TWI459803B - 可程式化微機電微光柵陣列 - Google Patents

Description

可程式化微機電微光柵陣列

本發明大體上係關於光柵器件，且更特定言之係關於一種用於選擇性地阻擋一列或多列感光像素上的光之個別可程式化可致動光柵的微機電陣列。

在數位相機及其他成像應用中，通常有用的是可選擇性地阻擋光落到一電子感測器之一些部分上，且容許光落到該感測器之其他部分上。習知的機械光柵技術已用於一曝光序列，該曝光序列掃描遍及感測器且一次僅曝光一部分；然而，由於受尺寸、機械複雜性、可靠性及成本之限制，較不期望此類型之解決方案用於小型感測器陣列。

微機電系統(MEMS)技術已用於在諸多顯示應用中提供具有選擇性地可致動之光柵的光柵陣列。例如，發證給Vuilleumier之題為「Light Modulation Device with Matrix Addressing」的美國專利第5,078,479號及發證給Worley之題為「Electro-Micro-Mechanical Shutters on Transparent Substrates」的美國專利第5,784,190號中描述用於顯示器件的MEMS光柵陣列。利用此類型之顯示器件，MEMS光柵對應於影像像素，使得各個顯示像素係使用一個或多個微光柵元件而形成。

MEMS光柵陣列亦已用於光感測器應用中。在一高度宣揚的NASA計畫中，正在開發一種MEMS微光柵陣列以支援用於詹姆士韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)上之近紅外線光譜儀的場選擇。此陣列使用用於可變場選擇之個別可致動100微米×200微米光柵葉片之一128×64元件矩陣。各個光柵阻擋光至一分離胞元(cell)，其中沿一個胞元壁具有一電極。各個光柵在被致動以前是關閉的。光柵葉片自身係藉由掃描陣列上方的磁鐵而電磁地打開，且其後靜電地鎖存於所要的標靶位置上方。Li等人所著之刊載於Proceedings of SPIE,Micro-and Nanotechnology: Materials,Processes,Packaging,and Systems II第5650卷第9-16頁，題為「Microshutter Array Development for the James Webb Space Telescope」的論文中描述此器件。

認識到用於JWST器件之解決方案的固有限制後，天文研究者與日本宇宙航空研究機構(Japan Aerospace Exploration Agency)合作，已提出一種靜電地致動的替代微光柵陣列。2005年7月Motohara等人在德國Workshop for Instrumentation on Extremely Large Telescopes,Ringberg上提出之題為「Development of Microshutter Arrays for Ground-Based Instruments」的論文中已描述其等之工作。Motohara等人的器件類似地使用一胞元陣列，其中每個胞元具有通常在被致動以前是關閉的單一光柵，且沿一胞元壁具有其致動電極。

雖然MEMS微光柵已被開發出來用於各種顯示器件及用於天文儀器，然而，JWST或Motohara等人之器件所提出的解決方案將難以按比例調整為數位相機應用或一般手持影像擷取器件所需的大小。此外，即使此類器件可按比例調整為數位相機應用所需的大小，諸如較差的填充因數、固有的製造難題及令人失望的光柵回應時間等問題仍會明顯影響其等的有用性。此等器件需要極大的表面積以用於致動及機械支援組件，嚴重降低透射光時可用的陣列比例。對於期望儘可能多地提供來自物方視場之光的小型數位影像擷取裝置，此問題尤其麻煩。

操作需求進一步複雜化該問題。例如，對於數位相機或其他數位成像裝置而言，用於JWST器件的電磁初始化(掃描微光柵陣列上方的磁鐵以初始鎖存光柵於一關閉位置)係不切實際。Motohara等人之器件所需的高鎖存電壓(超過100Vdc)使此類型的解決方案完全不適合用於數位相機。JWST及Motohara等人的器件皆使用沿一胞元壁安置的電極，此並非使用已知MEMS技術以較小尺寸可容易地製造的配置。

因此，雖然MEMS微光柵陣列已開發出來用於一些類型之顯示及影像感測應用，例如，較大之分離胞元陣列，但仍需要一種適合於數位相機及其他手持成像器件之微光柵陣列解決方案。

本發明之一態樣係一微光柵陣列。該微光柵陣列包含：一框架，該框架具有一包含一光透射部的單一開口；及複數個線性微光柵元件，該等微光柵元件延伸橫跨該光透射部且彼此平行。各個微光柵元件包含：一平葉片，該平葉片沿一長度方向延伸橫跨該光透射部之一寬度；及第一及第二扭力臂，該等扭力臂係連接至該框架，且沿該長度方向從該葉片之各側向外延伸。一控制電路產生施加至該等線性微光柵元件之各者的一經分別控制且獨立之電壓。一控制器設定施加至該等線性微光柵元件之各者的各自電壓。

本發明之另一態樣係一種系統，該系統包含：先前所述之微光柵陣列，及用於儲存該等線性微光柵元件之不同設定的一儲存元件。

本發明之另一態樣係一種成像模組，該成像模組包含：先前所述之微光柵陣列，及一影像感測器。

有利效果

本發明包含如下優點：施加獨立且經分別控制之電壓至一微光柵陣列中每一個別可程式化可致動之微光柵元件。此容許光更有效地適應來自一透鏡(諸如相機透鏡)之光線角度。改良微光柵陣列之速度，同時減少微光柵陣列之功率消耗。本發明亦容許光柵時序之較高靈活性。

雖然本說明書以特別指出且明確主張本發明之標的之請求項來論斷，仍咸信結合附圖考慮以下描述時可更好地理解本發明。圖式之元件未必按彼此之相對比例。

本實施方式係特別針對形成根據本發明之裝置的一部分或與其較直接地協作之元件。應瞭解未明確顯示或描述之元件可採取熟習此項技術者所熟知之各種形式。現參照圖式，在圖式各處相同參考數字表示對應部分：本文所顯示及描述之圖式係為說明根據本發明之操作及製造原理而提供，且無意經繪製以顯示實際尺寸或標度。鑑於用於本發明之微光柵陣列之組件部分的相對大小，必須予以一些誇大以強調基礎結構、形狀及操作原理。

現參照圖1，其顯示一種使用根據本發明之一實施例的一微光柵陣列之成像裝置的組件之示意性方塊圖。成像裝置100包含根據本發明之一實施例的微光柵陣列102及影像感測器104。諸如電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器之影像感測器104通常具有配置成列與行之像素陣列(未顯示)。來自物方視場之入射光(由點線箭頭指示)經影像成形透鏡106引導穿過微光柵陣列102及視需要地穿過微透鏡陣列108而抵達感測器104。微光柵陣列102具有諸多個別可程式化可致動光柵元件110(亦稱為微光柵元件)。在圖1之圖式中僅顯示少量微光柵元件110，在此及以下圖式中以特意誇大標度用於MEMS實施例。

微光柵元件110之致動係由控制邏輯處理器112(下文稱為「控制器112」)來控制，該控制器112亦控制根據本發明之一實施例的影像感測器104之影像感測功能。影像處理組件114與控制器112協作以獲得、處理及儲存從感測器104所獲得之影像資料。控制器112可嵌入於微光柵陣列102、影像感測器104、影像處理組件114或其他控制邏輯晶片(未顯示)中，舉例而言，諸如根據本發明之一個或多個實施例之一自動聚焦驅動器。

與習知的光柵組態不同，微光柵陣列102使用跨越影像感測器104上之一個或多個排或列之像素的微光柵元件110。在圖1所示之實施例中，各個微光柵元件110延伸完全橫跨感測器104之作用區域的寬度，以提供用於一個或多個完整列之像素的一光柵。此設計具有個別可程式化可致動微光柵元件110，由於速度改良及功率降低，因此比習知微光柵陣列組態更為有利。另外，此設計容許光柵時序之較高靈活性。

圖2之透視圖較詳細地顯示微光柵陣列102之一截面，其中再次誇大組件尺寸且僅顯示一些微光柵元件110。各個微光柵元件110具有：一平葉片200，該平葉片沿一長度方向延伸橫跨一框架204之一光透射部202；及第一及第二扭力臂206，該等扭力臂係連接至框架204，且沿長度方向L從該葉片200之各側向外延伸微光柵元件110之延伸長度。各個微光柵元件110可裝在一選用之軸頸軸承208內，為較好地看清微光柵元件110，從圖2中移除一些微光柵元件110。軸頸軸承208之目的係幫助微光柵對齊，及防止相鄰之微光柵元件110之間的碰撞或其他非所要之互動。

葉片200藉由施加一經分別控制且獨立之電壓至各個葉片而從圖1及圖2之站立或豎直位置開始旋轉。該等電壓引起對框架204或微光柵陣列102之基板的靜電吸引。對各個葉片200之此吸引扭力與電壓成非線性。宜施加小電壓至葉片200以使此等葉片從其等之靜止位置開始旋轉。然而，為適應來自透鏡之光線角度，在根據本發明之一實施例中，各個葉片200之轉向在陣列之外邊緣處與在中心處稍微不同。

圖3係沿圖2之Q-Q線的視圖，其顯示根據本發明之一實施例的微光柵陣列102之諸多組件。圖3較詳細地顯示微光柵陣列102之一截面，其中誇大組件尺寸且僅顯示一些微光柵元件110。如先前所討論，各個微光柵元件110具有一平葉片200及兩個扭力臂206，該等扭力臂沿長度方向L從該葉片200之各側向外延伸微光柵元件110之延伸長度。

入射光方向係由標記為I之箭頭顯示。該框架連同其他支撐元件支撐該組微光柵元件110及其等對應之軸頸軸承208(見圖2)，且提供光透射部202。在根據本發明之一實施例中，光透射部202對入射光I係透明的。在根據本發明之另一實施例中，光透射部202係中空的。

用於一影像感測器之主光線角度(CRA)可取決於相機模組設計而改變。因此，用於微光柵元件之最佳角度可改變。在根據本發明之一實施例中，為與不同CRA相容，葉片角度可程式化。用於葉片200之一組或多組設定可被儲存於微光柵陣列102、影像感測器104或數位信號處理晶粒上之記憶體中。其後，有效設定可被儲存作為隨後可由使用者取決於CRA而選擇之暫存器設定。

一般而言，微光柵陣列102係放置於頂部透鏡與影像感測器104之間。微光柵元件110比先前技術系統在開口位置透射較多光，此係因為葉片200適合地經轉向以適應來自相機物鏡之光的光線角度。圖4係根據本發明之一實施例之相機透鏡及微光柵陣列102的側視圖。請注意在z方向(進出紙的方向)上，來自相機透鏡之光錐完全落到影像感測器104上。圖4說明容許光較有效地適應來自相機透鏡400之光線角度的原理。請注意在圖4所示之例示性實施例中，葉片200在影像感測器104之較遠左側及右側比在中間處更加傾斜，葉片200在中間處即使傾斜亦為較少傾斜。各個葉片200之角度自兩端至中間逐漸變化。如先前所討論，在圖4實施例中，藉由在正常打開之位置施加一不同電壓至各個葉片而達成此目的。根據本發明之其他實施例，可不同地定位葉片200。

圖5係根據本發明之一實施例之葉片角度對施加電壓的例示性曲線圖。圖5描繪用於三種不同扭力桿長度之曲線。曲線500係用於具有兩毫米長度之一扭力桿，曲線502係用於具有一毫米長度之一桿，且曲線504係用於具有三分之二(2/3)毫米長度之一扭力桿。請注意，對較長之兩毫米扭力桿，較強之非線性係相當明顯的。超過一特定電壓點後，葉片角度開始快速改變。然而，藉由使用較短、較硬之扭力桿，非線性相當溫和。因此，適度電壓可用於控制光柵葉片位置在0度至30度的範圍內，該範圍對大多數相機透鏡設計係足夠的。增加扭力桿的硬度亦意指增加完全關閉光柵葉片的電壓。習知的金屬氧化物半導體(MOS)技術可適應在20-70伏特範圍內的電壓。在根據本發明之一實施例中，完全關閉光柵葉片僅需25伏特。在一個或多個實施例中，逐漸地施加稍微轉向光柵葉片所需的電壓，使得光柵葉片由於所要穩定狀態位置的過量而不會完全關閉。

現參照圖6，其顯示根據本發明之一實施例用於定位光柵控制元件之一例示性控制電路的方塊圖。在一半導體基板(未顯示)上形成微光柵陣列102，且因此若需要可添加電子電路至該器件基板。此電子電路亦可處於微光柵陣列之外部。閘1將微光柵陣列102切換為正常打開狀態。分壓器電路600提供多種電壓以將葉片定位成各種角度。電壓V1一般低於用於完全關閉光柵葉片之V2。分壓器600可為非線性以供應多種電壓至葉片。分壓器600可由任何數量之電氣元件(諸如電阻器或電晶體)設計而成。

對於圖4所示之實施例，微光柵元件110中之葉片200係藉由施加一較大電壓至根據本發明之一實施例的陣列之外部葉片且施加較小或無電壓至中心葉片而定位。由閘2控制之群開關容許快速施加較大之電壓V2，以一次完全關閉所有葉片。由於在欠阻尼系統中完全關閉光柵葉片陣列具有機械過沖之優點，因此可快速地施加閘2。

100．．．成像裝置

102．．．微光柵陣列

104．．．影像感測器

106．．．透鏡

108．．．微透鏡陣列

110．．．微光柵元件

112．．．控制器

114．．．影像處理組件

200．．．葉片

202．．．光透射部

204．．．框架

206．．．扭力臂

208．．．軸頸軸承

400．．．相機透鏡

500．．．曲線

502．．．曲線

504．．．曲線

600．．．分壓器

圖1係顯示一種使用根據本發明之一實施例的一微光柵陣列之成像裝置的組件之示意性方塊圖；

圖2係根據本發明之一實施例之微光柵陣列102的一截面之透視圖；

圖3係沿圖2之Q-Q線的視圖，其顯示根據本發明之一實施例的微光柵陣列102之諸多組件；

圖4係根據本發明之一實施例之相機透鏡及微光柵陣列102的側視圖；

圖5描繪根據本發明之一實施例之葉片角度對施加電壓之例示性曲線圖；及

圖6係根據本發明之一實施例之用於定位微光柵元件110之例示性控制電路的方塊圖。

100．．．成像裝置

102．．．微光柵陣列

104．．．影像感測器

106．．．透鏡

108．．．微透鏡陣列

110．．．微光柵元件

112．．．控制器

114．．．影像處理組件

Claims (18)

1. 一種微光柵陣列，其包括：一框架，其具有一包含一光透射部之單一開口；複數個線性微光柵元件，其等延伸橫跨該光透射部且彼此平行，各個微光柵元件包括：一平葉片，該平葉片沿一長度方向延伸橫跨該光透射部；及第一及第二扭力臂，該等扭力臂係連接至該框架，且沿該長度方向從該葉片之各側向外延伸；一控制電路，用於產生施加至該等線性微光柵元件之各者之一經分別控制且獨立的電壓；及一控制器，用於設定施加至該等線性微光柵元件之各者之各別的電壓，其中經施加至該等線性微光柵元件之各者之該獨立的電壓可被設定為各種不同的數值，使得該等線性微光柵元件之各者可根據其接收到的該獨立的電壓而以各種不同的角度傾斜。
2. 如請求項1之微光柵陣列，其中該光透射部係一透明材料。
3. 如請求項1之微光柵陣列，其中該光透射部係中空的。
4. 如請求項1之微光柵陣列，進一步包括若干小透鏡以引導在該等微光柵元件之間的光。
5. 如請求項1至4中任一項之微光柵陣列，其中該控制電路包括：一第一閘，用於將該微光柵陣列切換為一第一狀態； 一分壓器電路，用於提供多個電壓以將該等微光柵元件之該等葉片定位成各種角度；及一第二閘，用於將該微光柵陣列切換為一第二狀態。
6. 如請求項1之微光柵陣列，其中該等線性微光柵元件係以各種不同的角度傾斜，在該光透射部的遠左側及遠右側(far left and right)的該等角度大於在該光透射部中間的該等角度。
7. 一種系統，其包括：一微光柵陣列，其包括一框架，該框架具有一包含一光透射部之單一開口；複數個線性微光柵元件，其等延伸橫跨該光透射部且彼此平行，各個微光柵元件包括：一平葉片，該平葉片沿一長度方向延伸橫跨該光透射部；及第一及第二扭力臂，該等扭力臂係連接至該框架，且沿該長度方向從該葉片之各側向外延伸；一控制電路，用於產生施加至該等線性微光柵元件之各者之一經分別控制且獨立的電壓；一控制器，用於設定施加至該等線性微光柵元件之各者的各自電壓；及一儲存元件，用於儲存該等線性微光柵元件之設定，其中經施加至該等線性微光柵元件之各者之該獨立的電壓可被設定為各種不同的數值，使得該等線性微光柵元件之各者可根據其接收到的該獨立的電壓而以各種不同的角度傾斜。
8. 如請求項7之系統，其中該光透射部係一透明材料。
9. 如請求項7之系統，其中該光透射部係中空的。
10. 如請求項7之系統，進一步包括若干小透鏡以引導該等微光柵元件之間的光。
11. 如請求項7至10中任一項之系統，其中該控制電路包括：一第一閘，用於將該微光柵陣列切換為一第一狀態；一分壓器電路，用於提供多個電壓以將該等微光柵元件之該等葉片定位成各種角度；及一第二閘，用於將該微光柵陣列切換為一第二狀態。
12. 如請求項7之系統，其中該等線性微光柵元件係以各種不同的角度傾斜，在該光透射部的遠左側及遠右側的該等角度大於在該光透射部中間的該等角度。
13. 一種成像裝置，其包括：一成像感測器，其包括配置成列之一像素陣列；及一微光柵陣列，其定位於該像素陣列之上方，其中該微光柵陣列包括：一框架，其具有一包含一光透射部之單一開口；複數個線性微光柵元件，其等延伸橫跨該光透射部且彼此平行，各個微光柵元件包括：一平葉片，該平葉片沿一長度方向延伸橫跨該光透射部；及第一及第二扭力臂，該等扭力臂係連接至該框架，且沿該長度方向從該葉片之各側向外延伸；一控制電路，用於產生施加至該等線性微光柵元件 之各者之一經分別控制且獨立的電壓；及一控制器，用於設定施加至該等線性微光柵元件之各者之各別的電壓，其中經施加至該等線性微光柵元件之各者之該獨立的電壓可被設定為各種不同的數值，使得該等線性微光柵元件之各者可根據其接收到的該獨立的電壓而以各種不同的角度傾斜。
14. 如請求項13之成像裝置，其中該平葉片在一未致動位置中容許光透射穿過該光透射部，且在致動時阻擋光透射。
15. 如請求項13之成像裝置，進一步包括若干小透鏡以引導該等微光柵元件之間的光。
16. 如請求項13之成像裝置，進一步包括一透鏡以引導光至該微光柵陣列。
17. 如請求項13至16中任一項之成像裝置，其中該控制電路包括：一第一閘，用於將該微光柵陣列切換為一第一狀態；一分壓器電路，用於提供多個電壓以將該等微光柵元件之該等葉片定位成各種角度；及一第二閘，用於將該微光柵陣列切換為一第二狀態。
18. 如請求項13之成像裝置，其中該等線性微光柵元件係以各種不同的角度傾斜，在該光透射部的遠左側及遠右側的該等角度大於在該光透射部中間的該等角度。