CN1126923A - 提高横向分辨率的数字微镜器件结构 - Google Patents

Abstract

一种用来提高显示器的有效横向分辨率的方法和器件。本发明的一种实施例借助把交错排列的行列成阵列的方式形成一数字微镜元件的基本阵列。按照本发明的第二种实施例，一顺序像素阵列(57)通过把SLM元件(59，61，63和65)组合成像素块(58)的方式被转换成一基本的像素阵列。协调一致地控制像素块中的所有元件，俾使该像素块就像是单个像素在起作用。对像素块行(67、69)进行偏置以提供像素基本阵列的效果而不会伴随有时和基本像素阵列相关的效率降低。

Description

提高横向分辨率的数字微镜器件结构

本申请涉及1990年9月11日公布的美国专利4,956,619和1991年10月29日公布的美国专利5,061,049。

本发明涉及投影显示系统领域，尤其是数字空间光调制器投影显示系统。

空间光调制器(简称SLM)可以用于产生图像的投影显示系统。显示系统性能量度的首要问题之一是分辨率。分辨率是沿纵向和横向以每吋的线数来测量的。由于电视和其他视频信号的信号格式，纵向分辨率等于视频信号源传送的线数。横向分辨率的测量带有更多的主观性。如果视频信号为显示而被数字化，则横向分辨率由能够在视频图像的每一线上被显示的数字化视频取样数决定。

横向分辨率的技术要求更由于有效或有用分辨率问题而复杂化。当图像采用显示系统的最大横向分辨率加以显示时，会产生视觉干扰效应。如果一带有需要最大横向显示分辨率的纵向条纹沿水平方向移动，并改变与像素的对准关系，则显示的图像将出现变化十分迅速。这起因于视频信号和视频取样之间的相位移动。

例如，如图1和图2所示，如果三角波视频信号代表显示器横向分辨率能力下的一纵向黑白条纹图象，并在x轴上，以标记所表示的点处对这一图像取样，则如图2所示，所显示图像的每一行将由交替分布的黑白像素组成。如果如图3所示，输入视频信号的相位发生变化，这表示图像横向移动了半个像素，则如图4所示，产生的图像将是一整行灰色像素。这一图像继续移动时，观察者看到的将不是一正在移动的条纹场，而是一在高反差条纹和灰色之间交替变化的荧光屏。为消除这一问题，可以对视频信号进行过滤以去掉高频组分。通常将滤波器设计成让具有横向分辨率高达显示屏分辨率最大容量的百分之七十的信号通过。该方法虽使与显示具有高横向分辨率图像的有关问题得以消除，但它借助消除高横向分辨率信号组分来进行，因而降低了图像的分辨率。

本发明目的在于提供一有效力的SLM阵列结构，它在不降低调制器效率的情况下，提高显示器的有效分辨率。本发明的一种实施例，交错排到SLM阵列的行，以形成一基本的阵列。本发明的另一实施例组合来自顺序阵列的SLM元件以形成基本格式中的图像元素。组合可以或者用具体联接SLM元件的控制信号，或者通过用于每一元件的独立控制装置，对SLM元件协调地一齐进行运算来加以实现。顺序像素的基本组合避免了采用基本阵列时，与某些SLM技术一起产生的效率问题。

本发明进一步的优越性在于考虑到像素寻址中的冗余度。本发明的另一优点在于考虑到提高显示器的亮度。

图1是描述三角波视频信号的波形图；

图2是显示交替亮暗条纹的图像元素顺序阵列平面图；

图3是描述三角波视频信号的波形图；

图4是显示一灰色场的图像元素顺序阵列平面图；

图5是描述一三角波视频信号的波形图；

图6是显示亮暗元素行与灰色元素行交替排列的图像元素基本阵列平面图；

图7是描述一三角波视频信号的波形图；

图8是显示灰色元素行与亮暗元素行交替排列在一起的图像元素的基本阵列平面图；

图9显示的竖条是使用像素顺序阵列的第一相位；

图10显示的竖条是使用像素顺序阵列的第二相位；

图11显示的竖条是使用像素基本阵列的第一相位；

图12显示的竖条是使用像素基本阵列的第二相位；

图13是隐藏有铰链扭力梁数字微镜器件的基本阵列部分平面图；

图14是数字微镜器件的顺序阵列平面图；

图15是卸下微镜和铰链，以显露埋藏电极的数字微镜器件的顺序阵列平面图；

图16是数字微镜器件的基本阵列或交错排列阵列的平面图；

图17是具有交错排列而组合在一起的数字微镜器件顺序阵列平面图；

图18是一个冗余寻址方案的示意图；

图19是基于DMD的电视显示系统的一种实施例方框图。

图2示出以顺序格式排列的、含有正方形像素的区域阵列20。顺序格式的意思是将像素行直接排列在相邻行下面。这就使像素22直接位于像素24之下和像素26之上。图6描述以交错排列格式排列的、含有正方形像素的区域阵列28。交错排到格式使像素30位于上一行的像素32和34之间，而在下一行的像素36和38之间。基本和块状格式是交错排列格式的另一种形式。可将基本阵列用于显示高分辨率信号，而无顺序阵列所产生的某些伪像(artifact)。

图5和图6描绘的是图1和图2的高分辨率条纹的例子，这一例中采用的是交错排列的像素。图6的奇数行显示图5的x轴上面由标记所示时间处取样的的数据。这就使所有奇数行由交替排列的黑白像素构成。所有偶数行显示图5的x轴下面由标记所示时间处取样的数据。这就使所有偶数行显示灰色。眼睛在一灰色背景上将这些显示的条纹汇集在一起，并观察到降低了动态范围的条纹。如图7和图8所示，当图像排列发生平移时，交替排列的灰色行将随条纹行开始显示灰色而开始显示条纹，观察者将再次看到这一象是在灰色背景上的条纹。当图像跨越显示屏面移动时，观察者仅在降低了的动态范围内看到所想看的图像。

尽管交替排列的像素能使高分辨率图像得以显示，而在对信号进行滤波时不会出现横向分辨率的损失，但交替排列的像素会减低显示屏的纵向分辨率。由于横向分辨率通常比纵向分辨率更重要，所以用纵向分辨率来换取横向分辨率是通常所希望的。牺牲多少纵向分辨率取决于取样以及所实施的图像处理规则。

图9、10、11和12示出，当显示具有较强纵向图案的图像时所产生的伪像。每一图像中的竖条在从上到下的行进过程中逐渐变细并靠近在一起。由于竖条被压缩，显示竖条所需要的横向分辨率将逐渐变得越来越高。图9和图10中，竖条用顺序像素阵列加以显示。图10示出同相移动的图9图像。这一相位移动与图2和图4之间的相位移动类似。图11和12示出与图9和10相同的图像移动和相位移动，只是图11和12采用显示像素的基本阵列。从图9至12可以看出，当显示具有高横向分辨率的图像时，基本阵列确使所产生的某些伪像得以减少。

目前在制作数字微镜器件(DMD)中至少采用四种结构。这四种结构包括扭力梁、悬臂梁、弯曲梁以及隐藏铰链扭力梁。隐藏铰链扭力梁DMD在1992年1月28日公布的第5,083,857号美国专利：多臂可变形镜面装置(Mulfi-level Deformable Mirror Device)中有详细的描述，此处引述供参考。

图14示出按此发明公开的实施例中一隐藏铰链扭力梁DMD的基本阵列。

交错排列像素并不对所有类型的空间光调制器都工作良好。例如，采用扭力梁DMD的显示器由于支承镜面所需要的机械结构而使采用交错排列像素的效率较低。在本发明的一种实施例中采用此扭力梁DMD。可以采用任意一种空间光调制器，但是为了便于讨论，我们将注意力放在扭力梁DMD上。图14示出一部分扭力梁DMD阵列40的平面图。每一扭力梁DMD元件由镜面42组成，镜面42由二扭力铰链44和46支托在气隙上。铰链被锚接在一支承结构上。本例中，支承结构是一金属化通孔支座阵列48。除了阵列边缘的周围，每一支座48为来自两个DMD元件的扭力铰链所共有。

图15是图14所示扭力梁DMD阵列的一部分，其中铰链和镜面已从每一元件卸下，以便显露下面埋藏的电极。将地址电极对50和52制作在靠进铰链轴中心的每一镜面底下。一对地址电极是44和46。将偏置总线图案也蚀刻在DMD镜面底下的金属层上。偏置总线与镜面电学连接，用来在DMD工作期间向所有镜面或者一组镜面提供偏置电压。对偏置总线也光刻限定有两着陆点(landingsite)54和56。

将显示数据写入到与地址电极相连的存储单元内。视显示数据而定，存储单元施加电压到地址电极之一。该电压产生吸引悬吊于地址电极上方镜面的静电力。也可把偏置电压施加到镜面上来增加吸引力。地址电极和镜面之间的吸引力使镜面42围绕铰链轴发生旋转。如果吸引力足够大，则镜面将一直旋转到其顶尖触及至着陆点54和56之一为止。在光学系统中，将DMD设计成像一个像素区域阵列，处于开启(ON)状态的像素旋转至铰链轴的一侧，而处于关闭(OFF)状态的像素旋转到相对的方向上。这样一类器件的细节详见美国专利第4,956,619号、标题为“空间光调制器”以及美国专利第5,061,049号、标题为“空间光调制器及方法”的专利文献，这两个专利均已被转让至德克萨斯仪器股份有限公司，此处引述供参考。

图16示出具有如图6和图8所示交错排列像素的扭力梁DMD像素区域阵列的平面图。当像素的交替行发生移动以形成基本阵列时，相邻像素便不再能共有相同的支座。需要增加额外的支座，结果导致镜面可用面积的减小。不仅可用镜面面积减小，而且增加的支座会反射光线，引起所产生画面的反差减小。实际上，镜面面积减小大约百分之二十，并直接影响到显示系统效率的降低。

很明显，本发明首次着手解决上述由交错排列像素所引起效率降低的问题。在如图17所示本发明的一实施例中，区域阵列的两个尺寸线度的每一线度上，调制器元件的数量均加倍。将这些元件分组组合成如图17中虚线所示的子阵列或像素块58，60，62和64，每一子阵列或像素块由四个调制器元件构成。这里使用“像素块”这一名称是因为“像素”这一名称通常被定义为最小单个可控图像元素，并且，尽管像素块中的每一调制器元件是整体协调一致动作的，但是本发明的各个实施例却具有分开控制像素块中各个调制器元件的能力。像素块成行排列，一行像素块位于上下相邻两行像素块的中间。其净效果是产生交错排列的像素，而无上述的效率降低。

尽管本发明的上述实施例对于每一像素使用的是调制器元件的2×2阵列，但本发明的各个实施例可以采用不同的调制器元件数和排列结构。例如，每一像素可以含有调制器元件的1×2，2×3，3×2，3×3或其他尺寸的阵列。其可能尺寸仅仅限于调制器的实际尺寸限制。

本发明可藉以下两者之一加以实施，即或者通过连接每一调制器元件至同一控制信号以便某一组中的每一元件被立即写入和接收公共数据，或者通过将公共数据逐个写入到每一元件中去。

由于调制器阵列中的元件数量增加，所以阵列的设计者可以采用更小的元件来使阵列保持相同尺寸，或者使用相同尺寸的元件而使阵列尺寸增加。每一调制器技术都有影响元件和阵列尺寸的折衷办法。对于数字微镜器件来说，镜面的尺寸和气隙的厚度决定镜面工作中的角度偏转大小。镜面的尺寸也受制于需从气隙上腐蚀去掉光刻胶。这些因素限制了每一镜面的最大尺寸。最小镜面尺寸受制于需在镜面下构筑寻址电极和着陆电极。

随较大阵列尺寸一起获得的额外优点是使图象亮度增加。由于和数字微镜器件的元件相关的尺寸通常均较小，以及典型视频信号的有限分辨率，所以DMD阵列通常都相当小。因为将一个以上的调制器元件组合成像素块使每一像素的尺寸增大，所以DMD的尺寸也增大。这一尺寸的增大允许采用更有效的光学系统，并导致更加明亮的图像显示。

本发明的另一优点是能够无需增大元件尺寸而构筑备有寻址电路。如果将像素块中的调制器元件从电学上加以连通，则每一像素块仅需要构筑一个寻址电路。实际上，通常对每一像素块均有足够的空间来构筑第二寻址电路。第二寻址电路形成一在芯片测试期间若主寻址电路中存在差错时可供选择的备份。

备用寻址方案的一种实施例示意图见图18。如图18所示，像素块中的所有四个DMD元件59、61、63和65均被电学相连。两个存储单元74和76中的任何一个可被多路交换器(multiplexer)78所选中，并用来对四个DMD元件进行偏置。如果某一缺陷使存储单元74失效，则多路交换器78可以选择存储单元76。一取代多路交换器78的方法是仅使存储单元两者的输出和DMD元件相连，而在器件测试期间熔融烧断开输出端之一。某些缺陷会引起故障，阻挠图18所示备用寻址电路的使用。为克服这样一类故障，可以采用其他诸如集成电路存储器制造一类技术领域中所熟知的许多方案。这样一种方案包括采用傍路晶体管(Pass transistor)来隔离失效的晶体管。这样一些方案通常需要在器件的复杂性，伴随其故障几率的增加，以及能够经受住故障之间进行折衷选择。

交错排列像素的一典型应用是如图19所示的电视显示系统。图19中，合成视频信号是输入开启信号80。译码器82对合成视频信号进行下转换，使之能够由模数转换器(A/D)84进行取样和数字化。将数字化视频视号输入到视频处理器86，在那里进行诸如逐行扫描转换之类的数据运算。时序控制器88与A/D转换器84和视频处理器86的运行同步。DMD格式化装置(formatter)90对数据重新格式化，使数据能与DMD所要求的输入格式兼容，而帧存储器92则将这些重新格式化的数据储存起来，直到DMD94准备就绪进行显示为止。来自光源96的光由光源光学系统98聚焦到DMD94上。光从DMD94的反射面上反射出去，并被投射光学系统100聚焦到观察生成图像的显示屏102上。

根据视频处理器86所起的作用而定，不论所选择的显示格式如何，输入视频信号源可以具有多种图像格式中的任何一种。例如，输入视频数据可以具有60Hz的帧速率，每一帧由640个像素的240线所组成。每一替换帧可以仅由偶数或奇数线信息组成。视频处理器会将这一图像数据转换成具有60Hz帧速率的数据流，每一帧由640个像素的480线组成，其中，每一帧具有奇数行和偶数行两者的信息。有几种规则可适用于进行必要的图像转换。应指出的是，如果输出图像使用交替排列的像素，则或者必须由时序控制器88对交替行的取样进行变更，或者视频信号必须在处理远算视频数据的同时，对像素的交错排列行进行补偿。

这样，尽管至此描述了通过交错排列像素来提高横向分辨率的方法和结构的一种特定实施例，但是除了后文的权利要求以外，这并不意味着把这样一些特定的论述看作是对本发明范围的限制。另外，在结合某些特定实施例对本发明进行了描述以后，应该理解，熟知本领域的技术人员可以对本发明的实施例提出进一步的改进建议，而这些改进意味着均包括在后文权利要求的范围以内。

Claims (20)

1.一种控制空间光调制器的方法，其特征在于，它包含：

a.将空间光调制器的阵列元件组合成子阵列；

b.将所述子阵列沿横行如此排列起来，俾使所述子阵列水平地位于紧挨在所述行之上或之下的两相邻子阵列之间；

c.为此控制所述子阵列中每一所述调制器元件，俾使所述调制器元件协调一致地运行。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可以逐个地对所述空间光调制器元件进行寻址。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述空间光调制器元件作为子阵列加以寻址。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子阵列有一主要为正方形的倍数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子阵列由以2×2矩阵形式排列的四个调制器元件组成。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器是数字微镜器件。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器是扭力梁数字微镜器件。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述寻址电路是冗余的。

9.一种空间光调制器，其特征在于，它包含：

a.一空间光调制器的元件阵列；

b.一用以控制所述元件的控制电路，所述控制电路使所述元件的子阵列协调一到地运行，所述子阵列排列成交错排列的横行，其中，每一子阵列水平地位于相邻行中的两相邻子阵列之间。

10.如权利要求9所述的调制器，其特征在于，所述子阵列具有主要为正方形的倍数。

11.如权利要求9所述的调制器，其特征在于，所述子阵列由以2×2矩阵形式排列而成的四个调制器元件组成。

12.如权利要求9所述的调制器，其特征在于，所述元件是数字微镜器件。

13.如权利要求9所述的调制器，其特征在于，所述元件是扭力梁数字微镜器件。

14.如权利要求9所述的调制器，其特征在于，为每一子阵列制作两个或两个以上个所述控制电路。

15.一种数字微镜器件，其特征在于，它包含：一数字微镜元件阵列，每一所述元件含有一悬吊于至少一个地址电极之上的可偏转镜面，其中，当把电压偏置信号施加到所述至少一个地址电极上时，所述可偏转镜面朝向所述至少一个地址电极发生偏转；

所述阵列含有至少三个由所述数字微镜元件组成的交错排列横行，其中，每一所述数字微镜元件水平地位于相邻行中的两相邻数字微镜元件之间。

16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述数字微镜元件是扭力梁数字微镜元件。

17.一种视频显示系统，其特征在于，它包含：

一用以产生光束的光源；

一用以对输入合成视频信号进行下转换并输出模拟基带视频信号的译码器；

一用以对所述模拟基带视频信号进行取样并输出所述模拟基带视频信号的数字表述的模数字转换器；

一用以接收所述数字表述并输出数字显示数据的视频格式化装置；

接收所述数字显示数据和所述光束、并视所述数字显示数据而定用来产生含有光束的图像的数字微镜器件，其中，所述数字微镜器件包含至少具有三行数字微镜元件的阵列，且每一所述数字微镜元件水平地位于相邻行中的两个相邻数字微镜元件之间。

18.如权利要求1 7所述的显示系统，其特征在于，所述视频格式化装置含有一视频处理器和一DMD格式化装置，所述视频处理器接收所述模拟基带视频信号的所述数字表述，并输出一变更过的数字视频信号，所述DMD格式化装置用来接收所述变更过的数字视频信号，并输出所述数字显示数据。

19.如权利要求17所述的显示系统，其特征在于，它还包含在由所述数字微镜器件显示所述数字显示数据之前，用来存储来自所述视频格式化装置的所述数字显示数据的帧存储器。

20.如权利要求17所述的显示系统，其特征在于，所述数字微镜器件是一个扭力梁数字微镜器件。

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