CN101051116A - 高分辨率扫描显示系统 - Google Patents

Abstract

一种显示系统，包括一行或多行可倾斜微镜，每一个微镜被配置为可选地倾斜到“开”位置来在“开”方向上反射入射光以及可选地倾斜到“关”位置来在“关”方向上反射入射光；和光学投射系统，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光来产生显示图像中的沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素，以及改变“开”方向上被微镜反射的光的方向来产生显示图像中的一个或多个第二行图像像素。该一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素。

Description

高分辨率扫描显示系统

技术领域

本公开涉及空间光调制器。

背景技术

微镜阵列是一种包括单元阵列的空间光调制器(SLM)，每个单元包括可绕轴倾斜的镜面和另外的用于生成可使所述微镜面倾斜的静电力的电路。例如，在数字操作模式，可使镜面倾斜以停止在两个位置。在“开”位置，微镜将入射光反射到显示表面以在图像显示器中形成像素。在“关”位置，微镜引导入射光远离该图像显示器。

图1是实现二维(2D)微镜阵列的常规显示设备100的示意图。显示设备100包括安装在支撑板115上的空间光调制器110和光源系统130。空间光调制器110包括在电子控制下倾斜到不同方向的微镜的2D阵列。光源系统130包括弧光灯131、聚光透镜132、折叠反射镜133、UV/IR滤光片134、实光管135、安装在电机137上的色轮(colorwheel)136、折叠反射镜138、和中继透镜139。抛物面镜反射从弧光灯131发出的光以产生准直光束120。准直光束120被聚光透镜132引导并被折叠反射镜133反射。准直光束120经过UV/IR滤光片134、实光管135并且接着经过旋转色轮136。色轮包括红、绿和蓝滤光片部分，它们可交替地过滤准直光束120以产生不同的彩色光束121。彩色光束121被折叠反射镜138反射且接着经过中继透镜139，以照亮空间光调制器110内的微镜。

光调制器110中的2D微镜阵列中的每一个微镜可倾斜到“开”位置和“关”位置。在“开”位置镜子反射的彩色光束140引导到显示表面形成二维图像。在“关”位置镜子反射的彩色光束150会被光吸收器所吸收。显示图像中的每一个像素是被二维微镜阵列内的一个唯一微镜所产生，即，被显示的图像像素与一个微镜相关。因此，2D微镜阵列的微镜的行数目和列数目分别与显示图像中的水平和垂直图像行的数目相同。

发明内容

总的方面，本发明涉及显示系统，该系统包括一行或多行可倾斜的微镜，每一个微镜被配置为可选地倾斜到“开”位置来反射“开”方向上的入射光以及可选地倾斜到“关”位置来反射“关”方向上的入射光；和光学投射系统，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光以产生显示图像中的沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素，以及改变“开”方向上被微镜反射的光的方向以产生显示图像中的一个或多个第二行图像像素。该一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素。

在另一个总的方面，本发明涉及显示系统，该系统包括一行或多行可倾斜的微镜，每一个微镜被配置可选地倾斜到“开”位置来将入射光反射到“开”方向以及可选地倾斜到“关”位置来将入射光反射到“关”方向上；投射设备，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光以产生显示图像中沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素；和传送装置，被配置为转动投射设备以将“开”方向上被微镜反射的光的方向改变为多个方向，使得多组的一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素而形成。

在另一个总的方面，本发明涉及显示系统，该系统包括一行或多行可倾斜的微镜，每一个微镜被配置为绕着轴被静电力倾斜，该轴基本上垂直于所述一行或多行可倾斜的微镜的行方向，其中可倾斜微镜被配置为可选地被倾斜到“开”位置来将入射光反射到“开”方向以及被倾斜到“关”位置来将入射光反射到“关”方向上；投射设备，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光来产生显示图像中的沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素；和传送装置，被配置为转动投射设备来将“开”方向上被微镜反射的光的方向改变为多个方向，使得多组的一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素而形成。

该系统的实施可包括以下的一个或多个。多组的一个或多个第二行图像像素可在基本上与第一方向垂直的第二方向上偏离所述一个或多个第一行图像像素。多组的一个或多个第二行图像像素和所述一个或多个第一行图像像素可形成显示图像中的图像像素的二维阵列。光学投射系统可包括一个多边形，该多边形包括一个或多个可反射表面，所述可反射表面被配置为反射“开”方向上被微镜反射的光来形成显示图像中的沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素。光学投射系统可进一步包括传送装置，传送装置被配置使得多边形绕一个转动轴转动来改变反射光的方向，以产生显示图像中的多组的一个或多个第二行图像像素。多边形的转动轴可基本上平行于第一方向。至少一个可倾斜微镜可被配置为绕一个轴倾斜，该轴基本上垂直于所述一行或多行可倾斜微镜的行方向。所述至少一个可倾斜微镜可包括镜面和与镜面及基板相连接的两个铰链。镜面可被配置为绕由两个铰链限定的轴被静电力倾斜。铰链可隐藏在镜面后面而远离入射光。铰链可至少部分暴露给入射光。所述至少一个可倾斜微镜能够包括具有可反射表面的镜面，该表面可被配置将入射光反射到“开”方向。所述镜面可以是矩形、正方形或菱形。矩形镜面的窄边可沿着所述一行或多行可倾斜微镜的行方向被排列。菱形镜面或正方形镜面的对角线可沿着所述一行或多行可倾斜微镜的行方向被排列。

所公开的显示系统可包括以下优点的一个或多个。所公开的显示系统可包括基于一行或少数行微镜的空间光调制器。可通过扫描空间光调制器中的一行或多行微镜反射的光而形成二维图像。所公开的空间光调制器中的微镜的行数目(如，小于10行)远远少于显示图像中的像素行。作为对比，在常规的基于微镜的显示设备中，显示图像中的每一个图像像素唯一地与2D镜阵列中的一个微镜相关联。因此，常规显示设备中的微镜的行数目基本上与显示图像中的水平图像行的数目(如，1000个)相同。具有少得多的行的微镜使得所公开的空间光调制器比常规的基于微镜的显示系统更容易制造。

所公开的显示系统的另一个潜在优势是显示图像的宽高比能够容易地变化。所公开的显示系统中的光学投射系统可在显示表面上扫描反射光以形成多个平行的图像像素行，这样形成二维显示图像。通过控制光学投射系统的扫描范围能够改变扫描方向上的图像尺寸，而不用改变所公开的显示系统的物理配置。

所公开的显示系统的另一个潜在优势是，与常规的基于微镜的2D阵列的空间光调制器相比，允许显示图像的大小和分辨率更容易比例增加(scale up)。如上所述，无需附加的物理部件就能够增加在扫描方向上的显示图像的图像尺寸。因为涉及较少数行的微镜，微镜行内的微镜数目可增加，伴随着增加的制造复杂度。在所述一行或多行内的多个微镜能够沿着与扫描方向垂直的图像边产生大量的图像像素。因此，图像像素的两边都能够以小的、或增加的制造复杂度而增加。

虽然已参照多个实施例特别示出和描述了本发明，相关领域技术人员可理解在不脱离发明的精神和范围的情况下在其中可进行形式和细节的各种变化。

附图说明

结合和形成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例并和描述一起来解释这里描述的原理、设备和方法。

图1是常规显示系统的示意图。

图2a是扫描显示系统的示意图、部分透视图和部分框图。

图2b是图2a中的扫描显示系统的示意侧视图。

图3a-3d是与图2a的扫描显示系统兼容的空间光调制器的一个实施例的详细示图。

图4是沿着图3a中的线A-A的微镜的放大截面图。

具体实施方式

图2a是扫描显示系统200的示意图、部分透视图和部分框图。图2b是图2a中的扫描显示系统200的示意性的侧视图。扫描显示系统200包括空间光调制器210和光学投射系统250。空间光调制器210包括多个可倾斜的微镜220，微镜沿着横向方向215分布在一个或多个行上。空间光调制器210一般包括少数行(例如，小于10行)的可倾斜微镜220。尤其是，空间光调制器210中的微镜的行数目远远小于扫描显示系统200产生的一般显示图像中的像素的行数目。

如下面更详细描述的，微控制器280使得可倾斜微镜220各自在两个或多个方向上倾斜。微镜220可倾斜到“开”位置来反射入射光230，以在“开”方向上产生反射光240。可替换地，入射光230可经“关”位置的微镜220引导以产生“关”位置的反射光245。随后，光吸收器(未示出)可吸收光245来阻止闪烁光。入射光230可由各种光源产生，如发光二极管(LED)或弧光灯。

微控制器280接收输入图像数据，如包括一系列图像帧的视频数据。微控制器280根据输入数字图像中的一行图像像素的像素值，控制可倾斜镜220的方向为“开”或“关”位置。光学投射系统250将“开”微镜220反射的光240投射到显示区270。例如，显示区270可在投射屏、白板、玻璃板、墙或虚拟图像上。根据输入数字图像中的一行图像像素内的像素值，投射的光在显示区270上形成一行图像像素261a。

在一个实施例中，光学投射系统250包括一个多边形251，该多边形包括一个或多个可反射的平坦表面254。平坦多边形表面254可将光240反射到显示区270，以在显示区270上形成图像。多边形251可以由玻璃、金属或塑料制造。多边形表面254可涂覆一薄层可反射金属，例如铝。多边形表面254需要在容许误差范围内是平坦的，使得可在显示区270上均匀地形成图象像素。例如，多边形表面254的平坦度的标准是，显示区270上的显示图像中的图像像素位置的失真应小于一个图像像素宽度的1/2。对多边形表面254的粗糙程度的另一个标准应小于多边形表面254的照亮区上的可视光的波长一个或一部分。

光学投射系统250也包括传送装置252，它可绕转动轴253转动多边形251。在一个实施例中，传送装置252包括在微控制器280控制下的电机。该电机可能是DC电机或数字步进电机。微控制器280控制传送装置252，该传送装置绕着转动轴253转动多边形251，以与微镜220的调制同步。转动的多边形251改变多边形251反射的光的方向，使得投射到显示区270上的光沿着垂直方向265被扫描。在一个实施例中，多边形251的转动轴253基本上与垂直方向265垂直且基本上与图像像素行261a，261b，262a和262b平行。在一些实施例中，多边形251在单方向上转动，如顺时针方向255、或反时针方向。

当多边形251转动经过不同角位置时，微控制器280根据输入数字图像中的水平行图像像素上的相应像素值，控制微镜220到“开”或“关”位置。在一个角位置，微镜能够形成显示区270中的一行图像像素261a。但是，当多边形251转动到不同的角位置，在显示区270上形成不同行的图像像素261b，262a，262b等。可以逐行或隔行扫描的方式形成图像像素261a行。图像像素行261a，261b，262a和262b可一起形成显示区270的2D显示图像260。

图3a是与扫描显示系统200兼容的空间光调制器210的详细示图。空间光调制器210包括多个微镜220a-220z，这些微镜沿着横向方向215分布在一维(1D)阵列上。在一个实施例中，微镜220a-220z是矩形的，它们的宽度比它们的长度窄。微镜220a-220z的窄边沿着横向方向215排列，以保持空间光调制器210中的微镜220a-220z的高密度(这使得在显示区270中形成高分辨率显示图像)。微镜220a-220z的长边增加了镜面积，并且由此增加了微镜220a-220z反射的光数量。

微镜220a-220z在镜子长边末端在铰链221处被铰连。铰链221作为限定用于微镜倾斜运动的转动轴的枢轴点。在一个实施例中，如图3a所示，铰链221隐藏在镜面下面。在另一个实施例中，如图3b所示，用于空间调制器310中微镜320a-320z的铰链321至少部分地暴露在它们各自的镜面外面。

在另一个实施例中，图3c所示，空间光调制器340包括两行微镜350和351，它们分布在横向方向215上。微镜350和351可以是矩形、正方形或其他形状。铰链352可如图3c所示被隐藏，或者被暴露。空间光调制器340能同时在多边形251的每一个投射方向在显示区270显示两行图像像素261a和261b。当多边形251转动到不同角位置，多边形251将光240引导到显示表面270，以形成两个不同行的图像像素262a和262b。为了避免相邻行的图像像素间的模糊，步进电机可转动多边形251。可在一个短时间段保持多边形251以形成每一对图像像素行。当多边形251从一个角位置转动到下一个角位置，入射线230可暂时偏转开显示表面270以产生光245。

在另一个实施例中，图3d描述了空间光调制器360的一个例子，它包括三行微镜370、371和372，这些微镜分布在横向方向215上。如图所示，微镜370、371和372为菱形或正方形。微镜370、371和372的一个对角线385与横向方向215平行。微镜的铰链380可位于菱形或正方形微镜的两个对角。铰链380作为微镜370、371和372的枢轴点，以允许镜面绕着被两个铰链380所限定的轴386倾斜。在图3d示出的配置中，微镜370、371和372的转动轴垂直于横向方向215。

现在描述扫描显示系统200操作的例子。如图3a所示，空间光调制器210可在1D镜阵列中包括4000个微镜。因此，每个图像行261a、261b、262a或262b包括4000个图像像素。每个图像行261a、261b、262a或262b相应于多边形251的特定反射方向。扫描显示系统200可被配置为在显示区270内提供具有4000个像素宽和2000个像素高的显示图像。为了以8比特的比特深度和60Hz的帧速提供单色视频显示，微镜的最短“开”时间(也被称为最少有效比特)为

LSB＝1/((比特深度)×(帧速)×(彩色平面的数目)×(图像行数目)

＝1/(256×60Hz×2000)＝0.033微秒                方程(1)

为了在相同条件提供彩色视频显示，微镜的最短“开”时间是0.011微秒。

在扫描显示系统200操作的另一个例子中，如图3d示出的空间光调制器210包括三行的4000个微镜。扫描显示系统200可被配置产生4000个像素宽和2000个像素高的显示图像。三行微镜370、371和372可同时显示三行图像像素。为了以8比特的比特深度和60Hz的帧速提供单色视频显示，微镜的最短“开”时间为

LSB＝1/((比特深度)×(帧速)×(彩色平面的数目)×(图像行数目)/(镜行数目))

＝1/(256×60Hz×2000/3)＝0.1微秒               方程(2)

同样地，为了使用三行镜子及其他相同条件提供彩色视频显示，微镜的最短“开”时间是0.033微秒。与图3a示出的空间光调制器相比，放松了对镜子倾斜运动速率的要求。

图4示出了微镜220Z的放大详细结构。在沿着图3a中的线A-A的截面图中，微镜220Z包括镜面402，镜面402包括提供所述镜子表面的平坦反射上层403a，给所述镜面提供机械强度的中间层403b和底层403c。上层403a可由反射材料实现，典型地，薄反射金属层。例如，可使用铝、银或金形成上层403a。所述层厚度可在200-1000埃的范围内，如大约600埃。中间层403b可由基于硅的材料(如非晶硅)制造，典型地大约2000-5000埃的厚度。可由电子传导材料构造所述底层403c，该材料允许底层403c的电子电势相对于步进电极421a或421b受控。例如，底层403c由钛制造且具有200-1000埃范围的厚度。

镜面402包括铰链406，铰链与底层403c相连且由铰链柱405支撑，铰链柱坚固地连接到基板400。镜面402可包括两个连接到底层403c的铰链406(即，图3a中的铰链221)。每个铰链406(或221)限定镜面402的枢轴点。两个铰链406(或221)限定一个轴，镜面402可绕该轴倾斜。铰链406延伸到镜面403的下部分内的腔。为了便于制造，铰链406可被制作为底层403c的一部分。

步进电极421a和421b、着陆点422a和422b和支撑框架408也可制作在基板400上。步进电极421a电连接到电极431，该电极的电压Vd可被外部控制。同样地，步进电极421b电连接到电极432，该电极的电压Va可被外部控制。镜面402的底层403c的电势可由电极433控制在电势点Vb。

可选地控制微镜220a-220z组中的微镜220Z。双极电脉冲可分别应用到电极431、432和433。当在镜面402上的底层403c和步进电极421a或421b之间产生电势差时，可在镜面402上产生静电力。镜面402两边上的静电力之间的不均衡导致镜面402从一个方向倾斜到另一个方向。当如图4所示镜面402倾斜到“开”位置时，平坦反射上层402反射入射光230，以顺着“开”方向产生反射光240。当镜面倾斜到“关”位置时，入射光230被反射到“关”方向。

步进电极421a和421b中的多个步阶使得镜面403和电极421a或421b间的气隙变窄，且能增加镜面402受到的静电力。步进电极421a和421b的高度可在大约0.2微米到3微米的范围内。

为了制造简单，着陆点422a和422b可具有与步进电极421a和421b的第二步阶一样的高度。在每次倾斜运动后，着陆点422a和422b为镜面402提供轻的机械止动。着陆点422a和422b也可以在精确的角度停止镜面402。另外，当静电力使它们变形时着陆点422a和422b也可存储弹性能量且当移除静电力时将弹性能量转换为动能来推开镜面402。对镜面402向后推可有助于分离镜面402和着陆点422a和422b，这有助于克服镜面与基板的粘连，这对镜面设备是公知的难题。

可理解，在不偏离本发明精神的情况下，所公开的系统和方法与微镜、光扫描和投射系统和显示器的其它配置兼容。微镜一般可包括微细加工技术制造的镜子并且可在电子控制下在一个或多个方向倾斜。所公开的显示系统可使用不同的光源。另外，以上使用的参数是用于示出公开的显示系统操作的例子。在不偏离本说明书精神的情况下，所公开的显示系统可运行在不同操作条件。而且，虽然图4示出了通过接触着陆点在预定角度停止的镜面的例子，但是所公开的显示系统也可与非接触微镜兼容，非接触微镜可倾斜到不同的位置而无需接触基板上的物体。

也可理解，结合图2a和2b讨论的显示图像可在相对于观察者的不同方向排列。例如，可配置所公开的显示系统，使得显示图像2000个像素宽和4000个像素高。而且，如图2a和2b所示，基于一行或多行微镜的空间光调制器调制的光可以被除了多边形以外的光系统扫描。

Claims (20)

1.一种显示系统，包括：

一行或多行可倾斜微镜，每一个微镜被配置为可选地倾斜到“开”位置来在“开”方向上反射入射光以及可选地倾斜到“关”位置来在“关”方向上反射入射光；和

光学投射系统，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光以产生显示图像中的沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素，以及改变“开”方向上被微镜反射的光的方向来产生显示图像中的一个或多个第二行图像像素，其中所述一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素。

2.权利要求1的显示系统，其中光学投射系统被配置为将“开”方向上被微镜反射的光的方向改变为多个方向，使得多组的一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素而被形成。

3.权利要求2的显示系统，其中多组的一个或多个第二行图像像素在基本上与第一方向垂直的第二方向上偏离所述一个或多个第一行图像像素。

4.权利要求2的显示系统，其中多组的一个或多个第二行图像像素和所述一个或多个第一行图像像素形成显示图像中的图像像素的二维阵列。

5.权利要求1的显示系统，其中光学投射系统包括一个多边形，该多边形包括一个或多个可反射表面，这些表面被配置为反射“开”方向上被微镜反射的光，以在显示图像中沿着第一方向形成所述一个或多个第一行图像像素。

6.权利要求5的显示系统，其中光学投射系统进一步包括传送装置，传送装置被配置为使得多边形绕一个转动轴转动以改变反射光的方向，以产生显示图像中的多组的一个或多个第二行图像像素。

7.权利要求5的显示系统，其中多边形的转动轴基本上平行于第一方向。

8.权利要求1的显示系统，其中至少一个可倾斜微镜被配置为绕一个轴倾斜，该轴基本上垂直于所述一行或多行可倾斜微镜的行方向。

9.权利要求1的显示系统，其中至少一个可倾斜微镜可包括镜面，和与镜面及基板相连接的两个铰链。

10.权利要求9的显示系统，其中所述镜面被配置为绕着由两个铰链限定的轴被静电力倾斜。

11.权利要求9的显示系统，其中铰链隐藏在镜面后面而远离入射光。

12.权利要求9的显示系统，其中铰链至少部分暴露给入射光。

13.权利要求1的显示系统，其中至少一个可倾斜微镜包括具有可反射表面的镜面，该可反射表面被配置为将入射光反射到“开”方向。

14.权利要求13的显示系统，其中所述镜面是矩形、正方形或菱形。

15.权利要求14的显示系统，其中矩形镜面的窄边沿着所述一行或多行可倾斜微镜的行方向排列。

16.权利要求14的显示系统，其中菱形镜面或正方形镜面的对角线沿着所述一行或多行可倾斜微镜的行方向排列。

17.权利要求1的显示系统，其中光学投射系统包括：

投射设备，被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光来产生显示图像中的沿着第一方向的所述一个或多个第一行图像像素；和

传送装置，被配置为转动投射设备以改变“开”方向上被微镜反射的光的方向，以产生所述一个或多个第二行。

18.权利要求1的显示系统，其中所述一行或多行可倾斜微镜各自被配置为绕着一个轴被静电力倾斜，该轴基本上垂直于所述一行或多行可倾斜微镜的行方向。

19.一种成像方法，包括：

将光引导到一行或多行可倾斜微镜，每一个微镜被配置为可选地倾斜到“开”位置以在“开”方向上反射入射光以及可选地倾斜到“关”位置以在“关”方向上反射入射光；

将至少一个微镜倾斜到“开”位置以形成反射光；

投射来自光学投射系统的反射光，所述投射系统被配置为投射在“开”方向上被微镜反射的光；

在显示图像中沿着第一方向产生一个或多个第一行图像像素；

重复这些步骤：将光引导到一行或多行可倾斜微镜，以及通过改变光学投射系统来改变在“开”方向上被微镜反射的光的方向以产生显示图像中的一个或多个第二行图像像素，其中该一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素。

20.一种成像方法，包括：

形成一行或多行可倾斜微镜，每一个微镜被配置为可选地倾斜到“开”位置来在“开”方向上反射入射光以及可选地倾斜到“关”位置来在“关”方向上反射入射光；

形成光学投射系统，光学投射系统被配置为投射“开”方向上被微镜反射的光以产生显示图像中沿着第一方向的一个或多个第一行图像像素，以及改变“开”方向上被微镜反射的光的方向以产生显示图像中的一个或多个第二行图像像素，其中该一个或多个第二行图像像素基本上平行于所述一个或多个第一行图像像素；和

安排所述光学投射系统在所述“开”方向上反射的光路上。

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