JP4377171B2

JP4377171B2 - 空間光変調器

Info

Publication number: JP4377171B2
Application number: JP2003197081A
Authority: JP
Inventors: 拓哉塚越; 次郎吉成
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: JP2005037441A; US20060158754A1; WO2005006053A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロミラーアレーを用いて、焦点を可変としたり、あるいは光強度分布を調整するようにした空間光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子自体に焦点距離の調節機能を持たせた可変焦点光学素子については従来から様々な提案がなされている。
【０００３】
このような可変焦点光学素子のうち、可変焦点ミラーについては、シリコンダイヤフラムに膜厚分布を与えて、焦点距離可変の放物面状の凹面鏡を形成したものがある。
【０００４】
又、従来、光強度がガウシアン分布の入射光に対して、光強度分布を均一に変調するという要請がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記可変焦点ミラーは、シリコンダイヤフラムを用いているため、焦点距離の切換えに時間がかかり、応答性が悪いという問題点がある。
【０００６】
又、光強度がガウシアン分布の入射光に対して、光強度分布を均一に変調するために、特殊な屈折率分布を有するレンズを用いたりしなければならず、コストが高くなるという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、迅速に焦点位置を変化させることができる空間光変調器を提供することを目的とする。
【０００８】
又、レンズを用いることなく、光強度分布を変調することができるようにした空間光変調器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意研究の結果、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：商標）と称される空間光変調器におけるマイクロミラーに反射角度分布を与えることによって、反射光の焦点距離を迅速に切換え可能であり、反射率分布を与えることにより均一な光強度分布を得ることができることを見出した。
【００１０】
即ち、以下の本発明により上記目的を達成することができる。
【００１２】
（１）基板上に、複数のマイクロミラーをアレー状に配列し、各マイクロミラーの反射面の傾きを、前記基板との間に作用する静電引力により一方又は他方の反射角の状態に独立制御可能な空間光変調器であって、前記マイクロミラーアレーの前面に、マイクロミラーと同数、且つ、同ピッチでマイクロアパーチャが形成されたマスクプレートが配置され、前記マイクロアパーチャは前記マイクロミラーよりも小さな面積とされ、前記マイクロミラーは、少なくとも一方の反射角の状態のとき、前記マスクプレートとの平行面から傾斜し、この傾斜角度が、マイクロミラー毎に調整されることにより前記マイクロミラーアレーに反射率分布を与えたことを特徴とする空間光変調器。
【００１３】
（２）前記反射率分布は、前記一方の反射角の状態のときに、光強度がガウス分布の入射光を均一な光強度分布の反射光とするように、ガウス分布とほぼ反比例するように設定されたことを特徴とする（１）の空間光変調器。
【００１４】
（３）前記マイクロミラーの表面に設けられた反射率変調膜の膜厚がマイクロミラー毎に調整されることにより、前記反射率分布が与えられていることを特徴とする（１）又は（２）の空間光変調器。
【００１７】
（４）前記マイクロミラーアレーは、マイクロミラー毎に、その周囲に非反射領域が設けられ、又、前記マイクロミラーアレーの前面には、マイクロアパーチャが、前記マイクロミラーと同ピッチで形成されたマスクプレートが配置され、該マスクプレートは、前記マイクロミラーに対するマイクロアパーチャの重なり面積が変化するように変位可能とされ、これにより実質的に、前記マイクロミラーの反射率分布を与えるようにされたことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかの空間光変調器。
【００１８】
（５）前記マスクプレートは、前記マイクロミラーアレーの表面と平行に配置され、且つ、前記表面と直交する軸線廻りに回転角度自在とされたことを特徴とする（４）の空間光変調器。
【００１９】
（６）前記マスクプレートは、前記マイクロミラーアレーの表面と平行な軸線廻りに回転角度調節自在とされたことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかの空間光変調器。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、本発明の実施の形態の第１例に係る空間光変調器（以下、ＳＬＭ）１０は、基板１２上に、多数のマイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…１４Ｉを、メモリーセル１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、…１６Ｉに対応してアレー状に配列し、各マイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…を前記メモリーセル１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、…との間に作用する静電引力の印加又は解除により、選択的に２つの反射角の一方又は他方の状態となるようにしたものであって、前記マイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…で構成されるマイクロミラーアレー１４は、図１（Ａ）に示されるような、前記一方の反射角の状態のときに、入射するコリメート光Ｃに対して、反射光を一点に収束させ、且つ、前記他方の反射角の状態のときは、図１（Ｂ）に示されるように、コリメート光Ｃに対して、反射光を発散させるように、反射角度分布が与えられている。
【００２２】
図１における符号１８は制御装置であり、メモリーセル１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、…の各々を介して、マイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…を、同時に、前記一方の反射角の状態又は他方の反射角の状態となるように制御するものである。
【００２３】
このＳＬＭ１０は、制御装置１８によって、マイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…の姿勢を、一方から他方の反射角となるように迅速に切換えることができる。
【００２４】
上記マイクロミラー１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、…の反射角度分布は、例えば、基板１２を可撓性材料により構成して、マイクロミラーアレー１４を形成してから、例えば凹球面に湾曲することによって形成させる。
【００２５】
なお、本発明は、前記一方の反射角の状態のときに反射光を一点に収束できれば、他方の反射角の状態は、発散反射光を形成する場合に限定されない。
【００２６】
次に、図２に示される、本発明の実施の形態の第２例に係るＳＬＭ２０について説明する。
【００２７】
このＳＬＭ２０は、マイクロミラーアレー２４を構成するマイクロミラー２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、…の各々に反射率分布を与えたものである。
【００２８】
マイクロミラー２４Ａ、２４Ｂ、…は、通常図３に示されるように、Ａｌ層２６により構成されていて、このＡｌ層２６の表面に、膜厚に応じて反射率を変調する材料、例えばＡｕ薄膜２７を設け、このＡｕ薄膜２７に膜厚分布を与えることにより反射率分布を形成する。
【００２９】
Ａｕ薄膜２７の場合、Ａｌ層２６が充分厚ければ、膜厚と光学特性（反射率、透過率、吸収率）との関係は、図４に示されるようになり、Ａｕ薄膜２７の膜厚分布によりマイクロミラー２４Ａ、２４Ｂ、・・・の反射率分布を形成することができる。この場合、Ａｕ薄膜２７は厚い程、Ａｌ層２６の反射率を低下させることになる。
【００３０】
例えば、光強度がガウシアン分布（強度が１／ｅ²となるビーム径が２０mm）の入射光（図５の実線参照）を、均一な光強度分布の反射光とするためには、図５において一点鎖線で示されるように、入射光のビーム中心から離れる程、Ａｕ薄膜２７を薄くして反射率分布を与える。これにより、図５において破線で示されるように、反射光の強度分布が均一となる。
【００３１】
又、マイクロミラーの反射率分布は、図６に示されるように、例えばガラス（Ｂｋ７）からなるミラー基板２８上に形成されるＡｌ薄膜２９の膜厚分布により形成してもよい。
【００３２】
この場合、Ａｌ薄膜２９の膜厚が大きいとき反射率が大きくなって、反射率分布が形成される。Ａｌ薄膜２９の厚さと光学特性（反射率、透過率、吸収率）との関係は、図７に示されるようになる。
【００３３】
図８に示されるように、光強度がガウシアン分布（強度が１／ｅ²となるビーム径が２０mm）の入射光（実線）は、一点鎖線で示されるようにＡｌ薄膜２９の厚さを、図５と反対に、入射光ビームの中心から離れる程厚くすると、破線で示されるような均一な光強度分布の反射光が得られる。
【００３４】
なお、図６、図８に示されるように鏡面を構成する金属薄膜の厚さにより反射率分布を形成する場合は、ミラー基板２８の表面の反射率が高いときは、その影響により所望の反射率分布を得ることができない。
【００３５】
この場合は、例えば図９に示されるように、金属薄膜（Ａｌ薄膜を含む）２９Ａとミラー基板２８との間に、例えばフタロシアニン色素と紫外線硬化樹脂との混合物からなる光吸収層２９Ｂを形成するとよい。金属薄膜の材料は、Ａｌの他に、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ等がある。
【００３６】
マイクロミラー２４Ａ、２４Ｂ、…の反射率分布は、前記Ａｕ薄膜２７あるいは金属薄膜（Ａｌ薄膜を含む）２９Ａの膜厚分布に対応することになるが、この膜厚分布は、例えば次のように形成する。
【００３７】
まず、小さな単位エリア（例えば一辺が１２μｍの正方形）に分割されたパターンを持つマスク（ディザマスク）を用い、この単位エリアの平均的な透過率に変化を与えて中間調の露光を可能にし、加工形状に応じた露光分布を持つフォトマスクを製作する。
【００３８】
このフォトマスクを用いて、Ａｌ層２６上に予め厚く形成されたＡｕ薄膜２７等を、通常の露光、エッチングの過程を経て、マイクロミラー毎にエッチング深さを変調して、所定の膜厚分布を得る。
【００３９】
上記膜厚分布は、前述の如く、マイクロミラーアレーに反射率分布を与えるものであり、この反射率分布は、例えば、光強度がガウス分布の通常の入射光に対して、反射光における光強度の分布が均一となるようにする。
【００４０】
なお、前記Ａｕ薄膜、Ａｌ薄膜は、これに限定されるものでなく、膜厚により反射率を変調できる反射率変調膜であればよい。
【００４１】
図１０に示される本発明の実施の形態の第３例に係るＳＬＭ３０は、凹曲面状の基板３２にマイクロミラー３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、…を形成したものである。又、凸曲面にマイクロミラー３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、…が形成されるようにしてもよい。これらは、可撓性の基板上にマイクロミラーを形成してから、該基板を曲面状とすればよい。
【００４２】
前記凹曲面の場合、コリメート光を反射して収束させるときに、その焦点距離をより短くすることができる。
【００４３】
次に、図１１に示される、本発明の実施の形態の第４例に係るＳＬＭ４０について説明する。
【００４４】
このＳＬＭ４０においては、マイクロミラー４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、…の反射率分布を、マイクロミラー毎の反射面積を調節することによって与えている。
【００４５】
具体的には、基板４２におけるマイクロミラーアレーの前面に、マイクロミラー４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、…と同数、且つ、同ピッチでマイクロアパーチャ４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、…が形成されたマスクプレート４６が前記マイクロミラーアレーの表面に対して前記表面と平行な軸線廻りに回転角度調節自在に配置され、該マイクロアパーチャ４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、…は前記マイクロミラー４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、…よりも小面積とされ、これらマイクロミラー４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、…は、一方の反射角の状態のとき、前記マスクプレート４６との平行面と平行又は傾斜され、その角度が、マイクロミラー毎に調整されることによって、前記のように、反射面積分布が与えられている。
【００４６】
反射面積と反射率分布との関係は、図１２に示されるように、マイクロアパーチャ４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、…を通った入射光が、その背後のマイクロミラー４４によって反射されたとき、反射光の一部がマスクプレート４６に遮られるので、入射光のビーム径に対して反射光のビーム径が、傾斜角度に応じて小さくなる。
【００４７】
従って、マスクプレート４６の、マイクロミラー４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、…に対する傾斜角度を調整することによって、反射率分布を与えることができる。
【００４８】
なお、前記実施の形態の第４例に係るＳＬＭ４０は、マスクプレート４６の、マイクロミラーアレーに対する傾斜角度が固定であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、傾斜角度を可変として、各マイクロミラーの反射面積、即ち実質的な反射率分布を得るようにしてもよい。
【００４９】
次に、図１３を参照して、本発明の実施の形態の第５例に係るＳＬＭ５０について説明する。
【００５０】
このＳＬＭ５０は、実施の形態の第４例の場合と同様に、マイクロミラー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、５４Ｄ、５４Ｅ、…の反射面積分布を与えることによって、反射率分布を得るものである。
【００５１】
前記マイクロミラー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、…は、図１３に示されるように、各マイクロミラー毎に、その周囲に非反射領域５８が設けられ、又、マイクロミラーアレーの前面には、前記非反射領域の内側のマイクロミラー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、…よりも小面積のマイクロアパーチャ５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ、５６Ｄ、５６Ｅ、…が、前記マイクロミラー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、…と同ピッチで形成されたマスクプレート５６が配置された構成となっている。
【００５２】
前記マスクプレート５６は、前記マイクロミラーアレーの表面に正面から見たときの、前記マイクロミラー５４に対するマイクロアパーチャ５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ、…の重なり面積が変化するように、前記表面と直交する中心軸廻りに変位可能（回転可能）とされ、これにより、マイクロミラー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、…の反射面積分布を与えるものである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、ＳＬＭにおいて、迅速な焦点距離の切換えあるいは光強度分布の切換えをすることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例に係るマイクロミラーアレー型空間光変調器の要部を拡大して示す断面図
【図２】同実施の形態の第２例に係るマイクロミラーアレー型空間光変調器を示す斜視図
【図３】同要部を模式的に拡大して示す断面図
【図４】反射率変調膜としてのＡｕ薄膜の厚さとその光学特性との関係を示す線図
【図５】反射光の強度分布を均一にする場合のＡｕ薄膜の厚さ分布と入射光及び反射光の強度分布の関係を示す線図
【図６】ミラー基板上に反射膜を設けてマイクロミラーを構成する例を拡大して示す模式図
【図７】反射膜としてのＡｌ薄膜の膜厚とその光学特性との関係を示す線図
【図８】反射光の強度分布を均一にする場合のＡｌ薄膜の厚さ分布と入射光及び反射光の強度分布の関係を示す線図
【図９】反射膜とミラー基板との間に光吸収層を介在させる場合を示す拡大模式図
【図１０】本発明の実施の形態の第３例に係るマイクロミラーアレー型空間光変調器の要部を拡大して示す斜視図
【図１１】本発明の実施の形態の第４例に係るマイクロミラーアレー型空間光変調器の要部を拡大して示す斜視図
【図１２】同第４例におけるマイクロミラーとマイクロアパーチャとの関係を拡大して示す斜視図
【図１３】本発明の実施の形態の第５例に係るマイクロミラーアレー型空間光変調器の要部を拡大して示す正面図
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０、５０…空間光変調器
１２、２２、３２、４２…基板
１４…マイクロミラーアレー
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、
１４Ｆ、１４Ｇ、１４Ｈ、１４Ｉ、…、
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、…、
３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、…、
４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、…、
５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、５４Ｄ、５４Ｅ、… …マイクロミラー
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、
１６Ｆ、１６Ｇ、１６Ｈ、１６Ｉ、… …メモリーセル
１８…制御装置
２６…Ａｌ層
２７…Ａｕ薄膜
２８…ミラー基板
２９Ａ…Ａｌ薄膜
２９Ｂ…光吸収層
４６、５６…マスクプレート
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、…、
５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ、５６Ｄ、５６Ｅ、… …マイクロアパーチャ
５８…非反射領域
Ｃ…コリメート光

Claims

基板上に、複数のマイクロミラーをアレー状に配列し、各マイクロミラーの反射面の傾きを、前記基板との間に作用する静電引力により一方又は他方の反射角の状態に独立制御可能な空間光変調器であって、
前記マイクロミラーアレーの前面に、マイクロミラーと同数、且つ、同ピッチでマイクロアパーチャが形成されたマスクプレートが配置され、前記マイクロアパーチャは前記マイクロミラーよりも小さな面積とされ、前記マイクロミラーは、少なくとも一方の反射角の状態のとき、前記マスクプレートとの平行面から傾斜し、この傾斜角度が、マイクロミラー毎に調整されることにより前記マイクロミラーアレーに反射率分布を与えたことを特徴とする空間光変調器。
請求項１において、前記反射率分布は、前記一方の反射角の状態のときに、光強度がガウス分布の入射光を均一な光強度分布の反射光とするように、ガウス分布とほぼ反比例するように設定されたことを特徴とする空間光変調器。
請求項１又は２において、前記マイクロミラーの表面に設けられた反射率変調膜の膜厚がマイクロミラー毎に調整されることにより、前記反射率分布が与えられていることを特徴とする空間光変調器。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記マイクロミラーアレーは、マイクロミラー毎に、その周囲に非反射領域が設けられ、又、前記マイクロミラーアレーの前面には、マイクロアパーチャが、前記マイクロミラーと同ピッチで形成されたマスクプレートが配置され、該マスクプレートは、前記マイクロミラーに対するマイクロアパーチャの重なり面積が変化するように変位可能とされ、これにより実質的に、前記マイクロミラーの反射率分布を与えるようにされたことを特徴とする空間光変調器。
請求項４において、前記マスクプレートは、前記マイクロミラーアレーの表面と平行に配置され、且つ、前記表面と直交する軸線廻りに回転角度自在とされたことを特徴とする空間光変調器。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記マスクプレートは、前記マイクロミラーアレーの表面と平行な軸線廻りに回転角度調節自在とされたことを特徴とする空間光変調器。