專利名稱：具有連續(xù)中間態(tài)的模擬微鏡器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影顯示系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明使模擬鏡面器件具有連續(xù)的中間 態(tài)，為投影顯示提供了可觀的更高的灰度。
背景技術(shù)：
在陰極射線管(CRT)技術(shù)在顯示業(yè)界占據(jù)主導(dǎo)地位100多年后的今天，平板 顯示(FPD)和投影顯示以小波形系數(shù)和大屏幕尺寸受到了廣泛歡迎。在幾種投影 顯示技術(shù)中，基于微顯示技術(shù)的投影顯示由于具有比平板顯示(FPD)更好的畫(huà)面 質(zhì)量、更低的制造成本而獲得了認(rèn)可。市場(chǎng)上投影顯示裝置中的微顯示技術(shù)主要有 兩種， 一種是微液晶顯示技術(shù)(micro-LCD)，另一種為微鏡技術(shù)。微鏡裝置使用 非偏振光，因而與使用偏振光的微液晶顯示相比有亮度上的優(yōu)勢(shì)。
盡管近年來(lái)在制作空間光調(diào)制器這樣的機(jī)電微鏡裝置方面取得了顯著的進(jìn)展， 但要將其應(yīng)用于高質(zhì)量畫(huà)面的顯示仍有一些限制和困難。特別對(duì)于數(shù)字信號(hào)控制的 顯示圖像，反而會(huì)由于灰度等級(jí)足夠?qū)е聢D像不能顯示，使得圖像質(zhì)量受到影響。
機(jī)電微鏡器件由于其在空間光調(diào)制器(SLM)方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。一 個(gè)空間光調(diào)制器需要一個(gè)由大量微鏡器件組成的陣列。 一般而言，每個(gè)SLM所需的 器件數(shù)量從60， 000到兒百萬(wàn)不等。如圖1A所示，帶有屏幕2的數(shù)字視頻系統(tǒng)1在 美國(guó)專利5，214，420中已做公開(kāi)。光源10用于產(chǎn)生照亮屏幕2的光能。產(chǎn)生的光 束9通過(guò)鏡面11的聚集投射到透鏡12上。透鏡12、 13、 14形成光束聚焦器，將 光束9聚焦成為光束8?？臻g光調(diào)制器15通過(guò)總線18受電腦19輸入的數(shù)據(jù)控制， 選擇性地將部分光線從路徑7指向放大鏡5并最終顯示在屏幕2上。SLM 15具有 包含一個(gè)可開(kāi)關(guān)的反射單元陣列的表面16，例如微鏡器件32,如作為反射單元的單元17、 27、 37和47，如圖1B所示與鉸鏈30相連。當(dāng)單元17處于一個(gè)位置 時(shí)，從路徑7射出的一部分光沿路徑6指向透鏡5，這一路徑的光被放大或是沿著 路徑4投射在顯示屏幕2上，從而形成一個(gè)照明像素3。當(dāng)單元17處于另一個(gè)位 置時(shí)，光束就不會(huì)打到顯示屏幕2上，因此像素3就是暗的。
美國(guó)專利5， 214， 420和大多數(shù)傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中使用的開(kāi)態(tài)-關(guān)態(tài)微鏡控制方 案都在顯示質(zhì)量上受到限制。具體而言，當(dāng)應(yīng)用控制電路的傳統(tǒng)配置時(shí)有一個(gè)限制， 即傳統(tǒng)系統(tǒng)(只有開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)的PWM)的灰度受到LSB (最低有效位，或最短脈沖 寬度)的限制。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用的開(kāi)-關(guān)態(tài)，無(wú)法提供比LSB更短的脈沖寬度。 由灰度決定的最低亮度是最短脈沖寬度內(nèi)反射的光。有限的灰度導(dǎo)致了圖像顯示的 劣化。
具體而言，圖1C給出了美國(guó)專利5,285，407中一個(gè)早前微鏡控制電路的典型 電路圖，該控制電路包含一個(gè)存儲(chǔ)單元32。每個(gè)晶體管都標(biāo)記為"M*"，其中"*" 為晶體管編號(hào)，所有晶體管均為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。M5、 M7為p溝道晶體管； M6、 M8、 M9為n溝道晶體管。電容C1、 C2代表存儲(chǔ)單元32的容性負(fù)載。存儲(chǔ)單 元32包含一個(gè)存取開(kāi)關(guān)晶體管M9和一個(gè)基于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)區(qū)(SRAM)設(shè)計(jì)的鎖存 器32a。 一行中的所有存取晶體管M9從不同的位-線31a接收數(shù)據(jù)信號(hào)。需要寫(xiě)入 的某特定存儲(chǔ)單元32通過(guò)使用作為字線的行信號(hào)來(lái)開(kāi)啟適當(dāng)?shù)男羞x擇晶體管M9從 而進(jìn)行訪問(wèn)。鎖存器32a由兩個(gè)交叉耦合的反相器M5/船和M7/M8組成。這兩個(gè) 反相器能夠提供兩種穩(wěn)態(tài)，其中狀態(tài)1的節(jié)點(diǎn)A為高電位，節(jié)點(diǎn)B為低電位；狀態(tài) 2的節(jié)點(diǎn)A為低電位，節(jié)點(diǎn)B為高電位。
上述控制電路的雙態(tài)轉(zhuǎn)換控制微鏡處于如圖1A所示開(kāi)態(tài)或關(guān)態(tài)角向上。亮 度，即數(shù)字控制圖像系統(tǒng)的顯示灰度由微鏡停留在開(kāi)態(tài)位置上的時(shí)間決定。微鏡被 控制在開(kāi)態(tài)位置的時(shí)間由多位字依次控制。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，圖lD顯示了由4-位字 控制時(shí)的"二進(jìn)制時(shí)間間隔"。正如圖1D所示，時(shí)間周期有l(wèi)、 2、 4、 8四個(gè)相對(duì) 值，它們依次決定著4位中每一位的相對(duì)亮度。其中l(wèi)為最低有效位，8為最高有 效位。根據(jù)所示控制機(jī)制，用于顯示不同亮度的灰度間的最小可控差異即為保持微 鏡處于開(kāi)態(tài)位置的"最低有效位"代表的亮度。
具有開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)位置的微鏡將有如圖lE所示的反射狀態(tài)和非-反射狀態(tài)。圖 1E顯示了作為時(shí)間的函數(shù)的光輸出。最低亮度由系統(tǒng)中最短脈沖的時(shí)間寬度決定。
如圖2A所示，當(dāng)臨近的圖像像素間的灰度由于粗糙的灰度控制而差異較大時(shí)， 這些臨近的圖像像素間出現(xiàn)了偽像。這導(dǎo)致了圖像的劣化。當(dāng)臨近的圖像像素間的 灰度差異較大時(shí)，對(duì)于明亮的顯示區(qū)域，這種劣化尤為明顯。圖2B顯示了更小的 臺(tái)階，它減少了偽像。從圖3A女性圖像中可以觀察到，在其前額、鼻梁以及上臂處存在偽像。由于 數(shù)控顯示技術(shù)不能提供足夠的灰度，這一技術(shù)局限導(dǎo)致了偽像的產(chǎn)生。
圖3A顯示了具有比較夸張的粗糙的灰度的圖像。圖3B顯示了具有典型灰度的 圖像，但該圖像仍然有一些不自然的區(qū)域。在顯示亮點(diǎn)，如前額、鼻梁以及上臂處， 臨近像素的光強(qiáng)差別明顯。隨著灰度等級(jí)的提高，即使像圖2B中一樣只提高一倍， 圖像劣化也會(huì)得到有效改善。
當(dāng)微鏡被控制在全開(kāi)或者全關(guān)位置時(shí)，光的強(qiáng)度由微鏡處在全開(kāi)態(tài)的時(shí)間決 定。為了提高顯示器的灰度等級(jí)，必須提高微鏡速度以使數(shù)字控制信號(hào)有更多的位 數(shù)。然而，當(dāng)微鏡速度提高時(shí)，需要為微鏡提供一個(gè)牢固的鉸鏈，以保證設(shè)計(jì)的操 作壽命中所需的操作周期數(shù)量。為了驅(qū)動(dòng)由更牢固的鉸鏈支撐的微鏡，需要更高的 電壓。該電壓可能會(huì)超過(guò)20伏，甚至30伏。CMOS技術(shù)制造的微鏡可能不適合工 作在如此高的電壓下，因此需要DMOS或者高壓MOSFET技術(shù)。為了更好的控制灰度， DMOS微鏡的制作需要更為復(fù)雜的制作工藝和更大的器件面積。由于工作電壓的限 制，為了制作更小更低成本的微鏡顯示器就需要犧牲灰度的精度，這使微鏡控制的 傳統(tǒng)模式面臨到技術(shù)挑戰(zhàn)。
目前有許多關(guān)于光強(qiáng)控制的專利，這些專利包括美國(guó)專利5， 589, 852、 6,232,963、 6,592,227、 6， 648， 476和6， 819, 064。還有更多關(guān)于不同形態(tài)光源的 專利或?qū)＠暾?qǐng)。這些專利包括美國(guó)專利5，442，414、 6,036,318，申請(qǐng) 20030147052。美國(guó)專利6746123提出了能夠防止光損耗的特殊偏振光源。然而， 這些專利和專利應(yīng)用并沒(méi)有提供克服數(shù)字控制圖像顯示系統(tǒng)中由灰度不足引起局 限的有效解決方案。
另外，還有很多關(guān)于空間光調(diào)制的專利，如美國(guó)專利2， 025， 143、 2， 682， 010、 2, 681, 423、4, 087, 810、4, 292, 732、4， 405, 209、4, 454, 541、 4' 592, 628、4, 767, 192、 4, 842， 396、 4， 907， 862、 5， 214, 420、 5, 287， 096、 5， 506, 597和5， 489， 952。然而， 這些發(fā)明并沒(méi)有為普通技術(shù)人員提供克服上述限制和技術(shù)難題的直接解決方案。因 此，仍有必要研究作為空間光調(diào)制器的微鏡陣列的數(shù)字信號(hào)控制圖像顯示系統(tǒng)，以 提供新的和改進(jìn)的系統(tǒng)，從而解決上述討論到的困難。提高灰度最大的困難在于傳 統(tǒng)系統(tǒng)中只有開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)，并且由于有限的驅(qū)動(dòng)電壓，最短開(kāi)態(tài)時(shí)間不能夠進(jìn)一步 縮短。最短開(kāi)態(tài)時(shí)間決定了圖2所示的灰度臺(tái)階高度。沒(méi)有辦法提供比臺(tái)階更低的 亮度。如果能夠產(chǎn)生比臺(tái)階更低的亮度等級(jí)，將能增加灰度，圖像質(zhì)量的劣化可以 得到本質(zhì)上的提高。進(jìn)一步地，如果能夠連續(xù)控制中間態(tài)的亮度等級(jí)，那么系統(tǒng)設(shè) 計(jì)將更自由，灰度將更高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為亮度提供模擬控制，以使微鏡器件獲得本質(zhì)上更高的灰度。本 發(fā)明實(shí)施例的原理是為電極提供從零到保持-電壓之間的電壓，以調(diào)整鏡面振蕩的 角度。入射光的反射比與鏡面擺動(dòng)角度有關(guān)，該擺動(dòng)角度可以通過(guò)施加模擬電壓而 連續(xù)控制。
可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)鏡面與處于制動(dòng)位置的電極間的間隙大小來(lái)調(diào)整保持-電 壓。可以通過(guò)優(yōu)化包括間隙和保持-電壓在內(nèi)的構(gòu)造，并對(duì)電極施加零至保持-電壓
之間的電壓來(lái)控制鏡面的反射比，使其低至全開(kāi)態(tài)的1/256。這可以提供下一代視 頻光碟播放器所需的16位灰度。
本發(fā)明所需的驅(qū)動(dòng)電壓為掌控全開(kāi)態(tài)和全關(guān)態(tài)電壓的模擬中間態(tài)電壓。雖然 兩個(gè)電極要求不同的電壓，但本發(fā)明中一個(gè)像素可能只使用單一位線。單一位-線 更有益于緊湊的和更小的微鏡。


圖1A和圖1B展示了使用微鏡面器件的投影顯示的基本原理。 圖1C顯示了一個(gè)早前的驅(qū)動(dòng)電路的例子。
圖1D顯示了用于產(chǎn)生灰度的傳統(tǒng)數(shù)字微鏡面的二進(jìn)制脈寬調(diào)制(Binary PWM) 機(jī)制。
圖2A展示了灰度不足的例子，其亮度差別很大，有明顯的偽像。 圖2B展示了灰度得以提高的例子，其偽像得到改善。
圖3A展示了灰度不足，偽像明顯的例子；圖3B展示了灰度提高后的同一圖 像的例子。
圖4A和4B闡述了用作本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)微鏡的例子。
圖5闡述了處于振蕩態(tài)的微鏡的例子，該微鏡反射的亮度低于處于全開(kāi)態(tài)位置
的鏡面反射的光的亮度。
圖6闡述了投射到投影透鏡的入射光的反射比與鏡面傾角的關(guān)系。圖7闡述了需要的鏡面反射比等級(jí)的例子。
圖8闡述了施加到電極上的驅(qū)動(dòng)電壓與鏡面傾角的關(guān)系的例子。
圖9顯示了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電路的例子。該實(shí)例有兩根位-線。
圖IO闡述了對(duì)兩個(gè)電極都施以零電壓時(shí)，鏡面反射比的仿真結(jié)果。
圖11A闡述了鏡面初始角度為-12度，對(duì)左邊電極施加接近保持-電壓，對(duì)右
邊電極施加零電壓時(shí)的仿真結(jié)果。
圖11B闡述了鏡面初始角度為+12度，對(duì)左邊電極施加接近保持-電壓，對(duì)右
邊電極施加零電壓時(shí)的仿真結(jié)果。圖12A闡述了鏡面初始角度為-12度，對(duì)右邊電極施加接近保持-電壓，對(duì)左 邊電極施加零電壓時(shí)的仿真結(jié)果。
圖12B闡述了鏡面初始角度為+12度，對(duì)右邊電極施加接近保持-電壓，對(duì)左 邊電極施加零電壓時(shí)的仿真結(jié)果。
圖13闡述了實(shí)現(xiàn)單一位-線系統(tǒng)的電路的例子。
圖14A闡述了施加到位-線的電壓的例子?；诹炼鹊燃?jí)，輸入視頻信號(hào)被提 供給該位-線。該信號(hào)包含對(duì)應(yīng)于開(kāi)態(tài)(二l) 、 1/2、 1/4、 1/8、 1/16、 1/32、 1/64、 1/128、 1/256和關(guān)態(tài)(=0)的電壓。
圖14B闡述了施加到字-線上的電壓。由于FET的結(jié)漏電，該電壓可以比施加 到位-線上的稍高。字-線上的開(kāi)態(tài)信號(hào)開(kāi)啟了FET (206)的柵極。
圖14C闡述了FET (206)的輸出電壓，其中FET (206)與電容和一個(gè)電極 相連。
圖14D闡述了反相器(207和208)的輸出電壓，它與全開(kāi)態(tài)和全關(guān)態(tài)電壓之 間的206的輸出互補(bǔ)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的為亮度提供模擬控制，以使微鏡器件獲得本質(zhì)上更高的灰度。本 發(fā)明實(shí)施例的原理是為電極提供從零到"保持-電壓"之間的電壓，即用來(lái)調(diào)整鏡 面"振蕩中心角度"的V-保持電壓。入射光的反射比與鏡面振蕩中心角度有關(guān)， 該角度可以由施加到電極上的電壓通過(guò)近似模擬量連續(xù)控制，從而通過(guò)與施加到電 極上的電壓相對(duì)應(yīng)的模擬量控制顯示灰度。
圖4A和圖4B顯示了微鏡200的基本結(jié)構(gòu)，其中微鏡200為一塊處于中立位置 或零度角的鏡面平板。在右邊電極203上施加大于或等于拉動(dòng)電壓的電壓Va時(shí)， 鏡面平板向電極203偏轉(zhuǎn)，直至鏡面平板與電極或制動(dòng)器接觸。擺放具有投影透鏡 的顯示系統(tǒng)，使位置201處的鏡面最大限度地將入射光反射至投影透鏡(未畫(huà)出)。 同樣地，根據(jù)圖4B，在左邊電極上施加電壓Va時(shí)，鏡面向左邊電極偏轉(zhuǎn)。在位置 210上，鏡面反射到投影透鏡中的光最少。
如圖5所示，反射光140從微鏡100反射，其中微鏡100由鏡面鉸鏈110支撐， 由電極120-1和120-2控制振蕩至開(kāi)態(tài)位置，即相對(duì)水平方向?yàn)榱愣鹊慕嵌龋藭r(shí) 最大量的光被反射進(jìn)透鏡125。另一反射光150從處于-12度角的微鏡120投射， 其中-12度角為反射微鏡的關(guān)態(tài)位置，此時(shí)最少量的光被反射進(jìn)透鏡125。當(dāng)施加 到電極上的電壓控制鏡面振蕩至相對(duì)的振蕩中心角度，處于中間態(tài)角度來(lái)投影反射 光160時(shí)，中間量的反射光被反射鏡面反射，投射到投影透鏡125上。圖6顯示了鏡面角度和反射光強(qiáng)度的關(guān)系。對(duì)鏡面不同的散射特性和投影透鏡
125的F值進(jìn)行了一系列的仿真分析，其中F代表透鏡的孔徑。當(dāng)鏡面表面允許入 射光散射范圍更廣時(shí)，反射和鏡面傾角的關(guān)系曲線傾向于具有近似曲線700的關(guān) 系。當(dāng)入射光的散射范圍較窄時(shí)，反射和傾角的關(guān)系近似于曲線702。該關(guān)系同樣 取決于通常用"F值"來(lái)描述的透鏡的孔徑尺寸。曲線701顯示了較曲線700所示 接收散射情況更小孔徑的透鏡對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線。目的在于按要求控制反射比，具體 而言，指獲得l、 1/2、 1/4、 1/8、 1/16、，，，，和1/256的亮度。圖7示例了各 種灰度等級(jí)情況，如400 (1) 、 402 (1/2) 、 403 (1/4) 、 404 (1/8)和405 (1/16) 等。顯示行業(yè)通常稱之為8-位灰度，意味著256 (=2 — 8)個(gè)灰度等級(jí)。如果要增加 低至1/256的亮度等級(jí)的亮度，微鏡處于全開(kāi)態(tài)角向時(shí)，微鏡的反射光亮度等級(jí)為 1,而處于全關(guān)態(tài)時(shí)為O，此時(shí)偏置振蕩時(shí)亮度等級(jí)為1/256。通過(guò)在保持-電壓下 適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電極電壓，亮度等級(jí)可以為0.6 (60%)至0.002 (0.2%)之間的任意二 進(jìn)制數(shù)。16位可控狀態(tài)下灰度等級(jí)的總量為65，536，即2'16=65，536。高清光碟 的最新標(biāo)準(zhǔn)引入了 16-位灰度。本發(fā)明的一個(gè)方面是為電極120-1和120-2提供兩 個(gè)大體為模擬方式的互補(bǔ)電壓。通過(guò)響應(yīng)外加電壓，可以根據(jù)模擬級(jí)別的模擬位置 定位，控制微鏡處于振蕩的中心角度，從而產(chǎn)生相應(yīng)的模擬級(jí)別的灰度等級(jí)。
參照?qǐng)D8A所示施加到電極120-1和120-2上的驅(qū)動(dòng)電壓和鏡面傾角的關(guān)系。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓從500增加至502時(shí)，鏡面角度按拋物線逐漸增加。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)所 示電壓502時(shí)，鏡面向電極偏轉(zhuǎn)，直至接觸制動(dòng)器。與"拉動(dòng)位置"對(duì)應(yīng)的電壓被 定義為拉動(dòng)電壓，鏡面受到拉力作用，并在大體穩(wěn)定的拉動(dòng)電壓作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 直至與制動(dòng)器物理接觸停止。"拉動(dòng)電壓"被定義為拉動(dòng)鏡面至"拉動(dòng)位置"所需 的最小電壓。在如圖8所示典型實(shí)施例中，鏡面最大角度位置為12度，在該位置 上，鏡面振蕩并停止在制動(dòng)位置。圖8A所示曲線是基于圖5所示模型的鏡面系統(tǒng) 的鏡面設(shè)計(jì)仿真分析結(jié)果。鏡面被拉動(dòng)后，外加電壓逐漸減小，并沿曲線所示電壓 逐漸減小504、 503至505，此時(shí)鏡面處于一穩(wěn)定的傾角，如12度處，即使低于拉 動(dòng)電壓503，拉動(dòng)位置也不會(huì)回轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槔瓌?dòng)位置上鏡面和電極之間狹窄的間 隙即使在電壓被減小到一個(gè)更低的電壓時(shí)，也能使電極對(duì)鏡面施加更強(qiáng)的作用力來(lái) 保持鏡面。當(dāng)電壓進(jìn)一步減小至低于如圖8A所示點(diǎn)504時(shí)，鏡面被釋放并朝更小 傾角的方向振蕩。因此，保持鏡面處于拉動(dòng)位置的最小電壓顯示為電壓504，它被 定義為"保持電壓"。
在圖8C中，用表示保持電壓(V-保持)和拉動(dòng)電壓(V-拉動(dòng))的差別。如圖 8C所示，V-拉動(dòng)和V-保持的差異由鏡面和電極的構(gòu)造決定。具體而言，停止位置 處鏡面和電極間的間隙(510)是決定A值的最重要的影響因素。間隙越窄，差異越 大，因此，如圖8C所示，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)間隙就能調(diào)整差異。有效間隙可以計(jì)算為空氣間隙和介質(zhì)材料厚度除以相對(duì)介電常數(shù)后兩者之和。圖8C中的曲線(511) 顯示了有效間隙和差異A之間關(guān)系的例子。
在該仿真中，0至4度之間的鏡面傾角由施加電壓控制，微鏡處于一固定角向。 但當(dāng)微鏡移動(dòng)到4至12度之間的角度時(shí)，微鏡開(kāi)始連續(xù)振蕩，即使微鏡相對(duì)中心 振蕩角對(duì)稱振蕩，也不能被控制處于某固定角向。相比圖6所示關(guān)系曲線(傾角與 反射比的關(guān)系)，0至4度之間的角度明顯不足以控制灰度。由于這一局限，傳統(tǒng) 系統(tǒng)無(wú)法提供用模擬控制方法來(lái)控制微鏡。在傳統(tǒng)圖像顯示系統(tǒng)中，業(yè)內(nèi)不得不舍 棄模擬控制方法而轉(zhuǎn)用只能控制微鏡處于全開(kāi)和全關(guān)位置上的數(shù)字控制系統(tǒng)?；叶?由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控希U，其中P麗通過(guò)控制開(kāi)態(tài)時(shí)間來(lái)獲得中間態(tài)亮度，即 灰度。相反，本發(fā)明的圖像顯示系統(tǒng)對(duì)電極施加模擬互補(bǔ)電壓，以模擬量控制振蕩 中心角度。正如以下將要解釋的，對(duì)灰度的模擬控制得以實(shí)現(xiàn)。
圖9顯示了本發(fā)明實(shí)施例的電路的例子。提供兩根位-線(170-1和170-2) 來(lái)控制兩個(gè)FET，即分別獨(dú)立地控制FET-l和FET-2。位線如160所示。當(dāng)位線為 開(kāi)時(shí)，位-線170-l的信號(hào)電壓被傳遞到電極-l上，如120-1所示，位-線170-2 的信號(hào)電壓被傳遞到電極-2，即電極120-2上。字-線關(guān)閉后，由于分別顯示為電 容185-1和電容185-2的電容Cap-l和Cap-2，電極上的電壓得以保持。
在鏡面處于開(kāi)態(tài)或關(guān)態(tài)位置后，當(dāng)對(duì)兩個(gè)電極施加零至保持-電壓之間的電壓， 即電壓低于拉動(dòng)電壓時(shí)，微鏡如圖10所示振蕩。當(dāng)對(duì)兩個(gè)電極都施加零電壓時(shí)， 微鏡在開(kāi)態(tài)(600)位置附近或關(guān)態(tài)(601)位置附近振蕩。根據(jù)仿真， 一個(gè)F2.8 透鏡系統(tǒng)200微秒內(nèi)的累積反射比約為29%。當(dāng)施加到電極上的電壓發(fā)生改變，微 鏡沿中心振蕩角度連續(xù)振蕩時(shí)，累積反射比發(fā)生變化。圖IIA和IIB顯示了對(duì)左邊 電極施加零電壓，對(duì)右邊電極施加近保持-電壓時(shí)的仿真結(jié)果。圖11A所示曲線
(620)代表了鏡面從關(guān)態(tài)位置被釋放時(shí)鏡面的運(yùn)動(dòng)。圖IIB所示曲線(621)代 表了鏡面從開(kāi)態(tài)位置被釋放時(shí)鏡面的運(yùn)動(dòng)。鏡面不再在開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)位置之間，而是 在中間態(tài)位置和關(guān)態(tài)位置附近之間運(yùn)動(dòng)。除了偏轉(zhuǎn)角度，速度也發(fā)生了變化，在關(guān) 態(tài)位置附近變慢，在中間態(tài)位置變快。累計(jì)反射比約為0.2%，小于1/256。圖12A
(630)和12B (631)顯示了當(dāng)微鏡被控制在接近全開(kāi)角向的振蕩中心角度振蕩時(shí) 與11相反的情況。對(duì)右邊電極施加接近保持-電壓的電壓，對(duì)左邊電極施加零電壓。 200微秒內(nèi)的累積反射比約為60%。因此，通過(guò)改變低于"保持-電壓"的驅(qū)動(dòng)電壓， 可以通過(guò)模擬方式連續(xù)控制反射比處于0. 2%至60%之間，這是因?yàn)檎袷幹行慕嵌瓤?變，這點(diǎn)不同于傳統(tǒng)觀念，后者微鏡只能被控制處于固定的角度，即全-開(kāi)和/或全 -關(guān)位置附近，微鏡僅具有"鏡面控制的數(shù)字性"。
根據(jù)圖11A至12B，通過(guò)控制微鏡振蕩中心角度，亮度的可控范圍可以足夠大， 能夠覆蓋要求的1/2、 1/4、 1/8、 1/16、 1/32、 1/64、 1/128和1/256亮度等級(jí)。高清視頻光碟的格式得以標(biāo)準(zhǔn)化，引入了 16-位灰度用于存儲(chǔ)和處理。本發(fā)明將為該 要求提供解決方案。
圖13顯示了本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)例子。前面的例子中使用了兩根位-線，但 本驅(qū)動(dòng)電路中使用了單一位-線204，這對(duì)緊湊和更小的微鏡非常重要。輸入信號(hào) 為由自位-線204提供的模擬信號(hào)。該模擬信號(hào)具有至少兩個(gè)及以上的電壓等級(jí)， 理論上可以具有無(wú)限的電壓等級(jí)。FET (206)將輸入電壓轉(zhuǎn)移到電容(209)和電 極(202)上。兩個(gè)FET (207、 208)將電壓(202)反相，為電極(201)提供該 互補(bǔ)電壓，其中電極-l和電極-2上電壓的和近似為常數(shù)。通過(guò)對(duì)電極201和202
施加不同的電壓，本發(fā)明獲得了幾乎為模擬級(jí)別的灰度。
圖14顯示了如圖13所示電路的仿真分析結(jié)果。位-線上的電壓如線(300)所 示。電壓在三個(gè)不同的等級(jí)，例如OV (301B) 、 2.3V (301A)和5V (301C)之間 變化。如圖14C和14D所示分別為加在某個(gè)電極上的電壓。兩個(gè)電極上的電壓互補(bǔ)。 該電路可以通過(guò)單一位-線為兩個(gè)電極提供開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)電壓之間任意等級(jí)的互補(bǔ)電 壓，這對(duì)小的和緊湊的微鏡非常有利。
如圖13所示電路提供的互補(bǔ)電壓的例子。施加到兩個(gè)電極上的兩個(gè)電壓的接 觸電壓之和為5伏，此時(shí)控制微鏡沿不同振蕩中心角度振蕩，從而產(chǎn)生與微鏡振蕩 中心角度的角向相對(duì)應(yīng)的反射光的不同等級(jí)。因此，通過(guò)本發(fā)明提出的方法，獲得 了對(duì)圖像顯示系統(tǒng)中灰度的模擬控制。
本發(fā)明如上所述，揭露了一在圖像顯示系統(tǒng)中一種控制微鏡的方法，這方法包 括第一個(gè)步驟:分別對(duì)上述微鏡附近第一和第二電極施加第一電壓和第二電壓來(lái)控 制振蕩中心角度，其中上述微鏡在上述振蕩中心角度附近振蕩；及第二個(gè)步驟:用 模擬變化量控制上述第一和第二電壓，以控制上述振蕩中心角度，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬 角度變化，從而控制與上述振蕩中心角度的上述模擬角度變化量相對(duì)應(yīng)的模擬亮度 變化的微鏡反射的亮度。另一個(gè)實(shí)施例中上述第一和第二電極施加上述第一和第二 電壓的上述步驟，進(jìn)一步包括對(duì)上述第二電極施加上述第二電壓的步驟，其中第二 電壓以施加到上述第一電極的第一電壓為函數(shù)。另一個(gè)實(shí)施例中上述第一和第二電 極施加上述第一和第二電壓的上述步驟，進(jìn)一步包括對(duì)上述第二電極施加上述第二 電壓的步驟，其中第二電壓與施加到上述第一電極的第一電壓互補(bǔ)。另一個(gè)實(shí)施例 中上述第一和第二電極施加上述第一和第二電壓的上述步驟，進(jìn)一步包括首先施加 拉動(dòng)電壓(V-拉動(dòng))將上述微鏡拉動(dòng)至最大角向(牟max)，然后對(duì)上述第一和第 二電極施加低于保持-電壓(Vh)的電壓的步驟，其中上述最大角向(口ax)為全 開(kāi)或全關(guān)角向。另一個(gè)實(shí)施例中，更包涵了一個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)施加大于上述拉動(dòng)電壓 (V-拉動(dòng))的60%的上述保持電壓(V保持)的電壓控制系統(tǒng)。另一個(gè)實(shí)施例中， 更包涵了一個(gè)步驟調(diào)整上述鏡面和上述拉動(dòng)位置之間的間隙以及上述電極的表面，其中施加到上述電極的上述保持-電壓(V保持)高于上述拉動(dòng)電壓(V拉動(dòng)) 的60%。另一個(gè)實(shí)施例中，其中控制上述微鏡的上述步驟是一個(gè)控制上述微鏡處于 最大角度的步驟，為了投射高于全光強(qiáng)l/3的反射光，上述微鏡的上述振蕩中心角 接近全開(kāi)角向。另一個(gè)實(shí)施例中，其中控制上述微鏡的上述步驟是一個(gè)控制上述微 鏡處于約-12度最大角度的步驟，為了投射低于全光強(qiáng)l/4的反射光，上述微鏡的 上述振蕩中心角接近全關(guān)角向。另一個(gè)實(shí)施例中，其中分別對(duì)上述第一和第二電極 施加上述第一和第二電壓的上述步驟進(jìn)一步包括分別對(duì)上述第一和第二電極施加 零伏和保持電壓(Vh)之間的電壓V1和V2，其中0〈V1， V2〈Vh的步驟，用以保持 中心微鏡振蕩角處于中間態(tài)角向，從模擬量來(lái)控制來(lái)自上述微鏡的反射。另一個(gè)實(shí) 施例中更包涵了一個(gè)步驟:調(diào)整上述圖像顯示系統(tǒng)的投影孔徑，以調(diào)整F-值來(lái)獲得 上述反射光的反射比的指定值。
本發(fā)明如上所述另一實(shí)施例中，揭露了一在圖像顯示系統(tǒng)中一種控制微鏡的一 種控制微鏡的方法，這方法包括至少對(duì)上述微鏡附近的第一電極施加電壓來(lái)控制振 蕩中心角度，其中上述微鏡在上述振蕩中心角度附近振蕩。這方法更包含另一步驟 用模擬變化控制上述電壓，以控制上述振蕩中心角度，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬角度變化， 從而控制具有模擬亮度變化、與上述振蕩中心角度的上述模擬角度變化相對(duì)應(yīng)的微 鏡反射的亮度。
本發(fā)明如上所述，揭露了一個(gè)由可動(dòng)微鏡陣列組成的圖像顯示系統(tǒng)，陣列中每 個(gè)微鏡都被鏡面控制系統(tǒng)控制，在全-開(kāi)和全-關(guān)角向間振蕩，其中上述微鏡控制系 統(tǒng)進(jìn)一步包括至少兩個(gè)電極，其上分別施加模擬級(jí)別的第一和第二電壓，以通過(guò)對(duì) 應(yīng)于施加到上述第一和第二電極上的上述第一和第二電壓的上述模擬級(jí)別來(lái)控制 每個(gè)上述微鏡在上述全-開(kāi)和全-關(guān)角向之間的振蕩中心角度附近振蕩。另一實(shí)施例 中，圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制以上述施加到第一電極上的上述第一電壓為函數(shù) 的施加到上述第二電極上的上述第二電壓的電壓控制器。另一實(shí)施例中，圖像顯示 系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制與施加到上述第一電極上的上述第一電壓互補(bǔ)的施加到上述 第二電極上的上述第二電壓的電壓控制器。另一實(shí)施例中，圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包 括一個(gè)用于接收來(lái)自每個(gè)上述微鏡的反射光的投影透鏡，其中微鏡通過(guò)對(duì)應(yīng)于上述 振蕩中心角度的上述模擬角度級(jí)別的控制，響應(yīng)施加到上述電極的上述電壓，在上 述中心振蕩角附近振蕩。另一實(shí)施例中，圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括一系列控制每個(gè) 上述微鏡附近的每個(gè)上述電極的一系列字-線和位-線。另一實(shí)施例中，其中位于每 個(gè)上述微鏡附近的上述兩個(gè)電極由一根字-線和一對(duì)位-線控制。另一實(shí)施例中，其 中位于每個(gè)上述微鏡附近的上述兩個(gè)電極由一根字-線和一對(duì)具有互補(bǔ)或相反的相 關(guān)電壓的位-線控制。另一實(shí)施例中，其中一個(gè)電壓控制器，它對(duì)上述第一和第二 電極首先施加拉電壓(V-拉動(dòng))拉動(dòng)上述微鏡至最大角向(口ax)，然后施加低于保持-電壓(Vh)的電壓，其中上述最大角向(口ax)為全開(kāi)或全關(guān)角向。另一實(shí) 施例中，其中上述電壓控制器施加高于上述拉電壓(V拉動(dòng))60%的上述保持電壓 (V保持)。另一實(shí)施例中，其中上述電壓控制器控制上述微鏡處于接近正12度 的最大角，上述微鏡的上述振蕩中心角度接近全開(kāi)角向，以投射高于全光強(qiáng)V3的 反射光。另一實(shí)施例中，其中上述電壓控制器控制上述微鏡處于接近負(fù)12度的最 大角，上述微鏡的上述振蕩中心角度接近全關(guān)角向，以投射低于全光強(qiáng)1/4的反射 光。另一實(shí)施例中，其中上述電壓控制器分別對(duì)上述第一和第二電極施加零伏和保 持-電壓(Vh)之間的電壓V1和V2，其中0〈V1， V2〈Vh的步驟，用以保持中心微
鏡振蕩角處于中間態(tài)角向，從模擬級(jí)別來(lái)控制來(lái)自上述微鏡的反射。另一實(shí)施例中， 其中上述投影透鏡具有產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于上述反射光的反射比指定值的F-值的孔徑。另 一實(shí)施例中，其中上述微鏡和上述第一和上述第二電極具有鏡面-電極間隙，以產(chǎn) 生大于上述拉電壓(V拉動(dòng))60%的上述保持電壓(V保持)。
本發(fā)明如上所述，揭露了一個(gè)由可動(dòng)微鏡陣列組成的圖像顯示系統(tǒng)，陣列中每 個(gè)微鏡都被鏡面控制系統(tǒng)控制，在全-開(kāi)和全-關(guān)角向間振蕩，其中上述微鏡控制系 統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)電極，其上施加有模擬級(jí)別的第一和第二電壓，以通過(guò)對(duì)應(yīng)于施 加到上述電極的上述第一和第二電壓的上述模擬級(jí)別來(lái)控制每個(gè)上述微鏡在上述 全開(kāi)和全關(guān)角向之間的振蕩中心角度附近振蕩。
如前所示，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓，可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)地改變反射比，這對(duì)控 制灰度非常重要，進(jìn)而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活性。
盡管對(duì)本發(fā)明所作的描述是通過(guò)目前推薦的方案，但是可以知道，在此所作的 披露不應(yīng)解釋成是有限制的。那些對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)嫻熟的工作者，在讀過(guò)以上披露后， 無(wú)疑會(huì)作出多種多樣的修改與替換。因而可以期望，以下附加的諸項(xiàng)權(quán)利要求應(yīng)解 釋為涵蓋所有那些屬于本發(fā)明領(lǐng)域并符合本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)的替換與修改。
權(quán)利要求
1.圖像顯示系統(tǒng)中微鏡的一種控制方法，包括分別對(duì)上述微鏡附近第一和第二電極施加第一電壓和第二電壓來(lái)控制振蕩中心角度，其中上述微鏡在上述振蕩中心角度附近振蕩；用模擬變化量控制上述第一和第二電壓，以控制上述振蕩中心角度，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬角度變化，從而控制與上述振蕩中心角度的上述模擬角度變化量相對(duì)應(yīng)的模擬亮度變化的微鏡反射的亮度。
2. 如權(quán)利要求1所述方法，其中上述第一和第二電極施加上述第一和第二電 壓的上述步驟，進(jìn)一步包括對(duì)上述第二電極施加上述第二電壓的步驟，其中第二電 壓以施加到上述第一電極的第一電壓為函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述方法，其中上述第一和第二電極施加上述第一和第二電 壓的上述步驟，進(jìn)一步包括對(duì)上述第二電極施加上述第二電壓的步驟，其中第二電 壓與施加到上述第一電極的第一電壓互補(bǔ)。
4. 如權(quán)利要求1所述方法，其中上述第一和第二電極施加上述第一和第二電壓的上述步驟，進(jìn)一步包括首先施加拉動(dòng)電壓(v-拉動(dòng))將上述微鏡拉動(dòng)至最大角 向(9max)，然后對(duì)上述第一和第二電極施加低于保持-電壓(Vh)的電壓的步驟， 其中上述最大角向(0max)為全開(kāi)或全關(guān)角向。
5. 如權(quán)利要求4所述方法進(jìn)一步包括實(shí)現(xiàn)施加大于上述拉動(dòng)電壓(V-拉動(dòng)) 的60%的上述保持電壓(V保持)的電壓控制系統(tǒng)。
6. 如權(quán)利要求5所述方法進(jìn)一步包括調(diào)整上述鏡面和上述拉動(dòng)位置之間的間 隙以及上述電極的表面，其中施加到上述電極的上述保持-電壓(V保持)高于上 述拉動(dòng)電壓(V拉動(dòng))的60%。
7. 如權(quán)利要求2所述方法，其中控制上述微鏡的上述步驟是一個(gè)控制上述微 鏡處于最大角度的步驟，為了投射高于全光強(qiáng)l/3的反射光，上述微鏡的上述振蕩 中心角接近全開(kāi)角向。
8. 如權(quán)利要求2所述方法，其中控制上述微鏡的上述步驟是一個(gè)控制上述微 鏡處于約-12度最大角度的步驟，為了投射低于全光強(qiáng)l/4的反射光，上述微鏡的 上述振蕩中心角接近全關(guān)角向。
9.如權(quán)利要求4所述方法，其中分別對(duì)上述第一和第二電極施加上述第一和 第二電壓的上述步驟進(jìn)一步包括分別對(duì)上述第一和第二電極施加零伏和保持電壓 (Vh)之間的電壓V1和V2，其中0〈V1， V2〈Vh的步驟，用以保持中心微鏡振蕩角 處于中間態(tài)角向，從模擬量來(lái)控制來(lái)自上述微鏡的反射。
10.如權(quán)利要求4所述方法進(jìn)一步包括調(diào)整上述圖像顯示系統(tǒng)的投影孔徑，以調(diào)整F-值來(lái)獲得上述反射光的反射比的指定值。
11. 圖像顯示系統(tǒng)中微鏡的一種控制方法，包括至少對(duì)上述微鏡附近的第一 電極施加電壓來(lái)控制振蕩中心角度，其中上述微鏡在上述振蕩中心角度附近振蕩。用模擬變化控制上述電壓，以控制上述振蕩中心角度，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬角度變 化，從而控制具有模擬亮度變化、與上述振蕩中心角度的上述模擬角度變化相對(duì)應(yīng) 的微鏡反射的亮度。
12. —個(gè)由可動(dòng)微鏡陣列組成的圖像顯示系統(tǒng)，陣列中每個(gè)微鏡都被鏡面控制 系統(tǒng)控制，在全-開(kāi)和全-關(guān)角向間振蕩，其中上述微鏡控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少 兩個(gè)電極，其上分別施加模擬級(jí)別的第一和第二電壓，以通過(guò)對(duì)應(yīng)于施加到上述第 一和第二電極上的上述第一和第二電壓的上述模擬級(jí)別來(lái)控制每個(gè)上述微鏡在上述全-開(kāi)和全-關(guān)角向之間的振蕩中心角度附近振蕩。
13. 如權(quán)利要求12所述圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制以上述施加到第一電極 上的上述第一電壓為函數(shù)的施加到上述第二電極上的上述第二電壓的電壓控制器。
14. 如權(quán)利要求12所述圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括:控制與施加到上述第一電極 上的上述第一電壓互補(bǔ)的施加到上述第二電極上的上述第二電壓的電壓控制 器。
15. 如權(quán)利要求12所述圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括 一個(gè)用于接收來(lái)自每個(gè)上述 微鏡的反射光的投影透鏡，其中微鏡通過(guò)對(duì)應(yīng)于上述振蕩中心角度的上述模擬角度 級(jí)別的控制，響應(yīng)施加到上述電極的上述電壓，在上述中心振蕩角附近振蕩。
16. 如權(quán)利要求8所述圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括 一系列控制每個(gè)上述微鏡附 近的每個(gè)上述電極的一系列字-線和位-線。
17. 如權(quán)利要求12所示圖像顯示系統(tǒng)，其中位于每個(gè)上述微鏡附近的上述兩 個(gè)電極由一根字-線和一對(duì)位-線控制。
18. 如權(quán)利要求12所示圖像顯示系統(tǒng)，其中位于每個(gè)上述微鏡附近的上述兩 個(gè)電極由一根字-線和一對(duì)具有互補(bǔ)或相反的相關(guān)電壓的位-線控制。
19. 如權(quán)利要求12所述圖像顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括 一個(gè)電壓控制器，它對(duì)上述第一和第二電極首先施加拉電壓(V-拉動(dòng))拉動(dòng)上述微鏡至最大角向(emax)， 然后施加低于保持-電壓(Vh)的電壓，其中上述最大角向(emax)為全開(kāi)或全關(guān) 角向。
20. 如權(quán)利要求19所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述電壓控制器施加高于上述拉 電壓(V拉動(dòng))60%的上述保持電壓(V保持)。
21. 如權(quán)利要求19所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述電壓控制器控制上述微鏡處 于接近正12度的最大角，上述微鏡的上述振蕩中心角度接近全開(kāi)角向，以投射高 于全光強(qiáng)l/3的反射光。
22. 如權(quán)利要求19所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述電壓控制器控制上述微鏡處于接近負(fù)12度的最大角，上述微鏡的上述振蕩中心角度接近全關(guān)角向，以投射低于全光強(qiáng)l/4的反射光。
23. 如權(quán)利要求19所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述電壓控制器分別對(duì)上述第一 和第二電極施加零伏和保持-電壓(Vh)之間的電壓V1和V2，其中0〈V1， V2< Vh 的步驟，用以保持中心微鏡振蕩角處于中間態(tài)角向，從模擬級(jí)別來(lái)控制來(lái)自上述微 鏡的反射。
24. 如權(quán)利要求15所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述投影透鏡具有產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于上 述反射光的反射比指定值的F-值的孔徑。
25. 如權(quán)利要求15所示圖像顯示系統(tǒng)，其中上述微鏡和上述第一和上述第二 電極具有鏡面-電極間隙，以產(chǎn)生大于上述拉電壓(V拉動(dòng))60%的上述保持電壓(V 保持)。
26. —個(gè)由可動(dòng)微鏡陣列組成的圖像顯示系統(tǒng)，陣列中每個(gè)微鏡都被鏡面控制 系統(tǒng)控制，在全-開(kāi)和全-關(guān)角向間振蕩，其中上述微鏡控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè) 電極，其上施加有模擬級(jí)別的第一和第二電壓，以通過(guò)對(duì)應(yīng)于施加到上述電極的上 述第一和第二電壓的上述模擬級(jí)別來(lái)控制每個(gè)上述微鏡在上述全開(kāi)和全關(guān)角向之 間的振蕩中心角度附近振蕩。
全文摘要
一個(gè)由可動(dòng)微鏡陣列組成的圖像顯示系統(tǒng)，其中每個(gè)微鏡都被鏡面控制系統(tǒng)控制，在全-開(kāi)和全-關(guān)位置之間振蕩。微鏡控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)電極，其上施加模擬量的電壓，通過(guò)對(duì)應(yīng)電極上施加上述模擬量的電壓，控制每個(gè)微鏡大體在全開(kāi)和全關(guān)角向之間的振蕩中心角度附近振蕩。因此，這些微鏡中的每一個(gè)反射的亮度可以通過(guò)模擬量的控制，從而根據(jù)該模擬量產(chǎn)生相應(yīng)的灰度級(jí)別。
文檔編號(hào)G09G5/02GK101611467SQ200680056421
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者石井房雄 申請(qǐng)人:石井房雄