DE69905717T2

DE69905717T2 - Verfahren und vorrichtung zur modulation eines lichtstrahls für eine zweidimensionale bilddarstellung

Info

Publication number: DE69905717T2
Application number: DE69905717T
Authority: DE
Inventors: M. David BLOOM; Asif Godil
Original assignee: Silicon Light Machines Inc
Current assignee: Silicon Light Machines Inc
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2019-06-19
Also published as: CA2335584A1; WO1999067671B1; EP1090322B1; EP1090322A1; AU4702199A; DE69905717D1; CN1313957A; WO1999067671A1; ATE233911T1; JP2002519714A; KR20010053201A; US6215579B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Modulation von Licht zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes. Die Erfindung betrifft insbesondere ein säulenförmiges Beugungsgitter, das die Modulation bewirkt.
Stand der Technik
Es gibt viele Anwendungen für Vorrichtungen, die Licht modulieren, indem sie beispielsweise die Amplitude, die Frequenz oder die Phase des Lichts verändern. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist der in 1 gezeigte reflektierende, verformbare Gitterlichtmodulator 10. Dieser Modulator 10 wurde von Bloom et al. im US-Patent 5,311,360 vorgeschlagen. Der Modulator 10 enthält mehrere im gleichen Abstand voneinander angeordnete verformbare reflektierende Streifen 18, die über einem Substrat 16 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten aufgehängt sind. Auf dem Siliciumsubstrat 16 wurde eine Isolierschicht 11 abgeschieden. Anschließend wurden eine Opfersiliciumdioxidschicht 12 und eine spannungsarme Siliciumnitridschicht 14 abgeschieden. In der Nitridschicht 14 wurde ein Muster in Form der Streifen 18 ausgebildet, und Teile der Siliciumdioxidschicht 12 sind so abgeätzt, dass die Streifen 18 von einem Nitridrahmen 20 auf einer Oxidabstandsschicht 12 gehalten werden. Zur Modulation von Licht einer einzigen Wellenlänge λ₀ ist der Modulator so gestaltet, dass die Dicke der Streifen 18 und die Dicke der Oxidabstandshalter 12 jeweils λ₀/4 beträgt.
Die Gitteramplitude dieses Modulators 10, die als Umfangsabstand d zwischen den reflektierenden Oberflächen 22 auf den Streifen 18 und den reflektierenden Oberflächen des Substrats 16 definiert ist, wird gesteuert, indem an die Streifen 18 (wobei die reflektierende Oberfläche 22 der Streifen 18 als erste Elektrode dient) und das Substrat 16 (wobei eine leitfähige Schicht 24 unter dem Substrat 16 als zweite Elektrode dient) Spannung angelegt wird. Im nicht verformten Zustand, und wenn keine Spannung anliegt, ist die Gitteramplitude λ₀/2, und der gesamte Weglängenunterschied zwischen dem von den Streifen und dem Substrat reflektierten Licht entspricht λ₀, was dazu führt, dass sich die Reflexionen in der Phase addieren. Damit reflektiert der Modulator 10 im nicht verformten Zustand Licht wie ein ebener Spiegel. Der nicht verformte Zustand ist in 2 dargestellt, wobei das einfallende und das reflektierte Licht mit 26 bezeichnet sind.
Wenn an die Streifen 18 und das Substrat 16 eine entsprechende Spannung angelegt wird, werden die Streifen 18 durch elektrostatische Kraft abwärts verformt und mit der Oberfläche des Substrats 16 in Kontakt gebracht. In der niedergedrückten Position ändert sich die Gitteramplitude in λ₀/4. Die Gesamtweglängendifferenz entspricht der halben Wellenlänge, was dazu führt, dass zerstörerische Interferenzen zwischen den Reflexionen von der Oberfläche der verformten Streifen 18 und den Reflexionen vom Substrat 16 entstehen. Infolge dieser Interferenzen beugt bzw. bricht der Modulator das einfallende Licht 26. Der verformte Zustand ist in 3 dargestellt, wobei die +/–1-Beugungsmodi (D₊₁, D_–1) mit 28 bzw. 30 bezeichnet sind.
Bei diesen Vorrichtungen hat es sich gezeigt, dass das Anhaften der Streifen 18 am Substrat 16 während der Nassbearbeitung zur Erzeugung des Abstands unter den Streifen 18 und während des Betriebs des Modulators 10 problematisch ist. Es sind zahlreiche Techniken zur Verringerung des Anhaftens vorgeschlagen worden, darunter das Gefriertrocknen, das Trockenätzen einer Opferschicht aus Photolack/Aceton, Einlagen-OTS-Behandlungen, die Verwendung steiferer Streifen durch Verwendung kürzerer Streifen und/oder strafferer Nitridschichten, das Aufrauen oder Wellen einer oder beider Oberflächen, das Ausbilden invertierter Schienen auf der Unterseite der Streifen und das Ändern des Oberflächenchemismus. Sadejas et al. haben in „Surface Microfabrication of Deformable Grating Light Valves for High Resolution Displays" und Apte et al. in "Grating Light Valves for High Resolution Displays", Solid State Sensors and Actuators Workshop, Hilton Head Island, SC (Juni 1994) gezeigt, dass das Anhaften verhindert werden kann, indem der Kontaktbereich dadurch verringert wird, dass auf der Unterseite der Brücken invertierte Schienen ausgebildet bzw. raue Polysiliciumschichten verwendet werden.
Wie Apte et al. erkennen, ist ein Merkmal der mechanischen Funktion des Modulators 10 außerdem die Hysterese bei der Verformung der Streifen 18 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Die theoretische Begründung für die Hysterese ist, dass die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Streifen 18 und dem Substrat 16 eine nichtlineare Funktion des Verformungsbetrags ist, während die Wiederherstellungskraft durch die Steifheit und die Spannung der Streifen 18 eine im wesentlichen lineare Funktion ist. 4 zeigt eine simulierte Hysteresekennlinie, wobei das abgestrahlte Licht (ein indirekter Indikator für den Grad der Verformung der Streifen 18) auf der senkrechten und die Spannung zwischen den Streifen 18 und dem Substrat 16 auf der horizontalen Achse aufgetragen sind. Wenn also die Streifen 18 nach unten verformt sind und Kontakt mit dem Substrat 16 haben, verharren sie in dieser Position, so dass die Haltespannung niedriger sein kann als die ursprünglich angelegte Spannung.
Bloom et al. lehren im US-Patent 5,311,360, dass dieses Verharrungsmerkmal wünschenswert sei, da es dem Modulator 10 den Vorteil einer aktiven Matrix verleihe, ohne dass dazu aktive Bauteile erforderlich sind. Außerdem lehren Bloom et al. dass dieses Verharrungsmerkmal auch im Niedrigenergieeinsatz wünschenswert sei, bei dem eine effiziente Nutzung der verfügbaren Energie sehr wichtig ist. Hinsichtlich des Anhaftproblemsjedoch lehren Bloom et al. die Anbringung kleiner Rippen unter den Streifen 18, um den Kontaktbereich und damit das Anhaftproblem zu verringern. Weil jedoch das Substrat des Modulators 10 als optische Oberfläche verwendet wird, werden die Herstellungsschritte für die Anbringung kleiner Rippen auf der Oberfläche dadurch erschwert, dass die Reflexionsbereiche des Substrats 16 glatt und sehr reflexionsfähig sein und in einer zu den Streifen 18 parallelen Ebene liegen müssen.
Das US-Patent 5,757,536 (Ricco et al.) beschreibt einen speziell gebauten Lichtmodulator zum Modulieren einfallender Lichtstrahlen oder ein elektrisch programmierbares Beugungsgitter. Der Lichtmodulator hat mehrere gestreckte bzw. längliche Elemente, von denen jedes eine in etwa ebene Reflexionsoberfläche zwischen den beiden Enden aufweist, wobei die Elemente parallel zueinander angeordnet und an den Enden über einem Substrat aufgehängt sind und wobei die Reflexionsabschnitte der länglichen Elemente zur Herstellung des verformten Zustands zur Beugung von Licht selektiv zum Substrat hin verformbar sind, ohne dass sie mit dem Substrat in Kontakt kommen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtmodulator, wie oben beschrieben, bereitgestellt, der gekennzeichnet ist durch ein Reflexionselement, welches über den beiden Enden der einzelnen länglichen Elemente in einer zu den Reflexionsoberflächen nicht verformter Elemente parallelen Ebene angeordnet ist, und zwar in einem Abstand, der einer ganzen Zahl (einschließlich 0), multipliziert mit der jeweiligen halben Wellenlänge, entspricht.
Bei der nachstehend beschriebenen bevorzugten Anwendung der Erfindung ist das Reflexionselement praktisch in derselben Ebene angeordnet wie der ebene Mittenabschnitt der einzelnen länglichen Elemente im nicht verformten Zustand. Das entspricht der Wahl einer 0 als ganzer Zahl. Wie unten ausgeführt, verhindert das Vorhandensein eines Reflexionselements über den beiden Enden der einzelnen länglichen Elemente, dass an einer anderen Stelle als dem in etwa ebenen Mittenabschnitt der einzelnen Elemente gebeugtes bzw. gebrochenes Licht den Betrachter des zweidimensionalen Bilds erreicht.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Lichtabschirmung oder Blende verwendet um zu verhindern, dass das zweidimensionale Bild aus anderem als dem am Mittenabschnitt der länglichen Elemente reflektierten und gebeugten bzw. gebrochenen Licht entsteht.
Die Erfindung definiert auch ein Verfahren zum Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes unter Einsatz eines solchen Modulators, wobei das Licht vom Gitter so gesteuert wird, dass die Erzeugung eines Bildes aus anderem als dem an den Mittenabschnitten reflektierten und gebeugten bzw. gebrochenen Licht verhindert wird.
Ferner definiert die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Lichtmodulators.
Im folgenden werden ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter-Lichtventil (GLV) und ein Verfahren zu seiner Anwendung zum Modulieren eines einfallenden Lichtstrahls zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes beschrieben. Das Beugungsgitter-Lichtventil besitzt mehrere längliche Elemente, von denen jedes eine reflektierende Oberfläche hat. Die länglichen bzw. gestreckten Elemente sind im wesentlichen parallel zueinander über einem Substrat aufgehängt, wobei ihre jeweiligen Enden abgestützt und im wesentlichen so ausgerichtet sind, dass sie eine Kette benachbarter reflektierender Oberflächen (eine GLV-Reihe) bilden. Die länglichen Elemente sind nach Anzeigeelementen gruppiert. Jedes zweite einer Gruppe ist durch Anlegen von Spannung an das Substrat verformbar. Der in etwa ebene Mittenabschnitt eines jeden verformten länglichen Elements ist im wesentlichen parallel zu den Mittenabschnitten der nicht verformten Elemente und hat von diesen einen vorgegebenen Abstand. Der vorgegebene Abstand ist so gewählt, dass er etwa ein Drittel bis ein Viertel des Abstands zwi schen den nicht verformten reflektierenden Oberflächen und dem Substrat beträgt, so dass die verformten länglichen Elemente die Oberfläche des Substrats nicht berühren. Indem die Berührung der länglichen Elemente mit dem Substrat vermieden wird, wird verhindert, dass sie am Substrat haften bleiben. Durch Begrenzung des vorgegebenen Abstands wird außerdem die Hysterese beim Verformen der länglichen Elemente vermieden.
Ein auf die Kette benachbarter reflektierender Oberflächen einfallender Lichtstrahl wird von einer Gruppe länglicher Elemente reflektiert, wenn jedes zweite Element der Gruppe nicht verformt ist. Der Lichtstrahl wird von einer Gruppe länglicher Elemente gebeugt, wenn jedes zweite Element der Gruppe verformt ist. Das Verhältnis zwischen Reflexion und Beugung bei einer Gruppe während eines bestimmten Zeitabschnitts bestimmt die Anzeigeintensität für das entsprechende Anzeigeelement. In aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten ist der Lichtstrahl abwechselnd rot, grün und blau. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Lichtstrahl weißes Licht, und die Breite der länglichen Elemente eines jeden Anzeigeelements ist so gewählt, dass die rote, die grüne oder die blaue Wellenlänge unter einem geeigneten Beugungswinkel gebeugt werden. In den einzelnen Zeitabschnitten werden für jedes Anzeigeelement je nach dem vom Anzeigeelement wiederzugebenden Bild die entsprechende Helligkeit und Farbe gebildet.
Das an der Kette reflektierender Oberflächen gebeugte Licht wird von einer Linse gesammelt. An der Austrittspupille der Linse ist das Licht säulenförmig und gibt eine Säule des anzuzeigenden Bildes wieder. Eine Lichtabschirmung, die über die Länge der Säule einen Schlitz von vorgegebener Breite hat, ist vor der Pupille der zweiten Linse so angeordnet, dass durch ein ausgewählter Teil des Lichts durch den Schlitz hindurchtritt. Diese Anordnung der Abschirmung verhindert, dass von dem von der ersten Linse gesammelten Licht mehr als das an den in etwa ebenen Mittenabschnitten der länglichen Elemente gebeugte Licht durch den Schlitz hindurchtritt. Bei einer anderen Ausführungsform ist über den Enden der länglichen Elemente eine feststehende Reflexionsoberfläche angeordnet um zu verhindern, dass Licht an einer anderen Stelle als an dem in etwa ebenen Mittenabschnitt der einzelnen länglichen Elemente gebeugt wird. Gegenüber der Lichtblende der Linse ist eine schwenkbare reflektierende Oberfläche (ein Abtastspiegel) angeordnet, um das durch den Schlitz hindurchtretende Licht in ein Okular oder auf einen Bildschirm zu reflektieren. Die reflektierende Oberfläche klappt synchron mit der Kette der lichtmodulierenden Anzeigeelemente vor und zurück, um Säulen des Anzeigebilds wiederzugeben. Demgemäß wird ein zweidimensionales Farbbild in das Okular oder auf den Anzeigebildschirm geworfen. Der schwenkbare Abtastspiegel kann durch andere Spiegelanordnungen, beispielsweise einen rotierenden facettierten Polygonspiegel, ersetzt werden.
Ein weiterer Aspekt der sich durch den im folgenden zu beschreibenden Lichtmodulator ergebenden Anzeigetechnik ist folgender:
Die herkömmlichen Anzeigen werden mit zweidimensionalen Pixelanordnungen gebildet. Das von jedem der Myriaden Pixel gebildete diskrete Bild wird vom Auge des Betrachters zu einem Gesamtbild integriert. Leider ist ein solches Anzeigesystem teuerer, weil sich durch Replikation der einzelnen Pixel zur Bildung der Gesamtanordnung auch die Kosten für die Erzeugung der einzelnen Pixel replizieren. Ein Beispiel für derartige gepixelte Anzeigen sind Fernseh- und Computerbildschirme. Die Pixel für diese können von Flüssigkristallenanzeigen oder von einer Kathodenstrahlröhre gebildet werden. Benötigt wird eine Anzeigeeinrichtung, deren Herstellungskosten sich dadurch senken lassen, dass die Anzahl der zum Aufbau des Systems erforderlichen Pixel reduziert wird, ohne die Bildqualität zu verringern.
Im folgenden werden die vorliegende Erfindung und ihre Anwendung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. 1 bis 4 stellen einen bekannten reflektierenden Gittermodulator dar. 5 bis 13 zeigen den Aufbau eines Lichtmodulatorgitters, wie es für die vorliegende Erfindung verwendet wird. 14 und 15 betreffen den Einsatz des Lichtmodulatorgitters in einer Anzeigevorrichtung mit Lichtabschirmung. 16 und 17 zeigen weitere Details der Anzeigevorrichtung, und 18 zeigt den Einsatz eines reflektierenden Elements bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodulatorgitter.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen bekannten reflektierenden verformbaren Gitterlichtmodulator.
2 zeigt den bekannten reflektierenden verformbaren Gitterlichtmodulator im nicht verformten Zustand, einfallendes Licht reflektierend.
3 zeigt den bekannten reflektierenden verformbaren Gitterlichtmodulator im verformten Zustand, einfallendes Licht beugend.
4 zeigt eine Hysteresekurve für den bekannten reflektierenden verformbaren Gitterlichtmodulator.
5-6 und 8 zeigen von der Seite gesehene Schnittbilder einer Bearbeitungssequenz zur Herstellung eines erfindungsgemäßen säulenförmigen Beugungsgitter-Lichtventils (GLV).
7 zeigt einen Blick von oben auf eine Bearbeitungssequenz zur Herstellung eines säulenförmigen Beugungsgitter-Lichtventils, auf das die Erfindung angewendet wird.
9 zeigt ein von der Seite gesehenes Schnittbild des säulenförmigen Beugungsgitter-Lichtventils.
10 zeigt eine Draufsicht eines Teils des GLV mit sechs länglichen Elementen entsprechend einem einzigen Anzeigeelement.
11 zeigt ein von vorn gesehenes Schnittbild eines Anzeigeelements des GLV mit den sechs länglichen Elementen in nicht verformtem Zustand, einfallendes Licht reflektierend.
12 zeigt ein von der Seite gesehenes Schnittbild eines verformten länglichen Elements des GLV.
13 zeigt ein von vorn gesehenes Schnittbild des Anzeigeelements des GLV, bei dem jedes zweite der sechs länglichen Elemente verformt ist und einfallendes Licht beugt.
14 zeigt eine Draufsicht eines optischen Anzeigesystems, in dem das erfindungsgemäße GLV verwendet wird.
15 zeigt eine Seitenansicht des in 14 gezeigten optischen Anzeigesystems entlang der Linie C–C'.
16 zeigt einen von der Seite gesehenen Querschnitt einer Okularanordnung zur Verwendung für das in 14 gezeigte optische Anzeigesystem mit einer Austrittspupille.
17 zeigt einen von der Seite gesehenen Querschnitt einer Anzeigebildschirmanordnung zur Verwendung für das in 14 gezeigte optische Anzeigesystem mit Austrittspupille.
18 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung zur Vermeidung der Anzeige von Licht, das an einer anderen Stelle als am in etwa ebenen Mittenabschnitt der länglichen Elemente gebeugt worden ist.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
5, 6 und 8 zeigen von der Seite gesehene Schnittbilder einer Bearbeitungssequenz zum Herstellen eines säulenförmigen Beugungs- bzw. Brechungsgitter-Lichtventils (GLV) zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung. In 5 ist auf einem Siliciumsubstrat 100 eine Isolierschicht gebildet. Die Isolierschicht ist vorzugsweise eine zusammengesetzte Schicht mit einer Feldoxidschicht 102, die durch thermische Oxidation gebildet wird, und einer dünnen Schicht aus Siliciumnitrid 104, die auf der Feldoxidschicht 102 gebildet wird. Dann wird auf der Nitridschicht 104 eine leitfähige Schicht 106 gebildet. Vorzugsweise ist die leitfähige Schicht 106 aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram, Molybdän, Titan/Wolfram oder Tantal oder alternativ aus leitfähigem Polysilicium oder einem diffundierten Leiter. Die leitfähige Schicht 106 dient als untere Elektrode zum Anlegen einer Vorspannung an ausgewählte längliche Elemente des GLV. Bei einer anderen Ausführungsform wird die leitfähige Schicht 106 auf der Unterseite des Substrats 100 gebildet.
Anschließend wird auf der leitfähigen Schicht 106 eine Opferschicht 108 gebildet. Die Operschicht 108 muss gegenüber der leitfähigen Schicht 106 selektiv ätzbar sein. Die Opferschicht 108 ist vorzugsweise eine Polysiliciumschicht, die mit Xenondifluorid als Trockenätzmittel geätzt wird. Alternativ dazu kann die Opferschicht eine Schicht aus dotiertem Glas sein, beispielsweise aus Bor-Phosphor-Silikatglas oder Phoso-Silikatglas. Die Dicke, in der die Opferschicht 108 aufgebracht wird, bestimmt den Abstand zwischen der leitfähigen Schicht 106 und den länglichen Elementen, die über der Opferschicht 108 gebildet werden. Wie noch ausgeführt wird, weicht die Dicke der Opferschicht 108 insoweit deutlich von der bekannter Lichtmodulatoren ab, als die Opferschicht 108 deutlich dicker ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform entspricht die Dicke der Opferschicht 108 in etwa der erwarteten Wellenlänge des einfallenden Lichts. Wenn die erwartete Wellenlänge beispielsweise im sichtbaren Bereich liegt (etwa 450–760 nm), liegt die Dicke der Opferschicht 108 ebenfalls in diesem Bereich. Liegt die erwartete Wellenlänge im Ultraviolettbereich (etwa 200–450 nm), liegt auch die Dicke der Opferschicht 108 in diesem Bereich. Liegt die erwartete Wellenlänge im Infrarotbereich (etwa 760 = 2000 nm), liegt die Dicke der Opferschicht 108 ebenfalls in diesem Bereich.
Gemäß 6 werden die leitfähige Schicht 106 und die Opferschicht 108 nach bekannter Technik photolithographisch abgedeckt und dann nacheinander mit geeigneten Trocken- oder Nassätzmitteln geätzt, wobei bei jedem länglichen Element des GLV zwei Pfostenlöcher 110 gebildet werden. Vorzugsweise werden die Pfostenlöcher 110 im Abstand von etwa 75 Mikron voneinander gebildet, wenngleich auch ein anderer Abstand gewählt werden kann. Für Darstellungszwecke ist die Dicke der Schichten 102 - 108 relativ zum Abstand zwischen den Pfostenlöchern 110 überhöht gezeichnet.
7 zeigt eine Draufsicht des GLV, nachdem die Pfostenlöcher 110 in der beschriebenen Weise ausgeätzt worden sind. Für Darstellungszwecke zeigt 7 eine Reihe von sechs paarweisen Pfostenlöchern 110, wobei jedes Paar einem länglichen Element des GLV entspricht. Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt das GLV mehr Paare Pfostenlöcher 110. Beispielsweise können 1920 Paare Pfostenlöcher 110 entsprechend 1920 länglichen Elementen, die in Reihe angeordnet sind, verwendet werden.
Gemäß 8 ist auf der Opferschicht 108 und den Pfostenlöchern 110 eine Schicht aus einem elastischen Material 112 ausgebildet, welches die Pfostenlöcher 110 teilweise oder vollständig füllt. Das elastische Material 112 ist vorzugsweise eine Schicht aus Siliciumnitrid, deren Dicke und Eigenspannung durch die Federkraft bestimmt werden, die erforderlich ist, um die einzelnen länglichen Elemente in die obere Position zurückzuführen, nachdem eine ausreichende gegenpolige Vorspannung angelegt worden ist, um die elektrostatische Kraft aufzuheben, die durch die Vorspannung induziert worden ist, welche angelegt worden ist, um die länglichen Elemente in die untere Position zu bringen. Anschließend wird auf der elastischen Schicht 112 eine Reflexionsschicht 114 abgeschieden. Die Reflexionsschicht 114 ergibt für jedes der länglichen Elemente des GLV eine reflektierende Oberfläche und dient als obere Elektrode zum Anlegen einer Vorspannung an ausgewählte längliche Elemente des GLV. Die Reflexionsschicht 114 ist vorzugsweise aus aufgestäubtem Aluminium.
Zuletzt wird eine Photolackschicht 118 als Maske zur selektiven Musterbildung in der Reflexionsschicht 114 und der elastischen Schicht 112 zur Bildung der länglichen Elemente aufgebracht. Zusätzlich wird die Opferschicht 108 geätzt, so dass ein Luftraum unter den länglichen Elementen entsteht.
9 zeigt einen von der Seite gesehenen Querschnitt durch eines der länglichen Elemente 200 des GLV in nicht verformtem Zustand. Zu beachten ist, dass in 9 die Opferschicht 108 (5-6 und 8) unter dem länglichen Element 200 durch einen Luftraum 202 ersetzt ist. Das längliche Element 200 ist also durch seine Enden über der Oberfläche des Substrats (mit seinen Aufbauschichten) aufgehängt. Außerdem ist die Photolackschicht 118 (8) entfernt.
10 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des GLV mit sechs länglichen Elementen 200. Zu beachten ist, dass die länglichen Elemente 200 gleich breit sind und parallel zueinander angeordnet sind. Außerdem sind die länglichen Elemente 200 durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt, so dass jedes der länglichen Elemente 200 selektiv gegenüber den anderen verformt werden kann. Die sechs in 10 gezeigten länglichen Elemente 200 entsprechen vorzugsweise einem einzigen Anzeigeelement 300. Damit entspricht die Reihe von 1920 länglichen Elementen einer GLV-Anordnung mit 320 in einer Reihe angeordneten Anzeigeelementen. Man kann sich denken, dass die Anzahl der Anzeigeelemente Einfluss auf die Auflösung der Anzeige hat und dass auch eine andere Anzahl gewählt werden kann. Außerdem kann jedes der Anzeigeelemente 300 eine andere Anzahl länglicher Elemente 200 haben. Beispielsweise können zwei, vier, acht, zehn oder zwölf längliche Elemente 200 einem einzelnen Anzeigeelement 300 entsprechen. Es können sogar noch mehr längliche Elemente für ein einziges Anzeigeelement 300 verwendet werden. Außerdem kann eine ungeradzahlige Anzahl länglicher Elemente 200 für ein einzelnes Anzeigeelement 300 verwendet werden.
11 zeigt ein von vorn gesehenes Schnittbild des Anzeigeelements 300 mit nicht verformten länglichen Elementen 200. Das in 11 gezeigte Schnittbild ist entlang der Linie A–A' von 9 geführt. Der nicht verformte Zustand wird durch Anlegen der gleichen Vorspannung an jedes der länglichen Elemente 200 gegenüber der leitfähigen Schicht 106 erreicht. Zu beachten ist, dass das auf die länglichen Elemente 200 einfallende Licht reflektiert wird, weil die reflektierenden Oberflächen der länglichen Elemente 200 im wesentlichen coplanar sind.
12 zeigt ein von der Seite gesehenes Schnittbild eines verformten länglichen Elements 200 des GLV. 12 zeigt, dass das längliche Element 200 auch im verformten Zustand aufgehängt bleibt und nicht mit der unter ihm liegenden Oberfläche der Substratschichten in Berührung kommt. Dadurch unterscheidet es sich von dem bekannten Modulator von 1–3. Durch Vermeidung des Kontakts zwischen dem länglichen Element 200 und der Substratoberfläche wird auch das beim bekannten Modulator auftretende Problem des Anhaltens vermieden. Zu beachten ist jedoch, dass das längliche Element 200 im verformten Zustand zum Durchhängen neigt, und zwar dadurch, dass die elektrostatische Kraft, die das längliche Element 200 zum Substrat hinzieht, gleichmäßig über seine Länge verteilt ist und zwar senkrecht dazu, während die Spannung der länglichen Elemente 200 entlang der Länge des länglichen Elements 200 verläuft. Dadurch ist die reflektierende Oberfläche gekrümmt statt eben. Zu beachten ist jedoch, dass der Grad des Durchhängens des länglichen Elements 200 bezogen auf seine Länge in 12 zu Illustrationszwecken übertrieben dargestellt ist.
Es wurde jedoch festgestellt, dass der Mittenabschnitt 202 (12) des länglichen Elements 200 in etwa eben bleibt, so dass das Kontrastverhältnis, das sich daraus ergibt, dass nur Licht genommen wird, das am Mittenabschnitt 202 der einzelnen länglichen Elemente 200 gebeugt worden ist, zufriedenstellend ist. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der in etwa ebene Mittenabschnitt 202 in etwa ein Drittel des Abstands zwischen den Pfostenlöchern 110 beträgt. Wenn der Abstand zwischen den Pfostenlöchern 75 Mikron beträgt, ist der in etwa ebene Mittenabschnitt 202 somit etwa 25 Mikron lang.
13 zeigt ein von vorn gesehenes Schnittbild des Anzeigeelements 300, bei dem jedes zweite der länglichen Elemente 20 verformt ist. Das in 13 gezeigte Schnittbild ist entlang der Linie B–B' von 12 geführt. Die länglichen Streifen 200, die nicht wesentlich bewegt werden, werden durch Anlegen einer Vorspannung in der gewünschten Position gehalten. Der verformte Zustand der bewegten länglichen Streifen 200 wird durch Anlegen einer geeigneten Spannung an jeden zweite der länglichen Elemente 200 gegenüber der leitfähigen Schicht 106 erreicht. Der Umfangsabstand d, ist über den in etwa ebenen Mittenabschnitt 202 (12) in etwa konstant und legt damit die Gitteramplitude des GLV fest. Die Gitteramplitude d, kann durch Einstellen der Treiberspannung an den betätigten länglichen Elementen 200 verstellt werden. Dadurch wird die Feinabstimmung des GLV auf ein optimales Kontrastverhältnis möglich.
Um das einfallende Licht von nur einer Wellenlänge (λ,) in geeigneter Weise zu beugen bzw. zu brechen, sollte das GLV eine Gitteramplitude d, haben, die ein Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts (λ₁/4) beträgt, damit ein maximales Kontrastverhältnis beim angezeigten Bild erreicht wird. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Gitteramplitude d, nur zu einem Rundkursabstand von der Hälfte der Wellenlänge λ, zuzüglich einer ganzen Zahl von Wellenlängen λ, führen muss (d. h. d, = λ₁/4, 3 λ₁/4, 5 λ₁/4,..., N λ₁/2 + λ₁/4).
In 13 ist zu sehen, dass die Unterseite der einzelnen verformten länglichen Elemente 200 von der Oberfläche des Substrats um den Abstand d₂ getrennt ist. Die länglichen Elemente 200 haben also während der Funktion des GLV keinen Kontakt mit dem Substrat. Dadurch wird das bei bekannten Modulatoren auftretende Problem des Anhaltens der reflektierenden Streifen am Substrat vermieden. Der Abstand d₂ wird vorzugsweise so gewählt, dass er etwa das Doppelte oder das Dreifache des Abstands d, beträgt. Damit bewegen sich die länglichen Elemente 200 im verformten Zustand um etwa ein Viertel bis ein Drittel des Abstands d₂ auf das Substrat zu. Der Abstand d₂ wird von der Dicke der Opferschicht 108 (5–6 und 8) zuzüglich des Abstands d₁ bestimmt.
Was die in 4 gezeigte Hysteresekurve angeht, so wird die Hysterese vermieden, weil die länglichen Elemente 200 das einfallende Licht beugen, wobei sie sich nur um ein Drittel bis ein Viertel des Abstands d₂ auf das Substrat zu bewegen. Ausgehend vom nicht verformten Zustand verformen sich die länglichen Elemente 200 statt dessen zum Substrat hin und kehren dann auf derselben Spannung/Lichtintensitätskurve in jeder Bewegungsrichtung in den nicht verformten Zustand zurück. Das ist anders als bei dem in 1–3 gezeigten bekannten Modulator, der eine Hysterese erfährt, wenn er sich in den Beugungszustand verformt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine stufenlose Helligkeitswahl durch stufenlose Änderung der Antriebsspannung an den bewegten länglichen Elementen 200.
Weil die Endabschnitte der einzelnen länglichen Elemente 200 nicht annähernd eben sind, ergibt sich für das Anzeigebild ein eher unbefriedigendes Kontrastverhältnis, wenn an den Endabschnitten gebeugtes Licht gesammelt und zur Anzeige gebracht wird. Deshalb ist bei einer Ausführungsform der Erfindung, wie bereits erwähnt, eine Lichtabschirmung vorgesehen, die verhindert, dass an anderer Stelle als am annähernd ebenen Mittenabschnitt 202 der einzelnen länglichen Elemente 200 gebeugtes Licht für die Bildung des Anzeigebilds verwendet wird. Alternativ dazu könnte das Licht optisch so manipuliert werden, dass es nur auf dem ungefähr ebenen Mittenabschnitt 202 auftrifft. Bei dieser Version wird eine Lichtvergeudung vermieden.
14 zeigt eine Draufsicht auf ein optisches Anzeigesystem 400, in dem die GLV-Gruppe 402 Anwendung findet. Zur Beleuchtung der GLV-Gruppe 402 sind die rote Lichtquelle 404R, die grüne Lichtquelle 404G und die blaue Lichtquelle 404B vorgesehen. Diese Lichtquellen können beliebige Quellen von rotem, grünem und blauem Licht sein, auch Halbleiterlichtquellen wie Leuchtdioden (LEDs) oder Halbleiterlaser oder gesonderte diodengepumpte Festkörperlaser oder weißes Licht mit wechselnden Filtern, beispielsweise einer sich drehenden Scheibe mit drei Filtern, die nacheinander rotes, grünes und blaues Licht durchlässt. Für das System 400 wird angenommen, dass die Lichtquellen 404R, 404G und 404B das Licht grundsätzlich symmetrisch abstrahlen. Eine dichroitische Filtergruppe 406 ermöglicht es, Licht von jeder beliebigen dieser Lichtquellen auf eine Kollimationslinse 408 zu richten, von wo es sich grundsätzlich auf der optischen Achse z des Systems ausbreitet. Dichroitische Filtergruppen oder Prismenblöcke, über die drei Lichtquellen unterschiedlicher Farbe vom selben Ursprung aus in ein optisches System eingespeist werden können, sind in der Optik bekannt, beispielsweise Philips-Prismen. Daher werden diese dichroitischen Filtergruppen hier nicht näher beschrieben.
Außerdem sind die Verwendung von drei getrennten Bilderzeugungssystemen – jeweils einem für Rot, Grün und Blau – und die optische Kombination dieser Bilder bekannt. Das erfindungsgemäße System könnte auch drei Anzeigevorrichtungen umfassen, die kombiniert und dann gescannt werden, um ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen.
Weil die GLVs unter Einsatz von Halbleiterherstellungstechniken gebildet werden, ist es möglich, drei parallele lineare Anordnungen zu bilden, die im wesentlichen perfekt zueinander ausgerichtet sind. Es können drei Beleuchtungssysteme, nämlich je eines für Rot, Grün und Blau so konfiguriert werden, dass sie das Licht der jeweiligen Farbe jeweils auf eine der perfekt ausgerichteten linearen GLV-Anordnungen werten. Dadurch ist die Ausrichtung des zusammengesetzten Bildes leichter als bei den bekannten Farbzusammensetzungssystemen.
Ein gemeinsames Problem der bekannten Farbanzeigesysteme ist allgemein unter dem Begriff „Farbaufspaltung" (color break up) bekannt. Diese ergibt sich dadurch, dass diese Systeme in geeigneter Folge einen roten, einen grünen und einen blauen Rahmen anzeigen. Diese Technik ist als Farbrahmenfolge (Zeitfolgeverfahren) bekannt. Wenn ein Objekt zwischen dem Betrachter und dem angezeigten Bild hindurchgeht, erscheint ein Schatten dieses Gegenstands in einer der Farben in der Anzeige. Ebenso erscheint ein Artefakt der Farbrahmenfolge, wenn der Betrachter schnell die Köpfe dreht.
Weil die GLV-Technik in einer ausreichenden Bandbreite funktioniert, kann das System so betrieben werden, dass bei Abtastung jede der drei Anzeigefarben für jede Anzeigereihe bereitgestellt wird. Die Erfinder haben für diese Technik den Begriff „Zeilenfolgeverfahren" geprägt. Die schädlichen Artefakte der Farbrahmenfolge sind nicht vorhanden.
Beim Zeilenfolgeverfahren wird beim Abtasten des Bildes jede der drei Farben nacheinander in die lineare GLV-Anordnung eingespeist. Es werden mit anderen Worten alle drei Farben so präsentiert, wie es in etwa einer einzelnen Anzeigezeile einer herkömmlichen gepixelten Anzeige entspricht.
Das Bild wird durch Abtasten einer linearen GLV-Anordnung gebildet. Die länglichen Elemente der linearen Anordnung sind alle parallel zueinander und senkrecht zur Länge der linearen Anordnung ausgerichtet. Dadurch wird die schattenhafte Anzeige benachbarter Elemente vermieden. Es gibt daher keine Pixelung zwischen benachbarten Anzeigeelementen wie bei bekannten LCD- oder Kathodenstrahlröhrenanzeigen. Weil die Anordnung exakt senkrecht zu der linearen Anordnung abgetastet wird, kann auch in dieser Richtung keine Pixelung zwischen der Anzeige auftreten. Dadurch lässt sich die Bildqualität im Vergleich zur herkömmlichen Anzeigetechnik deutlich verbessern.
Die Linse 408 ist der Einfachheit halber als einfache „sphärische" Linse, d. h. als Linse, die auf der x-Achse und der y-Achse die gleiche Brechkraft hat; gezeichnet. In 14 . liegt die y-Achse in der Zeichenebene, während die x-Achse senkrecht zur Zeichenebene ist. Die Linse 408 kollimiert das Licht der Lichtquellen auf beiden Achsen. Wer sich mit der Technik, der die Erfindung zuzuordnen ist, auskennt, weiß jedoch, dass das von einem endemittierenden Halbleiterlaser abgestrahlte Licht auf einer der Achsen (x oder y) divergenter ist als auf der anderen und Astigmatismus aufweist. Mittel zum Kollimieren des Ausgangsstrahls eines solchen Lasers und zu seiner Aufweitung auf die gewünschte Größe sind in der Optik bekannt und machen gegebenenfalls eine oder mehrere sphärische, asphärische, torische oder zylindrische (sphärische und asphärische) Linsenelemente erforderlich. Die Linse 408 soll eine Gruppe aus einem oder mehreren solchen Elementen darstellen.
Divergentes Licht 410 aus der symmetrisch emittierenden Lichtquelle 404 tritt durch die Linse 408 hindurch und wird auf der x- und der y-Achse kollimiert. Das biaxial kollimierte Licht 412 wird dann durch die zylindrische Linse 414 geführt. Der Begriff „zylindrisch" bedeutet hier, dass die Linse 414 nur auf einer Achse (hier der y-Achse) Brechkraft hat. Der Optik-Fachmann weiß, dass die Oberfläche der Linse 414 nicht kreiszylindrisch sein muss. Die Linse 414 hat die Aufgabe, das durch sie hindurchtretende biaxial kollimierte Licht 412 auf der y-Achse zu konvergieren (14, Linien 416), während es auf der x-Achse kollimiert bleibt (14, Linien 418). Es sei darauf hingewiesen, dass die Linse 414, wie bereits erwähnt, auch aus einem oder mehreren optischen Elementen gebildet sein kann und nur der Einfachheit halber als Einzelelement dargestellt ist.
Die GLV-Anordnung 402 wird in einem Abstand zur zylindrischen Linse 414 angeordnet, der in etwa der Brennweite (f₁) der Linse entspricht. Die GLV-Anordnung 402 ist in x-Achse aufgereiht auf der optischen z-Achse des Systems angeordnet, welche der optischen Achse der Linsen 408 und 414 entspricht. Die Funktionsoberfläche des GLV (der länglichen Elemente 200) ist gegenüber der z-Achse geneigt. In 14 ist die GLV-Anordnung 402 um 45 Grad gegenüber der Achse geneigt, so dass die z-Achse um 90 Grad umgelegt wird. Diese Neigung der GLV-Anordnung 402 wurde hier zur einfacheren Darstellung gewählt und ist nicht als Einschränkung anzusehen.
15 zeigt das optische Anzeigesystem von 14 in Seitenansicht auf der Linie C-C'. Nach 15 erzeugt das auf die funktionsbereite GLV-Anordnung 402 einfallende Licht einen reflektierten Strahl (418) sowie gebeugte Plus- und Minusstrahlen erster Ordnung, die mit D₊₁, bzw. D_–1 bezeichnet sind. Diese gebeugten Strahlen sind auf der x-Achse gegenüber der z-Achse geneigt. Auf der y-Achse sind die gebeugten und reflektierten Strahlen gleich divergent. Die gebeugten und reflektierten Strahlen treten dann durch eine (positive) Vergrößerungslinse 420, die von der GLV-Anordnung 402 um die Brennweite f₂ der Linse beabstandet ist. Die Linse 420 ist der Einfachheit halber als Einzelelement dargestellt, kann jedoch in der Praxis auch aus zwei oder mehr Elementen bestehen. Die Linse 420 bildet ein Okular für das System 400 und ist vorzugsweise eines der bekannten Okulare vom Typ Hyugens, Ramsden, Kellner, Plössel, Abbe, König oder Erfle.
Auf der x-Achse konvergiert der reflektierte Strahl 422 zu einem Brennpunkt auf der z-Achse, in dem eine längliche Blende 424 etwa an der äußeren telezentrischen Austrittspupille P₂ der Linse 420 angeordnet ist. Zusätzlich ist in der Ebene der Pupille P₂, der Linse 420 eine Blende 426 angeordnet, um Licht, das an anderen Stellen der länglichen Elemente 200 der GLV-Anordnung 402 als an ihren in etwa ebenen Mittenbereichen 202 gebeugt worden ist, nicht hindurchzulassen. Die Blende hat einen Schlitz, der vorzugsweise so bemessen ist, dass nur Licht (D₊₁, D_–1), das an dem etwa 25 Mikron breiten Mittenabschnitt 202 der einzelnen länglichen Elemente 200 gebeugt worden ist, hindurchtreten kann.
Die Schlieren-Optik des Systems 400 kann als Teil einer telezentrischen optischen Anordnung 428 angesehen werden, welche die GLV-Anordnung 402, das Vergrößerungsokular 420 und die Blende 424 enthält, wobei die GLV-Anordnung 402 etwa an der äußeren Objektposition der Linse 420 und die Blende 424 etwa in der Austrittspupille der Linse 420 angeordnet sind. Ein telezentrisches System ist ein System, bei dem die Eintrittspupille und/oder die Austrittspupille auf unendlich gestellt sind. Es wird häufig verwendet für optische Systeme, die für Meßzwecke bestimmt sind, weil es durch geringfügige Defokussierung des Systems bedingte Meß- oder Postionsfehler reduziert. Diese Eigenschaft ermöglicht eine gewisse Toleranz bei der Anordnung von Blenden und anderen Komponenten des Systems insgesamt und wird bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; die nachstehend näher beschrieben werden, genutzt.
Auf der y-Achse (14) wird divergierendes reflektiertes Licht 430 (und gebeugtes Licht) von der Linse 420 kollimiert. Die Blende 424 ist an der y-Achse angeordnet und fängt das reflektierte Licht ab. Die Blende 426 absorbiert Licht, das an anderer Stelle als an den in etwa ebenen Mittenabschnitten 202 der GLV-Anordnung 402 gebeugt worden ist. Die Blende 424 kann eine Absorptions- oder eine Reflexionsblende sein. Wenn die Blende 424 eine Reflexionsblende ist, wird das von ihr reflektierte Licht zur GLV-Anordnung 420 zurückgeschickt. Die gebeugten Strahlen D₊₁ und D_–1 jedoch, die gegenüber der z-Achse und den entsprechenden einfallenden und reflektierten Strahlen geneigt sind, konvergieren zu Brennpunkten über und unter (alternativ auf entgegengesetzten Seiten) der Blende 424 und gelangen durch den Schlitz der Blende 426 durch die Austrittspupille P₂, ohne aufgefangen zu werden.
Der Abtastspiegel 432 ist so angeordnet, dass die gebeugten Strahlen aufgefangen und zum Auge 434 des Betrachters gelenkt werden. Der Betrachter sieht ein vergrößertes virtuelles Bild (unendlich) der GLV-Anordnung 402. Dieses Bild ist in. 5 durch die Linie 436 wiedergegeben, wobei natürlich zu berücksichtigen ist, dass hier kein reales Bild gegeben ist. Es liegt auf der Hand, dass die Reihe der GLV-Anordnung 402 eine Reihe oder eine Spalte des anzuzeigenden Bildes wiedergeben kann. Die übrigen Reihen oder Spalten werden dann im Zuge der Abtastung gebildet. Es ist möglich, auch andere Abtastmodi einzusetzen, beispielsweise die Diagonalabtastung.
Die länglichen Elemente 200 der GLV-Anordnung 402 werden so betrieben, dass sie nacheinander unterschiedliche Zeilen der MxN-Anzeige wiedergeben, wobei M die Anzahl der Anzeigeelemente pro Zeile bedeutet und N die Anzahl der Zeilen der Anzeige. Jedes Anzeigeelement 300 beinhaltet, wie bereits erwähnt, mehrere längliche Elemente 200. Die GLV-Anordnung 402 kann grundsätzlich als eindimensionale Reihe von Lichtventilen bzw. als eine Reihe von Anzeigeelementen oder Pixeln bezeichnet werden. Bei dem vergrößerten virtuellen Bild haben diese Pixel eine relative Helligkeit, die vom Betriebszustand des bzw. der Streifen 12 der GLV-Anordnung 10 bestimmt wird.
Der Abtastspiegel 432 wird von einem Antrieb 436 um eine Achse 438 in einem Winkel bewegt, wie durch den Pfeil A (14) angezeigt, und tastet die gebeugten Strahlen und damit das vergrößerte virtuelle Bild zeilenweise über das Sehfeld des Betrachters ab, wie durch den Pfeil B angezeigt, um die aufeinanderfolgenden Zeilen der Anzeige wiederzugeben. Der Spiegel 432 wird so schnell bewegt, dass das abgetastete virtuelle Bild dem Betrachter als zweidimensionales Bild erscheint. Der schwenkbare Abtastspiegel 432 kann durch andere Spiegelanordnungen ersetzt werden, beispielsweise durch einen sich drehenden facettierten Polygonspiegel.
Es ist eine mikroprozessorgestützte elektronische Steuerschaltung 440 zur Aufnahme von Videodaten vorgesehen und mit der GLV-Anordnung 402 verbunden, so dass die Videodaten genutzt werden können, um die länglichen Elemente 200 der GLV-Anordnung zur Modulation des an ihnen gebeugten Lichts zu betätigen. Die Schaltung 440 ist so ausgelegt, dass das Licht der gebeugten Strahlen D₊₁ und D_–1 so moduliert wird, dass aufeinanderfolgende Zeilen eines zweidimensionalen Bildes, das die Videodaten wiedergibt, wiedergegeben werden, wie bereits erwähnt. Die Steuerschaltung 440 ist auch mit dem Abtastspiegelantrieb 436 gekoppelt, um die Anzeige aufeinanderfolgender Zeilen zu synchronisieren und zu bewirken, dass aufeinanderfolgende Rahmen des Bildes am äußersten Punkt der Winkelauslenkung des Abtastspiegels 432 beginnen. Die Abtastgeschwindigkeit kann nach einem Sinus-, Sägezahn- oder sonstigen geeigneten Geschwindigkeitsalgorithmus gesteuert werden. Es ist lediglich erforderlich, dass die Abtastgeschwindigkeit mit der Bereitstellung der Daten für die GLV-Anordnung 402 synchronisiert wird.
Die Steuerschaltung 432 ist auch mit den Lichtquellen 404R, 404G und 404B gekoppelt, um die Quellen zusammenwirkend mit dem Betrieb der GLV-Anordnung 402 nacheinander zu schalten, um nacheinander die rote, grüne und blaue Bildauflösung der Anordnung bereitzustellen, die zusammen eine Auflösungszeile des farbigen zweidimensionalen Bildes ergeben. Bei dieser Vorgehensweise werden die länglichen Elemente 200 jedes der Anzeigeelemente 300 in geeigneter Weise moduliert, wobei die Lichtquellen 404R, 404G und 404B nacheinander aktiviert werden, um den geeigneten Rot-, Grün- und Blauanteil des gebeugten Lichts für die Anzeigeelemente 300 bereitzustellen, während die entsprechende Bildzeile für den Betrachter angezeigt wird. Diese Modulation erfolgt mit so hoher Geschwindigkeit, dass der Betrachter bei jedem der Anzeigeelemente 300 die richtige Farbkombination wahrnimmt.
Bei einer anderen Anordnung werden die Lichtquellen 404R, 404G und 404B gleichzeitig aktiviert, um die GLV-Anordnung 402 und zwei zusätzliche Anordnungen (nicht eingezeichnet) über einen dichroitischen Prismenblock (nicht eingezeichnet), der zwischen der Linse 420 und den drei GLV-Anordnungen angeordnet ist, zu beleuchten. In diesem Fall ist jede GLV-Anordnung so eingerichtet, dass sie eine bestimmte der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau des Bildes moduliert. Der dichroitische Prismenblock kann ein Block eines bekannten Typs sein, beispielsweise der bereits erwähnte Phillips-Prismenblock. Er würde in diesem Fall so angeordnet, dass jede der GLV-Anordnungen im gleichen Abstand und im gleichen Winkel zur Linse 420 angeordnet erschiene. Bei einer solchen Anordnung könnten zur Bereitstellung eines farbigen Bildes die Lichtquellen 404R, 404G und 404B durch eine einzige Quelle von weißem Licht ersetzt werden, und der dichroitische Prismenblock 406 könnte entfallen.
Zu beachten ist, dass das Auge 434 des Betrachters in 14 nicht in der idealen Position zum richtigen Betrachten eines vergrößerten virtuellen Bildes der Anzeige des Systems 400 dargestellt ist. Zur Betrachtung dieses Bildes sollte das Auge des Betrachters Idealerweise in etwa an der Austrittspupille P₂ angeordnet sein. Das ist wegen des Spiegels 432 schwierig, der vorzugsweise ebenfalls in etwa an der Austrittspupille angeordnet sein sollte. Diese Schwierigkeit kann dadurch ausgeräumt werden, dass das Bild der Austrittspupille optisch vom Spiegel weg auf eine Position geworfen wird, die das Auge des, Betrachters leicht einnehmen kann, so dass sowohl der Abtastspiegel 432 als auch das Auge des Betrachters in etwa in Pupillenposition gebracht werden können.
Ein Mittel zur Verschiebung des Bildes der Austrittspupille P₂ ist in 16 gezeigt, wobei die optische Anordnung als optisch „ungefaltet" dargestellt ist und der Abtastspiegel 432 als Linie an der Austrittspupille P₂ der Linse 420 wiedergegeben ist, was eine bevorzugte Position für den Abtastspiegel 432 ist. Zusätzlich ist die Blende 426 in der Ebene der Pupille P₂ angeordnet. Die Pupillenverschiebung wird erreicht durch die zwei Linsen 442 und 444, welche die gleiche Brennweite haben und im Abstand der doppelten Brennweite voneinander angeordnet sind, um ein telezentrisches Vergrößerungsrelais zu bilden, welches das Bild P₃ der Austrittspupille P₂ um die. Brennweite der Linse 444 von der Linse 444 weg versetzt, wobei ein geeignetes Augenrelief der Linse 444 gegeben ist. Der Fachmann weiß natürlich, dass die Linsen 442 und 444 mehr als ein Linsenelement enthalten können und dass die in 16 gezeigte telezentrische Relaisanordnung nicht die einzig mögliche optische Anordnung zur Verschiebung des Pupillenbildes ist.
Im folgenden wird auf 17 Bezug genommen, wo das optische System wieder als „ungefaltet" dargestellt ist und der Abtastspiegel 432 als Linie an der Austrittspupille P₂ der Linse gezeichnet ist, was auch in diesem Fall eine bevorzugte Position für den Abtastspiegel 432 ist. Die Blende 426 ist ebenfalls in der Ebene der Pupille P₂ angeordnet. Das Okular 420 kann ebenfalls als ein Element oder als Gruppe von Elementen zur Projektion eines vergrößerten realen Bildes der GLV-Anordnung 402 auf einen Bildschirm oder ein Aufzeichnungsmedium verwendet werden, wie es für die Bereitstellung einer Projektionsanzeige oder eine Vorrichtung zur Aufzeichnung oder zum Drucken eines Bildes erforderlich wäre. In diesem Fall ist eine Linse (bzw. eine Gruppe von Linsenelementen) 446 so angeordnet, dass ein vergrößertes reales Bild 448 (in diesem Fall die Breite) der GLV-Anordnung 402 in einem endlichen Abstand von der Linse 446 fokussiert wird. Dieses Bild könnte in der Ebene 450 fokussiert werden, die ein Betrachtungsbildschirm zur Bereitstellung eines projizierten (sichtbaren) zweidimensionalen Bildes sein könnte, oder auf ein Aufzeichnungsmedium wie einen Fotofilm oder Papier. Für ein aufgezeichnetes oder gedrucktes Bild könnte der Abtastspiegel 432 entfallen, und die Abtastung könnte durch Bewegen eines Aufzeichnungs- oder Druckmediums in Abtastrichtung, die in 17 senkrecht zur Abbildungsebene, d. h. senkrecht zur Bildausrichtung, ist, erzielt werden. Diese mechanische Abtastbewegung müsste natürlich wie beim System 400 mit der Bilderzeugung durch die elektrische Schaltung 440 synchronisiert werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist statt der in 14 bis 17 gezeigten Blende 426 zur Verhinderung, dass Licht, das an einer anderen Stelle als an dem in etwa ebenen Mittenabschnitt 202 (12) der einzelnen länglichen Elemente 200 der GLV-Anordnung 402 gebeugt worden ist, zum Betrachter gelangt, ein reflektierendes Element 500 über den äußersten Abschnitten der einzelnen länglichen Elemente 200 angeordnet. Ein Seitenriss eines solchen reflektierenden Elements 500 ist in 18 als über einem verformten länglichen Element 200 angeordnet gezeichnet. Wie aus 18 zu ersehen ist, bleibt der in etwa ebene Mittenabschnitt 202 (12) des länglichen Elements 200 im Bereich des Lichteinfalls, während die äußeren Abschnitte vom reflektierenden Element 500 abgedeckt werden. Das reflektierende Element 500 reflek- tiert das einfallende Licht. Daher gelangt das reflektierte Licht nicht zum Betrachter und beeinträchtigt nicht das vom Betrachter wahrgenommene Bild. Das in 18 gezeigte reflektierende Element 500 ist vorzugsweise so dünn, dass es praktisch in derselben Ebene liegt wie der in etwa ebene Mittenabschnitt 202 der einzelnen länglichen Elemente 200 (im nicht verformten Zustand). Das reflektierende Element 500 kann auch in einer zur reflektierenden Oberfläche der länglichen Elemente 200 (im nicht verformten Zustand) parallelen und um den Abstand d₃ gleich einer ganzen Zahl N von Halbwellenlängen (d. h. d₃ = 0, λ₁/2, λ₁, 3λ₁/2, 2λ₁,..., Nλ₁/2) des erwarteten einfallenden Lichts beabstandeten Ebene angeordnet werden.
Das oben in seinen Grundzügen beschriebene Ausführungsbeispiel ist zur Bildung einer Anzeige für einen menschlichen Betrachter bestimmt. Andere Arten von „Anzeige" sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich. Beispielsweise könnte auf einer sich drehenden Trommel ein Bild zur Übertragung auf Papier in einem Druckvorgang erzeugt werden. In diesem Anwendungsfall könnte die Lichtquelle auch eine UV- oder eine Infrarotlichtquelle sein. Ein solches Bild ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, ist jedoch gleichermaßen nutzbar.

Claims

Modulator zum Modulieren eines einfallenden Lichtstrahls mit einer gegebenen Wellenlänge, wobei der Modulator beinhaltet: eine Vielzahl von gestreckten Elementen (200), jedes mit einer zwischen beiden Enden angeordneten näherungsweise flachen reflektierenden Oberfläche, wobei die Elemente parallel zueinander angeordnet sind und mittels ihrerjeweiligen Enden über einem Substrat (100) aufgehängt sind; und reflektierende Bereiche der gestreckten Elemente, welche in Richtung des Substrats ohne das Substrat zu berühren, gezielt verformbar sind, um zur Lichtbrechung einen verformten Zustand einzunehmen; gekennzeichnet durch ein über den beiden Enden jedes der Vielzahl von gestreckten Elementen (200) in einer Ebene parallel zu der reflektierenden Oberfläche der unverformten gestreckten Elemente mit einem Abstand gleich einer ganzen Zahl (einschließlich Null) multipliziert mit der halben gegebenen Wellenlänge angeordnetes reflektierendes Element (500).
Modulator gemäß Anspruch 1, zusätzlich mit einem Steuerschaltkreis zum Anlegen einer Modulationsspannung, an ausgewählte gestreckte Elemente, um diese in einen verformten Zustand zu bewegen.
Modulator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die gestreckten Elemente entsprechend einer Anzahl von modulierbaren Anzeigelementen gruppiert sind, angeordnet in einer einzigen geraden Reihe, und mit einer optischen Anordnung zur Anzeige eines Bildes entsprechend einer jeweiligen Intensität, welche von jedem Displayelement bereitgestellt ist, verbunden sind.
Modulator gemäß Anspruch 3, zusätzlich mit einer optische Anordnung zum Abtasten eines Bildes von der einzelnen linearen Reihe, um ein zweidimensionales Bild zu bilden.
Modulator gemäß Anspruch 4, zusätzlich mit Mitteln zum aufeinanderfolgenden Beleuchten der Vielzahl von gestreckten Elementen mit einer Vielzahl von Wellenlängen, welche verschiedenen Lichtfarben entsprechen, derart, dass das zweidimensionale Bild gebildet ist ohne color break up (Farbaufspaltung).
Modulator gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das zweidimensionale Bild nicht gepixelt ist.
Modulator gemäß Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Bewegungsweg der ausgewählten der gestreckten Elemente eine Intensität für das entsprechende Displayelement bestimmt.
Modulator gemäß Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Verhältnis einer Reflexionsdauer zu einer Brechungsdauer die Intensität für ein Displayelement bestimmt.
Modulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der gestreckten Elemente mittels ihrer jeweiligen Enden durch angeformte Pfosten (110) über einem Substrat aufgehängt sind, wobei die Pfosten an den gestreckten Elementen und dem Substrat angeformt sind.
Modulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gegebene Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich eines einfallenden Lichtstrahles liegt, den der Modulator modulieren kann.
Modulator gemäß Anspruch 10, wobei die gegebene Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs von sichtbarem Licht liegt.
Modulator gemäß Anspruch 10, wobei die gegebene Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs von ultraviolettem Licht liegt.
Modulator gemäß Anspruch 10, wobei die gegebene Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs von infrarotem Licht liegt.
Modulator gemäß Anspruch 2, wobei die Mittel ausgelegt sind, um den reflektierenden Bereich eines ausgewählten gestreckten Elements um näherungs weise ein Viertel der gegebenen Wellenlänge in den verformten Zustand zu bewegen.
Modulator gemäß Anspruch 2, wobei die Mittel ausgelegt sind, die jeweiligen reflektierenden Bereiche der ausgewählten der gestreckten Elemente um einen steuerbaren Weg zu bewegen, um eine gewünschte Helligkeit des modulierten Lichtes bereitzustellen.
Modulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Gitteramplitude der reflektierenden Bereiche der gestreckten Elemente näherungsweise ein Viertel bis zu einem Drittel des Abstandes zwischen unverformten gestreckten Elementen und dem Substrat beträgt.
Modulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der reflektierende Bereich jedes gestreckten Elements näherungsweise ein Drittel der Länge des Elementes beträgt.
Modulator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der reflektierende Bereich jedes gestreckten Elements aus einem Mittelbereich des Elements besteht.
Modulator zum Modulieren eines einfallenden Lichtstrahls, welcher eine gegebene Wellenlänge aufweist, wobei der Modulator beinhaltet: eine Vielzahl von gestreckten Elementen (200), jedes mit einer zwischen beiden Enden angeordneten näherungsweise ebenen reflektierenden Oberfläche, wobei die Elemente parallel zueinander angeordnet sind und mittels ihrerjeweiligen Enden über einem Substrat (100) aufgehängt sind; und reflektierende Bereiche der gestreckten Elemente, welche in Richtung des Substrats ohne das Substrat zu berühren, gezielt verformbar sind, um zur Lichtbrechung einen verformten Zustand einzunehmen; dadurch gekennzeichnet, dass die gestreckten Elemente in einer einzigen linearen Reihe angeordnet entsprechend einer Vielzahl von Displayelementen gruppiert sind, und an eine optische Anordnung zum Anzeigen eines durch Modulation der Displayelemente entstehenden Bildes angebunden sind, wobei die optische Anordnung ein Lichtschild besitzt, um zu verhindern, dass Licht, welches durch andere als die reflektierenden Bereiche der gestreckten Elemente gebrochen wird, in dem Bild dargestellt wird.
Modulator gemäß Anspruch 19, wobei das Schild einen Schlitz zum Durchlassen von durch die näherungsweise flachen Mittelbereiche der gestreckten Elemente gebrochenen Lichts besitzt.
Modulator gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei die optische Anordnung zum Projizieren eines Bildes auf ein Druckmedium ausgelegt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Lichtmodulators zum Modulieren eines einfallenden Lichtstrahls, welcher eine gegebene Wellenlänge aufweist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: a. Bereitstellen eines Substrates (100); b. Bilden einer Opferschicht (108) auf dem Substrat (100), wobei die Opferschicht (108) eine Dicke aufweist, welche näherungsweise gleich der gegebenen Wellenlänge ist; c. Ausbilden von Pfosten (110) durch die Opferschicht (108) und in dem Substrat (100); d. Ausbilden von wenigstens zwei gestreckten Elementen über der Opferschicht, wobei jedes gestreckte Element eine reflektierende Oberfläche aufweist und jedes gestreckte Element mit dem Substrat mittels zwei der Pfosten verbunden ist, jeweils an jedem Ende jedes gestreckten Elements; e. Entfernen der Opferschicht; und f. Anordnen reflektierender Elemente über den beiden Enden jedes der Vielzahl von gestreckten Elementen in einer Ebene parallel zu den reflektierenden Oberflächen der gestreckten Elemente und beabstandet hiervon durch einen Abstand gleich einer ganzen Zahl (einschließlich Null) multipliziert mit der halben gegebenen Wellenlänge.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Dicke der Opferschicht innerhalb eines Bereichs von 200 bis 2000 nm liegt, um einen Lichtmodulator zum Modulieren von sichtbarem Licht zu bilden.
Optisches System zum Darstellen eines Bildes mit: a. einer Vielzahl von gestreckten Elementen, wobei jedes Element eine näherungsweise ebene reflektierende Oberfläche aufweist, welche zwischen zwei Enden angeordnet ist, wobei die Elemente parallel zueinander angeordnet sind und mittels ihrer jeweiligen Enden über einem Substrat aufgehängt sind, und die gestreckten Elemente entsprechend einer Vielzahl von Displayelementen gruppiert in einer einzigen linearen Reihe angeordnet sind; b. Mittel zum Deformieren einzelner ausgewählter langgestreckter Elemente in Richtung des Substrats, wobei sich die näherungsweise ebene reflektierende Oberfläche jedes ausgewählten Elements in Richtung des Substrats um eine Gitteramplitude, ohne dass die ausgewählten gestreckten Elemente das Substrat berühren, derart bewegt, dass, wenn die gestreckten Elemente, welche einem Displayelement entsprechen, unverformt sind, ein einfallender Lichtstrahl durch das Displayelement reflektiert wird, und weiter derart, dass, wenn jede zweite der gestreckten Elemente entsprechend einem Displayelement gezielt verformt wird, der einfallende Lichtstrahl durch das Displayelement gebrochen wird, wobei ein Bewegungsweg des ausgewählten gestreckten Elementes eine Intensität für das entsprechende Displayelement festlegt; c. eine optische Anordnung zum Bilden eines Bildes entsprechend einer jeweiligen Intensität, welche durch jedes Displayelement gebildet wird; und d. ein reflektierendes Element, welches über den beiden Enden jedes gestreckten Elements in einer Ebene parallel zu den reflektierenden Oberflächen der unverformten gestreckten Elemente in einem Abstand gleich einer ganzen Zahl (einschließlich Null) multipliziert mit der halben Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls angeordnet ist.
Optisches System gemäß Anspruch 24, wobei die Vielzahl von gestreckten Elementen über dem Substrat an ihren jeweiligen Enden mittels angeformter Pfosten aufgehängt sind.
Verfahren zum Erzeugen eines zwei-dimensionalen Bildes unter Verwendung eines Lichtmodulators mit einem Gitter, welches aus einer Vielzahl von gestreckten Elementen besteht, wobei jedes Element eine näherungsweise e bene reflektierende Oberfläche aufweist, welche zwischen beiden Enden angeordnet ist, wobei die Elemente parallel zueinander angeordnet sind und an ihren jeweiligen Enden über einem Substrat aufgehängt sind, wobei weiter die entsprechend einer Vielzahl von Displayelementen gruppierten gestreckten Elemente in einer einzigen linearen Reihe angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet von a. Verformen ausgewählter gestreckter Elemente in Richtung des Substrates, um einen verformten Zustand einzunehmen, wobei sich die näherungsweise ebene reflektierende Oberfläche von jedem ausgewählten Element in Richtung des Substrats um eine Gitteramplitude, ohne dass die ausgewählten gestreckten Elemente das Substrat berühren, derart bewegt, dass, wenn die einem Displayelement entsprechenden gestreckten Elemente unverformt sind, ein einfallender Lichtstrahl durch das Displayelement reflektiert wird, und weiter derart, dass, wenn jedes zweite einem Displayelement entsprechende gestreckte Elemente gezielt verformt wird, der einfallende Lichtstrahl durch das Displayelement gebrochen wird, wobei ein Bewegungsweg der ausgewählten gestreckten Elemente eine Intensität für das entsprechende Displayelement festlegt; und gekennzeichnet durch den Schritt von b. Steuern von Licht, welches vom Gitter kommt und zur Erzeugung des zweidimensionalen Bildes verwendet wird, um zu verhindern, dass die Erzeugung des Bildes auf anderes als das reflektierte und durch die mittleren Abschnitte der gestreckten Elemente gebrochene Licht zurückzuführen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Steuern von Licht, welches vom Gitter stammt, mit reflektierenden Elementen erreicht wird, welche über den beiden Enden jedes gestreckten Elements in einer Ebene parallel zu den reflektierenden Oberflächen der unverformten gestreckten Elemente und davon mit einem Anstand gleich einer ganzen Zahl (einschließlich Null) multipliziert mit der halben Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Steuern von Licht, welches vom Gitter stammt, erreicht wird mit einem geschlitzten Schild, welches das modulierte Licht benachbart zu den Enden der gestreckten Elemente abblockt.
Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27 oder 28, wobei die Vielzahl von gestreckten Elementen über dem Substrat an ihren jeweiligen Enden mittels angeformter Pfosten aufgehängt sind.