CN100335938C - 光调制阵列的双极性操作 - Google Patents

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Abstract

公开的一个实施例包括一种用于光调制阵列的双极性操作的方法。该方法包括以第一极性驱动该阵列的光调制元件(602)，将极性从第一极性切换为第二极性(604)，以第二极性驱动该阵列的光调制元件(606)，将极性从第二极性切换为第一极性(608)，以及重复上述步骤。公开的另一个实施例包括一种利用光调制阵列的装置。该装置包括第一查找表(702)，存储用于在第一极性模式下操作光调制阵列的元件的数据，和第二查找表(704)，存储用于在第二极性模式下操作光调制阵列的元件的数据。该装置还包括用于驱动光调制阵列的元件的驱动系统(708)。该驱动系统与第一和第二查找表相耦合。

Description

光调制阵列的双极性操作
技术领域
本发明一般涉及光学系统。本发明尤其涉及用于投影显示或者用于通信系统的光学系统。
背景技术
通过利用光调制元件的一个或多个线阵可以形成二维投影图像。光调制元件可以包括，例如光栅光阀(GRATING LIGHT VALVE)(GLV)元件。在这种显示系统中，线阵对入射光进行调制从而沿着二维(2D)图像的一列(或者可选择地，一行)显示像素。扫描系统用于在屏幕上移动该列，从而使每个光调制元件都能够产生2D图像的行。按照这种方式，显示整个2D图像。
光调制元件的阵列也可以应用于通信系统。例如，这些阵列可以用作光网中使用的光学微机电系统(MEMS)。
描述GLV器件及其应用的出版物包括：D.M.Bloom于1997年2月发表的“The Grating Light Valve：Revolutionizing DisplayTechnology”，Projection Displays III Symposium，SPIEProceedings，Volume 3013，San Jose，CA；Silicon Light Machinesin Sunnyvale，California的D.T.Amm和R.W.Corrigan于1998年5月19日在Society for Information Display Symposium上发表的论文“Grating Light Valve Technology：Update and NovelApplications”，Anaheim，California；Silicon Light Machines的David T.Amm和Robert W.Corrigan于1999年在PhotonicsWest-Electronics Imaging上发表的论文“Optical Performance ofthe Grating Light Valve Technology”；R.W.Corrigan，D.T.Amm，P.A.Alioshin，B.Staker，D.A.LeHoty，K.P.Gross和B.R.Lang于1999年5月18日在Society for Information Display Symposium上发表的论文“Calibration of a Scanned Linear Grating LightValve Projection System”，San Jose，California；Silicon LightMachines的R.W.Corrigan，B.R.Lang，D.A.LeHoty和P.A.Alioshin于1999年11月20日在141st SMPTE Technical Conference andExhibition上发表的论文“An Alternative Architecture for HighPerformance display”，New York，New York；Robert Corrigan，Randy Cook和Olivier Favotte于2001年发表的“BreakthroughMEMS Component Technology for Optical Networks”，Silicon LightMachines-Grating Light Valve Technology Brief；以及已经转让授予Silicon Light Machines的题为“Method and apparatus forModulating an Incident Light Beam for Forming a Two-Dimensional Image”的美国专利第6,215,579号。上述每篇出版物的全部内容在此引入作为参考。
图1是表示光栅光阀(GLV)元件的反射和衍射工作状态的示意图。图的左侧表示反射(暗)态，而图的右侧表示衍射(亮)态。
在图1示出的例子中，基底可包括硅衬底，该硅衬底上覆盖有氧化物(例如大约5000埃厚)，钨覆盖在该氧化物上(例如大约1000埃厚)。反射元件位于钨之上，其间具有气隙。例如，该图显示出三对反射元件(即六个元件)。反射元件例如可包括多个反射条，所述反射条包括氮化物(例如大约1000埃厚)，在该氮化物上具有铝反射层(例如大约500埃厚)。入射光入射到反射元件上。该入射光束与基底平面成直角。
在反射或暗态(左侧)中，所有反射元件位于同一平面中，入射光从这些元件的表面上反射。该反射态可以称作暗态，因为它可用于在投影显示系统中产生暗点(dark spot)(暗像素)。这种暗像素可以通过阻挡沿着与入射光相同路径反射回去的光而产生。
在衍射或亮态(右侧)中，反射元件交替向下偏移。这导致入射光在与其光路成一角度的方向上衍射。该衍射态可以称作亮态，因为它可用于在投影显示系统中产生亮点(亮像素)。由于没有阻挡成角度反射的光因此可以产生这种亮像素。如下面进一步讨论，元件的光响应取决于交替元件向下偏移的量。
图2是表示GLV元件包括多对固定和移动条的图解。如图2中所示，GLV元件可包括多对反射条，每一对反射条都具有一个固定条和一个移动条。
图3是表示在衍射态下GLV的反射元件偏移的示意图。该GLV元件包括许多反射元件。这些反射元件包括交替的偏置元件304和活动元件306。在所示的例子中，GLV元件包括三对反射元件(即六个反射元件)。
在衍射态中，反射元件以交替结构可控制地排列在距离公共电极308的两种高度上，偏置元件304位于第一高度，活动(移动)元件306位于第二高度。偏置元件304可以是固定条。活动元件306可以是通过施加电压而下降的移动条。电压可以是相对于公共电极308施加的。如图3中所示，入射光束310以垂直于光栅平面308的角度入射到元件上。衍射光312远离该元件行进。
第一和第二高度之间的高度差可以定义为偏移距离γ。偏移γ的量可以通过施加不同的电压而改变，从而控制入射光从该元件反射的量。当γ接近零时，该元件接近最大反射态。当γ接近λ/4时，该元件接近最大衍射态，其中λ是入射光的波长。
图4是说明GLV元件的非线性电光响应的曲线图。该曲线图显示出光强度(任意单位)与电压的关系。电压越高，则元件的位移γ越大。光强度根据施加于活动元件的电压而变化。对于绝大部分来说，施加的电压越高则光强度越大。(对于足够高的电压来说这种关系正相反，即光强度随着电压增高而减小，因此在该曲线图的极右端出现向下倾斜。)
图5是表示利用光调制阵列的投影显示系统500的顶视图。系统500包括一个或多个光源502，一个或多个光调制元件阵列504，光扫描器506和屏幕508。该图是出于说明性的目的，比例或角度不一定精确。
光源502可包括一个或多个激光源。对于彩色显示系统来说可以利用三个不同颜色的激光源。光调制阵列504可包括上述GLV元件(也称作GLV“像素”)的一个阵列。每个光源502可照射一个光调制阵列504。阵列504的每个元件对入射到其上的光进行调制以控制从其衍射的光的量。然后，将来自阵列504的多个元件的衍射光引向光扫描器506。
光扫描器506用于在屏幕508上移动光的这一列(或行)。可以使用各种类型的扫描器506。例如，可以使用基于电流计(galvonomeer-based)的扫描器，共振扫描器，多面体扫描器，旋转棱镜，或其他类型的扫描器。驱动信号施加于扫描器以控制(“驱动”)光的这一列(或行)的移动。例如，为了实现该列在屏幕上的逐行扫描(例如从左到右)，可采用锯齿形驱动信号。
利用GLV和其他MEMS技术的一个不利方面涉及器件性能作为时间的函数而改变。不管用在显示系统还是通信系统中，都可以观察到GLV元件和其他MEMS器件的响应函数随时间变化。这种与时间相关的变化会导致不可预料的情况，因此可能会限制GLV元件和其他MEMS器件的应用。
发明内容
电荷积累不利地导致性能随时间变化。本发明提供一种克服这种不利的电荷积累的方法和装置。
本发明的一个实施方案包括一种光调制阵列的双极性操作的方法。该方法包括以第一极性驱动阵列的光调制元件，将极性从第一极性切换为第二极性，以第二极性驱动阵列的光调制元件，将极性从第二极性切换为第一极性，重复上述步骤。其中以第一极性驱动光调制元件包括：从对应于光强度的驱动电平的第一查找表中读取驱动电平；其中以第二极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第二查找表中读取驱动电平。
本发明的另一个实施方案包括一种利用光调制阵列的装置。该装置包括第一查找表，该表存储用于在第一极性模式下操作光调制阵列的元件的数据，和第二查找表，该表存储用于在第二极性模式下操作光调制阵列的元件的数据。该装置还包括用于驱动光调制阵列的元件的驱动系统。该驱动系统与第一和第二查找表相耦合。该驱动系统被配置为在第一极性模式下访问来自第一查找表的数据，并且在第二极性模式下访问来自第二查找表的数据。该驱动系统在第一极性模式和第二极性模式之间来回切换。
本发明还提供了一种利用光调制阵列的系统，该系统包括：用于以第一极性驱动该阵列的光调制元件的装置；用于将极性从第一极性切换到第二极性的装置；用于以第二极性驱动该阵列的光调制元件的装置；用于将极性从第二极性切换到第一极性的装置；以及用于重复上述步骤的装置。其中以第一极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第一查找表中读取驱动电平；以第二极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第二查找表中读取驱动电平。将极性从第一极性切换为第二极性包括从利用第一查找表切换为利用第二查找表，将极性从第二极性切换为第一极性包括从利用第二查找表切换为利用第一查找表。
本领域的普通技术人员在阅读包括附图和权利要求的全部公开内容后很容易就能理解本发明的这些和其他特点。
附图说明
图1是表示常规光栅光阀(GLV)元件的反射和衍射工作状态的示意图。
图2是表示常规GLV元件的图解，它包括成对的固定和移动条。
图3是表示常规GLV元件的反射元件在反射态下的偏移的示意图。
图4是说明常规GLV元件的非线性电光响应的曲线图。
图5是利用光调制阵列的投影显示系统的顶视图。
图6是表示依照本发明一个实施方案用于光调制阵列的双极性操作的方法的流程图。
图7是表示依照本发明一个实施方案用于光调制阵列的双极性操作的装置的示意图。
图8A是表示依照本发明一个实施方案的第一极性的第一查找表的示意图。
图8B是表示依照本发明一个实施方案的第二极性的第二查找表的示意图。
不同附图中使用的相同附图标记表示相同或相似的部件。除非另外指明，附图没有按比例绘制。
具体实施方式
引起GLV技术时间依赖性的一个原因是在光调制元件中的电荷积累。当元件工作时，电荷在以氮化物为基底(nitride-based)的反射元件上积累。本发明特别适用于GLV元件，但也可适用于其他MEMS器件。本发明可使这种装置的时间依赖性减小，并可以用在显示系统和通信系统中。
图6是表示依照本发明一个实施方案用于光调制阵列的双极性操作的方法600的流程图。如图所示，方法600包括四个步骤(602，604，606和608)。
在第一步骤602中，以第一极性驱动该阵列的元件。第一极性是指施加的电势，其中驱动活动元件的电压一般比偏置元件和公共电极处的电压要高(more positive)。例如当偏置元件和公共电极接地(零伏)时，第一极性可以对应于施加在活动元件上的正电压。作为另一个例子，当偏置元件和公共电极与较大的负电压电平相接时，第一极性可以对应于施加在活动元件上的较小的负电压。
对于每一个元件，为了达到所需要的强度级，所要施加的电压可以通过利用第一查找表(LUT)来确定。这种第一LUT的例子在下面对照图8A描述。在第二步骤604中，装置从在第一极性模式下工作切换到在第二极性模式下工作。极性的切换可通过从利用第一LUT切换到利用第二LUT来实现。
在第三步骤606中，以第二极性驱动该阵列的元件。第二极性是指施加的电势，其中驱动活动元件的电压一般比偏置元件和公共电极处的电压更低(more negative)。例如，当偏置元件和公共电极接地(零伏)时，第二极性可以对应于对活动元件施加负电压。作为另一个例子，当偏置元件和公共电极与更高的正电压电平连接时，第二极性可以对应于施加在活动元件上的较小的正电压。
对于每一个元件，为了达到所需要的强度级，所要施加的电压可以通过利用第二查找表(LUT)来确定。这种第二LUT的例子在下面对照图8B描述。
在第四步骤608中，装置从在第二极性模式下工作切换回到在第一极性模式下工作。极性的切换可通过从利用第二LUT切换到利用第一LUT来实现。
通过如上所述切换极性，阵列的元件中的电场反转。因为电荷趋向于随时间抵消，因此电场的反转有利地减小了元件上的电荷积累。
图7是表示依照本发明一个实施方案用于光调制阵列的双极性操作的装置700的示意图。该装置700包括第一查找表(LUT)702，第二LUT 704，多路复用器(MUX)706，驱动系统708，和光调制阵列710。
第一LUT 702提供在第一极性模式下的操作过程中所使用的数据，第二LUT 704提供在第二极性模式下的操作过程中所使用的数据。第一和第二LUT的例子在下面分别对照图8A和8B描述。LUT 702和704可以在存储器结构中实现。在一个实施方案中，LUT将在半导体存储器中实现，该存储器对存储在其中的数据提供快速访问。
MUX 706提供对于第一LUT 702或第二LUT 704的选择。在第一极性模式下，MUX 706使驱动系统708访问来自第一LUT 702的数据。在第二极性模式下，MUX 706使驱动系统708访问来自第二LUT 704的数据。在一个实施方案中，通过来自驱动系统708的控制信号控制MUX 706。控制信号可以仅仅是位信号，从而当位为高时选择第一LUT702，当位为低时选择第二LUT 704(或者相反的情况)。
驱动系统708查找驱动电压，其对应于光调制阵列710中每个元件的所需强度。然后驱动系统708将查找的电压施加于阵列710的适当元件上，以从该元件实现所需的强度。
在本发明的替换实施方案中，第一LUT 702和第二LUT 704二者可以作为一个组合的LUT来实现。这种组合的LUT在单个表中具有用于第一极性模式和第二极性模式的数据。这种组合的LUT需要单独的字段来区别用于第一极性模式的数据和用于第二极性模式的数据。
图8A是表示依照本发明一个实施方案的第一极性的第一查找表(LUT)800中的信息的图。第一LUT 800包括三个数据字段：元件标识符(ID)802；所需强度804；和驱动电压电平806。
在该实施例中，光调制阵列中有1024个元件。因此图8A中表示的元件标识符802的范围从一(1)到一千零二十四(1024)。当然，在光调制阵列中可以具有各种数量的元件，元件ID802的数量也相应地改变。
该实施例示出所需的光强度804的范围是从0到255。这对应于二百五十六(256)个强度级。利用八(8)位信息可以区别二百五十六(256)个不同的级。当然，在不同的系统中可以使用各种数量的强度级，所需强度804的数量也相应地改变。
在图8A中示出的驱动电压电平806的值是出于说明的目的。所示的驱动电平在大约零伏(0V)到大约正十四伏(在图中是13.8V)之间变化。对于包括光栅光阀器件的元件，在较低强度处需要较大的电压差，在较高强度处需要较小的电压差。这可以从图4中的强度比电压的曲线看出。
第一LUT 800中的驱动电压电平806可以通过校准程序来确定。该校准程序可以周期性地执行。由于校准，可为阵列的每个元件802确定实现每个所需强度804的适当正驱动电平806。这些校准结果存储在第一LUT 800中。
图8B是表示依照本发明一个实施方案的第二极性的第二查找表850中的信息的图。第二LUT 850包括与第一LUT 800相同的三个数据字段(元件标识符802；所需强度804；和驱动电压电平806)。此外，第二LUT 850中用于元件ID和用于所需强度级的数据与在第一LUT800中的数据相同。这是因为光调制阵列710中的元件的识别不会因极性模式而改变，所需光强度也不会因极性模式而改变。
但是，第二LUT 850中的驱动电压电平806不同于第一LUT 800中的驱动电压电平。图8B中所示的驱动电压电平806的值是出于说明的目的。所示的驱动电平在大约零伏(0V)到大约负十三伏(在图中是-13.1V)之间变化。在一个实施方案中，第二LUT 850可以实际上存储正值，所述正值在系统处于第二(负)极性模式时被转变为负电压电平。
第二LUT 850中的驱动电压电平806也可以通过周期校准来确定。由于校准，可为阵列的每个元件802确定达到每个所需强度804的适当负驱动电平806。这些校准结果存储在第二LUT 850中。
下面描述LUT 800和850的一种特定实现。在该实施方式中，将两个表组合为单个LUT，使第一和第二极性的信息位于组合的LUT的不同部分中。在该特殊实施方式中，元件的数量可以是1088。因为1088大于1024，因此每个元件的定址需要十一位。这种特殊实施方式还可利用十个地址位来指定1024个不同的驱动强度。因此组合的LUT利用每极性二十一个地址位来寻址LUT中的存储单元。每个存储单元可以包括十位的输出。在该特殊实施方式中，利用十个输出位的8个最高有效位来指定256个不同的驱动电平。利用抖动将其余的两位有效插入到驱动电平之间。在这种情况下，每帧图像可以刷新四次。因此，在帧刷新过程中，这两位可以用于在第一电平和下一电平之间的抖动。例如，如果这两位都是零，那么第一电平可以显示四次。如果这两位是零和一，那么第一电平显示三次而下一电平显示一次。如果这两位是一和零，那么第一电平显示两次而下一电平显示两次。最后，如果这两位都是一，那么第一电平显示一次而下一电平显示三次。当然可以使用LUT寻址和输出的其他特殊实施方式。
为了全面理解本发明各个实施方案，在本发明的公开内容中，提供了许多特定细节，诸如装置、工艺参数、材料，工序和结构。但是，本领域的技术人员应该认识到，即使缺少一个或多个特定细节，本发明也是可以实施的。在其他情况下，那些公知的细节没有示出或描述以避免与本发明的各个方面相混淆。
尽管已经提供了本发明的各个具体实施方案，但是应该理解，这些实施方案是出于说明的目的而并非限制性的。在本领域的普通技术人员阅读了公开的内容之后很容易得到许多另外的实施方案。因此，本发明仅仅受下面的权利要求的限制。

Claims (14)

1.一种用于光调制阵列的双极性操作的方法，该方法包括：
以第一极性驱动该阵列的光调制元件；
将极性从第一极性切换为第二极性；
以第二极性驱动该阵列的光调制元件；以及
将极性从第二极性切换为第一极性；以及
重复上述步骤；
其中以第一极性驱动光调制元件包括：从对应于光强度的驱动电平的第一查找表中读取驱动电平；其中以第二极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第二查找表中读取驱动电平。
2.根据权利要求1的方法，其中将极性从第一极性切换为第二极性包括从利用第一查找表切换为利用第二查找表，其中将极性从第二极性切换为第一极性包括从利用第二查找表切换为利用第一查找表。
3.根据权利要求1的方法，其中通过光调制阵列的双极性操作来减小光调制元件上的电荷积累。
4.根据权利要求1的方法，其中光调制阵列包括微机电系统。
5.根据权利要求1的方法，其中光调制阵列的元件包括光栅光阀型器件。
6.根据权利要求4的方法，其中微机电系统用于在光网中切换光信号。
7.根据权利要求4的方法，其中微机电系统用在投影显示系统中。
8.一种用于光调制阵列的双极性操作的装置，该装置包括：
第一查找表，存储用于在第一极性模式下操作光调制阵列的元件的数据；
第二查找表，存储用于在第二极性模式下操作光调制阵列的元件的数据；以及
驱动系统，用于驱动光调制阵列的元件；
其中该驱动系统与第一和第二查找表相耦合；
其中该驱动系统被配置为在第一极性模式下访问来自第一查找表的数据，并且在第二极性模式下访问来自第二查找表的数据；以及其中该驱动系统在第一极性模式和第二极性模式之间来回切换。
9.根据权利要求8的装置，其中通过光调制阵列的双极性操作来减少在光调制元件上的电荷积累。
10.根据权利要求8的装置，其中光调制阵列包括微机电系统。
11.根据权利要求8的装置，其中光调制阵列的元件包括光栅光阀型器件。
12.根据权利要求10的装置，其中微机电系统用于在光网中切换光信号。
13.根据权利要求10的装置，其中微机电系统用在投影显示系统中。
14.一种利用光调制阵列的系统，该系统包括：
用于以第一极性驱动该阵列的光调制元件的装置；
用于将极性从第一极性切换到第二极性的装置；
用于以第二极性驱动该阵列的光调制元件的装置；
用于将极性从第二极性切换到第一极性的装置；以及
用于重复上述步骤的装置；
其中以第一极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第一查找表中读取驱动电平；
其中以第二极性驱动光调制元件包括从对应于光强度的驱动电平的第二查找表中读取驱动电平，以及
其中将极性从第一极性切换为第二极性包括从利用第一查找表切换为利用第二查找表，其中将极性从第二极性切换为第一极性包括从利用第二查找表切换为利用第一查找表。
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