KR100346875B1

KR100346875B1 - 프린팅을향상시키기위한시스템및방법

Info

Publication number: KR100346875B1
Application number: KR1019940018388A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄이.넬슨
Original assignee: 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 2002-12-05
Also published as: CN1120206A; US5729276A; US5696549A; US5614937A; KR950003930A; US5627580A; US5771060A; US5510824A; EP0661866A2; CA2128764A1; CN1050922C; EP0661866A3

Abstract

공간 광 변조기로 더 좋은 품질의 프린팅을 수행하는 것은 어렵다. 2가지 중요한 문제점은 라인 시간 제한 내에서 그레이 스케일을 달성하는 것이고, 프린트된 화상(81) 내에서 계단형 아티팩트를 제거하는 것이다. 이러한 것은 데이타가 셀들상에 로드될 때에 공간 광 변조기상에 셀들을 리세트시키는 다른 방법, 타이밍 지연(86), 수평 오프셋(84) 및 다른 크기의 픽셀(80 및 82)을 사용함으로써 향상될 수 있다.

Description

프린팅을 향상시키기 위한 시스템 및 방법{System and Method for Enhanced Printing}

본 발명은 프린팅에 관한 것으로, 더 구체적으로는 화상 및 그레이 스케일(gray scale)이 향상된 프린팅에 관한 것이다.

디지탈 복사기 및 프린터는 고해상도 화상 및 그레이 스케일을 재생하는데고유의 문제가 있다. 데스크탑 레이저 프린터는 일반적으로 인치당 300 도트(dot-per-inch; dpi) 어드레스능(addressability)을 갖고, 중첩을 허용하도록 조금 큰 크기의 픽셀들로 프린트하는데, 이것이 실제 프린터 해상도를 결정한다. 이런 한계점들은 보통의 해상도로는 개별적인 픽셀들이 곡선 및 대각선들을 정확하게 복사할 수 없기 때문에 텍스트상의 들쭉날쭉한 연부 및 그래픽상의 에일리어싱 아티팩트(aliasing artifacts)가 나타나게 된다.

교대 도트 조작 방법(alternate dot manipulation method)은 상업적으로 상기 결점들을 겨냥한 것처럼 보이나, 그레이 스케일 레벨을 만들지는 않는다. 대신에, 레이저 전력 및 타이밍을 제어함으로써 형태, 크기, 또는 디지탈 흑색 픽셀의 위치를 변경시킬 수 있다. 도트 노출 시간을 짧게 하고, 이를 지연시킴으로써, 더 작은 타원형 스폿(spot)을 만드는데, 이 스폿은 표준 픽셀 셀 경계들 내에서의 도트 배치를 가능하게 한다. 이 외에도, 스폿은 래스터 스캔 이동 방향으로 픽셀 셀의 폭을 지나 이동할 수 있다. 레이저의 전력 레벨을 감소시킴으로써, 스캐닝 이동 방향에 직각인 프린트 프로세스 방향으로 스폿을 납작하게 만들 수 있다. 전형적으로, 페이지 상에서 스캔 방향은 수평이고 프린트 프로세스 방향은 수직이다. 연부가 더 매끄럽게 보이는 것은 적당히 왜곡된 픽셀들을 적절히 배치시킴으로써 가능하고, 이 방법은 일반적으로 해상도 향상에 관련된다.

레이저 프린터는 좀 더 복잡한 제어기 및 프린터 프로세스 서브시스템을 사용하여 300 dpi보다 더 높은 해상도를 쉽게 달성할 수 있다. 예를 들어, 프린터 페이지 기술 언어(printerpage-description language)는 문서, 또는 화상을 한계 해상도로 디지탈 프린터에 제시할 수 있다. 그러나, 프린터 메모리에 부과된 일(burden), 마이크로프로세서, 및 고해상도를 지원하기 위한 프린터 장비 및 광 스캐너의 성능은 전형적으로, 선형 해상도의 제곱(square) 정도로 항샹되어야 한다. 고해상도를 필요로 하는 응용에 사용된 시스템들은 1200 내지 2500 dpi로 가동될 수 있지만, 이들은 일반적인 데스크탑 300 dpi 프린터보다 비례적으로 비싸다. 그러나, 부가된 선형 해상도로 인해, 이진(binary) 프린터가 하프톤(half-toning)이라고 하는 프로세스를 통해 그레이 스케일 화상을 시뮬레이션할 수 있다는 장점이 있다.

프린터, 복사기 및 팩시밀리에서 구체화된 제로그레픽 프로세스는 본래 이진성이므로, 그레이의 농도를 변화시키는 것이 어렵다. 대전된 토너 입자가 광수용체 상에 노출된 잠상에 끌리게 되는 현상 프로세스는 본래 디지탈인 경우에 동작된다(즉, 매우 높은 콘트라스트 아날로그 프로세스). 그러므로, 그레이 스케일을 시뮬레이션시키기 위해 하프톤을 이용하는 고해상도의 이진 제로그레픽 시스템을 사용할 필요가 있다. 작은 픽셀들은 큰 픽셀, 또는 하프톤(half-tone) 셀을 형성하기 위해 연속적으로 클러스터된다. 이로 인해, 백색 또는 흑색으로 되는 소자들의 수 및 배열을 변화시킴으로써, 가시적으로 "그레이" 하프톤 셀이 생긴다.

셀을 생성하기 위한 정밀도 및 계산적 전력은 이진 데스크탑 레이저 프린터의 경우보다 매우 높고, 그레이 스케일을 얻기 위한 레이저 프린터의 성능에 있어서의 제한 요인을 나타낸다. 고도로 감지된 해상도 이외에도, 그레이 스케일은 하프톤 프로세스의 고유의 복잡성 때문에, 포토그래픽 소스 또는 컴퓨터 디스플레이로부터의 배경(scenic) 화상을 재생하도록 설계된 프린터에서 신속하게 필요한 형상으로 된다.

후자의 경우에 있어서, 컴퓨터 디스플레이는 넓은 동적 범위에 걸쳐서 화상의 그레이 스케일 또는 세기를 변화시키기 위해서 인간의 눈의 복합적 반응(integrating response)을 이용할 수 있다. 픽셀들은, 감지된 연속 톤 세기 그라데이션을 생성하기 위해 인간의 눈이 복합적으로 되는 프레임의 디스플레이 시간 내에서의 시간 주기 동안 턴오프될 수 있다. 컴퓨터 디스플레이는 프린팅을 위한 화상을 자주 제공하기 때문에, 디스플레이 상에 생성된 화상과 이를 프린트하기 위한 디지탈의 이진 프린터의 성능과의 사이에 비호환성이 존재한다. 디지탈적으로 스캔된 연속 톤 포토그래픽 화상도 마찬가지이다.

요약하면, 이진 디지탈 프린터를 사용한 프린팅은 제한적이다. 문자를 재생하는데 있어서, 왜곡, 정교함의 손실, 아티팩트의 샘플링, 또는 저해상도에서의 위치적 에러없이 재생하는 것은 어렵다. 고해상도 프린터를 사용하는 그래이 스케일 시뮬레이션에 의해 그레이 및 가시적 아티팩트가 없는 만족할 만한 조합을 만들어 내야 한다.

본 명세서에 개시된 본 발명은 표준 프린팅 파라메터들 내에서의 픽셀 크기 및 배치를 조작함으로써 해상도 향상 및 다중 그레이 스케일 레벨을 달성할 수 있는 프린팅 시스템을 포함한다. 이러한 능력은 사용자 선택가능 픽셀 소자 크기의 범위를 채택하는 공간 광 변조기로 서브 픽셀 변조를 구현하기 위한 성능에 기인한다.

본 시스템의 장점은 하프톤을 사용하여 종래의 이진 프린터보다 더 많은 그레이 농도와 고해상도를 조합시키는 것이다. 본 시스템의 다른 장점은, 해상도 및 그레이 스케일이 동일한 경우, 현재 이용가능한 고해상도의 하프톤 프린터보다 더 작은 메모리를 사용하고, 그레이 스케일을 시뮬레이션시키기 위한 혼합(dithering) 알고리즘의 사용을 감소 또는 제거하는 것이다. 이러한 2가지 요인들은 시스템 효율, 비용 절감, 및 향상된 프린팅 화질을 이끌어 낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

디지탈 복사기 및 프린터는, 모든 종류의 매체에 대해서 고해상도 화상 및 그레이 스케일을 수용적으로 재생하는 데 있어서 본질적인 문제점을 갖고 있다. 레이저 프린터의 성능은 도트 매트릭스 프린터를 능가하여, 크기의 정도에 따라 프린트 화질을 향상시키고, 프린트 화질의 표준으로서 사무실용 타이프라이터를 대체한다. 또한, 전형적인 데스크탑 레이저 프린터는 해상도 및 그레이 스케일 능력에 있어서의 제한을 입증한다. 검사 중에는, 문자들은 불규칙한 연부들을 나타내고 그래픽은 종종 조잡하게 나타나는데, 그 이유는 명목상의 해상도에서 개별 픽셀들은 곡선 및 대각선을 정교하게 복사해 내지 못하기 때문이다.

표준 데스크탑 레이저 프린터, 및 다수의 향상된 해상도 시스템들은 오직 300 dpi의 어드레스능 및 약간 큰(중첩되는) 픽셀들을 갖는데, 이 픽셀들은 프린터의 기본적인 해상도를 정한다. 아날로그에 의해, 디스플레이 시스템은 항상 어드레싱 그리드보다 큰 도트들을 가짐으로써, 최종 화상을 중첩시키고 부드럽게 만드는 것을 보장한다. 그러나, 디스플레이는 개별 픽셀의 세기를 변조시킬 수 있고, 이진제로 그래픽 프린터는 그렇지 못하다.

그러나, 상술한 프린터 및 디스플레이에 있어서, 최소 크기 형상, 및 명암 전이(light-to-dark transition)를 분해하는 인간의 눈의 능력은 디스플레이 시스템의 분해능보다 뛰어나다. 디스플레이와 디지탈 프린터 사이의 주요한 차이점은, 디스플레이는 소정의 픽셀 소자 내에서 넓은 동적 범위에 걸쳐 명암 레벨, 또는 세기를 변경시킬 수 있고, 반면에 디지탈 프린터는 흑색 또는 백색(이진) 스폿만을 생성한다는 것이다. 컴퓨터 디스플레이가 프린팅을 위한 화상을 자주 제공하기 때문에, 디스플레이 상에 생성된 화상과 이를 복사하기 위한 이진 프린터의 능력과의 사이에 고유의 비호환성이 존재한다. 동일한 것이 포토그래픽 프로세스에 의해 생성된 연속 톤(콘톤;contone) 포토그래픽 화상에도 적용된다. 프린터는 매우 높은 해상도 시스템에 화상을 맵핑시킨 다음에, 하프톤을 응용하여 그레이 스케일을 시뮬레이션 시킨다.

제어기 및 프린터 엔진 서브시스템의 복잡성을 감수하고라도, 레이저 프린터는 쉽게 300 dpi보다 높은 해상도를 얻을 수 있고, 하드 카피 텍스트의 외형 및 그래픽을 눈에 보이지 않을 정도로 손상시키는 요인들을 감소시킨다. 참고로서, 적당한 아날로그 (광-렌즈) 전자포토그래픽 복사기 시스템은, 왜곡을 검출하기 위한 인간의 눈의 능력을 초과하는 600 dpi 어드레스능에 대응하는 형상을 분해 및 재생할 수 있다. 디바이스 독립적인 프린터 페이지 설명은 본질적으로, 프린터의 제한적인 해상도에서 디지탈 프린터에 문서, 또는 화상을 제공할 수 있다. 그러나, 예를 들어 600 dpi에 있어서, 화상은 조작, 래스터 및 영상화시키기 위해 4배의 픽셀들을포함한다. 프린터 메모리에 부과된 일(burden), 마이크로프로세서, 및 고해상도를 지원하기 위한 프린터 장비 및 광 스캐너의 성능은 전형적으로, 선형 해상도의 제곱 정도로 향상되어야 한다. 장비의 신뢰성 및 소모품(예를 들면, 토너 및 용지)의 질은 상당히 제한적이다.

타임세팅, 플레이트 메이킹, 필름 프로세싱, 및 고해상도 요구 응용에 사용된 시스템들은 1200 내지 2500 dpi의 해상도로 작동된다. 따라서, 이들은 보통 일반적인 300 dpi 프린터보다는 크고 속도가 느리며, 구입 및 유지하기에는 비용이 많이 든다. 선형 해상도가 추가됨에 따라, 이진 프린터는 하프톤이란 프로세스를 통해 그레이 스케일 화상, 또는 포토그래픽 화상을 시뮬레이션시킬 수도 있다는 유리한 점이 있는데, 이 경우에 선형 해상도는 트레이드-오프되어, 화상 내에 그레이 스케일을 생성한다.

화상의 영역이 모두 흑색 또는 모두 백색이 아닌 경우에, 그레이 스케일 화상은 원하는 화상을 정확히 시뮬레이션하기 위해 다양한 명암을 제공하는 능력을 필요로 한다. 이는 레이저 제로그래픽 프린터의 본질적인 어려움을 나타내는 것이다. 문제의 일부는 프로세스의 특성에 있다. 제로그래픽 프린트 엔진, 복사기, 및 보통 용지(plain-paper) 팩스 기계 등에 있어서, 잠상은 (렌즈를 통해 또는 전자 수단에 의해 원고로부터) 감광 물질을 광 노출시키고, 화상을 토닝 및 현상시킨 다음에, 이를 정전기 수단을 사용하여 용지로 전송함으로써 생성된다. 대전된 토너는 잠상이 존재하는 경우에(또는 이와 반대로, 현상이 포지티브 또는 네가티브인가에 따라) 포토컨덕터의 노출부로 이동된다.

각각의 노출된 픽셀 위치에서 토너의 가변부가 포토컨덕터로 끌림으로써, 여러가지 문제가 발생하는데, 그 이유는 전형적인 노출-현상기 프로세스가 동작될 때에 아날로그보다는 디지탈 성향이 강하고, 그 결과 사실상 매우 높은 콘트라스트가 생긴다. 또한, 토너의 입상(粒狀)은 저잡음, 그레이 스케일 화상을 제공하는 프로세스에서는 한 요인으로 작용한다. 이러한 문제는 모든 종류의 제로그래픽 프린팅, 복사기 및 팩스 기계에 대한 세팅시에도 마찬가지로 존재한다. 픽셀을 매끄럽게 재생시킬 수 있도록 노출 프로세스, 포토컨덕터 감도, 및 현상기 프로세스를 제어하므로써, 정밀한 그레이 레벨은 매우 필요한 타스크(task)가 된다.

그 결과, 고해상도 이진 제로그래픽 시스템은, 콘톤 화상 재생을 위해 그레이 스케일을 시뮬레이션하기 위해 하프톤을 필요로 한다. 가장 작은 프린터 픽셀들의 어레이로 구성된 매크로 픽셀은, 그레이의 원하는 레벨을 시뮬레이션시키기 위해 백색 또는 흑색으로 되는 어드레스가능 소자들의 수를 변화시킴으로써 생성된다. 프린트 프로세스 중에 하프톤 셀을 생성하기 위해, 결점은 선형 해상도의 이용가능한 그레이 스케일 레벨과 계산 조건 사이에서 트레이드-오프된다. 셀들은 여러가지 방식으로 채워질 수 있기 때문에, 아티팩트 및 픽셀 대 픽셀 상호 작용도 발생된다.

예로서, m-서브픽셀 소자들을 갖는 매크로 픽셀은 일반적으로, m+1 그라데이션 레벨을 제공한다. 따라서, 4개의 소자들로 구성된 2×2 픽셀은 백색, 흑색, 및 그레이의 3개의 중간 레벨, 전체적으로는 5개의 레벨들을 제공할 수 있다. 채움(filling) 순차에 따라, 인접 셀들은 상호작용할 수 있어, 윤곽 또는 조잡성과같은 원하지 않는 아티팩트를 만든다. 다른 채움 패턴은 눈에 보일 수 있는 대칭 스크린 패턴을 만들 수 있다.

이 외에도, 하프톤 셀을 형성하는 직접적인 결과는 선형 해상도 내에서 2x의 대응 손실이고, 단지 5개의 레벨에 의하면, 2×2 셀은 전체적으로 가용 그레이 스케일에 부적합하다. 가장 일반적인 룰은 스크린 크기로 통칭되는 선형 해상도와 고품질 프린팅에 대한 그레이 스케일와의 사이의 관계를 제시한다. 최소한, 64개의 명암 레벨과 100 라인 스크린, 더 양호하게는 128개의 명암 레벨과 200 라인 스크린이 필요하다. 1200 dpi 레이저 프린터에 있어서, 트레이드-오프는 120 라인 스크린에서 약 100개의 명암 정도이고, 저급 응용만을 위해 만족할 만한 성능을 제공하므로, 상업적 타입-세팅 시스템은 인치 해상도당 최소한 2500 픽셀을 사용하여, 포토그래픽 재생에 대한 그레이 스케일을 달성한다. 또한, 개별 픽셀들의 크기 및 세기를 변화시키는 것이 가능하여, 텍스트 및 라인 그래픽을 향상시키지만, 범용 레이저 프린터는 용량이 부족하다. 최근에 레이저 프린터 산업에서 부상되는 다른 방법은 해상도 증진(Resolution Enhancement; RET)로 통칭되는 시뮬레이션 프로세스이다. 이러한 프로세스는 또한, 명암 레벨 픽셀들을 만들지 못하고; 레이저 전력 및 타이밍을 제어하므로써 디지탈 픽셀의 형태, 크기, 및 위치를 변화시킨다. 도트 노출 시간을 짧게 하고 이를 지연시킴으로써, 작은 타원형 스폿은 전(full) 크기 픽셀 경계 내에 위치될 수 있다. 스폿은 레이저 스캔 스폿 이동 방향으로 픽셀의 폭을 지나 이동될 수 있다. 해상도는 프로세스에 의해 스캔 방향으로 효과적으로 증가된다. 레이저 전력 레벨을 감소시킴으로써, 스폿을 납작하게 만들고, 스캔축에직각인 프린트 프로세싱 방향으로 길이를 짧게 한다. 픽셀의 비트 주위를 이동함으로써, 문자 외형이 양호해질 수 있고, 재그된(jagged) 형상은 매끄럽게 된다.

일반적인 프린팅에 있어서의 문제점은 다음과 같이 요약될 수 있다. 문자는 왜곡, 얼룩 또는 다른 정교함의 손실, 샘플링 아티팩트, 또는 위치 에러 없이, 인간의 눈에 충실하게 재생되어야 한다. 그레이 스케일의 구현은 하프톤 셀의 형성으로부터의 아티팩트가 없는, 명암 레벨과 선형 해상도의 만족할 만한 조합을 만들어야 한다. 시스템 방법은 확실해야 되고, 항상 일정한 결과를 만들어야 한다.

상술한 광범위하게 채택된 레이저 다각형 스캔 프린터 시스템들 이외에도, 제로그래픽 프린터 및 필름 노출 시스템은 여러가지 형태의 공간 광 변조기(SLM), 및 발광 다이오드(LED) 어레이와 같은 방출 어레이를 사용하여 개발되어 왔다. 비용, 크기 및 성능면에서 바람직한 SLM은 상술한 바와 같이, 프린팅 프로세스에 대한 조건들의 견지에서 1개 이상의 제한 요인으로 인해, 일반적으로 디지탈 시스템으로 된다. 이러한 SLM의 예들로는, 액정 디바이스(LCD), 전기 광학 결정, 자기 광학 셀, 및 변형가능 미러 디바이스로도 알려진 디지탈 마이크로미러 디바이스(DMD)가 있다.

이러한 변조기들 대부분은 전송 상태를 변경시킴으로써 턴온 또는 턴오프되도록 어드레스될 수 있는 셀들의 어레이들로 구성된다. LED는 단지 활성 에미터 어레이이다. DMD와 같은 반사 변조기는, 스크린을 관측하든지 감광 매체를 관측해 보면, 셀이 광을 화상기 렌즈 쪽으로 따라서 화상 형성면 쪽으로 편향시킬 때 전형적으로 ON으로 간주된다. 다른 어레이들 중 일부는 OFF되었을 때 입사광을 흡수하고,ON되었을 때에는 이를 전송한다. 그 일부는 스펙트럼 대역폭에 있어서 제한되고(LED 및 자기 광학), 몇몇 경우에 있어서 구성은 픽셀 대 픽셀 누화(cross talk)의 영항을 받는다. 소정의 하이브리드 기술, 예를 들면 전자 광학 장치는 보통 제조하기가 어렵다. DMD는 상기와 같은 제한을 받지 않는다.

DMD SLM 장치

디지탈 마이크로미러 장치(Didital Micromirror Device; DMD)는 모놀리드식 실리콘 금속 산화 반도체(MOS) 프로세스를 사용하여 제조된다. 기판은 디지탈 데이타 입력을 받아들이고, 이 데이타 입력을 소정의 원하는 SLM 집적회로(IC)의 형태로 제조된 메모리 셀 어레이들로 루트시키기 위해 어드레싱 회로 및 논리 회로를 포함한다. 어드레싱 회로상에서, 미시적인 (17 미크론 x 17 미크론) 금속 미러 소자들은 어레이의 평면(제1a도)의 축 주위를 회전함으로써 하부의 어드레스 회로에 응달할 수 있도록 제조된다. 전형적인 회전각은 ±10도이고, 반응 시간은 수십 마이크로초이다. 디스플레이 경우에, 어레이는 기본적으로 정사각형이거나 프린팅 응용을 위해서는 길고 좁은형으로 되어 있다. 이전의 실시예는 640 ×480 픽셀이고, 이후의 실시예는 2500 ×16 픽셀이다.

동작시, DMD는 수동 반사형 SLM(passive-reflective SLM)인 외부 광원에 의해 조사되어야 한다. 프린팅 응용을 위한 실제적인 SLM 시스템을 달성하기 위한 광의 어레인지먼트는 1992년 3월 21일 허여된 발명의 명칭이 "광 에너지 제어 시스템 및 작동 방법(Light Energy Control System and Method of Operation)"인 미합중국 특허 제5,101,236호에 기술되어 있다. 동일한 광학적 원리가 면적 어레이(areaarray)의 형태로 DMD들을 사용하는 디스플레이 시스템에 적용된다.

디스플레이를 위해, 변조기 셀들은 일반적으로 프레임 시간의 단편(fraction)인 총 ON 시간 동안 반복적으로 턴온 및 턴오프되거나, 프레임 시간의 단편 동안에 ON으로 있다가 OFF로 전환된다. 펄스 폭 변조(pulse-width modulation; PWM)를 통해 총 광 레벨을 감소시키는 이러한 방법들 중 하나의 방법에 의해, 디스플레이는 사람의 눈의 복합적인 특성의 장점을 채택함으로써 명암 스케일을 시뮬레이션할 수 있다. 물론, 그레이 스케일은 칼라 디스플레이에 또한 응용가능한 세기에 대한 총체적 용어이다. PWM 그레이 스케일 기술은 예를 들어, 각각의 칼라 필드를 8개의 이진 세그먼트, 최상위 비트(most-significant bit; MSB)로부터 최하위 비트(least-significant bit; LSB)의 범위 및 이진 크기(예를 들어, 1/2, 1/4 등)의 전형적인 인자로 분할함으로써 칼라의 상이한 명암을 허용한다. LSB은 최단 시간 ON을 갖고, MSB는 최장 시간 ON을 갖는다. 8개의 이진 세그먼트의 적절한 조합은 각각의 칼라에 대해 256개의 뚜렷한 그레이 스케일 및 총 천육백만개의 칼라를 제공한다.

면적 어레이 디스플레이가 디스플레이 평면내의 고정점에 각 DMD 픽셀을 재화상화하고, (60 Hz) 디스플레이 프레임을 위한 시간이 칼라의 각 필드에 대해 5.7 밀리초이기 때문에, 칼라 그레이 스케일은 8 비트 PWM을 사용하여 매우 쉽게 달성될 수 있다. 프린팅 응용의 문제점은 PWM을 달성하기에 유용한 비교적 짧은 래스터 라인 시간에 있다. 분당 페이지로 적당한 출력을 생성하기 위한 300 dpi 프린터에 대해, 밀리초 이하로 전체 라인을 프린트해야 한다. 프레임 시간이 16 밀리초인한, 디스플레이용으로 기술된 바와 같은 그레이 스케일을 달성한다는 것은 비현실적이다. DMD의 25 μsec 반응 시간은 분당 15 페이지보다 빠른 프린트 속도로 래스터 라인내에 유용하게 ON 및 OFF 순환할 수 있는 총 시간을 제한한다. 그러므로, 제한된 그레이 스케일 범위가 수용될 수 있다.

제la도는 DMD 공간 광 변조기 픽셀 소자의 한 예를 도시한다. 쌍안경 DMD는 전형적으로 비틀림 힌지(tortion hinge; 5a 5b)에 의해 포스트(2a 및 2b)상에 지지된 고반사 미러(1)의 회전 축의 어느 측상에 2개의 어드레스 전극(8a 및 8b)로 구성된다. 또한, DMD 셀은 랜딩 전극(3 및 4)를 갖고 있고, 접촉 용접(contact welding)의 위험을 피하기 위해 미러 소자(1)과 동일한 전압을 유지한다. 어드레스 전극들은 일반적으로 하부 어드레스 논리로부터의 입력에 응답하여 0과 5 볼트 사이를 교호하고, 따라서 미러는 정전기력의 인력에 반응하여 회전한다. 미합중국 특허 제5,061,049호, "공간 광 변조기 및 방법(Spatial Light Modulator Method)"에는 이들 장치에 대해 더 상세히 기술되어 있다. 동작시에, 개별적인 소자들은 랜딩 전극 및 미러 연부가 접촉될 때까지 전형적으로 ±10도 정도 편향하는 전극(8a 및 8b)중의 하나에 응답하여 힌지 주위로 회전된다. 전극들(8a 및 8b)는 미러가 그 각으로 회전하게 하기 때문에, 간혹 (Ø_A및 Ø_B) 전극들로 명명된다. 미러 소자들은 정상적으로 한 연부(0.0003 ㎟ 넓이)상에서 17 미크론이지만, 그 크기, 형태 및 피치는 랜딩 각(θ)를 변화시킬 수 있는 것처럼 설계에 의해 변형될 수 있다.

제1b도는 DMD 소자들을 동작시키기 위해 필요한 타이밍 및 전압을 도시한다.제1b도는 교차로 빗금친(cross hatched) 영역들이 미러 ON 상태(또는 OFF 상태, t₃이후)를 나타내는 미러 라인(18)의 회전 상태에서의 제어 기능 바이어스(10), 어드레스 바이어스(14 및 16), 리세트 펄스 트레인(t_R)의 효과를 도시한다.

제1b도의 순서에서, 어드레스 전압(+5 볼트)이 제1a도의 실리콘 기판(6)의 각각의 메모리 셀을 통해 8a 및 8b에 대응하는 어드레스 전극(14 및 16; ON 및 OFF 상태)상의 t_O에서 스위치된다. 미러는 모든 미러 소자들에 평행으로 적용되는 바이어스 전압(10; -10 볼트)의 인력 작용에 의해 이전 상태에서 래치된 채로 유지된다. t_O에서, 네가티브 바이어스가 나타나지만, 리세트 시퀀스(12)는 나타나지 않는다. 어드레스 전압이 나타나게 되면, 리세트 시퀀스(12)가 t₁에서 시작되어 t₂에서 끝날 때까지 몇개의 사이클을 지속한다. 이 시간 동안, V_bias(10)은 오프이다. 리세트 펄스 트레인은 특정 DMD 미러 구조의 양극 공진(plate resonance)으로 동조되고, t₁과 t₂(2μsec) 사이의 미러 픽셀내에 기계적 에너지를 전기적으로 펑핌시킨다. 이것은 전형적으로 -24 볼트에서의 5 펄스 트레인이다.

t₂에서, 바이어스 및 리세스 전압은 0이고, 리세트 미러는 회전하기 위해 편향 상태(18)부터 플래트(flat) 상태로 자유로워지며(t₃직전), 그후 t₄에서는 새로운 어드레스 전압(Ø_B)과 t₃(-l0V)에서 재공급되는 바이어스 전압의 결합된 인력하에 대향 편향 상태(19)로 된다. 네가티브 바이어스 및 포지티브 어드레스 전압의절대 크기는 반대 방향으로 하강된(opposite landed; -10도) 상태로 완전히 미러 소자를 회전시키기에 충분하도록 15 볼트에 결합된다. 미러가 새로운 어드레스 전압 상태, 예를 들어, t₃의 결과로서 발생된 각도 오프셋(angular offset)을 실제적으로 달성한 후에, 바이어스는 정확하게 인가되어야 한다. 미러 플라이트(flight) 시간(t₂-t₃)은 약 8 내지 10 μsec이다. 리세트 시퀀스에 대해서는 미합중국 제5,096,279호에 더 상세하게 기술되어 있다.

한 가지 문제점은 시퀀스가 셀을 리세트시키는데 걸리는 시간 동안에 발생한다는 것이다. 리세트 사이클이 완료될 때, DMD는 전형적으로 편향되지 않은 상태로 복귀된 후, 그들을 새로운 상태로 이동할 수 있게 하는 바이어스 전압의 공급을 기다린다. 상술한 예에서, 데이타는 상태는 변하지만, 중립 상태로의 동일한 리세트 및 복귀가 발생되므로, 상태 변화는 필요하지 않지만 일시적으로 OFF 상태 시간의 효율성 감소가 나타난다.

제1c도는 실제적으로 DMD로 그레이 스케일을 달성하기 위한 상술된 펄스폭 변조(PWM) 방법을 실제적으로 도시한다. 디스플레이의 경우에, 라인 시간 또는 프레임 시간내에서, DMD 사이클은 이 예에서 그레이 스케일의 4비트에 대응하여 4번 ON 및 OFF를 순환하는데, 이것은 각각의 ON 세그먼트가 이전 세그먼트 기간의 반이기 때문이다. 따라서, ON 주기(18a)는 최상위 비트이고, ON 주기(18d)는 최하위 비트(LSB)이다. 이들 이진 펄스 폭들을 조합함으로써, 2⁴또는 16개의 상이한 명암 레벨은 소정의 픽셀 소자가 ON인 전체 라인 (또는 프레임) 시간의 각 부분에 대응하여 시뮬레이트될 수 있다. 라인(10)상에서, 각각의 리세트 시간 주기(t_R)은 미러 라인(18)의 허용할 수 있는 ON 시간으로부터 하락한다. 리세트 사이클(t_R)은 상세히 도시되기 위해 확대되었지만, 실제적으로 LSB와 거의 비슷하다.

디스플레이 경우에, 각각의 픽셀 화상은 스크린상에 공간적으로 고정되고, 제1c도의 이진 PWM는 관찰자의 눈으로 인지되는 고정 스폿에 광세기를 효율적으로 집약시킨다. 그러나, 광감 매체 또는 유기 광수용체(organic photoreceptor; OPC)가 노출 DMD 픽셀들의 공간적으로 고정된 화상에 대하여 움직이는 프린팅 동작 동안, 원하지 않는 아티팩트가 발생된다. 이것은 OPC 동작이 PWM 신호의 성분을 공간적으로 분리하여, 이 관계식에 따라 시간 도메인(domain)으로부터 공간 도메인으로 펄스를 효율적으로 맵핑한다는 사실에 기인하여 나타난 결과이다.

X(위치) = V(OPC 속도)*t(초)

여기서, t는 가장 나쁜 경우에, 예를 들어 MSB와 LSB 사이의 시간차이고, X는 화상화된 스폿의 최종의 물리적 분리(resultant physical separation)를 정의한다.

최종 이진 PWM 패턴은 mm 당 5 내지 10 라인쌍과 비슷한 특정 공간 주파수로 사람의 눈에 특정한 바람직하지 않은 아티팩트(objectional artifacts)를 형성한다. 이 공간은 PWM으로부터의 공간 분리가 쉽게 나타나도록 300 dpi 프린터 프로세스에 매우 밀접하다. 2개의 거의 동등한 명암 레벨, 예를 들어 MSB과 MSB-1의 명암 레벨은 레벨 MSB-1을 생성하기 위한 모든 하위 비트(lower order bit)의 필수조합에 기인하여 공간적으로 매우 뚜렷해질 것이다. 그러므로, 비이진(non-binary)이지만, 이 효과를 낼 수 있는 소정 세트의 패턴을 사용하는 PWM에 의한 프린팅의 그레이 스케일이 되게 하는 것이 바람직하다. ON 및 OFF 바(bar)로 동등하게 이격된 픽셀로의 선형 패턴, 단순한 분할은 명암 레벨의 매끈함을 향상시키지만, 명암의 몇가지 레벨보다 더 사용하기가 복잡하다.

특히, 16 단계의 명암 레벨을 생성하기 위한 1 msec의 비교적 저속 도트 라인을 세분하는 것은 4 비트, 16 레벨 이진 예에 대해서는 4개만이 필요한데 비해, 라인당 16 전셀 전이들을 필요로 한다. 각각의 라인쌍은 단지 62 μsec의 총 허용가능한 지속 기간에 대응한다. 리세트 어드레스 시간이 20 μsec이고, 라인쌍당 2개가 필요하기 때문에, 모든 시간의 대부분은 DMD를 어드레싱하는데 쓰여지고, 노출 효율은 겨우 30 %로 떨어진다. 어느 경우이든, 1 msec 라인 시간 및 16 명암 레벨은 프린팅 응용을 위한 제한된 관심일 뿐이다. 프린트 프로세스가 분당 50 페이지에 상당하고, 픽셀 레벨로 아티팩트를 발생시키지 않는 라인 시간에 약 128개의 명암 레벨을 생성하기 위한 이러한 향상된 기술이 필요하다. 다른 소자들을 선택적으로 재어드레싱하는 동안 소정의 DMD 소자들을 래칭하기 위한 방법이 향상될 수 있다면 한가지 가능성은 있다.

DMD 동작

DMD 편향은 미러 소자와 하부 기판, 특히 어드레스 전극들 사이의 정전기 인력에 기인하여 발생한다. 인력은 전위차의 크기의 제곱에 비례하고, 미러와 기판을 분리하는 공기 갭의 제곱에 역비례한다. 비틀림 힌지에 기인하는 복원력은 스프링상수(K) 및 트위스트 각(θ)에 선형적으로 비례한다. 최대 (하강된) 편향각의 몇 퍼센트 위치에서, 인력의 이차원적 힘은 선형 복원 토크를 능가하고, 미러는 끝(tip)이 평형 반응력(equilibrating reaction force)을 제공하는 하강 전극에 닿을 때까지 정전기 포텐셜 웰로 자발적으로 떨어진다. 픽셀은 공기 갭 및 끝에서 회전축 까지의 픽셀의 크기에 의해 정해진 정밀 각에서 멈춘다.

전위차는 2개의 성분으로 구성된다. 제1 성분은 정상적으로 0 또는 5 볼트 포지티브 어드레스 전압이고, 제2 성분은 미러 구조에 직접적으로 인가되는 네가티브 바이어스 전압이다. 어드레싱의 부재에서 이상적인 미러 구조를 위해, 비틀림 힌지의 각 측상의 인력의 대칭은 하나의 바이어스 전압의 인가에 의해서만 회전하는 것을 방지할 것이다.

실제로, 어드레스 신호(Ø_A또는 Ø_B)에 +5 볼트 어드레스 전극의 인가는 미러를 최대 편향 허용치의 작은 비율의 방향으로 경사지게 한다. 그 후, 네가티브 바이어스 전압이 후속적으로 인가되어 전 회전각의 와해(collapse)가 일어날 때까지 편향을 증가시키기 위해 작용한다. 참고된 특허에 기술된 장치 기하형에 대해, 총 15볼트가 되도록 -10 볼트 바이어스와 조합된 5 볼트 어드레스가 전 각 변이(full angular displacement)를 달성하기에 충분한 인력을 제공한다. 와해 전압으로 불리는 완전 회전을 발생하기 위한 평균 전압은 일반적으로 12 볼트이고, 원칙적으로 +2 볼트 어드레스 및 -10 바이어스가 편향을 달성할 수 있다. 가산된 3볼트의 어드레스 마진은 동작 조건의 범위에 걸쳐 모든 픽셀의 완전한 편향을 보장하고, 초과 시간의 장치 변화를 수용하기 위해 필요하다.

픽셀 상태가 갱신될 때, 제1 단계는 바이어스 전압을 턴오프시키는 것이다. 이상적으로, 어드레스 전압이 비틀림 스프링에 대한 전 회전으로 픽셀을 유지시키는데 충분하지 않기 때문에, 모든 픽셀은 플래트 상태에 가깝게 해제 및 복귀될 것이다. 사실상, 제어된 -24 볼트 리세트 펄스는 픽셀을 전기적으로 "플럭(fluck)"시키고, 플래트 상태로의 해제 및 복귀를 돕도록 기계적 에너지를 공진적으로 저장하기 위해 사용된다. 미러가 어드레스 전극들의 상태에 의해 지시된 플래트(θ=0) 상태의 소정의 측으로 평형될 때, 바이어스는 재인가되고, 픽셀은 다시 ±θ_max에 대응하여 회전한다.

바이어스, 리세트, 어드레스 및 유지 전압의 발생 및 확대된 관계를 정밀하게 제어하는 기능은 데이타가 변화되게 되는 미러의 리세트 및 회전을 선택할 수 있게 한다. 데이타가 변하지 않는 미러는 리세트 프로세스 동안 계속 고정된 채로 있다. 완전 회전된 DMD 픽셀은 리세트 신호의 발생시일지라도 데이타를 래치 및 유지시킬 수 있다.

플래트 상태(θ= 0)로의 복귀 및 후속적인 초기 상태로의 재회전과 관련된 지연을 피하는 것이 바람직하다. 하나의 이러한 방법은 리세트 동안 및 리세트 이후, V_bias를 0으로 복귀시키는 현재 리세트 프로세스를 변형시키는 것이다. 소정의 잔여 리세트 또는 바이어스 전압을 어드레스 전압 마진으로부터 직접 감하기 때문에, V_bias= 0이 5 볼트 어드레싱에 대해 요구되고, 3 볼트의 어드레스 마진의 필요성과 연관된다. 픽셀이 θ= 0을 통해 회전할 수 없어서 변경된 어드레스 조건에 대응할 수 없기 때문에, 픽셀이 θ= 0으로 복귀될 때의 기간 동안 확실한 동작이 소정의 잔여 바이어스 전압으로 달성될 수 없다. 어드레스 전극에 5 볼트 어드레스 전압만이 남아있다는 것은 리세스 후에 픽셀을 래치하기에 충분하지 않다는 것을 지적한다.

CMOS 어드레스 구조를 이용하여 5 볼트와 10 볼트 사이의 전압으로 어드레싱을 동작하도록 설계하는 것이 가능하다. V_address가 예를 들어 6.5 볼트라면, 15 볼트의 어드레스 펄스 바이어스의 상수값에 대해, V_bias가 -8.5 볼트로 감소될 수 있다. 특히, V_bias가 이제 리세트 프로세스 동안 계속 -1.5 볼트로 유지될 수 있고, 여전히 +3 볼트의 실제 어드레스 전압 마진을 허용할 수 있다. 이것은 잔여 바이어스 전압(-1.5 볼트) 및 원하는 어드레스 전압 마진에 도달하기 위한 최소 임계 어드레스 전압(+2.0 볼트)을 감함으로써 나타나는 결과이다.

어드레스 전압을 증가시키고, 잔여 V_bias(즉, θ_max= 0으로부터 θ= 0까지 픽셀의 플라이트 시간 동안의 리세스 사이클 직후 존재하는 바이어스 전압)의 증가에 대응함으로써 균형을 이루기 위해 어드레스의 각 전압이 증가하는 것을 허용한 결과로서, 유지 전위의 크기는 어드레스의 매 볼트마다 2 볼트씩 증가한다. 조합이 유지 전압 10 볼트 근처에 도달할 때, 픽셀은 래치 다운될 것이고, 리세트 이후에는 θ= 0으로 복귀하지 못할 것이다. 제1d도는 제1b도에 대응하여 이러한 상황을 도시한다.

리세트(12a)가 연속적으로 어드레스된 픽셀을 일시적으로 자유롭게 하더라도, 가해진 전압(10 볼트; 15a)가 θ_max으로 픽셀을 복귀시키기 전에 리세트는 θ_max= 10°정도 또는 2배 정도로 역 회전할 것이다. 광학적 출력의 작은 패인 부분(11)로 나타난 것과 같은 광효율 또는 노출 시간의 손실은 없다. 다른 회전 상태로의 전환에 대해, V_address는 역 전극(16)상에 있고, 픽셀은 θ= 0을 거쳐 복귀될 수 있고, 따라서 잔여 유지 전압(5b)에도 불구하고 새로운 어드레스 상태로 될 수 있다. 화살(15a 및 15b)의 크기는 각각 10 볼트 및 2.5 볼트인 어트랙티브 전위에 대응하지 않는다. 감소된 바이어스 전압을 제1d도의 -2.5 볼트로 설정하는 것은 선택된 픽셀의 래칭을 보장하기 위해 리세트 후 및 (리세트 픽셀을 전 회전시키는) 전 V_bias를 인가하기 전에 10 또는 15 μsec 동안만 유지된다는 것을 주지해야 한다. 또한, 상승된 어드레스 전압은 CMOS 회로를 스트레싱에서 벗어나게 하기 위해 일시적으로만 인가될 필요가 있다.

더 유연한 힌지는 저 바이어스 전압 및 저 래칭 전위를 필요로 하기 때문에, DMD 힌지의 유연성은 기술된 형태의 신뢰성 있는 동작 모드의 실시를 고려하여 다양한 다른 설계를 가능하게 한다.

이 방법은 재기입용 DMD 셀을 개별적으로 선택하기 위해 임의 어드레스가능한 CMOS 구조의 다른 특징을 필요로 한다. DMD CMOS 어드레싱 어레이가 전형적인 SRAM 또는 DRAM 메모리 어레이기 때문에, 실시하기가 어렵지 않다. 이것을 달성하기 위한 워드 및 비트 디코드 및 어드레스 특징은 본 기술 분야에 공지되어 있다.하드 카피 DMD 장치들이 전형적으로 아주 얕은 열(fairly shallow column; 예를 들어 16 내지 128 비트)들을 갖는 매우 긴 어레이로 구성되기 때문에, x-y 어드레싱은 복잡하지 않다.

이 실시예는 어드레싱 대역폭 문제를 간단히 하고, 데이타 어레이의 작은 부분만이 변할 때 DMD 동작 사이클을 감소시킨다는 장점이 있다. 프린팅 적용에 대해서, 이진 PWM 연관된 아티팩트 또는 선형 PWM의 실제적인 어드레스능 제한을 해결한다는 장점이 있다.

DMD의 레칭 및 리세트 특성을 사용하는 많은 방법들 중 한 예로서, 그레이 스케일을 에뮬레이트(emulate)하기 위해 사용된 4개의 픽셀의 그룹을 고려하는 것이다. 제1c도의 라인(18)상에 도시된 바과 같은 4개의 상이한 노출 시퀀스가 나타나는 4개의 인접 픽셀들을 고려하자 라인의 시작점에서, 모든 4개의 픽셀은 위에 있을 것이다. 제1 픽셀은 그룹(18a)의 최상위 비트를 나타낼 것인데, 이것을 가장 오래 라인위에 머물게 할 수 있다는 것을 의미한다. 리세트 라인(12)의 제1 펄스에서, 3개의 상위 비트(18a, 18b 및 18c)의 전극 상태는 변하지 않지만, 하위 픽셀(18d)는 OFF로 스위치될 것이다. 다음 비트는 제2 펄스에서 OFF로 스위치되고, 제3 비트는 제3 펄스에서 OFF로 스위치된다. 최종적으로, 마지막 비트, 즉 고려중인 픽셀은 다른 픽셀의 갱신과 함께 다음 프린팅 라인에 대응하는 새로운 데이타를 수용하여 새로이 프로세스를 시작한다.

이러한 방법으로, 펄스 폭 변조에 의해 그레이 스케일을 달성하기 위해 걸린 전체 시간이 상당히 향상된다. 이것은 분당 경쟁 페이지 비율의 라인 시간이 유지되게 하고, 달성된 그레이 스케일 레벨수 이상의 부가적인 제어를 하게 한다. 전압의 동조는 또한 적절한 화상을 달성하기 위한 데이타를 쉽게 조작할 수 있게 한다.

타이밍에 관한 데이타의 조작은 화상의 해상도 향상에 응용될 수 있다. 공간 광 변조 프린터로 해상도를 향상시키는 가장 큰 문제점의 하나는 용지로 전이되는 셀의 화상으로부터 비롯된다. 고해상도 페이지 프린터상에서도, 프린트 화상은 만곡된 연부상의 계단 효과(staircase effect)를 나타낸다. 이것은 셀들이 대략적으로 직사각형이어서 만족스러운 만곡을 이루도록 시도하기 위해 계단화되기 때문이다.

공간 광 변조기 어레이의 전형적인 레이아웃은 제2a도에 도시된다. 픽셀(20a)는 수평선(24) 및 수직선(22a)의 중심이다. 광을 이동시킬 때, 라인상의 픽셀들은 연속적으로 라인(22a, 22b 등)의 중심으로 된다. 표준적인 방법으로 로드된 데이타를 갖는 열(22a)로부터의 프린트 화상은 제2b도에 도시된다. 제2a도의 어레이로부터의 처음 3개의 픽셀은 제2b도의 영역(26)으로 전이된다.

제2c도는 프린트 화상(29)의 연부에 계단효과를 변형시키기 위한 한 방법을 도시한다. 어레이로부터의 상부 픽셀(20)은 나중에 그 데이타를 수용한다. 드럼은 회전을 계속하고, 픽셀 화상은 오프셋 위치(30)에서 생성된다. 다음 픽셀 화상들이 전이될 때, 픽셀의 하부는 다음 표준 시간 픽셀(29)의 화상의 일부로 된다. 이것은 픽셀의 수직 확장 조작이 더 세밀한 단계에서 프린트 형상의 상세한 연부(detailed edge)를 나타내게 할 수 있도록 한다. 예를 들어, 8단계 지연을 취한다면, 곡선은 이전 픽셀에서 그 높이의 1/8을 뺀 크기를 갖는 일련의 픽셀로 나타날 수 있다. 이것은 제2d도에 도시된다. 따라서 픽셀의 선택적인 제어 어드레싱은 프로세스 방향으로 개별적인 소자의 해상도보다 더 미세한 어드레스 그리드상에 프린트된 대상체의 연부를 이동시키기 위해 사용된다.

제2도의 한가지 제한은 픽셀들의 중심의 위치이다. 모든 상이한 크기의 픽셀들이 표준 크기의 픽셀과 동일한 x-y 그리드상에 중심으로 유지된다. 프로세스 방향으로만 논의된 해상도 향상을 보완하기 위해 SLM 어레이의 방향을 따라 해상도 향상을 달성하기 위한 많은 방법들이 있다. 이들 중 하나의 방법은 쉽게 실행될 수 있는 형상을 프린팅할 때는 인치당 300 도트(300 dpi)의 현재 기준을 유지하고, 곡선 또는 정교한 형상의 대상을 프린팅할 때는 보다 높은 dpi 수평 모드로 전환되는 것이다. 이것을 달성할 수 있는 공간 광 변조기의 어레이가 제3도에 도시된다. 적절한 행(row)을 선택함으로써, 제2도에서 도시된 바와 같이 타이밍 변화에 의한 수직 또는 프로세스 방향으로 오프셋되는 것과 매우 유사하게, 프린팅 형상의 연부는 수평 방향으로 증가되게 오프셋될 것이다.

제3도의 표준 픽셀(40)은 동일한 크기로 남는다. 픽셀(40) 이후에 시작되는 픽셀(401)의 행은 증가된 거리만큼 광으로 이동한다. 예를 들어, 900 dpi가 요구된다면, 픽셀의 다음 행은 여기서는 거리(42)로 도시된 제1 행으로부터 1/3 픽셀 오프셋에 있을 필요가 있다. 픽셀(402)로 시작되는 행이 이전 행으로부터 추가적으로 1/3 이동하기 때문에, 거리(44)는 표준 픽셀 폭의 2/3와 동일하다. 행이 서로 오프셋될 수 있는 방법의 제한은 없다. 이 시스템은 가장 먼저 발생하는 움푹 들어간(indented) 행, 그다음 표준 행, 그리고 다른 움푹 들어간 행이 필요할 것이다. 또한, 설계자는 소정의 주어진 오프셋에서 하나 이상의 행을 갖는 것이 필수적이라고 판단할 것이다.

이들 픽셀용 어드레싱 회로는 정규 어레이(제2a도)와 동일하다. 프린터 제어기는 지연된 연부가 형상을 더 정확하게 나타내야 할 필요가 있을 때를 결정하고, 라인(401 또는 402 등)이 OPC상의 잠상(latent image) 위치를 정렬할 때까지 라인에 대한 데이타를 지연시킨다.

오프셋 기술로부터 야기된 프린트된 라인이 제4도에 도시된다. 처음 2개의 프린트 형상은 픽셀 라인(50)에 의해 도시된 것이다. 형상들간의 갭(52)는 프린트 노출에서 정상적인 2개의 픽셀의 폭 갭으로부터 나타난다. 그러나, 형상(54)의 세번째 것은 표준 픽셀 폭의 1/3과 동일한 거리(42)에 의한 오프셋인 행(401)(제3도)의 픽셀로 프린트된다. 라인내의 다른 갭은 DMD 행(402)(제3도)로 노출된 2/3 오프셋 갭(44)에 이어 발생한 것이다. 픽셀 행(45)에서, 프로세서는 픽셀, 행(400)으로 돌아갈 필요가 있다고 결정되어 비완전(non-integer) 갭(47)로 된다. L로 표시된 라인들은 행(400)(제3도)에 대응하는 조절되지 않은 픽셀 어드레스능 그리드를 나타낸다.

프린트된 형상 크기를 조작하는 더 바람직한 방법은 DMD 어레이내의 픽셀들을 프린터용으로 한정된 해상도 그리드보다 짧고, 좁거나 균일하게 작게 물리적으로 변화시키는 것이다. 이것은 제5도에 도시된다. 표준 셀(20)은 크기 1로 정의될 것이다. 이 예에서의 감소는 1/4 크기 감소를 일으키지만, 이 방법은 특정한 세팅에 제한되기 않는다. 픽셀(34)는 픽셀(20)의 .75배의 선형 크기 및 .5배의 면적을갖는다. 유사하게, 픽셀(36)은 픽셀(20)의 .25배의 크기를 갖고, 픽셀(38)은 픽셀(20)의 .0625(1/16)배의 면적을 갖는다. 보다 작은 크기의 이들 픽셀들은 어떤 변조기에 대해서만 가능하며, 각각의 크기의 행 및 열의 수는 그들이 사용될 응용에 의해서만이 제한된다. 예를 들어, 설계자는 각각의 크기의 픽셀의 3개의 행을 갖도록 결정할 수 있다.

명백하게, 상기 방법들의 장점은 그레이 스케일 화상으로 수평 및 수직 해상도가 향상된 더 유력한 프린트 형상을 달성하기 위해 조합될 수 있다는 것이다. 타이밍 지연(수직 오프셋), 다양한 픽셀 크기, 형태 및 그리드 위치 및 수평 오프셋을 달성할 수 있는 어레이는 제6도에 도시된다.

정규 x-y 그리드[제2a도의 라인(22 및 24)] 주위에 중심으로 된 표준 크기 픽셀(20)이 참고로 도시된다. 픽셀(58a 및 58b)는 픽셀(20)의 연부와 정렬하기 위해 오프셋된 1/2 크기의 픽셀을 도시한다. 픽셀(58a 및 58b)는 증가된 복잡성 및 어드레싱 회로의 비용을 투자하여 직사각형 픽셀 소자를 시뮬레이트하기 위해 독립적으로 또는 협력하여 동작할 수 있다. 전자포토그래픽 프로세스 운동이 프로세스 방향으로는 픽셀 화상을 흐리게 하기 때문에, 순수한 직사각형 픽셀은 광학적 장점을 가질 것이다. 픽셀(60a 및 60b)는 직사각형 크기 픽셀들 및 타이밍 지연을 설명하는데, 도트 라인의 반이 지연된다면 픽셀의 화상으로서 픽셀(60b)을 가진다. 픽셀쌍(62a-62b 및 64a-64b)은 보다 작은 픽셀이 표준 픽셀의 좌 및 우 연부와 정합하기 위해 좌 및 우로 시프트될 수 있다는 것을 도시한다. 이들 픽셀쌍은 3/4 및 1/4 픽셀을 보여주지만, 표준 픽셀(20)의 폭과 꼭맞는 크기의 픽셀이 될 수 있다.전형적으로, 설계자는 이러한 임의적인 방법으로 픽셀을 배치하는 것은 아니지만, 이 형상은 상기 방법들의 다양한 조합을 도시한다.

이러한 장치의 제조에 대한 의문이 생길 것이다. 명백히, 이러한 어레이의 제조는 대부분의 변조기에 대해 어려울 것이다. 그렇다고 해도, 상술한 소정의 변조기가 이러한 어레이를 발생하기에 적합할 수 있게 하는 것이 가능하다. 이러한 형태의 어레이에 특히 적합한 하나의 변조기는 어레이가 디지탈 마이크로미러 장치(DMD)인 어레이, 특히 숨겨진 힌지 구조에 특히 적합하다.

DMD의 제조는 1991년 10월 29일 허여된 미합중국 특허 제5,061,049호에 설명되어 있고, 이중 레벨 DMD의 제조는 1992년 1월 28일 허여된 미합중국 특허 제 5.083,857호에 설명되어 있는데, 이 2개의 특허는 모두 본 명세시에 참고로 사용되었다. 실리콘 기판은 종래의 CMOS 방법으로 제조된 디지탈 어드레싱 회로를 가지며, 연속적으로 전극들은 CMOS에 접속된 기판상에 배치된다. 그다음, 이들 전극들은 플라즈마 에치에 의해 제거가능한 유기 물질로 덮힌다. 비아(via)들은 유기 물질을 절단하고, 제1의 금속 층은 그 위에 피착되어, 비아들을 채운 후 지지 포스트를 형성하기 위해 패턴된다. 그후 물질의 제2 층이 피착되어 미러 소자들을 형성하기 위해 패턴된다. 그다음, 전체 구조는 유기 물질을 제거하기 위해 에치되어, 포스트에 의해 지지되고 전극 위에 매달린 미러를 남긴다. 이 프로세스는 포스트에 의해서가 아니라 유기 물질의 잔존물에 의해 지지되는 미러를 포함하여 다양하게 변형된다.

숨겨진 힌지 구조(hidden.hinge architecture)는 이러한 기본 프로세스의 다른 적용예이다. 종래 기술의 숨겨진 힌지 DMD 구조는 제7a도에 도시된다. 기판(66)은 상부 또는 내부에 전극의 원시층(71)을 갖는다. 유기 물질은 원래 갭(73)으로 도시된 층내에 남아 있다. 68a 및 68b로 도시된 금속층은 그후 공간층에 의해 전극으로부터 분리되게 된다. 이 점에서, 원래의 DMD는 완전하게 될 것이다. 숨겨진 힌지는 부가 층을 갖도록 이 프로세스를 채택한 것이다. 숨겨진 힌지 실시예에서, 전극(70a 및 70b)는 갭(73)에 의해 기판 위로 상승되고, 전극에 접속된 원래의 단일 레벨 구조내의 미러(75)를 갖는다. 유기 물질의 제2 층은 상승된 전극층 위에 공급되고, 비아는 금속층(68b)에 형성되며, 다른 금속층은 포스트(72) 및 제2 레벨 미러(74)를 형성하기 위해 피착된다. 제2 레벨 미러는 전형적으로 원래의 미러(75)의 중심 영역상에 형성된다. 최종 구조는 공기 갭(73)에 의한 어드레스 회로로부터 차례로 분리되는 전극/미러(68a 및 68b)의 상부 및 하부로부터, 유기 물질의 제1 및 제2 층의 제거한 후, 공기 갭(76) 위에 매달린 미러 소자(74)이다.

다른 장점을 제공하는 다른 적용예는 상기 예에서와 같이 전극으로서 층(68)을 사용하지 않고 전극(71)로부터 제1 금속층(68)을 분리하는 것이다. 종래의 DMD 구조는 레벨 71에 유지되는, 힌지, 지지 포스트 및 전극을 완비한 금속층(68)내에 제조된다. 이 방법에서는, 어드레스 펄스는 어드레싱용 제1 레벨 미러를 동작시키고 공기 갭(73)은 유일하게 편향각을 결정한다. 이것은 제2 레벨 미러(74)인 광 활성층으로부터 전기적 활성층을 분리한다. 이 장치의 부가적인 장점은 균일한 공기 갭(73) 및, 공기 갭(76)으로부터 비롯되는 제2 균일 공간 두께로 제조가능하고, 동일한 회전각으로 동작시키기 위해 가변 미러 크기를 허용한다는 것이다. 이것은제7b도에 도시된다.

디지탈 마이크로미러의 이 실시예의 주요 장점은 제2 레벨 미러의 위치에 있다. 제2 레벨 미러들이 어드레스가능하도록 제한되지 않기 때문에, 제2 레벨 미러들은 중심 포스트 위치에 관하여 이동할 수 있고, 제5도 및 제6도에 제안된 대로 상이한 크기를 가질 수 있다. 이 실시예의 측면은 제7b도에 개략적으로 도시된다. 어드레스 전극(70a 내지 70b)는 상부에 포스트(72)를 갖는 종래의 제1 레벨 미러(75)을 어드레스하며, 공간 층에 대응하고, 전기 층 소자(75)와 광학적 층 소자(74 및 75) 사이의 공기 갭을 보장한다. 전체 DMD 어레이는 전극(70a 및 70b)상의 제어 신호에 응답하여 각(±θ)을 이루도록 동일하게 동작하는 균일한 크기의 전기 소자(75)들과 미러(75)로 구성된다. 광 소자(74) 및 주변 플래트, 거울 금속 표면(specular metal surface; 77)은 각각 포스트(72 및 78)상에 지지된다. 크기, 위치 또는 기하적으로도 상관없는 광 소자(74)는 정밀한 편향각(±θ)으로 제어 소자(75)를 따라 얹혀있다. 비활성 충진 금속 구조(77)는 광이 낮은 미러 소자(75)상에 충돌하는 것과, 광 시스템으로 인입하는 것을 방지하도록 해준다.

평탄화 물질(planarizing material; 80)로 제1 레벨 비아를 채우는 것과 제1 레벨 비아 위에 바로 제2 레벨 비아(78)를 제조하는 것이 가능해진다. 제7c도에 도시된 다른 구조에서, 비변조 금속 광 실드(77)을 지지하는 포스트는 활성 제어 소자(73)로부터 떨어져 있고, 비아(72) 위에 바로 피착되지 않게 81로 도시된 바와 같이 위치될 수 있다. 제7c도는 구조의 상면도를 도시하고, 다른 광 픽셀 소자 크기 및 위치(82 및 83)의 2가지 예를 도시한다. 힌지(84)는 가능한 평탄화충진재(filler; 80)으로 비아(72)에 부착되어 도시되고, 제어 전극(도시되지 않음) 위에 8각형 제어 소자(75)를 매단다.

비동작 광 레벨 금속(77)의 교차로 빗금친 부분의 샘플은 광로부터 제어 레벨 픽셀 구조를 차폐하기 위해 필수적이다. 그것은 설계에 따라 비아(81 또는 78)(제7b도)상에 지지된다.

2개의 제1 행내의 픽셀 소자(82)는 비아(72)에 의해 저 소자(75)에 부착된 어레이의 직사각형(대각선 형태)의 광 활성 부분이다. 제5 및 제6와 조화되는 제2 일례로서, 1/2 크기의 픽셀(대각선 형태; 83)은 동작 소자(75)의 4개의 행을 따라 어레이되고, 셀 경계 연부와 정렬되기 위해 중심에서 벗어나(off-center) 스태거(stagger)된다. 전기적으로 다시 교착(re-interlace) 될 때의 4개의 소자들(83)의 조합은 기본 제어 소자의 2배의 해상도로 라인 화상을 형성하기 위해 정렬될 수 있다. 이것은 전기적 동작 요구조건을 만족시키기 위해 제한된다. 소자(83)들은 또한 제6도에 64a 및 64b로 도시된 개념과 대응한다.

제7c도는 간단히 하기 위해 수평 힌지를 도시하지만, 접근은 45도 힌지 또는 소정의 다른 방향각과 양립한다.

이전에 논의된 바와 같은, 많은 다른 조합이 이 구조상에 사용될 수 있다. 편향을 달성하는데 있어서의 정전기력 제한이 제1 레벨 미러에 의해 처리되기 때문에, 제2 레벨 미러는 필요하다면 더 많은 광 화상이 거의 제한되지 않을 가능성을 갖는다. 어드레싱으로부터의 광학적인 요구조건과 전기적 동작 요구조건의 분리는 중요한 장점이다.

일단 어레이가 이들 모든 가능성을 허용하여 제조되면, 그레이 스케일을 갖는 고해상도 프린팅이 가능해진다. 제8a도는 표준 300 dpi 프린터를 사용한 프린팅 형상 결과를 도시한다. 원하는 프린트 형상이 점선으로 도시된다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, 화상의 해상도를 감소시키는 결함과 관련된 다양한 해상도가 있다. 참조부호 78로 표시된 아티팩트는 쉽게 해소될 수 없는 움푹 들어간 부분을 구성한다. 돌출부(76)은 픽셀이 그 한도 이상으로 연장하지 않고 화상의 갭을 채울 수 없을 정도로 크다는, 반대되는 문제점을 갖는 아티팩트를 나타낸다.

이들 아티팩트는 제8b도에서 해결된다. 교차로 빗금친 부분의 픽셀(80 및 82)는 표준 픽셀 크기의 .75, .5 또는 .25배 중의 하나인 상이한 크기의 픽셀들이다. 도트된 픽셀(86)은 타이밍 지연되어 수직적으로 시프트되어 나타나는 부분들이다. 십자 패턴으로 채워진 픽셀(84)는 수평으로 오프셋된다. 또한, 상술된 바와 같이, 상기의 소정 조합이 생길 수 있다. 예를 들어, 픽셀(80)은 .5배 크기의 픽셀만이 아니고, 또한 그 모서리에 맞도록 수평으로 오프셋된다. 픽셀(82)는 타이밍 지연에 의해 부가적으로 수직 오프셋되는 .25배 크기 픽셀이다. 상술한 바와 같은 어레이로 또한 수행될 수 있는 그레이 스케일은 도시되지 않는다. 이 예에서, 그레이 스케일은 프린트된 형상의 모양 및 아우트라인을 더 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 제5도에 도시된 보다 작은 '서브 픽셀'을 사용함으로써 달성된 선형 해상도의 감소가 없이, 펄스 폭 제어에 의한 세기 변조 또는 면적 변조를 사용함으로써 실제 그레이 스케일 화상를 시뮬레이팅하는 장점이 있다.

보드상에 DMD를 조합하는 것이 가능한 ASIC 재포맷 칩(reformatter chip)은이 어레이를 동작시키기 위해 필수 데이타 경로 제어 스위칭 및 적절한 지연을 제공할 수 있다. 프로세서는 또한 상이한 크기의 픽셀들이든 수평 오프셋이든 표준이든 그 중의 하나가 데이타 스트림의 특정부를 수신하는 형태의 행을 결정해야 할 것이다. 또한, 프로세서는 형상이 300 dpi 또는 900 dpi 중 어떤 것을 필요로 하는지, 또는 효율적인 오프셋 dpi가 어레이의 최종 선택에 의해 달성되든지를 결정할 필요가 있다. 적절히 엔코드된 데이타는 원하는 프린트된 형상을 달성하기 위해 타이밍, 위치 또는 픽셀 크기로 환산하여 DMD에서 엔코드될 것이다. 프로세서는 또한 적절한 그레이 레벨을 달성하기 위해 리세트 프로세스를 모니터할 필요도 있다. 이것은 시스템이 고품질의 프린팅을 위한 모든 가능성; 그레이 스케일, 타이밍 지연된 데이타, 수평 오프셋 픽셀 및 상이한 크기의 픽셀의 장점을 갖출 수 있게 한다.

따라서, 고 품질의 프린팅을 위한 방법의 특정 실시예가 상술되었지만, 이들 특정한 실시예는 특허청구 범위에서 설명된 정도를 벗어나는 본 발명의 범위내에서만 고려되는 것이 아니다.

제1a도는 디지탈 마이크로미러를 도시한 도면.

제1b도 내지 제1d도는 디지탈 마이크로미러 상에 데이타를 리세팅하는 여러가지 방법들을 도시한 도면.

제2a도 내지 제2d도는 공간 광 변조기의 표준 레이아웃을 도시하고, 데이타가 에일리어싱 효과를 양호하게 제어하도록 사용될 수 있는 타이밍법을 도시한 도면.

제3도는 수평 방향으로 오프셋된 픽셀들을 도시한 도면.

제4도는 수평 방향으로 오프셋된 픽셀들을 사용하는 방법 및 최종 프린트 화상을 도시한 도면.

제5도는 x-y 그리드를 중심으로 배치된 단편적인 크기의 픽셀들의 레이아웃을 도시한 도면.

제6도는 해상도를 향상시키기 위해 픽셀들을 여러가지로 조합시키는 예들을 도시한 도면.

제7a도 내지 제7c도는 2중 레벨 디지탈 마이크로미러의 다이어그램.

제8a도 및 제8b도는 표준 공간 광 변조기 어레이들을 사용하는 프린트 형상,및 적응형 어레이를 사용하는 프린트 형상을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 74, 75 : 미러 소자

3, 4 : 랜딩 전극

5a, 5b : 비틀림 힌지

6 : 실리콘 기판

8a, 8b, 14, 16 : 어드레스 전극

10 : 바이어스 전압

12 : 리세트 라인

18 : 미러 라인

20, 29, 34, 36, 38, 40, 58, 60, 62, 80, 82, 86, 401, 402 : 픽셀

68 : 금속층

72, 78 : 포스트

73 : 공기 갭

Claims

고해상도 프린팅 방법에 있어서,

a. 프로세서에서 화상 데이터를 수신하는 단계;

b. 상기 프로세서를 이용하여 상기 화상 데이터를 분석하여, 상기 프로세서가 일반적으로 행 및 열로 정렬된 표준 크기의 소자 어레이로 구성된 공간 광 변조기의 동작을 결정하여 상기 화상 데이터를 가장 정확하게 나타내는 최종 화상을 프린트하는 단계; 및

c. 상기 공간 광 변조기의 상기 소자를 선택적으로 동작시키는 단계를 포함하며,

상기 동작 단계는,

i. 상기 소자들중 소정 소자들의 활성을, 상기 소정 소자들에 크로스 프로세스 방향(cross-process direction)으로 인접한 소자들과 관련하여 상기 화상 데이터에 대해 지연시켜서 상기 최종 화상 상으로의 상기 소자의 화상의 수직 배치를 제어함으로써 프린트 화상에 대해 보다 정교한 수직 제어를 달성하는 단계;

ii. 상기 어레이의 소정 영역 - 상기 소정 영역은 행들을 가지며, 상기 행들은 상기 행들의 나머지 행과 수평방향으로 오프셋되어짐 - 을 활성화하여, 상기 최종 화상내의 픽셀 화상을 수평방향으로 오프셋시켜 픽셀 화상이 수평방향으로 이동하도록 함으로써 상기 최종 화상에 대해 보다 정교한 수평 제어를 달성하는 단계;

iii. 상기 표준 크기의 단편에 대응하는 크기를 갖는 소자를 이용하여 픽셀화상을 보다 작게 할 수 있으므로, 프린트 화상을 채우는 것에 대한 보다 정교한 수평 제어를 달성하는 단계를 포함하는 고해상도 프린팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 동작 단계는 그레이 스케일을 달성하기 위하여 상기 공간 광 변조기를 동작시키는 단계를 더 포함하는 고해상도 프린팅 방법.
광학적 활성 레벨과 전기적 활성 레벨을 갖고 있는 공간 광 변조기 어레이에 있어서,

a. x-y 그리드를 중심으로 배치된 표준 크기의 공간 광 변조기 셀들;

b. x-y 그리드를 중심으로 배치된 표준 크기의 단편의 공간 광 변조기 셀들;

c. 상기 x-y 그리드를 중심으로 배치된 상기 셀들로부터 수평 방향으로 오프셋된 표준 크기의 단편의 공간 광 변조기 셀들; 및

d. 상기 x-y 그리드를 중심으로 배치된 상기 셀들로부터 수평 방향으로 오프셋된 표준 크기의 공간 광 변조기 셀들을 포함하는 공간 광 변조기 어레이.
제3항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는 디지탈 마이크로미러 장치인 공간 광 변조기 어레이.
제3항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는 이중 레벨 마이크로미러(double-level micromirror) 장치인 공간 광 변조기 어레이.
제3항에 있어서, 상기 광학적 활성 레벨과 상기 전기적 활성 레벨은 독립된 레벨들인 공간 광 변조기 어레이.
제3항에 있어서, 상기 모든 셀들은 크기에 관계없이 실질적으로 동일한 편향각으로 균일하게 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 공간 광 변조기 어레이.