专利名称：双轴反射镜的选色微反射镜成像器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及投影系统，更具体地涉及用于包括微型显示器的投影 系统的彩色滤光器。
背景技术：
采用反射光引擎(reflective light engine )或成像器(例如，诸如数字光 处理器(DLPTM) (Texas Instruments )成像器)的微型显示器投影系统被逐 渐地应用于彩色成像或视频投影装置(例如，背投电视(RPTV)、家庭影院 正投电视和影院系统)。在图l所示的现有投影系统中，提供了光源10 (在 此情况下为UHP灯)，该光源IO产生白光(即，全色光语)。来自光源10 的光通过色轮(color wheel) 20,色轮20具有多个分色元件(dichroic filtering element),每个分色元件允许蓝色、绿色或红色中的一种颜色的光带通过并 且反射其它颜色的光。色轮20被旋转使得蓝色、绿色或红色光带的瞬时图 案(temporal pattern)通过色轮。通常，色轮被足够快地旋转，以在视频图 像的每帧期间对于每个基色—(primary color)产生至少 一个基色周期。积分器30接收来自光源10且允许通过色轮20的光带，并引导该光带 经由中继光学器件(relay optics) 40进入全内反射(TIR: total internal reflection )棱镜50。 TIR棱镜50使该光带偏转到成像器60 (诸如DLP成像 器)上。成像器调制光束的各像素的强度，并将它们反射回去经由TIR棱镜 50进入投影透镜系统70。在DLP中，只有闪光速率(flash rate)和闪光宽 度(flash width )被调制，以给出强度调制的效果。在LCD和LCOS中，强 度被直接调制。投影透镜系统70将光像素聚焦在屏幕(未示出)上，以形 成看得见的图像。彩色视频图像通过三种颜色(蓝色、绿色和红色)中每个 颜色的快速连续的像素矩阵来形成，这些像素矩阵纟皮观看者的眼睛混合而形 成彩色图像。整个说明书通篇与现有技术的实践一致，术语"像素"用于表示图像、 光传输的对应部分以及成像器产生该光传输的部分的小区域或者点。DLP成像器60包括微反射镜矩阵，该微反射镜矩阵可在使光反射经由 TIR棱镜50进入投影透镜系统70的角度和使光偏转从而不被投影透镜系统 70投影的角度之间运动。每个微反射镜根据该特定微反射镜的连续闪光来反 射期望强度的光像素，该特定微反射镜的连续闪光依次响应于写入DLP成 像器60的视频信号。因此，在DLP成像器60中，每个樣t反射镜或者成像 器的像素根据输入给成像器或者光引擎的灰度级因子来调制入射到其上的 光，以形成分离的调制光信号或像素的矩阵。迄今，为投影图像的每个像素采用一个微反射镜，并且方形反射镜的阵 列的栅格平行于图像边缘对准。然而，当采用Smooth Picture (平滑图像) (德州仪器，Texas Instruments )技术时，微反射镜阵列的栅格相对于图像边 缘旋转45度，各像素呈现为菱形。然后，由该阵列形成的图像通过可移动 的光学部件(反射镜或透镜)而偏移，以呈现在以方形像素对角线的一半偏 移的两个连续位置处。在每个连续图像中显示一半的图片细节。这使得分辨的低成本成像器并保持分辨率。对于高端产品(数字影院或者高端电视产 品)，可以保持高的反射镜数目并可以使分辨率加倍。色轮的使用引入了称为"彩虹效应(Rainbow Effect )，，的视觉伪影。因 为颜色依次闪光，所以在人眼快速运动(眼睛快速转动(eye dart))的过程 中，静止物体在显示器上的颜色将会在人眼的视网膜上分离，其中人眼的快 速运动可以达到每秒800度的速度。大脑将此分离感知为物体的具有不同亮 度的多个基色图像。视觉系统的亮度带宽很宽，但它也具有低通特性。随着 颜色闪光速度的增大，视网膜成像的角度分离降低，并且对亮度变化的敏感 性降低。当颜色每秒闪光3000次以上时，发生同化并且彩虹图像出现合并。 当前的单一成像器DLpTM系统以每秒颜色闪光小于1000次运行，从而见到 彩虹3^:应。颜色闪光速度是难于增加的，这是因为微反射镜的物理质量限制了最大 的关-开-关的翻转次数，该次数在不采用抖动的情况下设定了数字灰度级的 最低有效单元。对于家用电视投影仪中采用的8位灰度级范围，最大的闪光 次数大于255次。对于Smooth Picture ,每个颜色每16.6mS成Y象必须点亮 每个微反射镜至少两次。通过增加色轮段的数量来分布闪光，以将闪光速率 增大到每8.33mS 6或9次闪光或者每秒720至1075次闪光。然而，现有的DLP成像器遇到几个问题。色轮浪费光，这是因为通常 具有被色轮反射的颜色的光被损耗。此外，如上所述，色分离或者分离伪影(breakupartifact)降低了投影系统的图像质量。因此，需要一种降低色分离 或者分离伪影和/或具有改善的分辨率的系统。发明内容本发明提供可控的反射装置，其具有双轴反射镜的阵列，该双轴反射镜 能够在至少四个方向上枢转。至少三个基色的光束在沿四个枢转方向中的三 个的每个双轴反射镜处被引导， 一个方向对应于一个基色光束，单一颜色的 光束被反射且导向投影透镜。在第四枢转方向上，没有色束引导到投影透镜， 黑色被投影。本反射装置对于采用发光二极管(LED)或者泛束激光器光源 而不是色轮的系统有用，这是因为这种系统包括可相对于反射平面设置在合 适角度的多个光源。该反射镜阵列中的每个反射镜被驱动使得色束在视频帧时间(video frame time)期间依次被选择。每个束由帧时间的与所期望的颜色强度成比 例的分数部分(fractional portion )来选择。因为对于被色轮滤光器施加的每 个颜色时间周期没有固定的最大值，所以颜色的超饱和是可能的。对于该系 统，可以以其它颜色为代价而显示出100%的任何一个基色。为了防止连续 的彩虹效应，颜色闪光的速率可以被大大提高，以满足人眼的亮度敏感性。
现在将参照附图描述本发明，附图中图1示出了现有数字光脉冲(DLP)投影系统的示意图；图2示出了根据本发明示范性实施例的投影系统的示意图；图3A-3D示出了四个枢转位置上的示范性双轴微反射镜；图4示出了本发明微反射镜的一个实施例；以及图5A-5D示出了图4所示微反射镜的四个枢转位置。
具体实施方式
本发明提供了一种彩色投影系统，例如用于电视显示器，其通过单一微 反射镜成像装置产生颜色，.其颜色选自从多个角度到达成像器的多个基色图2是根据本发明示范性实施例的投影系统的示意图。三基色光的光源 R、 G、 B分别设置为向成像器100提供红色、绿色和蓝色的光束。来自成 像器100的图像经由投影透镜200提供到屏幕300。成像器是包括微反射镜阵列(未示出)的数字微反射镜装置(DMD)。 该阵列的每个微反射镜都是双轴微反射镜。双轴微反射镜110具有多个数字 位置(如图3A-3D所示)，使得来自颜色光源R、 G、 B的光输出到投影透 镜200。反射镜的至少一个数字位置反射为黑暗的。图3A-3D分别示出了在 不同数字位置上的示范性微反射镜110以及红色、绿色或蓝色之一或者黑暗 的选择。微反射镜110的示范性实施例在图4中示出。微反射镜110通过装设到 阵列支撑物150的轭120耦接。反射镜扭转轴125将孩i反射镜110耦接到轭 120，并且轭扭转轴135将轭120耦接到阵列支撑物150。樣t反射镜IIO在反 射镜扭转轴125上枢转，使得微反射镜IIO相对于轭120上表面的法线成一 角度运动。在一个示例中，微反射镜可以相对于轭120上表面的法线移动 +/-12度。此外，轭120可以借助于轭扭转轴135相对于支撑物150表面的 法线成一角度运动。这里，轭120可以相对于支撑物150表面的法线移动+/-12 度。反射镜扭转轴125和轭扭转轴135彼此垂直且在相同的平面上。这允许 微反射镜IIO在两个轴上运动到在图3A-3D中示出的四个位置。反射镜扭转轴125和轭扭转轴135都是导电扭转杆。反射镜110和轭120 也是导电的并连接到支撑物150上的公共节点。在支撑物150表面上的四个 独立的导电板区域300、 400、 500、 600在微反射镜110的四个角下面。板 区域300、 400、 500、 600用作吸引电容板。在一个实施例中，板区域300、 400、 500、 600成对操作。例如，两个板300、 500操作轭，并且两个板400、 600操作反射镜，使得反射镜110的四个边缘之一被选择性地朝着支撑物150 表面吸引以选择一种颜色或黑暗，如图3A-3D所示。三基色红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的光束从两倍于反射镜偏转 角(mirror deflection angle )的角度导向反射4竟110表面。如图3A-3D所示， 每个光束都从不同的方向进入。在一个实施例中，三基色中每个的光束可以 以约24度的角度导向反射镜表面，该角度是+/-12度的反射镜偏转角的两倍。7参照图5A-5D,当选择一种颜色或黑暗时，导电板区域300、 400、 500、 600中的两个相对于连接反射镜/辄结构的公共节点是中性的(N)，并且导电 板区域300、 400、 500、 600中的两个相对于反射镜110和轭120的电势是 激活的(+ )。激活的(+ )板吸引轭120和反射镜110。实际的电压可以相 对于反射镜IIO和轭120为正或负。来自电压差的场提供吸引。在导电板区 域300、 400、 500、 600与反射镜110和轭120之间构建大电场的能力提供 了快速的反射镜位置切换速度。
反射镜与轭之间的电荷差产生它们之间的场，该场的强度与其间的电压 成比例。该场试图使板区域之间的距离最小化。使双轴反射镜运动的过程涉 及反射镜与彼此相邻的成对控制板之间的电压差，如图5A-5D所示。因为两 个轴在方形反射镜下是对角的，所以这使得反射镜的四个边缘之一移动为尽 可能靠近安装表面。控制板上的N表示相对于反射镜没有电压差。促进吸引 的电压脉沖可以通过集成在反射镜下面的硅中的驱动器施力口到控制板。
反射镜扭转轴125和轭扭转轴135提供恢复力，在没有驱动信号时该恢 复力使反射镜IIO返回到平行于支撑物150表面的中性状态。在成像器操作 期间，扭转轴的恢复不是显著因素。
在"眼睛快速转动，，期间，人的视网膜上的点可以以800度/秒改变位置。 如果颜色采样没有足够快以提供融合(也就是<0.27度/采样)，则颜色分离 的多个图像将被看到以三基色着色。防止该彩虹效应要求颜色闪光必须非常 快或者不同的颜色共存并被均匀地分布使得颜色融合可以在空间上发生。这 里描述的微反射镜阵列能够以像素水平选择多个颜色，并且与色轮相比能够 极大地增大颜色闪光速度。这里描述的微反射镜阵列还能够在空间采样的显 示器上呈现颜色。
在一个实施例中，采用例如Smooth Picture (平滑图像)技术的菱形 像素，垂直时间帧被分成两半， 一半对应于一个平滑图像的图像。然后，每 一半的帧时间被分成一个或多个子帧周期(sub-frame period )。每个子帧周 期可以保持最大数目的最低有效闪光(LSF, Least Significant Flashes )。 一个 LSF是在微反射镜的机械能力内的最快闪光。由反射镜闪光产生的亮度是 LSF的线性总和。人眼要求基于日志(log-based)的亮度增大，以对输入的 信号进行伽马校正。
图像越暗的部分需要越精细的步长。颜色选择微反射镜可以切换颜色(也就是，黑色-颜色-黑色或者颜色1-颜色2-颜色1 ),并且以类似于单轴樣支
反射镜的LSF (黑色-光-黑色)的速率产生LSF。这种设置使得闪光相对于 光源的颜色峰值在时间上定制，以产生给定色温的白色。在一个实施例中， 给定的光源可以产生所期望的白色(具有61%绿色、31%红色和8%蓝色)， 从而深灰可以是8LSF绿色+4LSF红色+lLSF蓝色。这是"白包(white packet )"。微反射镜重复该"白包"颜色切换图案来构造越来越明亮的白色。 这样的布置对于黑色和白色图像产生最大的颜色切换速度，以满足眼晴的亮 度敏感性。如果像素被着色，则当对于一个基色达到所期望的强度时白色产 生序列终止。另两个基色继续它们的白色图案比率，直到达到第二基色所期 望的强度。最后，第三基色继续直到满足所期望的强度。
该方法需要大量的反射镜运动。本发明解决了该问题，这是因为通过延 长每个颜色闪光并保持白色比例可以减慢"白包，，序列。为了避免彩虹，颜 色采样率应当超过每秒3000次采样。例如，对于5pS的LSF,在上述实施 例中的最小"白包"为65(iS,给出每秒15385次采样。通过在每个白包中 将颜色采样延长到5倍，以五分之一数量的反射镜运动将最小"白包"减少 到每秒3077次颜色采样。
对于静止图像，当相邻基色像素在视网膜上分离小于0.12度时发生颜色 融合。这是颜色子像素显示的基础。如果相邻像素在相同的时间没有显示相 同的颜色，则可以空间上实现彩虹消除。该布置允许较慢的颜色闪光采样速 度而没有眼睛快速转动的彩虹。例如，如果RGB条紋在一帧时间闪光两次 而不是被跨入垂直于条紋的一个像素，则每个像素正常地显示了所有三个颜 色，使得不会看到条紋并且各颜色将融合。
以上说明了实践本发明的一些可行性。在本发明的范围和精神内可以有 许多其它实施例。因此，之前的描述应被认为是说明性的而不是限制性的， 并且本发明的范围由权利要求书及其等同物的全部范围 一起给出。
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权利要求
1、一种投影系统，包括微反射镜阵列，其中该微反射镜阵列包括能够在至少四个方向上运动的多个双轴反射镜；并且其中该微反射镜阵列中的每个双轴反射镜被驱动，使得该至少四个方向中的每个方向在视频帧时间期间被依次选择，并且引导到每个双轴反射镜上的光朝向投影透镜反射。
2、 如权利要求1所述的投影系统，其中红色光源、蓝色光源和绿色光 源在该微透镜阵列的沿该至少四个方向中的三个方向的每个双轴反射镜处 产生并引导红色光束、绿色光束和蓝色光束，并在沿至少第四方向的每个双 轴反射镜处不引导光束。
3、 如权利要求1所述的投影系统，其中对于该视频帧时间的与颜色强 度成比例的分数部分，该至少四个方向中的每个方向被依次选择。
4、 如权利要求2所述的投影系统，其中该红色光束、该绿色光束和该 蓝色光束分别以两倍于反射镜偏转角的角度在该微反射镜阵列的每个双轴 反射镜处被引导。
5、 如权利要求2所述的投影系统，其中在视频时间帧期间，该红色光 束、该绿色光束和该蓝色光束分别卑该微反射镜阵列的第一双轴反射镜处被 引导，然后在与该第 一双轴反射镜相邻的两个或多个双轴反射镜处被二次^ 1导。
6、 一种微反射镜阵列，包括多个双轴反射镜，能够在至少四个方向上运动；以及 驱动电路，耦接到该多个双轴反射镜，其中每个双轴反射镜^^驱动 使得在视频帧时间期间该至少四个方向中的每个方向被依次选择。
7、 如权利要求6所述的微反射镜阵列，还包括红色光源、蓝色光源和 绿色光源，其在该微反射镜阵列的沿该至少四个方向中的三个方向的每个双 轴反射镜处产生并引导红色光束、绿色光束和蓝色光束，且在沿至少第四方 向的每个双轴反射镜处不引导光束。
8、 如权利要求6所述的微反射镜阵列，其中对于该视频帧时间的与颜 色强度成比例的分数部分，该至少四个方向中的每个方向一皮依次选择。
9、 如权利要求7所述的微反射镜阵列，其中该红色光束、该绿色光束 和该蓝色光束分别以两倍于反射镜偏转角的角度在该微反射镜阵列的每个 双轴反射镜处^C引导。
10、 如权利要求6所述的微反射镜阵列，其中在视频时间帧期间，该红色光束、该绿色光束和该蓝色光束分别在第一双轴反射镜处^皮引导，然后在 与该第 一双轴反射镜相邻的两个或多个双轴反射镜处被二次引导。
全文摘要
本发明描述了可控的反射装置，其具有双轴反射镜的阵列，该阵列能够在至少四个方向上枢转。至少三个基色的光束在沿四个枢转方向中的三个的每个双轴反射镜处被引导，一个方向对应于一个基色光束，单一颜色的光束被反射且导向投影透镜在第四枢转方向上，没有色束被引导到投影透镜，投影黑色。
文档编号H04N9/31GK101647291SQ200780052543
公开日2010年2月10日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者约翰·B·乔治 申请人:汤姆森特许公司