專利名稱：雙軸反射鏡的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)的彩色濾光器。
背景技術(shù)：
采用反射光引擎(reflective light engine )或成像器(例如，諸如數(shù)字光 處理器(DLPTM) (Texas Instruments )成像器)的微型顯示器投影系統(tǒng)被逐 漸地應(yīng)用于彩色成像或視頻投影裝置(例如，背投電視(RPTV)、家庭影院 正投電視和影院系統(tǒng))。在圖l所示的現(xiàn)有投影系統(tǒng)中，提供了光源10 (在 此情況下為UHP燈)，該光源IO產(chǎn)生白光(即，全色光語)。來自光源10 的光通過色輪(color wheel) 20,色輪20具有多個(gè)分色元件(dichroic filtering element),每個(gè)分色元件允許藍(lán)色、綠色或紅色中的一種顏色的光帶通過并 且反射其它顏色的光。色輪20被旋轉(zhuǎn)使得藍(lán)色、綠色或紅色光帶的瞬時(shí)圖 案(temporal pattern)通過色輪。通常，色輪被足夠快地旋轉(zhuǎn)，以在視頻圖 像的每幀期間對(duì)于每個(gè)基色—(primary color)產(chǎn)生至少 一個(gè)基色周期。積分器30接收來自光源10且允許通過色輪20的光帶，并引導(dǎo)該光帶 經(jīng)由中繼光學(xué)器件(relay optics) 40進(jìn)入全內(nèi)反射(TIR: total internal reflection )棱鏡50。 TIR棱鏡50使該光帶偏轉(zhuǎn)到成像器60 (諸如DLP成像 器)上。成像器調(diào)制光束的各像素的強(qiáng)度，并將它們反射回去經(jīng)由TIR棱鏡 50進(jìn)入投影透鏡系統(tǒng)70。在DLP中，只有閃光速率(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，強(qiáng) 度被直接調(diào)制。投影透鏡系統(tǒng)70將光像素聚焦在屏幕(未示出)上，以形 成看得見的圖像。彩色視頻圖像通過三種顏色(藍(lán)色、綠色和紅色)中每個(gè) 顏色的快速連續(xù)的像素矩陣來形成，這些像素矩陣纟皮觀看者的眼睛混合而形 成彩色圖像。整個(gè)說明書通篇與現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)踐一致，術(shù)語"像素"用于表示圖像、 光傳輸?shù)膶?duì)應(yīng)部分以及成像器產(chǎn)生該光傳輸?shù)牟糠值男^(qū)域或者點(diǎn)。DLP成像器60包括微反射鏡矩陣，該微反射鏡矩陣可在使光反射經(jīng)由 TIR棱鏡50進(jìn)入投影透鏡系統(tǒng)70的角度和使光偏轉(zhuǎn)從而不被投影透鏡系統(tǒng) 70投影的角度之間運(yùn)動(dòng)。每個(gè)微反射鏡根據(jù)該特定微反射鏡的連續(xù)閃光來反 射期望強(qiáng)度的光像素，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，每個(gè)樣t反射鏡或者成像 器的像素根據(jù)輸入給成像器或者光引擎的灰度級(jí)因子來調(diào)制入射到其上的 光，以形成分離的調(diào)制光信號(hào)或像素的矩陣。迄今，為投影圖像的每個(gè)像素采用一個(gè)微反射鏡，并且方形反射鏡的陣 列的柵格平行于圖像邊緣對(duì)準(zhǔn)。然而，當(dāng)采用Smooth Picture (平滑圖像) (德州儀器，Texas Instruments )技術(shù)時(shí)，微反射鏡陣列的柵格相對(duì)于圖像邊 緣旋轉(zhuǎn)45度，各像素呈現(xiàn)為菱形。然后，由該陣列形成的圖像通過可移動(dòng) 的光學(xué)部件(反射鏡或透鏡)而偏移，以呈現(xiàn)在以方形像素對(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)圖像中顯示一半的圖片細(xì)節(jié)。這使得分辨的低成本成像器并保持分辨率。對(duì)于高端產(chǎn)品(數(shù)字影院或者高端電視產(chǎn) 品)，可以保持高的反射鏡數(shù)目并可以使分辨率加倍。色輪的使用引入了稱為"彩虹效應(yīng)(Rainbow Effect )，，的視覺偽影。因 為顏色依次閃光，所以在人眼快速運(yùn)動(dòng)(眼睛快速轉(zhuǎn)動(dòng)(eye dart))的過程 中，靜止物體在顯示器上的顏色將會(huì)在人眼的視網(wǎng)膜上分離，其中人眼的快 速運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到每秒800度的速度。大腦將此分離感知為物體的具有不同亮 度的多個(gè)基色圖像。視覺系統(tǒng)的亮度帶寬很寬，但它也具有低通特性。隨著 顏色閃光速度的增大，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)顏色每秒閃光3000次以上時(shí)，發(fā)生同化并且彩虹圖像出現(xiàn)合并。 當(dāng)前的單一成像器DLpTM系統(tǒng)以每秒顏色閃光小于1000次運(yùn)行，從而見到 彩虹3^: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)量限制了最大 的關(guān)-開-關(guān)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，該次數(shù)在不采用抖動(dòng)的情況下設(shè)定了數(shù)字灰度級(jí)的 最低有效單元。對(duì)于家用電視投影儀中采用的8位灰度級(jí)范圍，最大的閃光 次數(shù)大于255次。對(duì)于Smooth Picture ,每個(gè)顏色每16.6mS成Y象必須點(diǎn)亮 每個(gè)微反射鏡至少兩次。通過增加色輪段的數(shù)量來分布閃光，以將閃光速率 增大到每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)問題。色輪浪費(fèi)光，這是因?yàn)橥ǔ?具有被色輪反射的顏色的光被損耗。此外，如上所述，色分離或者分離偽影(breakupartifact)降低了投影系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。因此，需要一種降低色分離 或者分離偽影和/或具有改善的分辨率的系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供可控的反射裝置，其具有雙軸反射鏡的陣列，該雙軸反射鏡 能夠在至少四個(gè)方向上樞轉(zhuǎn)。至少三個(gè)基色的光束在沿四個(gè)樞轉(zhuǎn)方向中的三 個(gè)的每個(gè)雙軸反射鏡處被引導(dǎo)， 一個(gè)方向?qū)?yīng)于一個(gè)基色光束，單一顏色的 光束被反射且導(dǎo)向投影透鏡。在第四樞轉(zhuǎn)方向上，沒有色束引導(dǎo)到投影透鏡， 黑色被投影。本反射裝置對(duì)于采用發(fā)光二極管(LED)或者泛束激光器光源 而不是色輪的系統(tǒng)有用，這是因?yàn)檫@種系統(tǒng)包括可相對(duì)于反射平面設(shè)置在合 適角度的多個(gè)光源。該反射鏡陣列中的每個(gè)反射鏡被驅(qū)動(dòng)使得色束在視頻幀時(shí)間(video frame time)期間依次被選擇。每個(gè)束由幀時(shí)間的與所期望的顏色強(qiáng)度成比 例的分?jǐn)?shù)部分(fractional portion )來選擇。因?yàn)閷?duì)于被色輪濾光器施加的每 個(gè)顏色時(shí)間周期沒有固定的最大值，所以顏色的超飽和是可能的。對(duì)于該系 統(tǒng)，可以以其它顏色為代價(jià)而顯示出100%的任何一個(gè)基色。為了防止連續(xù) 的彩虹效應(yīng)，顏色閃光的速率可以被大大提高，以滿足人眼的亮度敏感性。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明，附圖中圖1示出了現(xiàn)有數(shù)字光脈沖(DLP)投影系統(tǒng)的示意圖；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；圖3A-3D示出了四個(gè)樞轉(zhuǎn)位置上的示范性雙軸微反射鏡；圖4示出了本發(fā)明微反射鏡的一個(gè)實(shí)施例；以及圖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)施方式
本發(fā)明提供了一種彩色投影系統(tǒng)，例如用于電視顯示器，其通過單一微 反射鏡成像裝置產(chǎn)生顏色，.其顏色選自從多個(gè)角度到達(dá)成像器的多個(gè)基色圖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。三基色光的光源 R、 G、 B分別設(shè)置為向成像器100提供紅色、綠色和藍(lán)色的光束。來自成 像器100的圖像經(jīng)由投影透鏡200提供到屏幕300。成像器是包括微反射鏡陣列(未示出)的數(shù)字微反射鏡裝置(DMD)。 該陣列的每個(gè)微反射鏡都是雙軸微反射鏡。雙軸微反射鏡110具有多個(gè)數(shù)字 位置(如圖3A-3D所示)，使得來自顏色光源R、 G、 B的光輸出到投影透 鏡200。反射鏡的至少一個(gè)數(shù)字位置反射為黑暗的。圖3A-3D分別示出了在 不同數(shù)字位置上的示范性微反射鏡110以及紅色、綠色或藍(lán)色之一或者黑暗 的選擇。微反射鏡110的示范性實(shí)施例在圖4中示出。微反射鏡110通過裝設(shè)到 陣列支撐物150的軛120耦接。反射鏡扭轉(zhuǎn)軸125將孩i反射鏡110耦接到軛 120，并且軛扭轉(zhuǎn)軸135將軛120耦接到陣列支撐物150。樣t反射鏡IIO在反 射鏡扭轉(zhuǎn)軸125上樞轉(zhuǎn)，使得微反射鏡IIO相對(duì)于軛120上表面的法線成一 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上表面的法線移動(dòng) +/-12度。此外，軛120可以借助于軛扭轉(zhuǎn)軸135相對(duì)于支撐物150表面的 法線成一角度運(yùn)動(dòng)。這里，軛120可以相對(duì)于支撐物150表面的法線移動(dòng)+/-12 度。反射鏡扭轉(zhuǎn)軸125和軛扭轉(zhuǎn)軸135彼此垂直且在相同的平面上。這允許 微反射鏡IIO在兩個(gè)軸上運(yùn)動(dòng)到在圖3A-3D中示出的四個(gè)位置。反射鏡扭轉(zhuǎn)軸125和軛扭轉(zhuǎn)軸135都是導(dǎo)電扭轉(zhuǎn)桿。反射鏡110和軛120 也是導(dǎo)電的并連接到支撐物150上的公共節(jié)點(diǎn)。在支撐物150表面上的四個(gè) 獨(dú)立的導(dǎo)電板區(qū)域300、 400、 500、 600在微反射鏡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)操作。例如，兩個(gè)板300、 500操作軛，并且兩個(gè)板400、 600操作反射鏡，使得反射鏡110的四個(gè)邊緣之一被選擇性地朝著支撐物150 表面吸引以選擇一種顏色或黑暗，如圖3A-3D所示。三基色紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的光束從兩倍于反射鏡偏轉(zhuǎn) 角(mirror deflection angle )的角度導(dǎo)向反射4竟110表面。如圖3A-3D所示， 每個(gè)光束都從不同的方向進(jìn)入。在一個(gè)實(shí)施例中，三基色中每個(gè)的光束可以 以約24度的角度導(dǎo)向反射鏡表面，該角度是+/-12度的反射鏡偏轉(zhuǎn)角的兩倍。7參照?qǐng)D5A-5D,當(dāng)選擇一種顏色或黑暗時(shí)，導(dǎo)電板區(qū)域300、 400、 500、 600中的兩個(gè)相對(duì)于連接反射鏡/輒結(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(+ )。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IIO和軛120為正或負(fù)。來自電壓差的場(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之間構(gòu)建大電場(chǎng)的能力提供 了快速的反射鏡位置切換速度。
反射鏡與軛之間的電荷差產(chǎn)生它們之間的場(chǎng)，該場(chǎng)的強(qiáng)度與其間的電壓 成比例。該場(chǎng)試圖使板區(qū)域之間的距離最小化。使雙軸反射鏡運(yùn)動(dòng)的過程涉 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?個(gè)軸在方形反射鏡下是對(duì)角的，所以這使得反射鏡的四個(gè)邊緣之一移動(dòng)為盡 可能靠近安裝表面?？刂瓢迳系腘表示相對(duì)于反射鏡沒有電壓差。促進(jìn)吸引 的電壓脈沖可以通過集成在反射鏡下面的硅中的驅(qū)動(dòng)器施力口到控制板。
反射鏡扭轉(zhuǎn)軸125和軛扭轉(zhuǎn)軸135提供恢復(fù)力，在沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)該恢 復(fù)力使反射鏡IIO返回到平行于支撐物150表面的中性狀態(tài)。在成像器操作 期間，扭轉(zhuǎn)軸的恢復(fù)不是顯著因素。
在"眼睛快速轉(zhuǎn)動(dòng)，，期間，人的視網(wǎng)膜上的點(diǎn)可以以800度/秒改變位置。 如果顏色采樣沒有足夠快以提供融合(也就是<0.27度/采樣)，則顏色分離 的多個(gè)圖像將被看到以三基色著色。防止該彩虹效應(yīng)要求顏色閃光必須非常 快或者不同的顏色共存并被均勻地分布使得顏色融合可以在空間上發(fā)生。這 里描述的微反射鏡陣列能夠以像素水平選擇多個(gè)顏色，并且與色輪相比能夠 極大地增大顏色閃光速度。這里描述的微反射鏡陣列還能夠在空間采樣的顯 示器上呈現(xiàn)顏色。
在一個(gè)實(shí)施例中，采用例如Smooth Picture (平滑圖像)技術(shù)的菱形 像素，垂直時(shí)間幀被分成兩半， 一半對(duì)應(yīng)于一個(gè)平滑圖像的圖像。然后，每 一半的幀時(shí)間被分成一個(gè)或多個(gè)子幀周期(sub-frame period )。每個(gè)子幀周 期可以保持最大數(shù)目的最低有效閃光(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(log-based)的亮度增大，以對(duì)輸入的 信號(hào)進(jìn)行伽馬校正。
圖像越暗的部分需要越精細(xì)的步長(zhǎng)。顏色選擇微反射鏡可以切換顏色(也就是，黑色-顏色-黑色或者顏色1-顏色2-顏色1 ),并且以類似于單軸樣支
反射鏡的LSF (黑色-光-黑色)的速率產(chǎn)生LSF。這種設(shè)置使得閃光相對(duì)于 光源的顏色峰值在時(shí)間上定制，以產(chǎn)生給定色溫的白色。在一個(gè)實(shí)施例中， 給定的光源可以產(chǎn)生所期望的白色(具有61%綠色、31%紅色和8%藍(lán)色)， 從而深灰可以是8LSF綠色+4LSF紅色+lLSF藍(lán)色。這是"白包(white packet )"。微反射鏡重復(fù)該"白包"顏色切換圖案來構(gòu)造越來越明亮的白色。 這樣的布置對(duì)于黑色和白色圖像產(chǎn)生最大的顏色切換速度，以滿足眼晴的亮 度敏感性。如果像素被著色，則當(dāng)對(duì)于一個(gè)基色達(dá)到所期望的強(qiáng)度時(shí)白色產(chǎn) 生序列終止。另兩個(gè)基色繼續(xù)它們的白色圖案比率，直到達(dá)到第二基色所期 望的強(qiáng)度。最后，第三基色繼續(xù)直到滿足所期望的強(qiáng)度。
該方法需要大量的反射鏡運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明解決了該問題，這是因?yàn)橥ㄟ^延 長(zhǎng)每個(gè)顏色閃光并保持白色比例可以減慢"白包，，序列。為了避免彩虹，顏 色采樣率應(yīng)當(dāng)超過每秒3000次采樣。例如，對(duì)于5pS的LSF,在上述實(shí)施 例中的最小"白包"為65(iS,給出每秒15385次采樣。通過在每個(gè)白包中 將顏色采樣延長(zhǎng)到5倍，以五分之一數(shù)量的反射鏡運(yùn)動(dòng)將最小"白包"減少 到每秒3077次顏色采樣。
對(duì)于靜止圖像，當(dāng)相鄰基色像素在視網(wǎng)膜上分離小于0.12度時(shí)發(fā)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)間沒有顯示相 同的顏色，則可以空間上實(shí)現(xiàn)彩虹消除。該布置允許較慢的顏色閃光采樣速 度而沒有眼睛快速轉(zhuǎn)動(dòng)的彩虹。例如，如果RGB條紋在一幀時(shí)間閃光兩次 而不是被跨入垂直于條紋的一個(gè)像素，則每個(gè)像素正常地顯示了所有三個(gè)顏 色，使得不會(huì)看到條紋并且各顏色將融合。
以上說明了實(shí)踐本發(fā)明的一些可行性。在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)可以有 許多其它實(shí)施例。因此，之前的描述應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的， 并且本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書及其等同物的全部范圍 一起給出。
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權(quán)利要求
1、一種投影系統(tǒng)，包括微反射鏡陣列，其中該微反射鏡陣列包括能夠在至少四個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的多個(gè)雙軸反射鏡；并且其中該微反射鏡陣列中的每個(gè)雙軸反射鏡被驅(qū)動(dòng)，使得該至少四個(gè)方向中的每個(gè)方向在視頻幀時(shí)間期間被依次選擇，并且引導(dǎo)到每個(gè)雙軸反射鏡上的光朝向投影透鏡反射。
2、 如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中紅色光源、藍(lán)色光源和綠色光 源在該微透鏡陣列的沿該至少四個(gè)方向中的三個(gè)方向的每個(gè)雙軸反射鏡處 產(chǎn)生并引導(dǎo)紅色光束、綠色光束和藍(lán)色光束，并在沿至少第四方向的每個(gè)雙 軸反射鏡處不引導(dǎo)光束。
3、 如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其中對(duì)于該視頻幀時(shí)間的與顏色強(qiáng) 度成比例的分?jǐn)?shù)部分，該至少四個(gè)方向中的每個(gè)方向被依次選擇。
4、 如權(quán)利要求2所述的投影系統(tǒng)，其中該紅色光束、該綠色光束和該 藍(lán)色光束分別以兩倍于反射鏡偏轉(zhuǎn)角的角度在該微反射鏡陣列的每個(gè)雙軸 反射鏡處被引導(dǎo)。
5、 如權(quán)利要求2所述的投影系統(tǒng)，其中在視頻時(shí)間幀期間，該紅色光 束、該綠色光束和該藍(lán)色光束分別卑該微反射鏡陣列的第一雙軸反射鏡處被 引導(dǎo)，然后在與該第 一雙軸反射鏡相鄰的兩個(gè)或多個(gè)雙軸反射鏡處被二次^ 1導(dǎo)。
6、 一種微反射鏡陣列，包括多個(gè)雙軸反射鏡，能夠在至少四個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)；以及 驅(qū)動(dòng)電路，耦接到該多個(gè)雙軸反射鏡，其中每個(gè)雙軸反射鏡^^驅(qū)動(dòng) 使得在視頻幀時(shí)間期間該至少四個(gè)方向中的每個(gè)方向被依次選擇。
7、 如權(quán)利要求6所述的微反射鏡陣列，還包括紅色光源、藍(lán)色光源和 綠色光源，其在該微反射鏡陣列的沿該至少四個(gè)方向中的三個(gè)方向的每個(gè)雙 軸反射鏡處產(chǎn)生并引導(dǎo)紅色光束、綠色光束和藍(lán)色光束，且在沿至少第四方 向的每個(gè)雙軸反射鏡處不引導(dǎo)光束。
8、 如權(quán)利要求6所述的微反射鏡陣列，其中對(duì)于該視頻幀時(shí)間的與顏 色強(qiáng)度成比例的分?jǐn)?shù)部分，該至少四個(gè)方向中的每個(gè)方向一皮依次選擇。
9、 如權(quán)利要求7所述的微反射鏡陣列，其中該紅色光束、該綠色光束 和該藍(lán)色光束分別以兩倍于反射鏡偏轉(zhuǎn)角的角度在該微反射鏡陣列的每個(gè) 雙軸反射鏡處^C引導(dǎo)。
10、 如權(quán)利要求6所述的微反射鏡陣列，其中在視頻時(shí)間幀期間，該紅色光束、該綠色光束和該藍(lán)色光束分別在第一雙軸反射鏡處^皮引導(dǎo)，然后在 與該第 一雙軸反射鏡相鄰的兩個(gè)或多個(gè)雙軸反射鏡處被二次引導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明描述了可控的反射裝置，其具有雙軸反射鏡的陣列，該陣列能夠在至少四個(gè)方向上樞轉(zhuǎn)。至少三個(gè)基色的光束在沿四個(gè)樞轉(zhuǎn)方向中的三個(gè)的每個(gè)雙軸反射鏡處被引導(dǎo)，一個(gè)方向?qū)?yīng)于一個(gè)基色光束，單一顏色的光束被反射且導(dǎo)向投影透鏡在第四樞轉(zhuǎn)方向上，沒有色束被引導(dǎo)到投影透鏡，投影黑色。
文檔編號(hào)H04N9/31GK101647291SQ200780052543
公開日2010年2月10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