用於空間光調製器的象素控制電路的製作方法
2023-07-15 21:17:41
專利名稱：用於空間光調製器的象素控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及空間光調製器，尤其涉及那些被稱之為可變形鏡器件的調製器，更具體地涉及用於控制各象素單元的通斷狀態的電路。
空間光調製器(SLM)由一個可電子尋址的象素單元陣列和相關控制電路組成。典型用途是用於圖象顯示，其中，來自各象素的光被放大並通過一光學系統投射到顯示屏上。調製方式取決於調製器如何與光學系統組合。
SLM的常用形式為可變形鏡器件，其中，各象素單元均為一個能夠相應於電輸入獨立運動的細小的微機械鏡。入射光可按方向、相位或幅度進行調製，以便由各象素反射。
對於許多應用而言，SLM是雙態制的，即，各象素單元均可具有兩種狀態中的任一種。單元可以是關斷的，這意味著它不傳輸光，或是開通的，這意味著它以最大強度傳輸光。為實現光的中間態的視覺，有幾種脈寬調製技術可以採用。這些技術描述於序號為No.07/678，761、名稱為「用於脈寬調製顯示系統的DMD構造和計時」的在審美國專利申請中，該申請與本申請委託了相同代理人。
一般情況下，在每幀期間，通過將每一象素開通或關斷一個與二進位數相應的時間段，脈寬調製產生一個累積亮度。脈寬調製使用各種向SLM加載的方式，例如「比特-幀」加載法，其中，在一個時刻向整幀的每個象素加載一比特。每個象素單元具有一個存儲單元。存儲單元的整個陣列按每單元一比特加載，隨後將所有象素單元設定為與數據的該比特-幀相應。在目前的比特-幀顯示期間，用於下一比特-幀的數據被載入。因此，例如對於8比特象素亮度量化方式而言，SLM每幀內要加載8次，在一個時刻對應每幀的一個象素。在這種方法中，對於n-比特亮度量化而言，最高比特顯示幀周期的1/2，次高比特顯示1/4幀周期，等等，最低比特(LSB)的顯示時間為1/2n幀周期。
現有的象素加載技術存在的問題是，對於每一象素單元，這些技術要求至少一個存儲單元。隨著每幀內象素量的增加，SLM器件的存儲要求導致成本增加和生產率降低。所需要的是減少了用於控制象素單元的電路的SLM。
對於每一象素單元使用一存儲單元的加載方式，還將一個象素可被設定的最小時間限制於將比特-幀加載於存儲陣列所需的時間。當採用脈寬調製時，對應於LSB的顯示時間是最短顯示時間。在此LSB時間內，用於下一幀的數據必須被載入。當要求「峰值」數據率時，這便是時間周期。為滿足此峰值數據率，一確定的峰尖計數(Pincount)和相應的數據頻率必須是可以獲取的。高的峰值數據率會轉換成高的峰尖計數和/或高頻率，這會增加器件和/或系統的成本。所需要的是降低了峰值數據率的SLM。
本發明的第一方面是一種具有獨立控制的象素單元的空間光調製器(SLM)，每個象素單元可根據傳送至該象素單元的數據信號的量值被設定和轉換至兩種狀態的任一種狀態。此SLM具有一個象素單元陣列，每一單元具有兩個可能的狀態，這種狀態取決於從相關存儲單元傳送至該單元的數據信號的量值。此SLM還具有多個存儲單元，每個存儲單元可與一組象素單元進行數據傳送。每個存儲單元存儲表示其(象素單元)組中的一個象素單元的通或斷狀態的數據量值。並將表示此數據量值的一個信號傳送至其組中的象素單元。多根復位線如此連接至象素單元，即，一根不同的復位線與一組中的每一個象素單元連通。因此，復位線可用於在一個時刻僅僅使一組中的一個象素單元復位。
本發明的技術優越性在於，單個存儲單元控制一組象素單元。這使對應於每個象素的電路減小，其效果是降低了器件成本並提高了生產率。另外，發生加載時所必須具有的峰值數據率降低了，因為對於任一復位而言僅有較少的存儲單元加載。這具有減少峰尖計數和/或降低數據頻率要求的效果，並具有進一步降低器件和/或系統成本的效果。
圖1是一個SLM陣列的一部分的方框圖，它具有帶對應於四個象素單元的輸出端的存儲單元。
圖2示出一個具有對應於四個象素的輸出端的存儲單元。
圖3示出SLM的鏡元件的雙穩工作狀態。
圖4和5示出，對於具有導電的鏡和鉸接件的扭鉸型象素單元陣列而言，如何容易地連接復位線。
圖6是用於將一幀數據加至一存儲單元陣列的數據序列的一個例子，每個存儲單元具有對應於四個象素單元的輸出端。
圖7-9示出為提供改進的防故障性能而增加的實施例。
圖1是SLM陣列10的一部分的方框圖，此陣列具有象素單元11，這些象素單元通過存儲單元12和復位線13控制。圖中只示出少量的帶有其相關控制電路的象素單元11;而一個典型的SLM陣列10要有幾千個這類的單元11。圖1主要用於顯示每個存儲單元12如何配合多個象素單元11。有關象素單元11、存儲單元12和復位線13之間的相互連接的其它細節在下面結合圖2-5闡述。
為便於描述。SLM是一個被稱為可變形鏡器件(DMD)的器件。DMD具有細小的微機械鏡元件的陣列，它可以被調製，以向觀視者提供各種強度的視感。DMD的一個例子是由Texasinstruments，Inc.製造的DMD器件。不過，本發明不限於採用DMD作為SLM10，可採用其它類型的具有可尋址象素單元和相似特性的SLM，所述特性也就是，根據數據信號和復位控制信號工作，如下所述。
象素單元11以雙穩態模式工作，這意味著存在兩個穩定的狀態。正如下面結合圖3所闡述的，象素單元的運動方向可通過給它們「加載」來控制，即，利用來自其存儲單元12的數據通過尋址電極「驅動」象素單元11。正如結合圖3所進一步解釋的那樣，象素單元11的狀態根據此驅動電壓，即通過由復位電極施加差動偏壓而改變。這裡使用的術語「復位信號」是指傳送至象素單元11而使它們改變狀態的信號。
象素單元11分成各由四個象素單元11組成的組，每組與一個存儲單元12相連。在與單個存儲單元12相關的一組中的象素單元的數量被稱作該存儲單元12的「輸出端數」。因此，在圖1中，每個存儲單元12具有對應四個象素的輸出端數。本發明也適用於其它輸出端數，這裡採用四輸出端僅是便於舉例。
每個存儲單元12可以是常用的SRAM(靜態隨機存取存儲器)單元。許多目前的SLM10的設計的一個優點是，它們可以容易地集成在下面的CMOS控制電路上。本說明書中採用存儲單元12，每個存儲單元具有單位存儲能力。不過，本發明的範圍還可包括存儲能力多於一位的存儲單元或具有附加邏輯電路的存儲單元。例如，每個存儲單元12可具有雙緩衝結構。
當象素電極11改變其狀態時，四根復位線13控制時間。一旦對應於連接至一特定復位線13的象素單元11的所有存儲單元12被加載，象素單元11的狀態便根據已載入的數據並同時根據此復位線13上的復位信號而改變。換言之，象素電極11在由其存儲單元12供給它們的數據改變時保持其電流狀態，並且直至接收到復位信號。
在與存儲單元12相關的四個象素單元的組中，每一象素單元11連至四根復位線13中的不同的一根。因此，在一組中的每個象素單元11可在與該組中的其它象素電極11不同的時間改變其狀態。
通常，與一個存儲單元12相關的每組象素單元11具有相同數量的象素單元，並且此數量與復位線13的數量相同。不過，可有(其它)例子，例如在象素單元陣列的邊緣，一個存儲單元12連至較少數量的象素單元。
圖2示出一個含四個象素單元11的組、其存儲單元12和復位線13、以及相關的互連線。每個象素單元11根據相連的復位線13來標記，即，象素單元11(A)連至復位線13(A)。正如所指出的，「1」或「0」值均可傳送至象素單元11。當存儲單元12轉換時，這些值中的任一個傳送至與此存儲單元12相連的所有象素單元。在每個象素單元11的復位線13上的一個信號決定該象素單元是否將改變狀態。
圖3是典型的DMD型SLM10的單個象素單元11的斷面示圖。此空間光調製是由反射鏡31實現的，此反射鏡可在兩個方向的任一個上傾斜。鏡31的兩個穩定狀態由虛線標示出。在其穩定位置，鏡31的一端向兩個著陸(landing)電極32中的一個移動。兩個尋址電極33連接至存儲單元12的輸出端，存儲單元12的輸出端包括此象素單元11。復位電壓通過復位電極34施加至導電鏡31。尋址電極33用於施加電位差，這樣，鏡31的一端被吸引到其下面的電極33，而另一端被排斥。電極34上的復位電壓決定鏡31是否將真正地轉向相應的著陸電極32。因此，鏡31通過其存儲單元12被「加載」，並通過復位線13復位。如果在一選定方向上傾斜，例如趨向顯示屏，此象素單元將「通」;否則它會傾斜而將光引向別處，比如引入陷阱(trap)。
圖4是象素單元11的一個陣列的一部分的頂視平面圖，象素單元11的復位線13通過扭鉸件(torsionhinges)41。正如圖1和2中虛線所標示的，每個象素單元11與一個具有對應於四個象素單元11的輸出端的存儲單元12相配合。在本實施例中，象素單元11具有導電鏡31和導電的扭鉸件41，因此復位可直接通過扭鉸件41施於鏡31，而不需專門的連接或絕緣。在圖4中，每個鏡31具有一對扭鉸件41，而象素單元11如此對準，以使扭鉸件41沿水平線布置，從而使對復位線13的連接容易地沿這些水平線形成。
圖5示出SLM10的另一種排列。如圖5所示，每個存儲單元12的輸出端是對應象素單元11的垂直分離組。不過，復位連接是沿對角線方向的復位線13。正如圖2和3中所示，每個象素單元11根據所連接的復位線13標記，即，象素單元11(A)連接至復位線13(A)。這種排列在SLM10中是有用的，在此如此使象素單元11對準是有益的，即，它們的扭鉸件41沿對角線布置。
對於脈寬調製而言，SLM10的工作與現有的脈寬調製技術在下列方面基本一致，即，n-比特量值表示-幀周期內各象素單元11的亮度。n-比特量值的每一比特表示一個時間，在此時間內象素單元11是通的或斷的。n-比特量值中的比特數在此稱作「比特深度」。
為便於在此舉例，假設每個象素單元11在一幀內按5比特的比特深度顯示光。因此，例如，對於單幀而言，與單個存儲單元12相關的一組中的四個象素單元11可能具有下列數據象素1ABCDE象素2FGHIJ象素3KLMNO象素4PQRST其中｛ABCDE｝表示一個5比特的二進位量值。每比特的量值為「1」或「0」，它們各表示象素單元11的兩種狀態中的一種狀態。
如果假設在LSB位置的「1」表示一個時間單元的「通」值，在MSB位置的「1」將表示16時間單元，以下的中間比特各需8，4和2時間單元。如果比特4為MSB，而比特0為LSB，那麼由每個比特的「1」值表示的時間為比特4(MSB)16時間單元比特38時間單元比特24時間單元比特12時間單元比特0(LSB)1時間單元因此，5-比特值越大，象素單元11在一幀內處於通狀態的時間越長，在此幀內相對於其它象素單元11就越亮。
有關脈寬調製技術的進一步的細節描述於序號為No.07/678，761的美國專利申請中，該申請已在本專利申請的背景技術部分引出，並在此作為參考。
這裡描述的脈寬調製技術利用了這樣的事實，即，與存儲單元12的轉換速度性能相比，一些通或斷時間是長的。本發明的一個根本前提條件是，單個存儲單元12可以配合多個象素單元11，如果其數據載入是按沒有一個以上的其象素單元11需要同時復位的原則排序的話。
通常，用於載入每幀數據的順序取決於輸出端數和比特深度。各種順序均是可能的，但順序應遵循的一個規則是，在一組中沒有兩個象素單元11可以同時要求加載。
除上段中的規則外，幾種「任選的」規則也可採用。若假設有m個象素單元的輸出，一種如此的規則是，在排序的開始，所有m個象素單元11在第一個m時間單元內加載。因此，每組中的每個象素單元11按最初時間段的連續順序加載。此規則使幀間具有良好的隔離，並在一幀的結束和下一幀的開始之間具有m時間單元的最大時滯。另外，在第一個m-1時間段載入的數據應不是LSB數據。最後，對於任一象素單元11而言，數據應在一幀的相同位置開始和結束。這是確切的，因為對於n比特的比特深度而言，用於承載數據的數據單元的數量是2n-1數據單元。
圖6示出一個數據排序的例子，此例子是用於具有四輸出端的一個存儲單元12，並採用全部上述規則。因此，這裡m＝4，並假設每一加載工序佔用一個時間單元，與一個存儲單元12相關的4個象素單元11用相同數據加載，但僅有一個象素單元11復位。與第一復位線13(A)相關的象素單元記為象素單元11(A)，等等。
圖6的加載順序以下列方式用於5-比特數據幀施載於象素11(A)，比特4，和復位13(A)施載於象素11(B)，比特3，和復位13(B)施載於象素11(C)，比特2，和復位13(D)跳過2LSB時間單元施載於象素11(C)，比特4，和復位13(C)跳過2LSB時間單元施載於象素11(B)，比特0，和復位13(B)施載於象素11(B)，比特1，和復位13(B)施載於象素11(D)，比特1，和復位13(D)施載於象素11(B)，比特4，和復位13(B)施載於象素11(D)，比特0，和復位13(D)施載於象素11(D)，比特2，和復位13(D)跳過1LSB時間單元施載於象素11(A)，比特0，和復位13(A)施載於象素11(A)，比特2，和復位13(A)施載於象素11(D)，比特4，和復位13(D)跳過2LSB時間單元施載於象素11(A)，比特3，和復位13(A)施載於象素11(C)，比特0，和復位13(C)施載於象素11(C)，比特1，和復位13(C)跳過1LSB時間單元施載於象素11(C)，比特3，和復位13(C)跳過2LSB時間單元施載於象素11(B)，比特2，和復位13(B)施載於象素11(A)，比特1，和復位13(A)跳過1LSB時間單元採用幀緩衝器(未示出)的緩衝可用於安排數據於正確的順序。一幀數據(此數據填充SLM10的陣列)被分成四個「分比特-幀」。對於第一分比特-幀而言，對於與存儲單元12相關的各組中的每個象素單元11(A)，比特4將是合適的定序，以便在一個時間單元內加載，這樣SLM10的1/4便承載了。隨後，對於每個象素單元11(B)而言，所有比特3將被定為第二分比特-幀，以便加載，等等。
數據排序的整體效果是，對於每一幀而言，象素單元11的整個陣列是按象素組復位的，而不是同時復位。因此，復位是以「分復位」圖形方式發生，即，那些連至單一復位線13的象素單元11同時轉換;
與現有的脈寬調製技術相同，顯示一個全n-比特幀要用2n-1 LSB時間單元。不過，每一加載步驟伴隨較少的存儲量增加，因而可在較少時間內完成。在此說明例中，對於每個復位信號，比特-幀的1/4被加載。換言之，每比特-幀要用四個復位信號。與現有脈寬調製技術不同，每比特-幀可顯示來自不同比特的數據。
作為本發明的加載技術的一個結果，峰值數據率降低了。另外，雖然每幀內加載次數增加，但較高值比特不再相對於所有象素單元11同時發生。因此，在這些較高值比特的顯示時間內不再等待。平均數據率和峰值數據率更為接近。
每個存儲單元12的最大輸出端數取決於比特深度。若比特深度為n，理論上的最大輸出端數(fanoutmax)可按下式計算
最大輸出端數＝ (2n-1)/(n)上述等式的分子表示每幀有2n-1時間段。分母表示每個輸出端需要n種狀態(event)。
對於各種比特深度和輸出端數;可利用電腦程式來確定合適的順序。以規則為基礎的程序將防止違反上述規則及其它可選規則，上述規則禁止在一組中一個以上的象素單元11同時要求復位。
本發明的改進方法將上述「分復位」程序與「阻透技術(blockclearing)」相組合。阻透技術已與現有的脈寬調製方法聯用，以避免在一個LSB時間單元內不得不對整體比特-幀加載的問題。對於阻透技術而言，比特-幀在LSB時間單元的全倍數中加載。在SLM10上設有一機構，以允許所有象素單元11快速成為「清楚的」，即，轉換至「斷」狀態。因此，那些「通」時間少於加載所需時間的比特-幀可被給出合適的權。在一幀內時間單元的總數超過最大亮度時間乘以為清楚化所用的時間單元數。因此，在部分加載過程中具有處於「斷」狀態的象素單元11的序列的後果是SLM10的光效的降低。阻透技術的總體概念描述於序號為No.07/678，761的美國專利申請中。
圖7示出圖1-5的SLM10的改進形式，尤其是關於各存儲單元12和與其輸出端相應的象素單元11的互連。為降低在任一象素單元11處出現故障造成的影響，在每一數據連線上包括一電阻元件，本例中為電阻器71。例如，在象素單元11的一個中出現的短路將不會導致該組中剩餘象素單元11失效。
如上所述，許多SLM10的特徵是，它們可容易地採用集成電路工藝製造。在這些類型的SLM10中，電阻器71可由多晶矽材料製造。另外，高電阻材料可用於電極接觸。再者，作為對附加電阻區域或元件的一種替換，象素單元電極，例如圖3中的電極33，可由具有高表面電阻的材料製成，例如氮化鈦或氮氧化鈦。
圖8示出SLM10的另一種防故障改進形式。用二極體81替代電阻器71，作為電阻元件來隔離在任一象素單元11處產生的故障。
圖9示出第三種防故障改進形式。保險絲91用於在有短路的象素單元11處「隔斷」。齊納二極體92或一些其它形式的擊穿型二極體提供高的對地電阻。
儘管已參照特定實施例對本發明進行了描述，但這種描述並不意味著局限於此。對於本領域的普通技術人員而言，所公開的實施例的各種修改以及變換的實施例將是清楚的。因此，應當理解，所附權利要求書覆蓋了屬於本發明的真正範圍內的所有改進。
權利要求
1.一種空間光調製器，包括一個象素單元陣列，每個象素單元可以根據從一相關存儲單元傳送至該象素單元的數據信號的量值獨立地設定或復位至兩種狀態中的任一狀態；多個存儲單元，每個可與所述陣列的一組象素單元進行數據傳送，以便存儲表示所述組的一象素單元的通或斷狀態的數據量值，並將表示所述數據量值的信號傳送至其組中的象素單元；以及多根復位線，它們如此連至所述象素單元，即，不同的復位線與一象素單元組中的每個象素單元相連。
2.根據權利要求1的空間光調製器，其中，每個象素單元組包括四個象素單元。
3.根據權利要求1的空間光調製器，其中，所述象素單元是微機械鏡元件。
4.根據權利要求1的空間光調製器，其中，所述象素單元具有導電鏡，所述復位線直接連至所述鏡。
5.根據權利要求1的空間光調製器，其中，所述象素單元具有導電的扭鉸件，所述復位線通過所述扭鉸件連接。
6.根據權利要求5的空間光調製器，其中，所述扭鉸件在水平方向排成行。
7.根據權利要求5的空間光調製器，其中，所述扭鉸件沿對角線排列。
8.根據權利要求1的空間光調製器，其中，每個所述象素元件具有一對用於傳送所述數據信號的尋址電極，並進一步包括一個電阻元件，此電阻元件位於一象素單元的尋址電極和與該象素元件相關的存儲單元之間，以便在一象素元件失效時隔離所述象素元件。
9.根據權利要求1的空間光調製器，其中，每個所述象素單元具有一對由高阻材料製成的尋址電極，以便在一象素單元失效時隔離所述象素單元。
10.根據權利要求8的空間光調製器，其中，所述空間光調製器是製備於所述存儲單元的集成電路陣列之上。
11.一種採用空間光調製器對多-比特幀數據幀進行脈寬調製的方法，所述調製器具有一個象素單元陣列，該方法包括下列步驟將每幀數據的顯示時間分成相等的時間單元;將每幀數據分成多個分比特-幀，每個分比特-幀包括對應於連至相關復位線的象素單元的數據;將表示所述數據的分比特-幀的數據傳送至所述存儲單元，其中每個存儲單元接收表示僅僅一個其象素單元的通或斷狀態的數據比特;通過採用各存儲單元將表示由該存儲單元接收的數據比特的數據信號施加至其相關象素單元，而對所述象素單元加載;通過採用復位信號改變連至所述復位線的所有象素單元的狀態，而使所述象素單元轉換狀態;對一數據幀內的數據的各分比特-幀重複上述傳送、加載和轉換步驟。
12.根據權利要求11的方法，其中，第一加載步驟與幀時間周期的起始同時發生。
13.根據權利要求11的方法，其中，連至每根復位線的象素單元在接收包含最低比特的分比特-幀之前接收至少一個包含較高比特值的分比特-幀。
14.根據權利要求11的方法，其中，所述分時步驟是這樣實現的，每個時間段表示對應於每個數據值的數據的最低比特的顯示時間。
15.根據權利要求11的方法，其中，所述加載步驟和所有重複的加載步驟是這樣實現的，一組中的每個象素單元在最初時間段的連續時序間加載。
16.根據權利要求11的方法，其中，所述加載步驟是這樣實現的，對應於各組中任一象素單元的數據在各幀的相同位置開始和結束。
全文摘要
一種空間光調製器(10)，它具有比現有器件減少的控制電路。多組象素單元(11)共用一個存儲單元(12)，因此每個存儲單元(12)具有與其它存儲單元(12)相同的輸出端數。一組中的各象素單元(11)通過復位線(13)轉換其通或斷狀態，這獨立於該組中其它象素單元的狀態。幀數據在一組時間周期內加載於分比特-幀，這樣每一分比特-幀僅包含對應於在一根復位線(13)上的象素單元(11)的數據。
文檔編號H04B10/10GK1095820SQ94101778
公開日1994年11月30日 申請日期1994年1月11日 優先權日1993年1月11日
發明者凱文·L·科恩赫, 詹姆斯·L·康納, 克勞德·E·託 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司