CN100381863C - 闪耀光栅数字微镜显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于闪耀光栅数字微镜的显示系统。包括照明部件、成像镜头部件、驱动部件，其特征在于微镜是闪耀光栅数字微镜、闪耀光栅数字微镜是由三个子像素构成一个像素单元；照明部件所发出的白色平行光线以一个确定的入射角射向闪耀光栅数字微镜，成像镜头部件置于闪耀光栅数字微镜产生衍射光线的一个确定位置上，闪耀光栅数字微镜驱动部件向闪耀光栅数字微镜提供驱动电压。本发明与传统的由滤色片实现的三基色显示系统相比，在相同子像素数的情况下，显示系统能提供更高的分辨率和更为明亮的色彩表现力。不仅光源利用率高，而且不会出现以场序方式照明所带来的弊端；不仅可应用于大画面的投影电视，而且适用于小画面微型投影显示和近眼显示；特别地，可以利用太阳光线作为照明光源，以产生色彩再现范围更为广泛的画面。

Description

闪耀光栅数字微镜显示系统

技术领域

本发明涉及微机电系统(Micro Electr-Mechanical System)MEMS中的微型显示器和投影显示器，具体地说是闪耀光栅数字微镜显示系统。

背景技术

从显示技术发明以来，基本上是沿着像素单元主动发光形成画面和像素单元被动发光形成画面这两条道路发展。

在像素单元主动发光方式中，最早出现了阴极射线CRT显示技术，随后又出现了等离子平板PDP显示技术、表面传导发射SED显示技术、碳纳米管场发射CNT显示技术、有机电致发光二极管OLED显示技术。

在像素单元被动发光形成画面的显示技术中，先后开发出了用控制光线透射程度来实现显示的液晶LCD显示技术、控制光线反射程度实现显示的硅基液晶LCOS显示技术、控制光线反射角度实现显示的数字微镜DMD显示技术、利用干涉原理实现显示的干涉调节IMOD显示技术、利用衍射原理实现显示的光栅光阀GLV显示技术。

在以上像素单元被动发光显示技术中，利用衍射原理来实现显示是最为回归自然的显示技术，在这类技术中，可以把自然的白色光线分解为三基色或更多的基色，每一个像素单元均可实现全彩色范围内的被动发光，因此，不需要滤色片来形成三基色，光源的利用效率最高，与其它显示技术相比，达到相同亮度和对比度时的功耗最小。然而，由于可见光线的波长尺度范围很小，典型值为400至700纳米，要实现单像素的全彩色显示，需要处于模拟工作方式下的致动器控制精度能达到纳米级的尺度水平，同时，还需要致动元件的温漂要小，需要具有不高于纳米级的温度漂移，遗憾的是，目前还没有找到既能实现纳米级的尺度控制精度、又具有极低温度漂移，同时还具有较高响应速度的致动元件，特别地，对于微机电系统MEMS而言，受尺度效应的影响，电磁力在尺度方面不利的减小是静电力的100倍，导致利用电磁力的微致动元件往往具有较大的空间尺寸，将电磁致动的元件作为像素单元的致动元件时，往往导致像素单元尺寸过大，填充率很低，难以形成有效的实用产品。

比如专利CN1045822C提出利用反射光或透射光产生单像素全彩色容量的衍射显示器，用双压电晶体、或压电薄膜、或电动线圈作为致动元件，通过控制致动元件的伸缩量来实现衍射光波长的调制，以达到单像素全彩色容量的显示目的；然而，由于专利所述的材料存在较大的温度漂移特性和驱动电压与伸缩量一致性较差的不足，要精确地控制材料的伸缩量实际上是极为困难的，要实现专利预期的目标，存在着极大的障碍。

再如专利CN1173196C公开的衍射式显示器提出由磁铁元件带动可转动光栅元件转动来实现单像素的全彩色容量的显示目的；则存在着像素单元尺寸过大，填充率极低的问题，难以达到理想的显示效果。

以上基于模拟工作方式，企图实现单像素全彩色容量显示的发明，实际上很难转变为广泛使用的商品。

基于衍射原理，工作于模拟方式的，以单像素全彩色容量为目标的显示技术在实施上受阻的同时，基于数字工作方式的，利用衍射原理实现显示的研究，随着光栅光阀GLV技术的出现，取得了初步的成功，SONY公司于2002年展出了GLV投影机。

光栅光阀(Grating Light Valve)GLV是美国硅光机器公司(Cilicon LightMachines)CLM开发的基于衍射原理实现显示的技术。GLV器件是长条形的，表面由一排微小的、并排排列的细条状氮化硅金属片组成条栅状。这些金属片，每6片组成一个像素，其中三条为动片，三条为定片，动片和定片交替排列，每条金属片表面镀铝，以反射入射光。在金属条动片与底部晶片之间加上电场时，金属栅条动片发生弯曲而产生下移，下移的金属条与不动的金属条之间产生高度差，由此形成衍射光栅，入射光线照射到光栅条后产生衍射光线，当下移距离为四分之一波长时，可以得到最强的衍射光强。GLV可以工作于模拟方式和数字方式，工作于模拟方式时，在动片上施加不同的电压，就可得到不同的下移距离从而产生不同亮度的衍射光强；工作于数字方式时，通过在动片上施加电压，就可以使动片下移四分之一波长的距离，得到最强的衍射光。受温漂、致动元件一致性等因素的影响，GLV多工作于数字方式。衍射光的灰度通过脉宽调制技术实现。GLV的光栅节距是固定的，固定波长的光线会产生固定的衍射角，在衍射光线经过的路径上设置成像(投影)镜头，就可在屏幕上得到影像。

GLV技术尽管是所有基于衍射原理来实现彩色显示技术中最为成功的技术之一，但GLV存在的问题仍然阻碍着GLV技术转化为广泛使用的商品，至今，基于GLV技术的显示器仍然没有成为被广大用户广泛使用的显示产品。

GLV技术中，光栅金属片与基底的距离非常微小，为133纳米，约为绿色光波长的四分之一，距离小的好处是驱动电压可以很低，响应速度快，缺点是制造过程中很容易出现黏结现象，导致良品率低下；其次，由于衍射光栅的形成是通过静电力拉下可动金属条来实现的，因此，当没有拉下时，要求可动金属条与不动金属条要在一个平面上，否则，只要有高差，就有光栅存在，入射光线就会产生衍射，结果是黑态时，并不是全黑，这样就会降低画面的对比度；还有，由于金属条的宽度和金属条之间的间隙是固定的，光栅的节距就是一个定值，当入射光线的波长固定时，衍射的角度就是固定的，要使衍射光线准确进入成像透镜，就需要入射光线的波长必须很准确，然而，现有的半导体R、G、B激光器还不能同时满足体积小、价格低廉、波长准确度很高的要求；再者，由于GLV光栅条需要一定的长度才能保证可动金属条下移有效的长度，因此，GLV的光栅条通常有较高的长宽比，这样，不仅导致细长的金属条易发生曲度变形，产生非预期的衍射光束，降低对比度，而且，还不利于构成光栅阵列，还需要一个扫描装置才能将线性条纹图案变成二维画面，这无形中增加了扫描器件的同步、精度等要求；特别地，当GLV的任何一条光栅出故障，导致的画面故障就是一行出错，这相对于面阵DMD中的一个点出错可以忍受而言，画面的一行出现错误是绝对不能继续使用的。

专利CN1658008A提出了一种构成悬臂梁式闪耀光栅光调制器及阵列的技术，它通过在基底和悬臂条之间施加电场，使悬臂条下垂，从而形成闪耀光栅，通过该光栅，能将光能量集中到预定的衍射级次上。

专利CN1645183A提出的技术方案类似于光栅光阀，不同的是在未施加电场时，衍射光栅的光强集中在零级衍射上，当施加电场时，衍射光的光强集中在一级衍射上，同时，该方案还减小了衍射光栅像素的长度和光栅之间的间隙，可实现面阵的衍射光栅光阀。

专利CN1158546C公开了一种平面光栅光阀，对GLV动片与定片不能有效保持在同一平面的情况进行了改进，通过在动片上施加偏压，以调整动片与定片之间的平整度，调整完毕后，在暗状态，动片与定片就可以在施加偏压的基础上维持平整度，从而有效地提高对比度。

专利CN1467562A提出的具有扫描保角光栅装置的高对比度显示系统通过在系统中设置阻挡元件，用于阻挡零级衍射光束；再设置交叉级滤光片来阻挡衍射交叉级光束，以达到提高对比度的目的。

以上技术，提出了改进GLV的方案，然而，基于衍射原理的显示技术至今未能得到大范围的普及。因此，仍然需要研究开发出一种技术上更为可行，经济上也能为广大用户接受的基于衍射原理的显示技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光栅衍射原理实现彩色显示的闪耀光栅数字微镜显示系统，该系统具有更高的分辨率和更为明亮的色彩表现力。

本发明的系统包括照明部件、成像镜头部件、闪耀光栅数字微镜(BLAZED GRATING DIGITAL MICROMIRROR DEVICE)BGDMD、(闪耀光栅数字微镜的)驱动部件；闪耀光栅数字微镜是由三个子像素构成一个像素单元，子像素包含一个顶部具有光栅结构的反射型光栅板；照明部件所发出的白色平行光线以一个确定的入射角(一般处于大于5°，小于90°或者是大于90°，小于175°的范围中)射向闪耀光栅数字微镜，成像镜头部件置于闪耀光栅数字微镜产生衍射光线的一个确定位置上(可以是5°至175°范围之中的一个位置)，驱动部件向闪耀光栅数字微镜提供驱动电压。

照明部件由白色照明灯、反射镜、汇聚透镜、准直透镜以及相关的支撑结构组成(现有技术)；白色照明灯可以是高压汞灯，也可以是普通白炽灯，对于微型显示器和微型投影仪而言，照明灯可以是白色LED阵列，也可以是经太阳光线采集板采集、导光纤维导入的太阳光线；

闪耀光栅数字微镜BGDMD是由平面阵列排列的，决定了显示器分辨率的像素微镜单元组成，三个闪耀光栅子像素分别对应各自的红、兰、白、黑电极、这些电极均为可寻址电极，可寻址电极位于闪耀光栅数字微镜BGDMD的硅基底基座顶面；

作为投影应用的成像镜头部件包含了投影镜头、滤光片，作为微型显示应用的成像镜头部件包含了成像物镜、成像目镜或成像屏；

闪耀光栅数字微镜BGDMD驱动部件由包含有数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列逻辑器件FPGA为核心的电子元器件组成。

本发明与传统的由滤色片实现的三基色显示系统相比，在相同子像素数的情况下，BGDMD显示系统能提供更高的分辨率和更为明亮的色彩表现力。三基色滤色片实现的传统显示系统中，显示三基色中的任何一个基色时，仅有其中一个基色处于亮状态，其余的两个基色都处于暗状态，这不仅降低了系统的显示分辨率，也降低了亮度，此外，由于滤色片的缘故，光损耗进一步加大，在BGDMD系统中，作为子像素的闪耀光栅条能停留于产生红、绿、兰、黑彩色的任意一个位置，因此，三个子像素可以同时显示RGB三基色中的任意一个基色以及黑色，这就有效地提高了显示画面的亮度，同时，由于不用滤色片，而直接从白色光源中分离出所需要的RGB基色，不仅不会产生因滤色片导致的光损耗，而且色彩再现范围更广，在CIE1931色度图上，BGDMD的色彩再现区域非常接近电影胶片的再现区域，比传统RGB滤色片显示器的再现区域广泛得多，当用导入的太阳光作为照明光源时，色彩再现效果尤其优越。

本发明与GLV技术相比较，GLV技术的最大1级衍射效率仅仅能够达到40.5％，BGDMD闪耀光栅的最大1级衍射效率可达到100％；GLV技术的典型光栅条长度为100um，但实际有效像素的长度仅为27.4um，BGDMD的像素有效长度与结构长度相等，典型值为20um，因而具有较高的填充率；由于BGDMD采用了闪耀光栅作为衍射光栅，特殊设计闪耀角，就能使光栅将光强的80％集中在所需要级次上，从而更进一步提高了入射光线的利用率；可动金属条与不动金属条已固定的GLV器件实现彩色显示时，或者以三个GLV器件分别照射R、G、B三基色的激光或单一波长的R、G、B光线来实现，或者采用单GLV器件以场序方式来实现，例如，采用色轮形成三基色，或者用RGB三色激光，或者用RGB三色LED光源分时照射GLV器件，采用分时照射方式时，由于在任意时刻只有一种基色照射在GLV器件上，不仅会降低光源的利用率，而且高速运动物体边缘会出现色散的不足，采用三片GLV器件的方式，又会增加成本和制造难度，BGDMD实现彩色显示仅仅需要白色照明光源即可，不仅光源利用率高，而且不会出现以场序方式照明所带来的弊端；GLV要形成画面必须增加扫描器件，BGDMD则没有此必要，不仅可应用于大画面的投影电视，而且适用于小画面微型投影显示和近眼显示；特别地，对于微型投影显示，BGDMD可以利用太阳光线作为照明光源，通过太阳光导入部件，将导入的阳光照射在闪耀光栅数字微镜上，可以产生色彩再现范围更为广泛的画面。

附图说明

图1是闪耀光栅数字微镜显示系统的系统组成示意图；

图2为闪耀光栅数字微镜一个像素单元的正视图；

图3为图2红光、兰光致动面H-H部位的剖视图；

图4为图2白光、黑光致动面F-F部位的剖视图；

图5为图2电极G-G部位的剖视图；

图6为闪耀光栅数字微镜一个像素单元的轴侧图；

图7是闪耀光栅数字微镜将产生的绿色衍射光线射入成像透镜部件的原理示意图；

图8是闪耀光栅数字微镜将产生的红色衍射光线射入成像透镜部件的原理示意图；

图9是闪耀光栅数字微镜将产生的兰色衍射光线射入成像透镜部件的原理示意图；

图10是闪耀光栅数字微镜产生黑色显示像素的原理示意图；

图11是闪耀光栅驱动时序图；

图12是基于微型近眼显示用途的成像部件原理示意图；

图13是基于微型投影用途的太阳光光源导入部件原理示意图。

具体实施方式

优选的闪耀光栅数字微镜显示系统实施例详细说明如下：

系统成像：参见图1，闪耀光栅数字微镜显示系统包括照明部件10、闪耀光栅数字微镜20、成像镜头部件30、闪耀光栅数字微镜驱动部件40。由光源11发射出的照明光线经反射镜12反射，会聚透镜13聚焦，准直透镜14准直，以44.8度的特定角度照射到闪耀光栅数字微镜20阵列上，闪耀光栅数字微镜驱动部件40根据图像信号对闪耀光栅数字微镜20每个像素中的子像素进行驱动；参见图7，闪耀光栅数字微镜20的子像素根据驱动指令分别在红光电极211、兰光电极212、白光电极213、黑光电极214上施加电场，在电场力的作用下，闪耀光栅公共阴极260可带动闪耀光栅板280分别偏转13.9°、-9.7°和16.9°，对应于各个偏转角度，在闪耀光栅数字微镜基底顶部平面的法线方向上分别可以得到衍射产生的波长为635nm的红光、波长为430nm的兰光和波长为700nm的不可见光线(黑色暗态)，成像镜头部件30的光轴线与闪耀光栅数字微镜硅基底顶部平面的法线平行，衍射产生的光线进入成像镜头形成画面图像，闪耀光栅板280不偏转时，进入成像镜头的衍射光线为波长为525nm的绿色光线；在投影应用中，参见图1，由闪耀光栅数字微镜20发出的经过调制的彩色衍射光线进入成像镜头34，在成像镜头34的焦平面处形成实像，在此焦平面处设置滤光片35，可以滤除交叉干扰的衍射光，增加画面的对比度，过滤后的画面实像经投影镜头36投影后在接收屏37上得到投影画面；在微型近眼显示应用中，参见图12，由闪耀光栅数字微镜20发出的经过调制的彩色衍射光线进入成像物镜311，形成实像318，成像目镜312将成像物镜311形成的实像318放大，即可得到人眼可以观察到的虚像画面319。

根据配色算法，利用脉宽调制方式确定每个像素各基色的停留时间，即可产生不同基色的不同亮度，以形成不同的色阶，三个子像素不同亮度、不同色阶的色彩组合在一起构成一个像素的特定色彩。

闪耀光栅数字微镜：闪耀光栅数字微镜的每一个像素单元由三个子像素组成，参见图6，每个子像素具有一个呈三层板状结构的公共阴极260，参见图7；

公共阴极260的第一层为红光、兰光致动板，参见图2、图3，该致动板具有红光致动面261、兰光致动面262，红光致动面261、兰光致动面262的端点处具有红光簧片263、兰光簧片264，起光栅偏转到位时的缓冲、限位以及锁定偏转角度的作用，致动板由扭矩弹簧转轴250连接到支撑柱240上，通过支柱240，将公共阴极连接到硅基底座290上面电极层200上；

公共阴极的第二层为黑光、白光致动板，参见图2，图4，该致动板具有黑光致动面282、白光致动面283，黑光致动面282、白光致动面283的端点处具有黑光簧片284、白光簧片285，起光栅偏转到位时的缓冲、限位以及锁定偏转角度的作用，黑光、白光致动板通过蛇形薄板状弹簧288连接到工字型支撑梁270上，工字型支撑梁270通过两端的支撑柱向下与第一层的红光、兰光致动层板连接；

公共阴极的第三层为闪耀光栅板，闪耀光栅板上面具有节距为740nm、闪耀角为25°的闪耀光栅结构，闪耀光栅的顶面为铝反射层，构成反射型闪耀光栅板280，反射型闪耀光栅板280通过连接板275与第二层的黑光、白光致动板连接；

电极层200，参见图2、图5，电极层位于硅基底座290之上，电极层200具有红光电极211、兰光电极212、白光电极213、黑光电极214，公共阴极260；在红光电极211、兰光电极212、白光电极213、黑光电极214之间，均有一个阴极隔离块，构成公共阴极接触盘220，通过红光电极连接孔201、兰光电极连接孔202、白光电极连接孔203、黑光电极连接孔204、阴极连接孔205将各电极与硅基底上面的COMS行地址线路、列地址线路、公共阴极线路相连接，硅基底上的行地址线路、列地址线路矩阵排列，组合成可寻址的像素地址单元。

各基色的产生：参见图6-图11，当红光电极211、兰光电极212、白光电极213、黑光电极214均未施加正电压时，闪耀光栅公共阴极260与各基色电极之间没有电场形成，光栅处于水平位置状态；或者是，在红光电极211、兰光电极212上均施加电压时，闪耀光栅公共阴极260的红光致动面261、兰光致动面262与红光电极211、兰光电极212之间形成电场，由于红光电极211、兰光电极212位于公共阴极支撑柱240两侧，形成的扭距相等，使光栅处于水平位置状态，此时，以44.8°入射的白色光线照射在闪耀光栅280上，在硅基底290顶面的法线方向上衍射出波长约为525nm的绿色光线；

当在红光电极211上施加正向电压时，红光电极211与闪耀光栅公共阴极260的红光致动面261之间形成电场，在静电力的作用下，闪耀光栅公共阴极260的第一扭转轴250扭转，带动闪耀光栅280偏转，直至公共阴极260红光致动面261的红光簧片263触及公共阴极接触盘220为止，此时，衍射光栅280偏转13.9°，以44.8°入射的白色光线照射在闪耀光栅280上，在硅基底290顶面的法线方向上衍射出波长约为635nm的红色光线；

当在兰光电极212上施加正向电压时，兰光电极212与闪耀光栅公共阴极260之间的兰光致动面262形成电场，在静电力的作用下，闪耀光栅公共阴极260的第一扭转轴250扭转，带动闪耀光栅280偏转-9.7°，直至公共阴极260兰光致动面262的兰光簧片264触及公共阴极接触盘220为止，此时，衍射光栅280偏转-9.7°，以44.8°入射的白色光线照射在闪耀光栅280上，在硅基底290顶面的法线方向上衍射出波长约为430nm的兰色光线；

当在红光电极211上施加正向电压的同时，在黑光电极214上也施加电压时，红光电极211与红光致动面261之间形成电场，在静电力的作用下，公共阴极260的第一扭转轴250扭转，带动闪耀光栅280偏转13.9°，偏转到红光簧片263触及公共阴极接触盘220时，黑光电极214与黑光致动面282之间的距离变短，静电力增大，在静电力的作用下，薄板状蛇形弹簧288一侧拉伸，另一侧压缩，使动公共阴极的第二层白光、黑光致动板发生偏转，闪耀光栅280再次偏转3°，直至白光、黑光致动板边缘的黑光簧片284触及公共阴极接触盘220为止，此时，衍射光栅280共偏转了16.9°，以44.8°入射的白色光线照射在闪耀光栅280上，在硅基底290顶面的法线方向上不产生可见波长的一次衍射光线，即黑色暗态。

闪耀光栅数字微镜制作工艺：闪耀光栅数字微镜的制作工艺类似于DMD的制作工艺，有多种成熟的技术方案可供选择，公共阴极顶部的闪耀光栅可采用滚压、模压、涂镀、灰梯度照相曝光蚀刻、磁性平板印刷等工艺生成。

照明部件：参见图1，照明部件的作用是将光源发出的发散光源经反射、会聚以充分聚合光能然后再经准直以输出平行的光线照射到BGDMD器件上。部件由反射镜12、光源11、聚焦透镜13、准直透镜14和支撑结构15组成。置于反射镜12焦点处的光源11发出的光线经反射镜12反射后，形成平行光，射向会聚透镜13，会聚透镜13将平行光线会聚成一个点光源，以进一步集中光线，准直透镜14再将会聚透镜13形成的点光源再次准直为增强的平行光线射出，射向闪耀光栅数字微镜20；经过反射、会聚、准直后射出的光线，不仅提高了散射光的利用率，而且提供了BGDMD所需的平行光线；照明光源可以是高压汞灯，也可以是白炽灯，对于微型显示器和微型投影仪而言，照明灯可以是白色LED阵列，还可以是经太阳光导入部件导入的太阳光线。

太阳光照明部件：对于微型投影和微型显示应用，可利用太阳光线或漫射阳光作为照明光源，以充分节省能源，延长电池的工作时间。参见图13，置于太阳光自动跟踪架100上的，由微透镜阵列构成的采光板101将太阳光线会聚，会聚后的光线经导光纤维102传递到照明管103，经照明管103内的会聚透镜104会聚、准直透镜105的准直，形成平行光线照射到闪耀光栅数字微镜20上。

闪耀光栅数字微镜驱动部件：闪耀光栅数字微镜驱动部件40实现闪耀光栅数字微镜的驱动，根据图像信号，驱动部件40向闪耀光栅数字微镜各个子像素的各个电极提供驱动电压，以确定闪耀光栅数字微镜的具体转动位置，产生所需要的基色，各基色的亮度根据配色算法确定驱动电压的维持时间，用10bit位可产生1024级不同的亮度，子像素不同亮度的基色组合起来，即可形成一个像素的各种彩色。

以上实施例是基于闪耀光栅衍射原理实现彩色显示的一个具体实施例，该实施例并不对本发明的基本实质要素产生限制。

Claims (5)

1.一种基于闪耀光栅数字微镜的显示系统，包括照明部件、成像镜头部件、驱动部件，其特征在于闪耀光栅数字微镜是由三个子像素构成一个像素单元，子像素包含一个顶部具有光栅结构的反射型光栅板；照明部件所发出的白色平行光线以一个确定的入射角射向闪耀光栅数字微镜，成像镜头部件置于闪耀光栅数字微镜产生衍射光线的一个确定位置上，驱动部件向闪耀光栅数字微镜提供驱动电压。

2.如权利要求1所述的基于闪耀光栅数字微镜的显示系统，其特征在于所述的光栅板的光栅形状可以是滚压成型，也可以是压模成型，也可以是磁性平板印刷和涂镀成型，也可以是灰梯度照相曝光蚀刻成型。

3.如权利要求1所述的基于闪耀光栅数字微镜的显示系统，其特征在于闪耀光栅数字微镜子像素包含至少两块或两块以上的致动板。

4.如权利要求1所述的基于闪耀光栅数字微镜的显示系统，其特征在于闪耀光栅数字微镜子像素包含的致动板为层状结构分布。

5.如权利要求1所述的基于闪耀光栅数字微镜的显示系统，其特征在于闪耀光栅数字微镜子像素的每块致动板边缘包含一个或一个以上的片状弹簧片结构。

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