는 그것의 롤링 셔터 사이클들과 동기화되는 타이밍 신호를 발생시킨다. 이 타이밍 신호는 프로젝터 패턴 사이클들을 위한 트리거(trigger)로서 사용될 수 있다. 카메라는 각 픽셀에서 광자를 수집하는 것과 연관되는 고유의 통합 시간(inherent integration time)을 가진다. 이미지 센서 픽셀들의 주어진 행에서의 모든 열(column)은 이 통합 시간 동안 동시에 광을 수집한다. 통합 시간은 MEMS 리본-어레이 프로젝터에 의해 투사되는 고속 디지탈 광 변조 신호에 저역 통과 필터를 효과적으로 부과한다. 따라서 펄스 밀도 변조된 광 신호는 카메라에 의해 측정될 때 정현파 시간 변화를 가진 것처럼 보인다.

객체에서 나타나는 패턴의 위상(φ)과 객체의 대응하는 깊이는 픽셀 단위(a per pixel basis)로 추정된다; 각 측정치는 다른 픽셀들에서 만들어지는 측정치들과 독립적이다. 상기 위상은 패턴 변조 신호의 동기 검출(synchronous detection)(즉, 규직적인 간격에서의 샘플링)에 의해 추정된다. 카메라 타이밍 신호를 기준으로 동 위상 및 직교 위상 측정치(in-phase and quadrature measurements)는 패턴 신호 위상을 추정하기 위해 필요한 데이터를 제공한다.

도 13의 예시에서, 측정치는 사인파 주기당 ωt=0, π/2, π, 3π/2, 2π 등, 또는 4배에서 수행된다. 제 1 픽셀(사각 기호)에서의 패턴 강도의 동일 위상 측정치(in-phase measurement)는 ωt=0에서 만들어지는 측정치에서 ωt=π에서 만들어지는 측정치를 뺌으로써 얻어진다. 패턴의 직교 위상 측정치(qudrature measurement)는 ωt=π에서 만들어지는 측정치에서 ωt=3π/2에서 만들어지는 측정치를 뺌으로써 얻어진다. 이 위상은 동일 위상 및 직교 위상 측정치들의 비율의 아크탄젠트(arctangent)이다. 동일한 절차가 제 2 픽셀(삼각 기호)에서의 위상에 주어진다. 각 픽셀에서 만들어지는 동일 위상 및 직교 위상 측정치를 위해 유사한 계산이 수행된다.

비록 4개의 측정치가 위상을 얻기 위해 필요하지만, 위상 추정치는 깊이 데이타 갱신 사이클을 도시한 도 14에 나타낸 바와 같이 새로운 측정이 이용 가능할 때마다 갱신될 수 있다. 도 14에서, 사각형의 "1", "2", "3" 등은 도 13에 나타낸 바와 같이 π/2 만큼 ωt 전진할 때마다 만들어지는 강도 측정치를 대표한다. 동일 위상(I₁) 및 직교 위상(Q₁) 값들에 기초한 위상 추정치(φ_n)는 4개의 측정치(0 - 3) 후에 이용 가능하다. 5번째("4") 측정치가 이용 가능하게 되면, 새로운 동일 위상(I₂) 값이 계산된다. 위상(φ_n+1)은 I₂/Q₁의 아크탄젠트로서 추정될 수 있다. 각 새로운 측정치는 이전의 것을 대체하는 새로운 동일 위상 또는 직교 위상 값으로 이어진다.

위상 정보는 또한 데이터의 한 사이클 이상으로부터 추정될 수 있다. 예컨대 가장 최근의 8 또는 12 데이터 포인트들이 사용될 수 있다. 더 오래된 것들보다 더 최근의 측정치들에 더 많은 가중치를 주기 위해 유한 임펄스 응답 필터(finite impulse response filter)가 적용될 수 있다.

도 15는 소형 3D 깊이 캡처 시스템 출력 데이터(1505)의 실예를 나타낸 것이다. 실제 데이터는 3D 포인트들(x, y, z)이다. 3D 인상 또는 표현(impression or rendering)이 모의 조명 및 음영 효과(simulated lighting and shading effects)를 통해 도 15의 평면 이미지에서 창출된다. 재생시키기(recap) 위해, 도 15에 나타낸 얼굴과 같은 한 세트의 데이터 포인트들이 아래와 같이 얻어진다; 3D 시스템 프로젝터는 객체(object)로 적외선 광의 한 패턴을 투사한다. 이 패턴은 시간 및 한 공간 차원에서 정현파 변화를 가진다. 한 이미지에 걸쳐 각 픽셀에서 그것의 위상을 얻기 위해 카메라가 이 패턴을 샘플링한다. 부분적으로 프로젝터로부터 카메라의 분리에 의존하는 기하학적 관계에 따라 그 위상으로부터 깊이 정보가 계산된다.

이 프로젝터는 매우 작은 체적에 담겨지며, 스마트 폰 및 태블릿과 같은 휴대 기기와의 통합으로 호환될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 프로젝터는 3mm x 6mm x 10mm 체적의 내부에 결합된다. 카메라는 이미 휴대 기기와 일체로 된 카메라와 유사하게 될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 카메라는 적외선에 민감한 롤링 셔터 CMOS 카메라이다.

지금까지 기술된 소형 3D 깊이 캡처 시스템의 여러 변형이 가능하다. 3D 시스템 패턴 프로젝터 또는 카메라, 또는 양자가 몇몇 실시예에서 변경될 수 있다.

다른 종류의 선형-어레이 MEMS-리본 광 모듈레이터가 패턴 프로젝터에서 사용될 수 있다. 2007년 10월 23일에 발행된 Bloom의 '448 특허 또는 미국 특허 7,286,277(이 개시물은 “부록 C”로 첨부되어 통합되어 있다)에 기재된 광 모듈레이터는 그와 같은 대안의 실예들이다. 부가해서, Texas Instruments Digital Mirror Device와 같이, MEMS 2D 어레이 모듈레이터가 전술된 바와 같은 하나의 차원 공간 변화를 가진 패턴들을 생성하기 위해 작동될 수 있다.

MEMS 광 모듈레이터에 대한 대안으로서, 수직-캐비티 표면-발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers)(VCSELs)와 같이, 발광소자(light emitters)의 선형 어레이가 하나의 차원의 공간 변화를 가진 패턴들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 연속적인 광원을 변조시키는 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal)은 또다른 가능성이다. 또한, 광원은 레이저이기보다는 발광 다이오드일 수 있다

카메라 리셋 동안 약간의 잠재적인 데이터 수집 시간(some potential data acquisition time)이 낭비되는 것을 인식하는 구형(global)의 셔터 카메라가 롤링 셔터 카메라 대신에 사용될 수 있다. 프로젝터 광원은 구형의 셔터 리셋 시간 동안 꺼질 수 있다.

롤링 셔터 또는 구형의 셔터 카메라로, 위상은 패턴 시간 주기(pattern temporal period)당 4개의 측정치보다는 3개의 측정치를 사용하여 얻어질 수 있다. 3개의 패턴 강도 측정치(I₁, I₂, I₃)가 ωt=2π/3 만큼 떨어져서 만들어지면, 위상은 아래에 따라 추정된다:

프로젝터 및 카메라 사이클은 프로젝터 또는 카메라 클록 주파수(clock frequency)로부터 유도된 하나의 공통 타이밍 신호(a common timing signal) 또는 하나의 신호로부터 작동될(triggered) 수 있다.

개시된 실시예들의 상기의 기재는 통상의 기술자가 본 발명을 만들거나 사용할 수 있도록 마련된 것이다. 이 실시예들에 대한 다양한 변경은 통상의 기술자에게는 명백할 것이며, 여기에서 정의된 원리들은 본 개시물의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시물은 여기에서 나타낸 실시예들로 한정되도록 의도된 것이 아니라, 여기에서 개시된 원리 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위를 부여하도록 의도된 것이다.

여기에서 기술된 모든 요소, 부품 및 단계가 바람직하게 포함된다. 통상의 기술자에게는 자명할 것인 바, 이 요소, 부품 및 단계들의 어느 것도 다른 요소, 부품 및 단계들로 대체되거나 또는 함께 삭제될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

대체로, 본 기재는 적어도 아래의 것을 개시한다:

소형 3D 깊이 캡처시스템들은 3D 시스템 드라이버/인터페이스, 3D 시스템 카메라 및 3D 시스템 프로젝터에 기초한다. 이 시스템들은 스마트 폰과 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대 전자 기기 내로의 통합으로 호환될 수 있다.

부록 A(US 7,940,448)

기술분야

본 개시물은 일반적으로 광 디스플레이 시스템 및 광학 마이크로-전자기계 시스템(MEMS) 장치의 분야에 관한 것이다.

배경기술

투사(projection) 고화질 텔레비전(HDTV), 고해상도 인쇄(high-resolution printing), 그리고 마스크리스 반도체 리소그래피(maskless semiconductor lithography)는 고해상도 광학 디스플레이 기술의 응용의 몇몇 실예이다. 각 경우에서, 광 모듈레이터의 일 또는 이차원 어레이 및 동반 광학 시스템(companion optical system)은 이미지를 형성하는 수백만의 픽셀로 광을 분배한다. 몇 개의 일반적인 타입의 광 모듈레이터는 디지탈 미러 장치, 격자 광 모듈레이터, 편광 광 모듈레이터, 액정들 및 실리콘 패널 상의 액정이다. 이것들의 설계에 따라, 이 광학 모듈레이터들은 반사 또는 투과 모드로 작동될 수 있다.

MEMS 리본 구조들은 여러 타입의 광 모듈레이터에서 사용되며, 그것들의 단순성에도 불구하고 광 이미지 형성 시스템을 위한 수십 개의 새로운 디자인을 낳았다. 광학 아이디어의 진화는 최종 이미지에서 각 픽셀을 창출하기 위해 점점 더 적은 리본에 의존하는 시스템으로 이어졌다. 예컨대, 초기에 격자 광 모듈레이터는 픽셀당 6개와 같이 많은 리본을 사용한 반면에, 편광 광 모듈레이터는 픽셀당 2개의 리본으로 입증되었다.

MEMS 리본 구조는 선형-어레이 광 모듈레이터에서 가장 자주 보인다. 이것의 라인-이미지 출력이 스캐너에 의해 앞뒤로 통과되면 선형 어레이는 2차원 이미지를 “칠한다(paint)”. 선형 어레이는 2차원 어레이보다 훨씬 적은 칩 크기(chip real estate)를 차지하며, 레이저 광원의 확장에 더 밀접하게 매치된다. 선형 어레이가 픽셀을 형성하기 위해 요구되는 리본의 수를 줄임으로써 더 짧게 만들어진다면, 심지어 소형 MEMS 광 모듈레이터 칩이 만들어질 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 디스플레이 시스템의 블록도를 나타낸다.

도 2는 반사 및 투과 선형 어레이 위상 모듈레이터의 실예를 나타낸다.

도 3A 및 3B는 마이크로기계 리본을 나타낸다.

도 4A, 4B 및 4C는 반사 및 투과 모듈레이터를 가진 광학 장치를 나타낸다.

도 5는 선형 어레이 위상 모듈레이터에 기초한 디스플레이 시스템을 나타낸다.

도 6은 디지털 위상 모듈레이터에 대한 코딩 체계의 일 실예를 나타낸다.

도 7은 디지털 위상 모듈레이터에 대한 코딩 체계의 제 2 실예를 나타낸다.

도 8은 아날로그 위상 모듈레이터에 대한 코딩의 일 실예를 나타낸다.

도 9A 및 9B는 디지털 및 아날로그 위상 변조 체계의 이해를 돕는 그래프이다.

도 10A 및 10B는 편광 및 비편광 광에 대한 객체-평면과 푸리에-평면 판별기들 사이의 관계를 도시한 것이다.

도 11A 및 11B는 광학 시스템 및 푸리에-평면 필터 응답 함수를 나타낸다.

도 12A 및 12B는 편광 광에 대한 예시적인 광학 시스템을 나타낸다.

도 13은 사바르판(Savart plate)을 나타낸다.

도 14는 사바르판 위상 판별기에서 편광 관계를 도시한 것이다.

도 15A 및 15B는 예시적인 모듈레이터-판별기 배치를 나타낸다.

도 16A 및 16B는 비편광 광에 대한 예시적인 광학 시스템을 나타낸다.

도 17은 푸리에-평면 판별기의 이해를 돕기 위해 다양한 함수 관계를 도시한 것이다.

도 18은 푸리에-평면 판별기의 이해를 돕기 위해 다양한 함수 관계를 도시한 것이다.

도 19는 교번 스캔(alternate scans)에서 선형 어레이의 출력을 시프팅시키는 효과를 나타낸다.

도 20은 선형 어레이 디스플레이 시스템의 연속 스캔을 인터리브(interleave)하기 위한 하나의 가능한 방법을 나타낸다.

도 21은 유한 차분(finite differencing)이 어떻게 2차원 위상 모듈레이터 어레이에 적용될 수 있는지를 도시한 것이다.

도 22A 및 22B는 선형 어레이 위상 모듈레이터로부터 실험적으로 얻어진 광 출력의 이미지를 나타낸다.

상세한 설명

도 1은 디스플레이 시스템의 블럭도를 나타낸다. 이 시스쳄은 광원(105), 위상 모듈레이터(110), 광학 시스템(115), 그리고 라인 스캐너(120)를 구비한다. 광원(105)은 레이저, 방광 다이오드, 아크 램프 또는 다른 밝은 광원이다. 위상 모듈레이터(110)는 광의 위상을 바꾸는 요소들의 선형 어레이를 구비한다; 이 소자들은 투사 또는 반사에서 작동할 수 있다. 광학 시스템(115)은 위상 모듈레이터에 의해 생성된 위상 스텝들(phase steps)에 대응하는 픽셀들을 생성시킨다. 광학 시스템은 위상 스텝들이 밝거나 어두운 픽셀들에 대응하도록 구성될 수 있다. 정의에 의해, 위상은 2π마다 반복한다; 그러므로 최대 위상 스텝은 π이다. 또한, 디지탈(하나의 밝은 레벨과 하나의 어두운 레벨) 또는 아날로그(많은 그레이 레벨) 동작이 가능하다. 라인 스캐너(120)는 라인 이미지를 앞뒤로 스캔함으로써 2차원 이미지를 "칠한다(paint)".

광학 시스템은 위상 에지 판별기(phase edge discriminator)로서 작용한다. 위상 소자들의 선형 어레이가 단상 에지를 나타내도록 설정된다면 - 스텝이 위상에서 증가하거나 감소한다면- 단일-픽셀 라인 이미지가 생성된다. n개의 소자를 가진 선형 어레이는 n개의 픽셀에 대응하는 n개의 에지와 함께 프로그래밍될 수 있다. (소자의 수는 어레이의 단부에서 소자들이 어떻게 카운드되는지에 따라 n±1로 될 수 있지만, 소자와 픽셀의 수는 아직 "동일"한 것으로 언급된다.) 리본 모듈레이터의 경우에, 픽셀당 오직 하나의 리본이 요구된다. 또한, 진보된 기술은 리본의 2배만큼 많은 픽셀; 즉 픽셀당 "반쪽"의 리본을 가능하게 한다는 것이 아래에서 보여진다.

이제 디스플레이 시스템이 상세하게 설명된다. 먼저 모듈레이터 및 디스플레이 베이직(basics)이 설명되고, 이미지 데이터를 모듈레이터 소자들에 대한 위상 셋팅으로 변환시키기 위한 코딩 체계의 상세 사항이 이어진다. 그리고 나서 신규한 광학 판별기 시스템이 설명된다. 마지막으로, 진보 기술, 2차원 모듈레이터로의 확장, 그리고 실험 결과가 논의된다.

모귤레이터 및 디스플레이 베이직

도 2는 반사 및 투과 선형 어레이 위상 모듈레이터의 실예를 나타낸다. 위상 모듈레이터(205)는 요소(206, 207, 208)과 같이 많은 수의 개별 반사 요소를 포함한다. 이 도면에는 오직 몇십 개의 요소만이 나타나 있지만, 실제 모듈레이터는 수백 또는 수천의 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, HDTV 적용에 있어서, 요소들의 수는 흔히 1,000개와 5,000개 사이이다. 모듈레이터(205) 내의 각 요소는 광을 반사한다. 인접한 모듈레이터 요소들에 의해 반사되는 광의 위상에서의 차이는 이 요소들을 다른 높이로 셋팅함으로써, 즉 요소들을 도면의 평면에 대해 수직하게 이동시킴으로써 실현될 수 있다. 그러나, 반사 요소들은 이동 가능하게 되도록 할 필요는 없다; 그것들은 예컨대 실리콘 상의 액정 소자(liquid-crystal-on-silicon elements)로서 실현될 수 있다. 모듈레이터(205) 내의 이 요소들은 직사각형으로 그려져 있다; 그러나, 이것들은 정사각형으로 될 수 있거나 다른 형상을 가질 수 있다.

위상 모듈레이터(210)는 요소(211, 212, 213)과 같은 이 모듈레이터의 개별 요소들이 투과시키는 것을 제외하고 위상 모듈레이터(205)와 유사하다. 이 투과 요소들은 이것들을 통과하는 광에 다양한 위상을 부여한다. 이 투과 요소들은 반드시 이동 가능한 것이 아니다; 이것들은 예컨대, 액정으로 실현될 수 있다. 이 요소들의 수 및 형상과 같이, 위상 모듈레이터(210)의 다른 관점(aspects)은 위상 모듈레이터(205)의 경우와 동일하다.

도 3A 및 3B는 모듈레이터(205)와 같이 반사 위상 모듈레이터 내의 요소들을 만들기 위해 사용될 수 있는 MEMS 구조의 실예인 마이크로기계식 리본(micromechanical ribbon)을 나타낸 것이다. 도 3A는 비편향된 상태에서의 리본을 나타낸 반면에, 도 4B는 거리(Δz) 만큼 편향된 리본을 나타낸다.

도 3A 및 3B에서, MEMS 리본(305)은 기판(320) 부근에서 서포트들(310)에 의해 지지된다. 전형적인 적용에서, 리본의 크기는 대략 100μm 길이(즉, y방향으로), 10μm 폭(즉, x방향으로), 그리고 0.1μm 두께(즉, z방향으로)로 된다. 그러나 이러한 크기는 다른 설계에서 크게 변할 수도 있다. 예컨대, 방금 언급된 치수들의 어느 것이 5배 더 크거나 더 작게 되는 것은 흔치 않은 것이 아니다.

도 3A는 리본(305)에서 반사되어 광빔(355)으로 돌아가는 광빔(350)을 나타낸다. 광빔(350)이 (도 3B에 나타낸 바와 같이) 거리(Δz) 만큼 편향된 리본에서 반사된다면, 반사된 빔(355)의 위상은

로 바뀔 것이며, 여기서 λ는 광의 파장이다. 한 어레이에서의 인접한 리본들이 거리 Δz₁ 및 Δz₂ 만큼 편향되다면, 인접한 리본에서 반사된 광 사이의 위상 차이는

이다.

z방향에서의 리본(305)의 편향은 리본과 기판(320) 사이에 전압을 인가함으로써 실현될 수 있다. 리본의 크기에 따라, 그것의 높이는 수 나노초 만큼 작게 조정될 수 있다.

점선의 화살표(360)는 리본(305)이 반사성보다는 투과성인 경우에 광빔(350)이 따르는 경로를 표시한 것이다. 그것은 반사 표면에서 접히지 않은 광학 시스템을 그리기 위해 자주 유용하다; 즉, 그것은 광빔이 반사 표면에 의해 투과되는 것처멀 그리기 위해 유용할 수 있다.

도 4A, 4B 및 4C는 반사 및 투과 모듈레이터를 가진 광학 장치(optical arrangements)를 나타낸 것이다. 도 4A에서, 입력 광빔(405)은 출력 광빔(415)을 형성하기 위해 반사 위상 모듈레이터(410)에 의해 변조된다. 조향 미러(420, 422)는 광빔을 모듈레이터에 대해 거의, 그러나 정확하게는 아닌 수직 입사로 모듈레이터로, 그리고 모듈레이터로부터 향하게 한다. 도 4B에서, 입력 광빔(425)은 출력 광빔(435)을 형성하기 위해 반사 모듈레이터(430)에 의해 변조된다. 출력 빔(435)은 빔 스플리터(440)에 의해 입력 빔(425)으로부터 분리된다. 도 4B에 나타낸 장치는 모듈레이터가 수직 입사에서 비추게 되도록 한다. 도 4C에서, 입력 광빔(445)은 출력 빔(455)을 형성하도록 투과 모듈레이터(450)에 의해 변조된다.

도 5는 선형 어레이 위상 모듈레이터에 기초한 디스플레이 시스템을 나타낸 것이다. 도 5에서, 광원(505)은 선형 어레이 위상 모듈레이터(515)에 의해 반사되거나 투과되기 전에 렌즈(510)를 통과하는 광을 출사한다. 위상 모듈레이터(515)는 반사성 또는 투과성 모듈레이터일 수 있다; 이 도면에서, 그것은 투과성이고, 인셋(inset)(520)에서 개략적으로 나타낸 요소들의 선형 어레이 내의 약간의 옵셋은 투과된 광에 부여된 위상 차이를 나타내는 것처럼 그려졌다. 광학 시스템(525)은 위상 차이를 스캐너(530)에 의해 반사되는 라인 이미지로 변환시킨다. 마지막으로 스캐너(530)는 보거나 프린트하기 위해 표면(540)을 가로질러 라인 이미지(535)를 쓸어내린다. 실예로서, 프로젝션 디스플레이에서 표면(540)은 보기 화면(viewing screen)일 수 있는 반면에, 리소그래피 시스템에서 표면(540)은 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼일 수 있다. 리소그래피 및 다른 프린팅 적용에 있어서, 스캐닝 미러에 대한 대안은 라인 이미지를 스캐닝하기 보다는 표면을 움직이는 것이다. 몇몇 시스템에서 회전 프리즘이 스캐닝 미러를 대체할 수 있다.

따라서, 디스플레이 시스템은 광원, 위상 모듈레이터, 광학 시스템 및 라인 스캐너를 구비한다. 위상 모듈레이터는 MEMS 리본 또는 액정 모듈레이터와 같이 투과성 또는 반사성 요소들의 선형 어레이를 포함하고, 상기 요소들은 수직 입사 또는 오프-축(off-axis)에서 비추어질 수 있다. 광학 시스템은 인접한 모듈레이터 요소들에 의해 생성된 위상 차이를 라인 이미지에서 픽셀들 사이의 명도 변화(brightness variations)로 변환시킨다. 라인 이미지는 2차원 이미지를 형성하기 위해 시캐닝될 수 있다.

코딩 체계(Coding schemes)

이미지에서 개별 픽셀의 명도를 의미하는 이미지 데이터는 디스플레이를 위해 디스플레이 시스템으로 전달된다. 코딩 체계는 이 이미지 데이터를 선형 어레이 위상 모듈레이터 내의 모듈레이터 요소들을 위한 위상 셋팅으로 바꾸기 위해 사용된다. 여기서 기술되는 코딩 체계는 디지탈 신호 전달(transmission)에서 사용되는 비제로복귀(non-return-to-zero), 반전(inverted) (NRZI) 코딩과 유사하다. NRZI는 이진 신호(binary signal)를 2-레벨 물리 신호로 매핑하는 방법이다. NRZI 신호는 전달되는 비트가 로직 원(logical one)인 경우 클럭 경계(clock boundary)에서 전이(transition)를 가지며, 전달되는 비트가 로직 제로(logical zero)인 경우 전이를 갖지 않는다. (NRZI는 또한 로직 제로가 전이에 의해 엔코딩되고 로직 원이 일정 레벨(steady level)에 의해 엔코딩되지 않는 반대 변환을 취할 수 있다.)

도 6은 디지탈 위상 모듈레이터에 대한 코딩 체계의 실예를 나타낸 것이다. 디지탈 위상 모듈레이터는 인접한 모듈레이터 요소들 사이의 0 또는 π의 위상 차이로부터 어둡거나 밝은 픽셀들을 생성시킨다. 원하는 경우, 그레이 스케일(gray scale)이 펄스 폭 변조와 같은 시간 영역(time domain) 기술을 통해 실현될 수도 있다.

도 6에서 데이터는 비트(605, 606, 607)과 같이 비트로서 나타나 있는 반면에, 모듈레이터 요소들의 위상은 610, 511, 612와 같이 라인 세그먼트로 나타나 있다. 라인 세그먼트들은 그것들 사이에서 π의 위상 차이를 나타내는 두 위치 중의 어느 하나로 보인다. 밝은 픽셀을 가리키는 하나의 "1"인 비트(615)를 고려한다. 이 비트는 모듈레이터 요소들(610, 611) 사이에서 π 위상 시프트로서 코딩된다. 그것은 요소들(610, 611)의 어느 것이 "up" 또는 "down"인지에 대해 어떠한 차이를 만들지 않는다; 오직 그것들의 위상에서의 차이만 문제가 된다. 비트(607)도 또한 "1"로 되는 실예에 대해 그것은 610 및 611과 반대로 구성되는 요소들에 의해 표시되어 있다는 것을 언급한다. "0" 비트들은 동일한 구성으로 되는 인접한 요소들에 의해 표시되어 있다.

논리도(620)는 선형 어레이 위상 모듈레이터에서 다음 요소의 위상을 정식으로 지정하기 위한 하나의 방법을 나타낸다. 예컨대 어두운 비트들("0")의 스트링이 모두 동일한 위상을 가진 위상 모듈레이터 요소들의 스트링에 의해 엔코딩된 것으로 가정한다. 이후의 밝은 비트(subsequent bright bit)("1")는 어떻게 나타나는가? 논리도(620)는 다음의 모듈레이터 요소의 위상("b_k")이 비트("a_k")(본 실예에서는 "1")의 값과 이전의 요소(π=1이 되도록 위상이 정규화되는 "b_k-1")의 위상으로부터 결정된다는 것을 보여준다. 이것은 "밝은 픽셀을 위해 위상 에지를 생성시키고, 어두운 픽셀을 위해 일정한 위상을 유지한다"고 말하는 것과 동등하다. 그것은 이 도면에서 라인 세그먼트들이 비트들 사이에서 점선의 라인 경계들을 걸치는 이유이다.

도 7은 디지탈 위상 모듈레이터에 대한 코딩 체계의 제 2의 실예를 나타낸 것이다. 이 실예는 코딩 룰이 "어두운 픽셀에 대한 위상을 반전시키고(flip), 그것을 밝은 픽셀에 대해 동일하게 유지시키도록" 변경된 것을 제외하고 도 6에 나타낸 것과 동일하다. 디지탈 모듈레이터에서 도 6 또는 도 7의 코딩 체계를 사용할 것인지의 선택은 위상 차이를 밝거나 어두운 픽셀로 변경하는 광학 판별기 시스템에 좌우된다.

도 8은 아날로그 위상 모듈레이터에 대한 코딩의 실예를 나타낸 것이다. 도 6 및 도 7에서와 같이, 라인 세그먼트들의 위치는 모듈레이터 소자들의 위상을 대표한다. 그러나 아날로그 코딩에서 이 요소들은 2π의 범위를 통해 조정 가능하다. 이러한 실예에서, 더 큰 위상 차이는 더 큰 픽셀 명도에 대응한다. 어두운 것을 의미하는 "0" 픽셀은 인접한 픽셀들 사이에서 0 위상 차이로 표현된다. 명도 "a"는 작은 위상 차이로 나타나는 한편, 명도 "b"는 더 큰 위상 차이로 나타난다.

도 9A 및 9B는 디지탈 및 아날로그 위상 변조 체계의 이해를 돕는 그래프이다. 도 9A는 도 6 및 7과 관련하여 기재된 디지탈 변조에 속하는 한편, 도 9B는 도 8과 관련하여 기재된 아날로그 변조에 속한다. 도 9A에서 디지탈 비트들("1 1 1 0 1 0")의 시퀀스는 수평축을 따라 나타나 있는 반면에, 모듈레이터 요소들의 위상은 수직축을 따라 나타나 있다. 비트들은 모듈레이터 요소들 사이의 경계에서 보이며, 도시된 케이스는 "1"은 위상 차이가 있는 것을 대표하는 반면에, "0"은 위상에서 변화가 없는 것을 대표하는 경우이다. 그러므로 수직 라인들은 하나의 "1"이 디스플레이되는 출력으로 요구될 때마다 그래프에 나타난다.

제 1의 "1" 비트(좌측으로부터 세어서)에서 제 1 및 제 2 모듈레이터 요소들 사이의 π 위상 차이가 수직선으로 나타나 있다. 제 2의 "1" 비트에서 점선 및 곡선의 화살표는 제 2 및 제 3 모듈레이터 요소들 사이의 π의 소정의 위상 차이가 제 1 및 제 3 모듈레이터 요소들 사이의 2π의 위상 차이를 생성시키거나 또는 이 요소들 사이의 제로 위상 차이에 의해 실현될 수 있다는 것을 가리킨다. 0 및 2π 위상 시프트는 동일하기 때문에, 반사성 디지탈 위상 모듈레이터 내의 요소들은 λ/4 이상으로 움직일 필요가 없으며, 여기서 λ는 광의 파장이다.

도 9B에서 아날로그 픽셀 명도(a b c d e f")의 시퀀스는 수평축을 따라 나타나 있는 반면에, 모듈레이터 요소들의 위상은 수직축을 따라 나타나 있다. 픽셀들은 모듈레이터 요소들 사이의 경계에서 위상 차이로부터 생성된다; 이 실예에서 더 큰 위상 차이는 더 큰 픽셀 명도에 대응하지만, 사용되는 광학 판별기 시스템에 따라 그 반대가 사실일 수 있다. (어둡지 않은) 픽셀이 디스플레이되는 출력으로 요구될 때마다 수직선이 이 그래프에 나타난다.

좌측으로부터 시작해서, 각 요소의 위상은 픽셀 "a" 및 "b"에 대해 증가한다; 그러나, 픽셀 "c"는 제 3 및 제 4 모듈레이터 요소들 사이에서 위상 감소에 의해 생성된다. 픽셀 "c"는 제 3 및 제 4 모듈레이터 요소들 사이의 위상 차이가 위상에서의 증가로부터 얻어졌다면 동등하게 밝을 것이다. 픽셀 "c"의 명도는 그것의 표시(sign)가 아니라 위상 차이의 크기에 좌우된다.

픽셀 "e"는 다섯 번째에서 여섯 번째의 모듈레이터 요소로부터 위상 증가에 의해 생성된다. 그러나 위상은 정의에 의해 2π마다 반복된다. 점선 및 곡선의 화살표는 어떻게 제 6의 모듈레이터 요소의 위상이 2π를 모듈로 하여(modulo 2π) 소정의 위상 증가를 나타내도록 설정될 수 있는지를 가리킨다. 한 대안은 제 5의 요소로부터 위상 감소를 나타내도록 제 6의 요소의 위상을 설정하는 것일 것이다. 픽셀 명도는 제 6의 요소의 절대 위상이 상기 두 경우에서 다름에도 불구하고 동일하다.

도 9B는 아날로그 위상 모듈레이터에 대해 여러 코딩 전략이 가능하다는 것을 암시한다. 하나의 전략은 모듈레이터 요소들 사이의 위상 차이의 부호(sign)를 항상 교번시키는 것이다; 즉, 만일 이전의 두 요소 사이의 전이(transition)가 위상 증가인 경우, 다음 두 요소 사이의 전이는 위상 감소이다. 이러한 전략은 광을 높은 각도로 광학 시스템으로 향하게 하는 경향이 있다. 또다른 전략은 모듈레이터 요소들 사이의 위상 차이의 부호를 항상 동일하게 유지시키는 것이다; 즉, 항상 증가시키거나 항상 감소시킨다. 물론, 위상은 2π에서 "둘러싸인다(wraps around)". 이러한 전략은 광을 광학 시스템의 축 근처로 향하게 하는 경향이 있다. 제 3의 전략은 모듈레이터 요소들 사이의 위상 차이의 부호를 무작위로 선택하는 것이다.

이미지 데이터를 모듈레이터 요소들에 대한 위상 설정(settings)으로 바꾸기 위한 4개의 다양한 체계가 기술되었다: 디지탈 및 아날로그, 그리고 각 경우에서 더 크거나 더 작은 위상 에지에 대응하는 밝은 픽셀들.

광학 판별기

광학 시스템은 모듈레이터에 의해 생성된 위상 에지들을 보기 위한 2차원 이미지를 형성하도록 스캐닝될 수 있는 하나의 라인 이미지로 변환시킨다. 이 시스템은 광학 시스템의 객체 평면 및 푸리에 평면에서 수행되는 동작들 사이의 이중성 때문에 많은 형상(forms)을 취할 수 있는 광 위상 판별기로서 기능한다.

도 10A 및 10B는 편광 및 비편광 광에 대한 예시적인 객체-평면 및 푸리에-평면 사이의 관계를 도시한 것이다. 도 10A는 광학 시스템의 객체 평면에서의 콘볼루션(convolution)이 이 시스템의 푸리에 평면에서의 곱셈(multiplication)과 동등한 것을 나타낸다. 이러한 관계는 다른 위상 판별기 시스템들을 창출하기 위한 가이드로서 사용될 수 있다. 도 10B는 적어도 4개의 다른 위상 시스템이 도 10A의 관계를 이용하여 구성될 수 있다는 것을 나타낸다.

편광된 광을 사용하는 시스템에 대해, 판별기는 객체 평면에서 사바르 판(Savart plate)과 편광판(polarizer)에 기초할 수 있거나 푸리에 평면에서 월라스턴(Wollaston) 프리즘 및 편광판에 기초할 수 있다. 비편광된 광을 사용하는 시스템에 대해, 판별기는 객체 평면에서 두꺼운 홀로그램에 기초할 수 있거나 푸리에 평면에서 아포다이징(apodizing) 필터에 기초할 수 있다. 이 광학 장치의 상세 사항은 아래에서 기술된다; 그러나, 도 10A에 예시된 관계로부터 뒤따르는 다른 광학 체계가 있다는 것은 의심의 여지가 없다.

도 11A 및 11B는 광학 시스템 및 푸리에-평면 필터 응답 함수를 나타낸 것이다. 도 11A에서 라인(1105)은 이 시스템의 객체 평면을 대표하는 한편, 라인(1115)은 푸리에 평면을 대표한다. 객체 및 푸리에 평면은 렌즈(1110)의 양 측면에, 그리고 렌즈로부터 하나의 초점 길이로 떨어져서 존재한다. 화살표(1120, 1125)는 각각 작은 거리로 떨어져 있는 양 및 음 델타 함수(positive and negative delta functions)를 대표한다.

광 모듈레이터 요소들의 선형 어레이와 함께 폐쇄-이격된(close-spaced) 음 및 양 델타 함수의 콘볼루션은 델타 함수들 사이의 간격이 요소 중심들 사이의 간격보다 작거나 같을 때 인접한 요소들로부터 나오는 광의 위상들 사이의 차이를 샘플링하는 것과 동등하다. 그러므로 도 11A는 위상 모듈레이터에서 인접한 요소들 사이의 더 큰 위상 차이는 더 큰 픽셀 명도에 대응하는 시스템을 보여준다.

도 11B에서, 라인(1155)은 이 시스템의 객체 평면을 대표하는 한편, 라인(1165)은 푸리에 평면을 대표한다. 객체 및 푸리에 평면들은 렌즈(1160)의 양 측면에, 그리고 렌즈로부터 일 초점거리 떨어져서 존재한다. 화살표(1170, 1175)는 작은 거리로 이격되어 있는 두 개의 양(positive) 델타 함수를 대표한다.

광 모듈레이터 요소들의 선형 어레이를 가진 폐쇄-이격된(close-spaced) 양 델타 함수들은 이 델타 함수들 사이의 간격이 요소 중심들 사이의 간격보다 작거나 같을 때 인접한 요소들로부터 나오는 광의 위상들 사이의 유사성(similarities)을 샘플링하는 것과 동등하다. 그러므로 도 11B는 위상 모듈레이터에서 인접한 요소들 사이의 더 작은 위상 차이가 더 큰 픽셀 명도에 대응하는 시스템을 나타낸다.

도 10A에 따르면 객체 평면에서 컨볼루션(convolution)은 푸리에 평면에서 곱셈(multiplication)에 대응한다. 그러므로 객체 평면에서 폐쇄-이격된 양 및 음 델타 함수는 도 11A에 나타낸 바와 같이 푸리에 평면에서 사인 함수에 의한 곱셈(multiplication)에 대응한다. 객체 평면에서 폐쇄-이격된 양 델타 함수들을 가진 콘볼루션은 도 11B에 나타낸 바와 같이 푸리에 평면에서 코사인 함수에 의한 곱셈에 대응한다.

도 11A에 나타낸 “사인(sine)” 케이스를 더 고려하면, 델타 함수(1120, 1125)는 서로 가까이 하게 되면, 객체 평면에서 인접한 세그먼트들 사이의 차이를 샘플링하는 것은 더 차별화하는 것처럼 보이며, 푸리에 평면에서 사인 함수는 하나의 한 라인에 근접하기 시작한다. 객체 평면에서 상기 또다른 방법의 차별화는 푸리에 평면에서 선형 기울기(linear slope)에 의한 곱셈(multiplication)과 동등하다.

푸리에 평면에서 사인 응답은 도 11A에 나타낸 바와 같이 유한 측면 범위(finite lateral extent)의 광학 시스템에서 절단된다. 객체 평면에서 대응하는 효과는 델타 함수(1120, 1125)가 싱크 함수(sinc functions) 내로 확장된다는 것이다. 마지막으로, 광 효율은 객체 평면에서 델타 함수들(또는 싱크 함수들) 사이의 간격이 위상 모듈레이터 요소들 사이의 간격과 매칭될 때 가장 크다. 도 11A의 경우에 픽셀 명도는

에 비례하며, 여기서

는 인접한 위상 모듈레이터 요소들 사이의 위상 차이이다. 도 11B의 경우에 명도는

에 비례한다.

도 12A 및 12B는 편광 광에 대한 예시적인 광학 시스템을 나타낸 것이다. 도 12A의 시스템은 푸리에 평면 광학 요소들을 사용하는 한편, 도 12B의 시스템은 객체 평면 광학 요소들을 사용한다. 시스템은 도 11A의 사인 응답 또는 도 11B의 코사인 응답을 나타내도록 구성될 수 있다.

도 12A에서, 라인 세그먼트들(1205)은 선형 어레이 광 위상 모듈레이터의 요소들을 나타낸다. 렌즈(1210)는 위상 모듈레이터 요소들과 월라스톤 프리즘(1215)으로부터 일 초점 길이 떨어져서, 그리고 그 사이에 위치된다. 월라스톤 프리즘은 편광판들(1230, 1235)에 의해 샌드위치된다. 도 12A에서 편광판들(1230, 1235)은 교차 편광 축(crossed polarization axes)으로 도시되어 있다. 이 편광판들이 평행 편광 축으로 배향된다면, 도 11B의 코사인 응답이 얻어질 것이다.

도 12B에서, 라인 세그먼트들(1255)은 선형 어레이 광 위상 모듈레이터의 요소들을 나타낸다. 렌즈(1260)는 위상 모듈레이터 요소들과 프리에 평면(1265)으로부터 일 초점 거리 떨어져서, 그리고 그 사이에 위치된다. 사바르판(1270)은 렌즈(1260)와 위상 모듈레이터 요소들(1255) 사이에 위치된다. 사바르판은 편광판들(1280, 1285)에 의해 샌드위치된다. 도 12B에서 편광판들(1280, 1285)이 교차 편광 축과 함께 도시되어 있다. 이러한 구성은 도 11A의 사인 응답을 낳는다. 이 편광판들이 평행 편광 축으로 지향된다면, 도 11B의 코사인 응답이 얻어질 것이다.

이제 도 12B의 시스템이 더 상세하게 검토될 것이다. 도 13은 사바르판(1305)을 나타낸 것이다. 사바르판은 표면 법선(surface normal)에 대해 45°로 지향되고 서로에 대해 90°로 회전된 광축을 가진 두 개의 복굴절판(birefringent plate)으로 구성된다. 제 1 플레이트를 통해 전파하는 입사 광빔은 서로로부터 변위되는 보통 및 특별 빔으로 분해된다. 제 2 플레이트로 진입함에 따라 보통 빔은 특별 빔으로 되고, 반대의 경우도 마찬가지이다. 두 빔은 거리 "d"만큼 대각선을 따라 변위되어 사바르판으로부터 나타난다. 두 빔 사이의 광 경로 차는 수직 입사(normal incidence)에 대해 제로이다.

도 14는 사바르판 위상 판별기에서의 편광 관계를 도시한 것이다. 두 개의 시나리오가 나타나 있다: "0" 및 "1". 시나리오 "0"에서 사바르판(1405)은 광축(1410)을 가진다. 축(1430, 1435)은 사바르판의 어느 한 측면에 놓여진 편광판들의 편광 축을 나타낸다; 즉, 하나는 사바르판보다 뷰어(viewer)에 더 가깝고, 하나는 멀리 떨어져 있다. 도트(dot)(1420)의 위치에서 축(1430)을 따라 편광되는 광빔을 고려한다. 이 광빔은 사바르판에 의해 도트(1415, 1425)의 위치에서 각각 광축(1410)에 수직하고 평행한 편광을 가진 두 개의 성분 빔(component beams)으로 쪼개진다. 이 두 빔이 축(1435)을 따라 지향되는 편광판에 의해 분해되면, 어떠한 광도 통과하지 못한다. 시나리오 "0"은 위상 모듈레이터의 인접한 요소들이 교차되는 편광판들에 의해 샌드위치되는 사바르판을 통해 보여질 때 그 상황을 묘사하며, 그 요소들은 위상 내에서 광을 출사한다.

시나리오 "1"에서 도트(1425)에서의 광은 도트(1415)에서의 광과 비교하여 π 위상 시프트로 사바르판에 도달한다. 이제 사바르판의 광축에 평행하고 수직한 편광을 가진 광이 축(1435)을 따라 편광판에 의해 분해되면, 성분들(components)이 위상에 추가되고 최대 광이 전송된다. 시나리오 "1"은 위상 모듈레이터의 인접한 요소들이 교차 편광판들에 의해 샌드위치되는 사바르판을 통해 보여질 때 그 상황을 묘사하며, 그 요소들은 위상 밖에서 광을 출사한다.

교차 편광판들에 의해 샌드위치되는 사바르판을 객체 평면에(또는 모듈레이터와 렌즈 사이에) 위치시키는 것은 임펄스 응답

을 가진 위상 판별기를 구성하기 위한 하나의 방법이다. 여기서, p는 도 11A에서 이상적인 델타 함수(1120, 1125)와 유사한 양 및 음 싱크 함수들 사이의 거리이다. x₀는 싱크 함수들의 폭(제 1 제로 크로싱(crossing))을 결정한다; 델타 함수들은 x₀가 제로로 갈 때 얻어진다. (만일 편광판들이 교차하기보다는 평행하다면, 임펄스 응답은

로 된다.) 도 10B, 12 및 16에 요약된 4개의 각 판별기는 이 임펄스 응답 함수들의 어느 하나를 생성할 수 있다.

h(x)의 푸리에 변환, H(k)는 +/-(λ/x₀)에서 차단되는(cut off) 사인 함수이다. 이 사인 함수가 +/-(λ/p)에서 차단되면, 도 11A에서 평면(1115)에서 나타낸 바와 같이, 대응하는 라인 이미지에서의 픽셀 강도는 sin²(x-a)에 비례하며, 여기서 'a'는 선형 어레이의 길이를 따르는 한 특별한 픽셀의 위치를 나타낸다. 만일 사인 함수가 +/-(λ/p)보다 광축에서 더 떨어져서 차단된다면, 라인 이미지 내의 픽셀들은 sin²(x) 공간 강도 프로필(spatial intensity profile)을 갖기보다는 제곱(square)으로 될 것이다. 도 15의 장치는 사인 검출을 위해 교차 편광판들과 함께 도 12B의 판별기 요소들을 사용하는 도 4A의 오프-축(off-axis) 장치이다. 사바르판은 도 12B의 렌즈(1260)(도 125에는 미도시)와 같이 위상 모듈레이터와 렌즈 사이에 위치된다.

도 15A에서 입력 광빔(1505)은 출력 광빔(1515)을 형성하기 위해 반사성 위상 모듈레이터(1510)에 의해 변조된다. 조향 미러들(1520, 1522)은 광빔들을 모듈레이터에 거의 직각 입사로 모듈레이터로, 그리고 모듈레이터로부터 향하게 한다. 편광판들(1530, 1535)은 그것들의 편광축이 서로 수직하게 지향되고, 사바르판(1540)의 광축에 대해 45°로 지향된다. 만일 입력 광빔(1505)이 예컨대 레이저 광원을 가진 케이스에서와 같이 이미 편광되어 있다면 편광판(1530)은 필요하지 않다.

도 15B는 보상판(1545)과 함께 도 15A와 동일한 장치를 나타낸 것이다. 또다른 사바르판일 수 있는 이 판은 여기서 기술된 광학 시스템의 광 위상 판별 기능들의 어느 것을 실현하기 위해 필요하지 않다. 그러나, 이 판은 오프-축 광에 대해 나타날 수 있는 2차 효과(second order effects)를 줄이기 위해 유용할 수 있다.

도 16A 및 16B는 비편광 광에 대한 예시적인 광학 시스템을 나타낸 것이다. 각각 도 10과 관련하여 언급된 아포다이징 필터와 두꺼운 홀로그램이 있다. 도 10A는 푸리에 평면에서 함수들의 푸리에 변환의 곱셈(multiplication)이 객체 평면에서 그 함수들의 컨볼루션과 동등한 것을 나타낸 것이다. 도 16A의 시스템에서 선형 어레이 위상 모듈레이터로부터 나오는 광의 전계 프로필(electric field profile)의 푸리에 변환은 정현파적으로(sinusoidally) 변하는 광 밀도를 가진 필터로 곱해진다. 이것은 모듈레이터 요소들에 의해 나타나는 위상차와 함께 폐쇄-이격된 양 및 음 델타(또는 실제적인 경우에 대해 싱크(sinc)) 기능의 객체 평면에서 콘볼루션과 동등하다.

도 16A에서 라인 세그먼트들(1605)은 선형 어레이 광 위상 모듈레이터의 요소들을 나타낸다. 렌즈(1610)는 위상 모듈레이터 요소들과 아포다이징 필터(1615)로부터 일 초점 거리 떨어져서, 그리고 그 사이에 위치된다. 상기 필터는 아래에 기재된 바와 같이 그 크기(extent)의 절반에 걸쳐 정현파적으로 변하는 광 밀도와 위상 시프트를 가진다. 도 16B에서 라인 세그먼트들(1655)은 선형 어레이 광 위상 모듈레이터의 요소들을 나타낸다. 렌즈(1660)는 위상 모듈레이터 요소들과 푸리에 평면(1665)로부터 일 초점 거리 떨어져서, 그리고 그 사이에 위치된다. 두꺼운 홀로그램(1670)은 객첵 평면(위상 모듈레이터의 요소들이 놓이는)과 렌즈 사이에 위치된다. Steven K. Case는 정상적으로 광학 시스템의 푸리에 평면에서 마스크(mask)들을 위치시킴으로써 수행되는 푸리에 프로세싱은 또한 객체 평면에서 두꺼운 홀로그램을 위치시킴으로써 수행될 수있다는 것을 지적하였다("Fourier processing in the object plane", Optics Letters, 4, 286 - 288, 1979). 그는 이 홀로그램은 객체 웨이브(object wave)의 공간 주파수 스펙트럼에서 작동하는 선형 필터라는 것을 보여준다. 객체 평면에서 하이 패스 공간 주파수 필터(high pass spatial frequency filter)는 푸리에 평면에서 미분(differentiation)과 동등하다. 도 10A의 관계는 원하는 푸리에 평면 마스크를 생성하도록 객체 평면 홀로그램을 설계하기 위해 사용될 수 있다.

이제 필터(1605)와 같이 아포다이징 필터를 구성하는 방법을 고려한다. 도 17은 푸리에 평면 판별기의 이해를 돕기 위해 다양한 함수 관계를 도시한 것이다. 도 17은 4개의 패널(a - d)을 나타낸다. 패널(a)은 도 16A에 나타낸 것과 같이 시스템의 푸리에 평면에 위치된다면 이 시스템의 객체 평면에서의 에지 샘플링 거동을 제공하는 정현파 전계 필터의 함수 형태를 나타낸다. 패널(b)은 패널(a)의 전계 프로필에 대응하는 강도 프로필을 나타낸다; 즉, (b)에서 나타낸 함수는 (a)에서 나타낸 것의 제곱이다. 패널(c)은 패널(a)의 정현파 형태(실선)를 패널(b)의 강도 프로필의 제곱근(점선)과 비교한 것이다. 강도의 제곱근(c)을 정현파 형태(a)와 매칭시키기 위해 광학 필터는 (d)에 나타낸 바와 같이 위상 시프트와 조합된 광 밀도 프로필(b)을 가진 플레이트로부터 구조화될 수 있다. 프로필(d)은 예를 들어, 필터의 한 반쪽에 여분의 두께의 글래스를 추가함으로써 얻어질 수 있다. 도 17은 사인(위상차) 판별을 위해 아포다이징 필터를 구조화하기 위한 함수 관계를 나타낸다. 이 컨셉은 Oti 등에 의한 천문 관측(astronomical observations)에 적용되었다. ("The Optical Differentiation Coronagraph", Astrophysical Journal, 630, 631 - 636, 2005).

유사한 컨셉들이 또한 푸리에-평면 판별기의 이해를 돕기 위해 다양한 함수 관계를 도시한 도 18에 나타낸 바와 같이 코사인(위상 유사성) 판별을 위한 필터를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 도 18은 4개의 패널(a - d)을 나타낸다. 패널(a)은 도 16A에 나타낸 것과 같이 시스템의 푸리에 평면에 위치된다면 시스템의 객체 평면에서 에지 샘플링 거동을 제공할 정현파 전계 필터의 함수 형태를 나타낸다. 패널(b)은 패널(a)의 전계 프로필에 대응하는 강도 프로필을 나타낸다; 즉, (b)에서 나타낸 함수는 (a)에서 나타낸 것의 제곱이다. 패널(c)은 패널(a)의 정현파 형태(실선)를 패널(b)의 강도 프로필의 제곱근(점선)과 비교한 것이다. 강도(c)의 제곱근을 정현파 형태(a)와 매칭시키기 위해 광학 필터는 (d)에 나타낸 바와 같이 위상 시프트와 조합된 광 밀도 프로필(b)을 가진 플레이트로부터 구조화될 수 있다. 프로필(d)은 예컨대 여분의 두께의 글래스를 필터의 일부에 추가함으로써 얻어질 수 있다. 도 18은 코사인(위상 유사성) 판별을 위해 아포다이징 필터를 구성하기 위한 함수 관계를 나타낸다.

선형 어레이 위상 모듈레이터에 의해 나타나는 위상 프로필을 라인 이미지를 형성하는 강도 프로필로 변환시키기 위한 광학 판별기는 편광 및 비편광 광 모두에 대해 기술되었다. 또한, 판별기는 광학 시스템의 객체 평면 또는 푸리에 평면에 위치되는 광학 구성요소들로 설계될 수 있다.

진보 기술(Advanced techniques)

다른 적용을 위해 2차원 어레이를 사용하여, 그리고 위상차 판별기를 사용하여 라인 이미지를 인터리빙(interleaving)하는 것은 지금까지 기술된 원리들의 확장인 진보 기술의 실예이다.

지금까지 기술된 디스플레이 시스템은 픽셀들은 인접한 요소들 사이에서 생성되는 위상차의 결과이기 때문에 모듈레이터 요소들과 동일한 수의 픽셀을 가진 (스캐닝된) 라인 이미지를 생성한다. 인터리빙 기술은 생성된 픽셀의 수를 모듈레이터 요소들의 수의 2배로 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

도 19는 교번 스캔(alternate scans)에서 선형 어레이의 출력을 시프팅하는 효과를 나타낸다. 도 19에서, 1905, 1915, 1925, 1935와 같은 사각형상은 선형 어레이 위상 모듈레이터의 요소들을 나타낸다. 이 요소들로부터 발생하는 광의 위상에서의 차이는 실선으로 그래프(1950)에 개략적으로 나타낸 픽셀 강도로 변환된다. 픽셀 강도는

에 비례하고, 여기서

는 어레이 요소들 사이의 위상차이다. 그래프(1950)에 의해 나타낸 것과 같이 픽셀 강도 대 라인 이미지를 따르는 위치는 sin²(x-a)에 비례하며, 'a'는 선형 어레이의 길이를 따르는 한 특별한 픽셀의 위치를 나타낸다. 예컨대 점선의 사각형(1910, 1920, 1930, 1940)으로 나타낸 바와 같이, 만일 위상 모듈레이터 어레이의 요소들이 요소 주기의 절반으로 시프트된다면, 대응하는 픽셀들은 시프트되지 않은 어레이에 의해 생성된 픽셀들로 인터리브된다. 이 픽셀들에 대한 강도는 그래프(1950)에서 점선으로 나타나 있다; 그것들은 cos²(x-a)에 비례한다. 그러므로 여기서 기술된 판별기들과 결합된 선형 어레이 광 위상 모듈레이터들은 부드럽게 인터리브될 수 있는 라인 이미지들을 생성할 수 있다. 이 이미지들은 모듈레이터 요소들의 2배 많은 픽셀로 이루어진다.

도 20은 선형 어레이 디스플레이 시스템의 연속 스캔을 인터리브하기 위한 하나의 가능한 방법을 나타낸다. 도 20에서 스캐너(2030)는 보기 또는 프린트를 위해 표면(2040)에 걸쳐 라인 이미지(2035, 2045)를 번갈아 쓸어 내린다. 라인 이미지(2035, 2045)는 화살표(2050)로 나타낸 바와 같이 라인 이미지에 평행한 스캐너(2030)를 약간 기울임으로써 인터리브될 수 있다. 인터리브하기 위한 다른 방법은 라인 이미지를 교번시키기 위해 교번 위치들에서 선형 위상 모듈레이터를 약간 이동시키는 것을 포함한다. 이것은 예컨대 위상 모듈레이터를 피에조(piezo) 액추에이터로 가만히 밀음으로써 실현될 수 있다.

지금까지 기술된 시스템들과 방법들은 선형 어레이 광 위상 모듈레이터에 근거를 두었다. 그러나 이 시스템 및 방법들은 또한 2차원 위상 모듈레이터로 확장될 수 있다. 2차원 모듈레이터는 선형 어레이들 중의 한 어레이인 것으로 간주될 수 있다. 위상차(또는 위상 유사성) 판별은 2차원 어레이의 한 차원을 따라 적용될 수 있는 반면에, 이 어레이의 다른 차원은 라인 이미지를 스캔할 필요를 제거한다.

도 21은 유한 차분(finite differencing)이 어떻게 2차원 위상 모듈레이터 어레이들에 적용될 수 있는지를 도시한 것이다. 도 21에서 사각형상들(2105, 2115, 2125 등, 2106, 2107, 2108 등, 2116, 2117, 2118 등, 2126, 2127, 2128 등)은 2차원 위상 모듈레이터 어레이의 요소들을 나타낸다. 그와 같은 어레이의 실예는 액정 위상 모듈레이터이다. 광 위상차 판별기가 라인들(2150, 2152, 2154 등)을 따른 요소들 사이에서 위상차를 검출하기 위해 사용될 때, 2차원 이미지가 형성된다. 그와 같은 이미지로부터의 대표적인 픽셀 강도는 이 도면에서 축들(2151, 2153, 2155 등)에 나타나 있다.

도 22A 및 22B는 선형 어레이 위상 모듈레이터들로부터 실험적으로 얻어진 광 출력의 이미지를 나타낸다. 실험은 3.7 μm 피치를 가진 MEMS 리본 모듈레이터를 사용하여, 그리고 위상 시프트를 창출하기 위해 충분한 이동(예컨대, 도 3B의 Δz 참조)과 함께 실행되었다. 개별 리본 제어는 임의의 패턴이 단순한 전자 시스템으로 발생되게 하였다. 이 도면들에서, 화이트 바(white bar)들이 라인 이미지에서 픽셀들에 대응하는 광 모듈레이터 요소들의 상대적인 위상을 나타내도록 측정된 광 출력에 겹쳐져서 그려진다.

여기서 기술된, 특히 도 10, 11, 12 및 16에 도시된 광 판별기들은 디스플레이, 프린팅 및 리소그래피 이외의 목적들을 위해 사용될 수 있다. 그와 같은 판별기들은 예컨대 광 데이터 저장 판독을 위해 사용될 수 있다. 광 디스크들(컴팩트 디스크, 비디오 디스크 등)에 저장된 비트들은 디스크에서 피트(pits) 또는 랜드(lands)로부터 반사된 광에서의 차이를 검출하는 광 시스템들에 의해 판독된다. 여기서 기술된 위상차 판별기들은 예컨대 광 디스크로부터 데이터의 수 개의 병렬 채널들을 판독하기 위해 사용될 수 있다.

위상 모듈레이터의 인접한 요소들 사이의 위상차를 검출하는 것에 기초하는 디스플레이 시스템들이 묘사되었다. 이 시스템들은 위상 모듈레이터 내의 요소들만큼 많은 디스플레이된 이미지 내의 픽셀들을 창출한다. 몇몇 경우에는 2배로 많은 픽셀들이 인터리빙 기술을 사용하여 창출된다.

통상의 기술자는 여기서의 실시예들의 개시로부터 여기에 기재된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 실현하는, 현재 존재하는 또는 후에 개발될 프로세스, 기계, 제작, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 것을 쉽게 인정할 것이다. 따라서, 첨부 청구항들은 프로세스, 기계, 제작, 수단, 방법 또는 단계와 같은 그것들의 범위 내에서 포함되도록 의도된 것이다.

시스템 및 방법의 예시된 상기 기재의 실시예들은 이 시스템들과 방법들을 개시된 정밀한 형태로 제한하도록 의도된 것이 아니다. 시스템들 및 방법의 구체적인 실시예 및 실예들은 여기서 예시적인 목적을 위해 기재된 것이지만, 관련 분야의 기술자가 인식할 것처럼 다양한 등가적인 변경이 시스템 및 방법들의 범위 내에서 가능하다. 여기서 제공된 시스템 및 방법들의 교시는 전술된 시스템 및 방법들에 대해서만이 아닌, 다른 시스템 및 방법들에 적용될 수 있다.

일반적으로, 아래의 청구항들에서, 사용된 용어들은 시스템 및 방법들을 명세서 및 청구항들에 개시된 구체적인 실시예들로 제한되도록 해석되어서는 안되며, 청구항들 하에서 작동하는 모든 시스템을 포함하도록 해석되어야 한다. 따라서, 이 시스템 및 방법들은 본 개시물에 의해 제한되지 않으며, 대신 이 시스템 및 방법들의 범위는 청구항들에 의해 전체적으로 결정되어야 한다.

청구범위

1. 광원;

상기 광원에 의해 발생되는 광의 위상을 변조시키는 요소들의 선형 어레이를 포함하는 위상 모듈레이터;

인접한 모듈레이터 요소들로부터의 광 사이의 위상차를 라인 이미지의 픽셀로 변환시키는 광 위상 판별기; 및

2차원 이미지를 창출하기 위해 스크린에 걸쳐 상기 라인 이미지를 스캐닝하는 스캐너;를 포함하는, 디스플레이.

2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 레이저인 것인, 디스플레이.

3. 제1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것인, 디스플레이.

4. 제1항에 있어서, 상기 광원은 아크 램프인 것인, 디스플레이.

5. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터의 요소들은 반사성인 것인, 디스플레이.

6. 제5항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터의 요소들은 마이크로-전자기계 리본인 것인, 디스플레이.

7. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터의 요소들은 투과성인 것인, 디스플레이.

8. 제7항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터의 요소들은 액정 모듈레이터인, 디스플레이.

9. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터는 상기 위상 판별기의 객체 평면에 놓이고, 상기 위상 판별기는 사바르판을 포함하는, 디스플레이.

10. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터는 상기 위상 판별기의 객체 평면에 놓이고, 상기 위상 판별기는 상기 위상 판별기의 푸리에 평면에서 작동하는 월라스톤 프리즘을 포함하는, 디스플레이.

11. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터는 상기 위상 판별기의 객체 평면에 놓이고, 상기 위상 판별기는 두꺼운 홀로그램을 포함하는, 디스플레이.

12. 제1항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터는 상기 위상 판별기의 객체 평면에 놓이고, 상기 위상 판별기는 상기 위상 판별기의 푸리에 평면에서 작동하는 아포다이징 필터를 포함하는, 디스플레이.

13. 제1항에 있어서, 상기 위상 판별기는 객체 평면 임펄스 응답

을 가지며, 여기서 p는 상기 위상 모듈레이터의 요소들의 공간 주기이고, x₀는 일정한 것인, 디스플레이.

14. 제1항에 있어서, 상기 위상 판별기는 객체 평면 임펄스 응답

15. 제1항에 있어서, 상기 스캐너는 진동 미러(oscillating mirror)인 것인, 디스플레이.

16. 제1항에 있어서, 상기 스캐너는 회전 프리즘인 것인, 디스플레이.

17. 제1항에 있어서, 상기 라인 이미지에서 픽셀의 수는 모듈레이터 요소의 수와 동일한 것인, 디스플레이.

18. 제1항에 있어서, 상기 라인 이미지에서 밝은 픽셀들은 인접한 모듈레이터 요소들 사이의 비제로(non-zero) 위상차에 대응하는 것인, 디스플레이.

19. 제1항에 있어서, 상기 라인 이미지에서 어두운 픽셀들은 인접한 모듈레이터 요소들 사이의 비제로 위상차에 대응하는 것인, 디스플레이.

20. 제1항에 있어서, 상기 스캐너의 연속적인 스캔에 의해 생성되는 라인 이미지들은 스캔을 라인 이미지들에 대해 평행하게 옵셋함으로써 인터리브되는 것인, 디스플레이.

21. 객체 평면과 푸리에 평면을 가지는 렌즈;

상기 객체 평면에 위치하고, 공간 주기 p를 가지는 요소들의 선형 어레이를 포함하며, 상기 각 요소는 그것에 입사하는 광의 위상을 독립적으로 바꿀 수 있는 위상 모듈레이터;

상기 위상 모듈레이터의 요소들로부터 오는 광의 위상을 샘플링하고, 객체 평면에서

로 주어진 임펄스 응답을 가지며, 여기서 x는 상기 선형 어레이와 평행한 공간 좌표이고, x₀는 일정한 것인 광학 구성요소들;을 포함하는, 광학 시스템.

22. 제21항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 위상 모듈레이터와 상기 렌즈 사이에 위치한 사바르판을 포함하는, 시스템.

23. 제21항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 푸리에 평면에 위치한 월라스톤 프리즘을 포함하는, 시스템.

24. 제21항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 위상 모듈레이터와 상기 렌즈 사이에 위치한 두꺼운 홀로그램을 포함하는, 시스템.

25. 제21항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 푸리에 평면에 위치한 아포다이징 필터를 포함하는, 시스템.

26. 제21항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 (±)λ/p에서 차단되는 단일-주기(single-period) 사인 함수인 상기 푸리에 평면에서의 임펄스 응답을 가지며, 여기서 λ는 광의 파장인 것인, 시스템.

27. 객체 평면과 푸리에 평면을 가지는 렌즈;

상기 위상 모듈레이터의 요소들로부터 오는 광의 위상을 샘플링하고,

로 주어진 객체 평면에서의 임펄스 응답을 가지며, 여기서 x는 상기 선형 어레이와 평행한 공간 좌표이고, x₀는 일정한 것인 광학 구성요소들;을 포함하는, 광학 시스템.

28. 제27항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 위상 모듈레이터와 상기 렌즈 사이에 위치하는 사바르판을 포함하는, 시스템.

29. 제27항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 푸리에 평면에 위치하는 월라스톤 프리즘을 포함하는, 시스템.

30. 제27항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 위상 모듈레이터와 상기 렌즈 사이에 위치하는 두꺼운 홀로그램을 포함하는, 시스템.

31. 제27항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 상기 푸리에 평면에 위치하는 아포다이징 필터를 포함하는, 시스템.

32. 제27항에 있어서, 상기 광학 구성요소들은 (±)λ/p에서 차단되는 단일-주기(single-period) 사인 함수인 상기 푸리에 평면에서의 임펄스 응답을 가지며, 여기서 λ는 광의 파장인 것인, 시스템.

33. 길이를 따라 위상 스텝 프로필(phase step profile)을 창출할 수 있는 선형 어레이 위상 모듈레이터; 및

상기 위상 스텝 프로필을 밝고 어두운 픽셀들을 포함하는 라인 이미지로 전환시키는 광 위상 차별기;를 포함하고, 상기 라인 이미지 내의 픽셀들은 상기 위상 프로필에서 비 제로 복귀(non-return-to-zero), 반전 코드(inverted coding)로 매핑되는, 광학 시스템.

34. 광원;

상기 광원에 의해 발생되는 광의 위상을 변조시키는 요소들의 2차원 어레이를 포함하는 위상 모듈레이터; 및

모듈레이터 요소들로부터의 광 사이의 위상차를 2차원 이미지의 픽셀들로 전환시키는 광 위상 차별기;를 포함하는, 디스플레이.

35. 제34항에 있어서, 상기 2차원 어레이는 선형 어레이들 중의 하나의 어레이를 포함하고, 상기 위상차는 위상차 판별을 통해 픽셀 강도로 전환되는, 디스플레이.

36. 제34항에 있어서, 상기 2차원 어레이는 선형 어레이들 중의 하나의 어레이를 포함하고, 상기 위상차는 위상 유사성 판별을 통해 픽셀 강도로 전환되는, 디스플레이.

37. 제34항에 있어서, 상기 위상 모듈레이터는 액정 위상 모듈레이터인 것인, 디스플레이.

요약서

디스플레이 시스템은 선형 위상 모듈레이터 및 위상 에지 판별기 광학 시스템에 기초한다.

부록 B(USSN 13/657,530)

MEMS 리본-어레이 광 모듈레이터를 위한 저압 드라이브

기술분야

본 발명은 마이크로-전자기계 시스템(MEMS) 리본 어레이에 기초한 광 모듈레이터를 위한 전자 드라이브 시스템에 관한 것이다.

배경기술

MEMS 리본 어레이들은 많은 다른 타입들의 고속 광 모듈레이터에 유용하다는 것을 증명하였다. MEMS 리본 어레이들에 기초한 다른 종류의 광 모듈레이터들의 몇 개의 실예가 US 특허 7,054,051, 7,277,216, 7,286,277 및 7,940,448에 기재되어 있다.

도 1A는 MEMS 리본 어레이(105)의 개념도이다. 리본, 예컨대 110, 115는 기판(120) 위에 장착된다. 하나의 리본과 상기 기판 사이에서 전압의 인가는 그 리본이 상기 기판을 향해 편향되게 한다; 예컨대, 리본(110)은 편향되는 반면에, 리본(115)은 릴렉스된다. 한 어레이에서 MEMS 리본에 대한 전형적인 크기는 수십 내지 수백 마이크론의 길이, 수 마이크론의 폭, 그리고 몇 분의 1의 마이크론의 두께이다. 리본은 질화 규소로 만들어지고 알루미늄으로 코팅될 수 있다.

MEMS 리본들은 약 10 나노초 정도의 짧은 시간에 릴렉스된 상태와 편향된 상태 사이에서 스위치(switch)할 수 있다. 대응하는 높은 픽셀 스위칭 속도는 MEMS 리본들의 선형 어레이가 2차원 광 모듈레이터의 일(jop)을 할 수 있다는 것을 의미한다. 선형 어레이 모듈레이터에 의해 생성되는 라인 이미지는 2차원 장면(scene)을 그리기(paint) 위해 좌우로 스위프(sweep)될 수 있다.

고속 리본들은 그것들을 구동하기 위해 고속 전기 신호를 요구한다. 전형적인 MEMS 어레이 내의 리본들은 1/4 광 파장에 의해 편향하기 위해 기판으로부터 10 내지 15 볼트의 위상차를 필요로 한다. 수백 메가 헤르츠에서 10 내지 15 볼트의 전환(switching)은 흔히 맞춤 전자 드라이버 회로를 요구하는 전문적인 작업이다. MEMS 리본 어레이가 종래의 고속 디지털 전자 회로에 의해 구동될 수 있다면 더 편리할 것이다. 예를 들어, MEMS와 CMOS 회로 사이의 더 타이트(tight)한 통합은 집적 회로(an intergrated circuit)를 위해 광 출력 스테이지(optical output stage)로 간주되는 MEMS 선형 어레이로 이끌 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1A는 MEMS 리본 어레이의 개념도이다.

도 1B는 MEMS 리본에 연결된 신호 전압 공급부 및 바이어스 전압 공급부를 나타낸 단순화된 다이어그램이다.

도 1C는 MEMS 리본 어레이 및 연관된 광학기기(optics), 제어 신호 전압 공급원(supply) 및 바이어스 전압 공급원을 구비한 MEMS 광 모듈레이터의 개념 블록도이다.

도 2는 도 1B에 나타낸 것과 같은 MEMS 리본에 대한 변위(displacement) 대 전압 거동을 도시한 것이다.

도 3은 MEMS 광 모듈레이터에 대한 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 4A는 바이어스되지 않은 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다.

도 4B-4D는 각각 바이어스되지 않은 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터에 대한 변위 대 전압, 픽셀 강도 대 변위, 그리고 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 5A는 바이어스된 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다.

도 5B-5C는 각각 바이어스된 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터에 대한 변위 대 전압 및 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 6은 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 전압이 각 경우에서 하나로 표준화되도록 조정된(scaled) 바이어스 및 비 바이어스 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터들에 대한 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 7A는 리본 드라이브 체계에 대한 단순화된 개략도이다.

도 7B는 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다.

도 8은 종래의 의사 바이폴라(pseudobipolar) 리본 드라이브 체계에서 순차 프레임에 대한 타이밍 다이어그램이다.

도 9는 바이어스 전압 및 신호 전압을 사용하는 의사 바이폴라 리본 드라이브 체계에서 순차 프레임에 대한 타이밍 다이어그램이다.

도 10은 바이어스 및 비 바이어스 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터들에 대한 측정된 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 11은 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 전압이 각 경우에서 하나로 표준화되도록 조정된(scaled) 바이어스 및 비 바이어스 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터들에 대한 측정된 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

상세한 설명

MEMS 리본 어레이 광 모듈레이터를 위한 저압 드라이브 시스템은 리본 비선형(nonlinear) 변위 특성의 이점을 취하기 위해 직렬로 추가된 DC 바이어스 전압 및 저압 리본 제어 신호에 기반한다. 도 1B는 이러한 장치(arrangement)의 단순화된 다이어그램이다. 도 1B에서, MEMS 리본(125)은 기판(130) 위에 걸려 있다. 제어 신호 전압 V_SIG(135) 및 바이어스 전압 V_BIAS(140)은 리본과 기판 사이에서 결합된 전압(a combined voltage)을 인가하기 위해 직렬로 연결된다. 리본과 기판 사이의 전위차는 리본이 점선의 커브로 나타낸 바와 같이 Δz의 양만큼 기판을 향해 편향되도록 한다.

도 1B는 신호 및 바이어스 전압원에 연결된 오직 하나의 리본을 나타낸 것이다. 전형적인 MEMS 리본 어레이 광 모듈레이터에서, 모든 리본은 바이어스 전압원에 연결된다. 리본들의 서브셋(subset), 예컨대 흔히 하나의 어레이에서 제2의 리본은 바이어스 전압원과 함께 신호 전압원에 직렬로 연결된다. 이 서브셋에서의 리본들은 "활성(active)" 리본으로 불릴 수 있는 한편, 바이어스 전압에 연결되지만 신호 전압에는 연결되지 않는 리본들은 "정적(static)" 리본으로 불릴 수 있다. 활성 리본들은 서로 독립적으로 편향시킨다. 이것은 각 활성 리본에 인가되는 신호 전압이 어떤 다른 것에 인가되는 것과 같거나 다를 수 있기 때문에 발생한다. 사실상 각 활성 리본은 그 자체의 신호 전압원을 가진다. 실제로, 하나의 신호 전압원은 다중화 기술을 통해 다중 리본들을 구동시킬 수 있다. 그러므로 "신호 전압원"이라는 용어는 다른 리본들로 다른 신호 전압들을 공급할 수 있는 것을 의미한다.

도 1C는 MEMS 리본 어레이 및 연관된 광학기기(optics), 제어 신호 전압 공급원 및 바이어스 전압 공급원을 구비한 MEMS 광 모듈레이터의 개념 블록도이다. 포커싱 렌즈, 위상 판별기, 빔 스플리터, 스캔 미러 등과 같은 광학 기기들(optical details)은 명료성을 위해 도면에서 생략되어 있다. 상기 모듈레이터는 직렬의 바이어스 전압과 제어 신호 전압에 의해 구동되는 MEMS 리본 어레이를 구비한다. 도 1C의 것과 같은 모듈레이터들은 다른 응용 중에서 프로젝션 디스플레이, 마이크로 디스플레이, 프린터 및 3D 깊이 캡처 시스템에서 사용될 수 있다.

MEMS 리본 거동을 더 자세히 살피는 것은 도 1B 및 1C의 직렬 연결된 바이어스 및 제어 신호 전압 공급원들이 어떻게 MEMS 리본 어레이들의 저압 작동으로 이끄는지에 대한 설명을 돕는다. 특히, 도 2는 도 1B에 나타낸 것과 같은 MEMS 리본에 대한 변위(즉, Δz) 대 전압 거동을 도시한 것이다. 도 2에서, 변위는 인가된 전압 없이 릴렉스된 상태에서 리본과 기판 사이의 거리로 표준화된다. 전압의 단위(unit)는 임의적이다.

점선은 하나의 리본이 캐패시터로서 전기적으로, 그리고 스프링으로서 기계적으로 처리된 모델에 따라 계산된 것과 같은 리본 변위를 가리킨다. 리본 변위가 1/3에 도달하면 그 시스템은 불안정하게 되고, 리본은 기판으로 스냅다운(snap down) 된다. 또다른 방식으로 말하면, 변위 대 전압 커브의 기울기(slope)는 이 포인트에서 무한으로 된다. 스냅다운을 피하기 위해, 대부분의 MEMS 리본 어레이 장치는 스냅다운 전압보다 작은 전압에서 작동된다.

실선은 실제 리본 변위 커브에 대한 근사치(approximation)를 가리킨다. 이 근사치에서, 변위는 전압의 제곱에 비례한다. V² 근사치는 실제 변위를 과소 평가한 것이라는 것은 분명하다; 그러나, 그것은 스냅다운 전압에서 떠나서 합리적으로 정확하다.

캐패시터-스프링 모델 및 이것에 대한 V² 근사치는 모두 비선형 거동을 드러낸다: 전압이 증가함에 따라 리본을 한 단위(a ribbon one unit)로 편향시키기 위해 요구되는 부가적인 전압은 감소한다. 도 3은 MEMS 리본 어레이에 기반한 광 모듈레이터에 대한 이러한 거동의 함축(implications)을 도시한 것이다. 도 3은 여러 타입의 MEMS 리본 광 모듈레이터에 대한 경우에서와 같이, 픽셀 강도가 리본 변위의 사인의 제곱에 비례하는 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. 픽셀 강도는 전압 스케일(scale)이 MEMS 리본 어레이 장치의 전형인 상태에서 그 최대 값으로 표준화된다. 도 3에서, 리본을 1/4 광 파장(λ/4)으로 편향시키기 위해 요구되는 전압(ΔV₁)은 10V이다. 이것은 픽셀 강도를

로 이끈다. 리본을 λ/4에서 λ/2 변위로 편향시키기 위해 추가 전압(ΔV₂)이 요구되고, I = 0은 오직 약 4V이다.

전압에 대한 픽셀 강도의 비선형 의존성(nonlinear dependence)의 이용이 이하에서 더 상세하게 기재된다. 비교를 위한 베이스라인(baseline)을 설정하기 위해, 먼저 제로 바이어스 전압을 가진 리본 거동을 고려한다. 도 4A는 바이어스되지 않은 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다. 도 4A에서, (단면으로 보여지는) 리본(405 및 410)은 기판 위의 높이(Z₀)에서 정지되어 있다. (또한 단면으로 보여지는) 리본(415 및 420)은 인가된 전압의 영향 하에서 기판을 향해 편향한다.

도 4B-4D는 각각 바이어스되지 않은 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터에 대한 변위 대 전압, 픽셀 강도 대 변위, 그리고 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. 도 4B는 변위가 전압의 제곱에 비례하는 근사치를 사용한 리본 변위 대 전압의 그래프이다. 도 4C는 픽셀 강도가 변위의 사인의 제곱에 비례하는 픽셀 강도 대 변위의 그래프이다. 마지막으로, 도 4D는 픽셀 강도가 전압의 제곱의 사인의 제곱에 비례하는 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다.

도 4B-4D의 그래프는 단위 전압이 단위 변위로 이어지고, 단위 변위는 단위 픽셀 강도로 이어지도록 표준화된다. (Z - Z₀) = λ/4 ("1/4 파(quarter wave)") 리본 변위는 전형적인 리본 기반의 광 모듈레이터에서 최대 픽셀 강도로 이어지기 때문에 이것이 생성하는 단위 전압, 그리고 단위 변위는 "V_QW"로 분류된다. 도 4A, 4B 및 4D는 이제 바이어싱의 영향(the effects of biasing)을 도시한 도 5A, 5B 및 5C와 비교될 수 있다.

도 5A는 바이어스된 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다. 도 5A에서, (단면으로 보여지는) 리본(505 및 510)들은 그것들을 기판 위의 높이 Z₀에서 높이 Z₁으로 편향시키는 DC 바이어스 전압의 영향 하에 있다. (또한 단면으로 보여지는) 리본(515 및 520)들은 동일한 전압에 의해 바이어스되며, 그것들은 추가적인 신호 전압의 영향 하에서 높이 Z₁에서 기판을 향해 더 편향한다.

도 5B는 리본(515 및 520)들에 대한 변위 대 전압의 그래프이다. 도 5B에서, 변위 스케일(scale)은 바이어스된 높이 Z₁에서 시작하는 추가 변위를 나타낸 것이며, 전압 스케일은 DC 바이어스 전압에 추가된 신호 전압을 나타낸 것이다. 변위 스케일은 단위 변위가 λ/4의 리본 이동에 대응하도록 표준화된다. 전압 스케일은 도 5B에서의 단위 전압이 도 4B에서의 단위 전압과 동일한 크기를 갖도록 표준화된다.

도 5A에서 리본들을 높이 Z₁으로 편향시키고 도 5B 및 5C에 나타낸 결과에 영향을 미치는 DC 바이어스 전압은 도 4B, 4D, 5B 및 5C의 그래프의 스케일에서 단위 크기를 가진다. 이러한 실예에서, 상기 바이어스 전압은 V_QW이다; 즉, (Z₁ - Z₀) = λ/4. 도 5B는 추가적인 λ/4 리본 변위를 얻기 위해 요구되는 (바이어스 전압에 직렬로 추가되는) 신호 전압의 크기가 약 0.41인 것을 나타낸 것이다. 이것은 제1의 λ/4 리본 변위를 Z₀에서 Z₁까지 얻기 위해 요구되는 전압보다 59% 더 작다.

도 5C는 픽셀 강도가 전압의 제곱의 사인의 제곱에 비례하는 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. 픽셀 강도 스케일은 단위 픽셀 강도가 최대가 되도록 표준화된다. 전압 스케일은 DC 바이어스 전압에 추가된 신호 전압을 나타낸 것으로 도 5B에서와 동일한 방법으로 표준화된다. 도 5C는 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 (바이어스 전압에 직렬로 추가되는) 신호 전압의 크기가 약 0.41인 것을 타나탠 것이다. 이것은 도 4A의 것들과 같이 바이어스되지 않은 리본들과 함께 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 전압보다 59% 더 작다.

도 5A-5C의 실예를 위해 선택된 바이어스 전압은 단지 하나의 가능성일 뿐이다. 더 낮은 바이어스 전압은 특정 양으로 리본을 편향시키기 위해 필요한 추가 신호 전압에서의 덜 극적인 감소로 이어진다. 더 큰 바이어스 전압은 추가 신호 전압에 더 큰 리본 편향 민감도로 이어진다. 그러나, 바이어스 전압이 너무 크면 스냅 다운이 발생할 수도 있다.

리본 변위 대 인가된 전압의 비선형 특성들은 제어 신호 전압의 적당한 범위가 어두움(dark)에서 밝음(bright)까지의 충분한 광 변조로 이어지도록 광 모듈레이터 설계자에게 바이어스 전압을 선택하게 허용한다. 완전하지는 않지만, 이 비선형 특성들의 기원에 대한 직관적인 설명은 MEMS 리본과 같이 대전된 대상(charged object)에서의 힘이 F = qE로 주어진다는 것을 주목함으로써 얻어질 수 있으며, 여기서 q는 전하이고, E는 전기장이다. 리본에 저장된 전하 q는 q = CV로 주어지며, 여기서 C는 리본-기판 시스템의 용량이고, V는 그것들 사이의 전압이다. 전기장 E는 V/d로 주어지며, 여기서 V는 리본과 기판 사이의 전압이고, d는 그것들 사이의 분리(separation)이다. 따라서 힘 F는 V의 2배에 좌우된다; 즉, 그것은 V²에 좌우된다. 느슨하게 말하면, 바이어스 전압의 효과는 리본에 전하를 저장하고 V의 하나의 인자(factor)를 제공하는 것으로 생각될 수 있다. 그러면 신호 전압은 V의 추가 인자를 제공한다. 이것은 바이어스 전압이 존재할 때, 리본 변위는 대략 선형으로 추가된 신호 전압에 대응하는 것을 의미한다.

만일 리본 변위가 실제로 V의 선형 함수라면, 픽셀 강도는 sin²(V²)라기 보다는 sin²(V)에 비례할 것이다. 이러한 극단(extreme)에 접근하는 리본 거동은 도 2에 도시되어 있다. 도 6은 각 경우에서 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 전압이 하나로 표준화되도록 조정된(scaled) 바이어스되고 바이어스되지 않은 MEMS-리본-어레이-기반의 광 모듈레이터들에 대한 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. 즉, 도 6은 동일 그래프에서 도 4D의 곡선(점선) 및 도 5C의 곡선(실선)을 나타낸 것이지만, 도 5C의 전압은 최대 픽셀 강도에 이르기 위해 요구되는 추가 신호 전압이 대략 0.41 대신에 단위 전압이 되도록 조정된(scaled) 것이다. 재조정된 것(rescaling)은 어두움(dark)에서 밝음(bright)까지의 전체 범위(full range)에 걸쳐 강도 대 전압 커브의 함수 형태를 나타낸다.

도 6에서 점선 곡선은 리본 변위가 V의 선형 함수일 경우에 광 모듈레이터에서 얻어질 픽셀 강도 함수 sin²(V)이다. 그것은 리본들이 바이어스될 때 도 6에서 보여질 수 있으며, 제어 신호 전압에 대한 그것들의 응답은 이러한 선형의 케이스에 더 가까이 근접한다. 디지털 아날로그 변환기(DAC)가 리본 제어 신호를 생성하기 위해 사용되면, 픽셀 강도의 전체 범위는 액세스 이산 출력 전압(accessible discrete output voltages)의 DAC 세트(DAC'set)를 넘어 더 균일하게 분포되기 때문에 도 6에서 점선(sin²(V)) 또는 실선(바이어스되는) 곡선들과 같은 픽셀 강도 함수는 대쉬(dashed)(바이어스되지 않은) 곡선에 비해 바람직하다.

심지어 단 극성 전원 공급장치(unipolar power supply)를 사용하여 잠재적으로 해로운 리본 충전 효과(charging effects)는 리본과 기판 사이의 전기장을 주기적으로 변경함으로써 피해질 수 있다는 것이 "Pseudo Bipolar MEMS Ribbon Drive"(2010년 10월 22일에 출원된 Yeh 및 Bloom에 의한 US 12/910,072)에서 지적되었다. 이 변경은 흔히 MEMS 광 모듈레이터에 제공되는 비디오 정보의 교번 프레임(alternate frames) 동안에 이루어진다. 그 출원서에 개시된 방법은 전압 V 하에서 리본에 의해 경험되는 힘이 전압 -V 하에서 경헙되는 힘과 동일한 상태(property)에 달려있다. (US 12/910,072에서 사용된 "바이어스 리본"이라는 용어는 여기에서 논의되는 바이어스 전압 또는 바이어스 리본과는 다른 개념을 언급한 것이며, 그것과 혼동되어서는 안된다는 것에 주의할 것.)

도 7A는 리본 드라이브 체계에 대한 단순화된 개략도이다. 도 7A에서 캐패시터(705)는 MEMS 리본 어레이에서 활성 리본들의 전기적 상태를 나타낸 것인 한편, 캐패시터(710)는 이 어레이에서 정적 리본들의 전기적 상태를 나타낸 것이다. 활성 리본들은 다른 픽셀 강도를 창출하기 위해 편향을 변경하는 것들인 반면에, 정적 리본들은 그렇지 않다. 전압원(715 및 725)들은 각각 활성 및 정적 리본들에 연결된다. 전압원(720)은 리본들의 공통 기판에 연결된다. 전압원(715, 720, 725)들에 의해 생성된 전압들은 각각 V_ACTV(활성 리본), V_SUB(기판) 및 V_STAT(정적 리본)이다. 이 전압원들은 전압 바이어싱이 아래 기재된 것처럼 사용될 때 직렬 연결된 바이어스 및 신호 전압들을 포함할 수 있다.

도 4A 및 5A와 유사하게, 도 7B는 MEMS 리본 어레이에서 리본 변위의 개념도이다. 정적 리본들은 변위 Z₂에 남아있는 반면에, 활성 리본들의 변위는 그것들에 인가되는 전압에 좌우되어 변한다. Z₂는 반드시 리본의 릴렉스된 상태는 아니다.

도 8은 저압 작동을 실현하기 위해 리본 바이어싱 기술의 이점을 취하지 않는 의사 바이폴라 리본 드라이브 체계에서의 순차 프레임들에 대한 타이밍 다이어그램이다. (더 상세한 논의에 대해서는 Yeh 및 Bloom 참조.) 이 타이밍 아이어그램에서, 프레임(1, 2, 3)들은 리본 어레이가 한 세트의 라인 이미지를 위해 구성되는 동안의 시간을 나타낸다. 프레임(1 및 3) 동안, 정적 리본들과 기판은 접지(ground)되어 남아있는 반면에, 활성 리본들은 최대 픽셀 강도를 위해 요구되는 전압인 V_MAX에 이르는 전압에 의해 제어된다. 전술된 바와 같이, 이 전압은 전형적인 MEMS 리본 어레이에 대해 약 15V만큼 될 수 있다. 프레임(2) 동안, 활성 리본들은 접지되어 남아있는 반면에, 정적 리본들과 기판은 0에서 V_MAX 사이에서 변한다. E장(E field)은 프레임에서 프레임으로 방향을 전환하여 전하 증강(charge build up)을 방지하며, 그러나 바이어싱 없이 제어 전압은 여전히 10 - 15V 범위에 있다.

도 9는 바이어스 전압 및 신호 전압을 사용하는 의사 바이폴라 리본 드라이브 체계에서의 순차 프레임들에 대한 타이밍 다이어그램이다. 여기서 각 프레임 동안 활성 리본들은 0에서 V_SIG 사이에서 변하며, 정적 리본들은 V_SIG 또는 0에서 남아있다. 기판은 프레임에서 프레임으로 -(V_MAX-V_SIG) 내지 V_MAX까지의 범위에 걸쳐 변한다. 실제적으로 V_SIG는 약 5V 또는 미만일 수 있는 반면에, V_MAX는 약 10 내지 15V일 수 있다. 기판을 바이어싱하면 활성 리본들을 편향시키기 위해 요구되는 제어 전압들의 크기를 줄인다. 비록 제어 전압들이 비디오 데이터의 각 컬럼(column)과 함께 변하지만, 바이어스 전압들은 오직 프레임에서 프레임으로 변한다. 따라서 바이어스 전압은 수천 시간 더 급속하게 변할 수 있는 신호 전압들과 비교하여 "DC"로 간주된다.

감소한 신호 전압으로 리본 제어를 확인하기 위해 MEMS 리본 어레이들고 실험이 실행되었다. 이 어레이들의 리본들은 알루미늄으로 코팅된 질화 규소로 이루어졌으며, 대략 250μm의 길이, 4μm의 폭 및 0.15μm의 두께였다. 그것들은 대략 0.45μm의 에어갭과 약 2.75μm의 두께의 절연 이산화규소 층에 의해 전도성 기판에서 분리되었다. (각 치수는 MEMS 리본 어레이의 개녑에서 벗어남이 없이 플러스 또는 마이너스 50% 만큼 변할 수 있다. 도 10 및 11은 이 실험들의 결과를 나타낸 것이다.

도 10은 바이어스 미 비 바이어스 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터에 대해 측정된 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. 도 10에서 곡선(1010)은 바이어스 전압을 갖지 않는 종래의 리본 드라이브에 대한 데이터를 나타낸다. 곡선(1005)은 10V 바이어스 전압 공급장치와 직렬되는, 제어 신호에 의해 구동되는 어레이에 대한 데이터를 나타낸다. 이 도면으로부터 바이어스된 위치(약 4V) 너머로 리본 λ/4를 편향시키기 위해 요구되는 제어 신호 전압은 비 바이어스된 리본을 λ/4(약 11V)만큼 편향시키기 위해 요구되는 전압보다 상당히 작다는 것이 명백하다.

도 11은 각 경우에서 최대 픽셀 강도를 얻기 위해 요구되는 전압이 하나로 표준화되도록 조정된(scaled) 바이어스 및 비 바이어스된 MEMS 리본 어레이 기반의 광 모듈레이터들에 대해 측정된 픽셀 강도 대 전압의 그래프이다. (이 도면은 도 6과 유사함) 도 11에서 곡선(1105 및 1110)들은 도 10의 곡선(1005 및 1010)들과 동일한 데이터를 나타낸다. 그러나, 도 11에서 각 곡선에 대한 전압 스케일(scale)은 단위 전압이 최대 픽셀 강도를 생성하도록 표준화된 것이다. 이 도면으로부터 바이어스된 리본은 바이어스되지 않은 리본보다 더 선형의 픽셀 강도 응답을 제공한다. 이것은 명도 레벨(brightness levels)을 밝음에서 어두움까지 균일하게 접근하기 위해 고 해상도 DAC를 위한 요구를 줄인다.

전술된 바와 같이, 리본 비선형 편향 특성들은 그것들을 작동시키기 위해 필요한 제어 신호 전압들을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기술은 여러 방식으로 확장될 수 있다. 예컨대, 최선의 광학 대비(optical contrast)는 일반적인 모드(common mode)에서 작동되는 MEMS 리본 어레이들로부터 얻어진다; 즉, 모든 리본은 동일한 바이어스 전압에 의해 바이어스되며, 교번("활성") 리본들은 바이어스와 함께 직렬로 추가되는 신호 전압들에 의해 제어된다. 그러나, MEMS 리본 어레이들은 이러한 방식으로 작동될 필요가 없다. 예컨대, 고정된 ("정적") 리본들은 모든 리본이 심지어 릴렉스된, 제로 전압 상태에 있을 때에도 기판 위에서의 그 높이가 활성 리본들과 다르도록 제작될 수 있다.

두 번째로, 바이어스 전압에 추가되는 제어 신호 전압들은 양 또는 심지어 단극(unipolar)일 필요가 없다. 활성 리본들은 중간 밝기 상태로 바이어스되고 나서 그것들의 전체의 밝음과 어두움 범위를 통해 AC 제어 신호 전압에 의해 편향될 수 있다.

마지막으로, 투명 전극이 리본 위에 위치되어 기판에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러면 리본과 전극-기판 사이에 인가되는 바이어스 전압은 리본을 전혀 편향시킴이 없이 신호 전압들을 제어하기 위한 리본의 민감도를 증가시키는 효과를 가진다.

이러한 모든 기술들에서의 공통 주제는 인가된 전압들에 대한 MEMS 리본의 민감도를 증가시키기 위해, 그리고 따라서 낮은 신호 전압 작동을 허용하기 위해 DC 바이어스 전압을 사용하는 것이다.

개시된 실시예들의 상기 기재는 통상의 기술자가 본 발명을 만들거나 사용할 수 있도록 마련된 것이다. 통상의 기술자에게는 이 실시예들에 대한 다양한 변경이 용이하다는 것은 명백할 것이며, 여기에서 정의된 원리들은 본 개시물의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시물은 여기에서 나타낸 실시예들로 한정되도록 의도된 것이 아니라 여기에서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르도록 의도된 것이다.

청구범위

1. 기판 위에 걸려진 MEMS 리본들의 어레이;

바이어스 전압원; 및

신호 전압원;을 포함하고,

상기 바이어스 전압원, 신호 전압원 및 상기 어레이 내의 리본들은 바이어스 전압이 제로보다 더 클 때 신호 전압들에 대한 리본들의 편향 민감도가 증가되도록 직렬로 연결되어 상기 리본들과 상기 기판 사이에서 전체의 전위차를 창출하는, MEMS 광 모듈레이터.

2. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 전압원은 상기 어레이 내의 각 리본에 연결되고, 상기 신호 전압원은 상기 바이어스 전압원과 직렬로 상기 어레이 내의 리본들의 서브세트(subset)에 연결되는, 모듈레이터.

3. 제2항에 있어서, 상기 서브세트는 상기 어레이 내의 모든 제2 리본인 것인, 모듈레이터.

4. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 및 신호 전압원들은 상기 리본들과 기판 사이에서 전기장의 방향이 주기적으로 교번되도록 사인(sign)을 변경하는, 모듈레이터.

5. 제1항에 있어서, 상기 어레이 내의 각 리본의 길이, 폭 및 두께는 각각 대략 250μm, 4μm 및 0.15μm이고, 상기 리본들은 질화 규소 및 반사성 금속 코팅으로 만들어진, 모듈레이터.

6. MEMS 리본 기반의 광 모듈레이터를 구동시키기 위한 방법에 있어서,

기판 위에 걸려지고 활성 리본 및 정적 리본들을 포함하는 MEMS 리본들의 어레이를 마련하고;

상기 각 리본과 상기 기판 사이에 바이어스 전압을 인가하여 신호 전압에 대한 상기 리본들의 편향 민감도를 증가시키고;

상기 어레이 내의 활성 리본들에 대해 상기 바이어스 전압과 직렬로 신호 전압을 추가하고; 그리고

각각에 인가되는 신호 전압을 변경함으로써 상기 활성 리본들의 편향을 제어하는 방법.

7. 제6항에 있어서, 상기 어레이 내의 모든 제2 리본은 활성 리본인 것인, 방법.

8. 제6항에 있어서, 주기적으로 상기 바이어스 및 신호 전압들의 사인(sign)을 변경함으로써 리본들과 기판 사이의 전기장의 방향을 교번시키는 것을 더 포함하는, 방법.

요약서

일련의 바이어스 전압은 신호 전압들을 제어하기 위해 MEMS 리본의 민감도를 증가시킨다. 이러한 효과는 인가된 전압에서 리본 편향의 비선형 의존성 때문에 얻어진다. MEMS 리본들의 결과적인 저압 작동은 그것들을 고속 전자장치(high speed electronics)와 양립할 수 있게 한다.

부록 C (US 8,368,984)

의사 바이폴라(Pseudo Bipolar) MEMS 기본 드라이브

기술분야

본 개시는 일반적으로 마이크로 전자기계적 시스템(MEMS) 광학 리본 장치를 위한 전기적 드라이브 방법의 분야에 관한 것이다.

배경기술

MEMS 리본 장치는 격자 광 밸브, 간섭 MEMS 모듈레이터, MEMS 위상(phased) 어레이 및 MEMS 광 위상 모듈레이터를 포함하는 여러 종류의 고속 광 모듈레이터에서 사용된다. 각 광 모듈레이터 기술은 예컨대 개인 디스플레이, 프로젝션 디스플레이 또는 프린팅 애플리케이선에서 사용될 수 있다.

MEMS 리본들은 그것들이 설계되는 특정 애플리케이션에 따라 다양한 형상 및 크기로 만들어진다; 그러나, 전형적인 리본은 대략 50 - 250 마이크론의 길이, 2 - 10 마이크론의 폭, 그리고 0.1 - 0.3 마이크론의 두께로 될 수 있다. 리본들은 그것들이 전기장의 적용을 통해 끌어 당겨질 수 있는 기판에서 대략 0.2 - 0.5 마이크론으로 떨어져서 걸려진다. 이 리본들의 대략적인 크기(dimensions)는 수 십 나노초 정도로 작게 안정(rest)과 편향(deflected) 위치들 사이에서 이동할 수 있다.

MEMS 리본 장치의 높은 속도는 리본들의 선형 어레이가 시야 영역(viewing area)을 가로질러 스캐닝되는 라인 이미지를 변조시키는 디스플레이 설계로 이어진다. 이 리본들은 매우 빠르게 움직여서 그것들의 선형 어레이가 인간 관찰자에 의한 깜빡임의 인식 없이 2차원 이미지를 형성하도록 라인 이미지들의 시퀀스를 창출할 수 있다. 2차원 보다는 선형 어레이들로 광을 변조시키면 가치있는 실리콘 칩 리얼 에스테이트(real estate)의 효율적인 사용을 이루는 소형 모듈레이터로 이끈다.

따라서 MEMS 선형 어레이 광 모듈레이터는 CMOS 제작 공정과의 통합을 위한 매력적인 후보이다. MEMS 선형 어레이는 집적 회로를 위한 광 출력 스테이지로 간주될 수도 있다. 많은 CMOS 전자 드라이버 칩은 유니폴라 공급 전압과 함께 작동하며, 그리고 유니폴라 드라이브는 항상 리본 장치와 함께 잘 작업하지 못한다. 극단의 경우에 유니폴라 전원 공급장치로부터 구동되는 리본은 단지 수 분의 작동 후에 응답에 실패한다.

그러므로, 요구되는 것은 리본 및 CMOS 전자장치들이 빽빽하게(tightly) 집적되도록 유니폴라 전원 공급장치를 사용하여 MEMS 리본 장치를 구동하기 위한 튼튼한 방법에 있다.

도면의 간단한 설명

도 1A는 MEMS 리본 및 기판의 단면 스케치이다.

도 1B는 도 1A에서 나타낸 구조에 대한 등가 회로(equivalent circuit)이다.

도 2A 및 2B는 다른 조건 하에서 리본과 기판 사이의 전기장의 방향을 도시한 것이다.

도 3은 플라이백 시간(flyback time)에 의사 바이폴라, 50% 방전 듀티 사이클 드라이브 시나리오에서 전압 및 필드(field)의 그래프를 나타낸 것이다.

도 4는 50% 방전 듀티 사이클 미만에서의 의사 바이폴라 드라이브 시나리오에서 전압을 도시한 것이다.

도 5A 및 5B는 충전 테스트 데이터(charge test data)를 나타낸 것이다.

상세한 설명

아래에 기재된 의사 바이폴라 MEMS 리본 드라이브 방법들은 CMOS 전자기기(electronics)가 MEMS 리본 장치를 구동시키기 위해 사용될 때 그렇지 않을 경우 발생할 수 있는 어려움을 피하기 위해 설계된 것이다. MEMS 리본 장치는 전형적으로 고 스트레스(high-stress), 화학양론적(stoichiometric) 질화 규소(Si₃N₄)의 증착(deposition)을 포함하는 고온 실리콘 반도체 제조 프로세스를 사용하여 만들어진다. MEMS에서 고 스트레스 층들을 사용하는 것은 흔하지 않다; 그러나, 리본의 경우 화학양론적 질화 규소의 고 인장응력(high tensile stress)은 리본이 신속하게 움직이게 허용하는 장력원(the source of tension)이다.

리본들은 전압이 그 두 개 사이에서 인가될 때 기판으로 끌어당겨진다. 리본에 작용되는 힘은 창출된 전기장의 제곱에 비례한다. 질화 규소는 절연체이기 때문에, 리본과 이산화규소 기판층 사이의 갭은 그것에 인접하여 전도체를 갖지 않는다. 그 갭의 어느 한쪽에서의 유전체(dielectrics)는 전압이 리본과 기판 사이에 인가될 때 표면 전하를 축적한다. 이 표면 전하는 이 갭에서 전기장의 강도를 변경시키며, 주어진 인가 전압에 대한 리본의 움직임은 시간이 지남에 따라 변한다.

표면 전하는 리본에 인가된 전압이 항상 동일한 부호(sign)일 때 축적된다. 유니폴라 전력 공급기(unipolar power supplies)를 가진 단순한 드라이브 회로는 이러한 효과에 기여한다. 그러나, 힘은 전기장의 부호와 무관하기 때문에 반대방향이지만 동일한 크기의 장은 동일한 리본 편향을 창출한다. 그러므로 표면전하 축적 효과는 전기장이 시간의 일부에서 일방향을 향하고 다른 시간에서는 반대 방향을 향하는 동작에 의해 감소될 수 있다. 의사 바이폴라 MEMS 리본 드라이브 방법의 이러한 원리 및 상세 설명이 아래에서 첨부 도면과 함께 상세하게 논의된다.

도 1A는 MEMS 리본 및 기판의 단면 스케치이다. 도 1A에서, 고 스트레스, 화학량론적 질화 규소(silicon nitride)(105)는 MEMS 리본에서 구조층(structural layer)이다. 리본은 이산화 규소층(silicon dioxide layer)(110)이 성장된 실리콘 기판(115)에서 작은 갭에 의해 분리된다. 고온 단계(steps)가 완성된 후 백엔드 프로세싱(back-end processing) 동안 알루미늄 전도층(120)이 증착될 수 있다. (다른 프로세스들이 동일 구조를 만들기 위해 사용될 수 있다.) 일 실예의 구조에서, 리본은 약 200 미크론의 길이와 약 3 미크론의 폭으로 되고; 상기 층들의 두께는 대략: 알루미늄, 600 Å; 화학양론적 질화 규소, 1500 Å; 그리고 이산화 규소, 2 미크론이다. (이전에 미정질 실리콘 희생층(an amorphous silicon sacrificial layer)에 의해 충진된) 질화 및 이산화 층들 사이의 에어 갭은 약 0.4 미크론이다. (이러한 크기(dimensions)는 오직 연관된 스케일(scale)의 의미를 제공하기 위해 마련된다; 그것들은 제한하기 위해 의도된 것이 아니다.)

도 1A에서 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131 및 132와 같은 플러스(+)와 마이너스(-) 부호는 이 구조에서 전하의 축적을 가리킨다. 특히, 리본과 기판 사이의 갭에서 125, 126, 127 및 128과 같은 표면 전하는 연결부(140)를 통해 알루미늄층에 인가되는 V_R과 연결부(145)를 통해 실리콘 기판에 인가되는 V_S 사이의 전위차로부터 초래하는 전기장의 크기를 변경한다. 유니폴라 드라이브 회로가 사용되면, V_R은 항상 V_S보다 더 크다(또는 항상 미만이다). 바이폴라 또는 의사 바이폴라 드라이브 회로가 사용되면, 그 상황은 V_R > V_S 와 V_R < V_S사이에서 교번한다.

도 1B는 도 1A에 나타낸 구조에 대한 등가 회로이다. 도 1B에서, V_R 및 V_S 는 도 1A에서와 같이, 각각 리본과 기판에 인가된 전압이다. 캐패시터 C₁, C₂ 및 C₃는 각각 질화층, 에어 갭 및 이산화층의 용량을 나타낸다. 다음과 같이 이 회로에서 저항기(resistor)들에 의해 나타나는 수 개의 고저항 전류 누설 경로가 있다; R1, 질화층의 에지들 주위의 누설; R2, 에어 갭을 가로지르는 누설; R3, 알루미늄층에서 이산화층까지의 누설; R4, 이산화층의 표면을 따르는 누설; 및 R5, 질화층에서 실리콘 기판까지의 누설. 다른 누설 경로, 그리고 유전체층들에서의 포획된 전하(trapped charges)에 기인한 효과가 가능하며, 도 1에 도시된 것들과 반대의 부호를 가진 표면 전하의 축적으로 귀결될 수도 있다.

실제로, C₃를 통해 C₁에 대한, 그리고 R₅를 통해 R₁에 대한 정확한 값을 식별하는 것은 어려울 수 있지만, 전체의 구조가 하나의 누설 저항을 가진 단일의 병렬 플레이트 커패시터인 것으로 간주되면, 그것의 충전 시간 상수는

이다. 일 실예 구조에서

이다.

도 2A 및 2B는 다른 조건 하에서 리본과 기판 사이의 전기장의 방향을 도시한 것이다. 도 2에서, 리본(205)의 대략적인 단면이 기판(210) 가까이에서 나타나 있다. 도 2A에서, 리본과 기판 사이의 전압은 리본을 기판보다도 더 양으로 충전되게 하며, 초래되는 전기장(E)의 방향은 리본에서 기판으로 된다. 도 2B에서는 그 반대가 사실이다: 리본과 기판 사이의 전압은 기판을 리본보다 더 양으로 충전되게 하고, 초래되는 전기장(E)의 방향은 기판에서 리본으로 된다. 그러나, 만일 E의 크기가 동일하다면, 리본과 기판 사이에서 작용하는 E²에 비례하는 힘은 도 2A 및 2B 모두에서 동일하다.

바이폴라 전력 공급기가 이용 가능하면, 도 2A와 2B의 시나리오들 사이에서의 스위칭은 기판이 예로서 접지된 상태로 남아있는 동안 다른 극성(polarity)의 전압원을 리본에 연결하는 문제이다. 오직 유니폴라 전력 공급기가 이용 가능하다면, 기판을 항상 접지된 상태로 남기기 보다는 리본과 기판 모두의 전위를 제어함으로써 유사한 효과가 얻어질 수 있다. 이러한 작동 모드는 "의사 바이폴라"로 불린다.

도 3은 플라이백 시간(flyback time)에 의사 바이폴라, 50% 방전 듀티 사이클 드라이브 시나리오에서 전압 및 필드(field)의 그래프를 나타낸 것이다. 도 3에서, 그래프(305)는 리본 전압 대 시간을 나타내는 한편, 그래프(310)는 기판 전압 대 시간을 나타낸다. 그래프(315)는 리본과 기판 사이에서의 전기장의 강도 및 극성을 묘사한다. 이 도면의 좌측에서 우측으로 증가하는 시간과 함께 시작하면, 전압(+V)이 지속시간(t₁) 동안 인가된다. 이 시간 동안 기판 전압은 제로이고, 리본에서 기판의 방향으로의 전기장은 크기(E)를 가진 양(positive)으로 된다. 다음에는, 지속시간(t₂) 동안 리본과 기판에 인가되는 전압은 그것들 사이의 전기장과 마찬가지로 모두 제로이다. 다음에는, 전압(+V)이 지속시간(t₁) 동안 기판에 인가된다. 이 시간 동안 리본 전압은 제로이고, 리본에서 기판의 방향으로의 전기장은 크기(E)를 가닌 음(negative)이다. 다음에는, 지속시간(t₂) 동안 리본과 기판에 인가되는 전압은 모두 +V이고, 사이의 전기장은 제로이다. 그후 이 사이클은 반복된다.

도 3에서, 시간(t₁)들은 리본이 리본과 기판 사이에서 생성된 전기장의 제곱에 비례하는 정전기력에 의해 편향될 때의 것들이다. t₁을 교번시키는 동안 전기장의 방향은 반대이다. 드라이브 체계의 이러한 특성은 리본 장치에서 표면 전하의 축적을 감소시키거나 제거한다. 전기장은 절반의 시간에서 각 두 방향으로 향하기 때문에 방전 듀티 사이클은 50%이다. 시간(t₁)은 "프레임" 시간으로 불리운다; 그것은 이미지 데이터가 어레이에서 어느 리본들이 어떤 양으로 편향되는지를 결정하는 시간이다. 일 실예의 설계에서, t₁은 약 14 ms이다. 시간(t₂) 동안 리본과 기판에 인가되는 전압은 같으며, 그러므로 전기장은 제로이고 표면 전하는 축적되지 않는다. 시간(t₂)은 "플라이백" 시간으로 불리운다; 그것은 리본이 편향되지 않고 스캐닝 미러 또는 다른 스캐닝 기구가 그것들의 시작점으로 복귀할 때의 시간이다. 일 실예의 설계에서 t₂는 약 3 ms이다.

도 3에서, 프레임 데이터는 다소 지루한, 모두 화이트(white) 이미지로 이끄는 전체의 프레임 시간에 대한 단순한 최대 리본 편향이다. 실제의 이미지에 대한 데이터는 프레임 시간 동안 복잡한 변조 패턴을 포함할 것이다. 그러나 도 3은 이미지 데이터의 복잡성과 관계없이 리본 편향 신호의 극성을 도시한 것이다.

만일 이미지 데이터가 한 프레임으로부터 다음 프레임에서 상당히 차이가 있다면, 도 3의 드라이브 체계는 여전히 충전 효과로 이어질 수 있다. 실제로, 이것은 작은 효과이다; 그러나, 그것은 각 이미지 프레임을 두 번 연속해서 디스플레이함으로써 제거될 수도 있다: 양의(positive) 리본과 접지(grounded) 기판으로 한 번, 접지 리본과 양의 기판으로 한 번. 이러한 방식으로 평균 전기장은 이미지 데이터와 관계 없이 항상 제로로 된다. 이 트레이드 오프(trade off)는 프레임 속도(frame rate)가 두 배로 되는 것이다; 그러나, MEMS 리본들은 너무 빨리 움직여서 증가된 프레임 속도는 디스플레이될 픽셀의 수에 따라 수용될 수 있다.

도 4는 50% 방전 듀티 사이클 미만으로 의사 바이폴라 시나리오에서의 전압을 도시한 것이다. 도 4에서 그래프(405)는 기판 전압 대 시간을 나타낸 것인 반면에, 그래프(410 및 415)는 두 개의 인접한 리본에 대한 전압 대 시간을 나타낸 것이다: 각각 "바이어스(bias)" 리본 및 "활성(active)" 리본. 바이어스 리본(420), 활성 리본(425) 및 기판(430)은 비디오 활성 시간(video active time) 동안 440에서 그리고 플라이백 블랭크 시간(flyback blank time) 동안 445에서 개략적으로 나타나 있다.

모든 리본 어레이 장치가 바이어스 및 활성 리본들을 사용하지는 않는다. 사용될 때, 하나의 바이어스 리본은 비디오 디스플레이 시스템에서 다크 레벨(dark levels)에 대해 미세하고 정적인 조정을 만들기 위한 방법을 제공하기 위해 고정된 리본의 자리를 취한다. 이 바이어스 리본은 비디오 활성 시간 동안 여전히 머무른다. 플라이백 블랭크 시간 동안 이것의 움직임은 아래에 기술되는 의사 바이폴라 드라이브 체계의 부산물(byproduct)이다.

도 4의 좌측면에서 우측으로 증가하는 시간으로 시작해서, 기판은 제로와 동일하고, 바이어스 리본에 전압(+V₂)이 인가되며, 활성 리본에 전압(+V₃)이 인가된다. 이것은 비디오 활성 시간 동안 최대 명도(brightness) 픽셀에 대한 조건이다. 다음으로, 지속시간(t₄) 동안, 바이어스 및 활성 리본들은 제로 전압으로 된다. 이러한 플라이백 블랭크 시간(t₄) 내에서, 지속시간(t₅) 동안 전압(+V₁)이 기판에 인가된다. 다음으로, 비디오 활성 시간(t₃) 동안, 이 상황은 기판에 인가되는 제로 전압과 함께 바이어스 및 활성 리본들에 인가되는 양의 전압으로 복귀한다.

비디오 활성 시간(t₃) 동안, 바이어스 리본(420)은 활성 리본(425)이 디스플레이될 비디오 데이터에 따라 편향되는 동안 다크 레벨을 교정하기 위해 약간 편향된다. 440에서, 활성 리본은 최대 전압(+V₃)의 적용에 일치하는 최대 편향으로 묘사된다. 플라이백 블랭크 시간(t₄) 동안, 바이어스 및 활성 리본들은 다크 상태를 보장하는 동일한 양으로 편향된다. 비디오 활성 시간과 비교하여 플라이백 블랭크 시간 동안 전기장의 방향은 반대이며, 따라서 표면 전하 축적을 감소시킨다. 전압이 기판에 인가되는 시간(t₅)은 전체의 플라이백 블랭크 시간(t₄)보다 약간 더 짧아서 프레임의 시작 또는 끝에서 가짜의(spurious) 광 신호의 가능성을 감소시킨다. 일 실예의 설계에서, t₃는 약 14 ms이고, t₄는 약 3 ms이며, t₂는 약 2 ms이다. 방전 듀티 사이클은 이 경우에 t₅/(t₃ + t₄) 또는 약 12%이다. (방전 듀티 사이클은 전기장이 비디오 활성/플라이백 블랭크 사이클 동안 하나의 특별한 방향으로 향하는 동안의 시간의 단편(fraction)으로 한정된다. 이 방전 듀티 사이클은 한정에 의해 50% 또는 그 미만이다.)

도 4의 의사 바이폴라 드라이브 체계는 50% 미만의 방전 듀티 사이클에도 불구하고 좋은 실험 결과를 제공하였다. 일부 MEMS 리본 어레이 장치에서 하나의 리본을 소정의 양만큼 편향시키기 위해 얼마만큼의 전압이 요구되는지를 기억하기 위해 순람표(lookup table)들이 사용된다. 도 3의 의사 바이폴라 드라이브 체계는 두 개의 그와 같은 순람표를 요구할 수 있다; 하나는 양의 리본 전압을 위해, 하나는 양의 기판 전압을 위해. 그러나, 도 4의 의사 바이폴라 드라이브 체계는 비디오 활성 시간 동안 활성 리본이 항상 그것에 인가되는 양의 전압을 갖기 때문에 오직 하나의 순람표만이 요구된다.

몇몇의 경우, 도 3의 의사 바이폴라 드라이브 체계는 또한 이진 산술(binary arithmetic)의 특성의 이점을 취함으로써 오직 하나의 순람표로 작동될 수 있다. 예컨대, 만일 하나의 디스플레이를 위해 리본 편향 레벨들이 N-비트 이진수에 의해 나타낸다면, 극성 프레임들을 교번시키기 위한 그와 같은 레벨들은 2^N - 1의 이진 표현(binary representation)으로부터 감산(subtraction)에 의해 관련된다. 일 실예로서, 만일 양의 리본 및 접지된 기판 작동 동안 소정의 양으로 리본을 편향시키기 위해 요구되는 전압이 {10101101}로 표현된다면, 접지된 리본 및 양의 가판 작동 동안 동일한 양으로 리본을 편향시키기 위해 요구되는 대응 전압은 {01010010}으로 표현된다. 이 두 프레임 사이의 차이는 리본 편향 전압들의 이진 표현에서 0에 대해 1을 취함으로써 결정될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.

도 4의 의사 바이폴라 드라이브 체계에서 전하 축적의 방지는 V₁과 V₃ 사이의 관계에 좌우된다. 통상적으로, V₁은 칩에서 이용 가능한 최대 전압, 예컨대 공급 전압으로 선택되는 반면에, V₃는 비디오 컨텐츠와 함께 끊임없이 변한다. 일반적으로, V₁과 V₃ 사이의 차이가 크면 클수록 표면 전하 축적이 여전히 방지된 상태에서 t₅는 더 짧게 될 수 있다.

도 5A 및 5B는 충전 테스트 데이터를 나타낸 것이다. 도 5A는 기판에 대해 리본에 인가되는 일정 전압과 함께 리본에 대한 데이터를 나타낸다. 도 5B는 각각 도 3 및 도 4에 도시된 50% 및 12% 방전 듀티 사이클의 의사 바이폴라 드라이브 체계들에 따라 구동되는 리본들에 대한 데이터를 나타낸다. 양 도면에서 수평 축은 시간(hours) 단위에서의 시간인 한편, 수직 축은 리본 기반의 광 모듈레이터의 픽셀 강도이다. 픽셀 강도는 리본 편향에 직접 관련된다.

도 5A에서, 삼각형은 리본에 인가되는 일정 전압이 설정된 후 대략 1.75, 2.5 및 3.5 시간에서 얻어지는 데이터 포인트를 가리킨다. 일정 인가된 전압에 대해 응답하는 리본 편향은 시간이 경과함에 따라 꾸준히 증가한다. 3.5 시간 후 이 테스트에서의 리본은 더 이상 인가된 전압에서의 변화에 대해 응답하지 않았다. 표면 전하의 축적은 너무 크게 되었다.

도 5B에서, 정사각형은 50% 방전 듀티 사이클 하에서 리본에 대해 얻어진 데이터 포인트들을 가리키고, 다이아몬드는 12% 방전 듀티 사이클 하에서 리본에 대해 얻어진 데이터 포인트들을 가리키며, 양 경우에 20시간 이상의 기간이다. 도 5B에서 강도 단위는 임의적이며, 정사각형 데이터 포인트들이 다이아몬드 데이터 포인트들보다 더 높은 강도를 보인다는 사실과는 아무 의미가 없다. 양 세트의 데이터 포인트들은 의사 바이폴라 드라이브 체계들이 수 시간에 걸쳐 일관된 리본 편향 대 인가된 전압으로 이끈다. 각 테스트이 말미에서 리본들은 그것들이 테스트의 초기에서 했던 것과 같이 인가된 전압들에 응답하였다.

의사 바이폴라 드라이브 체계의 이 실시예들은 접지에 대해 양의 전압의 관점에서 기재된 것이다. 그러나, 분명하게 음의 전압도 사용될 수 있다.

결론으로 전술된 의사 바이폴라 MEMS 리본 드라이브 방법들은 그렇지 않은 경우 유니폴라 CMOS 전자기기들이 MEMS 리본 장치들을 구동시키기 위해 사용될 때 발생할 수 있는 어려움을 피하기 위해 설계된 것이다. MEMS 리본 구조들에서 표면 전하 축적은 리본들이 리본 응답에서 어떠한 손상 없이 전기 신호에 의해 무한적으로 제어될 수 있도록 감소되거나 제거된다.

개시된 실시예들의 상기의 기재는 통상의 기술자가 이 개시물을 만들거나 사용할 수 있게 하기 위해 제공된 것이다. 이 실시예들에 대한 다양한 변경은 통상의 기술자에게는 명백할 것이며, 여기서 정의된 원리들은 이 개시물의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 이 개시물은 여기서 나타낸 실시예들로 제한되도록 의도된 것이 아니라 여기서 개시된 원리들과 신규한 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위와 일치하도록 의도된 것이다.

청구범위

1. MEMS 리본 장치를 구동하기 위한 방법에 있어서,

한 세트의 리본들과 공통 전극을 가지며 커패시터로서 모델화될 때 충전 시간 상수 τ를 특징으로 하는 MEMS 리본 장치를 마련하고;

두 개의 교류 구성(alternating configuration)으로 상기 장치에 구동 신호들을 보내고;

제 1 구성에서 제 1 세트의 신호들은 제 1 세트의 리본 전압 및 상기 제 1 세트의 리본 전압과 동일한 극성과 상기 제 1 세트의 리본 전압과 같거나 작은 크기의 제 1 일정 공통 전극 전압(constant common electrode voltage)으로 표시되며,

제 2 구성에서 제 2 세트의 신호들은 제 2 세트의 리본 전압 및 상기 제 2 세트의 리본 전압과 동일한 극성과 상기 제 2 세트의 리본 전압과 같거나 큰 크기의 제 2 일정 공통 전극으로 표시되는, 방법.

2. 제1항에 있어서, 상기 제 2 세트의 리본 전압들은:

(a) 상기 제 1 구성에서 상기 제 2 세트의 신호들을 표시하기 위해 필요로 할 제 1 세트의 리본 전압들과 제 1 일정 공통 전극 전압 사이의 크기의 차이를 결정하고; 그리고

(b) (a)에서 결정되는 크기들을 제 2 일정 공통 전극 전압으로 차감함으로써 결정되는, 방법.

3. 제1항에 있어서, 모든 전압은 접지에 대해 양으로 되는, 방법.

4. 제1항에 있어서, 모든 전압은 접지에 대해 음으로 되는, 방법.

5. 제1항에 있어서, 상기 제 1 일정 공통 전극 전압은 접지에 대해 대략 제로로 되는, 방법.

6. 제1항에 있어서, 상기 제 2 일정 공통 전극 전압은 대략 상기 MEMS 장치가 제조되는 칩의 공급 전압과 같은 것인, 방법.

7. 제1항에 있어서, 상기 공통 전극은 상기 MEMS 장치가 제조되는 칩의 기판인 것인, 방법.

8. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 세트의 신호들은 다른 것인, 방법.

9. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 세트의 신호들은 동일한 것인, 방법.

10. 제1항에 있어서, 상기 제 1 구성에서의 신호들은 이미지 데이터를 나타내는 것인, 방법.

11. 제1항에 있어서, 상기 제 1 구성에서의 신호들은 비디오 데이터를 나타내는 것인, 방법.

12. 제1항에 있어서, 상기 제 2 구성에서의 신호들은 이미지 데이터를 나타내는 것인, 방법.

13. 제1항에 있어서, 상기 제 2 구성에서의 신호들은 비디오 데이터를 나타내는 것인, 방법.

14. 제1항에 있어서, 상기 신호들은 50%의 시간에서 상기 제 1 구성으로 되고, 50%의 시간에서 상기 제 2구성으로 되는 것인, 방법.

15. 제1항에 있어서, 상기 신호들은 50% 미만의 시간에서 상기 제 1 구성으로 되는 것인, 방법.

16. 제1항에 있어서, 상기 신호들은 50% 미만의 시간에서 상기 제 2 구성으로 되는 것인, 방법.

17. 제1항에 있어서, 상기 신호들은 이미지 프레임들 내에서 그룹화되는 이미지 데이터를 나타내며, 각 이미지 프레임은 한 번은 상기 제 1 구성에서, 그리고 한 번은 상기 제 2 구성에서 보내지는 것인, 방법.

18. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 신호 구성은 τ 미만의 시간에서 교번되는 것인, 방법.

19. 제1항에 있어서, 상기 리본은 상기 리본에서의 화학양론적인 질화규소 층에서 인장응력에 기인하여 인장되는, 방법.

요약서

MEMS 리본 장치를 구동하기 위한 의사 바이폴라 방법은 이 장치에서 충전 효과(charging effects)를 감소시킨다.

부록 D (US 7,286,277)

편광 광 모듈레이터(Polarization light modulator)

관련 출원

본 출원은 2004년 11월 26일에 출원된 US 10/904,766의 일부 계속출원인 2005년 8월 3일에 출원된 US 11/161,452의 일부 계속출원이고, 양 출원은 참조로 여기에 통합된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 영상 표시 장치 및 광 모듈레이터 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 광학 편광-민감 장치(optical polarization-sensitive devices)를 함유한 차등 간섭 광 모듈레이터 시스템(differential, interferometric light modulator systems)에 관한 것이다.

배경 기술

텔레비전 및 영화 프로젝터와 같은 디스플레이 장치들은 자주 광을 2차원 패턴 또는 이미지로 분배하기 위한 목적을 위해 모듈레이터를 결합한다. 예컨대, 영화 릴(reel)의 프레임들은 프로젝터 램프로부터의 백색광을 영화 스크린에서 이미지를 형성하는 형상 및 색상으로 바꾼다. 현대의 디스플레이에서 광 모듈레이터는 이 모듈레이터를 제어하는 전자 신호에 대해 이미지 내의 개별 픽셀들을 켜고 끄기 위해 사용된다.

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)는 그 표면에 수백개의 작은 미러(mirror)를 구비한 디지탈 미러 장치라 불리우는 마이크로 전자기계적 광 모듈레이터를 소개하였다. 각 미러는 이미지 내의 픽셀에 대응하며, 칩 내의 전자 신호들은 밝은 또는 어두운 픽셀들을 형성하도록 미러들이 광을 여러 방향으로 움직이고 반사하게 한다. 예컨대, 참조로 여기에 병합된 미국 특허 번호 4,710,732를 볼 것. Stanford University 및 Silicon Light Machines은 회절 격자들이 광을 밝거나 어두운 픽셀들 내로 회절시키기 위해 켜지고 꺼질 수 있는 격자 광 모듈레이터라 불리우는 마이크로 전자기계적 칩을 개발하였다. 예컨대, 참조로 여기에 병합된 미국 특허 번호 5,311,360을 볼 것.

디스플레이를 위한 이들 반사 및 편광 광 변조 체계는 광 모듈레이터 요소들의 2차원 어레이들을 수반한다. 그러나, 또한 광이 고속 광 모듈레이터들의 선형 어레이에 입사하는 디스플레이를 만드는 것은 가능하다. 적당한 확대 광학 및 스캐닝 미러들로 선형 어레이는 관찰자에게 2차원으로 보이도록 만들어질 수 있다. 진동하는 미러의 스캐닝 작용을 통해 단일 행(a single row)의 광 모듈레이터들은 동일 해상도의 리얼(real) 2차원 디스플레이를 제공하기 위해 필요할 만큼의 많은 행의 모듈레이터들의 작업을 하도록 만들어질 수 있다. 예컨대, 참조로 여기에 병합된 미국 특허 번호 5,982,553을 볼 것.

Manhart는 격자 광-밸브 어레이 및 간섭 광학 시스템을 구비한 디스플레이 장치를 소개하였다. 참조로 여기에 병합된 미국 특허 번호 6,088,102를 볼 것. Manhart에서 디스플레이 시스템은 디스플레이될 이미지를 표현하기 위한 공간 광 모듈레이터로서 평면(planar) 격자 광-밸브(GLV) 어레이를 사용한다. 이 시스템은 이미지 표현을 위해 상기 어레이의 평면에 평행한 평면들을 통해 움직이는 상기 GLV 어레이의 이동 가능한 반사 요소들의 위치에 의존한다. 이 이동 가능한 요소들은 사건 위상차 파면(an incident phase-contrast wavefront)으로부터 디스플레이될 이미지를 표현하는 반사 위상 변조 파형(a reflected phase-modulated wavefront)을 제공한다. 디스플레이된 이미지는 상기 위상 변조 파형을 또한 상기 사건 위상차 파면으로부터 직접 또는 간접적으로 형성된 기준 파면(a reference wave-front)과 간섭측정으로(interferometrically) 결합시킴으로써 제공된다.

많은 마이크로 전자기계적 광 모듈레이터는 디지털 이미징 기술과 호환될 수 있다. 디지털 정보는 전자적으로 모듈레이터로 보내질 수 있다. 예컨대, 그레이 스케일 이미지(gray scale images)는 픽셀들을 일부 시간(part time)만 켬으로써 실현될 수 있다. 50% 듀티 사이클로 브라이트(bright)에서 다크(dark)로 전환되는 픽셀은 관찰자에게 브라이트와 다크 사이의 중간에서(half way) 일정한 강도를 갖는 것처럼 보일 것이다. 그러나, 픽셀은 대략 30 Hz의 인간의 눈의 전형적인 깜박임 주파수 또는 깜박임처럼 보일 주파수보다 더 빠르게 브라이트 또는 다크 상태 사이에서 전환되어야 한다. 그러므로 디스플레이를 위한 이차원 디지털 광 모듈레이터는 브라이트와 다크 사이의 광 레벨들의 범위를 디스플레이하기 위해 그 상태들 사이에서 재빠르게 전환되어야 한다.

그것이 2차원으로 보이도록 만들기 위해 진동 미러에 의해 스캔되는 일차원 디지털 디지털 광 모듈레이터 어레이는 빠른 전환 속도로 모듈레이터들을 통합시켜야 한다. 각 모듈레이터 요소는 그레이 스케일의 인상(impression)을 제공하기 위해 재빠르게 온과 오프로 전환해야 하며, 이러한 작용은 미러의 스캐닝 기간 내에서 일 라인의(in a line) 각 픽셀에 대해 반복되어야 한다. 격자 광 모듈레이터 장치들은 그것들의 기계적 요소가 매우 짧은 거리만 이동하기 때문에 특히 높은 전환 속도를 드러낸다. 격자 광 모듈레이터는 교번 리본들(alternating ribbons)이 회절 격자를 형성하기 위해 정전기적으로 편향되는 병렬 리본 구조를 포함한다. 이 리본들은 격자를 스위치 온 또는 오프하기 위해 광의 1/4 파장의 거리를 움직이는 것만을 필요로 한다. 또한 일 또는 이차원 광 모듈레이터를 디지털 보다는 아날로그 모드로 작동하는 것이 가능하다 (그리고 많은 경우 바람직할 수 있다).

Gudeman은 격자 광 모듈레이터와 매우 유사한 기계적 구조에 기반한 간섭 광 모듈레이터(interferometric light modulator)를 제시하였다: 참고로 여기에 병합된 미국 특허 번호 6,466,354를 볼 것. Gudeman의 광 모듈레이터는 리본 구조에 기반한 Fabry-Perot interferometer의 형태이다.

전술한 Texas Instruments의 디지털 미러 장치 및 Stanford / Silicon Light Machines 격자 광 모듈레이터 장치에 의한 전형적인 마이크로 전자기계적 광 모듈레이터는 이미 넓은 상업적 성공을 거두었으며 다른 관련된 설계를 발생시켰다. 예컨대, 참조로 여기에 병합된 미국 특허 번호 6,724,515를 볼 것.

상기 디지털 미러 장치는 비교적 느리며, 따라서 보통 이차원 미러 어레이로서 공급된다. 보통 이차원 모듈레이터 어레이는 일차원 어레이보다 만드는 것이 더 비싸며 미러들에 대한 복잡한 어드레싱 체계를 요구한다. 이차원 어레이는 큰 칩 면적에 걸쳐 N x N 픽셀의 결합 없는 제작을 요구하는 반면에, 동일한 이미지 해상도를 가진 일차원 어레이는 단일 라인에서의 칩에 오직 N개의 작업 픽셀만을 요구한다.

격자 광 모듈레이터 장치는 매우 빠른 반면에, 회절에 기인하여 제한을 가진다. 격자 광 모듈레이터는 반사 상태 또는 구성 및 회절 상태를 가진다. 회절 상태에서 유입되는 광은 광 격자의 +1 및 -1 회절 차수(order)를 가진다. 그러나, 오직 광의 약 80%만이 이 두 차수에서 모인다.

많은 바람직한 특징을 가진 간섭 광 모듈레이터가 참조로 여기에 병합된, 2004년 11월 26일에 출원된 US 10/904,766 "차등 간섭 광 모듈레이터 및 이미지 디스플레이 장치"에서 개시되었다. 그 장치는 고속 및 고 콘트라스트(constrast)를 특징으로 한다. 간섭 설계는 광이 (회절 장치에서 문제로 될 수 있는) 보다 높은 회절 차수들에서 손실되지 않을 뿐만 아니라 그것이 비회절 광으로부터 회절되는 차별을 필요로 하는 것을 의미한다.

US 10/904,766에서 신규한 광 모듈레이터는 광빔들을 직교 편광(orthogonal polarization)의 성분으로 나누기 위해 편광 프리즘을 포함한다. 이 편광 성분들은 이 모듈레이터에서 동일하지 않은 거리를 이동하기 위해 만들어지며, 그리고 나서 상기 프리즘에 재결합된다. 하나의 편광 성분이 다른 성분에 대해 시프트된 위상으로 될 때, 상기 재결합된 빔의 전체적인 편광은 변환된다. 그후 재결합된 빔의 편광은 편광 빔 스플리터에 의해 분석된다. 편광 빔 스플리터로부터의 광 강도 출력은 차례로 편광 성분들의 상대적인 위상 시프트에 좌우되는 입사 광빔의 편광 상태에 좌우된다.

직교 편광 성분들의 초점을 맞추고 그것들을 설계된 요철면(an engineered, uneven surface)으로부터 반사하게 함으로써 모듈레이터에서 직교 편광 성분들에 위상 시프트가 부여된다. 이러한 위상 시프트 면은 광빔들이 반사에 따라 약간 다른 거리를 이동하도록 하는 약간 다른 변위의 영역들을 가진다. 그 리본들의 표면에서 반사되는 광빔들의 위상 시프트를 변조시키기 위해 사용되는 신규한 마이크로 전자기계적 시스템(MEMS) 리본 어레이 장치가 제공된다.

참조로 여기에 병합된, 2005년 8월 3일에 출원된 US 11/161,452 "차등 간섭 광 모듈레이터 및 이미지 디스플레이 시스템"에서 일반화되고 향상된 간섭 광 모듈레이터들이 개시되었다. 관측 시야(field of view)를 개선하기 위해 광학 편광 변위 장치, MEMS 광 위상 시프트 장치 및 보상 체계를 위한 설계가 기술되었다.

US 11/161,452에서 차등 간섭 광 모듀레이터 및 이미지 디스플레이 시스템은 편광 빔 스플리터, 편광 변위 장치 및 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 포함한다. MEMS 광 위상 시프팅 장치들의 선형 어레이는 디스플레이에서 일 라인의 픽셀들을 변조시키는 역할을 한다. 편광 빔 스플리터는 간섭계(interferometer)에서 편광기 및 분석기 모두로서 작용한다. 편광 변위 장치는 편광기로부터의 편광된 광을 서로 평행하게 전파하는 직교 편광 성분들로 분할한다. MEMS 광 위상 시프팅 장치 또는 그와 같은 장치들의 어레이는 편광 성분들에 상대적인 위상 시프트를 부여하며 그것들을 그것들이 재결합되고 분석기로 보내지는 편광 변위 장치로 리턴시킨다. MEMS 광 위상 시프팅 장치들은 전자적으로 제어되어 전자 이미지 데이터(광 변조 명령(light modulation instructions))를 실제의 광 변조로 변환시킨다.

그러나, 추가적인 개발은 항상 가능하다. 가능한 한 컴팩트한 편광 광 모듈레이터 디자인을 갖는 것이 바람직할 것이다. 명도 및 고 콘트라스트는 디스플레이의 중요한 특징이며 계속적인 개선을 필요로 한다. 헤드 장착 디스플레이(head-mounted displays)와 같은 몇몇 어플리케이션을 위해, 관찰자의 눈에 가까이 위치되도록 설계된 뷰어(viewer)가 요구된다.

도면의 간단한 설명

도 1A - 1D는 다양한 편광 분리 광학 요소들을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2A 및 2B는 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다.

도 3A 및 3B는 컴팩트한 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다.

도 4A 및 4B는 확대 뷰(close-up viewing)용으로 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다.

도 5A - 5C는 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6A 및 6B는 도 5A에서 도시된 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 7A 및 7B는 구멍을 가진 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 8은 도 7A에서 도시된 것보다 더 넓은 구멍을 가진 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

상세한 설명

디스플레이 시스템은 텍스트, 그래픽 및 다른 시각적 장면의 이미지를 형성하도록 광을 처리한다. 광 전파는 웨이브 특성 및 편광을 포함하는 현상들의 복잡한 변화를 수반한다. 관련 출원 US 10/904,766 및 US 11/161,452에서, 광 웨이브들의 위상을 시프트시키는 MEMS와 결합된 편광 간섭계들을 포함하는 새로운 클래스의 디스플레이 시스템들이 소개되었다.

이 새로운 시스템들에서 MEMS 광 위상 시프팅 장치들의 선형 어레이는 디스플레이된 이미지에서 일 라인의 픽셀들을 변조시키는 역할을 한다. 편광 빔 스플리터는 간섭계에서 편광기 및 분석기 모두로서 작용하는 한편, 편광 변위 장치는 편광기로부터의 편광된 광을 직교 편광 성분들로 분할한다. MEMS 광 위상 시프팅 장치 어레이는 편광 성분들에 상재적인 위상 시프트를 부여하고, 그것들이 재결합되어 분석기로 보내지는 편광 변위 장치로 그것들을 리턴시킨다. MEMS 광 위상 시프팅 장치들은 전기적으로 제어되어 전자 이미지 데이터(광 변조 명령들)을 실제의 광 변조로 변환시킨다.

US 10/904,766 및 US 11/161,452에서 개시된 간섭 광 모듈레이터에서, 편광 변위의 방향은 MEMS 광 위상 시프팅 장치에서 리본들 또는 캔틸레버(cantilever)들에 평행하다. 이것은 특별한 픽셀을 형성하는 광은 단일 리본 또는 캔틸레버의 다른 부분들로부터 반사된 광으로부터 온다는 것을 의미한다.

본 출원에서 직교 편광들이 MEMS 광 위상 시프팅 장치에서 리본들에 수직하게 변위되는 다른 광학 배치가 개시된다. 따라서, 디스플레이된 픽셀을 형성하는 광은 하나 이상의 리본 또는 캔틸레버로부터 반사된 광으로부터 온다. 또한 확대 뷰(close up viewing)용으로 콤팩트한 편광 광 모듈레이터들 및 디스플레이들에 대한 광학 설계가 여기에 개시된다. 고 전력 처리를 위한 최적화를 포함하는 MEMS 광 위상 시프팅 장치들에 대한 설계가 제시된다.

편광 광 모듈레이터 디스플레이는 디스플레이된 이미지에서 픽셀들을 변조시키기 위해 간섭(interferometry)에 좌우된다. 간섭은 차례로 건설적인 또는 파괴적인 간섭을 생성하기 위해 광의 위상을 다루는 것에 좌우된다. 편광 광 모듈레이터의 중요한 부분은 광의 편광 성분들 사이에서 상대적인 위상이 변화될 수 있도록 광의 편광 성분들을 분리시키는 장치이다.

도 1A - 1D는 다양한 편광 분리 광학 요소들을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1A - 1D에 나타낸 요소들은 관련 출원 US 10/904,766 및 US 11/161,452에서 소개되었다; 그러나, 부가적인 특징들이 여기에 기재된다.

도 1A에서 월라스톤(Wollaston) 프리즘이 나타나 있다. 도 2B는 하나의 초점 거리에서 떨어져서 놓여진 렌즈와 결합된 월라스톤 프리즘을 나타낸다. 도 1C는 사바르 플레이트(Savart plate)를 나타낸다. 도 1D는 일반화된 편광 변위 장치를 나타낸다.

도 1A에 나타낸 월라스톤 프리즘은 유입되는 광빔(102)을 직교하여 편광되는 성분들(112 및 114)로 쪼갠다. 광빔들(112 및 114)은 다른 각도에서 프리즘을 빠져나기기 때문에 서로 무한정으로 멀어지게 전파한다. 월라스톤 프리즘은 화살표(108 및 110)로 나타낸 바와 같이 향해지는 광축을 가진 두 피스의 재료(104 및 106)로 구성된다.

점선의 화살표(116)는 유입되는 광빔(102)에 수직한 월라스톤 프리즘의 병진(translation)이 광빔(112 및 114)의 상태를 변화시키는 것을 가리킨다. 병진은 빔들 사이의 위상 차이를 변화시키며, 따라서 간섭계의 세트 포인트(set point)를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 부가해서, 이 프리즘은 페이퍼의 평면에서 (즉, 페이퍼의 평면에 수직한 축에 대해) 기울어질 수 있다. 기울임은 분리각 θ에서 작은 조정을 만들기 위해 사용될 수 있다. 이러한 자유도(degree of freedom)는 MEMS 광 위상 시프트 장치에서 편광 변위를 하나의 리본에서 인접한 리본까지의 거리로 매칭시킬 때 유용하다.

도 1B는 월라스톤 프리즘으로부터 일 초점 길이 떨어져서 놓여진 렌즈(160)를 나타낸다. 이 상황은 시스템을 빠져나가는 직교 편광된 광빔(156 및 158)이 서로 평행한 것을 제외하고 도 1A에 나타낸 것과 유사하다. 편광 변위 장치들은 이러한 특성을 갖는 것이, 즉 광빔들이 서로 평행하게 그것들을 떠나는 것이 바람직하다. 그러한 방식으로 빔들은 MEMS 광 위상 시프팅 장치로부터의 반사에 따라 그것들의 경로를 되돌린다(retrace). 분리(d)는 d = fㆍθ에 따른 초점 길이 f와 분리각 θ와 관련되며, θ는 작은 각도이다.

가능할 때마다 두 광학 성분을 하나로 대체하는 것이 일반적으로 유리하다. 그와 같은 대체는 도 1C에 도시된 사바르 플레이트에 의해 실현된다. 사바르 플레이트는 그것에 입사하는 광의 편광 성분들에 횡 변위를 부여하는 결정적인 결정(walkoff crystal)의 실예이다. (월라스톤 프리즘은 편광 성분들에 각 분리를 부여하는 복굴절 프리즘(birefringent prism)의 실예이다.) 도 1C에서 입력 광빔(122)은 직교 편광 성분(132 및 134)으로 분할된다. 사바르 플레이트는 화살표(128 및 130)로 나타낸 것과 같이 향하는 광축을 가진 두 피스의 재료(124 및 126)로 구성된다. 화살표(130)는 그것이 페이지의 평면에 놓여져 있지 않다는 것을 가리키기 위해 점선으로 된다; 실제로, 그것은 페이지의 평면에 대해 45도 각도를 형성한다.

거리(L₁ 및 L₂)는 사바르 플레이트에서의 두께가 광빔(132 및 134)의 상태를 변화시킨다는 것을 가리킨다. 이들 두께는 간섭계의 세트 포인트를 특정하기 위해 설계될 수 있다. 부가해서, 그 플레이트는 페이퍼의 평면에서 (즉 페이퍼의 평면에 수직한 축에 대해) 기울어질 수 있다. 기울임은 분리 거리(d)에서 작은 조정을 만들기 위해 사용될 수 있다. 이러한 자유도는 MEMS 광 위상 시프트 장치에서 편광 변위를 하나의 리본에서 인접한 리본까지의 거리로 매칭시킬 때 유용하다.

일반적으로 그것이 도 1D에 나타낸 효과를 가지는 한 임의의 장치가 편광 변위 장치로서 사용될 수 있다. 유입되는 광빔(162)은 서로 직교하여 편광되는 두 평행 광빔(164 및 166)으로 분리된다. 동등하게, 만일 편광된 광빔(164 및 166)이 입력으로 간주된다면, 이 장치는 그것들을 하나의 빔(162)으로 결합시킨다. 그후 빔(162)의 편광은 빔들(164 및 166)의 편광 성분들의 상대적인 위상에 의해 결정된다.

여기에 그리고 US 10/904,766 및 US 11/161,452에 기재된 바와 같이, 편광 변위 장치는 렌즈에 결합된 월라스톤, Rochon 또는 Senarmont 프리즘, 사바르 프레이트 또는 그것의 변형, 또는 동일한 효과를 갖는 다른 광학 구성요소들로부터 만들어질 수 있다.

도 2A 및 2B는 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다. 도 2A 및 2Bㄴm는 수직 조망(perpendicular perspectives)으로부터 동일한 설계의 도면이다. 편의상 도 2A는 "상면"도로 언급될 수 있는 한편, 도 2B는 "측면"도로 언급될 수 있다.

양 도면에서, 소스(202)로부터의 광은 MEMS 광 위상 시프트 장치(MOPD)(220)에서 반사하기 전에 여러 광학 요소들을 통해 전파한다. MOPD(220)에서 소스(202)를 향하는 리턴 트립에서 광의 일부는 편광 빔 스플리터(206)에 의해 렌즈(208)를 향해 편향된다. 이것은 오직 도 2B에만 도시되어 있다; 도 2A에서 렌즈(208)는 편광 빔 스플리터(206) 뒤에 숨겨진다.

소스(202)로부터의 광은 다른 평면들에서 다른 위치들에 초점을 맞춘다. 예컨대, 도 2A에서 광은 소스(202)로부터 렌즈(204)를 향해 발산한다. 실제로 상기 소스는 광이 렌즈들(204 및 212) 사이에서 평행하게 되도록 상기 렌즈로부터 대략 일 초점길이 떨어져서 위치된다. MOPD(220)는 렌즈(212)가 광을 그것에 초점이 맞추어지도록 렌즈(212)로부터 대략 일 초점길이 떨어져서 위치된다. 그러나, 도 2B에서 수직방향으로 보아 소스(202)로부터의 광은 대략 평행하다. 그러므로, 이 광이 렌즈(204)를 통과하고 렌즈들(204 및 212)의 결합된 초점길이와 대략 동일한 거리를 이동하며 렌즈(212)를 통과한 후, 이 광이 MOPD(220)에 도달하면 그것은 대략 평행하게 된다.

동등한 설명은 MOPD(220)에서 광은 좁은 슬릿 형상의 단면에 초점이 맞추어진다는 것이다. MOPD(220)에서 광은 도 2A에서 페이퍼의 평면에, 그리고 도 2B에서 페이퍼의 평면에 수직으로 연장된다. 아래에 기재된 바와 같이, MOPD(220)에서 리본 어레이의 이렇게 연장된 조명(illumination)은 광의 효율적인 사용과 디스플레이에서 대응하는 고 명도(high brightness)를 위해 유리하다.

월라스톤 프리즘(210)과 렌즈(212)는 US 10/904,766 및 US 11/161,452에 기재된 바와 같이 편광 변위 장치를 형성한다. 따라서 편광 광 모듈레이터의 작동의 원리를 변경함이 없이 다른 편광 변위 장치들이 그것들 대신으로 대체될 수 있다.

도 2A 및 2B에서 연장된 초점 방향과 편광 변위 방향 사이의 공간 관계는 US 10/904,766 및 US 11/161,452에 기재된 이전의 설계와 다르다. 이전의 설계에서는 편광 변위 장치가 슬릿 형상의 단면의 긴 축에 수직한 방향으로 옵셋되는 슬릿 형상의 빔들로 광을 분리하였다. 여기서는 편광 변위 장치(즉, 월라스톤 프리즘 210 및 렌즈 212)는 슬릿 형상의 단면의 긴 축에 평행한 방향으로 옵셋되는 슬릿 형상의 빔들로 광을 분리한다. 이것은 MOPD(220)에서 거리(d)로 변위된 시스템 내의 광의 일부를 나타낸 도 2B에서 점선으로 표시되어 있다. 이 변위는 페이퍼의 평면에 수직하기 때문에 도 2A에서는 보이지 않는다.

MOPD(220)에 다다른 광의 편광 성분들은 MOPD에서 리본들에 수직으로 옵셋된다. 이것은 또한 예컨대 도 7A에 도시되어 있는 바, (진한 점선으로 경계지어진) 영역(734)은 리본들에 수직한 방향으로, 그리고 페이퍼의 평면에서 리본(506 또는 508)의 폭만큼 옵셋된 광의 직교 편광들을 둘러싼다.

도 2A 및 2B에서 만일 소스(202)가 라인 소스(line source)라면 유용하다; 그러나, 만일 그렇지 않다면 그것의 형상은 빔 형상의 광(optics)(미도시)으로 변경될 수 있다. 편광 빔 스플리터(206)는 편광 변위 장치 (월라스톤 프리즘 210 및 렌즈 212)와 MOPD(220)로 형성되는 간섭계에서 편광기 및 분석기 모두로 작용한다. 간섭계의 두 개의 암(arm)이 MOPD로, 그리고 그것으로부터 약간 다른 경로를 이동하는 광의 직교 편광에 의해 형성된다.

도 2A 및 2B에서 소스(202)는 렌즈(204), 편광 빔 스플리터(206), 월라스톤 프리즘(210) 렌즈(212) 및 MEMS 장치(220)와 직선을 이룬다. 편광 빔 스플리터(206)에 의해 렌즈(208)를 향해 반사된 광은 이차원 이미지를 창출하도록 스캐닝될 수 있는 라인 이미지를 형성한다. 그러나 렌즈(208)가 그것의 광을 광학 시스템 내로 초점을 맞출 위치에 광원을 위치시켜서 소스(202)가 나타낸 라인 이미지를 형성시키는 것은 전체적으로 가능하다. 이 두 개의 등가 배치 사이에서의 선택은 투과 대 반사에서 편광 빔 스플리터에 의해 실현되는 콘트라스트, 그리고 사용되는 광원의 형상과 같은 실제적인 사항들에 좌우된다.

도 3A 및 3B는 콤팩트한 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다. 도 3A 및 3B는 수직 투시(perspective)로부터의 동일 설계의 도면이다. 편의상 도 3A는 "상면"도로 언급될 수 있는 한편, 도 3B는 "측면"도로 언급될 수 있다. 이 도면들에서 소스(302)는 도 3A의 투시로부터 볼 때 MOPD(320)에 인접한 웨이스트(waist)로 모이지만 도 3B의 수직 투시로부터 볼 때 평행한 광을 제공한다. 적당한 소스의 실예들은 원통(cylinder) 렌즈들(미도시)에 의해 형성된 라인 소스 또는 점 소스를 포함한다.

PDD(311)는 그 용어가 US 11/161,453에서 정의된 바와 같이 "편광 변위 장치"이다. 그것의 기능은 유입되는 광빔 내의 직교 편광 성분들을 광의 두 평행한 빔으로 옵셋시키는 것이다. 편광 변위 장치의 실예는 렌즈에 조합된 월라스트 또는 Rochon 프리즘과 같은 편광 프리즘이다. MOPD(320)는 그 용어가 US 11/161,452에 정의된 바와 같이 "MEMS 광 위상 시프트 장치"이다. 많은 타입의 MOPD는 US 11/161,452에서 논의되었다. 하나의 MOPD의 상세사항은 도 5 - 8과 관련하여 여기서 논의된다.

도 3B에서 렌즈(308)는 MOPD(320)로부터 대략 일 초점길이 떨어져서 놓여진다. 이 렌즈는 도 3A에서 편광 빔 스플리터(306) 뒤에 숨겨져 있기 때문에 그 도면에서는 나타나 있지 않다. 또한 도 3B에는 렌즈(308)의 초점 평면에서 광 강도(I) 대 위치(X)의 그래프(330)가 그려져 있다. 즉, 그래프(330)의 점선의 X-축 및 MOPD(320)는 반대 방향이기는 하지만 모두 렌즈(308)로부터 대략 일 초점길이 떨어져 있다. 두 개의 강도 묘사(332 및 336)가 그래프(330)에 그려져 있다. 340은 이중-슬릿 구멍 또는 스톱(stop)이다.

그래프(330)의 점선의 X-축은 MOPD(320)에 대한 푸리에 평면에 놓인다. 따라서 예컨대, MOPD가 모든 다른 리본이 편향되는 사각 웨이브 패턴(a square wave pattern)으로 변조될 때, 푸리에 평면에서의 광 강도는 대략 묘사(332)에 의해 나타낸 것으로 될 것이다.

지금까지 기재된 편광 광 모듈레이터들에서 다크와 브라이트 상태 사이에서의 이용 가능한 콘트라스트는 주로 편광들 사이에서 차별하는 편광 빔 스플리터의 능력에 의해 결정된다. 이상적인 경우 하나의 편광의 모든 광은 편광 빔 스플리터에 의해 투과되는 반면에, 직교 편광의 모든 광은 반사된다. 그러나, 실제로 "틀린(wrong)" 편광에서 일부의 광은 본의 아니게 누설되거나 반사된다.

이중-슬릿 구멍 또는 스톱(340)은 편광 광 모듈레이터에서 콘트라스트를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 만일 구멍(340)이 렌즈(308)의 푸리에 평면에 놓인다면, 그것은 MOPD(320)가 변조되지 않을 때에는 광을 막지만 MOPD가 변조될 때에는 광을 통과시킨다. 이것은 편광 빔 스플리터(306)의 편광 차별(discrimination)에 의해 제공되는 콘트라스트를 증가시킨다.

그래프(330)의 점선의 X-축은 전체적으로 MOPD의 푸리에 평면에 놓인다; 그러나, 그것은 MOPD에서 변조되는 라인 이미지 내의 픽셀들에 대한 이미지 평면이 아니다. 렌즈(308)가 MOPD(320)로부터 일 초점딜이에 위치될 때 라인 이미지는 무한으로 형성된다. 이 이미지는 렌즈 메이커(lens-maker)의 공식 1/d₁ + 1/d₂ = 1/f에 따라서 렌즈를 MOPD에서 멀리 이동시킴으로써 렌즈에 더 가까이 가져올 수 있으며, d₁ 및 d₂는 렌즈로부터 측정된 이미지 및 MOPD까지의 거리이다. 대안으로 이미지는 추가 광학(optics)(미도시)으로 보여질 수 있다.

도 4A 및 4B는 확대 뷰를 위해 편광 광 모듈레이터에 대한 설계를 나타낸 것이다. 그와 같은 설계는 관찰자의 눈이 이 장치에 가까이 있는 헤드-장착 디스플레이에 적당하다.

도 4A 및 4B는 수직 투시로부터의 동일 설계의 뷰이다. 편의상 도 4A는 "상면"도로 언급될 수 있는 한편, 도 4B는 "측면"도로 언급될 수 있다. 그 도면들에서, 소스(402)는 도 4A의 투시로부터 보면 평행한 광이지만 도 4B의 수직 투시로 보면 렌즈(404)를 향해 발산하는 광을 제공한다. 도 4B에서 상기 소스는 렌즈(404)가 광을 시준시키도록 일 위치로부터 발산한다; 즉, 이 소스는 렌즈(404)로부터 대략 일 초점길이 떨어져 있다. 적당한 소스의 실예들은 원통 렌즈들(미도시)에 의해 형성된 라인 소스 또는 점 소스를 포함한다.

이 도면들에서 항목 406은 또한 스캐닝 미러로서 작용하는 얇은 편광 빔 스플리터이다. 그것은 도 4B에서 페이퍼에 수직한 축(미도시)에 대해 회전될 수 있다. 도 4B에서 얇은 편광 빔 스플리터(406)에 가까이 있는 곡선의 화살표는 적당한 스케닝 모션을 가리킨다. 렌즈(407)는 MOPD(420)로부터 대략 일 초점길이 떨어져서 위치된다; 항목 411은 편광 변위 장치이다.

도 4A의 투시로부터 보아 광은 렌즈들(404 및 407) 사이에서 웨이스트(waist)에 초점이 맞추어지는 한편, 도 4B의 수직 투시에서는 이 두 렌즈 사이에서 평행하게 남아 있다. 이 초점은 얇은 편광 빔 스플리터(406)의 위치와 일치할 필요가 없다.

항목 424와 같이 관찰자의 눈이 도 4B에 개략적으로 그려져 있다; 눈의 렌즈는 항목 426이다. 렌즈(407)가 MOPD(420)로부터 일 초점길이에 위치될 때 MOPD의 이미지는 무한대로 보인다. 그러나, 관찰자의 눈(424)의 렌즈(426)는 쉽게 보기 위해 눈의 뒤에서 망막에 이미지를 형성한다. 이 이미지는 MOPD에서 전자적으로 제어되는 위상 시프팅 표면들의 선형 어레이에 의해 변조되는 광의 얇은 시트로부터 발생하는 라인 이미지이다. 얇은 편광 빔 스플리터(406)가 회전하면, 라인 이미지는 관찰자의 눈의 망막을 가로질러 이동한다. 이 스캐닝 모션은 라인 이미지로부터 이차원 이미지를 창출하기 위해 사용된다.

도 5A - 5C는 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 5B 및 5C는 표시된 라인들을 따른 도 5A의 단면이다. 도 5A - 5C에서 항목 502는 기판 또는 서포트 베이스이다; 504는 엔드 서포트이다; 510은 중간 서포트이다. 항목 506 및 508은 리본 구조이다; 506은 중간 서포트들에 의해 지지되는 리본인 반면에, 508은 중간 서포트가 없는 리본이다. 도 5A - 5C에는 오직 8개의 리본이 나타나 있지만 실제의 장치는 수백 또는 수천의 리본을 포함할 수 있다. 이 도면은 오직 개략적인 것이다.

도 5B는 도 5A에서 "5B"로 마크된 단면에서 기판과 리본들 사이에 서포트가 없다는 것을 나타낸 것이다. 반대로 도 5C는 도 5A에서 "5C"로 마크된 단면에서 모든 다른 리본을 위해 서포드들이 있다는 것을 나타낸 것이다. 도 5A에서 단면 "5C"들은 리본들의 단부들로부터 대략 1/3의 길이에 마크된 것이며, 이것은 바람직한 배치이다; 그러나, 다른 설계도 가능하다. 오직 모든 다른 리본은 서포트 또는 다른 수단에 의해 보강되고, 광이 리본들에 의해 반사되는 중앙부는 서포트가 없는 것이 중요하다.

도 5A - 5C에 나타낸 타입의 장치들은 US 10/904,766에 기술된 바와 같은 표준 MEMS 제조 공정들을 사용하여 구성될 수 있다. 비록 이 도면들은 축척으로 그려진 것은 아니지만 리본들은 일반적으로 일 미크론과 백 미크론의 길이 사이에 있는 것을 주목함으로써 전형적인 장치의 크기를 인식할 수 있다; 그것들은 대략 0.05 내지 0.5 미크론 정도만큼 향해 유연하다.

도 6A 및 6B는 각각 "6A" 및 "6B"로 마크된 단면에서 도 5A에 도시된 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 6A 및 6B에서 번호가 메겨진 모든 항목들은 도 5A 및 5B에서 동일하게 메겨진 항목에 대응한다. 전압 신호 또는 소스(610)는 도 5에서는 도시되지 않았다.

리본(508)에 의해 예시된 바와 같이, 전압이 오직 그것의 단부들에서만 지지되는 리본에 인가되면, 이 리본은 기판을 향해 구부러진다. 리본이 편향되는 거리(D)는 대략 도 2 - 4의 편광 광 모듈레이터들의 MOPD의 정상적인 작동에서 광의 1/4 파장길이이다. 리본(506)에 의해 예시된 바와 같이, 반대로 전압이 중간 서포트들에 의해 지지되는 리본에 인가되면, 이 리본은 지지되지 않는 경우에서보다 훨씬 작게 구부러진다. 도 6B에서 리본(506)은 전혀 구루러지지 않는 것으로 그려져 있다; 실제로 그것은 약간 구루러질 수도 있다. 그러나, 편향은 서포트들 사이에서의 거리의 비선형 함수이므로 그것은 지지되고 지지되지 않는 리본들에 대해 매우 다를 수 있다.

교번 리본들(alternating ribbons)을 보강하기 위해 서포트를 사용하는 이점은 각 리본이 동일 두께로 될 수 있고 동일 재료로 만들어질 수 있다는 것이다. 그러나 최종 결과가 동일하게 남아있다면 서포트 이외의 대안 방법이 사용될 수 있다; 교번 리본들은 인가된 전압의 영향 하에서 다른 양으로 편향된다.

도 7A 및 7B는 구멍(aperture)을 가진 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 7A는 도 5A에 나타낸 뷰와 유사한 MOPD의 뷰를 나타낸 것인 반면에, 도 7B는 도 6A의 것과 유사한 뷰를 나타낸 것이다. 그러나 도 7에서 구멍(722)은 리본 구조 위에 놓여져 있다.

도 7에서 항목 502 - 610은 도 5 및 6에서 동일하게 번호가 메겨진 항목과 동일하다. 항목 710은 스페이서이다. 항목 720 및 722는 불투명한 코팅(722)을 가진 투명한 시트(720)로부터 구멍 구조를 형성한다. 도 7A에서 구멍 구조(720/722)는 절개 뷰 내에 나타나 있다. 730으로 표시된 해칭된 영역과 점선은 MOPD에 입사하는 연장된 광빔의 대략적인 범위(extent)를 나타낸 것이다. 또한 광선(731)들은 전파의 방향에 수직한 방향으로부터 본 것과 같은 광빔을 나타낸다.

경계지어진 영역(732)은 구멍 구조(720/722)를 통과하여 MOPD의 리본들에 입사하는 광의 횡방향 범위를 나타낸다. 경계지어진 영역(732) 내에서 진한 점선 테두리로 묘사된 지역(734)은 반사된 광이 도 2 - 4에 도시된 모듈레이터들 중의 어느 것과 같은 하나의 편광 광 모듈레이터로부터의 라인 이미지 출력에서 단일 픽셀을 구성하는 MOPD의 일부를 나타낸 것이다.

구멍 구조(720/722)는 라인 이미지에 기여하지 않을 흩어진 광이 MOPD 리본들에 의해 반사되는 것을 방지한다. 바람직하게 이 구멍은 그것으로부터 반사하는 광의 편광에 영향을 주지 않는다. 도 7에서 이 구멍은 유리와 같은 투명 기판에 패턴화된 불투명한 코팅에 의해 형성되는 것으로 나타나 있다; 그러나, 동일한 기능을 수행하지만 또 다른 방식으로 형성되는 구멍도 또한 받아들일 수 있다. 이 구멍은 스페이서(710)에 의해 MOPD의 리본들로부터 분리된다. 이 구멍을 가까운 필드(the near field)에서 유지하기 위해 스페이서 두께는 ~W²/λ미만이어야 하며, W는 구멍의 크기이고 λ는 광의 파장이다.

지역(734)은 반사된 광이 라인 이미지에서 단일 픽셀을 형성하는 리본 장치의 지역을 나타낸다. 지역(734)은 이 도면에서 대략 정사각형인 것으로 나타나 있지만, 그것은 실제로 직사각형일 수 있다. 이 지역의 일 측면의 길이는 구멍 (720/722)의 개방된 슬롯의 폭에 의해 설정된다. 이 지역의 수직한 측면의 길이는 MOPD에서의 두 리본의 폭과 동일하다. 도 2 - 4의 편광 광 모듈레이터들 내의 PDD는 MOPD에 입사하는 광의 하나의 편광에 대해 옵셋을 제공한다는 것을 회상하자. 이 옵셋의 크기는 도 1B - 1D, 2B에서 "d"로, 그리고 도 3B 및 4A에서 점선으로 나타나 있다.

편광 광 모듈레이터는 이 옵셋이 MOPD의 한 리본의 폭과 매칭되도록 설계된다. 그런 방식으로 편광 광 모듈레이터 내의 간섭계는 MOPD 내의 인접한 리본들에 의해 반사된 광의 위상과 비교한다. 인접한 쌍의 리본들 중의 하나는 움직이는 반면에 다른 하나는 정지되어 남아있기 때문에, 이 리본들에 의해 반사되는 광의 위상은 4πD/λ만큼 변하며, D는 움직이는 리본의 변위이고 λ는 광의 파장이다.

도 8은 도 7A에 도시된 것보다 더 넓은 구멍을 가진 MEMS 광 위상 시프팅 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 8에서 경계지어진 영역(832)은 도 7의 대응하는 경계지어진 영역(732)에 대략 2배만큼 넓게 그려져 있다; 영역(834)은 정사각형(734) 대신에 직사각형으로 유사하게 표시된다. 이 도면은 이 지역들의 정확한 종횡비를 예시하는 것을 뒷받침하지 않는다; 그러나 다른 종횡비를 사용할 가능성이 중요하다. 광빔 단면(830)은 대응하는 빔(730)보다 더 작은 연장된 형상을 가진다.

도 8에서 MOPD에입사하는 광과 동일한 다른 모든 것들은 도 7A에서의 것보다 더 넓은 지역에 걸쳐 퍼진다. 그러므로 만일 재료 한계가 MOPD에 떨어지는 광의 강도(단위 면적당 파워)를 제한하는 것을 필요하게 만든다면, 도 7A의 것과 비교하여 더 큰 파워가 도 8의 MOPD에 적용될 수 있다. 도 8은 더 큰 파워 처리 용량을 가진 설계, 그러므로 도 7A에서보다 더 밝게 디스플레이되는 이미지로 이끌 수 있는 것을 나타낸다. 유입되는 광빔은 원통 광학(cylinder optics)의 사용을 통해 도 8에서와 같은 더 넓은 구멍 슬롯과 함께 작동하기 위해 확장될 수 있다.

여기에 기재된 편광 광 모듈레이터들은 광을 선형 어레이 MOPD 위의 연장된 빔 단면에 초점을 맞춘다. 직교 편광은 이 연장된 빔 단면의 장축에 평행하게 변위된다. 고 명도 및 콘트라스트를 위해 최적화된 콤팩트한 모듈레이터 설계가 기재되었다.

통상의 기술자는 여기서의 실시예의 개시로부터 쉽게 이해할 것이므로, 여기에 기재된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 실현하는, 현재 존재하거나 후에 개발될 공정, 기계, 제조, 수단, 단계는 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부 청구항들은 그와 같은 공정, 기계, 제조, 수단, 방법 또는 단계가 그것들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

시스템 및 방법의 예시된 실시예들의 상기 기재는 총망라하도록 의도된 것이거나 시스템 및 방법들을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것이 아니다.

시스템 및 방법들의 특정 실시예들 및 실예들은 예시적인 목적을 위해 여기에 기재된 것이지만, 관련 기술의 통상의 기술자가 인식할 것과 같이 본 시스템 및 방법들의 범위 내에서 다양한 등가 변형이 가능하다. 여기서 제공된 시스템 및 방법들의 교시는 전술된 시스템 및 방법들을 위해서 뿐만 아니라 다른 시스템 및 방법들에도 적용될 수 있다.

일반적으로, 아래의 청구항들에서 사용되는 용어는 시스템 및 방법들을 명세서 및 청구항들에 개시된 특정 실시예들로 제한하도록 유추해서는 안되며, 청구항들 하에서 작동하는 모든 시스템을 포함하도록 유추해야 한다. 따라서, 본 시스템 및 방법들은 본 개시에 의해 제한되는 것이 아니라 본 시스템 및 방법들의 범위가 청구항들에 의해 전체적으로 결정되어야 한다.

청구범위

1. 편광 빔 스플리터;

편광 변위 장치; 및

MEMS 광 위상 시프트 장치;를 포함하고,

광은 상기 MEMS 광 위상 시프트 장치의 리본들에 수직으로 향해지는 연장된 단면의 빔에서 상기 MEMS 광 위상 시프트 장치에 도달하기 전에 상기 편광 빔 스플리터 및 상기 편광 변위 장치를 통해 전파하는, 편광 광 모듈레이터.

2. 제1항에 있어서, 상기 편광 변위 장치는 광의 직교 편광들을 상기 연장된 단면의 종축에 평행한 qkedgid으로 옵셋시키는, 모듈레이터.

3. 제2항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 또한 스캐닝 미러로서 기능하는, 모듈레이터.

4. 제2항에 있어서, 상기 모듈레이터로부터의 라인 이미지 출력은 관찰자에 의한 확대 보기에 대해 거의 무한으로 초점이 맞추어지는, 모듈레이터.

5. 제2항에 있어서, 흩어진 광이 상기 MEMS 광 위상 시프트 장치에 도달하는 것을 막는 구멍을 더 포함하는, 모듈레이터.

6. 제2항에 있어서, 라인 이미지에서 콘트라스트를 향상시키는 이중-슬릿 구멍을 더 포함하는, 모듈레이터.

7. 제2항에 있어서, 상기 MEMS 광 위상 시프트 장치는 교번 강성(alternating stiffness)의 리본들을 포함하는, 모듈레이터.

8. 제2항에 있어서, 상기 MEMS 광 위상 시프트 장치는 그 단부들에서 지지되고 교번 리본들(alternating ribbons)이 중간 서포트들에 의해 더 지지되는 리본들을 포함하는, 모듈레이터.

요약서

편광 광 모듈레이터는 편광 빔 스플리터가 편광기 및 분석기의 역할을 하는 간섭 설계에 기반한다. 편광 변위 장치는 광빔들의 연장된 단면의 장축에 평행한 직교 편광 광빔들을 시프트시킨다. 위상 시프트는 선형 어레이 MEMS 광 위상 시프트 장치들에 의해 직교 편광 빔들에 부여된다. 광 모듈레이터의 출력은 이차원 이미지를 형성하도록 스캐닝될 수 있는 라인 이미지이다. 명도, 콘트라스트 및 디자인의 전체적인 컴팩트화를 향상시키기 위한 특징들이 개시된다.

Claims

패턴 프로젝터;
카메라; 및
휴대 기기 드라이버/인터페이스;를 포함하고,
상기 프로젝터, 카메라 및 드라이버/인터페이스는 휴대 전자 기기 내로 통합되며,
상기 프로젝터는 디지탈 선형-어레이 MEMS 리본 광 모듈레이터 및 오직 하나의 차원에서 공간 변화를 가지는 2차원 이미지들을 투사하는 렌즈 시스템을 포함하고,
상기 MEMS 리본 광 모듈레이터는 상기 드라이버/인터페이스로부터의 디지탈 전자 신호에 의해 구동되며, 상기 신호는 사인파의 펄스 밀도 변조 표시(a pulse density modulation representation)를 나타내고, 상기 사인파는 시간 주기(temporal period)에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 주기당 세 번 상기 이미지들을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제2항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 3개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기의 애플리케이션 프로세서에 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 주기당 4번 상기 이미지들을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제4항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 4개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기의 애플리케이션 프로세서에 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 펄스 밀도 변조 표시는 상기 사인파를 적어도 64번 오버샘플링(oversampling)하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 디지탈 전자 신호들은 순환 메모리 버퍼(circular memory buffer)에 저장되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제7항에 있어서,
상기 이미지들은 상기 메모리 버퍼 내로의 상대적인 옵셋(relative offsets)에 의해 선택되는 공간 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제7항에 있어서,
상기 어레이의 인접한 활성 리본들을 위한 신호는 상기 메모리 버퍼 내의 옵셋 메모리 어드레스(offset memory addresses)로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 상기 카메라에 의해 보여질 때 상기 이미지들이 정현파 시간 강도 변화(sinusoidal temporal intensity variation)를 가진 것처럼 보이도록 통합 시간(integration time)을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 디지탈 전자 신호들은 CMOS 로직 레벨들과 호환 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 디지탈 전자 신호들은 모의 바이폴라 MEMS 드라이브 체계(pseudo bipolar MEMS drive scheme)를 따르는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 디지탈 전자 신호들은 리본 비선형 변위 특성(ribbon nonlinear displacement characteristics)의 이점을 취하기 위해 직렬로 부가된 DC 바이어스(bias) 전압 및 저압 리본 제어 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 선형-어레이 MEMS 리본 광 모듈레이터는 N개의 활성 리본들 및 K개의 어드레싱 라인(addressing line)들을 가지며, N은 K의 정수배(integer multiple)인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제14항에 있어서,
상기 이미지들은 공간 주기의 N/K 사이클들에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 롤링(rolling) 셔터 CMOS 카메라인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 카메라는 구형(global) 셔터 카메라인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로젝터는 다이오드-레이저 적외선 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로젝터는 적외선 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로젝터 및 카메라는 공통(common) 타이밍 신호를 공유하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로젝터 및 카메라는 100% 미만의 작동 듀티 사이클을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프로젝터는 3mm x 6mm x 10mm의 체적 또는 더 작은 체적 내에 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 깊이 데이터를 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 최근의 카메라 샘플들의 유한 임펄스 응답 필터 함수(finite impulse response filter function)에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대 전자 기기는 셀 폰(cell phone)인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제1항에 있어서,
상기 휴대 전자 기기는 태블릿 컴퓨터인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
패턴 프로젝터;
카메라; 및
휴대 기기 드라이버/인터페이스;를 포함하고,
상기 프로젝터, 카메라 및 드라이버/인터페이스는 휴대 전자 기기 내로 통합되며,
상기 프로젝터는 공간 광 모듈레이터 및 오직 하나의 차원에서 공간 변화를 가지는 2차원 이미지들을 투사하는 렌즈 시스템을 포함하고,
상기 광 모듈레이터는 상기 드라이버/인터페이스로부터의 전자 신호들에 의해 구동되며, 상기 신호들은 사인파를 나타내고, 상기 사인파는 시간 주기(temporal period)에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 광 모듈레이터는 수직-캐비티 표면-발광 레이저들(vertical-cabity surface-emitting lasers)의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 광 모듈레이터는 강유전성 액정들(ferroelectric liquid crystals)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 광 모듈레이터는 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 프로젝터는 디지탈 데이터 신호들에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 프로젝터는 아날로그 데이터 신호들에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 카메라는 주기당 3번 상기 이미지들을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제33항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 3개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 카메라는 주기당 4번 상기 이미지들을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제35항에 있어서,
상기 휴대 기기 드라이버/인터페이스는 4개의 가장 최근의 카메라 샘플에 기초하는 깊이 데이터를 상기 휴대 전자 기기 내의 애플리케이션 프로세서에 제공하는 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 카메라는 롤링 셔터 CMOS 카메라인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.
제27항에 있어서,
상기 카메라는 구형 셔터 카메라인 것을 특징으로 하는 3차원 깊이 캡처 시스템.