專利名稱：直接觀察可變形鏡面裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像顯示系統(tǒng)，尤其涉及一種提供直接觀察圖像的可變形鏡面裝置。
基于空間光調(diào)制器(簡稱SLM)的實時顯示系統(tǒng)作為采用陰極射線管(簡稱CRT)的顯示系統(tǒng)的一種替換方式，其應(yīng)用正日趨廣泛。SLM系統(tǒng)提供高分辨率的顯示而無需大體積和功耗的CRT系統(tǒng)。
數(shù)字微鏡器件(簡稱為DMD)是SLM的一種，并可應(yīng)用于顯示器。DMD有一微機械像素元件陣列，每一微機械像素元件有一鏡面和記憶單元(memory cell)。每一像素元件可以逐個由電子數(shù)據(jù)尋址。根據(jù)其尋址信號的狀態(tài)，使每一鏡面發(fā)生傾斜，為的是將光或者反射、或者不反射到像平面上，也即使鏡面處于開啟(on)或者關(guān)閉(off)狀態(tài)。鏡面處于開啟狀態(tài)的每一視頻幀期間的那一部分時間決定了灰度梯度—從時間上為零的黑色至?xí)r間上為100％的白色。
現(xiàn)有的DMD顯示系統(tǒng)均為投射系統(tǒng)。來自開啟鏡面的光通過投射透鏡，在大屏幕上成像。來自關(guān)閉鏡面的光從投射透鏡反射出去并被攔截。色彩可以用兩種方式加入，即通過色盤(color wheel)或三—DMD結(jié)構(gòu)。
可以用半導(dǎo)體制造技術(shù)來制作DMD。對于含有記憶單元的靜態(tài)RAM以及尋址電極，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS加工工藝來制作DMD。然后，在存儲和尋址電路上制作一傾斜鏡面的“頂(roof)”。這一上層結(jié)構(gòu)足夠高到允許鏡面圍繞扭轉(zhuǎn)軸傾斜正10度和負(fù)10度左右。
用于觀察DMD所產(chǎn)生圖象的顯示光學(xué)對于投射觀察易于實施。例如，DMD可以與暗場投射光學(xué)系統(tǒng)耦合在一起。這里，明亮的光源朝向芯片，與其表面呈一角度。傾斜至某一開啟位置的鏡面通過一投射透鏡將入射光反射到屏幕上。傾斜至某一關(guān)閉位置的鏡面則把入射光反射掉以便跳過投射透鏡。
本發(fā)明的首要方面在于一種直接觀察顯示系統(tǒng)的面板，它提供從一數(shù)字微鏡器件(DMD)反射的圖像，該DMD具有傾斜至開啟或關(guān)閉位置的鏡面元件。面板上有許多根平行并緊密排列在一起的光纖。光纖的上端面和下端面分別位于面板的上表面和下表面上。這些端面與光纖的軸呈一由鏡面元件的開啟傾斜角所確定的角度。這一面板位于DMD表面上方隔開一定距離處，并允許周圍光線向下傳播給光纖，并被開啟的鏡面元件向上反射回來。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)越性在于可以無需大體積的光學(xué)系統(tǒng)來直接觀察DMD產(chǎn)生的圖像。這種直接觀察系統(tǒng)體積小，成本低廉，適用于頭戴、腕戴或其他小型顯示器。


圖1是直接觀察顯示系統(tǒng)的截面圖，該系統(tǒng)使用根據(jù)圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生圖像的DMD。
圖2是單個鏡面元件和直接觀察DMD的相關(guān)光纖的透視圖。
圖3是圖1所示顯示系統(tǒng)的截面圖，其中，鏡面元件處于接收并反射入射光的某一開啟位置。
圖4說明顯示系統(tǒng)的面板如何可由一束光纖加以制作。
圖5—7描述的是鏡面表面和面板光纖直經(jīng)的相對大小。
圖8描述的是帶有內(nèi)部光源的直接觀察顯示系統(tǒng)。
圖9說明一具有透明濾色鏡的面板。
圖1是直接觀察顯示系統(tǒng)10的橫截面，此系統(tǒng)采用一產(chǎn)生圖像的數(shù)字微鏡器件(DMD)10b，此圖像來源于圖像數(shù)據(jù)處理單元10c提供的數(shù)據(jù)。面板10a將周圍光線傳播到DMD的表面，并將圖像傳播回觀察者。
DMD 10b是鏡面元件11的陣列，鏡面元件11按照從圖像數(shù)據(jù)處理單元10c接收到的數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生傾斜。每一鏡面元件11有三個狀態(tài)。正如圖中虛線所示的那樣，其鏡面沿兩個方向中的一個方向傾斜，鏡面也可以處于一平面位置，當(dāng)DMD不用時，鏡面就處于這一位置。
面板10a附裝于DMD 10b上，并與DMD 10b的頂面隔開一定距離。DMD 10b的頂面和面板10a的底面之間的間距足以使DMD10b的鏡面元件11進(jìn)行傾斜動作。
面板10a是一組光纖12，它們相互平行，并這樣來安放其位置，使其端面分別位于面板10a的頂面和底面。這些端面與光纖12的軸呈一角度關(guān)系，每一角度大小相同。正如下文結(jié)合圖3所描述的那樣，這一角度是由每一鏡面元件11的開啟傾斜位置確定的。
光纖12相互系縛在一起，這可以用多種方法中的一種方法來完成。例如，光纖12可以用粘合劑或者用具有在其通孔中可插入光纖的模板來系縛在一起。一種制造一束光纖的普通方法是用一種用作粘接劑的玻璃熔結(jié)材料，將它們相互粘接在一起。
本說明書的實施例中，光纖12這樣來系縛俾使它們彼此互相直接緊貼在一起。在其他實施例中，光纖12可以略微分開一定距離，但在一般情況下，光纖12是緊密捆束在一起的。典型的情況如圖1所示，光纖12的長度相對于面板10a的區(qū)域是短的。
圖1中，鏡面元件11和光纖12之間有一個一一對應(yīng)關(guān)系。然而，在其他實施例中，共用一個光纖12的像素元件11可以大于1，或者是一個像素元件11具有的光纖12的數(shù)量可以大于1。在下面結(jié)合圖5—7的說明中，相對于鏡面元件11數(shù)量的光纖12的數(shù)量與顯示器10的分辨率有關(guān)。
圖像處理系統(tǒng)10c接收待在DMD 10b上顯示的模擬或數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。如果是模擬數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)10c將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式。系統(tǒng)所進(jìn)行的其他運行有去伽馬校(degamma correction)，色彩轉(zhuǎn)換和逐步掃描(progressive scanning)以及其他圖像處理任務(wù)。這些任務(wù)可以由邏輯電路、執(zhí)行存儲指令的處理器，或者兩種處理器的某種組合或混合來加以完成。處理系統(tǒng)10c包括一用一種“畢特一平面格式(bit—plane format)”緩沖記憶數(shù)據(jù)幀的顯示存儲器，其中，像素值的每一幀被傳送到DMD 10b，每次每一像素1畢特。有關(guān)與DMD 10b一起使用的典型圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10c的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可參見美國專利號第5,079,544，標(biāo)題為“標(biāo)準(zhǔn)獨立數(shù)字化視頻系統(tǒng)”；美國專利申請序號________________(Atty Dkt No.TI—17855)、標(biāo)題為“數(shù)字電視系統(tǒng)”；美國專利申請序號07/678,761、標(biāo)題為“用于脈寬調(diào)制顯示系統(tǒng)中的DMD結(jié)構(gòu)和計時”；美國專利申請序號07/809,816、標(biāo)題為“白光增色場序貫投影”以及美國專利申請序號________________(Atty Dkt No.TI—17671)、標(biāo)題為“DMD顯示系統(tǒng)”。這些專利以及專利申請已被轉(zhuǎn)讓給得克薩斯儀器股份有限公司，這里引述作為參考。
圖2是具有帶相關(guān)光纖12的單個鏡面元件11的透視圖。而圖1是描述每一鏡面元件11傾斜角的側(cè)視圖，圖2是正面視圖。圖2中，描述了鏡面元件11處于水平放置位置的情況，但它也可以如箭頭所示的那樣向上或者向下傾斜。
典型的鏡面元件11成正方形，每一邊長16微米。鏡面元件11之間的間隔可以近至1微米。一典型的DMD 10b可以有數(shù)千個鏡面元件11。因此，舉例來說，如果DMD 10a是一個1000×1000鏡面元件11的正方形陣列，面板10a的尺寸可以是17,000×17,000微米的數(shù)量級。
鏡面元件11的陣列用半導(dǎo)體制造技術(shù)制作在硅襯底21上。每一鏡面元件11與靜態(tài)RAM的存儲單元22之間在電學(xué)上是連通的。視實施的特定尋址方案而定，每一鏡面元件11可以有其自己的存儲單元22，或者幾個鏡面元件11可以共有一個存儲單元22。處于存儲單元22正上方的是一個尋址層，上面有兩個著陸電極(land-ing electrode)23和兩個尋址電極24。圖2中只能看到一個著陸電極；兩個電極23位于鏡面25的對角處。鏡面25位于電極23和24上方，用鉸鏈26支承，鉸鏈26裝在支柱27上。
為了制作DMD，在襯底21上用標(biāo)準(zhǔn)加工工藝制作一層靜態(tài)RAM單元22。通常，RAM單元22按照CMOS工藝方法制作。電極23和24可以用普通的金屬光刻加以制作。在下一個工藝階段，將大園片涂以聚合物隔離層。聚合物層上刻蝕有在其上制作支柱27的接觸點通孔。然后，沉積、光刻并腐蝕一薄的鋁層(用于鉸鏈26)和一更厚一點的鋁鏡面層(用于鏡面25)。等離子體腐蝕(plasmaetch)除去所遺留下的聚合物層，用裝在支柱27上的鉸鏈26將鏡面25懸吊于電極23和24之上。當(dāng)運轉(zhuǎn)時，根據(jù)存儲單元22中的數(shù)據(jù)，施加到尋址電極23和24上的靜電力引起鏡面25的傾斜。傾斜時，鏡面25的表面平坦，而鉸鏈26則扭曲轉(zhuǎn)動。
有關(guān)典型DMD的結(jié)構(gòu)、運行及制作的更進(jìn)一步細(xì)節(jié)參見美國專利號為4,956,619、標(biāo)題為“空間光調(diào)制器”的專利文獻(xiàn)，這里引述供參考。
圖3說明面板10a的光纖12如何以一由鏡面元件11開啟傾斜角所確定的角度加以傾斜。如果傾斜角是θ，則光纖12被傾斜的角度為90—θ度。這里該角度被稱為光纖12的“偏轉(zhuǎn)角”(Bias angle)。此偏轉(zhuǎn)角允許光線向下傳播給光纖12，并由處于開啟狀態(tài)的鏡面加以反射。傾斜至一關(guān)閉位置的鏡面將把光反射到光纖12的接收角以外。由關(guān)閉鏡面元件11反射的光在面板10a的背面被吸收。觀察者將看到，開啟的鏡面元件11為亮場，而并閉的鏡面元件11則為暗場。
圖4說明面板10a如何可借助分開一束光纖12′來加以制作。圖4已被大大簡化—那里光纖12和鏡面元件11之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，面板10a將由和鏡面元件11一樣多的光纖12′加以制作，且每一光纖12′的直徑將近似地與每一鏡面元件11的側(cè)邊尺寸相同。然而，正如下文所說明的那樣，光纖12的直徑即為所要求的分辨率問題。
將許多光纖12′捆扎成一束，并將束的一部分一根根分開。對于具有10度開啟傾斜位置鏡面元件11，這束光纖被一根根分開偏離軸向80度(90—10度)。對于具有其他角度的開啟傾斜位置的鏡面元件，光纖12′將以相應(yīng)角度一根根加以分開。
圖5—7說明光纖12的端面區(qū)域與鏡面11的表面區(qū)域之間的關(guān)系如何影響顯示器10的分辨率。圖5—7是頂面圖，代表當(dāng)光纖12向下對著鏡面元件11的表面所看到的情況。每一光纖12有一由其直徑D所確定的“接收區(qū)域”。
圖5中，如圖1—4一樣，光纖12的接收區(qū)域與鏡面元件11的表面區(qū)域“吻合(match)”，這意味著光纖12的直徑D近似與鏡面元件11的側(cè)邊線尺寸L相同。對于面板10a的這種實施例，如果如圖所示，每一光纖12位于其相應(yīng)鏡面元件11的中心，則得到最佳分辨率?？梢圆捎酶鞣N技術(shù)將面板10a附裝到DMD 10b上方以確保恰當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。
圖6中，每一鏡面元件11有四根光纖12。該實施例使確保面板10a對準(zhǔn)DMD 10b的需要減少。例如，如果四根光纖12相對于鏡面元件11的表面錯開一個或二個方向，鏡面元件11將可繼續(xù)接收并反射來自二根光纖12的所有光線。每一鏡面元件11的光纖數(shù)越大，光纖12與鏡面元件11之間的對準(zhǔn)的嚴(yán)格程度就越小。
圖7中，每一光纖12的接收區(qū)域大于鏡面元件11的表面區(qū)域。在這種類型的實施例中，顯示器10以相應(yīng)低的分辨率進(jìn)行運轉(zhuǎn)。例如，若將單根光纖12置于一組四個鏡面元件11之上，則那四個鏡面元件11的開啟和關(guān)閉位置將決定有多大一部分圖像被反射回到觀察者。然而，該實施例的優(yōu)點在于，可以控制一組四個鏡面元件11的每一鏡面元件11的開啟和關(guān)閉時間，從而給出光纖12的灰度值。
圖8描述如何可把光源81置于面板10a和DMD 10b之間空間的一側(cè)。這就允許顯示器10在周圍沒有光線經(jīng)光纖12傳送到DMD10b的表面時，能夠產(chǎn)生圖像?？刂茊卧?2使用戶能夠開啟或者關(guān)閉光源81，并提供任何可能需要的功率。如圖所示，光源81位于對應(yīng)于“開啟”傾斜位置方向上DMD一側(cè)的位置。如果光源81將光傳播到面板10a的底面，則光纖12的端面將把光散布到DMD 10b的反射表面。光源81可以是一個或多個發(fā)光二極管(LED)，或其他一些恰當(dāng)?shù)墓庠础?br> 對黑、白圖像，光源81可以是單個白色光源。對于灰度圖像，處理單元10c可以實施脈寬調(diào)制技術(shù)，以便在鏡面元件11處于開啟或關(guān)閉的每一幀周期內(nèi)的時間長度得以控制。
或者，如圖8所示，對于彩色圖像，光源81可以是一組三個光源，紅、綠和藍(lán)。每一鏡面元件11依次接收用于每一色彩的數(shù)據(jù)。不同色彩的光源，在和由鏡面元件正在接收的數(shù)據(jù)同步情況下依次被開啟和關(guān)閉。
圖9描述面板10a的另一個實施例以提供彩色圖像。在這一種實施例中，面板10a有一個覆蓋光纖12上端面的透明濾色片91。濾色片91具有用紅、綠、藍(lán)材料相互交替的狹條。入射光通過濾色片91時由這些狹條濾色，從而產(chǎn)生彩色圖像。另一種變通方法是，濾色片91可以覆蓋光纖12的底端面。同樣，濾色片91也可以不采用這種用不同顏色材料制成的狹條，而改用由紅、綠、藍(lán)三種色彩的材料形成的正方形或其他多邊形面積代替。理想的情況是，這些狹條或形狀在其他相對尺寸可能的情況下要小到足以為每一鏡面元件11提供一種顏色。
盡管上文結(jié)合特定實施例描述了本發(fā)明，但不能把這些描述理解為是對本發(fā)明的限定。已公開的實施例以及其他替換實施的各種改進(jìn)對于熟知該領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是很清楚的。因此，應(yīng)該把后文的權(quán)利要求書理解為覆蓋了落入本發(fā)明的發(fā)明范圍的所有改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于直接觀察顯示系統(tǒng)的面板，所述直接觀察顯示系統(tǒng)顯示由數(shù)字微鏡器件產(chǎn)生的圖像，所述數(shù)字微鏡器件具有傾斜至某一傾斜角度的鏡面，其特征在于，所述面板包含許多根光纖，所述光纖如此系縛在一起，使得相互間平行且緊密地排列；所述光纖長度大體相等，從而給出所述面板的一個平面；所述光纖的端面包含所述面板的上表面和下表面；以及所述光纖有一個相對于所述面板平面的偏轉(zhuǎn)角，它由所述鏡面元件的所述傾斜角所確定。
2.如權(quán)利要求1所述的面板，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)角近似為90度減去所述開啟傾斜角的值。
3.如權(quán)利要求1所述的面板，其特征在于，所述光纖有一個接收區(qū)域，所述接收區(qū)域的直徑近似與所述鏡面元件的側(cè)邊尺寸相同。
4.如權(quán)利要求1所述的面板，其特征在于，所述光纖的直徑小于所述鏡面元件的所述尺寸。
5.如權(quán)利要求1所述的面板，其特征在于，所述光纖的直徑大于所述鏡面元件的側(cè)邊尺寸。
6.如權(quán)利要求1所述的面板，其特征在于，它還包含一大體與所述光纖的所述端面平行的透明濾色片，所述濾色片具有由不同著色材料形成的區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的面板，其特征在于，所述區(qū)域為狹條。
8.如權(quán)利要求6所述的面板，其特征在于，所述區(qū)域為多邊形。
9.一種直接觀察由一簡稱為DMD的數(shù)字微鏡器件所產(chǎn)生圖像的方法，所述數(shù)字微鏡器件具有傾斜至某一開啟傾斜角的鏡面元件，其特征在于，所述方法包含下述步驟以一確定于所述開啟傾斜角的偏轉(zhuǎn)角形成許多根光纖的兩個端面；將所述光纖組合成一組，成為具有由所述端面限定的平面底表面和平面頂表面的面板；放置所述底表面，使之平行并貼近所述DMD的反射表面；以及在所述頂表面處觀察由所述DMD產(chǎn)生的圖像。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，它還包含將由不同色彩區(qū)域材料制成的透明濾色片置于所述面板正上方或正下方的步驟。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，它還包含將所述光纖與所述鏡面元件對準(zhǔn)的步驟。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述組合步驟通過將許多根光纖組合在一起加以完成，所述光纖的根數(shù)近似與鏡面元件的個數(shù)相同。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述組合步驟通過將許多根光纖組合在一起加以完成，所述光纖的根數(shù)大于鏡面元件的個數(shù)。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述組合步驟是通過許多根光纖組合在一起加以完成，所述光纖的根數(shù)小于鏡面元件的個數(shù)。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，它還包含沿所述偏轉(zhuǎn)角的方向、在所述面板的邊緣處的所述面板與所述DMD之間放置一光源的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述光源是一組不同顏色的光源，并且所述方法還包含按照正在被傳遞至所述DMD的數(shù)據(jù)依次點燃所述光源的步驟。
17.一種直接觀察顯示系統(tǒng)，其特征在于，它包含通過傾斜一個鏡面陣列至開啟或關(guān)閉傾斜角而產(chǎn)生圖像的數(shù)字微鏡器件；一種用來產(chǎn)生代表所述圖像的圖像數(shù)據(jù)、并把所述數(shù)據(jù)傳遞到所述數(shù)字微鏡器件的圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；以及一種具有許多根光纖的面板，所述光纖如此系縛在一起，俾使光纖之間彼此相互平行并且緊密排列，所述光纖長度相等，以使提供所述面板的平面形狀，且其中所述光纖的端面含有所述面板的一個上表面和一個下表面，所述光纖有一相對于所述面板平面的偏轉(zhuǎn)角，所述偏轉(zhuǎn)角由所述鏡面元件的所述傾斜角加以確定。
18.如權(quán)利要求17所述的直接觀察顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述面板有一近似為90度減去所述傾斜角度值的偏轉(zhuǎn)角。
19.如權(quán)利要求17所述的直接觀察顯示系統(tǒng)，其特征在于，在相應(yīng)于所述偏轉(zhuǎn)角的方向上、所述DMD一側(cè)的所述面板和所述DMD之間還包含一個光源。
20.如權(quán)利要求15所述的直接觀察顯示系統(tǒng)，其特征在于，在所述面板的上表面或下表面處還包含一透明濾色片，所述濾色片具有由不同顏色材料形成的區(qū)域。
全文摘要
一種用于直接觀察由數(shù)字微鏡器件(10b)所產(chǎn)生圖像的面板(10a)，數(shù)字微鏡器件(10b)通過傾斜微小鏡面元件(11)至開啟或閉合位置而產(chǎn)生圖像。面板(10a)有許多根相互平行且緊密排列在一起的光纖(12)。光纖(12)的端面為面板(10a)的頂表面和底表面。每一光纖(12)的兩個端面一根根以一個由鏡面元件(11)的開啟位置所確定的角度加以分開。這就僅由那些處于開啟狀態(tài)的鏡面元件，能夠使光向下傳播給光纖(12)，并反射回到觀察者。
文檔編號G02B26/08GK1139215SQ94117830
公開日1997年1月1日 申請日期1994年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月1日
發(fā)明者杰弗里·B·桑普塞爾 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司