CN101652697B - 二轴反射镜选色微反射镜成像器 - Google Patents

二轴反射镜选色微反射镜成像器 Download PDF

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Abstract

本发明描述了可控的反射装置，该反射装置具有能够在至少四个方向上枢转的二轴反射镜阵列。微反射镜阵列的每个微反射镜通过扭转枢轴被轭支撑，该轭由第二共面垂直扭转枢轴附着到反射镜阵列支撑物。反射镜和轭电导通到反射镜阵列支撑物上的被所有反射镜/轭组件共享的公共节点。在每个反射镜/轭组件的下面，反射镜阵列支撑物具有彼此电隔离且与反射镜/轭组件电隔离的四个板区域。响应来自集成在反射镜阵列支撑物上的驱动器开关的电信号，成对驱动的这些板区域选择性提供相对于公共节点的电场。该电场吸引反射镜和轭，以促进反射镜/轭组件运动到期望的反射状态。

Description

二轴反射镜选色微反射镜成像器
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滤色器。
背景技术
采用如数字光处理器(DLPTM)(Texas Instruments)成像器的反射光引擎或成像器的微型显示器投影系统，日益应用在彩色成像或视频投影装置(例如，背投电视(RPTV)、家庭影院正面投影TV和影院系统)中。在现有的投影系统中，如图1所示，提供光源10，在这里是UHP灯，并产生白光(即全彩色光谱)。来自光源10的光通过色轮(color wheel)20，该色轮20具有多个二向色滤光元件(dichroic filtering elements)，每个二向色滤光元件允许蓝、绿或红之一的光带通过，并反射其它颜色的光。旋转色轮20以使得蓝、绿或红的光带的时间图案(temporal pattern)通过色轮。通常，色轮旋转得足够快，以在视频图像的每帧期间对每个原色产生至少一个原色周期。
积分仪30接收来自光源10的被允许通过色轮20的光带，并通过中继光学器件40将该光带引入全内反射(TIR)棱镜50。TIR棱镜50反射该光带到诸如DLP成像器的成像器60上。成像器调制光束的各像素的强度，并将它们反射回去通过TIR棱镜50进入投影透镜系统70。在DLP中，只有闪光频率(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，直接调制强度。投影透镜系统70将光像素聚焦在屏幕(未示出)上，以形成可观看的图像。由每个都为三色(蓝、绿和红)的快速连贯的像素矩阵形成彩色视频图像，由观看者的眼睛混合而形成全色图像。
本说明书通篇与现有技术的实践一样，术语像素用于表示图像、光传输所对应的部分以及成像器产生光传输的部分的小的区域或者点。
DLP成像器60包括微反射镜矩阵，其在反射光通过TIR棱镜50并进入投影透镜系统70的角度和使光偏转而不被投影透镜系统70投射的角度之间可移动。每个微反射镜都根据特定微反射镜的连续闪光而反射期望强度的光的像素，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，成像器的每个微反射镜或者像素都根据输入给成像器或者光引擎的灰度级因子(gray-scale factor)调制入射其上的光，以形成不连续调制的光信号或者像素的矩阵。
迄今，对于投影图像的每个像素采用一个微反射镜，并且方形镜的阵列栅格平行于图像的边缘排列。然而，采用Smooth PictureTM(平滑图像)(德州仪器，Texas Instruments)技术，微反射镜阵列的栅格相对于图像边缘旋转45度，并且各像素呈现为菱形。于是，通过可移动的光学组件(反射镜或透镜)偏移通过这样阵列所形成的图像，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图片细节的一半。这使得分辨率两倍于微反射镜的数量。可以减少微反射镜的数量，以使低成本成像器用于低端投影仪而保持分辨率。对于高端产品(数字影院或者高端电视产品)，反射镜的数量可以保持很高，并且分辨率可以加倍。
使用色轮引入了称为“彩虹效应(Rainbow Effect)”的视觉伪影(visualartifact)。因为颜色依次闪光，所以在高达每秒800度的速率的快速眼动(眼球快速转动)期间，静止物体在显示器上的颜色将在人眼的视网膜上分离。大脑将该分离感知为物体的具有不同亮度的多原色图像。视觉系统的亮度带宽很宽，但是也有低通特性(low pass characteristic)。随着颜色闪光速度的增加，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。当颜色闪光在约每秒3000次以上时，呈现为同化现象并且彩虹图像融合。当前的单一成像器DLPTM系统以低于每秒1000颜色闪光而运行，从而可见彩虹效应。
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定了最大的关-开-关(off-on-off)的翻转次数(flip time)，其设定了没有使用抖动(dithering)时数字灰度的最低有效单元(least significant unit)。对于家用电视投影仪中采用的8位灰度范围，最大闪光次数为大于255次。对于SmoothPictureTM，每个颜色每16.6mS成像必须照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，以增加闪光速率到每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，这是因为具有被色轮反射的颜色的光典型地被损耗。其次，如上所述，颜色分离或者分离伪影(break-up artifact)降低了投影系统的图像质量。因此，需要减少颜色分离或者分离伪影和/或提高分辨率的系统。
发明内容
本发明针对具有二轴反射镜阵列的可控反射装置，二轴反射镜能够至少在四个方向枢转。至少三原色的光束沿四个枢转方向中的三个的每个二轴反射镜被引导，一个方向对应一个原色光束，并且单一颜色的光束被反射且被引向投影透镜。在第四枢转方向上，没有颜色光束引导到投影透镜，从而投影黑色。本反射装置用于采用发光二极管(LED)或者泛光束激光器(floodbeam laser)光源而不是色轮的系统，这是因为这样的系统包括可相对于反射平面设置在适当角度的多个光源。
该微反射镜阵列的每个微反射镜通过扭转枢轴被轭支撑，该轭由第二共面垂直扭转枢轴附着到反射镜阵列支撑物。反射镜和轭电导通至反射镜阵列支撑物上的被所有反射镜/轭组件共享的公共节点。在每个反射镜/轭组件的下面，反射镜阵列支撑物具有彼此电隔离并与反射镜/轭组件电隔离的四个板区域。响应于来自集成在反射镜阵列支撑物上的驱动器开关的电信号，成对驱动的这些板区域选择性提供相对于公共节点的电场。该电场吸引反射镜和轭，以利于反射镜/轭组件运动到期望的反射状态。
附图说明
现在，将参考附图描述本发明，其中：
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二轴微反射镜；
图4示出了本发明微反射镜的一个实施例；和
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接近成像器的多个原色束。
图2是根据本发明示范性实施例的投影系统的示意图。三原色光的光源R、G、B分别设置为给成像器100提供红、蓝和绿光束。来自成像器100的图像经由投影透镜200提供给屏幕300。
成像器是数字微反射镜装置(DMD)，包括微反射镜的阵列(未示出)。该阵列的每个微反射镜都是二轴微反射镜。二轴微反射镜110具有多个数字位置(digital position)，如图3A-3D所示，从而来自颜色光源R、G、B的光输出到投影透镜300上。反射镜的至少一个数字位置反射为黑暗的(reflectdarkness)。图3A-3D分别示出了在各数字位置上的示范性微反射镜110以及红、绿或蓝之一或者黑暗的选择。
微反射镜110的示范性实施例如图4所示。微反射镜110通过附着到阵列支撑物150的轭120连接。反射镜扭转枢轴125将微反射镜110连接到轭120，并且扼扭转枢轴135将轭120连接到阵列支撑物150。微反射镜110绕反射镜扭转枢轴125枢转，从而微反射镜110以相对于轭120上表面的法线的角度运动。在一个示例中，微反射镜可以相对于轭120上表面的法线运动+/-12度。另外，轭120可以借助于轭扭转枢轴135以相对于支撑物150表面的法线的角度运动。这里再一次地，轭120可以相对于支撑物150表面的法线运动+/-12度。
反射镜枢轴125和轭枢轴135彼此垂直且在相同的平面中。这使微反射镜110绕两个轴运动到四个位置，如图3A-3D所示。
反射镜枢轴125和轭枢轴135二者都是导电扭转杆。反射镜110和轭120也都是导电的，并且连接到支撑150上的公共节点。支撑150表面上的四个独立的导电板区域300、400、500、600位于微反射镜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，而两个板400、600操作反射镜，使得反射镜110的四个边缘之一被朝着支撑150表面选择性吸引而选择颜色或黑暗，如图3A-3D所示。
三原色红(R)、绿(G)和蓝(B)的光束从两倍于反射镜偏转角的角度引向反射镜110表面。每个光束都从不同的方向进入，如图3A-3D所示。在一个实施例中，三原色每一个的光束可以以约24度的角度引向反射镜表面，该角度是+/-12度的反射镜偏转角的两倍。
参考图5A-5D，在选择颜色或黑暗时，导电板区域300、400、500、600中的两个是相对于连接反射镜/轭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(active)(+)。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110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之间产生大的电场的能力提供快速的反射镜位置转换速度。
反射镜与轭之间的电荷差产生其间的电场，电场的强度与反射镜与轭之间的电压成比例。该电场寻求最小化板区域之间的距离。移动二轴反射镜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。因为两个轴在方形镜下是对角的，所以这引起四个反射镜边缘之一尽可能靠近安装表面。控制板上的N表示没有相对于反射镜的电压差。促进吸引的电压脉冲可以通过集成在反射镜下面的硅中的驱动器施加给控制板。
反射镜扭转枢轴125和轭扭转枢轴135提供恢复力，在没有驱动信号时，将反射镜110返回到平行于支撑150表面的中性状态。在成像器操作期间，扭转枢轴的恢复不是显著的因素。
在“眼球快速转动”期间，人的视网膜上的点可以以高达800度/秒改变位置。如果颜色采样没有足够快地提供融合，即＜0.27度/采样，则颜色分离的多个图像将被看到三原色的着色。该彩虹效应的防止要求颜色闪光必须非常快或者不同的颜色共存且均匀分布，从而可以空间地产生颜色融合。这里描述的微反射镜阵列可以以像素水平选择多个颜色，并且与色轮相比可以显著地增加颜色闪光速度。这里描述的微反射镜阵列还可以在空间采样的显示器上呈现颜色。
在一个实施例中，例如，采用Smooth PictureTM(平滑图像)技术的菱形像素，垂直时帧(vertical time frame)分成两半，一半对应于一个平滑图像的图像。然后，每半帧时分成一个或多个子帧周期。每个子帧周期可以保持最大量的最小有效闪光(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。人眼要求基于日志的(log-based)亮度增加，以对输入的信号进行伽马校正(gamma corrected)。
图像越黑的部分需要越精细的步长。颜色选择微反射镜可以转换颜色(即黑-颜色-黑或者颜色1-颜色2-颜色1)，并且以类似单轴微反射镜的LSF(黑-光-黑)的速率产生LSF。这样的设置使得闪光对于光源的颜色峰值为时间定制的，以产生给定色温(color temperature)的白色。在一个实施例中，给定的光源可以产生所希望的白色(具有61％绿、31％红和8％蓝)，从而深灰可以是8LSF绿+4LSF红+1LSF蓝。这是“白包(white packet)”。微反射镜重复该“白包”颜色转换图案，以建立越来越明亮的白色。这样的设置对于黑白图像产生最大的颜色转换速度，以满足眼睛的亮度敏感性。如果像素被着色，则达到一个原色的期望的强度时白色产生序列结束。另两个原色继续其白色图案比率，直到达到第二原色的期望的亮度。最后，第三原色继续直到满足期望的亮度。
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而保持白色比例，放慢了“白包”序列。为了避免彩虹，颜色采样速率应当超过每秒3000次采样。例如，对于5μS的LSF，在上述实施例中的最小“白包”为65μS，每秒给出15385次采样。每个白包中的颜色采样延长到五倍，从而以五分之一的反射镜运动数量减少最小“白包”到每秒3077次颜色采样。
对于静止图像，当相邻原色像素在视网膜上分开的角度低于0.12度时，产生颜色融合。这是颜色子像素显示的基础。如果相邻像素在相同的时间上没有显示相同的颜色，则可以空间地实现彩虹消除。该设置允许放慢颜色闪光采样速度而没有眼球快速转动彩虹。例如，如果RGB条纹在一帧时间闪光两次而不是跨入垂直于条纹的一个像素，则每个像素适当地显示所有的三个颜色，从而将看不到条纹，并且各颜色将融合。
前面所述说明了实施本发明的一些可能性。在本发明的范围和精神内，很多其它实施例也是可能的。因此，旨在前面的描述被看作说明而不是限定，并且本发明的范围由所附权利要求及其全部等同特征的范围一起给出。

Claims (6)

1.一种具有多个微反射镜的投影系统，每个微反射镜包括：
板(150)，其中至少具有四个导电区域(300、400、500、600)；反射镜(110)，绕反射镜扭转枢轴(125)枢转；以及
轭(120)，绕轭扭转枢轴(135)枢转，该轭设置在该板和该反射镜之间，该轭扭转枢轴和该反射镜扭转枢轴在同一平面中并且彼此垂直；
其中该轭扭转枢轴将该轭连接到该板，且该反射镜扭转枢轴将该反射镜连接到该轭，使得该反射镜至少在四个方向上是可运动的。
2.如权利要求1所述的投影系统，其中该反射镜相对于该轭的上表面运动。
3.如权利要求2所述的投影系统，其中该轭相对于该板的表面运动。
4.一种微反射镜，包括：
板(150)，其中至少具有四个导电区域(300、400、500、600)；反射镜(110)，绕反射镜扭转枢轴(125)枢转；以及
轭(120)，绕轭扭转枢轴(135)运动，该轭扭转枢轴和该反射镜扭转枢轴在同一平面中并且彼此垂直，并且该轭设置在该板和该反射镜之间；
其中该轭扭转枢轴将该轭连接到该板，且该反射镜扭转枢轴将该反射镜连接到该轭，使得该反射镜在至少四个方向上是可运动的。
5.如权利要求4所述的微反射镜，其中该反射镜相对于该轭的上表面运动。
6.如权利要求5所述的微反射镜，其中该轭相对于该板的表面运动。
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