專利名稱：二軸反射鏡選色微反射鏡成像器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及投影系統(tǒng)，更具體地，涉及用于包括微型顯示器的投影系統(tǒng)的濾色器。
背景技術(shù)：
采用如數(shù)字光處理器(DO5 ) (Texas Instruments)成像器的反射光引擎或成像器的微型顯示器投影系統(tǒng)，日益應(yīng)用在彩色成像或視頻投影裝置(例如，背投電視(RPTV)、家庭影院正面投影TV和影院系統(tǒng))中。在現(xiàn)有的投影系統(tǒng)中，如圖l所示，提供光源10,在這里是UHP燈，并產(chǎn)生白光(即全彩色光譜)。來(lái)自光源10的光通過(guò)色輪(color wheel) 20,該色輪20具有多個(gè)二向色濾光元件(dichroic filtering elements),每個(gè)二向色濾光元件允許藍(lán)、綠或紅之一的光帶通過(guò)，并反射其它顏色的光。旋轉(zhuǎn)色輪20以使得藍(lán)、綠或紅的光帶的時(shí)間圖案(temporal pattern)通過(guò)色輪。通常，色輪旋轉(zhuǎn)得足夠快，以在視頻圖像的每幀期間對(duì)每個(gè)原色產(chǎn)生至少一個(gè)原色周期。
積分儀30接收來(lái)自光源10的被允許通過(guò)色輪20的光帶，并通過(guò)中繼光學(xué)器件40將該光帶引入全內(nèi)反射(TIR)棱鏡50。 TIR棱鏡50反射該光帶到諸如DLP成像器的成像器60上。成像器調(diào)制光束的各像素的強(qiáng)度，并將它們反射回去通過(guò)TIR棱鏡50進(jìn)入投影透鏡系統(tǒng)70。在DLP中，只有閃光頻率(flash rate )和閃光寬度(flash width)被調(diào)制以給出強(qiáng)度調(diào)制的效果。在LCD和LCOS中，直接調(diào)制強(qiáng)度。投影透鏡系統(tǒng)70將光像素聚焦在屏幕(未示出)上，以形成可觀看的圖像。由每個(gè)都為三色(藍(lán)、綠和紅)的快速連貫的像素矩陣形成彩色視頻圖像，由觀看者的眼晴混合而形成全色圖像。
本說(shuō)明書通篇與現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)踐一樣，術(shù)語(yǔ)像素用于表示圖像、光傳輸所對(duì)應(yīng)的部分以及成像器產(chǎn)生光傳輸?shù)牟糠值男〉膮^(qū)域或者點(diǎn)。
DLP成像器60包括微反射鏡矩陣，其在反射光通過(guò)TIR棱鏡50并進(jìn)入投影透鏡系統(tǒng)70的角度和使光偏轉(zhuǎn)而不被投影透鏡系統(tǒng)70投射的角度之間可移動(dòng)。每個(gè)微反射鏡都根據(jù)特定微反射鏡的連續(xù)閃光而反射期望強(qiáng)度的光
的像素，該特定微反射鏡的連續(xù)閃光依次響應(yīng)于寫入DLP成像器60的視頻 信號(hào)。因此，在DLP成像器60中，成像器的每個(gè)微反射鏡或者像素都根據(jù) 輸入給成像器或者光引擎的灰度級(jí)因子(gray-scale factor)調(diào)制入射其上的 光，以形成不連續(xù)調(diào)制的光信號(hào)或者像素的矩陣。
迄今，對(duì)于投影圖像的每個(gè)像素采用一個(gè)微反射鏡，并且方形鏡的陣列 柵格平行于圖像的邊緣排列。然而，采用Smooth Picture (平滑圖像)(德 州儀器，Texas Instruments )技術(shù)，微反射鏡陣列的柵格相對(duì)于圖像邊緣旋轉(zhuǎn) 45度，并且各像素呈現(xiàn)為菱形。于是，通過(guò)可移動(dòng)的光學(xué)組件(反射鏡或透 鏡)偏移通過(guò)這樣陣列所形成的圖像，以呈現(xiàn)在以方形4象素對(duì)角線的一半偏 移的兩個(gè)連續(xù)位置處。在每個(gè)連續(xù)圖像中顯示圖片細(xì)節(jié)的一半。這使得分辨 率兩倍于微反射鏡的數(shù)量?？梢詼p少微反射鏡的數(shù)量，以使低成本成像器用 于低端投影儀而保持分辨率。對(duì)于高端產(chǎn)品(數(shù)字影院或者高端電視產(chǎn)品)， 反射鏡的數(shù)量可以保持很高，并且分辨率可以加倍。
使用色4侖引入了稱為"彩虹效應(yīng)(Rainbow Effect)"的視覺偽影(visual artifact)。因?yàn)轭伾来伍W光，所以在高達(dá)每秒800度的速率的快速眼動(dòng)(眼 球快速轉(zhuǎn)動(dòng))期間，靜止物體在顯示器上的顏色將在人眼的視網(wǎng)膜上分離。 大腦將該分離感知為物體的具有不同亮度的多原色圖像。視覺系統(tǒng)的亮度帶 寬很寬，但是也有低通特性(low pass characteristic )。隨著顏色閃光速度的 增加，視網(wǎng)膜成像的角度分離降低，并且對(duì)亮度變化的敏感性降低。當(dāng)顏色 閃光在約每秒3000次以上時(shí)，呈現(xiàn)為同化現(xiàn)象并且彩虹圖像融合。當(dāng)前的 單一成像器DLPTM系統(tǒng)以低于每秒1000顏色閃光而運(yùn)行，從而可見彩虹效
應(yīng)。 .
顏色閃光速度是難于增加的，這是因?yàn)槲⒎瓷溏R的物理質(zhì)量限定了最大 的關(guān)-開-關(guān)(off-on-off)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)(flip time),其設(shè)定了沒有使用抖動(dòng) (dithering )時(shí)數(shù)字灰度的最低有效單元(least significant unit )。對(duì)于家用電 視投影儀中采用的8位灰度范圍，最大閃光次數(shù)為大于255次。對(duì)于Smooth Picture ,每個(gè)顏色每16.6mS成像必須照亮每個(gè)微反射鏡至少兩次。通過(guò) 增加色輪段的數(shù)量來(lái)分布閃光，以增加閃光速率到每8.33mS 6或9次閃光 或者每秒720至1075次閃光。
然而，現(xiàn)有的DLP成像器遇到幾個(gè)問(wèn)題。色輪浪費(fèi)光，這是因?yàn)榫哂斜簧喎瓷涞念伾墓獾湫偷乇粨p耗。其次，如上所述，顏色分離或者分離
偽影(break-up artifact)降低了投影系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。因此，需要減少顏色 分離或者分離偽影和/或提高分辨率的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)具有二軸反射鏡陣列的可控反射裝置，二軸反射鏡能夠至少 在四個(gè)方向樞轉(zhuǎn)。至少三原色的光束沿四個(gè)樞轉(zhuǎn)方向中的三個(gè)的每個(gè)二軸反
射鏡被引導(dǎo)， 一個(gè)方向?qū)?yīng)一個(gè)原色光束，并且單一顏色的光束,皮反射且^皮 引向投影透鏡。在第四樞轉(zhuǎn)方向上，沒有顏色光束引導(dǎo)到投影透鏡，從而投 影黑色。本反射裝置用于采用發(fā)光二極管(LED)或者泛光束激光器(flood beam laser)光源而不是色輪的系統(tǒng)，這是因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)包括可相對(duì)于反 射平面設(shè)置在適當(dāng)角度的多個(gè)光源。
該微反射鏡陣列的每個(gè)微反射鏡通過(guò)扭轉(zhuǎn)樞軸被軛支撐，該軛由第二共 面垂直扭轉(zhuǎn)樞軸附著到反射鏡陣列支撐物。反射鏡和軛電導(dǎo)通至反射鏡陣列 支撐物上的被所有反射鏡/軛組件共享的公共節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)反射鏡/軛組件的 下面，反射鏡陣列支撐物具有彼此電隔離并與反射鏡/軛組件電隔離的四個(gè)板 區(qū)域。響應(yīng)于來(lái)自集成在反射鏡陣列支撐物上的驅(qū)動(dòng)器開關(guān)的電信號(hào)，成對(duì) 驅(qū)動(dòng)的這些板區(qū)域選擇性提供相對(duì)于公共節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)。該電場(chǎng)吸引反射鏡和 軛，以利于反射鏡/輒組件運(yùn)動(dòng)到期望的反射狀態(tài)。


現(xiàn)在，將參考附圖描述本發(fā)明，其中
圖1示出了現(xiàn)有數(shù)字光脈沖(DLP)投影系統(tǒng)的示意圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的投影系統(tǒng)的示意圖3A-3D示出了四個(gè)樞轉(zhuǎn)位置上的示范性二軸微反射鏡；
圖4示出了本發(fā)明微反射鏡的一個(gè)實(shí)施例；和
圖5A-5D示出了圖4所示微反射鏡的四個(gè)樞轉(zhuǎn)位置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供彩色投影系統(tǒng)，例如用于電視顯示器，其通過(guò)單一微反射鏡 成像裝置產(chǎn)生顏色，其顏色選自從多個(gè)角度接近成像器的多個(gè)原色束。圖2是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的投影系統(tǒng)的示意圖。三原色光的光源
R、 G、 B分別設(shè)置為給成像器100提供紅、藍(lán)和綠光束。來(lái)自成像器100的圖像經(jīng)由投影透鏡200提供給屏幕300。
成像器是數(shù)字微反射鏡裝置(DMD),包括微反射4竟的陣列(未示出)。該陣列的每個(gè)微反射鏡都是二軸微反射鏡。二軸微反射4竟110具有多個(gè)數(shù)字位置(digital position),如圖3A-3D所示，從而來(lái)自顏色光源R、 G、 B的光輸出到投影透鏡300上。反射鏡的至少一個(gè)數(shù)字位置反射為黑暗的(reflectdarkness )。圖3A-3D分別示出了在各數(shù)字位置上的示范性微反射鏡110以及紅、綠或藍(lán)之一或者黑暗的選擇。
微反射鏡110的示范性實(shí)施例如圖4所示。微反射鏡110通過(guò)附著到陣列支撐物150的軛120連接。反射鏡扭轉(zhuǎn)樞軸125將微反射鏡110連接到軛120,并且扼扭轉(zhuǎn)樞軸135將軛120連接到陣列支撐物150。微反射鏡110繞反射鏡扭轉(zhuǎn)樞軸125樞轉(zhuǎn)，從而孩i反射鏡110以相對(duì)于軛120上表面的法線的角度運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)示例中，微反射鏡可以相對(duì)于軛120上表面的法線運(yùn)動(dòng)+A12度。另外，軛120可以借助于軛扭轉(zhuǎn)樞軸135以相對(duì)于支撐物150表面的法線的角度運(yùn)動(dòng)。這里再一次地，軛120可以相對(duì)于支撐物150表面的法線運(yùn)動(dòng)+/-12度。
反射鏡樞軸125和軛樞軸135彼此垂直且在相同的平面中。這使微反射鏡110繞兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)到四個(gè)位置，如圖3A-3D所示。
反射鏡樞軸125和軛樞軸135 二者都是導(dǎo)電扭轉(zhuǎn)桿。反射鏡110和軛120也都是導(dǎo)電的，并且連接到支撐150上的公共節(jié)點(diǎn)。支撐150表面上的四個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電板區(qū)域300、 400、 500、 600位于微反射鏡110的四個(gè)角下面。板區(qū)域300、 400、 500、 600用作吸引電容板。在一個(gè)實(shí)施例中，板區(qū)域300、400、 500、 600成對(duì):搡作。例如，兩個(gè)板300、 500操:作扼，而兩個(gè)板400、600操作反射鏡，使得反射鏡110的四個(gè)邊緣之一被朝著支撐150表面選擇性吸引而選擇顏色或黑暗，如圖3A-3D所示。
三原色紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)的光束從兩倍于反射鏡偏轉(zhuǎn)角的角度引向反射鏡110表面。每個(gè)光束都從不同的方向進(jìn)入，如圖3A-3D所示。在一個(gè)實(shí)施例中，三原色每一個(gè)的光束可以以約24度的角度引向反射鏡表面，該角度是+/-12度的反射鏡偏轉(zhuǎn)角的兩倍。
參考圖5A-5D,在選擇顏色或黑暗時(shí)，導(dǎo)電板區(qū)域300、 400、 500、 600
6中的兩個(gè)是相對(duì)于連接反射鏡/軛結(jié)構(gòu)的公共節(jié)點(diǎn)是中性的(N),并且導(dǎo)電
板區(qū)域300、 400、 500、 600中的兩個(gè)相對(duì)于反射鏡110和軛120的電勢(shì)是激活的(active) ( + )。激活的(+ )板吸引軛120和反射鏡110。實(shí)際的電壓可以相對(duì)于反射鏡110和軛120為正或負(fù)。來(lái)自電壓差的場(chǎng)提供吸引。在導(dǎo)電板區(qū)域300、 400、 500、 600與反射鏡110和軛120之間產(chǎn)生大的電場(chǎng)的能力提供快速的反射鏡位置轉(zhuǎn)換速度。
反射鏡與軛之間的電荷差產(chǎn)生其間的電場(chǎng)，電場(chǎng)的強(qiáng)度與反射鏡與軛之間的電壓成比例。該電場(chǎng)尋求最小化板區(qū)域之間的距離。移動(dòng)二軸反射鏡的過(guò)程涉及反射鏡與彼此相鄰的成對(duì)控制板之間的電壓差，如圖5A-5D所示。因?yàn)閮蓚€(gè)軸在方形鏡下是對(duì)角的，所以這引起四個(gè)反射鏡邊緣之一盡可能靠近安裝表面?？刂瓢迳系腘表示沒有相對(duì)于反射鏡的電壓差。促進(jìn)吸引的電壓脈沖可以通過(guò)集成在反射鏡下面的硅中的驅(qū)動(dòng)器施加給控制板。
反射鏡扭轉(zhuǎn)樞軸125和軛扭轉(zhuǎn)樞軸135提供恢復(fù)力，在沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，將反射鏡IIO返回到平行于支撐150表面的中性狀態(tài)。在成像器操作期間，扭轉(zhuǎn)樞軸的恢復(fù)不是顯著的因素。
在"眼球快速轉(zhuǎn)動(dòng)"期間，人的視網(wǎng)膜上的點(diǎn)可以以高達(dá)800度/秒改變位置。如果顏色采樣沒有足夠快地提供融合，即<0.27度/采樣，則顏色分離的多個(gè)圖像將被看到三原色的著色。該彩虹效應(yīng)的防止要求顏色閃光必須非?？旎蛘卟煌念伾泊媲揖鶆蚍植?，從而可以空間地產(chǎn)生顏色融合。這里描述的微反射鏡陣列可以以像素水平選擇多個(gè)顏色，并且與色輪相比可以顯著地增加顏色閃光速度。這里描述的微反射鏡陣列還可以在空間采樣的顯示器上呈現(xiàn)顏色。
在一個(gè)實(shí)施例中，例如，釆用Smooth Picture (平滑圖像)技術(shù)的菱形像素，垂直時(shí)幀(vertical time frame)分成兩半， 一半對(duì)應(yīng)于一個(gè)平滑圖像的圖像。然后，每半幀時(shí)分成一個(gè)或多個(gè)子幀周期。每個(gè)子幀周期可以保持最大量的最小有效閃光(LSF， Least Significant Flashes )。 一個(gè)LSF是在微反射鏡的機(jī)械能力內(nèi)的最快閃光。由反射鏡閃光產(chǎn)生的亮度是LSF的線性總和。人眼要求基于日志的(log-based)亮度增加，以對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行伽馬校正(gamma corrected )。
圖像越黑的部分需要越精細(xì)的步長(zhǎng)。顏色選擇微反射鏡可以轉(zhuǎn)換顏色(即黑-顏色-黑或者顏色1-顏色2-顏色1 )，并且以類似單軸微反射鏡的LSF(黑_光_黑)的速率產(chǎn)生LSF。這樣的設(shè)置使得閃光對(duì)于光源的顏色峰值為 時(shí)間定制的，以產(chǎn)生給定色溫(color temperature )的白色。在一個(gè)實(shí)施例中， 給定的光源可以產(chǎn)生所希望的白色(具有61%綠、31%紅和8°/。藍(lán))，從而深 灰可以是8LSF綠+4LSF紅+1LSF藍(lán)。這是"白包(white packet)"。微反射 鏡重復(fù)該"白包"顏色轉(zhuǎn)換圖案，以建立越來(lái)越明亮的白色。這樣的設(shè)置對(duì) 于黑白圖像產(chǎn)生最大的顏色轉(zhuǎn)換速度，以滿足眼睛的亮度敏感性。如果像素 被著色，則達(dá)到一個(gè)原色的期望的強(qiáng)度時(shí)白色產(chǎn)生序列結(jié)束。另兩個(gè)原色繼 續(xù)其白色圖案比率，直到達(dá)到第二原色的期望的亮度。最后，第三原色繼續(xù) 直到滿足期望的亮度。
該方法需要大量的反射鏡運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明解決了該問(wèn)題，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)延 長(zhǎng)每個(gè)顏色閃光而保持白色比例，放慢了 "白包"序列。為了避免彩虹，顏 色采樣速率應(yīng)當(dāng)超過(guò)每秒3000次采樣。例如，對(duì)于5(iS的LSF,在上述實(shí) 施例中的最小"白包"為65|iS,每秒給出15385次采樣。每個(gè)白包中的顏 色采樣延長(zhǎng)到五倍，從而以五分之一的反射鏡運(yùn)動(dòng)數(shù)量減少最小"白包"到 每秒3077次顏色采樣。
對(duì)于靜止圖像，當(dāng)相鄰原色像素在視網(wǎng)膜上分開的角度低于0.12度時(shí)， 產(chǎn)生顏色融合。這是顏色子像素顯示的基礎(chǔ)。如果相鄰像素在相同的時(shí)間上 沒有顯示相同的顏色，則可以空間地實(shí)現(xiàn)彩虹消除。該設(shè)置允許放慢顏色閃 光來(lái)樣速度而沒有眼球快速轉(zhuǎn)動(dòng)彩虹。例如，如果RGB條紋在一幀時(shí)間閃 光兩次而不是跨入垂直于條紋的一個(gè)像素，則每個(gè)像素適當(dāng)?shù)仫@示所有的三 個(gè)顏色，從而將看不到條紋，并且各顏色將融合。
前面所述說(shuō)明了實(shí)施本發(fā)明的一些可能性。在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)， 很多其它實(shí)施例也是可能的。因此，旨在前面的描述被看作說(shuō)明而不是限定， 并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其全部等同特征的范圍 一起給出。
權(quán)利要求
1、一種具有多個(gè)微反射鏡的投影系統(tǒng)，包括板，其中至少具有四個(gè)導(dǎo)電區(qū)域；反射鏡；軛，設(shè)置在該板和該反射鏡之間；以及第一樞軸裝置和第二樞軸裝置，將該軛連接到該反射鏡和該板，使得該反射鏡至少在四個(gè)方向上是可運(yùn)動(dòng)的。
2、 如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中該第一樞軸裝置將該反射鏡連 才妻到該輒。
3、 如權(quán)利要求2所述的投影系統(tǒng)，其中該第一樞軸裝置使該反射鏡繞 第一軸樞轉(zhuǎn)。
4、 如權(quán)利要求3所述的投影系統(tǒng)，其中該第二樞軸裝置將該板連接到 該扼。
5、 如權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其中該第二樞軸裝置使該反射鏡繞 垂直于該第一軸的第二軸樞轉(zhuǎn)。
6、 一種微反射鏡，包括板，其中至少具有四個(gè)導(dǎo)電區(qū)域； 反射鏡；軛，設(shè)置在該板和該反射鏡之間；以及第一樞軸裝置和第二樞軸裝置，將該軛連接到該反射鏡和該板，使 得該反射鏡在至少四個(gè)方向上是可運(yùn)動(dòng)的。
7、 如權(quán)利要求6所述的微反射鏡，其中該第一樞軸裝置將該反射鏡連 接到該輒。
8、 如權(quán)利要求7所述的微反射鏡，其中該第一樞軸裝置使該反射鏡繞 第一軸樞轉(zhuǎn)。
9、 如權(quán)利要求8所述的微反射鏡，其中該第二樞軸裝置將該板連接到
10、如權(quán)利要求9所述的微反射鏡，其中該第二樞軸裝置使該反射鏡繞 垂直于該第一軸的第二軸樞轉(zhuǎn)。該軛。
全文摘要
本發(fā)明描述了可控的反射裝置，該反射裝置具有能夠在至少四個(gè)方向上樞轉(zhuǎn)的二軸反射鏡陣列。微反射鏡陣列的每個(gè)微反射鏡通過(guò)扭轉(zhuǎn)樞軸被軛支撐，該軛由第二共面垂直扭轉(zhuǎn)樞軸附著到反射鏡陣列支撐物。反射鏡和軛電導(dǎo)通到反射鏡陣列支撐物上的被所有反射鏡/軛組件共享的公共節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)反射鏡/軛組件的下面，反射鏡陣列支撐物具有彼此電隔離且與反射鏡/軛組件電隔離的四個(gè)板區(qū)域。響應(yīng)來(lái)自集成在反射鏡陣列支撐物上的驅(qū)動(dòng)器開關(guān)的電信號(hào)，成對(duì)驅(qū)動(dòng)的這些板區(qū)域選擇性提供相對(duì)于公共節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)。該電場(chǎng)吸引反射鏡和軛，以促進(jìn)反射鏡/軛組件運(yùn)動(dòng)到期望的反射狀態(tài)。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101652697SQ200780052551
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者約翰·B·喬治 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司