CN106464857B

CN106464857B - 紧凑型3d深度捕获系统

Info

Publication number: CN106464857B
Application number: CN201580021523.7A
Authority: CN
Inventors: 大卫·M·布卢姆; 马修·A·莱昂内
Original assignee: Moose Technologies
Current assignee: Moose Technologies
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: US9389069B2; KR20170002386A; EP3123717A4; WO2015148325A1; EP3123717A1; JP2017513000A; JP6657111B2; CN106464857A; US20150281671A1

Abstract

紧凑型3D深度捕获系统基于3D系统驱动/接口、3D系统摄像机和3D系统投影仪。系统适合于集成在移动电子设备例如智能电话和桌面电脑中。

Description

紧凑型3D深度捕获系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月26日提交的美国申请序列号14/226,515的优先权并要求其权益，该申请通过援引其整体内容而并入在此。

技术领域

本公开涉及3D深度捕获系统，特别是那些适于集成到移动电子设备中的3D深度捕获系统。

背景技术

三维(3D)深度捕获系统将传统的摄像扩展到第三个维度。虽然从传统的摄像机获得的2D图像指示在每个(x，y)像素处的颜色和亮度，从3D深度传感器获得的3D点云指示到每个(x，y)像素处的物体表面的距离(z)。这样，3D传感器提供第三个空间维度z的测量。

3D系统直接获取深度信息而不是依靠视角、相对尺寸、遮挡、纹理、视差及其它线索来探测深度。直接的(x，y，z)数据对图像数据的计算机解读是特别有用的。例如，测量到的物体的3D坐标可以发送给3D打印机来创建物体的副本。测量到的人脸的3D坐标可以改进计算机面部识别算法的准确度并减少由于照明变化引起的错误。

存在用于3D深度捕获的许多方法，但迄今为止最成功的两个是飞行时间和结构光方法。飞行时间基于测量光从3D深度捕获系统传播到物体并返回的往返时间。物体越远，往返时间越长。结构光基于投射光图样到物体上并从与投影仪隔开的有利位置探察图样。例如，当从离开投影仪的位置观察时，投射到脸上的平行的条纹的图样显现为扭曲的。

当前的3D深度捕获系统没有小到足够集成到移动电子设备例如蜂窝电话和桌面电脑中。一些系统已被封装到可被捆绑到桌面电脑上的厘米尺度的附件中。然而，为了使3D深度捕获变成对移动设备的传感器套件的可行的附加物，需要小型化到毫米尺度。

附图说明

图1A示出了配备有集成的3D深度捕获系统的移动电子设备。

图1B示出了图1A的设备在面部识别场景中。

图2示出了集成在一副眼镜中的紧凑型3D深度捕获系统。

图3示出了集成在门框中的紧凑型3D深度捕获系统。

图4是用于集成在移动电子设备中的紧凑型3D深度捕获系统的高级方框图。

图5是紧凑型3D深度捕获系统部件的概念方框图。

图6例示了包含于适合集成到移动电子设备中的小体积封装中的3D深度捕获投影仪。

图7例示了用于3D深度捕获系统投影仪的光学原理。

图8是紧凑型3D深度捕获系统中的电子和光学信号的概念方框图。

图9A和9B例示了用于产生数字条带数据信号的存储器寻址策略。

图10例示了MEMS条带布线图。

图11是例示了在系统脉冲模式工作期间的功率消耗的图形。

图12是例示了空间图样相位(“pattern phase”)和深度之间的关系的图。

图13是例示了在摄像机中的两个像素处的相位测量的图形。

图14例示了深度数据更新循环。

图15示出了紧凑型3D深度捕获系统输出数据的范例。

具体实施方式

如下所述的紧凑型3D深度捕获系统设计成能集成到智能电话及其它移动设备中。移动应用所需的小型化基于新的结构光的子系统，包括光学图样投影和检测技术以及系统集成概念。紧凑型3D深度捕获系统基于线阵列MEMS条带光学图样投影仪。系统用相对简单的计算在每一个像素处独立地估计深度。

图1A示出了装备有集成的3D深度捕获系统的移动电子设备105。系统包括3D系统投影仪110、3D系统摄像机115以及3D系统驱动/接口120。驱动/接口给移动设备的应用处理器125提供3D能力。虽然投影仪是3D系统的专用部件，摄像机也可以用于传统的照片和影像。

图1B示出了图1A的设备在面部识别场景中。当用户将设备对准他或她的脸130时，深度捕获系统获取代表从设备到脸的表面轮廓的距离的3D(x，y，z)点的集合。此数据可以在例如用于生物识别的面部识别算法中用作辅助。

智能电话、桌面电脑或类似的移动设备可以在其前面、后面乃至侧面装备有3D系统投影仪和摄像机。这些传感器可以为不同的目的而优化。作为范例，面向前的3D系统可以用来帮助电话在臂长距离处辨认其所有者，而面向后的3D系统可以为室内导航或位置认知应用提供数据。

紧凑型3D深度捕获系统投影仪和摄像机小到足够嵌入其它种类的个人辅助设备中。图2示出了集成在一副眼镜205中的紧凑型3D深度捕获系统。在图2的范例中，3D系统投影仪210和3D系统摄像机215位于角质镜架眼镜的相对拐角处。这些部件可以和在眼镜的鬓角中的处理器通信来执行物体测量和识别活动，例如识别一双鞋220的商标或尺码。

足够小且足够便宜以集成到移动电子设备中的3D深度捕获系统也适用在许多其它场合中。例如图3示出了集成在门框305中的紧凑型3D深度捕获系统。这里3D系统投影仪310和3D系统摄像机315位于门框的顶角，但许多其它安装选择也适用。装备有3D深度捕获技术的门框可以识别人、动物(例如狗320)或其它靠近的物体，并酌情准许进入。类似地，3D深度捕获系统可以集成在汽车仪表板中来监控车辆乘坐者。举例来说，如果自动系统检测到驾驶员昏昏欲睡，其可以采用刹车。

无论用于移动设备、个人辅助设备、固定装置、汽车、还是其它应用，3D深度捕获系统都共享例示在图4中的共同的系统架构，其中图4是针对于这样的系统的高层方框图。在图4中，应用处理器405与3D系统驱动/接口410通信。驱动接口与3D系统投影仪415和3D系统摄像机420通信。应用处理器405可以是任意处理器或图形处理单元。例子包括在智能电话中的主要应用处理器或在汽车中的处理单元。以下是驱动/接口、投影仪和摄像机的描述和示例。

图5是紧凑型3D深度捕获系统操作与部件的概念方框图。在图5中，3D系统投影仪510和3D系统摄像机515与驱动/接口520一起工作来获取代表物体500的3D数据。投影仪510将在一个维度具有空间变化的二维图样505投射到物体上。摄像机515从与投影仪隔开基线距离的有利位置探察图样。(基线垂直于图样中的空间变化的方向。)由摄像机记录的图样525显现为被物体的表面特征扭曲。

物体上的每个点对摄像机看起来是用具有随时间正弦强度变化的光照明的。摄像机与投影仪共享共同的时间基准并且每个都工作在连续的、循环的模式中。摄像机频率(每秒的摄像机循环)是投影仪的时间频率的大于二的整数(即3、4、5……)倍。在每个像素，摄像机在每个投影仪循环期间对投影仪时间上的强度调制采样3次、4次或5次等等。这些测量允许摄像机确定在每个像素处的强度调制的时间相位。然后使用相位测量来用结构光三角测量法估计深度。

以下更详细地论述驱动/接口520的细节，包括：脉冲密度调制器，其驱动在3D系统投影仪中的线阵列空间光调制器中的MEMS条带；存储器寻址技术，其使得能迅速重新配置投射的图样的空间周期；用卷帘快门摄像机的图样同步检测；用于MEMS条带的低压驱动方案；以及MEMS条带的伪双极性操作。

投影仪驱动/接口和包括激光光源的投影仪光学部件例示在图6中。在一个实施例中，这些部件封装在尺寸3mm×6mm×10mm的体积605中，足够小以集成到智能电话、桌面电脑或其它设备中。在此体积内的部件包括激光光源、线阵列MEMS条带光学相位调制器、傅里叶平面光学相位鉴别器和若干透镜。特别地，在图6中，激光610是在红外区发光的二极管激光器。来自激光器的光聚焦(经由x轴中继柱面镜615和场镜620)在用驱动电子设备625封装的线阵列MEMS条带光学相位调制器上。在一个实施例中，MEMS条带阵列尺寸近似0.5mm×0.2mm×0.1mm，并且每个条带尺寸近似200μm×4μm×0.1μm；它们在图6中不可见。由相位调制器反射的光入射到充当光学相位鉴别器的变迹滤波器630上。鉴别器把由MEMS条带线阵列给予的相位调制转换成振幅调制。投影透镜(y轴投影柱635和x轴投影柱640)和固定镜645随后将光透射向待测物体。

图7例示了用于例如图6中系统的3D深度捕获系统投影仪的光学原理。在图7中，场镜720位于靠近1-D(即“线性的”)MEMS条带阵列725。场镜的焦距是f。傅里叶平面相位鉴别器730位于与MEMS条带阵列在场镜的相对侧，远离场镜f。投影透镜735投射图样750。图样750是在一个维度具有空间变化的二维图样。

傅里叶平面相位鉴别器论述在例如2011年5月10日授予给Bloom等人的US 7,940,448中，其公开通过援引并入在此结合*(*并入在本文中作为“附录A”附在第124页)。特别地，这里所用的相位鉴别器类似于'448专利的图10B、16A和18的余弦(相位共性)变迹滤波器。在一个实施例中，纹影缝接近余弦的传输函数的中心部。变迹滤波器(或纹影缝的宽度)的周期选定成与MEMS线阵列中的条带的间隔相当。

至此描述的光学系统投射在一个维度中具有空间正弦强度变化的图样。图样看起来也具有时间上的正弦强度变化。然而，图样的时间调制是使用数字技术产生的。当用具有大体上比数字调制周期长的积分时间的摄像机观看时，数字时间调制表现为平滑地变化的正弦调制。可以参考图8理解这些原理，图8是在紧凑型3D深度捕获系统中的电子和光学信号的概念方框图。

图8例示了正弦的、时间上的光调制的表象是如何产生的。图形805呈现了期望的光强的正弦变化作为时间的函数。此函数作为脉冲密度调制数字波形815存储或产生在3D系统驱动/接口810。条带驱动图样波形815随时间经过在1和0两个值中交替变化。在815处示出的波形是正弦波的64倍过采样的脉冲密度表示，为便于例示而被选择。在一个实施例中，使用正弦波的2048倍过采样脉冲密度表示。

驱动/接口发送电力驱动信号至MEMS阵列中的条带。无论何时当驱动图样值是“1”时，阵列中的条带对被设置成相等的偏转，如在820所示。无论何时当驱动图样值是“0”，阵列中的条带对被设置成不等的偏转，如在825所示。在任意特定的一对条带中，一个条带可以始终静止，而另一个被设置成两种可能的偏转之一：与另一个条带的静止状态相同，或者激活状态的偏转。因为条带驱动图样是数字的，条带从不被设置成中等的偏转。

如在820中的，具有相等的偏转的条带对得到在1-D图样中亮的条纹，而如在825中的具有不等的偏转的条带对得到在1-D图样中暗的条纹。在830示出了在图样的特定像素的亮度对时间的关系。实际的光输出强度(数字光输出830)对时间是数字函数；事实上其是与条带驱动图样815相同的脉冲密度调制表示。数字条带操作消除了不得不适应表达光输出对条带驱动信号的关系的像素传递函数。MEMS条带的高的重新配置速度使得它们能够如实地跟随数字调制信号。

当在一个像素处的数字光输出用具有大体上比数字周期长(即数字图样留在“1”或“0”的最短时间)的积分时间的摄像机835观看时，图样的时间变化表现为正弦的，如在840处所示。这是Σ-Δ调制的一个范例，其中摄像机积分时间是低通滤波器。这里“大体上”更长指超过五倍长。在一个实施例中，投射的光图案的2048个重新配置发生在四个摄像机曝光循环同一时间内；这样投影仪速度比摄像机循环速度快500多倍。总之，投影仪速度比摄像机循环速度的100倍更快。

当MEMS阵列中的条带安排成对时，具有相同偏转的条带可以产生最大光输出，而具有不同偏转的条带可以产生来自投影系统的最小光输出。然而，反转此动作的替代的相位鉴别器设计是可能的；即具有相同的偏转的条带产生最小光输出，而具有不同偏转的条带产生最大光输出。利用这两个方法，像素(可以经由变形光学器件展开成条)数目是条带数目的一半。

条带也可被操作成使得条带之间的转换确定像素输出。在这种情况下，像素数目等于条带数目。光学相位鉴别器可为此情况设计，如同在'448专利中论述的。

数字光输出830和时间上的强度变化840描述在投影的2-D图样中的一个像素处实际的和感知的光强对时间的关系。图样在一个空间维度也具有正弦变化。

正弦空间变化由延迟数字信号例如815到阵列中的每个相继的工作(“active”)条带来产生。例如，图样815可被发送给阵列中的第一个工作条带。短时间Δt之后，相同的图样被发送给第二个工作条带。短时间Δt之后，相同的图样被发送给第三个工作条带，等等。这里，Δt比图样815的一次循环的时间短。

小数值的Δt带来低空间频率投射的图样，其提供粗略的深度分辨率和深度歧义之间更大距离。另一方面，大数值的Δt带来高空间频率投射的图样，其提供精细的深度分辨率，但深度歧义之间小的距离。数字图样例如815可以立即(“on-the-fly”)产生或从存储器取回。在后者情况中，时间偏移Δt可以通过存储器寻址方案产生。图9A和9B例示了用于产生数字条带数据信号的存储器寻址策略。

图9A示出了范例905，其中数字图样(类似于图8中的图样815)从存储器读取并同时提供给32个条带驱动线路。图样是4096个位长。计数器910从32位乘4096位存储空间选取32位驱动信号。在第4096个32位信号被读取之后，计数器910回到第一个32位信号。4096位图样对每个工作条带是一样的，然而对相继的条带是偏移的。在范例中1的放置是用来指示相继的工作条带是由每时钟周期偏移一位的4096位图样的副本驱动的。图9A的策略使用一个存储地址计数器来访问32位宽的数据。为了改变使用图9A的策略由数据驱动的基于MEMS条带的投影仪产生的光图样的空间频率，在32位乘4096位的存储空间中的数据必须被更新来改变工作条带之间的偏移。图9A示出了对于像素(例如“像素3”)和对于“偏移”以及“基底”信号的数据。这些附加的信号描述如下。

对于一些深度捕获应用，期望的是能迅速地改变投射的图样的空间频率。这允许在高精度深度数据获取(有短的歧义距离)和低精度深度数据获取(有长的歧义距离)之间快速切换。

图9B示出了示例915，其中数字图样(类似于图8中的图样815)用单独的计数器从存储器读取。为了便于例示，仅示出了三个计数器，每个条带驱动线路一个。如果32个条带驱动线路将被如图9A中寻址，则需要32个计数器。在此示例中，每个计数器寻址一个1位乘4096位存储空间925。在任意特定的时间，计数器从4096位序列中不同的数位取回数据。改变空间频率现在仅仅是设置计数器以分开读出不同位数的数据的问题。

投射的图样通常具有若干周期的正弦空间强度变化而不是仅仅一个。在这样的情况下，不必须产生如条带一样多的条带驱动信号。例如假定条带阵列具有N个工作条带并且其用于投射具有K个空间周期的图样。仅需要N/K个不同的条带驱动信号来产生图样。这在走线上带来简单化，其可以参考图10理解，图10例示了MEMS条带走线图。

在图10中，条带1005是线阵列MEMS条带光调制器的一部分。信号线1010携带数字驱动信号到阵列中的第零个、第k个、第2k个等工作条带。类似地，另一个信号线携带另一个数字驱动信号到第一个、第(k+1)个、第(2k+1)个等工作条带。另一个信号线携带还有另一个数字驱动信号至第二个、第(k+2)个、第(2k+2)个等工作条带。虽然阵列中可能有N个工作条带，仅需要N/K个信号线来驱动其。这在MEMS信号线布局中带来可观的简单化。可以使用此方案产生的最低空间频率图样具有N/K个周期而不是如果每个工作条带被单独地寻址可以获得的一个周期图样。在一个实施例中，MEMS条带阵列具有128个工作条带，其中每第32个条带一起寻址(即在上面使用的计数法中N＝128，K＝32)。这样在投射的图样中的空间周期的最小数目是四。

在一个实施例中，条带驱动电子设备使用描述在由Bloom等人在2012年10月22日提交的共同待决的美国申请号13/657,530中的低压条带驱动技术，其公开通过援引并入在此*(*此结合在本文中作为“附录A”附在第20页)。如在'530申请中所描述的，这里使用的低压条带驱动方案基于直流偏置电压和串联添加的低压条带控制信号来利用条带非线性位移特征。低压条带驱动技术使得条带驱动电子设备与通常在移动设备中找到的CMOS数字电子设备相容。偏置电压由连同图9提及的偏置信号来表示。

在一个实施例中，条带驱动电子设备也使用描述在2013年2月5日授予给Yeh和Bloom的US 8,368,984中的伪双极性条带驱动技术，其公开通过援引并入在此*(*此结合在本文中作为“附录B”附在第75页)。如在'984专利中描述的，这里使用的伪双极性条带驱动方案设计成避免当使用单极性的CMOS电子设备来驱动MEMS条带设备时在其它情况下可能出现的困难。特别地，伪双极性操作减少或消除在MEMS条带设备中的表面电荷累积效应。基底电压由连同图9提及的基底信号来表示。

紧凑型3D深度捕获系统可以连续地或以脉冲形式工作。图11是例示了在系统脉冲模式工作期间的功率消耗的图形。图形绘出了深度捕获系统功率P对时间的关系。系统功率的大部分由激光光源消耗，尽管以更快的循环速度操作摄像机也增加功率消耗。在图11的示例中，在一个工作模式中，激光、投影仪系统和摄像机连续地工作并消耗一个单位的功率。在第二个工作模式，“脉冲模式”，系统工作在低的占空比；其在八个单位时间中仅在一个启动。然而在那个单位“开启”时间期间，系统(主要是激光)消耗八个单位的功率。在两个情况中平均功率消耗是相同的。

在图11的示例中，在脉冲模式或平均模式中，摄像机收集由投影仪系统发射的相同数目的光子。然而，在脉冲模式中，由摄像机收集的背景光子的数目减少了八倍，因为其快门仅打开1/8的时间。信噪比从而改进大致倍。此外，如果摄像机运行在更快的循环速度，脉冲模式减少运动伪像。当然，图11的1:8或12.5％的占空比仅是一个示例。例如，紧凑型3D深度捕获系统可以用从100％到小于1％的占空比操作。

紧凑型3D深度捕获系统投射在一个维度具有正弦空间变化的二维图样。图样也具有随时间的正弦变化。图12是例示了空间图样相位和深度之间的关系的图。在图12中，项目“P”是3D深度捕获系统图样投影仪而项目“C”是摄像机。摄像机与投影仪隔开基线距离d。投影仪P发射光图样，光图样在图中表示为放射的扇形的条纹1205。为了便于例示，图中条纹图样具有“开/关”或方波形状；实际的图样具有正弦空间变化。Δθ是图样的一个周期的角度范围。例如可以通过将摄像机的视角范围除以对摄像机可见的图样周期的数目来对其进行估计。

考虑沿z轴的距离z₀，如图所示。从投影仪到这一点的距离是r。图样在这一点的空间频率由指向在方向的(倒易空间)k向量描述，如图所示。k向量的绝对值由给出。k向量的z分量，k_z由下式给出：

该近似对于d<<z₀是有效的。

假设摄像机可以检测的空间相位的最小可检变化是根据下式，在相位上的该变化对应于在距离上的变化：

给定图样空间相位和距离之间的关系，一个人可以看到3D深度捕获系统可以通过估计图样在物体处的空间相位来估计到物体(出现在由其摄像机捕获的图像中的一个像素处)的距离。图样的强度I具有形式：

这里I₀是最大图样强度，ω是图样时间调制的角频率，t是时间，以及φ是空间相位。图13是例示了在摄像机中的两个像素处的相位测量的图形。像素用正方形和三角形下标标识。在第一个像素(正方形下标)处的图样强度由实线曲线示出，而在第二个像素(三角形下标)处的图样强度由虚线曲线示出。

每个像素的图样强度曲线的测量从3D深度捕获系统摄像机获得，例如摄像机115、215、315、420、515、835或图12中的摄像机“C”。在一个实施例中，卷帘快门CMOS摄像机用于获取图样空间相位测量。来自卷帘快门摄像机的数据一行接一行连续地读出。来自第一行的数据紧随来自摄像机图像传感器最后一行的数据立即读出。摄像机循环时间是读出全部行所需的时间。摄像机产生与其卷帘快门循环同步的定时信号。此定时信号可以用作用于投影仪图样循环的触发器。摄像机在每个像素处具有与收集光子关联的内在积分时间。在图像传感器像素的给定行中的所有列在积分时间期间同时收集光。积分时间有效地将低通滤波器施加到由MEMS条带阵列投影仪投射的高速数字光调制信号上。这样，当由摄像机来测量时，脉冲密度调制的光信号看起来具有正弦的时间变化。

在物体上显现的图样的相位φ以及对应的物体深度是基于每像素估计的；每个测量独立于在其它像素处做的测量。相位由图样调制信号的同步检测(即在规律的间隔处的采样)来估计。以摄像机定时信号为参考，同相及正交相位测量提供对于估计图样信号相位所必需的数据。

在图13的示例中，测量在ωt＝0，π/2，π，3π/2，2π等等处执行，或每个正弦波周期四次。在第一个像素(正方形下标)处的图样强度的同相测量通过从在ωt＝0处做出的测量减去在ωt＝π处做出的测量来获得。图样的正交相位测量通过从在ωt＝π/2处做出的测量减去在ωt＝3π/2处做出的测量来获得。于是相位是同相和正交相位测量的比率的反正切。同样的过程产生在第二个像素(三角形下标)处的相位。针对在每个像素处做出的同相和正交相位测量执行类似的计算。

尽管获得相位需要四个测量，无论何时当新的测量可获得时，相位估计可被更新，如图14所示，图14例示了深度数据更新循环。在图14中，正方形中的“1”“2”“3”“4”等代表每次ωt前进π/2时所做的强度测量，如图13所示。基于同相(I₁)和正交相位(Q₁)值的相位估计φ_n在四个测量(0-3)之后可获得。当第五个(“4”)测量变成可获得时，新的同相(I₂)值被计算出。相位φ_n+1随后可以估计为I₂/Q₁的反正切。每个新的测量带来替换前一个的新的同相或正交相位值。

相位信息也可以从多于一个周期的数据来估计。例如，可以使用最近的8或12个数据点。可以采用有限脉冲响应滤波器来使新近的测量的权重比旧的测量更重。

图15示出了紧凑型3D深度捕获系统输出数据1505的示例。实际数据是3D点(x，y，z)。经由模拟的光和阴影效果在图15的平面图像中建立了3D印象或渲染。为了概括，一组数据点(例如在图15中示出的脸)如下获取：3D系统投影仪将红外光的图样投射到物体上。图样在时间上并且在一个空间维度上具有正弦变化。摄像机对图样采样来跨图像获得其在每个像素处的相位。深度信息根据部分地依赖于摄像机到投影仪的间距的几何关系从相位计算。

投影仪包含于非常小的体积内，适合于集成到移动设备例如智能电话和桌面电脑中。在一个实施例中，投影仪适入3mm×6mm×10mm的体积。摄像机可以类似于已经集成到移动设备中的摄像机。在一个实施例中，摄像机是在红外区感光的卷帘快门CMOS摄像机。

至此描述的紧凑型3D深度捕获系统的若干变体是可能的。3D系统图样投影仪或摄像机或两者可以在一些实施例中改变。

不同种类的线阵列MEMS条带光调制器可以用于图样投影仪中。在'448专利或在2007年10月23日授予给Bloom的美国专利7,286,277(其公开通过援引并入在此*(*此结合在本文中作为“附录C”附在第104页))中描述的光调制器是这样的替代方案的示例。另外，MEMS 2D阵列调制器(例如德州仪器公司数字镜设备)可被操作来产生具有如上所述的一维空间变化的图样。

作为MEMS光调制器的替代物，线阵列的光发射器(例如垂直腔体表面发射激光器(VCSEL))可以用来产生具有一维空间变化的图样。铁电液晶阵列调制连续光源是另一个可能。进一步，光源可以是发光二极管而不是激光器。

认识到在摄像机重置期间一些潜在的数据获取时间是浪费的，可以使用全局快门摄像机而不是卷帘快门摄像机。投影仪光源可以在全局快门重置时间期间被关闭。

利用卷帘快门或者全局快门摄像机，相位估计可以使用每图样时间周期三个而不是四个测量来获取。当做出三个图样强度测量，I₁、I₂、I₃，间隔开ωt＝2π/3，相位根据下式估计：

投影仪和摄像机循环可以从共同的定时信号或来源于投影仪或者摄像机时钟频率的信号来触发。

提供以上对所公开的实施例的描述来使得任意本领域技术人员能制造或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员将是显而易见的，本文定义的原理可以被应用于其它实施例而不背离本公开的范畴。因此，本公开并不意指限于本文示出的实施例，而是与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽的范畴。

本文描述的所有元件、部分和步骤被优选地包括。应理解到，任意这些元件、部分和步骤可以被其它元件部分和步骤替代或完全删除，如将对本领域技术人员显而易见的。

宽泛地说，此著述公开了至少以下事项：

概念

>>此版本具有向前引用；例如概念X：概念X-1的系统或概念X+1的系统……向前引用意在为了对技术的本公开更好的理解。

以编号形式的公开的概念：

1、一种三位深度捕获系统，包括：

图样投影仪；

摄像机；以及

移动设备驱动/接口；

该投影仪、摄像机和驱动/接口集成在移动电子设备中，

该投影仪包括数字线阵列MEMS条带光调制器和投射仅在一个维度具有空间变化的二维图像的透镜系统，以及，

该MEMS条带光调制器由来自驱动/接口的数字电子信号驱动，该信号表达正弦波的脉冲密度调制表示，该正弦波特征在于时间上的周期。

2、如概念1所述的系统，该摄像机每周期对图像采样三次。

3、如概念2所述的系统，该移动设备驱动/接口基于三个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

4、如概念1所述的系统，该摄像机每周期对图像采样四次。

5、如概念4所述的系统，该移动设备驱动/接口基于四个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

6、如概念1-5或概念7-26之一所述的系统，该脉冲密度调制表示过采样正弦波至少64倍。

7、如概念1-6或概念10-26之一所述的系统，该数字信号存储在循环存储缓冲器中。

8、如概念7所述的系统，该图像具有通过相对偏移选择到存储缓冲器中的空间频率。

9、如概念7所述的系统，阵列中相邻的工作条带的信号从存储缓冲器中的偏移存储器地址获得。

10、如概念1-9或概念11-26之一所述的系统，该摄像机具有积分时间，使得当用摄像机观看时，图像看起来具有正弦的时间上的强度变化。

11、如概念1-10或概念12-26之一所述的系统，该数字信号与CMOS逻辑电平相容。

12、如概念1-11或概念13-26之一所述的系统，该数字电子信号服从伪双极性MEMS驱动方案。

13、如概念1-12或概念14-26之一所述的系统，该数字电子信号包括直流偏置电压和串联添加的低压条带控制信号从而利用条带非线性位移特征。

14、如概念1-13或概念16-26之一所述的系统，该线阵列MEMS条带光调制器具有N个工作条带以及K个地址线，N是K的整数倍。

15、如概念14所述的系统，该图像特征在于一个空间周期的N/K个循环。

16、如概念1-15或概念18-26之一所述的系统，该摄像机是卷帘快门CMOS摄像机。

17、如概念1-15或概念18-26之一所述的系统，该摄像机是全局快门摄像机。

18、如概念1-17或概念20-26之一所述的系统，该投影仪包括二极管激光红外光源。

19、如概念1-17或概念20-26之一所述的系统，该投影仪包括红外线发光二极管。

20、如概念1-19或概念21-26之一所述的系统，该投影仪和摄像机共享共同的定时信号。

21、如概念1-20或概念22-26之一所述的系统，该投影仪和摄像机具有小于100％的工作占空比。

22、如概念1-21或概念23-26之一所述的系统，该投影仪适入3mm乘6mm乘10mm或更小的体积。

23、如概念1-22或概念24-26之一所述的系统，该移动设备驱动/接口将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

24、如概念1-23或概念25-26之一所述的系统，该移动设备驱动/接口基于新近的摄像机采样的有限脉冲响应滤波器函数将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

25、如概念1-24之一所述的系统，该移动电子设备是蜂窝电话。

26、如概念1-24之一所述的系统，该移动电子设备是桌面电脑。

27、一种三维深度捕获系统，包括：

图样投影仪；

摄像机；以及，

移动设备驱动/接口；

该投影仪、摄像机和驱动/接口集成在移动电子设备中，

该投影仪包括空间光调制器和投射仅在一个维度具有空间变化的二维图像的透镜系统，以及，

该光调制器由来自驱动/接口的电子信号驱动，该信号表达正弦波，该正弦波特征在于时间上的周期。

28、如概念27所述的系统，该光调制器包括一列垂直腔体表面发射激光器。

29、如概念27所述的系统，该光调制器包括铁电液晶。

30、如概念27所述的系统，该光调制器包括发光二极管。

31、如概念27-30或概念33-38之一所述的系统，该投影仪由数字数据信号驱动。

32、如概念27-30或概念33-38之一所述的系统，该投影仪由模拟数据信号驱动。

33、如概念27-32或概念37-38之一所述的系统，该摄像机每周期对图像采样三次。

34、如概念33所述的系统，该移动设备驱动/接口基于三个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

35、如概念27-32或概念37-38之一所述的系统，该摄像机每周期对图像采样四次。

36、如概念35所述的系统，该移动设备驱动/接口基于四个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

37、如概念27-36之一所述的系统，该摄像机是卷帘快门CMOS摄像机。

38、如概念27-36之一所述的系统，该摄像机是全局快门摄像机。

附录A(US 7,940,448)

技术领域

本公开大体涉及光学显示系统和光学微机电系统(MEMS)设备领域。

背景技术

投影高清电视(HDTV)、高分辨率印刷和无掩模半导体光刻是高分辨率光学显示技术的几个应用实例。在每个情况中一维或二维阵列的光学调制器和伴随的光学系统将光分配到形成图像的几百万的像素中。一些通用的类型的光学调制器是数字镜设备、光栅光调制器、偏振光调制器、液晶和硅基液晶板。取决于它们的设计，这些光学调制器可以在反射的或透射的模式中工作。

MEMS条带结构用于几种类型的光学调制器中，并且不论它们的简单性，它们已引发用于光学图像形成系统的许多新设计。光学思想的进展已带来基于越来越少的条带来建立在最终图像中的每一个像素的系统。例如，早期的光栅光调制器使用多达每像素六个条带，而偏振光调制器已被证实用每一素两个条带。

MEMS条带结构最常出现在线阵列的光调制器中。当它们的行图像输出由扫描器来回扫掠时，线阵列“绘制”二维图像。线阵列比二维阵列占据少得多的芯片面积并且与激光光源的集光率更贴近地匹配。如果线阵列可以通过减少形成一个像素所需的条带的数目来做得更短，则可以做出更紧凑的MEMS光调制器芯片。

附图说明

图1示出了显示系统的方框图。

图2示出了反射的和透射的线阵列相位调制器的范例。

图3A和3B示出了微机械条带。

图4A、4B和4C示出了具有反射的和透射的调制器的光学布置

图5示出了基于线阵列相位调制器的显示系统。

图6示出了用于数字相位调制器的编码方案的范例。

图7示出了用于数字相位调制器的编码方案的第二个范例。

图8示出了用于模拟相位调制器的编码的范例。

图9A和9B是辅助理解数字和模拟相位调制方案的图形。

图10A和10B例示了对于偏振的和非偏振的光在示范的物平面和傅里叶平面的鉴别器之间的关系。

图11A和11B示出了光学系统和傅里叶平面滤波器响应函数。

图12A和12B示出了用于偏振光的示范的光学系统。

图13示出了萨伐特片。

图14例示了在萨伐特片相位鉴别器中的偏振关系。

图15A和15B示出了示范的调制器-鉴别器布置。

图16A和16B示出了用于非偏振光的示范的光学系统。

图17例示了多种函数关系来辅助理解傅里叶平面鉴别器。

图18例示了多种函数关系来辅助理解傅里叶平面鉴别器。

图19示出了在交替的扫描上偏移线阵列的输出的效果。

图20示出了交错线阵列显示系统的接连的扫描的一种可能的方法。

图21例示了有限差分可以如何应用于二维相位调制器阵列。

图22A和22B示出了在实验上获得的来自线阵列相位调制器的光输出的图像。

具体实施方式

图1示出了显示系统的方框图。系统包括光源105、相位调制器110、光学系统115和行扫描仪120。光源105是激光、发光二极管、弧光灯或其它强光源。相位调制器110包括改变光的相位的线阵列元件；元件可以工作在透射或反射模式。光学系统115建立对应于由相位调制器建立的相位阶跃的像素。光学系统可以配置成使得这些相位阶跃对应于亮或暗的像素。根据定义，相位在每2π重复；因此最大相位阶跃是π。此外，数字(一个亮级和一个暗级)或模拟(许多灰度级)的操作是可能的。行扫描仪120通过来回扫描行图像来“绘制”二维图像。

光学系统担当相位边缘鉴别器。如果线阵列相位元件设置成使得其呈现单个相位边缘——在相位上阶跃增加或者阶跃下降——则单个像素行图像被建立。具有n个元件的线阵列可以用具有对应于n个像素的n个边缘来编排。(取决于在阵列的末端的元件如何计数，元件的数目可以是n±1，但我们仍把元件和像素的数目说成“相同的”。)在条带调制器的情况中，仅需要每像素一个条带。此外，以下示出，先进的技术使条带两倍那么多的像素成为可能；即每像素“半个”条带。

现在详细描述显示系统。首先介绍调制器和显示器基础，后面是将图像数据转换成用于调制器元件的相位设置的编码方案的细节。然后描述了新颖的光学鉴别器系统。最后，论述了先进的技术、二维调制器的扩展和试验结果。

调制器和显示器基础

图2示出了反射的和透射的线阵列相位调制器的范例。相位调制器205包含很多单个的反射元件例如元件206、207和208。尽管在图中仅示出了几十个元件，实际的调制器可以包含成百上千的元件。例如在HDTV应用中，元件数目通常在1000到5000之间。在调制器205中的每个元件反射光。可以通过设置元件到不同的高度来获得相邻的调制器元件反射的光的相位差；即垂直于图的平面移动它们。然而，反射的元件不必须是可移动的；例如，它们可以以硅基液晶元件实现。调制器205中的元件绘成矩形；然而，它们可以是正方形或具有其它形状。

相位调制器210非常类似于相位调制器205，除了调制器的单个元件，例如元件211、212和213，是透射的。这些透射的元件将可变相位给予到穿过它们的光。透射的元件不必须是活动的；例如，它们可以以液晶实现。相位调制器210的其它方面，例如元件的数目和形状，与在相位调制器205的情况中的相同。

图3A和3B示出了微机械条带，其是MEMS结构的范例，其可以用来做出在反射的相位调制器，如调制器205，中的元件。图3A示出了在未偏转的状态的条带而图3B示出了偏转了距离Δz的条带。

在图3A和3B中，MEMS条带305由靠近基底320的支座310支撑。典型的应用中，条带的尺寸大致是100μm长(即在y方向)，10μm宽(即在x方向)以及0.1μm厚(即在z方向)。然而这些尺寸在不同设计中可能大大地改变。例如刚刚提及的任何尺寸的五倍大或小都不是罕见的。

图3A示出了反射离开条带305并作为光束355返回的光束350。如果光束350反射离开偏转了距离Δz的条带(如图3B所示)，则反射的光束355的相位改变其中λ是光的波长。如果在阵列中相邻的条带偏转距离Δz₁和Δz₂，则在反射离开相邻条带的光之间的相位差是

条带305在z方向的偏转可以通过在条带和基底320之间施加电压来获得。取决于条带的尺寸，其高度可以在少至几纳秒内被调整。

点线箭头360指示如果条带305是透射的而不是反射的则光束350将遵循的路径。将光学系统在反射面处绘成展开的通常是有用的；即，将光束绘成好像它们是从反射面透射的可以是有用的。

图4A、4B和4C示出了具有反射的和透射的调制器的光学布置。在图4A中，输入光束405由反射的相位调制器410调制来形成输出光束415。转向镜420和422导向光束以接近而不精确地正入射到调制器从调制器往返。在图4B中输入光束425由反射的调制器430调制来形成输出光束435。输出光束435由分束器440与输入光束425隔离开。图4B中示出的布置让调制器被正入射照明。在图4C中输入光束445由透射调制器450调制来形成输出光束455。

图5示出了基于线阵列相位调制器的显示系统。在图5中，光源505发射光，光在由线阵列相位调制器515反射或透射之前穿过透镜510。相位调制器515可以是反射的或透射的调制器；在图中其绘成好像是透射的，并且在插图520中示意地示出的线阵列元件中的轻微的偏移表明给予到透射光的相位差。光学系统525将相位差转换成行图像，行图像由扫描器530反射。最后扫描器530横跨用于观看或印刷的表面540扫掠行图像535。作为范例，在投影显示器中表面540可以是观察屏，而在光刻系统中表面540可以是涂有光刻胶的晶片。在光刻及其它印刷应用中，可以代替扫描镜的是移动表面而不是扫描行图像。在一些系统中旋转棱镜可以替换扫描镜。

这样，显示系统包括光源、相位调制器、光学系统和行扫描仪。相位调制器包含线阵列透射的或反射的元件，例如MEMS条带或液晶调制器并且元件可以是被正入射或离轴照明的。光学系统将由相邻的调制器元件建立的相位差转换成行图像中的像素间的亮度变化。可以扫描行图像来形成二维图像。

编码方案

图像数据，指图像中的单个像素的亮度，被发给用于显示的显示系统。编码方案用于将图像数据转换成用于线阵列相位调制器中的调制器元件的相位设置。这里描述的编码方案类似于用于数字信号传输中的不归零、倒置的(NRZI)编码。NRZI是将二进信号映射为二级物理信号的方法。如果传输的数位是逻辑1，NRZI信号在时钟边沿具有跃迁；如果传输的数位是逻辑0，NRZI信号没有跃迁。(NRZI也可以采取相反的约定，其中逻辑0由跃迁编码并且逻辑1由稳定的级编码。)

图6示出了用于数字相位调制器的编码方案的范例。数字相位调制器从相邻的调制器元件之间0或π的相位差建立暗或亮的像素。如有期望，灰度可以经由时域技术，例如脉宽调制，来获得。

在图6中，数据以数位示出，如数位605、606和607，而调制器元件的相位由线段代表，如610、611和612。线段出现在两个位置之一，代表它们之间的π的相位差。考虑数位615，“1”表明亮的像素。此数位作为调制器元件610和611之间的π相移来编码。元件610和611哪个“在上”或“在下”没有关系；仅它们的相位的差要紧。注意例如数位607也是“1”，但其由与610和611相反的配置的元件呈现。“0”数位由在相同的配置的相邻元件呈现。

逻辑图620示出了形式上指定线阵列相位调制器中的下一个元件的相位的一个方法。例如假定一串暗数位(“0”)已经由一串全部具有相同的相位的调制器元件编码。随后的亮数位(“1”)应该如何呈现？图表620示出下一个调制器元件的相位“b_k”从数位“a_k”(在此范例中是“1”)的值和之前的元件(“b_k-1”，其中相位被归一化使得π＝1)的相位来决定。这等价于说“为亮的像素建立相位边缘，为暗的像素保持相位恒定”。这就是为什么图中的线段跨在数位之间的点线边界。

图7示出了用于数字相位调制器的编码方案的第二个范例。此范例与图6中示出的相同，除了编码规则转变为“为暗的像素翻转相位，为亮的像素保持相位相同”。在数字调制器中使用图6还是图7编码方案的选择取决于将相位差转换成亮或暗的像素的光学鉴别器系统。

图8示出了用于模拟相位调制器的编码的范例。如同在图6和7中，线段的位置代表调制器元件的相位。然而在模拟编码中，元件可在2π的范围内调节。在此范例中，大的相位差对应于大的像素亮度。“0”，即暗的，像素由相邻像素之间的0相位差代表。亮度“a”由小的相位差代表，而亮度“b”由大的相位差代表。

图9A和9B是辅助理解数字和模拟相位调制方案的图形。图9A属于连同图6和7描述的数字调制，而图9B属于连同图8描述的模拟调制。在图9A中，一个数字数位序列(“111010”)沿横轴示出，而调制器元件的相位沿纵轴示出。数位出现在调制器元件之间的边界，并且例示的情况是“1”由相位差呈现而“0”由在相位上无变化呈现的那种。因此每当期望“1”作为显示的输出时，图形中出现竖线。

在第一个的“1”数位(从左边数起)第一个和第二个调制器元件之间的π相位差由竖线示出。在第二个“1”数位，点线和曲线箭头表明第二个和第三个调制器元件之间期望的π相位差可以通过在第一个和第三个调制器元件之间建立2π相位差或者通过在那些元件之间的零相位差来获得。由于0和2π相位偏移是相同，在反射的数字相位调制器中的元件不必移动超过λ/4，其中λ是光的波长。

在图9B中，一个模拟像素亮度序列(“abcdef”)沿横轴示出，而调制器元件的相位沿纵轴示出。像素从调制器元件之间的边界处的相位差建立；在此范例中大的相位差对应于大的像素亮度，但取决于所用的光学鉴别器系统，相反的情况也可以是成立的。每当期望(非暗的)像素作为显示的输出时，图形中出现竖线。

从左边开始，对像素“a”和“b”，每个元件的相位增加；然而像素“c”由第三个和第四个调制器元件之间的相位减小来建立。如果第三个和第四个调制器元件之间的相位差是从相位增加来获得，像素“c”将会是同样亮的。像素“c”的亮度取决于相位差的幅度，而不是其符号。

像素“e”由第五个到第六个调制器元件的相位增加来建立。然而根据定义，相位每2π重复。点线和曲线箭头表明第六个调制器元件的相位如何可被设置成呈现期望的相位增加模数2π。替代方案是设置第六个元件的相位来呈现从第五个元件的相位减少。即使第六个元件的绝对相位在两个情况中是不同的，像素亮度也是相同的。

图9B提出对模拟相位调制器，若干编码策略是可能的。一个策略是总是交替调制器元件之间的相位差的符号；即如果之前的两个元件之间的转换是相位增加，接下来两个之间的转换是相位减小。此策略趋向于在光学系统中将光束导向到大角度。另一个策略是总是保持调制器元件之间的相位差的符号相同；即总是增加或总是减小。当然，相位在2π“绕回”。此策略趋向于在光学系统中将光束导向靠近轴。第三个策略是随机地选择调制器元件之间的相位差的符号。

已经描述了用于将图像数据转换成用于调制器元件的相位设置的四个宽泛的方案：数字和模拟，以及在每个情况中亮的像素对应于大的或者小的相位边缘。

光学鉴别器

光学系统将由调制器建立的相位边缘转换成行图像，可以扫描行图像来形成用于观看的二维图像。此系统起光学相位鉴别器的作用，由于在光学系统的物平面和傅里叶平面执行的操作之间的对偶性，其可以采取许多形式。

图10A和10B例示了在示范的物平面和傅里叶平面用于偏振的和非偏振光的鉴别器之间的关系。图10A示出在光学系统的物平面的卷积等价于在系统的傅里叶平面的乘积。此关系可被用作建立不同的鉴别器系统的指导。图10B示出使用图10A的关系可以构造至少四个不同的光学系统。

对于使用偏振光的系统，鉴别器可以基于在物平面的萨伐特片和起偏器或者基于在傅里叶平面的沃拉斯顿棱镜和起偏器。对于使用非偏振光的系统，鉴别器可以基于在物平面的厚全息图或者基于在傅里叶平面的变迹滤波器。这些光学布置的细节描述如下；然而无疑存在遵循图10A中例示的关系的其它光学方案。

图11A和11B示出了光学系统和傅里叶平面滤波器响应函数。在图11A中，线1105代表系统的物平面而线1115代表傅里叶平面。物平面和傅里叶平面存在于透镜1110的相对侧，并且离开透镜1110一个焦距远。箭头1120和1125分别代表间隔开小的距离的正的和负的δ函数。

当δ函数之间的间隔小于或等于元件中心之间的间隔时，近距的负和正的δ函数与线阵列光调制器元件的卷积等价于对来自相邻元件的光的相位之间的差进行采样。因此图11A示出在相位调制器中相邻元件之间大的相位差对应于大的像素亮度的系统。

在图11B中，线1155代表系统的物平面而线1165代表傅里叶平面。物平面和傅里叶平面存在于透镜1160的相对侧，并且离开透镜1160一个焦距远。箭头1170和1175代表间隔开小的距离的两个正的δ函数。

当δ函数之间的间隔小于或等于元件中心之间的间隔时，近距的正的δ函数与线阵列光调制器元件的卷积等价于对来自相邻元件的光的相位之间的共性进行采样。因此图11B示出在相位调制器中相邻元件之间小的相位差对应于大的像素亮度的系统。

根据图10A，在物平面的卷积对应于在傅里叶平面的乘积。因此在物平面中与近距的正的和负的δ函数的卷积对应于在傅里叶平面中乘以正弦函数，如图11A中所示。在物平面中与近距的正的δ函数的卷积对应于在傅里叶平面中乘以余弦函数，如图11B所示。

进一步考虑图11A中示出的“正弦”情况，随着δ函数1120和1125被带至靠近，在物平面中对相邻的节之间的差进行采样看起来更像微分并且在傅里叶平面中的正弦函数开始近似于线。换言之，在物平面中的微分等价于在傅里叶平面中乘以线性的斜率。

在傅里叶平面中的正弦响应在横向范围有限的光学系统中被截断，如图11A中所绘。在物平面中的相应的效果是δ函数1120和1125展宽成sinc函数。最后，当在物平面中的δ函数(或sinc函数)之间的间隔匹配相位调制器元件之间的间隔时，光效率最大。在图1A的情况中，像素亮度与成正比，其中是相邻的相位调制器元件之间的相位差。在图11B的情况中，亮度与成正比。

图12A和12B示出了用于偏振光的示范的光学系统。图12A的系统使用傅里叶平面光学元件而图12B的系统使用物平面光学元件。每个系统都可以配置成呈现图11A的正弦响应或者图11B的余弦响应。

在图12A中，线段1205代表线阵列光学相位调制器的元件。透镜1210放置在相位调制器元件和沃拉斯顿棱镜1215之间并离它们各一个焦距远。沃拉斯顿棱镜由起偏器1230和1235夹在中间。在图12A中起偏器1230和1235例示有交叉的偏振轴。此配置产生图11A的正弦响应。如果起偏器定向有平行的偏振轴，将获得图11B的余弦响应。

在图12B中，线段1255代表线阵列光学相位调制器的元件。透镜1260放置在相位调制器元件和傅里叶平面1265之间并离它们各一个焦距远。萨伐特片1270位于透镜1260和相位调制器元件1255之间。萨伐特片1270由起偏器1280和1285夹在中间。在图12B中起偏器1280和1285例示有交叉的偏振轴。此配置产生图11A的正弦响应。如果起偏器定向有平行的偏振轴，将获得图11B的余弦响应。

现在将更详细地考虑图12B的系统。图13示出了萨伐特片1305。萨伐特片由两个双折射片构建，两个双折射片具有对表面法线45°角并且相对于彼此旋转90°的光轴。传播穿过第一个片的入射光束被分解为从彼此移位的寻常的和非寻常的光束。在进入第二个片后，寻常光束变成非寻常光束，反之亦然。从萨伐特片出来的两个光束沿对角线移位距离“d”。对于正入射，两个光束之间的光程差是零。

图14例示了在萨伐特片相位鉴别器中的偏振关系。示出了两个场景：“0”和“1”。在场景“0”中，萨伐特片1405具有光轴1410。轴1430和1435代表位于萨伐特片两侧的起偏器的偏振轴；即一个距观察者比片更近，一个更远。考虑在点1420的位置并沿轴1430偏振的光束。此光束由萨伐特片分离成在点1415和1425的位置分别具有垂直于和平行于光轴1410的偏振的两个光束分量。当这两个光束由沿轴1435方向的起偏器分解时，没有光通过。场景“0”描述当穿过夹在交叉的起偏器中间的萨伐特片观看相位调制器的相邻元件并且元件同相地发射光的情况。

在场景“1”中，在点1425处的光与在点1415处的光相比以π相移到达萨伐特片。现在当具有平行于和垂直于萨伐特片的光轴的光由起偏器沿轴1435分解，分量同相地叠加并且最大的光被传输。场景“1”描述当穿过夹在交叉的起偏器中间的萨伐特片观看相位调制器的相邻元件并且元件异相地发射光的情况。

在物平面(或在调制器和透镜之间)放置夹在交叉的起偏器中间的萨伐特片是构建具有脉冲响应的相位鉴别器的一个方法。这里，p是类似于图11A中的理想的δ函数1120和1125的正的和负的sinc函数之间的距离。x₀确定sinc函数的宽度(第一次过零)；δ函数在x₀到零时获得。(如果起偏器是平行的而不是交叉的，脉冲响应变成在图10B、12和16中概括的四个鉴别器的每一个都可以产生这些脉冲响应函数之一。

h(x)的傅里叶变换H(k)是在+/-(λ/x₀)截断的正弦函数。当正弦函数在+/-(λ/p)截断，如在图11A中的平面1115处所绘，在相应的行图像中的像素强度与sin²(x-a)成正比，其中“a”代表特定的像素沿线阵列长度的位置。如果正弦函数在离光轴远于+/-(λ/p)截断，行图像中的像素将变成方形而不具有sin²x空间强度轮廓。

图15A和15B示出了示范的调制器-鉴别器布置。图15的布置是图4A的离轴布置使用具有对于正弦检测的交叉的起偏器的图12B的鉴别器元件。萨伐特片位于相位调制器和例如图12B的透镜1260的透镜(在图15中未示出)之间。

在图15A中，输入光束1505由反射的相位调制器1510调制来形成输出光束1515。转向镜1520和1522将光束导向以接近正入射到调制器从调制器往返。起偏器1530和1535定向为它们的偏振轴垂直于彼此并且对萨伐特片1540的光轴在45°角。如果输入光束1505已经是偏振的，例如在用激光光源的情况中，则起偏器1530不是必需的。

图15B示出了与图15A相同的布置，多了补偿片1545。这个片可以是另一个萨伐特片，它不是获得本文描述的光学系统的任意光学相位鉴别功能所必需的。然而，该片对减少对离轴光可能出现的二次项效应可以是有用的。

图16A和16B示出了用于非偏振光的示范的光学系统。这些分别是连同图10提及的变迹滤波器和厚全息图。图10A示出在傅里叶平面中函数的傅里叶变换的乘积等价于在物平面中那些函数的卷积。在图16A的系统中，来自线阵列相位调制器的光的电场轮廓的傅里叶变换乘以具有正弦地变化的光密度的滤波器。这等价于在物平面中近距的正的和负的δ(对于实际的情况或是sinc)函数与由调制器元件呈现的相位差的卷积。

在图16A中线段1605代表线阵列光学相位调制器的元件。透镜1610位于相位调制器元件和变迹滤波器1615之间并离它们各一个焦距远。滤波器具有正弦地变化的光密度和横跨其范围的一半的相移，如下所述。在图16B中线段1655代表线阵列光学相位调制器的元件。透镜1660位于相位调制器元件和傅里叶平面1665之间并离它们各一个焦距远。厚全息图1670位于物平面(相位调制器的元件所在之处)和透镜之间。Steven K.Case指出(“在物平面中的傅里叶处理”，《光学快报》，4，286-288，1979)通常通过在光学系统的傅里叶平面放置掩模来实行的傅里叶处理也可以通过在物平面放置厚全息图来实行。他示出全息图是对物体波的空间频谱起作用的线性滤波器。在物平面中高通空间频率滤波器等价于在傅里叶平面中的微分。图10A的关系可以用来设计物平面全息图来建立期望的傅里叶平面掩模。

我们现在考虑如何构建变迹滤波器，例如滤波器1615。图17例示了多种函数关系来辅助理解傅里叶平面鉴别器。图17示出了四个面板a-d。面板(a)示出了正弦的电场滤波器的函数形式，如果被放置在如图16A中所示的系统的傅里叶平面中，其将在系统的物平面提供边缘采样动作。面板(b)示出了对应于面板(a)的场轮廓的强度轮廓；即(b)中绘出的函数是(a)中绘出的平方。面板(c)比较面板(a)的正弦形式(实线)与面板(b)的强度轮廓的平方根(点线)。为了将强度(c)的平方根匹配到正弦形式(a)，可以由具有光密度轮廓(b)并与如(d)所示的相移结合的片构建光学滤波器。轮廓(d)可以通过例如增加额外厚度的玻璃到滤波器的一半来获得。图17示出了对于构建用于正弦(相位差)鉴别的变迹滤波器的函数关系。此概念已经被Oti等应用于天文观测(“光学微分日冕观测仪”，《天体物理学报》，630，631-636，2005)。

类似的概念可以用来构建用于余弦(相位共性)鉴别的滤波器，如图18所示，图18也例示了多种函数关系来辅助理解傅里叶平面鉴别器。图18示出了四个面板a-d。面板(a)示出正弦的电场滤波器的函数形式，如果被放置在如图16A中所示的系统的傅里叶平面中，其将在系统的物平面提供边缘采样动作。面板(b)示出了对应于面板(a)的场轮廓的强度轮廓；即(b)中绘出的函数是(a)中绘出的平方。面板(c)比较面板(a)的正弦形式(实线)与面板(b)的强度轮廓的平方根(点线)。为了将强度(c)的平方根匹配到正弦形式(a)，可以由具有光密度轮廓(b)与如(d)所示的相移结合的片构建光学滤波器。轮廓(d)可以通过例如增加额外厚度的玻璃到滤波器的部分来获得。图18示出了对于构建用于余弦(相位共性)鉴别的变迹滤波器的函数关系。

已经对偏振和非偏振的光都描述了用于将由线阵列相位调制器呈现的相位轮廓转换成形成行图像的强度轮廓的光学鉴别器。此外，鉴别器可以设计有放置在光学系统的物平面或傅里叶平面的光学部件。

先进技术

使用二维阵列以及使用用于其它应用的相位差鉴别器来交错行图像是先进技术的范例，该先进技术是至此描述的原理的扩展。

至此描述的显示系统产生(扫描的)行图像，由于像素是相邻元件之间建立的相位差的结果，行图像具有与调制器元件相同数目的像素。交错技术可以用来增加产生的像素数目至调制器元件数目的两倍。

图19示出了在交替的扫描上偏移线阵列的输出的效果。在图19中，正方形如1905、1915、1925、1935代表线阵列相位调制器的元件。源于这些元件的光的相位差被转换成在图形1950上以实线示意地绘出的像素强度。像素强度与成正比，其中是阵列元件之间的相位差异。像素强度对沿行图像的位置，例如由图形1950呈现的，与sin²(x-a)成正比，其中“a”代表特定的像素沿线阵列的长度的位置。如果相位调制器阵列的元件偏移半个元件周期，例如由虚线正方形1910、1920、1930、1940所呈现的，相应的像素用由不偏移的阵列建立的像素交错。这些像素的强度以虚线绘出在图形1950上；它们与cos²(x-a)成正比。与本文描述的鉴别器耦合的线阵列光学相位调制器从而可以建立能被平滑地交错的行图像。这些图像由调制器元件的两倍多的像素组成。

图20示出了交错线阵列显示系统的相继的扫描的一个可能的方法。在图20中，扫描器2030横跨用于观看或印刷的表面2040交替地扫掠行图像2035和2045。行图像2035和2045可以由稍微倾斜的扫描器2030平行于行图像交错，如由箭头2050所指示的。用于交错的其它方法包括在用于交替行图像的交替的位置之间稍微移动线性相位调制器。这可以通过例如用压力致动器轻推相位调制器来实现。

至此，所述的系统和方法已被断言在线阵列光学相位调制器上。然而，这些系统和方法也可以延伸至二维相位调制器。二维调制器可以认为是一列线阵列。可以沿二维阵列的一个维度施加相位差异(或相位共性)鉴别，而阵列的另一个维度去掉扫瞄行图像的需要。

图21例示了有限差分可以如何应用于二维相位调制器阵列。在图21中，正方形2105、2115、2125、2135等等，和2106、2107、2108等等，和2116、2117、2118等等，和2126、2127、2128等等代表二维相位调制器阵列的元件。这样的阵列的范例是液晶相位调制器。当用光学相位差鉴别器检测沿线2150、2152、2154等等的元件之间的相位差时，形成二维图像。来自这样的图像的代表性的像素强度绘出在图中轴2151、2153、2155等等上。

图22A和22B示出了在实验上获得的来自线阵列相位调制器的光输出的图像。实验用具有3.7μm间距和创建π相移的足够的行程(见图3B中的Δz)的MEMS条带调制器执行。单个条带控制允许的任意的图案用简单的电子设备系统产生。在图中，白色的条形图画在测量的光输出之上来表明对应于行图像的像素的光调制器元件的相对相位。

本文描述的光学鉴别器，特别是在图10、11、12和16中的，可以用于除了显示、印刷和光刻之外的目的。例如，这样的鉴别器可以用于光学数据存储读出。存储在光盘(光碟、影碟等等)上的数位由检测从光盘上的坑或面反射的光的差异的光学系统读出。例如，这里描述的相位差鉴别器可以用来从光盘读出若干并行通道的数据。

已经描述了基于检测相位调制器的相邻元件之间的相位差的显示系统。这些系统在显示的图像中建立与在相位调制器中的元件一样多的像素。在一些情况中，使用交错技术建立两倍多的像素。

如本领域技术人员将易于从本文的实施例的公开来理解的，根据本发明可以使用目前存在的或随后将发展的与本文描述的相应实施例执行实质上相同的功能或达到实质上相同的结果的处理、加工、制造、方式、方法或步骤。相应地，所附的权利要求意图是在它们的范围之内包括这样的处理、加工、制造、方式、方法或步骤。

上述对系统和方法的例示的实施例的描述不意指详尽的或限制系统和方法为所公开的精确形式。虽然系统和方法的具体的实施例和范例在本文为了说明性的目的而描述，多种等价的变体在系统和方法的范畴内是可能的，如相关领域技术人员将认可的。本文提供的对系统和方法的讲授可以应用于其它系统和方法，不只为了如上所述的系统和方法。

总之，在下面的权利要求中，使用的术语不应被解释为限制系统和方法到本说明书和权利要求中公开的特定的实施例，而应解释为包括运行于权利要求下的全部系统。相应地，系统和方法不由本公开限制，反之，系统和方法的范畴将完全由权利要求决定。

权利要求的是：

1、一种显示器，包括：

光源；

相位调制器，包括线阵列的元件，元件调制由光源产生的光的相位；

光学相位鉴别器，其将来自相邻的调制器元件的光之间的相位差转换成行图像的像素；以及

扫描器，其横跨屏幕扫描行图像来建立二维图像。

2、如权利要求1所述的显示器，其中该光源是激光。

3、如权利要求1所述的显示器，其中该光源是发光二极管。

4、如权利要求1所述的显示器，其中该光源是弧光灯。

5、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器的元件是反射的。

6、如权利要求5所述的显示器，其中该相位调制器的元件是微机电条带。

7、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器的元件是透射的。

8、如权利要求7所述的显示器，其中该相位调制器的元件是液晶调制器。

9、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器在相位鉴别器的物平面中，并且该相位鉴别器包括萨伐特片。

10、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器在相位鉴别器的物平面中，并且该相位鉴别器包括沃拉斯顿棱镜，该沃拉斯顿棱镜工作在该相位鉴别器的傅里叶平面。

11、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器在相位鉴别器的物平面中，并且该相位鉴别器包括厚全息图。

12、如权利要求1所述的显示器，其中该相位调制器在相位鉴别器的物平面中，并且该相位鉴别器包括变迹滤波器，该变迹滤波器工作在该相位鉴别器的傅里叶平面。

13、如权利要求1所述的显示器，其中该相位鉴别器具有物平面脉冲响应其中p是相位调制器中的元件的空间周期并且x₀是常数。

14、如权利要求1所述的显示器，其中该相位鉴别器具有物平面脉冲响应其中p是相位调制器中的元件的空间周期并且x₀是常数。

15、如权利要求1所述的显示器，其中该扫描器是振镜。

16、如权利要求1所述的显示器，其中该扫描器是旋转棱镜。

17、如权利要求1所述的显示器，其中行图像中的像素的数目与调制器元件的数目相同。

18、如权利要求1所述的显示器，其中行图像中的亮的像素对应于相邻的调制器元件之间的非零的相位差异。

19、如权利要求1所述的显示器，其中行图像中的暗的像素对应于相邻的调制器元件之间的非零的相位差异。

20、如权利要求1所述的显示器，其中由扫描器的相继的扫描产生的行图像通过平行于行图像偏移它们来交错。

21、一种光学系统，包括：

透镜，其具有物平面和傅里叶平面；

相位调制器，其位于物平面，该调制器包括具有空间周期p的线阵列的元件，其中每个元件能独立地改变入射到其上的光的相位；

光学部件，其对来自相位调制器的元件的光的相位进行采样，该部件在物平面具有由给出的脉冲响应，其中x是平行于线阵列的空间坐标并且x₀是常数。

22、如权利要求21所述的系统，其中该光学部件包含位于相位调制器和透镜之间的萨伐特片。

23、如权利要求21所述的系统，其中该光学部件包含位于傅里叶平面的沃拉斯顿棱镜。

24、如权利要求21所述的系统，其中该光学部件包含位于相位调制器和透镜之间的厚全息图。

25、如权利要求21所述的系统，其中该光学部件包含位于傅里叶平面的变迹滤波器。

26、如权利要求21所述的系统，其中该光学部件在傅里叶平面具有脉冲响应，脉冲响应是在截断的单个周期的正弦函数，其中λ是光的波长。

27、一种光学系统，包括：

透镜，其具有物平面和傅里叶平面；

光学部件，其对来自相位调制器的元件的光的相位进行采样，该元件在物平面具有由给出的脉冲响应，其中x是平行于线阵列的空间坐标并且x₀是常数。

28、如权利要求27所述的系统，其中该光学部件包含位于相位调制器和透镜之间的萨伐特片。

29、如权利要求27所述的系统，其中该光学部件包含位于傅里叶平面的沃拉斯顿棱镜。

30、如权利要求27所述的系统，其中该光学部件包含位于相位调制器和透镜之间的厚全息图。

31、如权利要求27所述的系统，其中该光学部件包含位于傅里叶平面的变迹滤波器。

32、如权利要求27所述的系统，其中该光学部件在傅里叶平面具有脉冲响应，脉冲响应是在截断的单个周期的余弦函数，其中λ是光的波长。

33、一种光学系统，包括：

线阵列相位调制器，其能够沿其长度建立相位阶跃轮廓；以及

光学相位鉴别器，其将相位阶跃轮廓转换成包括亮的和暗的像素的行图像；其中，

行图像中的像素用不归零倒置编码在轮廓中映射。

34、一种显示器，包括：

光源；

相位调制器，包括二维阵列的元件，元件调制由光源产生的光的相位；以及，

光学相位鉴别器，其将来自调制器元件的光之间的相位差转换成二维图像的像素。

35、如权利要求34所述的显示器，其中该二维阵列包括一列线阵列并且该相位差由相位差鉴别被转换为像素强度。

36、如权利要求34所述的显示器，其中该二维阵列包括一列线阵列并且该相位差由相位共性鉴别被转换为像素强度。

37、如权利要求34所述的显示器，其中该相位调制器是液晶相位调制器。

摘要：

一种显示系统，基于线阵列相位调制器和相位边缘鉴别器光学系统。

附录B(USSN 13/657,530)

用于MEMS条带阵列光调制器的低压驱动

技术领域

本公开涉及用于基于微机电系统(MEMS)条带阵列的光调制器的电子驱动系统。

背景技术

MEMS条带阵列已被证实在许多不同种高速光调制器中是有用的。基于MEMS条带阵列的不同种的光调制器的一些范例描述在美国专利US 7,054,051、US 7,277,216、US 7,286,277和US 7,940,448中。

图1A是一个MEMS条带阵列105的概念图。条带，例如110、115固定在基底120上方。在条带和基底之间施加电压使得条带朝向基底偏转；例如，条带110偏转，而条带115放松。在一个阵列中的MEMS条带的典型尺寸是几十到几百微米长，几微米宽，以及零点几微米厚。条带可以由氮化硅制成，并且镀有铝。

MEMS条带可以在少至大约十纳秒之内在放松的和偏转的状态之间切换。相应的高像素切换速度意味着一个线阵列的MEMS条带能做一个二维的光调制器的工作。由线阵列调制器产生的一个行图像可以左右地扫掠来绘制二维的景象。

高速的条带需要高速的电信号来驱动它们。在典型的MEMS阵列中的条带需要从基底10到15伏的电势差来以四分之一光波长偏转。以几百兆赫兹切换10到15伏是一项专门的任务，其通常需要定制的电子驱动器电路。如果MEMS条带阵列可以由传统的高速数字电子电路来驱动将更为方便。在MEMS和CMOS电路之间更紧密的结合，例如，可以带来被认为是用于集成电路的光输出级的MEMS线阵列。

附图说明

图1A是MEMS条带阵列的概念图。

图1B是示出了连接到MEMS条带的信号电压供给和偏置电压供给的简图。

图1C是包括MEMS条带阵列及关联的光学器件、控制信号电压供给和偏置电压供给的MEMS光调制器的概念方框图。

图2例示了如在图1B中示出的MEMS条带的位移对电压的关系的性状。

图3是MEMS光调制器的像素强度对电压的关系的图形。

图4A是在未加偏置的MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。

图4B-4D分别是未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的位移对电压、像素强度对位移和像素强度对电压的关系的图形。

图5A是在偏置的MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。

图5B-5C分别是偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的位移对电压和像素强度对电压的关系的图形。

图6是偏置的和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的像素强度对电压的关系的图形，其缩放使得获得最大像素强度所需的电压在每个情况下归一化为一。

图7A是条带驱动方案的简化示意图。

图7B是在MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。

图8是在传统的伪双极性的条带驱动方案中的连续的帧的时序图。

图9是在使用偏置电压和信号电压的伪双极性的条带驱动方案中的连续的帧的时序图。

图10是偏置的和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的测量的像素强度对电压的关系的图形。

图11是偏置的和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的测量的像素强度对电压的关系的图形，其缩放使得获得最大像素强度所需的电压在每个情况下归一化为一。

具体实施方式

用于MEMS条带阵列光调制器的低压驱动系统是基于直流偏置电压和低压条带控制信号串联加入从而利用条带非线性位移特征。图1B提供了此布置的简图。在图1B中，MEMS条带125悬于基底130之上。控制信号电压V_SIG135和偏置电压V_BIAS140串联连接从而在条带和基底之间施加复合电压。在条带和基底之间的电势差致使条带以一个量Δz朝基底偏转，如短划曲线所示。

图1B示出了仅一个条带连接到信号和偏置电压源。在典型的MEMS条带阵列光调制器中，全部条带连接到偏置电压源。条带的一个子集，例如通常是在阵列中的每隔一个的条带，连接到与偏置电压源串联的信号电压源。在此子集中的条带可被称作“工作”条带而那些连接到偏置电压而不是信号电压的可被称作“静态”条带。工作条带独立于彼此偏转。发生此情况是因为施加于每个工作条带的信号电压可以与施加于任何其它工作条带的相同或不同。在效果上，每个工作条带都具有其自己的信号电压源。在实践中，一个信号电压源可以经由多路复用技术驱动多个条带。因此术语“信号电压源”指可以给不同的条带供应不同的信号电压者。

图1C是包括MEMS条带阵列及关联的光学器件、控制信号电压供给和偏置电压供给的MEMS光调制器的概念方框图。为了清晰，在图中省略了光学细节，诸如聚焦透镜、鉴相器、分束器、扫描镜等等。调制器包括一个由串联的偏置电压和控制信号电压驱动的MEMS条带阵列。如同图1C的调制器可以被用于投影显示、微显示器、打印机和三维深度捕捉系统，以及其它应用中。

细看MEMS条带性状帮助解释图1B和1C的串联的偏置和控制信号电压供给如何带来MEMS条带阵列的低压操作。特别地，图2例示了例如在图1B中示出的MEMS条带的位移(即Δz)对电压的关系的性状。在图2中，位移归一化到在条带和基底之间在没有外加电压的松弛状态下的距离。换言之，当位移等于一，条带接触基底。电压的单位是任意的。

短划线绘出了如根据其中一个条带在电气上被当作电容并在机械上被当作弹簧的模型所计算的条带位移。当条带位移达到1/3，系统变得不稳定并且条带掉下到基底。换一种方式说，位移对电压的关系的曲线的斜率在该点变成无穷。为了避免掉下，多数MEMS条带阵列装置被操作在小于掉下电压的电压处。

实线绘出了对实际的条带位移曲线的近似。在此近似中，位移与电压的平方成正比。显然，V²近似低估了实际位移；然而，它在远离掉下电压处是合理地精确的。

电容-弹簧模型和其V²近似都呈现非线性的性状：偏转条带一个单元所需的附加电压随电压增加而降低。图3例示了此性状对于基于MEMS条带阵列的光学调制器的蕴意。图3是像素强度对电压的关系的图形，其中像素强度与条带位移的正弦平方成正比，对许多种MEMS条带光调制器情况都如此。像素强度归一化到其最大值而电压比例对MEMS条带阵列装置是典型的。在图3中，偏转条带四分之一光波长(λ/4)所需的电压ΔV₁是10V。这带来像素强度偏转条带从λ/4到λ/2位移所需的附加电压ΔV₂，其中I＝0，大约仅4V。

现在以更多细节描述像素强度对电压的非线性的依赖的应用。为了设定基线来对比，首先考虑具有零偏置电压的条带性状。图4A是在未加偏置的MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。在图4A中，条带405和410(在横截面中看)在基底上方Z₀高处是静止的。条带415和420(也在横截面中看)在外加电压的影响下朝向基底偏转。

图4B-4D分别是未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的位移对电压、像素强度对位移和像素强度对电压的关系的图形。图4B是条带位移对电压的关系的图形，使用位移与电压的平方成正比的近似。图4C是像素强度对位移的关系的图形，其中像素强度与条带位移的正弦平方成正比。最后，图4D是像素强度对电压的关系的图形，其中像素强度与电压的平方的正弦平方成正比。

图4B-4D的图形是归一化的，使得单位电压带来单位位移，并且单位位移带来单位像素强度。单位电压和其产生的位移，被标记“V_QW”，因为在典型的基于条带的光调制器中(Z-Z₀)＝λ/4(“四分之一波长”)条带位移带来最大像素强度。图4A、4B和4D现在可以和例示了偏置的效果的图5A、5B和5C相比。

图5A是在偏置的MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。在图5A中，条带505和510(在横截面中看)处于将它们从在基地之上高度Z₀偏转到高度Z₁的直流偏置电压的影响之下。条带415和420(也在横截面中看)被相同的电压偏置，并且它们在附加的信号电压的影响下从高度Z₁朝向基底转离更多。

图5B是条带515和520的位移对电压的关系的图形。在图5B中，位移比例代表从偏置的高度Z₁开始的附加的位移，而电压比例表示加入到直流偏置电压的信号电压。位移比例归一化使得单位位移对应于λ/4的条带移动。电压比例归一化使得图5B中的单位电压具有与图4B中的单位电压相同的幅值。

在图5A中偏转条带至高度Z₁并影响图5B和5C中呈现的结果的直流偏置电压具有在图4B、4D、5B和5C的图形的比例上的单位幅值。在此范例中偏置电压是V_QW；即(Z₁-Z₀)＝λ/4。图5B示出获得附加的λ/4条带位移所需的信号电压(串联地加入偏置电压)的幅值大约是0.41。这比获得从Z₀到Z₁的第一个λ/4条带位移所需的电压小59％。

图5C是像素强度对电压的关系的图形，其中像素强度与电压的平方的正弦平方成正比。像素强度比例归一化使得单位像素强度是最大值。电压比例代表加入到直流偏置电压的信号电压并且与在图5B中一样地归一化。图5C示出，获得最大像素强度所需的信号电压(串联地加入偏置电压)的幅值大约是0.41。这比用例如图4A那些未加偏置的条带获得最大像素强度所需的电压小59％。

为图5A-5C的范例所选的偏置电压仅仅是一个可能性。较低的偏置电压带来以规定量偏转条带所必需的附加的信号电压的较少的严重减少。较高的偏置电压带来对附加的信号电压的更大的条带偏转灵敏度。然而，如果偏置电压过大，可能发生掉下。

条带位移对外加电压的非线性特性让光调制器设计者能挑选一个偏置电压使得适当范围的控制信号电压带来从暗到亮的完全的光调制。对这些非线性特性的起源的一个直观但不完全的解释可以通过注意在充电的对象例如一个MEMS条带上的力是由F＝qE给出而获得，其中q是电荷并且E是电场。储存在条带上的电荷q由q＝CV给出，其中C是条带-基底系统的电容量，并且V是它们之间的电压。电场E由V/d给出，其中V是条带和基底之间的电压，并且d是它们之间的间距。因此力F取决于V两次；即其取决于V²。泛泛地说，偏置电压的效果可以被认为是在条带上储存电荷并提供一个V因子。信号电压遂提供另外的V因子。这意味着当存在偏置电压时，条带位移大致线性地响应增加的信号电压。

如果条带位移实际上是V的线性函数，则像素强度将与sin²(V)成正比而不是sin²(V²)。接近此极端情况的条带性状例示于图6中。图6是偏置的和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的像素强度对电压的关系的图形，其缩放使得获得最大像素强度所需的电压在每个情况下归一化为一。换言之，图6在同一幅图上示出了图4D的(短划线)和图5C的(实线)曲线，但是图5C的电压已被缩放使得达到最大像素强度所需的附加的信号电压是单位电压而不是大约0.41。重新缩放例示了强度对电压的关系的曲线在从暗到亮的全范围上的函数形式。

图6中的点曲线是如果条带位移是V的线性函数的话将在光学调制器中获得的像素强度函数sin²(V)。在图6中可以看出，当条带被偏置，它们对控制信号电压的响应更接近地近似此线性的情况。当使用数模转换器(DAC)来产生条带控制信号，像图6中的点线(sin²(V))或实线(偏置的)曲线的像素强度函数比之短划(无偏置)曲线是更优选的，因为像素强度的整个范围被分配得更均匀地跨越DAC的可达到的离散输出电压集。

在“伪双极性的MEMS条带驱动”(由Yeh和Bloom在2010年10月22日提交的US 12/910,072)中指出，即使使用一个单极性的电源供给也可以通过周期地改变在条带和基底之间的电场的方向来避免潜在地有害的条带充电效果。通常改变是在提供给MEMS光调制器的视频信息的交替帧期间做出。在那个申请中公开的方法依靠条带在电压V下经受的力与在电压-V下经受的力相同这个性质。(注意在US 12/910,072中使用的术语“偏置条带”指的是与本文论述的偏置电压或偏置的条带不同的概念，并且不应与其混淆。)

图7A是条带驱动方案的简化示意图。在图7A中，电容705代表在MEMS条带阵列中的工作条带的电气性质，而电容710代表在阵列中的静态条带的电气性质。工作条带是那些改变偏转来建立不同的像素强度的，而静态条带不这样做。电压电源715和725分别连接到工作和静态条带。电压电源720连接到条带的公共基底。由源715、720和725产生的电压分别是V_ACTV(工作条带)、V_SUB(基底)和V_STAT(静态条带)。当如下所述使用电压偏置时这些电压电源可以包括串联的偏置和信号电压。

与图4A和5A类似，图7B是在MEMS条带阵列中的条带位移的概念图。静态条带留在位移Z₂处而工作条带的位移取决于施加于它们的电压而改变。位移Z₂并不必须是条带的放松状态。

图8是在不利用条带偏置技术来实现低压操作的伪双极性的条带驱动方案中的连续的帧的时序图。(更多详细的讨论见Yeh和Bloom。)在时序图中，帧1、2和3代表在其期间条带阵列为一组行图像而配置的时间。在帧1和3期间，静态条带和基底保留接地，而工作条带由上至V_MAX的电压控制，V_MAX是最大像素强度所需的电压。如上所述，对典型的MEMS条带阵列，此电压可以是大约15V那么多。在帧2期间，工作条带保留接地而静态条带和基底在0和V_MAX之间变化。E场在两帧之间切换方向并且防止电荷积聚，但是没有偏置，控制电压仍然在10-15V范围内。

图9是在使用偏置电压和信号电压的伪双极性的条带驱动方案中的连续的帧的时序图。这里在每个帧期间工作条带在0和V_SIG之间变化并且静态条带留在V_SIG或0。基底在两帧之间从-(V_MAX-V_SIG)到V_MAX的范围内变化。在实践中V_SIG可能是大约5V或更少，而V_MAX可以是大约10到15V。偏置基底减少了偏转工作条带所需的控制电压的幅值。尽管控制电压随视频数据的每列而改变，偏置电压仅在两帧之间改变。因此与可能改变得快千万倍的信号电压相比，偏置电压被认为是“直流”的。

用MEMS条带阵列执行实验来检验用降低的信号电压的条带控制。阵列中的条带用镀有铝的氮化硅制成并且大致250μm长，4μm宽以及0.15μm厚。它们与导电的基底隔开大致0.45μm的空气间隙以及一个大约2.75μm厚的绝缘的二氧化硅膜。(这些尺寸中的每一个都可能变化差不多正或负50％而不背离MEMS条带阵列的概念。)图10和11例示了实验的结果。

图10是一个偏置的和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的测量的像素强度对电压的关系的图形。在图10中曲线1010代表无偏置电压的传统的条带驱动的数据。曲线1005代表由与10V偏置电压供给串联的控制信号驱动的阵列的数据。从图中显而易见，偏转条带超过其偏置的位置λ/4所需的控制信号电压(大约4V)显著地小于偏转未加偏置的条带λ/4所需的电压(大约11V)。

图11是偏置和未加偏置的基于MEMS条带阵列的光调制器的测量的像素强度对电压的关系的图形，其缩放使得获得最大像素强度所需的电压在每个情况下归一化为一。(此图形类似于图6)在图11中曲线1105和1110代表与在图10中的曲线1005和1010相同的数据。然而在图11中，每条曲线的电压比例已被归一化使得单位电压产生最大像素强度。从图中显而易见，偏置的条带比未加偏置的条带提供更加线性的像素强度响应。这减少了用高分辨率数模转换器来达到均匀地从亮到暗的亮度等级的需要。

如上所述，条带非线性的偏转特性可以用来减少操作它们所必需的控制信号电压。这些方法可以用若干方式扩展。例如，最好的光学对比度是从以共模来操作的MEMS条带阵列获得；即，全部条带由相同的偏置电压偏置并且交替的(“工作”)条带由串联地加入偏置的信号电压来控制。然而，MEMS条带阵列不是必须用这种方式操作。例如，固定的(“静态”)条带可以制成使得即使当全部条带处于放松的、零电压状态时，它们超过基底的高度也不同于工作条带高度。

其次，加入到偏置电压的控制信号电压不必须是正的乃至单极性的。工作条带可被偏置到中等的亮度状态然后由交流控制信号电压偏转贯穿它们的整个亮到暗的范围。

最后，透明的电极可被放置在条带上面并且电气连接到基底。施加在条带和电极-基底之间的偏置电压遂具有增加条带对控制信号电压的灵敏度的效果而根本不偏转其。

所有这些技术的共同的主题是利用直流偏置电压来增加MEMS条带对外加电压的灵敏度并从而允许较低的信号电压操作。

提供以上对所公开的实施例的描述来使得任意本领域技术人员能制造或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员将是显而易见的，本文定义的原则可以被应用于其它实施例而不背离本公开的范畴。因此，本公开并不意指限于本文示出的实施例，而是与本文公开的原则和新颖特征一致的最宽的范畴。

权利要求的是：

1、一种MEMS光调制器，包括：

一个悬于基底之上MEMS条带阵列；

一个偏置电压源；以及，

一个信号电压源；

该偏置电压源、信号电压源、以及在阵列中的条带串联连接来在条带和基底之间建立总的电势差，使得条带对信号电压的偏转灵敏度在偏置电压大于零时增加。

2、如权利要求1所述的调制器，该偏置电压源连接到在阵列中的每个条带并且该信号电压源与偏置电压源串联连接到在阵列中的条带的子集。

3、如权利要求2所述的调制器，该子集是在该阵列中每隔一个的条带。

4、如权利要求1所述的调制器，该偏置和信号电压源改变符号使得在条带和基底之间的电场的方向周期地更迭。

5、如权利要求1所述的调制器，在阵列中的每个条带的长度、宽度和厚度分别大致是250μm、4μm和0.15μm，并且该条带由氮化硅和金属反射膜制成。

6、一种用于驱动基于MEMS条带的光调制器的方法，包括：

提供悬于基底之上MEMS条带阵列，该阵列包含工作条带和静态条带；

在每一条带和基底之间施加偏置电压来增加条带对信号电压的偏转灵敏度；

为在阵列中的工作条带增加信号电压与偏置电压串联；以及，

通过改变施加于各条带的信号电压来控制工作条带的偏转。

7、如权利要求6所述的方法，在阵列中的每隔一个的条带是工作条带。

8、如权利要求6所述的方法，进一步包括：

通过周期地改变偏置和信号电压的符号来更迭在条带和基底之间的电场的方向。

摘要：

一序列偏置电压增加了MEMS条带对控制信号电压的灵敏度。获得此效果是由于条带偏转对外加电压的非线性的依赖。产生的MEMS条带低压操作使其与高速电子设备更相容。

附录C(US 8,368,984)

伪双极性的MEMS条带驱动

技术领域

本发明大体涉及用于微型机电系统(MEMS)光条带装置的电子驱动方法的领域。

背景技术

MEMS条带装置用于若干种类的高速光调制器中，包括光栅光阀、干涉测量MEMS调制器、MEMS相控阵列，以及MEMS光相位调制器。这些光调制器技术的每一个都可用于个人显示、投影显示或印刷应用中，作为范例。

取决于其为哪个特定应用而设计，MEMS条带被制成多种形状和尺寸；然而，典型的条带可以是大致50-350微米长，2-10微米宽，以及0.1-0.3微米厚的。条带悬挂在大致离开基底0.2-0.5微米，它们可以通过应用电场来被吸引到基底。具有这些大概尺寸的条带能够在少至几十纳秒内在停止和偏转位置之间移动。

MEMS条带装置的高速度带来了这样的显示设计，其中一个线阵列的条带调制横跨观察区域扫描的一行图像。条带移动得快到使得它们的一个线阵列可以产生一序列的行图像来形成人类观察者没有任何闪烁的感觉的二维图像。用线性的而不是二维的阵列来调制光也带来紧凑的调制器，其有效利用贵重的硅基片基板。

因此，MEMS线阵列光调制器是用于与CMOS制造工艺集成的有吸引力的候选者。一个MEMS线阵列甚至可以被认为是用于集成电路的一个光输出级。然而，许多CMOS电子驱动器芯片用单极性的电源电压操控，并且单极性的驱动不一定与条带装置适用。在极端的情况中，从单极性的电源供给来驱动的条带在操控仅几分钟后即不能响应。

因此，需要的是使用单极性的电源供给来驱动MEMS条带装置的可靠的方法，以便条带和CMOS电子设备可以紧密地集成。

附图说明

图1A是一个MEMS条带和基底的截面的简图。

图1B是图1A中所示的结构的等效电路。

图2A和2B例示了在不同状态下在条带和基底之间的电场的方向。

图3示出了在具有回扫时间的、伪双极性的、50％放电占空比的驱动场景中的电压和场的图形。

图4例示了在具有小于50％放电占空比的伪双极性的驱动场景中的电压。

图5A和5B示出了充电测试数据。

具体实施方式

如下所述的伪双极性的MEMS条带驱动方法设计成能避免当使用单极性的CMOS电子设备来驱动MEMS条带装置时可能另外出现的困难。MEMS条带装置通常使用包括高应力、化学计量的氮化硅(Si₃N₄)沉积的高温硅半导体制造工艺来制作。在MEMS中使用高应力层是不寻常的；然而，在一个条带的情况中，化学计量的氮化硅的高拉伸应力是允许条带快速移动的张力的源。

当在二者之间施加电压时，条带被吸引到基底。施加在条带上的力与所产生的电场的平方成正比。由于氮化硅是绝缘体，在条带和二氧化硅基底层之间的间隙没有导体靠近其。当在条带和基底之间施加电压时，在间隙的两侧的电介质积累表面电荷。这些表面电荷改变在间隙中的电场的强度并且在给定的外加电压下条带的运动随着时间改变。

当施加到条带的电压总是相同的正负号时，表面电荷积累。具有单极性的电源供给的简单的驱动电路促成此效应。然而，由于力与场的正负号无关，方向相反但大小相等的场产生相等的条带偏转。因此，用在一部分时间朝向一个方向(例如从条带到基底)，而在其它时间朝相反的方向的场来操作可以减少表面电荷累积效应。现在与附图协力详细讨论伪双极性的MEMS条带驱动方法的这些原理和细节。

图1A是MEMS条带和基底的截面草图。在图中，高应力、化学计量的氮化硅105是在MEMS条带中的构造层。条带以一个小间隙从硅基底115分离，二氧化硅膜110已生长在硅基底115上。铝导电层120可以在完成高温步骤后在后端处理期间被沉积在氮化物条带上。(可以使用其它工艺来制造同样的结构。)在一个范例结构中，条带大约200微米长，大约3微米宽；层的厚度大约是：铝，化学计量的氮化硅，以及二氧化硅，2微米。氮化物和氧化层之间的空气间隙(先前由非晶硅牺牲层填满)大约0.4微米。(提供这些尺寸仅为给出所涉及的比例的一个感觉；它们并不意指限制。)

图1A中的加(+)和减(-)符号，例如125、126、127、128、129、130、131和132表明了在结构中的电荷累积。特别地，表面电荷，例如在条带和基底之间的间隙中的125、126、127和128，改变由在V_R和V_S之间的电势差引起电场的大小，其中V_R经由连接140施加于铝层，V_S经由连接145施加于硅基底。当使用单极性的驱动电路时，V_R总是大于(或总是小于)V_S。当使用双极性的或伪双极性的驱动电路时，情况在V_R>V_S和V_R<V_S两种状态中交替变化。

图1B是图1A中示出的结构的等效电路。如同在图1A中的，在图1B中，V_R和V_S分别是施加于条带和基底的电压。电容C₁、C₂和C₃分别表示氮化物层、空气间隙和氧化层的电容量。存在若干由电路中的电阻代表的高阻值电流漏泄路径，如下：R₁，绕氮化物层的边缘的渗漏；R₂，跨过空气间隙的渗漏；R₃，从铝层到氧化层的渗漏；R₄，沿氧化层表面的渗漏；以及R₅，从氮化物层到硅基底的渗漏。其它漏泄路径，以及由在介质层中的俘获电荷造成的效应，是可能的，并且可能引起具有与图1中例示的那些相反的符号的表面电荷的累积。

在实践中，可能难以识别C₁至C₃和R₁至R₅的精确的值，但是如果整个结构被认为是具有一个漏电阻的单个平行平板电容器，则其充电时间常数是τ＝R_leakC_air。在一个范例结构中，τ约10³秒。

图2A和2B例示了在不同状态下在条带和基底之间的电场的方向。在图2中，条带205的截面示意图示出为靠近基底210。在图2A中，在条带和基底之间的电压使得条带比基底更正性地充电，并且引起的电场E的方向是从条带到基底。在图2B中，相反的是成立的：在条带和基底之间的电压使得基底比条带更正性地充电，并且引起的电场E的方向是从基底到条带。然而，如果E的大小是相同的，则作用在条带和基底之间的与E²成正比的力在图2A和2B两者中是相同的。

当可用双极性电源供给，在图2A和图2B的场景之间的切换是连接不同极性的电压电源到条带的问题，而举例来说基底保持接地状态。当仅一个单极性的电源可用时，类似的效应可以通过控制条带和基底两者的电势而不是保留基底总是接地来获得。这种操作方式被称作“伪双极性的”。

图3示出了在具有回扫时间的、伪双极性的、50％放电占空比驱动场景中的电压和场的图形。在图3中，图形305示出了条带电压对时间，而图形310示出了基底电压对时间。图形315绘出了在条带和基底之间的电场的强度和极性。从图形的左手边开始随时间增加到右边，电压+V在持续期t₁被施加于条带。在这期间，基底电压是零并且在从条带到基底的方向上的电场是正的，具有大小E。接下来，在持续期t₂，施加于条带和基底的电压都是零，在它们之间的电场也是。接下来，电压+V在持续期t₁被施加于基底。在这期间，条带电压是零并且在从条带到基底的方向上的电场是负的，具有大小E。接下来，在持续期t₂，施加于条带和基底的电压都是+V，并且在其间的电场是零。然后，循环重复。

在图3中，时间t₁是那些当条带被与在条带和基底之间创建的电场的平方成正比的静电力偏转的时候。在交替的t₁时间期间，电场的方向是相反的。驱动方案的这个特征减少或去除在条带装置中的表面电荷累积。放电占空比是50％，因为电场指向两个方向的每个一半时间。时间t₁称为一“帧”时间；它是图像数据判定在一阵列中的哪个条带被偏转以及以什么量偏转的时间。在一个范例设计中，t₁大约14毫秒。在时间t₂期间，施加于条带和基底的电压相等因此电场是零并且表面电荷不累积。时间t₂称为一个“回扫”时间；它是条带未被偏转并且扫描镜或其它扫描机构可以回到它们的出发点的时间。在一个范例设计中，t₂大约3毫秒。

在图3中，帧数据只是在整个帧时间的最大条带偏转，其导向一个相当无聊的、全白的图像。实际图像的数据将在帧时间期间包含复杂的调制图案。然而，图3例示了条带偏转信号的极性而不管图像数据的复杂性。

如果图像数据从一帧到下一帧显著地不同，图3的驱动方案仍可能引起充电效应。在实践中，这是一个小的效应；然而其可以通过连续地显示各图像帧两次而去除：一次具有正的条带和接地的基底，一次具有接地的条带和正的基底。这样，平均电场总是零而不管图像数据。代价是帧频加倍；然而，取决于要显示的像素的数目，MEMS条带移动快得使得增加的帧频可被适应。

图4例示了在具有小于50％放电占空比的伪双极性的驱动场景中的电压。在图4中，图形405示出了基底电压对时间而图形410和415示出了两个相邻的条带的电压对时间：分别是一个“偏置”条带和一个“工作”条带。偏置条带420、工作条带425和基底430示意地示出于在视频工作时间期间在440和在回扫空白时间期间在445。

并非所有的条带阵列装置都使用偏置和工作的条带。当使用时，偏置条带代替固定的条带，来在视频显示系统中对暗电平进行精细的静态的调整。偏置条带在视频工作时间期间保持静止。它在回扫空白时间期间的运动是如下所述的伪双极性的驱动方案的副产品。

从图4的左手边开始随时间增加到右边，基底等于零，电压+V₂被施加于偏置条带，并且电压+V₃被施加于工作条带。这是在视频工作时间期间的最大亮度像素的情形。接下来，在持续期t₄，偏置和工作条带在零电压。在此回扫空白时间t₄内，在持续期t₅，电压+V₁被施加于基底。接下来，在视频工作时间t₃期间，情况回到正电压施加于偏置和工作条带而零电压施加于基底。

在视频工作时间t₃期间，偏置条带420轻微地偏转来校准暗电平而工作条带425根据要显示的视频数据偏转。在440，工作条带描绘成在与最大电压+V₃的应用一致的最大偏转。在回扫空白时间t₄期间，偏置和工作条带以相同的量偏转，确保暗状态。电场的方向在回扫空白时间期间与视频工作时间相比是相反的，从而减小表面电荷累积。电压被施加于基底期间的时间比整个回扫空白时间t₄稍短，来减少在一帧开始或结尾时的假光信号的可能性。在一个范例设计中，t₃大约14毫秒，t₄大约3毫秒，并且t₂大约2毫秒。放电占空比是t₅/(t₃+t₄)，或在此情况中大约12％。(放电占空比定义为在视频工作/回扫空白循环期间电场指向一个特定的方向的时期的百分比。根据定义，放电占空比是50％或更少。)

尽管放电占空比小于50％，图4的伪双极性的驱动方案提供了良好的实验结果。在一些MEMS条带阵列装置中，使用查找表格来记录需要多少电压来以期望的量来偏转条带。图3的伪双极性的驱动方案可能需要两个这样的查找表格；一个用于正的条带电压和一个用于正的基底电压。然而，在图4的伪双极性的驱动方案中，由于在视频工作时间期间工作条带总是被施加有正的电压，仅需要一个查找表格。

在一些情况中，通过利用二进制运算的性质，图3的伪双极性的驱动方案也可能仅用一个查找表格来操作。如果一个显示的条带偏转电平由例如N位的二进制数代表，则对交替极性帧这样的水平通过从二进制表示式2^N-1减去而关联。举例来说，如果在条带正、基底接地的操作期间以期望的量偏转条带所需的电压表示为{10101101}，则在条带接地、基底正的操作期间以相同的量偏转条带所需的相应的电压表示为{01010010}。两帧之间的差异可以通过把1换为0来确定，在条带偏转电压的二进制表示法中反之亦然。

在图4的伪双极性的驱动方案中对电荷累积的防止取决于V₁和V₃之间的关系。通常，V₁被选为在芯片上可用的最大电压，例如电源电压，而V₃一直随视频内容变化。总体上，V₁和V₃之间的差异越大，t₅就可以越小，而仍然防止表面电荷累积。

图5A和5B示出了充电测试数据。图5A示出了相对于基底被施加有恒定电压的条带的数据。图5B分别示出了根据例示在图3和4中的50％和12％放电占空比的伪双极性的驱动方案的条带驱动的数据。在两副图中，横轴是以小时为单位的时间，而纵轴是基于条带的光调制器的像素强度。像素强度与条带偏转直接相关。

在图5A中，三角形表明在开启恒定电压施加到条带之后在大约1.75、2.5和3.5小时处获得的数据点。响应于恒定的外加电压的条带偏转稳定地随时间经过而增长。在3.5小时之后，在此测试中条带不再响应外加电压的变化。表面电荷的累积变得过大。

在图5B中，正方形表明条带在50％放电占空比下获得的数据点，并且菱形表明条带在12％放电占空比下获得的数据点，在两个情况中都超过20小时的时间。图5B中的强度单位是任意的，并且正方形数据点出现在比菱形数据点更高的强度的情况是没有意义的。两套数据点都示出伪双极性的驱动方案在若干小时后带来对外加电压的一致的条带偏转。在每个测试的结尾，条带就像它们在测试开始时那样响应外加电压。

伪双极性的驱动方案的实施例已按照相对于接地是正电压来描述。然而，显然也可以使用负电压。

总之，如上所述的伪双极性的MEMS条带驱动方法设计为避免当使用单极性的CMOS电子设备来驱动MEMS条带装置时可能另外出现的困难。MEMS条带结构中的表面电荷累积被减少或去除以便条带可以被电信号无限定地控制而没有在条带反应上的降级。

提供以上对所公开的实施例的描述来使得任意本领域技术人员能制造或使用本公开。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员将是显而易见的，并且本文定义的原则可以被应用于其它实施例而不背离本公开的范畴。因此，本公开并不意指限于本文示出的实施例，而是与本文公开的原则和新颖特征一致的最宽的范畴。

权利要求的是：

1、一种用于驱动MEMS条带装置的方法，包括：

提供具有一组条带和一个公共的电极的MEMS条带装置，当以电容器为模型时，该装置以充电时间常数τ为特征；

以两个交替的配置对该装置发送驱动信号：

第一配置，其中第一组信号呈现为第一组条带电压和极性同于且幅值等于或小于第一组条带电压的第一恒定公共电极电压；以及

第二配置，其中第二组信号呈现为第二组条带电压和极性同于且幅值等于或小于第二组条带电压的第二恒定公共电极电压。

2、如权利要求1所述的方法，其中第二组条带电压通过下面确定：

(a)判定在第一组条带电压和第一恒定公共电极电压之间的差异的大小，将需要其来在第一配置中呈现第二组信号；以及

(b)从第二恒定公共电极电压中减去在(a)中判定的大小。

3、如权利要求1所述的方法，其中全部电压相对于接地是正的。

4、如权利要求1所述的方法，其中全部电压相对于接地是负的。

5、如权利要求1所述的方法，其中第一恒定公共电极电压相对于接地大约是零。

6、如权利要求1所述的方法，其中第二恒定公共电极电压大约等于MEMS条带装置制造于其上的芯片的电源电压。

7、如权利要求1所述的方法，其中公共电极是MEMS条带装置制造于其上的芯片的基底。

8、如权利要求1所述的方法，其中第一和第二组信号是不同的。

9、如权利要求1所述的方法，其中第一和第二组信号是相同的。

10、如权利要求1所述的方法，其中在第一配置中的信号代表图像数据。

11、如权利要求1所述的方法，其中在第一配置中的信号代表视频数据。

12、如权利要求1所述的方法，其中在第二配置中的信号代表图像数据。

13、如权利要求1所述的方法，其中第二配置中的信号代表视频数据。

14、如权利要求1所述的方法，其中信号50％的时间在第一配置中，并且50％的时间在第二配置中。

15、如权利要求1所述的方法，其中信号在小于50％的时间在第一配置中。

16、如权利要求1所述的方法，其中信号在小于50％的时间在第二配置中。

17、如权利要求1所述的方法，其中信号代表分组为图像帧的图像数据，并且每个图像帧在第一配置中发送一次并在第二配置中发送一次。

18、如权利要求1所述的方法，其中两个信号配置在小于τ的时间内交替。

19、如权利要求1所述的方法，其中由于在条带中的化学计量的氮化硅层中的拉伸应力，条带受到拉伸。

摘要：

一种用于驱动MEMS条带装置的伪双极性的方法减小了装置中的充电效应。

附录D(US 7,286,277)

偏振光调制器

相关申请的交叉引用

此申请是2005年8月3日提交的US 11/161,452的部分接续申请案，US 11/161,452是2004年11月26日提交的US 10/904,766的部分接续申请案，二者都作为参考结合到本文中。

技术领域

本发明大体涉及可见显示设备和光调制器系统。特别地，其涉及包含光偏振敏感装置的差分干涉光调制器。

背景技术

显示设备例如电视机和电影放映机通常含有调制器以便将光分配成二维图案或图像。例如，电影卷轴的帧将来自放映灯的白光调制成形状和颜色，在电影屏幕上形成图像。在现代显示器中，光调制器用来响应于控制该调制器的电子信号去开启和关闭在图像中的单个像素。

德州仪器公司介绍了称作数字镜装置的微机电光调制器，在其表面上包括几百万的微小的镜子。每个镜子对应于在图像中的一个像素，并且在芯片中的电子信号致使镜子移动并在不同的方向反射光以便形成亮或暗的像素。例如参见作为参考结合在本文中的美国专利号4,710,732。斯坦福大学和硅光机械公司开发了一个称作光栅光调制器的微机电芯片，其中衍射光栅可被开启和关闭来将光衍射到亮或暗的像素。例如参见作为参考结合在本文中的美国专利号5,311,360。

这些用于显示器的反射和衍射的光调制方案都涉及光调制器元件的二维阵列。然而，也有可能做出其中光入射到线阵列的高速光调制器上的显示器。利用适当的放大光学器件和扫描镜，可以令线阵列对观察者显现成二维的。在振镜的扫描动作始终，可以令单一行的光调制器做许多行的调制器的工作，如同提供同样分辨率的真的二维显示器所必需的那样。例如参见作为参考结合在本文中的美国专利号5,982,553。

Manhart介绍了包括光栅光阀阵列和干涉光学系统的显示设备。参见作为参考结合在本文中的美国专利号6,088,102。在Manhart文中显示系统使用平面光栅光阀(GLV)阵列作为空间光调制器，用于呈现要显示的图像。该系统依靠GLV阵列的可移动的反射元件的位置来做图像呈现，其中反射元件移动经过平行于阵列平面的平面。可移动的元件从入射相衬波阵面提供反射的调相波阵面，反射的调相波阵面呈现要显示的图像。显示的图像通过干涉地结合调相波阵面与也从入射的相衬波阵面直接或间接地形成的参考波阵面来提供。

许多微机电光调制器与数字图像技术相容。数字信息可被电子地发送给调制器。例如，可以通过仅在部分时间开启像素来获得灰度图像。以50％占空比从亮到暗切换的像素将对观察者显现为具有在亮和暗之间中间的恒定的强度。然而，像素必须在亮或暗状态之间切换得比大致30Hz的人眼临界闪烁频率更快，否则其将显得闪烁。因此，用于显示器的二维的数字光调制器必须在状态之间迅速地切换来显示在亮和暗之间的光水平范围。

通过振镜扫描来令其显现成二维的一维数字光调制器阵列必须含有具有快的切换速度的调制器。每个调制器元件必须迅速地开关来提供灰度的印象，并且此动作必须在镜子的扫描周期内对一行像素中的每一个重复。光栅光调制器装置特别呈现出高切换速度，因为它们的机械元件仅移动非常短的距离。光栅光调制器含有平行的条带结构，其中间隔的条带被静电地偏转来形成衍射光栅。条带仅移动四分之一光波长的距离来切换光栅开或关。也可能(并且在许多情况中是期望的)以模拟而不是数字模式操作一维或二维的光调制器。

Gudeman提议了基于非常类似于光栅光调制器的机械结构的干涉光调制器；参见作为参考结合在本文中的美国专利号6,466,354。Gudeman的光调制器是一种基于条带结构的法布里-珀罗干涉计。

以上所述的以德州仪器公司的数字镜装置和斯坦福/硅光机械公司的光栅光调制器装置为代表的微机电光调制器已经取得了广泛的商业成功，并且已经引发了其它相关的设计。例如参见作为参考结合在本文中的US专利号6,724,515。

数字镜装置比较慢，因此通常作为二维的镜阵列供应。通常二维的调制器阵列比一维阵列制造更加昂贵并且需要用于镜子的复杂的编址方案。二维阵列需要在大的芯片面积上的N×N像素的无缺陷的制造，而具有相同的图像分辨率的一维阵列仅需要单一行的在芯片上N个工作像素。

光栅光调制器装置虽然非常快但是由于衍射而具有限制。光栅光调制器具有反射的状态或配置以及衍射的状态。在衍射的状态入射的光衍射到光栅的+1和-1衍射级次。然而，大约仅80％的光集中在这两个级次中。

在作为参考结合在本文中的2004年11月26日提交的US10/904,766“差分干涉光调制器及图像显示设备”中公开了具有许多期望的特征的干涉光调制器。该设备特征为高速度和高对比度。干涉的设计意味着光不流失在高衍射级次(如在衍射装置中可能成为问题的)，其也不需要区分衍射的光和未衍射的光。

在US 10/904,766中，新颖的光调制器含有偏振棱镜来将光束拆分成正交的偏振分量。使得这些偏振分量在调制器中行进不等的距离然后在棱镜中重新结合。当一个偏振分量相对于另一个被移相，重新结合的光束的总体偏振被改变。重新结合的光束的偏振遂由偏振分束器分解。从偏振分束器输出的光强取决于入射光束的偏振态，而入射光束的偏振态又取决于偏振分量的相对相移。

通过将正交的偏振分量聚焦于被设计的粗糙表面并由其反射来将相移给予在调制器中的正交的偏振分量。此相移表面具有稍微不同位移的区域，其致使光束在反射后行进稍微不同的距离。提供了新颖的微型机电系统(MEMS)条带阵列装置，用于调制从其条带表面反射的光束的相移。

在作为参考结合在本文中的2005年8月3日提交的US11/161,452“差分干涉光调制器及图像显示系统”中公开了一般化的、改进的干涉光调制器。描述了为MEMS光学移相装置及补偿方案设计来改进视场的光学偏振移位装置。

在US 11/161,452中，差分干涉光调制器及图像显示系统包括偏振分束器、偏振移位装置和MEMS光学移相器。线阵列MEMS光学移相器用来调制在显示器中的一行像素。偏振分束器担当在干涉仪中的起偏器和检偏器两者。偏振移位装置将来自起偏器的偏振光分离成平行于彼此传播的正交的偏振分量。MEMS光学移相器，或这样的装置的阵列，将相对相移给予偏振分量并将它们返回给偏振移位装置，它们在偏振移位装置处重新结合并发送给检偏器。MEMS光学移相器被电子地控制并将电子图像数据(光调制指令)转换为实际的光调制。

然而，更进一步的发展总是可能的。尽可能紧凑的偏振光调制器设计是期望的。亮度和高对比度是显示器的重要的特性并且需要持续不断的改善。对于一些应用，例如头戴式显示器，需要设计成位于接近观察者的眼睛的观察器。

附图说明

为了明晰，附图是启发式的。

图1A-1D示意地示出了多种偏振分离光学元件。

图2A和2B示出了用于偏振光调制器的设计。

图3A和3B示出了用于紧凑的偏振光调制器的设计。

图4A和4B示出了用于近距观察的偏振光调制器的设计。

图5A-5C示意地示出了MEMS光学移相器。

图6A和6B示意地示出了图5A中例示的装置的横截面。

图7A和7B示意地示出了具有孔径的MEMS光学移相器。

图8示意地示出了具有比图7A中例示的更大的孔径的MEMS光学移相器。

具体实施方式

显示系统操控光来形成文字、图形及其它视觉景象的图像。光传播涉及复合的多种现象，包括光波特性及偏振。在相关的申请US10/904,766和US 11/161,452中，介绍了一种包含与偏移光波相位的MEMS装置相结合的偏振干涉仪的新类型的显示系统。

在这些新的系统中，线阵列MEMS光学移相器用来调制在显示的图像中的一行像素。偏振分束器担当在干涉仪中的起偏器和检偏器两者，而偏振移位装置将来自起偏器的偏振光分离成正交的偏振分量。MEMS光学移相器阵列将相对相移给予偏振分量并将它们返回到偏振移位装置，它们在偏振移位装置处重新结合并被发送给检偏器。MEMS光学移相器被电子地控制并将电子图像数据(光调制指令)转换为实际的光调制。

在US 10/904,766和US 11/161,452中公开的干涉光调制器中，偏振移位的方向平行于MEMS光学移相装置中的条带或悬臂。这意味着形成特定像素的光来自由单个条带或悬臂的不同部分反射的光。

在此申请中公开了不同的光学布置，其中正交的偏振位于垂直于MEMS光学移相装置中的条带。相应地，形成一个显示的像素的光来自从超过一个条带或悬臂反射的光。在本文中也公开了用于近距观察的紧凑的偏振光调制器和显示器的光学设计。呈现了用于MEMS光学移相器的设计，包括为了大功率处理的优化。

偏振光调制器显示器依靠干涉度量法来调制在显示的图像中的像素。干涉度量法又取决于操控光的相位来产生相长的或相消的干涉。偏振光调制器的一个重要的部分是分离光的偏振分量以便在它们之间的相对相位可被改变的装置。

图1A-1D示意地示出了多种偏振分离光学元件。图1A-1D中示出的元件介绍于相关的申请US 10/904,766和US 11/161,452中；然而，这里描述了额外的特性。

在图1A中示出了沃拉斯顿棱镜。图1B示出了与位于一个焦距远的透镜相结合的沃拉斯顿棱镜。图1C示出了萨伐特片。图1D示出了一般化的偏振移位装置。

图1A中示出的沃拉斯顿棱镜将入射的光束102拆分为正交的偏振分量112和114。因为它们以不同的角度离开棱镜，光束112和114远离彼此无限定地传播。沃拉斯顿棱镜由具有光轴定向如箭头108和110所示的两块材料104和106组成。

虚线箭头116表明沃拉斯顿棱镜垂直于入射的光束102的平移改变光束112和114的性质。平移改变光束之间的相位差，因此可用于调整干涉仪的设定点。另外，棱镜可被在纸面内倾斜(即绕着垂直于纸面的轴)。倾斜可用于对夹角θ做出小的调整。当对从MEMS光学移相装置中一个条带到相邻的条带的距离来匹配偏振移位时，此自由度是有帮助的。

图1B示出了位于离沃拉斯顿棱镜一个焦距远的透镜160。此情况类似于在图1A中示出的，除了离开系统的正交地偏振的光束156和158平行于彼此。期望偏振移位装置具有这样的性质，即光束平行于彼此离开装置。这样，从MEMS光学移相器反射后，光束回归它们的路径。当θ是小角度时，根据d＝f˙θ，间距d与焦距f和夹角θ有关。

只要有可能即以一个光学部件替换两个光学部件通常是有利的。这样的替换通过图1C中例示的萨伐特片实现。萨伐特片是走离晶体的范例，其给予入射到其上的光的偏振分量横向移位。(沃拉斯顿棱镜是双折射棱镜的范例，其给予偏振分量夹角。)在图1C中，输入光束122被分成正交的偏振分量132和134。萨伐特片由具有光轴定向如箭头128和130所示的两片材料124和126组成。箭头130是虚线的，表明其不处于本页的平面内；事实上其与本页的平面形成45度角。

距离L₁和L₂表明萨伐特片中的厚度改变光束132和134的性质。可以设计这些厚度来指定干涉仪的设定点。另外，片可在纸面内被倾斜(即绕着垂直于纸面的轴)。倾斜可用于对间距d做出小的调整。当对从MEMS光学移相装置中一个条带到相邻的条带的距离来匹配偏振移位时，此自由度是有帮助的。

总之，只要其具有图1D中示出的效果，任何装置都能作为偏振移位装置使用。入射的光束162被分成两个平行的光束164和166，其被正交于彼此起偏。相当于，如果偏振的光束164和166被认为是输入，则装置将它们结合成一个光束162。光束162的偏振遂通过光束164和166的偏振分量的相对相位来判定。

如在此以及在US 10/904,766和US 11/161,452中描述的，偏振移位装置可以由沃拉斯顿、罗雄或塞拿蒙棱镜与透镜、萨伐特片或其变体结合制成，或者由具有相同的效果的任意其它光学部件制成。

图2A和和2B示出了用于偏振光调制器的设计。图2A和2B是相同的设计从垂直的视角的视图。为了方便起见图2A可以称为“顶”视图而图2B可以称为“侧”视图。

在两个视图中，来自光源202的光都在从MEMS光学移相器(MOPD)220反射之前传播穿过多种光学元件。在从MOPD220向光源202的回程中，部分的光被偏振分束器206偏转朝向透镜208。这仅例示在图2B中；在图2A中透镜208藏在偏振分束器206后面。

来自光源202的光聚焦在不同的平面中的不同的位置处。例如在图2A中，光从光源202发散朝向透镜204。事实上该光源大致位于离透镜一个焦距处，以便光在透镜204和212之间准直。MOPD220大致位于离透镜212一个焦距处，使得透镜将光聚焦在其上。然而，从图2B中的垂直方向观察，来自光源202的光大致是准直的。因此，在光穿过透镜204，行进大致等于透镜204和212的组合焦距的距离，并穿过透镜212之后，当其到达MOPD220时其大致是准直的。

等价的描述是在MOPD220处的光聚焦在狭窄的缝形横截面中。在MOPD220处，光延长垂直于图2A中的纸面并且在图2B中的纸面中。如下所述，由于光的有效利用和在显示器中的相应的高亮度，在MOPD220中的条带阵列的这个延长的照明是有利的。

如US 10/904,766和US 1/161,452中所描述的，沃拉斯顿棱镜210和透镜212形成偏振移位装置。相应地不同的偏振移位装置可以被它们代替而不改变偏振光调制器的工作原理。

在图2A和2B中的光的延长的聚焦方向和偏振移位方向之间的空间关系不同于在US 10/904,766和US 11/161,452中描述的以前的设计的空间关系。在以前的设计中，偏振移位装置将光分离成在垂直于缝形横截面的长轴的方向偏移的缝形光束。这里偏振移位装置(即沃拉斯顿棱镜210和透镜212)将光分离成在平行于缝形横截面的长轴的方向上偏移的缝形光束。这在图2B中以点线表明，其中示出了在系统中的部分的光在MOPD220处移动了距离d。位移在图2A中不可见，因为其垂直于纸面。

到达MOPD220处的光的偏振分量垂直于在MOPD中的条带偏移。这也例示在图7A中，例如，在区域734(由粗虚线限定的)包围光的正交的偏振之处，其中光的正交的偏振在垂直于条带的方向并在纸面内以条带506或508的宽度偏移。

在图2A和2B中，如果光源202是线光源那将是有帮助的；然而，如果不是这样，其形状可由光束整形光学器件(未示出)来改变。偏振分束器206在其与偏振移位装置(沃拉斯顿棱镜210和透镜212)和MOPD220形成的干涉仪中担当起偏器和检偏器两者。干涉仪的两臂由光的正交的偏振形成，其中光的正交的偏振传播稍微不同的对MOPD往返的路径。

在图2A和2B中，光源202和透镜204、偏振分束器206、沃拉斯顿棱镜210、透镜212和MEMS装置220成一直线。由偏振分束器206朝向透镜208反射的光形成行图像，可以扫描其来建立二维的图像。然而完全可能将光源放置在透镜208将聚焦其光进入光学系统并在光源202所示之处形成行图像的位置。在这两个等价的布置之间的选择取决于实践，例如偏振分束器在透射对反射上达到的对比，以及所用光源的形状。

图3A和3B示出了用于紧凑的偏振光调制器的设计。图3A和3B是相同的设计从垂直的视角的视图。为了方便起见图3A可以称为“顶”视图而图3B可以称为“侧”视图。在图中，光源302提供光，光从图3A的视角观察时会聚到靠近MOPD320的腰处但从图3B的垂直视角观察则准直。适合的光源的范例包括由柱面透镜(未示出)塑形的线光源或点光源。

PDD311是“偏振移位装置”，如同该术语在US 11/161,452中被定义的。其功能是将在一个入射的光束中的正交的偏振分量偏移成两个平行的光束。偏振移位装置的一个范例是偏振棱镜，例如沃拉斯顿或罗雄棱镜与透镜结合。MOPD320是“MEMS光学移相器”，如同该术语在US 11/161,452中被定义的。其功能是给予入射光电子可控的相移。在US 11/161,452中论述了许多种MOPD。在此联合图5-8论述一个MOPD的细节。

在图3B中，透镜308位于离MOPD320大致一个焦距远。透镜在图3A中未示出，因为在该视图中其藏在偏振分束器306后面。在图3B中也绘出了在透镜308的焦平面中光强I对位置x的图形330。换言之，虽然是在相反的方向，图形330的点线的x轴和MOPD320都离透镜308大致一个焦距远。两个强度绘图332和336绘于图形330上。项目340是双缝孔径或光阑。

图形330的点线的x轴在MOPD320的傅里叶平面内。因此当MOPD被调制，例如以每隔一个的条带被偏转的方波样式，在傅里叶平面处的光强将大致是由绘图332示出的。当MOPD是未调制的，即当没有条带被偏转时，在傅里叶平面处的光强将大致是由绘图336示出的。

在到目前为止所述的偏振光调制器中明暗状态之间的可用的对比度主要由偏振分束器区分偏振的能力决定。在理想的情况下一个偏振的全部光由偏振分束器透射而正交的偏振的全部光被反射。然而在实践中，在“错误的”偏振中的一些光无意地泄露或被反射。

双缝孔径或光阑340可以用来增加在偏振光调制器中的对比度。如果孔径340位于透镜308的傅里叶平面，当MOPD320未被调制时其阻挡光但当MOPD被调制时通过光。这增加了由偏振分束器306的偏振区分带来的对比度。

图形330的点线的x轴整体地位于MOPD的傅里叶平面中；然而其不是在MOPD调制的行图像的中的像素的像平面。当透镜308位于离MOPD320一个焦距处，行图像形成在无穷远。通过按照透镜制作者的公式1/d₁+1/d₂＝1/f来移动透镜远离MOPD可以将图像带近透镜，其中d₁和d₂是从透镜起测量到图像和到MOPD的距离。可替代地图像可以用附加的光学器件(未示出)来观看。

图4A和4B示出了用于近距观察的偏振光调制器的设计。这样的设计适于头戴式显示器，其中观察者的眼睛接近装置。

图4A和4B是相同的设计从垂直的视角的视图。为了方便起见图4A可以称为“顶”视图而图4B可以称为“侧”视图。在图中，光源402提供光，光从图4A的视角观察室是准直的但从图4B的垂直的视角观察是朝透镜404发散的。在图4B中光源从一个位置发散，使得透镜404准直光；即光源离透镜404大致一个焦距远。适合的光源的范例包括通过柱面透镜(未示出)塑形的线光源或点光源。

图中的项目406是也担当扫描镜的薄的偏振分束器。其可以绕垂直于图4B中的纸面的轴(未示出)旋转。图4B中靠近薄的偏振分束器406的曲线箭头表明近似的扫描移动。透镜407位于离MOPD420大致一个焦距远；项目411是偏振移位装置。

从图4A的视角观察，光聚焦到在透镜404和407之间的腰，同时在图4B的垂直的视角中其在那两个透镜之间保持准直。焦点不必与薄的偏振分束器406的位置重合。

观察者的眼睛在图4B中作为项目424示意地绘出；眼睛的透镜是项目426。当透镜407位于离MOPD420一个焦距时，MOPD的像出现在无穷远。然而，观察者的眼睛424中的透镜426将该像形成在眼睛后部的视网膜上以便容易观察。该像是一个行图像，其源于由在MOPD中的线阵列的电子控制的相移表面所调制的一薄片光。当薄的偏振分束器406旋转，行图像移动跨过观察者的眼睛中的视网膜。此扫描运动用于从行图像建立二维的图像。

图5A-5C示意地示出了MEMS光学移相器。图5B和5C是图5A沿指明的线的横截面。在图5A-5C中，项目502是基底或基座；504是端部支座；510是中间支座。项目506和508是条带结构；506是由中间支座支撑的条带而508是没有中间支座的条带。在图5A-5C中，仅示出了八个条带而实际装置可能包含成百上千的条带。图仅是示意的。

图5B示出在图5A中标记“5B”的横截面处，在基底和条带之间没有支座。相反地，图5C示出在图5A中标记“5C”的横截面处，对每隔一个条带有支座。在图5A中，横截面“5C”标记在从条带端部起大致1/3处，并且这是优选的布置；然而其它设计也可能的。重要的仅是每隔一个条带是由支座或其它方式加强的，并且中心部分没有支座，在中心部分光被条带反射。

图5A-5C中示出的类型的装置可以使用任意标准MEMS制造工艺构建，例如在US10/904,766中概述的那些。尽管附图不按比例，一个人可以通过注意到条带通常在大约一到一百微米长之间来理解典型的装置的尺寸；它们朝向基底弯曲大致0.05到0.5微米。

图6A和6B分别示意地示出了图5A中例示的装置在标记“6A”和“6B”处截面的横截面。图6A和6B中全部有编号的项目对应于图5A-5C中相似编号的项目。图5中未例示电压信号或源610。

当电压施加于仅在其端部被支撑的条带，如由条带508例示的，条带朝向基底弯曲。在图2-4的偏振光调制器中的MOPD的正常运行中，条带被偏转的距离D大致是四分之一光波长。相反地，当电压施加于由中间支座支撑的条带，如由条带506例示的，条带远比在无支座的情况中弯曲得小。图6B中的条带506被画成根本不弯曲；在实践中其可能稍微弯曲。然而偏转是在支座之间的距离的非线性函数，所以其对有支座的和无支座的条带可以是显著地不同的。

使用支座来加强间隔的条带的好处是每个条带可以具有相同的厚度并且由相同的材料制成。然而可以使用除支座之外替代方法，如果最终结果依旧是：间隔的条带在外加电压的影响下被偏转不同的量。

图7A和7B示意地示出了具有孔径的MEMS光学移相器。图7A示出了类似于图5A中示出的视图的MOPD的视图，而图7B示出了类似于图6A中的视图。然而在图7中，孔径722已被放在条带结构上。

在图7中，项目502-610与在图5和6中相似编号的项目相同。项目710是隔圈。项目720和722用具有不透明膜722的透明片材720形成孔径结构。在图7A中，孔径结构720/722示出在剖视图中。由730代表的阴影部分和点线示出入射到MOPD上的延长的光束的近似范围。光线731也呈现光束，如从垂直于传播方向的方向观察的。

有界区域732呈现已穿过孔径结构720/722并入射到MOPD的条带上的光的横向范围。在有界区域732以内，由粗虚线边界描绘的区域734示出MOPD的一部分，来自该部分的反射光构成在来自例如例示在图2-4中的任意调制器的偏振光调制器的行图像输出中的单个像素。

孔径结构720/722防止无助于行图像的杂散光被MOPD条带反射。优选地，孔径不影响从其反射的光的偏振。在图7中，孔径示出为由有图案的、不透明膜在例如玻璃的透明基底上形成；然而以另一种方式形成但执行相同的功能的孔径也是可接受的。孔径由隔圈710与MOPD的条带隔开。为了将孔径保持在近场，隔圈厚度应该小于～w²/λ，其中w是孔径的尺寸并且λ是光的波长。

区域734代表条带装置的区域，来自该区域的反射光形成在行图像中的单个像素。区域734在图中示出为大致正方形，但在实践中其可能是长方形的。区域的一侧的长度由孔径720/722中的开缝的宽度设定。区域的垂直的一侧的长度等于MOPD中的两个条带的宽度。回想图2-4的偏振光调制器中的PDD为入射到MOPD上的光的一个偏振提供了偏移。偏移的幅度在图1B-1D、2B中由“d”示出，并且在图3B和4A中由点线示出。

偏振光调制器设计成使得偏移匹配MOPD中的条带的宽度。这样偏振光调制器中的干涉仪比较由MOPD中的相邻的条带反射的光的相位。由于相邻的一对中的一个条带移动而另一个保持静止，由条带反射的光的相位改变4πD/λ，其中D是移动条带的移位并且λ是光的波长。

图8示意地示出了具有比图7A中例示的更宽的孔径的MEMS光学移相器。在图8中，有界区域832被画成图7中的相应的有界区域732的两倍宽；区域834类似地呈现为矩形而不是正方形734。图并不意味着例示这些区域的精确的纵横比；而使用不同的纵横比的可能性是重要的。光束横截面830具有比相应的光束730较少延长的形状。

其他条件都相同,入射到图8中的MOPD上的光遍及比在图7A中更广的区域。因此如果材料限制使得必须限制落到MOPD上的光的强度(单位面积的功率)，则可以施加与图7A的相比更大的功率到图8中的MOPD上。图8代表具有更大的功率处理能力的设计，从而是一个可以带来比图7A中的那个更亮的显示的图像的设计。通过使用柱面光学器件可以将入射的光束扩展以便与如图8中的更宽的孔径的缝一起运作。

在本文中描述的偏振光调制器将光聚焦在线阵列MOPD上延长的光束横截面中。正交的偏振位于平行于延长的光束横截面的长轴。描述了为高亮度和对比度优化的紧凑的调制器设计。

权利要求的是：

1、一种偏振光调制器，包括：

偏振分束器；

偏振移位装置；以及

MEMS光学移相器；其中，

光传播穿过偏振分束器和偏振移位装置，随后以方向垂直于MEMS光学移相器中的条带的延长的横截面的光束到达MEMS光学移相器。

2、如权利要求1所述的调制器，其中该偏振移位装置在平行于延长的横截面的长轴的方向偏移光的正交的偏振。

3、如权利要求2所述的调制器，其中该偏振分束器也起扫描镜的作用。

4、如权利要求2所述的调制器，其中为了观察者的近距观察，来自调制器的行图像输出聚焦在接近无穷远。

5、如权利要求2所述的调制器，进一步包括孔径，其阻拦杂散光到达该MEMS光学移相器。

6、如权利要求2所述的调制器，进一步包括双缝孔径，其改进行图像中的对比度。

7、如权利要求2所述的调制器，其中该MEMS光学移相器包括具有交错的刚性的条带。

8、如权利要求2所述的调制器，其中该MEMS光学移相器包括在它们的端部被支撑的条带并且其中交错的条带由中间支座进一步支撑。

摘要：

偏振光调制器基于干涉式设计，其中偏振分束器充当起偏器和检偏器。偏振移位装置使正交地偏振的光束平行于它们的延长的横截面的长轴偏移。相位偏移由线阵列MEMS光学移相器给予正交地偏振的光束。光调制器的输出是行图像，可以扫描其来形成二维图象。公开了改进亮度、对比度和设计的总体紧凑性的特征。

Claims

1.一种三维深度捕获系统，包括：

图样投影仪，该图样投影仪被布置为将二维图像投射到物体上；

摄像机，该摄像机具有积分时间并且被布置为观看在所述物体上的所述二维图像；以及

移动设备驱动/接口；

该图样投影仪、摄像机和移动设备驱动/接口集成在移动电子设备中，

该图样投影仪包括数字线阵列MEMS条带光调制器和投射所述二维图像的透镜系统；所述二维图像仅在一个维度具有空间变化，以及，

该MEMS条带光调制器由来自驱动/接口的数字电子信号驱动，每个数字电子信号(a)具有少于该摄像机的积分时间的数字调制周期，以及(b)表达以时间周期为特征的正弦波的脉冲密度调制表示，使得MEMS条带光调制器对光的数字时间强度调制，产生于由每个脉冲密度调制数字电子信号驱动的所述MEMS条带光调制器，在用摄像机观看时表现为正弦波时间强度调制。

2.如权利要求1所述的系统，该摄像机在正弦波的每个时间周期对二维图像采样三次。

3.如权利要求2所述的系统，该移动设备驱动/接口基于三个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

4.如权利要求1所述的系统，该摄像机在正弦波的每个时间周期对二维图像采样四次。

5.如权利要求4所述的系统，该移动设备驱动/接口基于四个最近的摄像机采样将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

6.如权利要求1所述的系统，该脉冲密度调制表示过采样正弦波至少64倍。

7.如权利要求1所述的系统，该数字电子信号存储在循环存储缓冲器中，该循环存储缓冲器针对每个数字电子信号具有一列，并且针对数字电子信号的每个数字调制周期具有一行。

8.如权利要求7所述的系统，该二维图像具有通过读取每个列的不同的行以便在每个数字电子信号之间引入相对偏移而选择的空间频率。

9.如权利要求7所述的系统，其中存储在每个列中的数字电子信号是相同的但是在时间上偏移；时间上的偏移的值限定所述二维图像的一维空间变化。

10.如权利要求1所述的系统，该数字电子信号与CMOS逻辑电平相容。

11.如权利要求1所述的系统，该数字电子信号服从伪双极性MEMS驱动方案。

12.如权利要求1所述的系统，该数字电子信号包括直流偏置电压和串联添加的低压条带控制信号从而利用条带非线性位移特征。

13.如权利要求1所述的系统，该数字线阵列MEMS条带光调制器具有N个工作条带以及K个地址线，N是K的整数倍。

14.如权利要求1所述的系统，该摄像机是卷帘快门CMOS摄像机。

15.如权利要求1所述的系统，该摄像机是全局快门摄像机。

16.如权利要求1所述的系统，该图样投影仪包括二极管激光红外光源。

17.如权利要求1所述的系统，该图样投影仪包括红外线发光二极管。

18.如权利要求1所述的系统，该图样投影仪和摄像机共享共同的定时信号。

19.如权利要求1所述的系统，该图样投影仪和摄像机具有小于100％的工作占空比。

20.如权利要求1所述的系统，该图样投影仪适入3mm乘6mm乘10mm或更小的体积。

21.如权利要求1所述的系统，该移动设备驱动/接口将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

22.如权利要求1所述的系统，该移动设备驱动/接口基于新近的摄像机采样的有限脉冲响应滤波器函数将深度数据提供给移动电子设备中的应用处理器。

23.如权利要求1所述的系统，该移动电子设备是蜂窝电话。

24.如权利要求1所述的系统，该移动电子设备是桌面电脑。