CN102362209A - 可编程微机电微光闸阵列 - Google Patents
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Abstract
一种微光闸阵列(102)具有带有包括光透射部分(202)的单个开口的框架(204)。线性微光闸元件(110)延伸横跨光透射部分且彼此平行。每个微光闸元件具有在长度方向上延伸的平叶片(200)以及在长度方向上从叶片的各侧向外延伸的第一和第二扭臂，该叶片延伸横跨光透射部分。控制电路提供施加至线性微光闸元件的每一个的经分别控制且独立的电压。控制器(112)设置施加至线性微光闸元件的每一个的相应电压。分压器电路(600)可以提供各种电压以便将叶片定位成各种角度。
Description
技术领域
本发明一般涉及光闸器件，尤其涉及一种用于选择性地阻挡一列或多列感光像素上的光的单独可编程可致动光闸的微机电阵列。
背景技术
在数码相机及其它成像应用中，通常有用的是能够选择性地阻挡光落到电子传感器的一些部分上，且允许光落到该传感器的其它部分上。常规的机械光闸技术已用于曝光序列，该曝光序列跨传感器进行扫描，从而每次仅曝光一部分；然而，由于受尺寸、机械复杂性、可靠性及成本的限制，较不期望此类解决方案用于小型传感器阵列。
微机电系统(MEMS)技术已用于在诸多显示应用中提供具有选择性地可致动的光闸的光闸阵列。例如，授权给Vuilleumier的题为“Light Modulation Devicewith Matrix Addressing(具有矩阵寻址的光调制器件)”的美国专利No.5,078,479以及授权给Worley的题为“Electro-Micro-Mechanical Shutters on TransparentSubstrates(透光基板上的微机电光闸)”的美国专利No.5,784,190中描述了用于显示器件的MEMS光闸阵列。利用此类显示器件，MEMS光闸对应于图像像素，使得各个显示像素是使用一个或多个微光闸元件而形成。
MEMS光闸阵列亦已用于光传感器应用中。在一个高度宣扬的NASA项目中，正在开发一种MEMS微光闸阵列以支持用于詹姆士韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope，JWST)上的近红外线光谱仪的场选择。此阵列使用用于可变场选择的单独可致动100微米×200微米光闸叶片的128×64元件矩阵。每个光闸阻挡光至分离单元(cell)，其中沿一个单元壁具有电极。各个光闸在被致动以前通常是关闭的。光闸叶片自身是通过在阵列上方扫描磁体而电磁地打开，且其后静电地所需目标位置上方锁定。Li等人所著的刊载于Proceedings of SPIE，Micro-and Nanotechnology：Materials，Processes，Packaging，and Systems II(SPIE会议论文集，微米技术和纳米技术：材料、处理、封装和系统II)第5650卷第9-16页，题为“Microshutter Array Development for the JamesWebb Space Telescope(用于詹姆士韦伯太空望远镜的微光闸阵列开发)”的论文中描述了此器件。
认识到用于JWST器件的解决方案的固有限制后，与日本宇宙航空研究机构(Japan Aerospace Exploration Agency)合作的天文研究者已提出一种静电地致动的替代微光闸阵列。2005年7月Motohara等人在德国Ringberg的Workshopfor Instrumentation on Extremely Large Telescopes(超大型望远镜上的仪器的研讨会)上提出的题为“Development of Microshutter Arrays for Ground-BasedInstruments(用于基于地面的仪器的微光闸阵列的开发)”的论文中已描述这些人的工作。Motohara等人的器件类似地使用单元阵列，其中每个单元具有通常在被致动以前是关闭的单个光闸，且沿一单元壁具有其致动电极。
虽然MEMS微光闸已被开发出来用于各种显示器件及用于天文仪器，然而，JWST或Motohara等人的器件所提出的解决方案将难以按比例调整为数码相机应用或一般手持图像捕捉器件所需的大小。此外，即使此类器件可按比例调整为数码相机应用所需的大小，诸如较差的填充因子、固有的制造困难及令人失望的光闸响应时间等问题仍会明显影响它们的有用性。此等器件需要极大的表面积以用于致动及机械支持组件，严重降低可用于透光的阵列比例。对于期望尽可能多地提供来自物场的光的小型数字图像捕捉装置，此问题尤其麻烦。
操作要求使该问题进一步复杂化。例如，对于数码相机或其它数字成像装置而言，用于JWST器件的机电初始化(在微光闸阵列上方扫描磁铁以初始锁定光闸于关闭位置)是不切实际。Motohara等人的器件所需的高锁定电压(超过100Vdc)使此类型的解决方案完全不适合用于数码相机。JWST及Motohara等人的器件皆使用沿单元壁安置的电极，此并非使用已知MEMS技术以较小尺寸可容易地制造的配置。
因此，虽然已开发出用于一些类型的显示及图像感测应用的MEMS微光闸阵列，例如，较大的分离单元阵列，但仍需要一种适合于数码相机及其它手持成像器件的微光闸阵列解决方案。
发明内容
本发明的一个方面是微光闸阵列。该微光闸阵列包括：框架，该框架具有包括光透射部分的单个开口；及多个线性微光闸元件，该微光闸元件延伸横跨该光透射部分且彼此平行。每个微光闸元件包括：平叶片，该平叶片在长度方向上延伸横跨该光透射部分的宽度；及第一和第二扭臂，该扭臂连接至框架，且在长度方向上从叶片的各侧向外延伸。控制电路产生施加至线性微光闸元件的每一个的经分别控制且独立的电压。控制器设置施加至线性微光闸元件的每一个的相应电压。
本发明的另一方面是一种系统，该系统包括：先前所述的微光闸阵列，以及用于存储线性微光闸元件的不同设置的存储元件。
本发明的另一方面是一种成像模块，该成像模块包括：先前所述的微光闸阵列，及一图像传感器。
有益效果
本发明包括如下优点：施加独立且经分别控制的电压至微光闸阵列中每个单独可编程可致动的微光闸元件。这允许光更有效地适应来自透镜(诸如相机透镜)的光线角度。微光闸阵列的速度得到提高，同时微光闸阵列的功耗得到降低。本发明还允许光闸时序的较高灵活性。
附图简述
虽然说明书以具体指出并清楚地要求保护本发明主题的权利要求书作为总结，但是相信，结合附图通过以下描述可以更好地理解本发明。附图中的元素并不一定彼此按比例绘制。
图1是示出根据本发明一实施例，使用微光闸阵列的成像装置的组件的示意性框图；
图2是根据本发明的一实施例中的微光闸阵列102的截面的透视图；
图3是沿图2的Q-Q线的视图，示出根据本发明的一实施例中的微光闸阵列102的多个组件；
图4是根据本发明的一实施例中的相机透镜和微光闸阵列102的侧视图；
图5描绘根据本发明的一实施例中的叶片角度相对于施加电压的示例性曲线图；及
图6是根据本发明的一实施例中的用于定位微光闸元件110的示例性控制电路的框图。
详细描述
本描述尤其针对形成根据本发明的装置的一部分或与其更直接地协作的元件。应该理解，未明确示出或描述的元件可采用本领域技术人员所熟知的各种形式。现参照附图，在附图中相似的附图标记表示对应的部分：
本文所示出和描述的附图是为说明根据本发明的操作和制造原理而提供的，且无意为示出实际尺寸或标度而绘制。鉴于用于本发明的微光闸阵列的组件部分的相对大小，有必要作些放大以强调基础结构、形状和操作原理。
现参照图1，示出根据本发明的一实施例中使用微光闸阵列的成像装置的组件的示意性框图。成像装置100包括根据本发明的一实施例中的微光闸阵列102和图像传感器104。诸如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器之类的图像传感器104通常具有安排成列与行的像素阵列(未显示)。来自物场的入射光(由点线箭头指示)经图像形成透镜106引导穿过微光闸阵列102以及可任选地穿过微透镜阵列108而抵达传感器104。微光闸阵列102具有多个独立可编程可致动光闸元件110(亦称为微光闸元件)。在图1中仅示出少量微光闸元件110，在此图以及以下附图中对MEMS实施例使用有意放大的标度。
微光闸元件110的致动是由控制逻辑处理器112(下文称为“控制器112”)来控制的，该控制器112还控制根据本发明的一实施例中的图像传感器104的图像感测功能。图像处理组件114与控制器112协作以获得、处理和存储从传感器104所获得的图像数据。控制器112可嵌入到微光闸阵列102、图像传感器104、图像处理组件114或其它控制逻辑芯片(未显示)中，举例而言，在根据本发明的一个或多个实施例中，诸如自动聚焦驱动器。
与常规光闸配置不同，微光闸阵列102使用跨图像传感器104上的一个或多个像素线或行的微光闸元件110。在图1所示的实施例中，各个微光闸元件110延伸完全横跨传感器104的活性区域的宽度，以为一个或多个完整像素行提供光闸。具有独立可编程可致动微光闸元件110，此设计由于速度提升和功率降低而优于常规微光闸阵列配置。另外，此设计允许光闸时序的更高灵活性。
图2的透视图较详细地示出微光闸阵列102的截面，其中再次放大组件尺寸且仅示出几个微光闸元件110。每个微光闸元件110具有沿长度方向延伸横跨框架204的光透射部分202的平叶片200，以及连接至框架204且在长度方向L上从叶片200的各侧向外延伸微光闸元件110的延伸长度的第一和第二扭臂206。每个微光闸元件110可位于任选的轴颈轴承208内，为了微光闸元件110的较好可视性，从图2中移除了轴颈轴承208的一些。轴颈轴承208的目的是帮助微光闸对准以及防止相邻的微光闸元件110之间的碰撞或其它不期望的相互作用。
叶片200通过施加经分别控制且独立的电压至每个叶片而从图1和图2的站立或垂直位置开始旋转。该电压导致对框架204或微光闸阵列102的基板的静电吸引。每个叶片200上的该吸引扭矩与电压呈非线性关系。较佳地施加小电压至叶片200以使它们从其静止位置部分地旋转。然而，为适应来自透镜的光线角度，在根据本发明的一实施例中，每个叶片200的角度从阵列的外边缘到中心而稍微不同。
图3是沿图2中Q-Q线的视图，示出根据本发明的一实施例中的微光闸阵列102的多个组件。图3更详细地示出微光闸阵列102的截面，其中扩大了组件尺寸且仅示出几个微光闸元件110。如先前所讨论，每个微光闸元件110具有平叶片200及沿长度L从叶片200的各侧向外延伸微光闸元件110的延伸长度的两个扭臂206。
入射光方向由标记为I的箭头示出。框架连同其它支撑元件支撑一组微光闸元件110及其对应的轴颈轴承208(见图2)，且提供光透射部分202。在根据本发明的一实施例中，光透射部分202对入射光I是透明的。在根据本发明的另一实施例中，光透射部分202是中空的。
用于图像传感器的主光线角度(CRA)可取决于相机模块设计而改变。因此，用于微光闸元件的最佳角度可改变。在根据本发明的一实施例中，为了与不同CRA兼容，叶片角度是可编程的。用于叶片200的一组或多组设置可被存储在微光闸阵列102、图像传感器104或数字信号处理管芯上的存储器中。然后，有效设置可被存储作为随后可由用户根据CRA而选择的寄存器设置。
一般而言，微光闸阵列102被放置在顶部透镜与图像传感器104之间。微光闸元件110比现有技术系统在开口位置透射更多光，这是因为叶片200被适当地转动角度以适应来自相机物镜的光的光线角度。图4是根据本发明的一实施例中的相机透镜和微光闸阵列102的侧视图。请注意，在z方向(进出纸的方向)上，来自相机透镜的光锥完全落到图像传感器104上。图4示出允许光更有效地适应来自相机透镜400的光线角度的原理。请注意，在图4所示的示例性实施例中，叶片200在图像传感器104的较远左侧和右侧比在中间处更加倾斜，叶片200在中间处即使倾斜也没有倾斜很多。每个叶片200的角度从两端至中间逐渐变化。如先前所讨论，在图4实施例中，通过在正常打开位置施加不同电压至每个叶片而实现。根据本发明的其它实施例可不同地定位叶片200。
图5是根据本发明的一实施例中的叶片角度相对于施加电压的示例性曲线图。图5描绘用于三种不同扭杆长度的曲线。曲线500是用于具有两毫米长度的扭杆，曲线502是用于具有一毫米长度的杆，且曲线504是用于具有三分的二(2/3)毫米长度的扭杆。请注意，对较长的两毫米扭杆，强非线性是相当明显的。超过特定电压点后，叶片角度开始快速改变。然而，通过使用较短、较硬的扭杆，非线性相当温和。因此，可以使用适度电压来在0度至30度的范围内控制光闸叶片位置，该范围对大多数相机透镜设计是足够的。增加扭杆的硬度还意味着完全关闭光闸叶片的电压增大。常规的金属氧化物半导体(MOS)技术可以适应在20-70伏特范围内的电压。在根据本发明的一实施例中，完全关闭光闸叶片仅需25伏特。在一个或多个实施例中，逐渐地施加使光闸叶片稍微转动角度所需的电压，使得光闸叶片由于从所需稳态位置的过量而不会完全关闭。
现参照图6，示出根据本发明的一实施例中用于定位光闸控制元件的示例性控制电路的框图。在半导体基板(未显示)上形成微光闸阵列102，且因此如果需要，可以向器件基板添加电子电路。该电子电路也可以处于微光闸阵列的外部。门1将微光闸阵列102切换为正常打开状态。分压器电路600提供多种电压以将叶片定位成各种角度。电压V1一般低于用于完全关闭光闸叶片的V2。分压器600可为非线性，以向叶片供应多种电压。分压器600可从任何数量的电学元件(诸如电阻器或晶体管)设计而成。
对于图4所示的实施例，微光闸元件110中的叶片200通过向根据本发明的一实施例中阵列的外围叶片施加较大电压且向中心叶片施加较小或零电压而定位。由门2控制的群开关允许快速施加较大的电压V2，以便一次完全关闭所有叶片。由于在轻阻尼系统中完全关闭光闸叶片阵列具有机械过冲的优点，因此可快速地施加门2。
部件列表
100 成像装置
102 微光闸阵列
104 图像传感器
106 透镜
108 微透镜阵列
110 微光闸元件
112 控制器
114 图像处理组件
200 叶片
202 光透射部分
204 框架
206 扭臂
208 轴颈轴承
400 相机透镜
500 曲线
502 曲线
504 曲线
600 分压器
Claims (15)
1.一种微光闸阵列，包括：
框架，具有包括光透射部分的单个开口；
多个线性微光闸元件，延伸横跨所述光透射部分且彼此平行，每个微光闸元件包括在长度方向上延伸横跨所述光透射部分的平叶片以及连接至所述框架且在长度方向上从叶片的各侧向外延伸的第一和第二扭臂；
控制电路，用于产生施加至所述线性微光闸元件的每一个的经分别控制且独立的电压；以及
控制器，用于设置施加至所述线性微光闸元件的每一个的相应电压。
2.如权利要求1所述的微光闸阵列，其特征在于，所述光透射部分是透光材料。
3.如权利要求1所述的微光闸阵列，其特征在于，所述光透射部分是中空的。
4.如权利要求1所述的微光闸阵列，进一步包括引导在所述微光闸元件之间的光的小透镜。
5.如权利要求1至4中任一项所述的微光闸阵列，其特征在于，所述控制电路包括：
第一门，用于将所述微光闸阵列切换为第一状态；
分压器电路，用于提供多个电压以便将所述微光闸元件的叶片定位成各种角度；以及
第二门，用于将所述微光闸阵列切换为第二状态。
6.一种系统，包括：
微光闸阵列，包括具有包括光透射部分的单个开口的框架；
多个线性微光闸元件，延伸横跨所述光透射部分且彼此平行，每个微光闸元件包括在长度方向上延伸横跨所述光透射部分的平叶片以及连接至所述框架且在长度方向从叶片的各侧向外延伸的第一和第二扭臂；
控制电路，用于产生施加至所述线性微光闸元件的每一个的经分别控制且独立的电压；
控制器，用于设置施加至所述线性微光闸元件的每一个的相应电压；以及
存储元件，用于存储所述线性微光闸元件的不同设置。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光透射部分是透光材料。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光透射部分是中空的。
9.如权利要求6所述的系统，进一步包括引导所述微光闸元件之间的光的小透镜。
10.如权利要求6至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制电路包括：
第一门，用于将所述微光闸阵列切换为第一状态；
分压器电路，用于提供多个电压以将所述微光闸元件的叶片定位成各种角度；及
第二门，用于将所述微光闸阵列切换为第二状态。
11.一种成像装置，包括：
成像传感器，包括排列成行的像素阵列；以及
微光闸阵列，定位于所述像素阵列的上方，其中所述微光闸阵列包括：
框架，具有包括光透射部分的单个开口；
多个线性微光闸元件，延伸横跨所述光透射部分且彼此平行，每个微光闸元件包括在长度方向上延伸横跨所述光透射部分的平叶片以及连接至所述框架且在长度方向上从叶片的各侧向外延伸的第一和第二扭臂；
控制电路，用于产生施加至所述线性微光闸元件的每一个的经分别控制且独立的电压；及
控制器，用于设置施加至所述线性微光闸元件的每一个的相应电压。
12.如权利要求11所述的成像装置，其特征在于，平叶片在未致动位置上允许光透射穿过所述光透射部分，且在致动时阻挡光透射。
13.如权利要求11所述的成像装置，进一步包括引导所述微光闸元件之间的光。
14.如权利要求11所述的成像装置，进一步包括引导光至所述微光闸阵列的透镜。
15.如权利要求11至14中任一项所述的成像装置，其特征在于，所述控制电路包括：
第一门，用于将所述微光闸阵列切换为第一状态；
分压器电路，用于提供多个电压以便将所述微光闸元件的叶片定位成各种角度；以及
第二门，用于将所述微光闸阵列切换为第二状态。
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