JPH0894945A

JPH0894945A - 空間光変調器に基づく位相コントラスト画像投射装置

Info

Publication number: JPH0894945A
Application number: JP22003694A
Authority: JP
Inventors: Tsen-Hwang Lin; − フワングリンツェン; James M Florence; フローレンスジェームズ; Leddy Michael; レッディマイクル; Mark Boysel; ボイセルマーク
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1996-04-12
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: JP3537192B2

Abstract

(57)【要約】【目的】明るく、かつ、灰色階調の可視画像を生ずる
ことができ、一方、フリッカのない、空間光変調器に基
づく位相コントラスト画像投射装置を提供する。【構成】振幅変調および位相変調された画像を投射す
るための、位相コントラストＤＭＤに基づく画像装置に
おいて、屈曲ビームＤＭＤアレイを用いて、反射光のア
ナログ位相変調が行われる。この位相変調は、位相板を
備えた位相コントラスト画像作成光学装置により、振幅
変調に変換される。その結果得られた振幅変調波にはフ
リッカはなく、および、光学画像センサに同期する必要
もない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像投射装置の分野に
関する。さらに詳細にいえば、本発明は、位相コントラ
スト画像投射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】空間光変調器（ＳＬ
Ｍ）を用いて、光学装置内の可視光線または非可視光線
のような放射エネルギを、変調することができる。空間
光変調器は、画素、すなわち、画像素子、と呼ばれる変
調素子の１次元または２次元のアレイに分割することが
できる。これらの画素は、装置の中の最小の呼び出し可
能な単位である。ＳＬＭ画素を用いて、光学装置の中の
光の分布を変調することができる。

【０００３】先行技術による多くのＳＬＭの光変調特性
は、振幅の変化と位相の変化とを組み合わせた特性であ
る。画素の変調特性は、通常、電圧と、電流と、また
は、入射光強度レベルとのいずれか１つの信号を加える
ことにより、制御される。したがって、画素の振幅特性
と位相特性とを独立に設定することはできない。

【０００４】ＳＬＭの設計に応じて、振幅変調特性また
は位相変調特性のいずれかが、ＳＬＭの出力を支配する
であろう。１つの形式のＳＬＭは、ディジタル・マイク
ロミラー装置（ＤＭＤ）である。ＤＭＤを用いて、シュ
リーレン光学装置または暗視野光学装置のいずれかによ
り、画像を投射することができる。オットは、１９８７
年７月１４日発行の米国特許第４，６８０，５７９号に
おいて、膜ＤＭＤおよび片持ちビームＤＭＤをシュリー
レン光学装置と共に用いて、振幅変調光を得る方法を開
示している。ホーンベックは、１９９２年３月１７日発
行の米国特許第５，０９６，２７９号において、ディジ
タル捩りビームＤＭＤおよび片持ちビームＤＭＤを暗視
野光学装置と共に用いて、振幅変調光を得る方法を開示
している。フローレンスは、１９９２年９月１５日発行
の米国特許第５，１４８，１５７号において、屈曲ビー
ムＤＭＤを用いて、位相変調光と、または、振幅変調光
と位相変調光の両方と、のいずれかを得る方法を開示し
ている。入射光の振幅と位相との両方を独立に変調する
ために、２個のＳＬＭが必要である。このことにより、
アレイの中の素子の数が２倍になる、または、像の分解
能が低下する。この制約により、特に、高分解能表示装
置では、ＳＬＭの製造コストが増大し、および、付随す
る駆動電子装置の複雑さも増大する。

【０００５】人間の目、および、多くの画像センサは、
入射光の位相の変化を検出することはない。したがっ
て、可視画像を投射するためには、シュリーレン光学装
置、または、暗視野光学装置を備えたディジタル捩りビ
ーム装置、に付随して依存する振幅変調技術を用いて画
像を発生する単純な技術に、装置が限定されていた。通
常、シュリーレン光学装置は小さな明るさしか有しない
ので、したがって、光源としては大きな光源が必要であ
る。ディジタル捩りビーム方式は、画素をオンまたはオ
フのいずれかにする。したがって、種々のコントラスト
を達成するためには、すなわち、灰色階調の出力レベル
を得るためには、ある種のパルス幅変調が必要である。
パルス幅変調は、表示された画像の中に、目に見える異
物を生ずることがある。そして、画像のフリッカを防止
するために、典型的には、画像センサを同期させること
が必要である。

【０００６】明るく、かつ、灰色階調の可視画像を生ず
ることができ、一方、フリッカがなく、そして、目に見
える異物が生ずることが少ない、または、生ずることが
ない、変調方式が要請されている。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明により、振幅変
調された画像を表示することができる、アナログＤＭＤ
画像投射装置が得られる。屈曲ビームＤＭＤを用いて、
位相変調された波面を生ずることができる。この波面が
位相板の上に集光される。位相板は光の相対位相を変
え、それにより、干渉が可能なように光を再構成する。
干渉が行われる結果、振幅変調された、または、振幅変
調と位相変調との選定された組み合わせで変調された、
光波を得ることができる。変調されたエネルギのＤＣ成
分、すなわち、ゼロ次フーリエ成分を完全に抑制するこ
とを頼みにする真のシュリーレン法とは異なって、この
技術は、ＤＣ成分の強度を減衰させ、そして、このＤＣ
成分の位相をπ／２だけシフトさせる。

【０００８】ＤＭＤミラーの広帯域特性のために、ＤＭ
Ｄ画像作成装置は、赤外線を含む任意の波長の光に対し
て用いることができる。ＤＭＤの反射能は非常に高く、
したがって、ミラーが加熱されることはほとんどない。
その結果、耐久性のある表示装置が得られる。このこと
により、赤外線画像投射のような用途に特に重要であ
る、異なる背景温度が許容される装置が得られる。位相
コントラスト変調方式により、フリッカのない灰色階調
の画像を生ずることができ、それにより、表示装置と画
像センサとの間に同期が従来は必要であった応用に用い
ることができる。

【０００９】

【実施例】図１ａおよび図１ｂは、屈曲ビームＤＭＤア
レイの１つの素子を示した図面である。図１ａおよび図
１ｂは同じ尺度では描かれていなく、図示の都合上、一
定の特徴が拡大されて示されている。ＤＭＤは基板２０
の上に作成され、そして、ＤＭＤはその上に作成された
アドレス指定回路を有する。基板２０は、典型的な場合
には、シリコンであるが、ヒ化ガリウムのような他の材
料であることもできる。アドレス指定回路は、ＤＭＤを
呼び出すのに用いられる方式に応じて設計される。アド
レス指定回路の設計には種々のものが可能であるが、シ
フト・レジスタ、増幅器、ラッチ、および、電圧駆動器
を有することができる。アドレス指定回路を用いて、基
板の表面上に作成されたアドレス電極２２が駆動され
る。

【００１０】アドレス指定回路が完成した後、平坦なス
ペーサ層が基板に取り付けられる。支持ポスト２４が作
成され、そして、薄い金属ヒンジ層２６がスペーサ層の
頂部に沈着される。ヒンジ層がパターンに作成された
後、厚い金属ミラー層２８がヒンジ層の上に沈着され
る。これらのヒンジおよびミラー金属層にエッチングが
行われて、ミラー３０および屈曲ヒンジ３２が作成さ
れ、および、スペーサ層がミラーの下から除去される。
すると、ミラー３０は、屈曲ヒンジ３２により、アドレ
ス電極２２の上に懸垂される。

【００１１】動作の際には、アドレス電極２２に電圧が
加えられる。もしアドレス電極２２の電位がミラー３０
の電位と異なるならば、アドレス電極２２とミラー３０
との間に静電引力が生じ、ミラー３０はこのミラーの下
のウエル３２の中に偏向するであろう。偏向したミラー
３０が移動する距離は、ミラーとアドレス電極２２との
間の電位差の大きさと、それらの間の最初の空隙の大き
さとに応じて変わる。

【００１２】図２は、光学投射装置３６の中の屈曲ビー
ムＤＭＤ３４の図面である。コヒーレント光３８がＤＭ
Ｄアレイ３４の上に集光する。この集光は、典型的な場
合には、ミラー表面に垂直に行われる。ミラー素子が偏
向すると光路が長くなり、そして、反射した光波の位相
が遅延する。したがって、屈曲ビームＤＭＤアレイ３４
の出力は、位相変調された光波である。反射された光波
３８には、ＤＭＤにより与えられた位相情報と振幅情報
との両方が含まれている。

【００１３】位相変調された光波は、位相・コントラス
ト工程により、振幅変調光波に変換することができる。
入射コヒーレント光波がＥ₀ｓｉｎωｔであり、Ｄ
ＭＤアレイにより与えられた位相変調が φ（ｙ，ｚ）
であるとするならば、振幅一定の複合波は下記の方程
式１で示される。

【００１４】

【数１】

【００１５】この光波は下記のように書き直すことがで
きる。

【００１６】

【数２】

【００１７】もしφが非常に小さな値に限定されるなら
ば、典型的な場合にはφの値は０．３以下であるが、そ
の時にはｓｉｎφ〜φ、ｃｏｓφ〜１であり、前記の方
程式は下記のようになる。

【００１８】

【数３】

【００１９】この方程式の第１項は位相の遅延に無関係
であるが、第２項は位相の遅延に依存して変わる。この
方程式の２つの部分の相対位相をπ／２ラジアンだけ変
えることにより、これらの２つの項は干渉して、下記の
振幅変調光波を生ずることができる。

【００２０】

【数４】

【００２１】この位相の変化は、実際には、反射された
光ビームをレンズ４０で集光し、そして、集光された反
射光ビームの変換平面の位置に位相板４２を配置するこ
とにより、実行される。位相板４２は、高次波部分に比
べてゼロ次波部分に対し異なる光路長を有し、したがっ
て、高次波部分に対してゼロ次波部分の位相を変える。
位相板４２は、反射光波のゼロ次波成分の相対位相をπ
／２ラジアンだけ遅延させるか、または、ゼロ次波成分
以外のすべての成分の相対位相を３π／２ラジアンだけ
遅延させるか、のいずれかが可能である。この位相遅延
により、ＤＣ情報を含んでいるゼロ次波を、ＤＭＤアレ
イにより与えられた位相情報を含む高次波成分と同位相
にすることができる。次に、反射された光波は、レンズ
４４により、像平面４６の上に再び集光される。２つの
光波が同位相であるので、干渉が起こるであろう。そし
て、位相変調された光波は、振幅変調された光波を生ず
るであろう。得られた画像のコントラスト比は、ゼロ次
波成分をφ（ｙ，ｚ）の大きさにまで減衰させることに
より、改善することができる。

【００２２】この方式の実際的な限界は、ＤＭＤミラー
の移動量が制限されていることである。もしミラーとア
ドレス電極との間の距離の約３３％以上まで、ミラーが
変位するならば、ミラーはウエルの中に崩壊し、そし
て、ＤＭＤ構造体は永久的な損傷を受けることが、実際
に試みた結果分かった。光波のゼロ次波成分に減衰がな
く、位相変調がただの１ラジアンである場合に、良好な
コントラスト比が可能である。ＤＭＤが反射形であるた
めに、入射光の光路は、ミラーの偏向による距離の２倍
だけ長くなる。この極端な実施例の場合、空隙は４μｍ
である屈曲ビームＤＭＤにより、ミラーの制限移動量が
空隙の２５％のみである時、波長が１２μｍの入射光波
について、約１ラジアンの位相変調が可能である。けれ
ども、前記の近似、すなわち、ｓｉｎφ〜φおよびｃｏ
ｓφ〜１、が妥当であるためには、１ラジアンは大きす
ぎる。この近似が再び成立するために、および、十分な
コントラスト比が得られるために、０．３ラジアンの位
相変調の場合に、ゼロ次波成分を最初の強度の約３０％
に減衰させることが必要である。十分な入射エネルギを
供給するように、光源が選定される。

【００２３】前記において、位相コントラスト像を生ず
るための方法と装置に対する特定の実施例が説明された
けれども、このことは、本発明の範囲がこのような特定
の実施例に限定されることを意味するものではない。当
業者にはすぐに理解されるように、本発明は、この特定
の実施例を種々に変更し、なおかつ本発明の請求項に含
まれる、すべての変更実施例を包含するものである。

【００２４】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）選定された周波数を有する光波のコヒーレント
な入射光ビームを供給する段階と、偏向可能なマイクロ
ミラー素子のアレイの少なくとも１個の素子を偏向する
段階と、偏向した前記ミラーにより前記入射光ビームを
反射する段階であって、前記反射段階により光の反射ビ
ームが生じ、かつその際、前記反射光の光路が前記偏向
段階のために長くなり、かつそれにより、前記反射光の
位相が変化する、前記反射段階と、ゼロ次波成分を他の
成分から分離するために前記反射光ビームを集光する段
階と、前記ゼロ次波成分と前記他の成分との間に干渉を
起こさせるために、前記反射光ビームの相対位相が変更
される段階と、を有する、可視光および非可視光の振幅
変調の方法。

【００２５】（２）第１項記載の方法において、前記
ゼロ次波成分がπ／２ラジアン遅延される、前記方法。（３）第１項記載の方法において、前記入射光ビーム
の前記選定された周波数が赤外線周波数である、前記方
法。（４）第１項記載の方法において、前記反射ビームを
前記入射ビームから分離する段階をさらに有する、前記
方法。（５）第１項記載の方法において、偏向可能なマイク
ロミラー素子の前記アレイの前記素子のおのおのが屈曲
ヒンジにより電極の上に懸垂されたミラーを有する、前
記方法。（６）第１項記載の方法において、前記ゼロ次波成分
を減衰する段階をさらに有する、前記方法。

【００２６】（７）光路に沿って入射光を投射するた
めのコヒーレント光の光源と、前記入射光を反射しそし
て前記反射光の位相を変えるために、前記光路の中に配
置された呼び出し可能なミラー素子を有するマイクロミ
ラー装置と、前記反射光をゼロ次波成分と高次波成分と
に分離するために、前記反射光を集光するためのレンズ
と、集光した前記反射光の相対位相を変え、それによ
り、前記ゼロ次波成分と前記高次波成分とを干渉させて
振幅変調された光を発生させるための、位相板と、を有
する、画像表示装置。（８）第７項記載の表示装置において、前記光源が赤
外線光源である、前記表示装置。（９）第７項記載の表示装置において、前記光源が可
視光線光源である、前記表示装置。（１０）第７項記載の表示装置において、前記光源が
紫外線光源である、前記表示装置。（１１）第７項記載の表示装置において、前記位相板
が前記反射光のゼロ次波成分をπ／２ラジアンだけ遅延
する、前記表示装置。（１２）第７項記載の表示装置において、前記位相板
が前記反射光のゼロ次波成分を減衰する、前記表示装
置。（１３）第７項記載の表示装置において、前記入射光
を前記反射光から分離するためのビーム・スプリッタを
さらに有する、前記表示装置。

【００２７】（１４）振幅変調および位相変調された
画像を投射するための、位相コントラストＤＭＤに基づ
く画像装置３６が得られる。屈曲ビームＤＭＤアレイ３
４を用いて、反射光３８のアナログ位相変調を行うこと
ができる。この位相変調は、位相板４２を備えた位相コ
ントラスト画像作成光学装置により、振幅変調に変換さ
れる。その結果得られた振幅変調波にはフリッカはな
く、および、光学画像センサに同期する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】屈曲ビーム・マイクロミラー装置の１つの実施
例の図面であって、Ａは立体図、ＢはＡの線Ｂ−Ｂに沿
って取られた横断面図。

【図２】屈曲ビーム・マイクロミラー装置を用いた位相
コントラスト画像投射装置の１つの実施例の概要図。

【符号の説明】

３４マイクロミラー装置４０レンズ４２位相板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイクルレッディアメリカ合衆国テキサス州ダラス，アップルクロスレーン 7605 (72)発明者マークボイセルアメリカ合衆国テキサス州プラノ，ノースリッジドライブ 1400

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】選定された周波数を有する光波のコヒー
レントな入射光ビームを供給する段階と、偏向可能なマイクロミラー素子のアレイの少なくとも１
個の素子を偏向する段階と、偏向した前記ミラーにより前記入射光ビームを反射する
段階であって、前記反射段階により光の反射ビームが生
じ、かつその際、前記反射光の光路が前記偏向段階のた
めに長くなり、かつそれにより、前記反射光の位相が変
化する、前記反射段階と、ゼロ次波成分を他の成分から分離するために前記反射光
ビームを集光する段階と、前記ゼロ次波成分と前記他の成分との間に干渉を起こさ
せるために、前記反射光ビームの相対位相が変更される
段階と、を有する、可視光および非可視光の振幅変調の
方法。
【請求項２】光路に沿って入射光を投射するためのコ
ヒーレント光の光源と、前記入射光を反射しそして前記反射光の位相を変えるた
めに、前記光路の中に配置された呼び出し可能なミラー
素子を有するマイクロミラー装置と、前記反射光をゼロ次波成分と高次波成分とに分離するた
めに、前記反射光を集光するためのレンズと、集光した前記反射光の相対位相を変え、それにより、前
記ゼロ次波成分と前記高次波成分とを干渉させて振幅変
調された光を発生させるための、位相板と、を有する、
画像表示装置。