微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーアセンブリは、基板上に形成され一面にスプリングを有するマイクロミラーのアレイを含む。マイクロミラーは基板上に配置された電極へ印加された電圧によって生じた静電的な力に反応してオンとオフ状態の間で斜めに傾斜する。少なくとも１つ、しかし好ましくは２つの薄い金属片の形態からなる２つのスプリングがミラー側縁の支柱に取り付けられ、電圧が印加されていない基板に対してミラーが平らなときに生ずるオフ状態と電圧が印加されてミラーが傾斜させられたオン状態との間で、ミラーが傾斜させられたときに復元力を与えるスプリングとして作用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主にマイクロミラーアレイのためのマイクロミラーに関し、より詳しくは、光源と共に斜めに傾斜させられ画像をスクリーン上に投影するマイクロミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の関連出願において、持ち運び可能なペンサイズのプロジェクター／画像取り込みシステムが開示されている、このシステムは、光源と共に高解像度ＭＥＭＳミラーアレイを用いて画像をスクリーン上に投影する。ＭＥＭＳミラーアレイは一面が５μｍ×５μｍオーダーのマイクロミラーからなり、手で持ち運べるペンサイズのハウジング内で使用されるのに十分に小さい標的を形成する。
【発明の開示】
【０００３】
要旨
この発明はサイドスプリングの形態を有するマイクロミラーを目的とし、より詳しくは、ミラーの一面にスプリングを有しオン状態とオフ状態の間で静電作用により斜めに傾斜する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを目的とする。少なくとも１つ、しかし好ましくは２つの薄い金属片状の２つのスプリングがミラー側縁の支柱に取り付けられ、電圧が印加されずにミラーが平らなオフ状態と、印加された電圧によってミラーが傾斜させられたオン状態との間でミラーが傾斜させられたときに復元力を与えるスプリングとして作用する。
【０００４】
この発明の一面において、複数の側縁を有する全体的に平坦なミラー本体部材を備え、前記本体部材は単一の側縁のみが少なくとも１つのスプリング部材によって基板上に懸架され、スプリング部材は、作用力によって下方へ引っ張られて傾斜したオン状態となったときに、ミラー本体部材を平らなオフ状態へ戻す復元力を与える。
【０００５】
本発明の更なる適用可能性の範囲が以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、この発明の精神と範囲内で来るべき様々な変更と改良が当業者に対して明らかになるであろうから、詳細な説明と特定の例は、この発明の好ましい実施形態を示す一方で、例示のために提供されるにすぎないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、以下で提供される詳細な説明と、例示のために提供されるにすぎず、本発明を限定するものではない添付の図面とからより完全に理解されるであろう。
【０００７】
図１は画像投影／画像取り込みシステムを備えたポケットペンサイズのハウジングの長手方向の断面図である。
【０００８】
図２は本発明によるマイクロミラーのアレイを備える図１に示される光学システムの長手方向の部分断面図である。
【０００９】
図３は２つのサイドスプリング要素を備える本発明によるマイクロミラーの実施形態の斜視図である。
【００１０】
図４Ａおよび４Ｂは、本発明による他のマイクロミラーを例示する側面図と上面図である。
【００１１】
図５Ａおよび５Ｂは、図４Ａおよび４Ｂに示されるマイクロミラーの２スプリングの実施形態と１スプリングの実施形態を例示する説明図である。
【００１２】
図６は、２０°の角度に傾斜させられた２サイドスプリングマイクロミラーを例示する説明図である。
【００１３】
図７は、本発明の他の実施形態によって作製されアレイ状に配置された自立型マイクロミラーを例示する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【００１４】
図８は図６に示される自立型マイクロミラーの拡大されたアレイを例示するＳＥＭ画像である。
【００１５】
図９Ａ−９Ｉは本発明によるマイクロミラーを作製する一連の工程を例示する説明図である。
【００１６】
ここで図面を参照すると、まず、図１に注意が向けられる。図１には、"・・・超高解像度ＭＥＭＳプロジェクションディスプレイポケットペン"の題名が付けられた、シリアルナンバー の関連出願に示され説明された本発明によるポケットペンサイズのプロジェクター画像取り込み装置１０が示されている。図１は構成要素の概略的な例示であり、細長い円筒状のポケットペンタイプのハウジング１２に加えて、図２に詳しく示される画像投影および画像取り込みシステム１４を備え、このシステムは対物レンズ１６の後ろに位置している。システム要素１４の後方は画像投影および画像取り込みシステム１４を制御するためのディスプレイドライバ部１８である。様々な電気的構成要素へ電力を供給するために、１つ又は複数のＤＣバッテリーからなる電力供給２０がハウジング１２内に配置されている。また二次元ＣＣＤ撮像アレイ２４と通ずるように適合されたメモリー部２２は画像投影および画像取り込みシステム１４とも接続されている。ハウジング１２は、外部へ画像を伝達するだけでなく、装置１０によって投影する画像を外部から受信するために、図示しないＲＦトランスミッタ／レシーバを備える外部接続部２６も有する。
【００１７】
図２を参照して図１に示される装置１４を説明する。装置１４は、ＣＣＤ撮像アレイ２４に加え、１０２４×７６８高解像度ＭＥＭＳミラーアレイ２６と光源２８を備える。光源２８は、光２９の束を集束レンズ３２および折り曲げミラー３４の手段を介してアレイ２６の表面３０へ出射する。ＭＥＭＳミラーアレイ２６は、以下に説明される複数のマイクロミラーから構成され、それらは縁に沿って傾斜でき、互いに光束２９を投影レンズ３６へ反射するか、或いは、レンズ３６へ向けられることなく消される場合には参照符号２９'で示される側へそらす。図２に示されるように、ミラーアレイ２６は、０°（平ら）のオフ状態から２０°（傾斜）のオン状態まで様々なミラーの傾きが例えば静電作用によって規定され、光をレンズ３６へ向かって投射するように、軸３８から離れて傾斜させられる。
【００１８】
上記の効果はサイドスプリングミラーアレイ２６を、例えばそのオフ状態およびオン状態の間で−１０°駆動する設計と比較することにより説明される。アレイの固定されたパターンノイズと基板自体によって生じた０°に中心合わせされた多少の回折３１'がある。ミラーが０°のオフ状態を有するとき、この回折３１'は光学システムの外へ投じられるが、オフ状態が−１０°であるとき、この０°の回折光のエネルギーの一部は投射レンズ３６に捕らえられ、オンおよびオフ状態の間で得られるコントラストを減少させる。これは、図２において実証されている。図２はペンサイズの投影／画像取り込み光学システム内におけるマイクロミラーの実施を示し、ミラーの傾斜が０°と２０°、および−１０°と１０°の間で回折が広がることを示している。
【００１９】
ＭＥＭＳミラーアレイ２６は複数の同一のマイクロミラーからなり、それらは一辺の寸法が約５μｍ×５μｍだけであり、図１に示されるペンサイズの手持ち装置１０に挿入されるのに十分に小さい約０．５ｃｍ×０．４ｃｍの画像標的を形成する。
【００２０】
ＭＥＭＳミラーアレイ２６とＣＣＤ撮像アレイ２４が、図１に示される対物レンズ１６を備える同じ外部ポート３９へ通ずるように、装置１４は例えばビームスプリッタなどの光学素子４０も備える。ビームスプリッタは、投影されるべき光がＭＥＭＳミラーアレイ２６から図示しない投影スクリーンへ投影され、かつ、外部の景色または物体がビームスプリッタ４０の反射面４２、第２対物レンズ４４および折り曲げミラー４６の手段を介してＣＣＤ撮像アレイ２４へ伝達されることを許容する。
【００２１】
ここまで、高集積ＭＥＭＳマイクロミラーアレイを備える持ち運び可能なペンサイズの画像投影／画像取り込みシステムについて示し、説明してきたが、ここでＭＥＭＳマイクロミラーアレイの詳細について説明する。
【００２２】
この発明による各マイクロミラー４５は、図３〜８に示されるように、少なくとも１つ、好ましくは２つのスプリング要素をミラーの一面に有するＭＥＭＳミラーデザインからなる。様々な実施形態におけるサイドスプリングミラーは、静電作用により０°（平ら）および２０°（傾斜）の間でオフとオンに切り換えられるようになっている。オンおよびオフ状態に切り換える方法としては、ミラーの下の２つの電極を用いてオンおよびオフ状態の間でミラーを能動的に作用させるか、或いは、１つの電極を常時復元力としてのスプリングと一緒に用い、オンおよびオフ状態の間で作用させる方法が用いられる。しかしながら、２つの電極を用いてミラーを作動させる場合であっても、スプリングは０°状態へ戻す復元力を与えるように作用する。
【００２３】
図３はサイドスプリングマイクロミラー４５の構成を概略的に示している。全体的に平らな平面状のミラー本体部５０は、直線状の側縁５２を有するほぼ方形の光反射面５１を有し、１つの単一の縁５５のみが基板６２の表面上に配置された支柱または支持部材５８に結合された２つの薄い金属片５４によって懸架されている。２つの薄い金属片５４および５６はミラーの一部を形成して支持部材５８からミラー本体５０内の略途中まで所定距離だけ延び、基板６２に生じた下方への静電吸引力に対する復元力を提供する。電圧が印加されずミラー４５が基板の表面６０に対して略平行であるときにオフ状態が生じ、好ましい実施形態で示されるように印加された電圧によってミラーが下方へ２０°傾斜させられたオン状態では、図２に示されるような成果が得られる。
【００２４】
図４Ａおよび４Ｂは本発明による２スプリングマイクロミラー４５の他の実施形態の説明図である。他の実施形態に係るマイクロミラーは、光反射面６６を有し、一辺が略５μｍの寸法を有する全体的に方形の平面状のミラー本体６４を備えている。参照符号６８および７０によって示される２つのスプリング部材は支柱部材７２に取り付けられている。図４Ｂに示されるように、スプリング部材６８および７０は先細で一辺の寸法の略半分まで内方へ延び、図４Ａに示されるように基板６０の表面に形成されたパルスリターン電極７４を覆っている。参照符号７６によって示される作用電極は、スプリング６８および７０の端を超えた基板６０の表面に形成されている。また、図４Ａおよび４Ｂに示されるように、接地されたシットダウンポスト部材７８はミラー本体６４の反対側の端に配置されている。
【００２５】
図４Ａに示されるように、マイクロミラー４５のミラー本体部材６４は、本体部材６４が基板６０に対して平行となるオフポジションから角度２０°に傾斜したオンポジションへ作動させられ、ほぼ０．８５ｍｍの寸法が示される。図４Ａおよび４Ｂに示されるように、２０°傾斜可能なマイクロミラー４５は、低電圧駆動のためにミラー要素６４のアレイがそれら要素の間に８５００Åの間隔を空けて作製されることを許容する。
【００２６】
例えば図４Ａおよび４Ｂに示されるように、０°のオフ状態と２０°のオン状態を有するサイドスプリングミラーは、光学システムのオフ状態から公的に離れた特に有用な角度を提供し、光学システムで用いられる際に多くの利点を有する。
【００２７】
図５Ａおよび５Ｂを参照すると、図５Ａは図４Ｂに示されるような２スプリングの実施形態をミラー本体６４と一緒に開示し、一方、図５Ｂはミラー本体６４'のための１スプリングの実施形態を示している。
【００２８】
どちらの形態が用いられても構わないが、好ましい実施形態は２スプリングデザインからなる。
【００２９】
ここで、図６を参照すると、２サイドスプリングマイクロミラーの側面図が示され、それらは例えば図４Ａおよび４Ｂに示されるように２０°傾斜している。ミラー４５はオン方向で示され、それらは、ＭＥＭＳミラー面６６に入射した参照符号８０で示される平行光を、図２の参照符号３６で示されるような投影レンズへ反射するように傾斜している。ＭＥＭＳマイクロミラー６４から得られた回折は２つの原因からえられた結果である：（１）例えば図４Ｂに示されるスプリング６８および７０のような特徴とパターンを有するミラー面そのもの；および（２）ミラー要素どおしの間に規則的な間隔を有しそれら自体がパターンをなすピクセル面を形成するミラー要素のアレイ。単一のマイクロミラー４５から回折された光はその中心最大を正反射方向に有している。ミラー要素４５間の干渉を考慮すると状況はより複雑であるが、これは以下に示されるような理由からサイドスプリングミラーデザインのためには重要ではなない。第１にオフ状態において、全てのミラー要素またはピクセルは傾斜していない状態に留められ、平面ミラーに極めて似通ったものとなる。これは回折円錐角度を最小化する。さらに、光が消えているので、いかなる角度の不一致も重要ではない。オン状態において、ミラー要素が不規則に傾斜しているとき、干渉効果が大きく減少する。最も大きいのは、プロジェクターエンドレンズ、例えば図２に示されるレンズ３６が各画素を最終投影面において干渉効果を完全に排除するその共役に映すということである。
【００３０】
サイドスプリングミラー４５を用いる本マイクロミラー構造に特有のその他の有益な特徴は、これらサイドスプリング構造のピクセルが一方向にのみ傾斜し、その他のときは平坦であるので、ミラーの縁から不要な反射が少ないということである。オフ状態において、図４Ｂに示されるような５μｍ四方のピクセルは、例えば、それらの縁の間に８５００Åの隙間を有している。オンに切り換えられたとき、ピクセルは入射光束の方向へ傾斜し、図６に示されるように入射光を遮る見せかけの縁はない。この構造はオン・オフ状態における散乱を大きく減少させ、ここに図示および説明されたようにサイドスプリングＭＥＭＳミラーデザインのための大きな利点である。
【００３１】
図７および８を参照すると、本発明の他の実施形態によるサイドスプリングＭＥＭＳミラー要素４５によってＥビームに規定されたアレイ２６'が示される。ミラー要素４５は、５０００Åのビアと１５００Åの間隔を有し、図４Ａおよび４Ｂに示される２スプリング実施形態のものに類似している。しかし、１対のスプリング８２および８４が全体的に細長い方形を呈するフィンガー部材であって、基板９６上に形成されミラー本体９８の主要部にそって傾斜した３つの未取付フィンガー部材８６，８８および９０の間に配置された支柱９２および９４に取り付けられている点が異なる。
【００３２】
図９Ａ−９Ｉを参照すると、本発明によるサイドスプリングマイクロミラー４５を作製する一連の工程が示される。まず、図９Ａは、シリコン基板１０４上に形成された酸化層１０２がエッチングされ、フォトレジスト層１０６によって規定された溝１００を示している。次に、図９Ｂに示されるように、金属電極１０８がフォトレジスト層と溝９４の上に堆積される。これに次いで、フォトレジスト層１０６が金属被覆とともに除去され、金属電極１０８のみが残される。次に、図９Ｄに示されるようにポリシリコン層１１０が堆積された後、図９Ｅに示される工程に続き、フォトレジスト層１１２を塗布し垂直方向の開口またはビア１１４を金属被覆領域１１６まで形成することにより支柱９２および９４（図７）が形成される。この後、図９Ｆに示されるようにミラー１１８および支柱１１９の金属堆積工程へ続き、金属被覆層１２０をポリシリコン膜１１０の上と図９Ｅのビア１１４中に施す。次に、図９Ｇに示されるように、金属被覆層１２０上にフォトレジスト層１２２を塗布することによりフィールドエッチ工程が行われ、マイクロミラー本体９８のマイクロミラー反射面が規定される。その後、図９Ｉに示されるように、ポリシリコン層１１０を除去することにより、図７に示されるスプリング８２および８４のための１対の支柱９２および９４が取り付けられたマイクロミラー本体９８が供される。
【００３３】
このように図示および説明されたものはサイドスプリングミラーデザインであって、０．５ｃｍ×０．４ｃｍの占有面積でＸＧＡ（１０２４×７６８）の解像度を達成しつつ、低電圧（１０Ｖ未満）駆動でき、かつ、フルカラーテレビジョンのリフレッシュ速度を達成できるようにデザインされている。これらの特徴の各々は図１に示されるような小さな手持ち投影システム１０の本体１２における配置に適合される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】画像投影／画像取り込みシステムを備えたポケットペンサイズの筐体の長手方向の断面図である。
【図２】本発明によるマイクロミラーのアレイを備える図１に示される光学システムの長手方向の部分断面図である。
【図３】２つのサイドスプリング要素を備える本発明によるマイクロミラーの実施形態の斜視図である。
【図４Ａ】本発明による他のマイクロミラーを例示する側面図である。
【図４Ｂ】本発明による他のマイクロミラーを例示する上面図である。
【図５Ａ】図４Ａおよび４Ｂに示されるマイクロミラーの２スプリングの実施形態を例示する説明図である。
【図５Ｂ】図４Ａおよび４Ｂに示されるマイクロミラーの１スプリングの実施形態を例示する説明図である。
【図６】２０°に傾斜させられた２サイドスプリングマイクロミラーを例示する説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態によって作製されアレイ状に配置された自立型マイクロミラーを例示する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図８】図６に示される自立型マイクロミラーの拡大されたアレイを例示するＳＥＭ画像である。
【図９Ａ】変形例に係るＡＤＦの概略的な構成を示す概略図である。
【図９Ｂ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｃ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｄ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｅ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｆ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｇ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｈ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。
【図９Ｉ】本発明によるマイクロミラーを作製する工程を例示する説明図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射面を含み複数の側縁を有する全体的に平坦なミラー本体部材を備え、前記本体部材は単一の側縁のみが少なくとも１つのスプリング部材によって基板上に懸架され、スプリング部材は前記側縁に沿って傾斜したときにミラー本体部材に復元力を与えるように作用する、ＭＥＭＳミラーアレイに用いるためのマイクロミラー。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスプリング部材は、引っ張られて傾斜したオン状態のときに実質的に平らなオフ状態へ戻す復元力を与える請求項１によるマイクロミラー。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスプリング部材は、前記単一の側縁に隣接して配置された支持部材に接続された前記本体部材のフレキシブルな部分からなる請求項１によるマイクロミラー。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスプリング部材は、前記側縁から前記本体部材の内方へ所定距離延びる請求項３によるマイクロミラー。
【請求項５】
前記少なくとも１つのスプリング部材は、実質的に長さの等しい１対のスプリング部材からなる請求項３によるマイクロミラー。
【請求項６】
前記スプリング部材は、前記単一の側縁に対して隣接した１対の側縁の中間に等しく間隔が空けられている請求項５によるマイクロミラー。
【請求項７】
前記スプリング部材が形状において実質的に同一である請求項５によるマイクロミラー。
【請求項８】
前記ミラー本体部材は形状において全体的に方形である請求項７によるマイクロミラー。
【請求項９】
光反射面を有する全体的に平面状のミラー本体と、前記本体の一縁に沿って平行に形成された実質的に長さの等しい複数のフィンガー部材とを備え、前記フィンガー状部材の少なくとも１つは、作動していないオフ状態における第１位置において前記ミラー本体を維持し、かつ、作動したオン状態において前記一縁に沿って所定角に傾斜させられ第２位置となったときにミラー本体を前記第１位置へ戻す復元力を与えるスプリングとして作用するために、前記一縁に隣接する支柱へ取り付けられる、ミラー要素のアレイのための偏向ミラー要素。
【請求項１０】
ミラー本体がＭＥＭＳミラー要素からなる請求項９によるミラー要素。
【請求項１１】
前記フィンガー状部材の２つがスプリングとして作用する請求項１０によるミラー要素。
【請求項１２】
前記複数のフィンガー状部材の残るフィンガー状部材が前記２つのフィンガー状部材の両側に配置される請求項１０によるミラー要素。
【請求項１３】
前記複数の長さの等しいフィンガー部材は、幅において実質的に等しい請求項１２によるミラー要素。
【請求項１４】
前記平面状のミラー本体は形状において実質的に方形である請求項１３によるミラー要素。
【請求項１５】
全体的に平面状の前記ミラー本体は基板の上方に配置され、前記第１位置は前記基板と実質的に平行となるオフ位置からなり、第２位置は傾斜したオン位置からなる請求項９によるミラー要素。
【請求項１６】
基板上に配置された電極手段を追加的に備え、電極手段はミラー本体を傾斜させるための静電的な引き降ろす力を発生させてオン位置へ作動させる請求項１５によるミラー要素。
【請求項１７】
前記平面状のミラーは、オン位置において基板へ向かって下方に約２０°傾斜させられる請求項１６によるミラー要素。
【請求項１８】
前記本体は辺に沿った寸法が約５μｍ×５μｍである請求項１５によるミラー要素。
【請求項１９】
前記アレイは約１０２４×７６８のミラー要素を含む請求項１８によるミラー要素。
【請求項２０】
ミラー要素の前記アレイは約０．５ｃｍ×０．４ｃｍの光反射性の標的を形成する請求項１９によるミラー要素。
【請求項２１】
前記標的は持ち運び可能な画像投影システムに用いられるポケットペンサイズのハウジング内に配置される請求項２０によるミラー要素。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４Ａ】

【図４Ｂ】

【図５Ａ】

【図５Ｂ】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９Ａ】

【図９Ｂ】

【図９Ｃ】

【図９Ｄ】

【図９Ｅ】

【図９Ｆ】

【図９Ｇ】

【図９Ｈ】

【図９Ｉ】

【公表番号】特表２００８−５０５３６１（Ｐ２００８−５０５３６１Ａ）
【公表日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１９４０９（Ｐ２００７−５１９４０９）
【出願日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２３１６５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００４８６３
【国際公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【出願人】（５０３１２３１５２）ノースロップ・グラマン・コーポレーション (31)
【氏名又は名称原語表記】ＮＯＲＴＨＲＯＰ　ＧＲＵＭＭＡＮ　ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】