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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-15
(45)【発行日】2024-11-25
(54)【発明の名称】ＬｉＤＡＲアプリケーションのためのＭＥＭＳフェーズドアレイ
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20241118BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20241118BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20241118BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 A
G02B26/10 101
G02B26/08 E
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2022513282
(86)(22)【出願日】2020-08-27
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-27
(86)【国際出願番号】 US2020048179
(87)【国際公開番号】W WO2021041660
(87)【国際公開日】2021-03-04
【審査請求日】2023-06-23
(31)【優先権主張番号】62/891,977
(32)【優先日】2019-08-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/947,514
(32)【優先日】2019-12-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/001,477
(32)【優先日】2020-08-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】504438783
【氏名又は名称】シリコン・ライト・マシーンズ・コーポレイション
(73)【特許権者】
【識別番号】000207551
【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】蘆田 雄樹
(72)【発明者】
【氏名】ハマン ステファン
(72)【発明者】
【氏名】ソルガード オラブ
(72)【発明者】
【氏名】ペイン アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】エンガ ラーズ
(72)【発明者】
【氏名】ハンター ジェームス
【審査官】渡辺 慶人
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０００４１５１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０４６１３５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１６４０６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００４／０５１３４５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１９７６７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０５６４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２３４９８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１２５１６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３０１８７２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－０７９４４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２６７１４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】MOHAMMAD, Tarek et al.，A MEMS Optical Phased Array Based on Pitch Tunable Silicon Micromirrors for LiDAR Scanners，Journal of Microelectromechanical Systems，Volume: 30, Issue: 5，米国，IEEE，2021年07月07日，Page(s): 712 - 724，インターネット: <URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9475875><DOI: 10.1109/JMEMS.2021.3092701>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１
１７／００ － １７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２
Ｇ０２Ｂ ６／３５
２６／００ － ２６／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源から光を受信し、受信した光の少なくとも一部の位相を変調して、照明のスワスを形成するために光が分散される第１の方向と前記光源から受信された光の位相の変調によって前記スワスが誘導される第２の次元とを含む２次元で、遠景に光を投影する、光送信器と、前記遠景から光を受信し、受信した光の少なくとも一部を検出器上に導く、複数の第１微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フェーズドアレイを有する、光受信器と、
を備え、
前記複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイは、背景光を除去しながら、前記遠景から反射された前記光源からの光を前記検出器に導いて、受信した光をデスキャンするように構成される、
光スキャナ。
【請求項2】
請求項１に記載の光スキャナであって、前記光送信器が、前記光源から光を受信し、受信した光の少なくとも一部の位相を変調して、２次元で前記遠景に光を投影する、複数の第２ＭＥＭＳフェーズドアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項3】
請求項２に記載の光スキャナであって、前記光送信器が、前記複数の第２ＭＥＭＳフェーズドアレイからの光を前記遠景に投影する投影光学系をさらに備え、前記投影光学系が、前記光を前記第１の方向に分散させて照明の前記スワスを形成し、前記光スキャナの視野（ＦＯＶ）を増大させるための、レンチキュラーアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項4】
請求項３に記載の光スキャナであって、前記光源が、光パワーを増加させ、目に安全なパワーの限界を拡張する、複数のエミッタを有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイを備える、
光スキャナ。
【請求項5】
請求項４に記載の光スキャナであって、前記光送信器が、前記光源からの光で前記複数の第２ＭＥＭＳフェーズドアレイを照明する照明光学系をさらに備え、前記照明光学系において、前記複数の第２ＭＥＭＳフェーズドアレイの１以上の光変調器を個別に照明するためのレンチキュラーアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項6】
請求項５に記載の光スキャナであって、前記光受信器は、前記遠景から光を受信し、受信した光を前記複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ上に導く受信光学系をさらに備え、前記受信光学系は、前記複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイの有効フィルファクタを高めるためのレンチキュラーアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項7】
請求項１に記載の光スキャナであって、前記検出器が、１次元（１Ｄ）検出器アレイを備え、前記光受信器が、ポインティング受信器であり、ここにおいて、前記第１ＭＥＭＳフェーズドアレイが前記遠景のスライスから反射された光を前記１Ｄ検出器アレイに選択的に導く一方で、前記スライス外の前記遠景からの反射光および背景光を除去する、
光スキャナ。
【請求項8】
請求項１に記載の光スキャナであって、前記複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイが、基板上に平行に配列されて保持された複数のリボンを含むリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを備え、各リボンは、光反射面と、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸と直交する長尺性と、を有し、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイは、前記複数のリボンの少なくともいくつかを前記基板に向けて偏向させて、そこから反射される光の位相を変調して、角度次元および前記フェーズドアレイの前記長軸に平行な軸方向次元で、前記遠景をスキャンするように構成されている、
光スキャナ。
【請求項9】
請求項８に記載の光スキャナであって、前記複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイが、前記光スキャナの有効アパーチャを増加させるために、配列された複数のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項10】
請求項９に記載の光スキャナであって、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイは、長波長の光の位相の変調を可能とするために、前記複数のリボンと前記基板との間に、減衰構造をさらに備える、
光スキャナ。
【請求項11】
請求項８に記載の光スキャナであって、前記光スキャナの有効アパーチャを増加させるために、前記複数のリボンの各々が、その長さに沿って柱によって分割されて、並列に配置された複数のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを形成する、
光スキャナ。
【請求項12】
請求項８に記載の光スキャナであって、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイが、ブレーズプロファイルを有するリボンを備え、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイからの０次の反射光をシフトさせる、
光スキャナ。
【請求項13】
光源から光を受信し、照明のスワスを形成するために光が分散される第１の方向と前記光源から受信された光の少なくとも一部の位相の変調によって前記スワスが誘導される第２の次元とを含む２次元で、遠景に光を投影する、複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フェーズドアレイを含む、光送信器と、前記遠景から反射された前記光送信器からの光の少なくとも一部を含む光を受信し、受信した光の少なくとも一部を検出器上に導く、光受信器と、
を備え、
前記光送信器が、前記複数のＭＥＭＳフェーズドアレイからの光を前記遠景に投影する投影光学系をさらに備え、前記投影光学系が、前記光を前記第１の方向に分散させて照明の前記スワスを形成し、光スキャナの視野（ＦＯＶ）を増大させるための、レンチキュラーアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項14】
請求項１３に記載の光スキャナであって、前記複数のＭＥＭＳフェーズドアレイが、基板上に平行に配列されて保持された複数のリボンを含むリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを備え、各リボンは、光反射面と、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸と直交する長尺性と、を有し、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイは、前記複数のリボンの少なくともいくつかを前記基板に向けて偏向させて、前記光源から受けた光の位相を変調して、角度次元および前記リボンフェーズドアレイの前記長軸に平行な軸方向次元で、前記遠景に光を投影するように構成されている、
光スキャナ。
【請求項15】
請求項１４に記載の光スキャナであって、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイが、ブレーズプロファイルを有するリボンを備える、
光スキャナ。
【請求項16】
遠景に光を送信する光送信器と前記遠景から光を受信する光受信器との間で共有される共有微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フェーズドアレイと、コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源からの光で前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイを照明する照明光学系と、
前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイからの光を前記遠景に投影する投影光学系と、
前記遠景から光を受信し、受信した光を前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイ上に導く受信光学系と、
前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイが、受信した光の少なくとも一部をそこに導く検出器と
を備え、
前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイが、
第１の時間において、前記コヒーレント光源からの光の位相を変調し、２次元（２Ｄ）で前記遠景に光を投影し、
第２の時間において、前記遠景から反射された前記コヒーレント光源からの光を前記検出器に導き、背景光を除去して、前記受信した光をデスキャンするように構成されている、
光スキャナ。
【請求項17】
請求項１６に記載の光スキャナであって、前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイが、基板上に平行に配列されて保持された複数のリボンを含むリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを備え、各リボンは、光反射面と、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸と直交する長尺性と、を有し、前記リボンＭＥＭＳフェーズドアレイは、前記複数のリボンの少なくともいくつかを前記基板に向けて偏向させて、そこから反射される光の位相を変調して、角度次元および前記リボンフェーズドアレイの前記長軸に平行な軸方向次元で、前記遠景に光を投影するように構成されている、
光スキャナ。
【請求項18】
請求項１７に記載の光スキャナであって、前記共有ＭＥＭＳフェーズドアレイが、前記システムの有効アパーチャを増加させるために、並列に配置された複数のリボンフェーズドアレイを備える、
光スキャナ。
【請求項19】
請求項１７に記載の光スキャナであって、前記システムの有効アパーチャを増加させるために、前記複数のリボンの各々が、その長さに沿って柱によって分割されて、並列に配置された複数のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイを形成する、
光スキャナ。
【請求項20】
請求項１６に記載の光スキャナであって、前記照明光学系、前記投影光学系、または、前記受信光学系のうちの少なくとも１個が、
折り曲げられたアナモルフィック光学系を備える、
光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、２０２０年８月２４日に出願された米国非仮出願番号１７／００１，４７７の国際出願であり、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１９年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／９４７，５１４号、および、２０１９年８月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８９１，９７７号の優先権の利益を主張するものであり、これら両方の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２０年８月２４日に出願された米国非仮出願番号１７／００１，４７７の国際出願であり、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１９年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／９４７，５１４号、および、２０１９年８月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／８９１，９７７号の優先権の利益を主張するものであり、これら両方の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、概して、光による検知と測距（ＬＩＤＡＲ）システムに関し、より具体的には、微小電気機械システムデバイス（ＭＥＭＳ）ベースのフェーズドアレイを備えるＬＩＤＡＲシステム、および、その動作方法に関する。
【背景技術】
【0003】
光による検知と測距、すなわちＬＩＤＡＲシステムは、自動車、ロボット、および、無人または自動運転車を含む多くの異なる用途において、マッピング、物体の検知と識別、および、ナビゲーションのために、広く使用される。一般に、ＬＩＤＡＲシステムは、典型的にはレーザのようなコヒーレント光源からの光ビームを、遠景（ファーフィールドシーン：far field scene）にあるターゲットに照射し、その反射光をセンサで検出することで動作する。光が戻るまでの時間や波長の違いがＬｉＤＡＲシステムで解析されることで、ターゲットまでの距離が測定される。また、アプリケーションによっては、ターゲットのデジタル３Ｄモデルがレンダリングされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来のＬｉＤＡＲシステムでは、ターゲット上に光ビームを誘導するために、回転ミラーや移動ミラーなどの機械的なスキャナが使用される。しかしながら、これらの機械的なＬＩＤＡＲシステムは、やや大きく、比較的高価な機器であるため、多くのアプリケーションでの使用には不適である。
【0005】
より最近の技術として、ソリッドステート型のＬｉＤＡＲシステムがある。ここでは、スキャナが、単一の基板またはチップ上に全体的に構築されたＭＥＭＳフェーズドアレイ（MEMS phased-array）を形成するために使用されるＭＥＭＳベースの空間光変調器で置き換えられている。ソリッドステート型のＬｉＤＡＲシステムによると、従来のＬｉＤＡＲシステムに比べて、より安価で、よりコンパクトなシステムを、より高い分解能で、提供できる可能性がある。少なくとも理論的には、従来の機械的なＬｉＤＡＲシステムに比べて、はるかに高速なビームステアリングが可能である。しかしながら、より大きな視野角（ＦＯＶ）と分解能のために求められる大きなスキャン角度を達成するためには、光の波長をＬｉＤＡＲシステムで一般的に使用されるものに近づけつつも、ＭＥＭＳのミラーと素子を小型化することが求められる。すると今度は、ＭＥＭＳフェーズドアレイが高コスト化するとともに複雑化し、そのせいで、従来のＬｉＤＡＲシステムの機械的スキャナに対する、ＤＭＤベースのＭＥＭＳフェーズドアレイの速度の優位性を維持することが難しくなる。
【0006】
このため、ＬｉＤＡＲアプリケーションに用いるにあたって、高速なビームステアリングと大きなスキャン角度とを提供できるＭＥＭＳフェーズドアレイと、その動作方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
ＬｉＤＡＲシステムに好適に使用されるＭＥＭＳフェーズドアレイ（以下、ＭＥＭＳフェーズドアレイ）を形成するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの空間光変調器を備える光スキャナ、その製造方法、および、その動作方法が、提供される。
【0008】
一実施形態では、光スキャナは、コヒーレント光源から光を受信し、受信した光の少なくとも一部の位相を変調して、２次元（２Ｄ）で遠景をスキャンするように構成された、複数の第１ＭＥＭＳフェーズドアレイを含む、光送信器と、遠景から光を受信し、受信した光の少なくとも一部を検出器に導くように構成された、複数の第２ＭＥＭＳフェーズドアレイを含む、光受信器と、を備える。概して、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイは、背景光を除去しながら、遠景から反射されたコヒーレント光源からの光を検出器に導いて、受信した光をデスキャン（de-scan）するように構成される。
【0009】
別の実施形態では、光スキャナは、単一の共有（shared）ＭＥＭＳフェーズドアレイを使用して実現することができる。ここにおいて、ＭＥＭＳフェーズドアレイは、第１の時間において、コヒーレント光源からの光の位相を変調し、第１の時間において、遠景をスキャンし、第２の時間において、遠景から反射されたコヒーレント光源からの光を検出器に導き、背景光を除去して、受信した光をデスキャンするように構成される。
【0010】
別の態様では、複数のＭＥＭＳフェーズドアレイを備える光スキャナの動作方法が提供される。概して、この方法は、第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ＭＥＭＳフェーズドアレイを、コヒーレント光源からの光で照明することから始まる。次に、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイが、コヒーレント光源からの光の位相を変調し、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイからの変調された光を遠景に投影して、遠景を２次元（２Ｄ）でスキャンするように、制御される。最後に、遠景からの光が、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイで受信され、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイが制御されることによって、コヒーレント光源を起点として遠景から反射された光が、背景光を除去されながら、検出器に導かれることにより、受信された光がデスキャンされる。
【0011】
本発明の実施形態は、以下に続く詳細な説明と、添付された図面および特許請求の範囲から、より十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図5B】図５Ｂは、図５Ａのソリッドステート型の光スキャナの他の実施形態を示すブロック図であり、スキャナの光送信器に第１ＭＥＭＳフェーズドアレイを備え、光受信器に第２ＭＥＭＳフェーズドアレイを備える。
【図10】図１０は、図９で表されるアレイの、ステアリング角度に対する強度のグラフであり、高速のビームステアリングおよび大きなスキャン角度を必要とするアプリケーションへのＭＥＭＳフェーズドアレイの適合性を示している。
【図13】図１３は、ＭＥＭＳフェーズドアレイの実施形態の平面図を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイは、１次元（１Ｄ）アレイを有するリボン型ＳＬＭを複数備え、これらは、その上を変調光がスキャンされるＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸に平行な軸方向寸法を増大させるように、積み重ねられる。
【図15A】図１５Ａは、ＭＥＭＳフェーズドアレイの他の実施形態を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイは、リボン型ＳＬＭを１個、備え、該リボン型ＳＬＭにおいて、ＳＬＭの各リボンがその長さに沿って柱によって分割されて、複数の並列な１Ｄアレイを形成する。
【図15B】図１５Ｂは、ＭＥＭＳフェーズドアレイの他の実施形態を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイは、リボン型ＳＬＭを１個、備え、該リボン型ＳＬＭにおいて、ＳＬＭの各リボンがその長さに沿って柱によって分割されて、複数の並列な１Ｄアレイを形成する。
【図15C】図１５Ｃは、ＭＥＭＳフェーズドアレイの他の実施形態を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイは、リボン型ＳＬＭを１個、備え、該リボン型ＳＬＭにおいて、ＳＬＭの各リボンがその長さに沿って柱によって分割されて、複数の並列な１Ｄアレイを形成する。
【発明を実施するための形態】
【0013】
光による検知と測距（ＬｉＤＡＲ）システムに好適に使用される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ＭＥＭＳフェーズドアレイを備える光スキャナ、その製造方法、および、その動作方法が、提供される。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、特定の材料、寸法、および、プロセスパラメータ、などについて、多数の具体的な内容が記載される。しかしながら、特定の実施形態は、これらの具体的な内容の１以上を採用することなく実施することが可能であり、また、他の既知の方法、材料、および装置と組み合わせて実施することも可能である。また例えば、本発明を不必要に不明瞭にするのを避けるために、よく知られた半導体設計および製造技術は詳細には説明されていない。本明細書全体を通して「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、材料、または、特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書中の各所で「一実施形態において」という表現が登場するのは、必ずしも本発明の同一の実施形態を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わされることができる。
【0014】
図１は、本開示によるソリッドステート型の光学スキャニングシステムまたは光スキャナ１０２を備えるＬｉＤＡＲシステム１００の一実施形態を示す、ブロック図である。図１を参照すると、ＬｉＤＡＲシステム１００は、概ね、光スキャナ１０２を含むＬｉＤＡＲシステムの他の構成要素の動作を制御するとともに、ホストシステム（図示せず）と連携するための、マイクロコントローラまたはコントローラ１０４を備える。コントローラ１０４は、プロセッサとデータ処理回路を含んでおり、遠景１０６における物体の位置を検知および測定するために、光スキャナ１０２からの信号を解析し、物体とＬｉＤＡＲシステム１００またはホストとの間の距離の飛行時間（ＴＯＦ）を推定し、上記の測定を経時的に繰り返すことによって、遠景における移動する物体の速度および方向を検知および測定する。一般に、コントローラ１０４は、追加の回路およびメモリをさらに含み、遠景１０６において感知された車や歩行者などの個別の物体のサイズを測定して識別する。必要に応じて、コントローラ１０４は、遠景１０６の３次元（３Ｄ）モデルを作成するメモリおよび回路をさらに含むことができる。
【0015】
光スキャナ１０２は、光を生成し、送信し、遠景１０６を少なくとも２次元でスキャンする光送信器１０８と、遠景からの反射光を受信する光受信器１１０とを備える。概して、光送信器１０８と光受信器１１０の両方は、いずれも、ソリッドステート型である。ソリッドステート型とは、光送信器１０８の光スキャニング素子と、光受信器１１０の集光素子との両方が、シリコン基板、半導体基板、または、他のタイプの基板上に、微小電気機械システムデバイス（ＭＥＭｓ）、および、半導体または集積回路（ＩＣ）の製造技術を利用して製造または形成されることを意味している。特に、光スキャナ１０２のビームステアリング素子または光スキャニング素子は、従来のＬｉＤＡＲシステムで使用される回転ミラーや移動ミラーなどの機械的なスキャナの代わりに、複数のＭＥＭＳフェーズドアレイを使用して形成される。図１に示されるようないくつかの実施形態では、光スキャナ１０２、コントローラ１０４を含む実質的なＬｉＤＡＲシステムの全体が、ホストシステムへの任意のインタフェース（この図には示されていない）とともに、単一の集積回路（ＩＣ１１２）上に、一体的に形成されている。光スキャナ１０２は、従来のＬｉＤＡＲシステムのような移動素子または回転素子を含まない。その結果、光スキャナおよびＬｉＤＡＲシステムは、振動に対してより耐性があり、はるかに小さくすることができ、また、安価にすることができる。
【0016】
次に、光学的なＭＥＭＳベースのフェーズドアレイを動作させて、ビームステアリングまたはスキャニングを実行する態様または方法を、図２Ａ～図２Ｃを参照して説明する。概して、光学的なＭＥＭＳベースのフェーズドアレイ（以下、ＭＥＭＳフェーズドアレイ）は、変調器の列を使用して、それぞれの素子からの信号の相対的な位相を調整することによって、コヒーレントな光ビームの方向を変更する。図２Ａ～図２Ｃには、ＭＥＭＳフェーズドアレイ２００の構成要素となる２つの隣り合う光反射素子２０２または画素が、模式的に示されている。２つの画素または光反射素子２０２のみが図示されているが、ＬｉＤＡＲアプリケーションに使用されるＭＥＭＳフェーズドアレイは、典型的には、数百から数千の光反射素子を含むであろうことが理解されよう。特に、図２Ａおよび図２Ｂは、角度スキャンの両端（すなわち、ＭＥＭＳフェーズドアレイ２００の長軸２０８と直交する０度または後方反射から、±１次まで）を表すものである。これらの図に示されるように、隣り合う画素または光反射素子２０２の間で可能な位相傾斜の最大値は、１πまたは４分の１波長（λ／４）の偏向である。図２Ｃは、図２Ａと図２Ｂの間の中間角度に光を誘導するために、隣り合う画素または光反射素子２０２間の偏向を、λ／ｘとした構成を示している。ここにおいて、ｘは、四（４）より大きい整数である。
【0017】
図２Ａを参照すると、ＭＥＭＳフェーズドアレイ２００は、コヒーレントな入射光２０４のラインで照明される。光反射素子２０２を、静止状態または偏向のない状態から、入射光２０４の波長（λ）に対して異なる量で、個別にアドレス指定または偏向させると、ＭＥＭＳフェーズドアレイ２００から反射した波面２０６が、ＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸２０８に対して、角度（φ）をなして、ＭＥＭＳフェーズドアレイから離れる方向に、伝播することができる。図２Ａは、静止状態または偏向のない状態の光反射素子２０２を示しており、ここでは、反射光が、ＭＥＭＳフェーズドアレイの軸２０８に平行な方向に伝播または誘導されている。図２Ｃは、入射光２０４の波長（λ）の０．２５倍に等しい量で偏向された状態の光反射素子２０２を示しており、これによって、反射光が、ＭＥＭＳフェーズドアレイの軸２０８に対して、第１の角度（φ’）で、離れる方向に誘導または伝播される。図２Ｂは、入射光２０４の波長（λ）のＸ＜．２５倍に等しい量で偏向された状態の光反射素子２０２を示しており、これによって、反射光が、ＭＥＭＳフェーズドアレイの軸２０８に対して、第２の角度（φ）で、離れる方向に誘導または伝播される。
【0018】
入射光２０４の波長（λ）の０．２５倍は、位相のアンビギュイティ（phase ambiguity）を導入せずに隣り合う光反射素子２０２を偏向させることができる最大の値であり、正と負の１次ビームを作るバイナリパターンをもたらすことに留意すべきである。したがって、φの２倍の値が、変調された光のラインまたはスワスを誘導またはスキャンさせることができる視野角（ＦＯＶ）の最大角度を表すものとなり、これは１次の反射光の間の角度によって決定される。１次の反射光に関するこれらの角度の実際の値は、光反射素子２０２の幅または光反射素子２０２間のピッチと、入射光２０４の波長（λ）に依存するが、一般的には、次の式で与えられる。
ここで、λは入射光の波長であり、ｄは光反射素子２０２の２つの幅である。
【数1】
【0019】
次に、ＭＥＭＳフェーズドアレイを備えるＬｉＤＡＲシステムにおいて、遠景をスキャンするための動作方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、コントローラ３０１とソリッドステート型の光スキャナ３０２とを備えるＬｉＤＡＲシステム３００の一部を概略的に示す機能構成図である。ソリッドステート型の光スキャナ３０２は、少なくとも１つのＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６を備える光送信器３０４を有する。光送信器３０４は、光源から、整形または照明光学系（この図には示されていない）を介して光を受信し、受信した光の少なくとも一部の位相を変調し、位相変調された光のビームを、投影光学系３０８を介して送信または投影して、照明のラインまたはスワス３１０を誘導して、遠景３１２をスキャンするように構成されている。ＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６は、ＭＥＭＳフェーズドアレイの異なる部分に入射する光の位相変調を変えることによって、光ビームを誘導して、遠景３１２をスキャンする。概して、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６は、少なくとも、角度次元（θ）、および、ＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸に平行な軸方向次元（矢印３１４で示す）を含むような２次元（２Ｄ）で、遠景３１２をスキャンするように構成される。
【0020】
光スキャナ３０４は、単一のＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６を備えるように概略的に示されているが、これはすべての実施形態において必要ではなく、一般にそうでないことに留意すべきである。むしろ、以下で詳細に説明するように、光スキャナ３０４が、一体となって動作する複数の隣り合うＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６を含むこと、または、単一のＭＥＭＳフェーズドアレイが、複数の隣り合うアレイを有することで、アパーチャ（aperture）の幅または長さのいずれかを増大させて、送信光または受信光のパワーまたは放射光束を増大させ、システムの点広がり分解能（point spread resolution）を増大させることが、多くの場合において有利である。
【0021】
光スキャナ３０４はさらに、光受信器３１６を備える。光受信器３１６は、遠景３１２からの光を取り込むための収集または受信光学系３１８を備える。取り込まれた光は、検出器３２０上に導かれる。
【0022】
図３を参照して、ＬｉＤＡＲシステム３００から遠景３１２内のターゲットまたは物体３２２までの深さまたは距離の情報は、パルス式、振幅変調連続波（amplitude-modulated-continuous-wave：ＡＭＣＷ）、または、周波数変調連続波（frequency-modulated-continuous-wave：ＦＭＣＷ）を含む、複数の標準的なＬｉＤＡＲ技術のうちのいずれかを用いて得ることが可能である。パルス式およびＡＭＣＷのＬｉＤＡＲシステムでは、送信光の強度の振幅が、パルス化されるか、信号で変調され、ＬｉＤＡＲシステム３００から物体３２２までのＴＯＦは、戻り信号が時間遅延される量を測定することによって得られる。反射物体までの距離は、この時間の半分に、光速を乗じることで求められる。
図４は、ＦＭＣＷ技術を用いたＬｉＤＡＲシステムにおける、送信光の出射パルスの周波数の時間変化を示す図である。図３および図４を参照すると、ＦＭＣＷのＬｉＤＡＲでは、送信光の出射チャープまたはパルス４００の周波数は、光のスワス３１０が遠景３１２をわたって連続的にスキャンされるにつれて、時間とともに連続的に変化する。物体３２２までの時間は、物体から反射された光の周波数をローカル発振器の周波数と比較することによって求めることができ、物体までの距離は、先に述べたように、光速を用いることによって求められる。ＦＭＣＷのＬｉＤＡＲシステムは、ローカル発振器が、検出された信号の固有の増幅を提供するという点で、振幅変調よりも有利である。
図４は、ＦＭＣＷ技術を用いたＬｉＤＡＲシステムにおける、送信光の出射パルスの周波数の時間変化を示す図である。図３および図４を参照すると、ＦＭＣＷのＬｉＤＡＲでは、送信光の出射チャープまたはパルス４００の周波数は、光のスワス３１０が遠景３１２をわたって連続的にスキャンされるにつれて、時間とともに連続的に変化する。物体３２２までの時間は、物体から反射された光の周波数をローカル発振器の周波数と比較することによって求めることができ、物体までの距離は、先に述べたように、光速を用いることによって求められる。ＦＭＣＷのＬｉＤＡＲシステムは、ローカル発振器が、検出された信号の固有の増幅を提供するという点で、振幅変調よりも有利である。
【0023】
ＴＯＦに関する情報を用いて、ＬｉＤＡＲシステムのコントローラ３０１は、次に、遠景３１２における物体３２２の位置を計算することができる。Ｘ軸３２４に沿う物体３１２の位置は、ＭＥＭＳフェーズドアレイから光が送信されたときのＭＥＭＳフェーズドアレイ３０６のステアリングの方向から計算され、Ｙ軸３２６に沿う物体３１２の位置は、検出器の長軸に平行な検出器３２０の軸（矢印３２８で示される）に沿った物体の検出位置から計算される。
【0024】
次に、本開示による光スキャナの実施形態であって、遠景における人、建物、自動車などの物体またはターゲットをスキャンおよび／または識別するためのＬｉＤＡＲシステムでの使用に特に適しているものを、図５Ａ～図５Ｃおよび図６のブロック図を参照して説明する。
【0025】
図５Ａを参照すると、第１の実施形態において、光スキャナ５００は、光送信器５０４、および、光受信器５０６を備える。光送信器５０４は、概ね、光源５０８と、光源からの光でＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２を照明する整形または照明光学系５１０と、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの位相変調光を遠景５１６に送信または投影して、遠景を少なくとも２次元でスキャンする結像または投影光学系５１４とを備える。
【0026】
光源５０８は、ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２からの光が位相および／または振幅について変調されることを可能とするべく、コヒーレント光を、十分なパワーレベルまたはパワー密度で、また、単一の波長または周波数、あるいは、狭い範囲の波長または周波数で、連続して放出またはパルス化できる、任意の種類および数の発光デバイスを含むことができる。一般に、光源５０８は、光を連続的に放射する連続波光源であり、放射される光は、ＡＭＣＷのＬｉＤＡＲの場合は、振幅について変調され、ＦＭＣＷのＬｉＤＡＲの場合は、周波数について変調される。遠景内の物体が連続的に照らされるので、該光源は、パルス式のシステムにおける高いピークパワーと比較して、より少ないパワーで動作することができる。光源５０８は、ダイオードレーザ、垂直共振器面発光レーザ（vertical-cavity surface-emitting lasers：ＶＣＳＥＬＳ）、などといったレーザまたはレーザエミッタを、複数備えることができる。一実施形態では、光源光源５０８は、目に安全なパワーの限界（eye-safe power limit）を満たす、あるいは拡張しつつ、光パワーを増加させるために、複数のレーザエミッタを有するＶＣＳＥＬアレイを備える。別の実施形態では、光源５０８は、約７５０から約２０００未満（＜２０００）nmの波長（λ）で、約５０００から約４０，０００ミリワット（mW）のパワーを生じさせる高出力レーザを、複数備える。
【0027】
照明光学系５１０は、レンズ積分器、ミラー、および、プリズムを含む複数の要素を備えることができ、光源５０８からの光を第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２に伝達して、ＭＥＭＳフェーズドアレイの全体の幅および／または長さを実質的にカバーする所定幅のラインを、照明するように構成される。一実施形態では、照明光学系５１０は、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２内の１個以上の変調器を個別に照明するための、マイクロレンズ、または、レンチキュラーアレイ（以下でより詳細に説明する）を備える。
【0028】
投影光学系５１４もまた、レンズ、積分器、ミラー、および、プリズムを備えることができ、ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２からの光を伝達して、遠景５１６内のラインまたはスワスを照明するように構成される。一般に、投影光学系５１４は、フーリエ変換（ＦＴ）レンズおよびミラーなどの拡大光学系または要素を含み、光スキャナ５００の視野（ＦＯＶ）を増大させる。一実施形態では、投影光学系５１４は、遠景５１６において投影光が移動または誘導される方向と直交する照明のスワスを形成するために、第１の方向に光を分散させる、レンチキュラーアレイを備える。
【0029】
光受信器５０６は、概ね、遠景から光を収集または受信し、受信した光を検出器５２０または検出器アレイへと導くまたは通過させる、受信光学系５１８を備える。照明および投影光学系と同様に、受信光学系５１８は、レンズ、積分器、ミラー、および、プリズムを備えることができ、遠景５１６からの光を受信して検出器５２０上に伝達するように構成される。一実施形態では、受信光学系５１８は、検出器５２０の有効フィルファクタを高めるためのレンチキュラーアレイを備える。
【0030】
一般に、検出器５２０は、光源５０８によって生成される波長の光に感度を有する、任意の種類の検出器を備えることができる。これには、ローリングシャッターカメラ、または、カメラ、フォトダイオード検出器の１次元または２次元アレイ、または、単一光子アバランシェダイオード（single photon avalanche diode：ＳＰＡＤ）アレイ、が含まれる。図５Ａに示す実施形態では、受信光学系は２Ｄであり、検出器は、検出器の２Ｄアレイ、または、２Ｄ検出器アレイである。自動車で使用されるＬｉＤＡＲシステムでは、遠距離を検出するために、検出器５２０は、ＡＰＤなどの低密度で高感度のデバイスを使用することができる。
【0031】
図５Ｂに示す別の実施形態では、光受信器５０６は、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２を備えるポインティング光受信器であり、背景光を実質的に除去しながら、遠景５１６のスライスから反射された光を検出器５２０上に選択的に導くことによって、収集または受信された光をデスキャンする。例えば、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイは、これが光を誘導する方向を、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２が光ビームを誘導する方向の情報に基づいて調整することにより、遠景５１６から反射された光源からの光を、検出器５２０上に導く。必要に応じて、図示の実施形態のように、光受信器５０６は、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２からの光を検出器５２０に伝達する検出器光学系５２４を、さらに備えることができる。照明光学系５１０、投影光学系５１４、および、受信光学系５１８と同様に、検出器光学系５２４は、レンズ、積分器、ミラー、および、プリズムを備えることができ、実質的に、検出器５２０をフィル（fill）、または、オーバーフィル（over fill）するように構成される。一実施形態では、受信光学系５１８は、積み重ねられたフェーズドアレイ５２２の有効フィルファクタを高めるためのレンチキュラーアレイを備える。
【0032】
検出器５２０が一次元（１Ｄ）検出器アレイを備え、光受信器５０６がポインティング受信器（pointing- receiver）であるいくつかの実施形態においては、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２が、スライス外の遠景からの反射光および背景光を除去しつつ、遠景５１６のスライスから反射された光を１Ｄ検出器アレイ上に選択的に導く。
【0033】
図５Ａに示す実施形態と同様に、光スキャナ５００は、光送信器５０４、および、光受信器５０６を備える。光送信器５０４は、さらに、光源５０８と、光源からの光で第１ＭＥＭＳフェーズドアレイ５１２を照明する照明光学系５１０と、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの位相変調光を遠景５１６に送信または投影する投影光学系５１４と、を備える。光受信器５０６は、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２に加えて、検出器５２０と、遠景５１６から光を収集または受信し、その光を第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２および検出器５２０へと導くまたは通過させる受信光学系５１８と、を備える。第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２が、遠景から反射された光源からの光を検出器５２０上に導くので、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２が設けられていない場合と比較して、検出器５２０のサイズまたは幅を小さくすることが可能である。すなわち、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２２が、２Ｄシーン５１６のスライスを検出器５２０に結像することができるため、検出器を、１Ｄアレイ検出器を備えるものとすることができる。シーンの全体は、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイのスキャニングによって再構成される。
【0034】
図５Ｃに示すさらに別の実施形態では、光スキャナ５００は、共有ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２６を含んでいる。共有ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２６は、第１の時間において、光源５０８からの光の位相を変調して遠景５１６をスキャンし、第２の時間において、背景光を実質的に除去しながら、遠景５１６から反射された光源からの光を検出器５２０上に導き、収集または受信した光をデスキャンするように構成される。図５Ａおよび図５Ｂに示す実施形態と同様、光スキャナ５００は、光送信器５０４、および、光受信器５０６を備える。光送信器５０４は、光源５０８、および、共有ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２６に加えて、光源からの光でＭＥＭＳフェーズドアレイを照明する照明光学系５１０と、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの位相変調光を遠景５１６に送信又は投影する投影光学系５１４と、を備える。光受信器５０６は、検出器５２０および共有ＭＥＭＳフェーズドアレイ５２６に加えて、遠景５１６から光を収集または受信する受信光学系５１８と、必要に応じて、共有ＭＥＭＳフェーズドアレイおよび検出器５２０上へと光を導くまたは通過させる検出器光学系５２４と、を備える。
【0035】
図６に示す別の実施形態では、光スキャナ６００は、スキャナの光受信器６０４にＭＥＭＳフェーズドアレイ６０２を備え、光送信器６０８に空間光変調器（ＳＬＭ６０６）を備えることができる。光送信器６０８におけるＳＬＭ６０６は、ソリッドステート型のデバイスを備える必要はなく、代替的に、遠景６１０上で光ビームを誘導するために、回転ミラーや移動ミラーなどの機械的なスキャナを備えることができる。上述した実施形態と同様に、光受信器６０４は、ＭＥＭＳフェーズドアレイ６０２に加えて、遠景６１０から光を収集または受信し、その光をＭＥＭＳフェーズドアレイおよびそこから検出器６１４上へと導くまたは通過させる受信光学系６１２を備える。光送信器６０８は、さらに、光源６１６と、光源からの光でＳＬＭ６０６を照明する照明光学系６１８と、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの位相変調光を遠景６１０に送信または投影する投影光学系６２０と、を備える。
【0036】
次に、光スキャナでの使用に適したＭＥＭＳフェーズドアレイを形成するためのＭＥＭＳベースの空間光変調器（ＳＬＭ）の実施形態を説明する。
【0037】
ＬＩＤＡＲシステムのＭＥＭＳフェーズドアレイに用いて光ビームを変調または誘導するのに適したＭＥＭＳベースのＳＬＭの１つのタイプは、カリフォルニア州サニーベルのシリコンライトマシーンズ社から市販されている、グレーティング光バルブ（Grating Light Valve）（ＧＬＶ（商標））などの、複数の静電偏向可能リボンを備えるリボン型ＳＬＭ（ribbon-type SLM）またはリボンＭＥＭＳフェーズドアレイである。リボン型ＳＬＭは、一般に、一次元（１Ｄ）の線形アレイを備える。線形アレイは、各々が基板の表面上に支持された光反射面を有し、独立して設けられ、アドレス指定可能で静電作動する、細長い素子やリボンなどの可動構造体を、数千個含んで構成される。各リボンは、電極を備える。また、各リボンは、リボン内の電極と基板内または基板上に形成され得るベース電極との間に電圧が印加されたときに発生する静電気力によって、ギャップまたはキャビティを介して、基板に対して偏向可能である。リボン電極は、アレイと同じ基板上に一体的に形成されたドライバ内の駆動チャネルによって、駆動される。リボン型ＳＬＭは、小型、高速、低コストのシステムであり、製造、統合、パッケージングが容易でありつつも、大きな回折角度を提供できることから、幅広いＬｉＤＡＲアプリケーションに適している。さらに、リボン型ＳＬＭは、ローリングシャッターカメラ、フォトダイオード検出器アレイ、ＳＰＡＤアレイ、および、複数の半導体ダイオードレーザあるいはＶＣＳＥＬｓを用いたレーザアレイあるいはバーなどを含む幅広い照明源と、組み合わせて使用することにより、３Ｄスキャンあるいは３Ｄモデルを作成することが可能である。
【0038】
次に、本発明のリボン型ＳＬＭの一実施形態について、図７Ａおよび図７Ｂを参照しながら説明する。明確化のために、一般的なＭＥＭＳおよびＭＥＭＳベースのＳＬＭについての詳細の多く、特に、広く知られている内容および本発明に関連しない内容は、以下の説明においては省略されている。記載された図面は、概略的なものに過ぎず、非限定的なものである。説明の便宜上、図面において、一部の要素の大きさは、誇張され、縮尺どおりに描かれていない場合がある。寸法および相対的な寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に対応しない場合がある。
【0039】
図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、ここに示される実施形態において、ＳＬＭは、一次元（１Ｄ）リボン型ＳＬＭ７００であり、線形アレイ７０２を備える。線形アレイ７０２は、各々が基板７０８の表面上に支持された光反射面７０６を有し、独立して設けられ、アドレス指定可能で静電作動するリボン７０４を、数千個含んで構成される。各リボン７０４は、電極７１０を備える。また、各リボン７０４は、リボン内の電極と基板内または基板上に形成され得るベース電極７１４との間に電圧が印加されたときに発生する静電気力によって、ギャップまたはキャビティ７１２を介して、基板７０８に対して偏向可能である。リボン電極７１０は、線形アレイ７０２と同じ基板７０８上に一体的に形成されたドライバ７１８内の駆動チャネル７１６によって、駆動される。
【0040】
図７Ｂには、図７ＡのＳＬＭ７００における、細長い素子またはリボン７０４の側断面図が概略的に示されている。図７Ｂを参照すると、リボン７０４は、基板７０８の表面７２２の上方にリボンを支持するための弾性機械層７２０と、導電層または電極７１０と、機械層および導電層の上にあって、反射面７０６を備える反射層７２４と、を備える。
【0041】
一般に、機械層７２０は、張りのあるシリコン窒化膜（silicon-nitride film）（ＳｉＮｘ）を備え、リボン７０４の両端において、典型的には同じくＳｉＮｘからなる複数の柱または構造体によって、基板７０８の表面７２２の上方に柔軟に支持されている。導電層または電極７１０は、図示のように、機械層７２０の上にこれと物理的に直接に接触して形成されてもよいし、あるいは、機械層の下に形成されてもよい。導電層またはリボン電極７１０は、標準的なＭＥＭＳ製造技術に適合する、任意の適切な導電または半導体材料を含むことができる。例えば、電極７１０は、ドープされた多結晶シリコン（polycrystalline silicon）（ポリ）層、または、金属層を含むことができる。あるいは、反射層７２４が金属である場合は、これが電極７１０としても機能し得る。
【0042】
独立した個別の反射層７２４を備える場合、これは、標準的なＭＥＭＳ製造技術に適合し、反射面７０６を形成するために標準的なリソグラフィー技術を使用してパターン化することができる、任意の適切な金属材料、誘電材料、または、半導体材料を含むことができる。
【0043】
図示の実施形態では、単一のドライバチャネル７１６によって駆動されるアレイ内のリボンを少なくとも含む複数のリボンが合わせてグループ化されて、多数個のＭＥＭＳ画素７２６が形成される。
図８は、図７Ａおよび図７Ｂにおける一群のＳＬＭリボンのピッチおよび振幅が、光ビームを誘導するためにどのように調整され得るかを示す、模式図である。図８を参照すると、垂直な入射ビーム８０２を、反射ステアリング角度θで誘導するために、リボン８０４は、ピッチまたは周期Λの「ブレーズ（blaze）」パターン８０６に配置される。ブレーズのピッチΛが小さくなるにつれて、光はより大きな角度θで誘導される。なお、ブレーズ周期Λは、ステアリング角度θの連続的な変調を可能にするために、整数または非整数の値を取ることができる。ブレーズ周期が２本のリボンで構成されている場合に、ステアリング角度は最大値となる。
図９は、リボン型ＳＬＭにおけるリニアアレイ９０２の一部を模式的に示す、リボンの長軸方向の断面図である。リボン９０６の偏向は、アレイに沿って単調な位相変化（monotonic phase variation）が付与されるように、変化される。位相変化が１個の波（すなわち、半波の偏向）を超えると、ブレーズグループ９０３を形成する波長によるモジュロ除算（modulo division）によって偏向パターンが継続されることに留意する。プログラム可能なＭＥＭＳ素子（リボン９０６）を有するＳＬＭによると、光が角度について連続的にスキャンされ得るので、ＬＩＤＡＲなどのステアリングアプリケーションに特に有用である。
図８は、図７Ａおよび図７Ｂにおける一群のＳＬＭリボンのピッチおよび振幅が、光ビームを誘導するためにどのように調整され得るかを示す、模式図である。図８を参照すると、垂直な入射ビーム８０２を、反射ステアリング角度θで誘導するために、リボン８０４は、ピッチまたは周期Λの「ブレーズ（blaze）」パターン８０６に配置される。ブレーズのピッチΛが小さくなるにつれて、光はより大きな角度θで誘導される。なお、ブレーズ周期Λは、ステアリング角度θの連続的な変調を可能にするために、整数または非整数の値を取ることができる。ブレーズ周期が２本のリボンで構成されている場合に、ステアリング角度は最大値となる。
図９は、リボン型ＳＬＭにおけるリニアアレイ９０２の一部を模式的に示す、リボンの長軸方向の断面図である。リボン９０６の偏向は、アレイに沿って単調な位相変化（monotonic phase variation）が付与されるように、変化される。位相変化が１個の波（すなわち、半波の偏向）を超えると、ブレーズグループ９０３を形成する波長によるモジュロ除算（modulo division）によって偏向パターンが継続されることに留意する。プログラム可能なＭＥＭＳ素子（リボン９０６）を有するＳＬＭによると、光が角度について連続的にスキャンされ得るので、ＬＩＤＡＲなどのステアリングアプリケーションに特に有用である。
【0044】
図１０は、ステアリング角度に対する強度のグラフであり、図９に模式的に表されるリボン型ＳＬＭの、フェーズドアレイアプリケーションへの適合性を示している。図１０を参照すると、図９に示されたリボン型ＳＬＭに沿った周期的な空間パターンが、フェーズドアレイの反射を形成することがわかる。パターンの空間周期および振幅を変化させると、反射ビームの角度が変わるので、複数のパターンを迅速に循環させることで、リボン型ＳＬＭが、フィールドを横断してビームを掃引することが可能となる。特に次の点に注意するべきである。つまり、アレイ９０２上の空間パターンの周期が増加すると、すなわち、各周期がより多数のリボンを含むと、アレイ９０２から反射される光の最大強度１００８は、矢印１０１０で示されるように左側にシフトする。空間周期が減少する、すなわち、各周期におけるリボンの数が減少すると、アレイ９０２から反射される光の最大強度１００８は、矢印１０１２で示されるように右側にシフトする。
【0045】
リボン型ＳＬＭは、スイッチング速度が速いため、ＬｉＤＡＲなどのＭＥＭＳフェーズドアレイのアプリケーションに有効である。しかし、ＬｉＤＡＲ用のリボン型ＳＬＭを設計するには、２つの課題がある。第１は、一般的に、大きなストローク（すなわち、個々のリボンを偏向させることができる量）が使用されることである。多くの場合、リボン型ＳＬＭは、変調または誘導される光の波長の２分の１まで、あるいは、それを超えるストロークを有することが、示唆される。例えば、１５５０ｎｍの波長を使用するＬＩＤＡＲのアプリケーションでは、十分な位相シフトを得るために、約０．８μｍのストロークが望ましいことが分かっている。位相変調器のストロークは、波長に対してリニアに変化する。
【0046】
ＭＥＭＳフェーズドアレイに使用されるリボン型ＳＬＭの第２の課題は、広い角度のスイングを実現するために、リボンが、狭いリボン幅を有するべきということである。一般に、ＭＥＭＳフェーズドアレイアプリケーションのリボン型ＳＬＭに使用されるリボンは、リボン幅が、おおよそ＜５μｍまたはそれより小さいことが示唆され、いくつかの実施形態では、０．５μｍの狭さとすることができる。
【0047】
大きなストロークと狭いリボン幅というこれらの要件のために、ビームステアリングに望ましいとされるリボン型ＳＬＭの高速な切り替えが、非常に困難となる。というのも、大きなエアギャップ上の狭いリボンは、非常に減衰しにくく、ギターの弦のように挙動して、落ち着くまでに時間がかかり、それによって、ビームを誘導できる速度が制限されるからである。
【0048】
次に、エアギャップとリボン幅が、セトリングタイムに与える影響について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、リボン型ＳＬＭのリボンを、バネ上のコンデンサとしてモデル化した模式図である。図１１を参照すると、リボン１１０２と接地された下部または基板電極１１０４との間に印加された電位Ｖ（ｔ）は、リボンを基板電極の方へ距離ｘ偏向させる静電クーロン引力を生じさせる。静電気力は、弾性復元力（図１１ではバネ１１０６で表される）によって、釣り合わされる。静電気力が除去されてしまうと、張りのあるシリコン窒化膜の機械層（図７Ｂでは機械層７２０として示されている）に起因する弾性復元力によって、リボン１１２０は中立状態または位置へ戻ることができる。さらに、リボンの瞬間速度に比例してリボン１１０２の動きを遅くする、または減衰させる、スクイーズ膜効果から生じる減衰力（図１１ではダンパー１１０８で表される）が存在する。スクイーズ膜の減衰は、リボン幅とエアギャップの厚みの両方に強く依存する。セトリングタイムは、エアギャップの厚みの３乗に比例し、リボン幅の３乗に反比例する。したがって、幅の狭いリボンで十分な制振作用を得るには、エアギャップを非常に薄くすることが示唆される。
【0049】
クーロン引力（Ｆｃｏｕｌｏｍｂ）は、次式で与えられる。
ここで、εｏは、自由空間（free space）の誘電率であり、Ａは、リボンの有効容量面積（effective capacitive area）（単位：平方メートル）（ｍ２）であり、Ｇは、ギャップの厚みであり、ｘは、基板電極に対するリボンの直線変位（単位：メートル）である。
【数2】
【0050】
弾性復元力（ＦＥｌａｓｔｉｃ）は、次式で与えられる。
ここで、ｋは、機械層のバネ定数であり、ｘは、基板電極１１０４に対するリボン１１０２の直線変位（単位：メートル）である。
【数3】
【0051】
減衰力（ＦＤａｍｐｉｎｇ）は、次式で与えられる。
ここで、ｂは、エアギャップの減衰定数であり、ｄｘ／ｄｔは、リボン１００２の中心の基板電極１００４に対する速度（単位：メートル／秒）である。
【数4】
【0052】
したがって、平衡状態では、クーロン引力、弾性復元力、および、減衰力の３つの力が、釣り合う必要がある。
【0053】
しかしながら、リボン１１０２が、中立状態のリボンと基板電極１１０４との間のギャップ（Ｇ）のトータルの厚みの１／３を越えて変位すると、静電気力が、弾性復元力を圧倒してしまうことがある。その結果、リボン１１０２が基板電極１１０４にピタッと密着してしまい、静電気力がなくなってもそこに貼りついたままとなる、一般に「スナップダウン（snap-down）」または「プルイン（pull-in）」と呼ばれる破壊的な現象が、発生する可能性がある。一般に、スナップダウンは、リボン１１０２が元のギャップの厚みの３分の１だけ偏向したｘ＝Ｇ／３の特徴的な変位において発生することが確認されている。したがって、従来のリボン型ＳＬＭのリボンは、スナップダウンを防止するために、Ｇ／３より大きな距離で偏向されないように動作または駆動されるのが一般的である。しかしながら、これでは、ギャップＧの下部分の２／３が空いてしまい、スクイーズ膜の減衰が不十分になってしまう。
【0054】
したがって、細いリボンで十分な減衰を得るためには、アプリケーションに応じた物理的ストローク（ｘ）に近づけつつ、非常に薄いスクイーズ膜のギャップを形成することが望ましく、一方で、プルインを避けるためには、かなり大きな「電気的なギャップ（electrical gap）」を形成することが望ましい。
【0055】
電気的なギャップを維持または増加させながら、スクイーズ膜のギャップを減少させるには、リボンと基板電極の間に、誘電体を挿入すればよい。一実施形態では、リボンの下に、固体誘電体膜を使用し、これによって減衰（と熱伝導）を改善する。誘電体の厚みがＧの場合、等価な電気的な厚みはＧ／εｒとなる。ここで、εｒは、比誘電率である。例えば、比誘電率がεｒ＝３．９である二酸化ケイ素（silicon dioxide）の固体誘電体膜と、比誘電率がεｒ＝１である真空またはエアギャップでは、電気的なギャップを１μｍ増やすために、基板電極上であってこれとリボンとの間に、ほぼ４μｍの追加の誘電体材料を設ける必要がある。ただし、リボン型ＳＬＭの製造に用いられる既存のＭＥＭＳプロセスにおいて、厚みが大きな膜、すなわち約２μｍを超える厚みの膜を統合することは、困難または実用的でない場合があることに留意すべきである。というのも、このような厚みが大きな膜では、膜固有の応力によってボイドや剥離が発生する可能性があり、また、膜の厚みが増加するにつれて膜の粗さも極端に増大するためである。このような理由から、低誘電率材料がよく使われる。
【0056】
別の実施形態では、製造工程の中で基板電極の上に形成された電気透過性の減衰構造を使用することにより、電気的なギャップを維持または増加させつつ、スクイーズ膜のギャップを減少させることができる。一般に、電気透過性の減衰構造は、第１のギャップまたは第１のエアギャップを設けつつ基板電極から分離されてその上方に保持された誘電体層を含み、誘電体層は、エアギャップの少なくとも上面を規定する。この第１のギャップは、エアギャップとも呼ばれるが、空気で満たされている必要はなく、代替的に、排気されていてもよいし、他の気体の混合物が充填されていてもよいことに留意すべきである。いくつかの実施形態では、誘電体層が実質的にエアギャップを取り囲んで、密閉または気密に封止された空洞が形成されてもよい。他の実施形態では、第１のエアギャップは、電気透過性の減衰構造とリボンの下面との間の第２のギャップまたはエアギャップを含むＭＥＭｓの周囲環境に対して、開放されており、リボン型ＳＬＭの周囲環境の全体が排気、または、充填ガスで充填されて、気密に封止されていてもよい。適切な充填ガスには、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、または、キセノンのうちの１つ以上を、純粋な形で含有するもの、あるいは混合されたものが、含まれる。
【0057】
一実施形態では、リボン型ＳＬＭは、良好な減衰を維持しながら大きなストロークを提供するために、電気透過性の減衰構造を備え、それによって、高速なビームステアリングおよび大きなスキャン角度が可能となり、さらに、対応することができる変調または誘導される光の波長を、約１０μｍまでの長波長（long wavelengths）を超えさせることが可能となる。図１２は、このような減衰構造を備える、図７Ａおよび図７Ｂのリボン型ＳＬＭの一部を示す側断面図である。図１２を参照すると、リボン型ＳＬＭ１２００は、基板１２０４の上に形成された下部または底部電極１２０２と、下部電極の上に形成された、静的で電気透過性の減衰構造とを備える。一般に、電気透過性の減衰構造は、第１のエアギャップ１２０６と、第１のエアギャップを設けつつ下部電極１２０２から分離されてその上方に保持された誘電体層１２０８と、リボン型ＳＬＭ１２００の複数のリボン１２１２の可動部分の端から端までを誘電体層から分離する、誘電体層上方の第２のエアギャップ１２１０と、を含む。図６Ａおよび図６Ｂに関連して説明したリボン型ＳＬＭの実施形態と同様に、リボン１２１２の各々は、典型的には、張りのある窒化ケイ素（silicon nitride）の層から形成された機械層と、複数の駆動チャネル（図示せず）の１つにバス１２１４を介して結合されたリボンまたは上部電極とを備え、上部電極と下部電極との間に発生した静電気力によって、下部電極に向かって偏向するように構成される。一般に、図７Ａおよび図７Ｂの実施形態と同様に、駆動チャネルは、リボン１２１２の線形アレイと同じ基板１２０４上に一体的に形成される。
【0058】
必要に応じて、図示された実施形態のように、デバイスは、下部電極を電気的に絶縁するために、基板１２０４と下部電極１２０２との間に、二酸化ケイ素（silicon dioxide）などの薄い中間誘電体層１２１６を、さらに含むことが可能である。
【0059】
動作の際には、リボン１２１２は、第２のエアギャップ１２１０の厚さに実質的に等しい距離だけ、底部電極１２０２に向かって独立して偏向可能である。一般に、第２のエアギャップ１２１０の厚さは、～Ｇ／３であり、第１のエアギャップ１２０６の厚さは、～２Ｇ／３である。ここで、Ｇは、下部電極１２０２と、非偏向状態または静止状態のリボン１２１２との間の距離である。リニアアレイの長軸を横切る幅が１０μｍから０．５μｍであるようなリボン１２１２を有し、ＬｉＤＡＲアプリケーションに適した近赤外波長で動作する、リボン型ＳＬＭ１２００において、上述のような電気透過性の減衰構造であって、約２．５μｍの第１のエアギャップ１２０６と、約１．５μｍまでの第２のエアギャップ１２１０とを有するものは、高いスイッチング速度を維持しつつ、さらに、リボン１２１２のプルインまたはスナップダウンを十分に防ぎつつ、セトリングタイムを改善できることがわかっている。なお、より強い減衰が必要となるより細いリボンに対応するために、第１のエアギャップの厚みに対する第２のエアギャップの厚みの比が小さくされてもよい。厚みの比率を変えて、合計の厚み（第１のエアギャップ＋第２のエアギャップ）を同じに維持することで、全体として所望のストロークが維持される。
【0060】
図１３に示されるような一実施形態では、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１３００は、それぞれが１次元（１Ｄ）のアレイ１３０４ａ，１３０４ｂを有する、複数のリボン型ＳＬＭ１３０２ａ，１３０２ｂを備える。複数のリボン型ＳＬＭ１３０２ａ，１３０２ｂは、共通または共有の（shared）長軸１３０６に沿って一列に配置されて、その上を変調光がスキャンされる領域を増大させるように動作し、アレイの長軸に平行な軸方向の寸法を増大するように積み重ねられる。図１３を参照すると、アレイ１３０４ａ，１３０４ｂの各々は、独立して設けられ、アドレス指定可能で静電作動するリボン１３０８ａ，１３０８ｂを、数百または数千個、備える。図７Ａおよび図７Ｂに関して上述したリボン型ＳＬＭ７００と同様、リボン１３０８ａ，１３０８ｂの各々は、光反射面を有し、電極を備え、リボン内の電極と基板内のベース電極との間に電圧が印加されたときに発生する静電気力によって、ギャップまたはキャビティを介して、基板１３１０に対して偏向可能である。リボン１３０８ａ，１３０８ｂの各々は、アレイ１３０４ａ，１３０４ｂと同じ基板１３１０上に一体的に形成されたドライバ１３１４ａ，１３１４ｂ内の駆動チャネル１３１２ａ，１３１２ｂによって、駆動される。
【0061】
いくつかの実施形態では、図示されるように、アレイ１３０４ａ，１３０４ｂおよびドライバ１３１４ａ，１３１４ｂを備えるリボン型ＳＬＭ１３０２ａ，１３０２ｂの各々は、単一の、共有基板１３１０上に一体的に形成される。あるいは、リボン型ＳＬＭ１３０２ａ，１３０２ｂのそれぞれが別々の基板上に一体的に形成されてから、それらが単一の、共有集積回路（ＩＣ）パッケージにパッケージされる。さらに別の代替実施形態では、リボン型ＳＬＭ１３０２ａ，１３０２ｂの各々が、別々にパッケージされてから、単一の、共有プリント回路基板（ＰＣＢ）に実装される。
【0062】
図１４および図１５Ａ～図１５Ｃに示す他の実施形態では、ＭＥＭＳフェーズドアレイは、光スキャナの有効アパーチャ（active aperture）を増加させるために、並列に配置されて、並行に動作される、複数のリボン型ＳＬＭ、または、複数の１次元（１Ｄ）のアレイを有する単一のリボン型ＳＬＭを備えてもよい。このようにして、ＭＥＭＳフェーズドアレイの機能領域を増やすことで、デスキャン動作での集光量アップによる感度の向上が可能となるだけでなく、光学系をシンプルにすることができ、視野角（ＦＯＶ）の向上、システムの点拡がり分解能（system point spread resolution）の向上も可能となる。
【0063】
図１４は、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１４００の実施形態の平面図を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイ１４００は、各々が複数のリボン１４０６のアレイ１４０４を有する複数のリボン型ＳＬＭ１４０２Ａおよび１４０２Ｂを備え、これらは、並列に配置される。一般に、図示の実施形態のように、リボン型ＳＬＭ１４０２Ａおよび１４０２Ｂは、共有基板１４０８上に一体的に形成され、リボン１４０６は、アレイ１４０４と同じ基板１４０８上に一体的に形成されたドライバ１４１８内の駆動チャネル１４１６によって、駆動される。あるいは、図示しない実施形態では、複数のリボン型ＳＬＭ１４０２Ａおよび１４０２Ｂの全てが、単一の共有ドライバ１４１８によって駆動されてもよい。
【0064】
図１５Ａ～図１５Ｃは、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１５００の他の実施形態を示す図であり、該ＭＥＭＳフェーズドアレイ１５００は、１個のリボン型ＳＬＭ１５０２を備え、該リボン型ＳＬＭ１５０２において、ＳＬＭの各リボン１５０４が、その長軸に沿って柱１５０６によって分割されて、複数の並列な１Ｄアレイ１５０８ａ，１５０８ｂおよび１５０８ｃを形成する。並列な１Ｄアレイ１５０８ａ，１５０８ｂ，１５０８ｃが３個だけ示されているが、リボン型ＳＬＭ１５０２は、２から５０を超える任意の個数の、並列な１Ｄアレイに分割されてもよいことが理解されよう。図１５Ｂには、非偏向状態または静止状態における、図１５ＡのＳＬＭ１５０２の可動リボン１５０４の側断面図が、模式的に示されている。図１５Ｃには、偏向状態または活性状態における、図１５ＡのＳＬＭ１５０２の可動リボン１５０４の側断面図が、模式的に示されている。図７Ａおよび図７Ｂに関して説明したＳＬＭ７００の実施形態と同様に、リボン１５０４は、基板１５１４の表面に形成された下部電極１５１２の上方にリボンを支持するための弾性機械層１５１０と、リボンまたは上部電極１５１６と、機械層または上部電極の上にあって、光反射面を備える反射層１５１８と、を備える。一般に、図７Ａの実施形態に示すように、ＳＬＭ１５０２は、リニア１Ｄアレイ１５０８ａ，１５０８ｂ，１５０８ｃと同じ基板１５１４上に一体的に形成されたドライバ１５２２内の複数の駆動チャネル１５２０をさらに備える。
【0065】
別の実施形態では、ＭＥＭＳフェーズドアレイは、リボン型ＳＬＭの各細長い素子またはリボンが、ブレーズ型プロファイルの反射面を有する、ブレーズ型格子（blazed grating）のリボン型またはリボンＭＥＭＳアレイを備える。ブレーズ型プロファイルとは、各リボンが有する反射面が、リボンの幅方向を横切って、ＳＬＭの表面またはＳＬＭが形成された基板の表面に対して、ブレーズ角度で角度を付けられていることを意味する。いくつかの実施形態では、反射面は、ブレーズ角度での有効なブレーズを形成するために、段差状プロファイルを有する。リボン上のブレーズ角度によって、ＳＬＭからのゼロ次（０ｔｈ）および高次の変調光におけるパワーおよびコントラストが調整され、これによって、０次においてより高いコントラストが与えられ、１次（１ｓｔ）および高次においてより高いコントラストおよび／またはパワーが与えられる。図８～図１０に関して上述したブレーズ型の動作または方法と併せて、ブレーズ型のリボンを使用してスキャン動作を行えば、「スキャンエンベロープ（scan envelope）」（フラットなリボンのＳＬＭにおける、＋／－ １次の間の角度）の中心が、１次の方へシフトして、０番目（０ｔｈ）の次数あるいは入射角から遠ざかる。「スキャンエンベロープ」の中心をシフトさせることの利点は、リボン間の隙間から露出するＳＬＭの他の表面からの反射が、０次のみに現れ、したがってスキャンされないので、より大きいあるいはより高いコントラストで、光学的により効率的なシステムが得られることである。
【0066】
次に、ブレーズ型プロファイルのリボンを備えるリボン型ＳＬＭの実施形態について、図１６Ａ～図１６Ｃを参照しながら説明する。図１６Ａは、ブレーズ角度がブレーズ角度γの有効なブレーズ面１６０４を形成する段差状プロファイルを有する、単一の細長い素子またはリボン１６０２の、断面図を示している。リボン１６０２は、概ね、長方形の本体１６０６と、段差のある反射器１６０８とを備える。長方形の本体１６０６は、窒化ケイ素（silicon nitride）を含むことができ、段差のある反射器１６０８は、アルミニウムなどの光学反射材料を含むことができる。段差のある反射器１６０８は、リボン１６０２の第１および第２の表面１６１０および１６１２を形成する。第１および第２の表面１６１０および１６１２は、概ね、入射光の８分の１波長λ／８の高低差で分離されて、ブレーズプロファイル１６１４を形成する。ブレーズプロファイル１６１４は、ブレーズ角度γの有効なブレーズ面１６０４を形成する。ここでブレーズ角度γは、式：γ＝arctan（λ／（４Ａ））で与えられる。
【0067】
図１６Ｂには、非活性化状態のブレーズ型のリボン型またはリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ１６１６の一部の第１の断面図が示される。ここでは、リボン１６０２がグレーティングピッチＡにあり、第１の表面１６１０がグレーティング面１６１８を画定している。非活性化状態において、リボン１６０２と下部または底部電極１６２０との間には、概ねゼロの電気バイアスが存在する。波長λの入射光（Ｉ）は、グレーティング面１６１８に垂直な角度で、ブレーズ型のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ１６１６を照射し、ブレーズ型のリボン１６０２のプロファイルに基づく複数の回折次数Ｄ０、Ｄ－１、および、Ｄ１で回折する。非活性化状態では、０次回折であるＤ０は、グレーティング面１６１８に垂直である。回折次数Ｄ１およびＤ－１は、式：θ１=arcsin（λ／Ａ）によって与えられる第１の回折角θ１にある。ここにおいて、Ａは、リボン１６０２の第１および第２の表面１６１０および１６１２のグレーティングピッチである。入射光の８分の１波長λ／８の高低差で分離される第１および第２の表面１６１０および１６１２を有する図示の実施形態においては、回折角θ１は、ブレーズ角度γの約４倍、すなわち約１５°未満となる。段差状の反射器１６０８の吸収による第１の光損失と、隣り合う一対のリボン１６０２の間の隙間を通過する入射光Ｉによる第２の光損失とを無視すると、ブレーズ型のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ１６１６に入射した光の半分が、０次回折であるＤ０に回折され、入射光Ｉの４分の１が、１次回折次数Ｄ１およびＤ－１のそれぞれに回折される。
【0068】
図１６Ｃには、活性化状態のブレーズ型のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ１６１６の第２の断面図が示される。ここでは、リボンと底部電極１６２０との間に電気バイアスを印加することによって、リボン１６０２が基板１６２２に向かって移動している。一般に、図示された実施形態のように、ブレーズ型のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ１６１６は、図８～図１０に関して上述したものと同様のブレーズ型の動作または方法を用いて、動作される。図１６Ｃを参照すると、垂直な入射ビーム（Ｉ）を、１次の反射ステアリング角度θ３で誘導するために、ブレーズプロファイル１６１４を有するリボン１６０２は、ピッチまたは周期Λの「ブレーズ」パターン１６２４に配置される。活性化状態において、波長λの入射光Ｉは、上記のように、ブレーズ型のリボン１６０２のプロファイルによって第１の角度θ１に回折し、さらに、ブレーズパターン１６２４によって生じる、式：θ２＝arcsin（λ／Λ）によって与えられる１次回折角θ２で、回折または誘導される。ここにおいて、Λは、ブレーズパターン１６２４のブレーズピッチΛである。なお、ブレーズ周期Λは、ステアリング角度θ３の連続的な変調を可能にするために、整数または非整数の値を取ることができる。ブレーズ周期Λが小さくなるにつれて、光が誘導されるθ１からθ３までの角度がより大きくなる。
【0069】
図１７は、光１７０８を誘導して遠景１７１０をスキャンする複数のＭＥＭＳフェーズドアレイ１７０６を備える光スキャナの、照明光学系１７０２および投影光学系１７０４を示す光学系図である。図１７に示す実施形態では、照明光学系１７０２は、コヒーレント光源からの光の個別の列を形成するレンチキュラーアレイまたはマイクロシリンダレンズのアレイ１７１２と、コリメートされた光をＭＥＭＳフェーズドアレイ１７０６の個々の変調器上に集光する結像レンズ１７１６と、を備えることができる。図示される実施形態では、光コヒーレント光源は、ＶＣＳＥＬレーザ１７１８などの発光デバイスのアレイを備える。コヒーレント光源がＶＣＳＥＬアレイ１７１８を使用して生成されるパルス式またはフラッシュ式のＬｉＤＡＲでは、照明光学系１７０２および投影光学系１７０４は、１０ナノ秒（ｎｓ）のパルスで、５ワット（Ｗ）以上のピークパワーを、最大１ＭＨｚの繰り返し率で、達成することができる。一方で、遠景に投影される各光線の平均パワーは、約２．５マイクロワット（ｍＷ）未満であるので、目に安全である。
【0070】
投影光学系１７０４は、ＭＥＭＳフェーズドアレイから遠景に向かう光を、少なくとも、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１７０６の位相変調によって光がスキャンされる軸方向次元を横切る角度次元について、広げるための、フーリエレンズ１７０２および魚眼レンズなどの１以上のレンズを備えることができる。図１７を参照すると、コヒーレント光源がＶＣＳＥＬアレイ１７１８を使用して生成されるパルス式またはフラッシュ式のＬｉＤＡＲでは、照明光学系１７０２および投影光学系１７０４は、１０ナノ秒（ｎｓ）のパルスで、５ワット（Ｗ）以上のピークパワーを、最大１ＭＨｚの繰り返し率で、達成することができる。一方で、遠景に投影される各光線の平均パワーは、約２．５マイクロワット（ｍＷ）未満であるので、クラス１で目に安全である。さらに、サイズが４．２５μｍの個々の素子を有する、３ｍｍの筐体アパーチャを備えるＭＥＭＳフェーズドアレイ１７０６では、ＭＥＭＳフェーズドアレイは、１０００本以上の解像可能なラインで、２５．５度のＦＯＶを提供することが可能である。
【0071】
いくつかの実施形態では、照明光学系、投影光学系、または、受信光学系の少なくとも１個が、光源からの光をＭＥＭＳフェーズドアレイに集光し、および／または、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの変調光を遠景に集光する、アナモルフィック光学系（anamorphic optics）を備える。アナモルフィック光学系は、ＭＥＭＳフェーズドアレイの垂直軸に沿い、光がスキャンされる方向を横断する、垂直または横断開口数（numerical aperture）（ＮＡ）として、アレイから反射される変調光の垂直あるいはスキャン方向の横断軸に沿う回折角度よりも小さい値を与え、水平またはアレイの長手軸に沿う、水平または長手ＮＡとして、垂直または横断ＮＡよりも大きい値を与えることが、好ましい。垂直軸と水平軸とでは、要求される視野角や分解能が異なる場合があるためである。水平軸の光学系は、フェーズドアレイデバイスのＦＯＶを、システムの水平スキャンの要件に合わせることになり、垂直スキャンのＦＯＶは、照明装置または検出器アレイシステムによって設定される垂直開口数によって、決定される。
【0072】
図１８Ａおよび図１８Ｂは、本開示の一実施形態による、アナモルフィック照明および結像光学系の光路の平面図および側面図の両方を示す光学系図である。平面図は、画素の配列方向に沿った光路を示している。図１８Ａを参照すると、光路は、レーザ１８０２などの光源から始まる。この実施形態では、光源は、バーレーザとして配置された複数の発光ダイオードまたはレーザダイオード１８０４を備えるものとして示される。光源から始まった光路は、第１の光学素子またはレンズ１８０８および第２の光学素子またはレンズ１８１０を含むアナモルフィック照明光学系１８０７を介して、ＳＬＭの１Ｄまたは２Ｄアレイ１８０６の実質的に直線状の部分を、照明する。図示された実施形態では、アナモルフィック照明光学系１８０７は、２つの単一レンズ１８０８および１８１０によって描かれるまたは表されるが、アナモルフィック照明光学系は、レーザ１８０２からの光を屈折させてリニアアレイ１８０６に送信して、リニアアレイを完全に照明するために、任意の数のプリズム、レンズを備え得ることが、理解されるであろう。レンズ１８０８は、通常、ＦＡＣレンズ（Fast Axis Collimator）と呼ばれ、エミッタからのレーザを、エミッタの垂直軸または進相軸（fast axis）に沿ってコリメートする。図示される実施形態では、レーザ１８０２は、共通の長軸に沿って配置された複数の半導体ダイオードレーザまたはエミッタを備えるバーレーザである。バーレーザの各エミッタは、空間的にシングルモードのレーザとして働き、垂直軸に沿ってガウシアン型のビームプロファイルを有する。図１８Ａの側面図に示すように、ほぼ理想的なコリメートビームを実現することが可能である。垂直軸に沿った変調器のサイズは、１ミリメートルあるいは数ミリメートルであるため、集光光学系あるいは縮小光学系は必要ない。つまり、垂直方向に沿った照明ビームのＮＡは、ほぼゼロとなる。パウエルレンズなどの光学デバイスを挿入して、ガウシアン型のプロファイルをトップハット型のプロファイルに変換すれば、１画素の中で垂直に並んだ変調器を、均一に照明することができる。図１８Ａの平面図において、光学素子またはレンズ１８１０は、水平軸に沿って空間右変調器アレイ全体を照明するために働く。バーレーザの発光ダイオードまたはレーザダイオード１８０４からの光を均質にするために、光学要素またはレンズ１８１０が、光パイプまたはフライアイレンズアレイを備えるものとされてもよい。バーレーザは、複数のエミッタを持ち、水平軸に沿う幅が概ね１０ｍｍであるため、ＮＡとしてある程度機能する。光学素子またはレンズ１８１０が１個のシリンドリカルレンズである例では、ＮＡは、Ｄ／２ｆとなる。ここにおいて、Ｄは、バーレーザのサイズであり、ｆは、光学素子またはレンズ１８１０におけるシリンドリカルレンズの焦点距離である。光学素子またはレンズ１８１０に、照明光を均質にするための光学デバイスが挿入される場合、ＮＡ数は、拡張される。したがって、進相軸または垂直軸に沿ったＮＡが低い一方で、遅相軸（slow axis）または水平軸に沿ったＮＡは、進相軸よりもはるかに大きくなり得る。
【0073】
図１８Ａに開示されているように、リニアアレイ１８０６の画素の配列方向は、バーレーザ１８０２のエミッタ配列方向と平行に設定されている。このような構成とすることで、回折ビームを有効に利用することができる。焦点が水平軸上にある場合、リニアアレイ１８０６による回折ビームの分離条件は制限されるものの、エミッタアレイの大きさのために、照明光学系のＮＡが多少の数値をもつ。結像光学系１８１２は、フーリエ変換（ＦＴ）レンズ１８１６などの拡大要素、および、フーリエアパーチャ１８１８を備えてもよい。上述したように、アレイは水平方向に沿って１個または数個の画素を備え、１次ビームは、照明ＮＡがほぼゼロである場合にのみ、０次ビームから分離され得る。そのため、１次ビームの一部が、０次ビームに干渉する。図１８Ａにおいて、破線は、１次ビームを示し、実線の太線は、主となる０次ビームを示す。照明ビームのＮＡは、リニアアレイ１８０６で１次ビームに回折された後も維持されるため、１次ビームの一部は、フーリエアパーチャ１８１８を通過する。一方、垂直軸に沿った照明光学系のＮＡは小さく、１画素の変調器の個数が多いので、回折が生じ、主ビームが分離される。
【0074】
そして、リニアアレイ１８０６からの変調された光は、結像光学系１８１２を通って結像面１８１４に送信される。図１８Ａに示されるようないくつかの実施形態では、結像光学系１８１２は、ここではアナモルフィックレンズ１８２０およびマイクロレンズまたはレンチキュラーアレイ１８２２によって表される、アナモルフィック光学系を備えることもできる。この実施形態は、アレイ１８０６の画素サイズが正方形でない場合に、特に有利である。結像光学系１８１２にアナモルフィック結像光学系を使用するまたは追加することによって、垂直方向に沿って、リニアアレイの縮小画像が、結像面上に投影され、それによって、リニアアレイ１８０６の任意の歪みまたは非正方形の画素を、補正または補償することができる。
【0075】
図１８Ｂは、フーリエアパーチャ１８１８上における、０次ビームと、回折された±１次ビームとを示す。図１８Ｂを参照すると、楕円１８２４は、０次ビームを表し、楕円１８２６は、垂直方向に沿った１次ビームを表し、楕円１８２８は、水平方向に沿った１次ビームを表している。垂直軸に沿ったアパーチャサイズ（垂直ＮＡ１８３０）は、１次ビームの回折角度と同等であり、０次ビーム（楕円１８２４で表される）の水平軸に沿ったサイズは、照明光学系（図１８Ａのレンズ１８０８および１８１０）の水平ＮＡ１８３２と同じである。再び図１８Ｂを参照すると、０次ビーム（楕円１８２４で表される）が、フーリエアパーチャ１８１８を通過できる一方で、垂直軸に沿った±１次ビーム（楕円１８２６で表される）は、完全に遮断され、水平軸に沿った±１次ビーム（楕円１８２８で表される）は、概ね遮断される、または、大幅にパワーダウンされることが分かる。この結果、コントラスト比（ＣＲ）の低下は僅かなものとなる。したがって、図１８Ａの実施形態の照明および結像光学系は、図１および図３に示されるようなＬｉＤＡＲシステムで使用するのに適している。
【0076】
複数のレーザダイオードを含むバーレーザの出力は、上記の例ほど高くはなく、概ね１００ワット（Ｗ）以下である。トータルの照明出力を上げるためには、複数のバーレーザを使用すればよい。したがって、いくつかの実施形態では、より高い出力を達成するために、垂直に積み重ねられた複数のバーレーザを使用することができる。
【0077】
図１９は、切断図で示された、１つ以上のＭＥＭＳフェーズドアレイ１９０４，１９０６を備えるコンパクト光スキャナ１９０２の概略ブロック図である。この図では、ＭＥＭＳフェーズドアレイを照明し、そこから変調光を投影し、検出器１９０８上に光を受信してデスキャンするための、折り曲げられた光路を図示している。図１９に示されるように、折り曲げられた光路によって、コンパクト光スキャナ１９０２のサイズを、例えば、約７ｃｍ×７ｃｍで厚さ約２ｃｍのサイズ、または、１組のカード（a deck of cards）程度のサイズとすることができる。
【0078】
図１９を参照すると、光スキャナ１９０２は、ハウジングまたは筐体１９１０と、１つまたは複数の開口部またはアパーチャ１９１２，１９１４と、を備える。アパーチャ１９１２，１９１４を通して、光を投影して遠景（この図には示されていない）をスキャンすることができ、また、遠景から戻る光を受信することができる。一般に、アパーチャ１９１２，１９１４は、投影光をさらに拡大または拡張するために、受信された光を集光するために、および／または、光スキャナ１９０２のための環境的に密閉された筐体１９１０を提供するために、レンズ１９１６，１９１８によってカバーまたは封止される。図示されるようないくつかの実施形態では、レンズ１９１６，１９１８は、光スキャナ１９０２の視野（ＦＯＶ）をさらに増大させるために、魚眼レンズを備えることができる。
【0079】
光スキャナ１９０２は、コヒーレント光源１９２２からの光をＭＥＭＳフェーズドアレイ１９０４上に導く照明光学系１９２０、ＭＥＭＳフェーズドアレイからの位相変調光を遠景に送信または投影する結像または投影光学系１９２４、および、遠景から光を受信して検出器１９０８に導く受信光学系１９２６を、さらに備える。上述の実施形態と同様に、光源１９２２は、レーザ、ダイオードレーザ、または、ＶＣＳＥＬＳなどといった任意の種類および数の発光デバイスを備えることができる。照明光学系１９２０は、１以上のレンズ１９２０ａ、および、積分器、ミラー、または、プリズム１９２０ｂを含む、複数の要素を備えることができ、光源１９２２からの光をＭＥＭＳフェーズドアレイ１９０４に伝達して、ＭＥＭＳフェーズドアレイの幅方向の長さの全体を実質的にカバーする所定幅のラインを、照明するように構成される。投影光学系１９２４もまた、レンズ１９２４ａ、および、積分器、ミラー、または、プリズム１９２４ｂを備えることができ、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１９０４からの光を伝達して、遠景内のラインまたはスワスを照明するように構成される。照明光学系および投影光学系と同様に、受信光学系１９２６は、１つまたは複数のレンズ１９２６ａ，１９２６ｂ、積分器、ミラー、および／または、プリズムを備えることができ、遠景からの光を受光して検出器１９０８上に伝達するように構成される。一般に、検出器１９０８は、光源１９２２によって生成される波長のコヒーレント光に感度を有する任意の種類の検出器を備えることができる。これには、ローリングシャッターカメラ、または、カメラ、フォトダイオード検出器の１次元または２次元アレイ、または、ＳＰＡＤアレイ、が含まれる。
【0080】
最後に、光スキャナ１９０２の筐体１９１０は、コントローラなどの光スキャナの動作に必要な電子回路１９２８と、コントローラ、光源１９２２、ＭＥＭＳフェーズドアレイ１９０４，１９０６、および、検出器１９０８のための電源と、１つまたは複数のメモリと、ホストシステムへのインターフェースとを、さらに含むまたは収容することができる。
【0081】
上記のように、照明光学系５１０、投影光学系５１４、受信光学系５１８、および、検出光学系５２４の１つまたは複数が、マイクロレンズ、または、レンチキュラーアレイを備えることができる。特に、レンチキュラーアレイを備える送信器の照明光学系は、図１７に示すように、ＶＣＳＥＬアレイを含む光源と組み合わせて、独立した光チャネルを提供するのに有用である。また、図１３～図１５に示すような光送信器または光受信器において、光を複数のアレイに分配するために複数のリボン型ＭＥＭＳフェーズドアレイに光を分配するにあたって、および／または、投影光学系において、遠景内に照明のスワスを形成するために分散させるために、レンチキュラー光学アレイは特に有用である。最後に、レンチキュラーアレイは、受信機アレイ光学系において、受信機アレイの有効フィルファクタを高めるのに、有用である。
【0082】
次に、これらのアプリケーションの一部または全部に使用するのに適したレンチキュラーアレイの一実施形態を、図２０Ａ～図２０Ｃを参照して説明する。図２０Ａは、レンチキュラーアレイの実施形態の平面図を示す概略ブロック図であり、図２０Ｂは、図２０Ａのレンチキュラーアレイの断面図であり、図２０Ｂは、図２０Ａのレンチキュラーアレイの単一の要素による、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイの単一の変調器の０次の照明を示している。図２０Ａを参照すると、レンチキュラーアレイ２０００は、マイクロレンズまたはシリンドリカルレンズなどの個別のレンズまたは素子を複数個形成する成形面を含み、光を特定の方向に集中、集光または投影するように構成される。図示された実施形態では、レンチキュラーアレイ２０００は、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイ２００２の個々のリボン、または、柱によって分割されたリボン部分に、光を集光するように適合または構成される。そして、個別のレンズまたは素子は、シリンダーレンズ２００４を含み、各シリンダーレンズ２００４の長軸は、図１３に示すように積み重ねられるか、または、図１４および図１５に示すように並列に配置される、１つまたは複数のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸２００６と平行であり、また、リボンの長軸２００８と直交する。図２０Ｂのレンチキュラーアレイ２０００の断面図に示すように、シリンドリカルレンズ２００４は、入射光２０１０を、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイ２００２の個々のリボンまたは分割されたリボン部分の中心に、集光または集中させる。
【0083】
図２０Ｃを参照して、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイにおいて、アクティブなリボン２０１２と基板または下部電極との間に静電電位の差が与えられると、リボンは、図示されるように、放物線状のプロファイルに偏向される。その結果、リボン２０１２の中心線付近の狭い領域にのみ、回折格子が確立されることになる。この光学的な「スイートスポット２０１４」の外側の領域は、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイの表面と平行でもなく、所望される量の変位もしていないため、効率的なステアリングが提供されない。このため、レンチキュラーアレイ２０００を用いて、照明光をリボンＭＥＭＳフェーズドアレイのリボンの中央部分に慎重に整形または集光したり、リボンの中央部分からの変調された光だけをコリメートして投影することが、望ましい。目安としては、スイートスポット２０１４の幅は、コントラスト比にもよるが、大まかに言えば、リボン１０１２の長さのおよそ１／１０から１／３であることが望ましい。さらに、受信光学系によって集められ、光受信器のリボンＭＥＭＳフェーズドアレイ上に集光された光、または、リボンＭＥＭＳフェーズドアレイによってデスキャンされ、検出器上に集光された光に関して特に言えば、個別のレンズまたは素子は、０次以外の光２０１８を除去しながら、０次の光２０１６のみをスイートスポット２０１４に集光させる、あるいは、スイートスポット２０１４で変調させることができ、それによって、光スキャナのコントラストおよび分解能が増大される。
【0084】
次に、光による検知と測距（ＬｉＤＡＲ）システムで使用するための、第１微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フェーズドアレイを備える光スキャナの動作方法について、図２１のフローチャートを参照して説明する。図２１を参照すると、この方法は、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイを、コヒーレント光源からの光で照明することから始まる（２１０２）。第１ＭＥＭＳフェーズドアレイは、コヒーレント光源からの光の位相を変調し、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイからの変調された光を遠景に投影するように、制御される（２１０４）。そして、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイは、さらに遠景をスキャンするように、動作または制御される（２１０６）。上述したように、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイは、角度次元および第１ＭＥＭＳフェーズドアレイの長軸に平行な軸方向次元を含む２次元（２Ｄ）で、遠景をスキャンするように、適合または構成される。次に、遠景からの光が第２ＭＥＭＳフェーズドアレイで受信され（２１０８）、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイが、背景光を除去しながら、実質的にコヒーレント光源を起点として遠景から反射された光だけを検出器に導くことによって、受信した光をデスキャンするように、制御される（２１１０）。
【0085】
いくつかの実施形態では、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイと第２ＭＥＭＳフェーズドアレイは、同じ、共有ＭＥＭＳフェーズドアレイであり、第１ＭＥＭＳフェーズドアレイを制御することは、第１の時間に共有ＭＥＭＳフェーズドアレイを制御して、コヒーレント光源からの光の位相を変調し、遠景を２Ｄでスキャンすることを含み、第２ＭＥＭＳフェーズドアレイを制御することは、第２の時間に共有ＭＥＭＳフェーズドアレイを制御して、遠景から反射されたコヒーレント光源からの光を検出器に導き、背景光を除去して、受信した光をデスキャンすることを含む。
【0086】
このように、１ＤのＭＥＭＳフェーズドアレイを含むＬｉＤＡＲシステムの実施形態と、それを動作させる方法とが、説明された。本開示は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されてきたが、本開示のより広い精神および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して様々な修正および変更がなされ得ることは、明らかである。したがって、明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味とみなされる。
【0087】
本開示の要約は、読者が技術開示の一つ以上の実施形態の性質を迅速に確認することを可能とする要約を要求する米国特許法施行規則第１．７２（ｂ）（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ.§１．７２（ｂ））に準拠するために提供される。これは、特許請求の範囲または意味を解釈または制限するために使用されないという理解の下に、提出される。加えて、上記の詳細な説明では、本開示を合理化する目的で、様々な特徴が単一の実施形態にまとめられていることがわかる。この開示の方法は、特許請求される実施形態が、各請求項において明示的に列挙された特徴よりも多くの特徴を必要とするものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明の主題は、開示された単一の実施形態の全ての特徴よりも少ないものの中に存在する。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれだけで個別の実施形態として成立している。
【0088】
本説明における一実施形態あるいはある実施形態への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、回路または方法の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の種々の箇所における一実施形態という句の出現は、すべて同一の実施形態を指すとは限らない。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図21】