DE69626923T2 - Verbesserung für räumliche Lichtmodulatoren - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf räumliche Lichtmodulatoren zum Modulieren von auffallendem Licht zum Bilden eines optischen Lichtbilds und insbesondere auf einen räumlichen Lichtmodulator, wie er im Oberbegriff von Anspruch 6 definiert ist, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 oder im Oberbegriff von Anspruch 5 definiert ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) finden auf den Gebieten der optischen Informationsverarbeitung, der Projektionsanzeigen, der Video- und Graphikmonitore, des Fernsehens und des elektrophotographischen Drucks zahlreiche Anwendungen. SLMs sind Vorrichtungen, die auffallendes Licht in einem räumlichen Muster modulieren, um ein Lichtbild zu erzeugen, das einem elektrischen oder optischen Eingangssignal entspricht. Das auffallende Licht kann in bezug auf seine Phase, seine Intensität, seine Polarisation oder seine Richtung moduliert werden. Die Lichtmodulation kann durch eine Vielzahl von Materialien, die verschiedene elektrooptische oder magnetooptische Effekte zeigen, und durch Materialien, die Licht durch die Oberflächenverformung modulieren, erzielt werden.
• Ein SLM umfaßt typischerweise einen Bereich oder eine lineare Matrix adressierbarer Bildelemente (Pixel). Die Quellpixeldaten werden zunächst durch eine zugeordnete Steuerschaltung, die üblicherweise extern gegenüber der SLM ist, formatiert, woraufhin immer nur ein Vollbild in die Pixelmatrix geladen wird. Diese Pixeldaten können unter Verwendung einer Vielzahl von Algorithmen, d. h. sequentiell immer nur eine Pixelzeile von oben nach unten, verschachtelt durch sequentielles Adressieren jeder zweiten Pixelzeile von oben nach unten wie etwa der ungeraden Pixelzeilen und daraufhin zurückkehrend zum Adressieren der geraden Pixelzeilen usw., in die Pixelmatrix geschrieben werden. In Katodenstrahlröhren (CRTs) ist diese Datenschreibtechnik als Rasterisieren bekannt, wodurch eine Hochleistungs-Elektronenkanone die Pixelelemente eines Phosphorbildschirms von links nach rechts, immer nur eine Zeile, abtastet. Dieses Pixeladressendaten-Schreibschema ist ebenso auch auf Flüssigkristallanzeigen (LCDs) anwendbar.
• Eine jüngste Neuerung von Texas Instruments, Incorporated, aus Dallas, Texas, ist die digitale Mikrospiegelvorrichtung oder die verformbare Spiegelvorrichtung (zusammen DMD). Die DMD ist ein elektromechanischer/optischer SLM, der zur Verwendung in Anzeigen, Projektoren und Hardcopy-Druckern geeignet ist. Die DMD ist eine integrierte Schaltung eines monolithischen Ein-Chip- SLM, die eine hochdichte Matrix von beweglichen 16-Quadratmikrometer-Mikrospiegeln auf 17-Mikrometer-Mitten enthält. Diese Spiegel sind über einer Adressierungsschaltungsanordnung hergestellt, die eine Matrix von SRAM-Zellen und Adressenelektroden enthält. Jeder Spiegel bildet ein Pixel der DMD-Matrix und ist bistabil, d. h. in einer der zwei Stellungen stabil, wobei eine auf die Spiegelmatrix gerichtete Lichtquelle in einer von zwei Richtungen reflektiert wird. In einer stabilen "Ein"-Spiegelstellung wird auf diesen Spiegel auffallendes Licht zu einer Projektorlinse reflektiert und auf einen Anzeigebildschirm oder auf ein lichtempfindliches Element eines Druckers fokussiert. In der anderen "Aus"-Spiegelstellung wird auf den Spiegel gerichtetes Licht zu einem Lichtabsorber abgelenkt. Jeder Spiegel der Matrix wird einzeln gesteuert, um entweder auffallendes Licht in die Projektorlinse oder in den Lichtabsorber zu richten. Schließlich fokussiert und vergrößert die Projektorlinse das modulierte Licht von den Pixelspiegeln auf einen Anzeigebildschirm, wobei sie im Fall einer Anzeige ein Bild erzeugt. Falls jeder Pixelspiegel der DMD-Matrix in der "Ein"-Stellung ist, ist das angezeigte Bild eine Matrix heller Pixel.
• Für eine ausführlichere Diskussion der DMD-Vorrichtung und der Anwendungen erfolgt eine Rückverweisung auf das US-Patent 5.061.049 an Hornbeck mit dem Titel "Spatial Light Modulator and Method"; auf das US-Patent 5.079.544 an DeMond u. a. mit dem Titel "Standard Independent Digitized Video System"; und auf das US-Patent 5.105.369 an Nelson mit dem Titel "Printing System Exposure Module Alignment Method and Apparatus of Manufacture", wobei jedes Patent auf den gleichen Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Eine Graustufe der Pixel, die das Bild bilden, wird durch Impulsbreiten-Modulationstechniken der Spiegel erzielt wie etwa die, die im US-Patent 5.278.652 mit dem Titel "DMD Architecture and Timing for Use in a Pulse-Width Modulated Display System", übertragen auf den gleichen Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschrieben sind.
• Entwicklungsmäßige Änderungen an dem DMD-Oberbau und an den Rücksetzschemata zum Steuern der Spiegelschaltung haben zu einer Systemarchitektur geführt, die optimiert ist, so daß sie die optische Leistung maximiert, während sie einen angemessenen Rücksetzgrenzwert gegenüber Haften aufrechterhält. Das Haften ist die Tendenz für den Spiegel oder für die Wippe, an der Landefläche zu haften, wenn eine Spiegellösung ausgelöst wird. Um die optische Leistung zu optimieren, wurde ein Oberbau mit verborgenen Scharnieren entwickelt, der das Reflexionsvermögen des Spiegels in dem verriegelten Zustand erhöht. Ein solcher Oberbau mit verborgenen Scharnieren ist in dem gemeinsam übertragenen veröffentlichten europäischen Patentdokument Nr. 0.738.910 offenbart. Um die erhöhte Masse dieses Oberbaus zu überwinden, sind große Scharnierrückstellkräfte vorgesehen, wobei diese Scharnierrückstellkräfte außerdem helfen, Schwankungen oder Beschränkungen in der Passivierungsschicht auf der Landefläche, die zu einem Spiegel/Wippen-Haften führen können, zu überwinden. Die Oberbaukombination von großer Masse und großen Scharnierrückstellkräften hat zu einer verringerten Fähigkeit zum Steuern des Spiegels während des Rücksetzens geführt.
• In früheren DMD-Entwürfen, wie sie etwa in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 5.444.566 an Gale u. a. mit dem Titel "Optimized Electronic Operation of Digital Micromirror Devices" offenbart sind, das ein Verfahren des im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Typs beschreibt, wird die Spiegelvorspannung während des Vorrichtungsrücksetzens weggenommen, wodurch die Spiegel aus dem früheren abgelenkten Zustand gelöst werden und sich wegen der verringerten elektrostatischen Anziehungskräfte in die Neutralstellung oder ebene Stellung bewegen. Falls die Spiegelvorspannung nicht rechtzeitig wieder angelegt wird, veranlaßt die durch die Scharnierrückstellkraft freigesetzte kinetische Energie, daß die Spiegel etwa 50 Mikrosekunden lang um die Neutralstellung (ebene Stellung) schwingen. Wenn zugelassen wird, daß die Spiegelvorrichtung in dieser Weise betrieben wird, kann jede Oszillation veranlassen, daß der Spiegel Licht in die Anzeigeöffnung reflektiert, was zu einer Verringerung des sichtbaren Kontrastverhältnisses führt. Da die Spiegelschwingungen um die Neutralstellung zu einer unannehmbaren Verschlechterung des Kontrastverhältnisses führen, verwendet ein früheres Rücksetzschema einen Lösungsweg des "Fangens im Flug". Der Ansatz des Rücksetzens durch Fangen im Flug verhindert, daß irgendwelche Spiegelschwingungen auftreten, indem er ermöglicht, den Spiegel/die Wippe unmittelbar nach dem Rücksetzen, rechtzeitig, um Spiegelübergänge in den gleichen Zustand erneut zu erfassen, bevor der Spiegel die Neutralstellung erreicht, jedoch nicht, bevor Spiegelübergänge in den entgegengesetzten Zustand entkommen können, um den Spiegel auf der gegenüberliegenden Seite der Neutralstellung zu erfassen, von der Landefläche zu lösen und daraufhin die Spiegelvorspannung erneut anzulegen.
• Das Rücksetzschema des Fangens im Flug erfordert sehr kritische Zeitablaufparameter, um alle Spiegel über die Vorrichtung richtig zu betreiben. Anhand von Fig. 1 ist gezeigt, daß zwischen Übergängen in den gleichen Zustand und Übergängen in den entgegengesetzten Zustand eine sehr kleine Differenz in bezug auf die Spiegellösegeschwindigkeiten vorhanden ist. Die Lösegeschwindigkeit eines Übergangs in den gleichen Zustand ist allgemein bei 10 gezeigt, während die Lösegeschwindigkeit für einen Übergang in den entgegengesetzten Zustand allgemein bei 12 gezeigt ist. Das Spannungspotential an einer ersten Adressenelektrode für einen Übergang in den gleichen Zustand ist bei 14 gezeigt, während das Spannungspotendal für die erste Adressenelektrode für einen Übergang in den entgegengesetzten Zustand bei 16 gezeigt ist. Es ist lediglich ein sehr schmales Zeitfenster vorhanden, um die Spiegelvorspannung 18 rechtzeitig erneut anzulegen, um Spiegelübergänge in den gleichen Zustand erfolgreich neu zu erfassen, während der Austritt und die Erfassung von Spiegelübergängen in den entgegengesetzten Zustand ermöglicht wird. Prozeßschwankungen oder Alterungsunterschiede von Spiegel zu Spiegel können veranlassen, daß einer oder mehrere der Spiegel in den falschen Zustand gesendet werden, was üblicherweise als ein Adressengrenzwertfehler bezeichnet wird. Das zulässige Zeitfenster zum erneuten Anlegen der Spiegelvorspannung wird immer schmaler, während die Vorrichtung altert, was dazu führt, daß viele Spiegel mit geringfügigen mechanischen Unterschieden wegen des Adressengrenzwertfehlers defekt werden.
• Dementsprechend ist eine verbesserte Rücksetzsignalform gewünscht, die die elektrostatische Steuerung der DMD-Spiegel während der Schaltzustände verbessert. Diese neue, verbesserte Rücksetzsignalform soll verhindern, daß Spiegelübergänge in den gleichen Zustand entkommen, und ermöglichen, daß der Spiegel Licht in die Anzeigeöffnung reflektiert, ohne den Übergang von Spiegelzuständen in den entgegengesetzten Zustand zu behindern. Außerdem soll die neue, verbesserte Rücksetzsignalform eine verbesserte Lebensdauer-Betriebszuverlässigkeit der DMD-Vorrichtung schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung umfaßt einen räumlichen Lichtmodulator des oben definierten Typs, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 6 aufweist.
• Vorzugsweise legt die Schaltung die dritte Spannung nach Verstreichen einer vorgegebenen Periode nach dem Anlegen der vierten Spannung erneut an das Element an, um das Element zu veranlassen, den zweiten Zustand einzunehmen, da die Spannungsdifferenz zwischen dem Element und der zweiten Adressenelektrode größer als die Spannungsdifferenz zwischen dem Element und der ersten Adressenelektrode ist. Vorzugsweise ist das Element ein Mikrospiegel, der durch ein Scharnier über den Adressenelektroden gehalten wird.
• Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der digitalen Mikrospiegelvorrichtung des oben definierten Typs mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 oder Anspruch 5.
• Vorzugsweise wird die dritte Spannung nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit nach Anlegen der vierten Spannung erneut an das ablenkbare Element angelegt, um das ablenkbare Element zu veranlassen, den zweiten Zustand einzunehmen, wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem Element und der zweiten Adressenelektrode größer als die Spannungsdifferenz zwischen dem Element und der ersten Adressenelektrode ist. Allerdings verbleibt das Element in dem ersten Zustand, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Adressenelektrode und dem Element aufrechterhalten wird. Vorzugsweise wird die dritte Spannung vor Anlegen der vierten Spannung an das ablenkbare Element wechselnd mit einer Frequenz an das ablenkbare Element angelegt, die der Resonanzfrequenz des ablenkbaren Elements entspricht. Allgemein liegt die vierte Spannung etwa in der Mitte zwischen der dritten Spannung und der ersten Spannung.
• Die vorliegende Erfindung erzielt technische Vorteile als ein räumlicher DMD-Lichtmodulator mit einer verbesserten Rücksetzsignalform, die einen Spiegel während Übergängen in den gleichen Zustand verriegelt (dynamisches Parken), während sie für Übergänge in den entgegengesetzten Zustand das Entkommen des Spiegels in die Neutralstellung zuläßt. Dies wird dadurch erzielt, daß während des Rücksetzens eine Spiegelvorspannungsrücksetz-Signalform mit einer Zwischenspannung realisiert wird, die zwischen dem Spiegel und einer Adressenelektrode eine ausreichende Spannungsdifferenz herstellt, um den Spiegel während Übergängen in den gleichen Zustand dynamisch zu verriegeln, während die Spannungsdifferenz nicht ausreicht, um den Spiegel während Übergängen in den entgegengesetzten Zustand zu verriegeln, wodurch ermöglicht wird, daß der Spiegel in die Neutralstellung gelöst wird. Daraufhin wird die Spiegelvorspannung erneut hergestellt. Dieser Ansatz, die Spiegel während der Übergänge in den gleichen Zustand verriegelt zu halten, schafft eine große Trennung zwischen den zwei Übergangsgeschwindigkeiten und verringert somit wesentlich die Abhängigkeit von kritischen Zeitablaufparametern für das erneute Anlegen der Spiegelvorspannung. Außerdem verringert dieser Ansatz das Risiko, daß der Spiegel auffallendes Licht versehentlich in die Anzeigeöffnung reflektiert. Die Lebensdauerzuverlässigkeit der Vorrichtung wird verbessert und es können größere Schwankungen von Spiegel zu Spiegel toleriert werden, ohne daß sie außerhalb der für Spiegelmatrizen akzeptablen Zeitablauf-Betriebsparameter fallen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben, in der:
• - Fig. 1 eine graphische Darstellung ist, die die Winkelgeschwindigkeit eines ablenkbaren Spiegels des Standes der Technik sowohl für einen Übergang in den gleichen Zustand als auch für einen Übergang in den entgegengesetzten Zustand zeigt, wobei sie die sehr kleine Winkeltrennung zeigt, wenn sich der Spiegel auch während des Übergangs in den gleichen Zustand von einer Landeelektrode lösen kann, wobei die Spiegelvorspannung während des Rücksetzens gleich der maximalen Spannung der Adressenelektroden während eines Übergangs in den entgegengesetzten Zustand ist, um keine Spannungsdifferenz zwischen dem Spiegel und einer Elektrode zu erzeugen;
• - Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines DMD-Pixels einer Pixelmatrix ist, die einen erhöhten Spiegel enthält, der auf einer ablenkbaren Wippe hergestellt ist, wobei die Wippe ihrerseits durch ein Paar Scharniere gehalten wird, wobei die schraffierten Teile das Gebiet der elektrostatischen Anziehung zwischen dem erhöhten Spiegel und einer erhöhten Adressenelektrode sowie zwischen der Wippe und der darunterliegenden Adressenelektrode auf dem Substrat zeigen;
• - Fig. 3 eine Darstellung der elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen dem Spiegel und der erhöhten Adressenelektrode sowie zwischen der Wippe und der darunterliegenden Adressenelektrode ist, wobei die Wippe und der Spiegel mit einem Vorspannungs-/Rücksetz-Bus elektrisch verbunden sind und die gleiche Vorspannung besitzen;
• - Fig. 4 eine Darstellung der zwei stabilen ablenkbaren Zustände des in Fig. 2 gezeigten Pixelspiegels zum Ablenken auffallenden Lichts in einer von zwei Richtungen ist;
• - Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Pixels der DMD-Matrix in der Neutralstellung ist, die die erhöhten Spiegeladressenelektroden und die über einem Paar von Substratadressenelektroden abgestützte Wippe zeigt;
• - Fig. 6 außerdem eine Querschnittsansicht eines Pixels wie etwa des Pixels aus Fig. 5 ist, wobei die Wippe und der Spiegel, die daran gehalten werden, zusammen in einen stabilen Zustand gedreht sind, wodurch die Wippenspitzen auf einem Paar jeweiliger Landeflächen landen, während der erhöhte Spiegel in der Nähe, jedoch von den erhöhten Spiegeladressenelektroden beabstandet, bleibt;
• - Fig. 7 eine graphische Darstellung der verbesserten Rücksetzsignalform ist, die die Wippe und den Spiegel vorspannt, wodurch während eines Rücksetzzyklus ein Übergangsvorspannungspegel hergestellt wird, so daß der Spiegel/die Wippe während eines Übergangs in den gleichen Zustand den ersten Zustand nie verläßt und geparkt bleibt, während der Spiegel für Übergänge in den entgegengesetzten Zustand in die Neutralstellung gelöst wird; und
• - Fig. 8 eine graphische Darstellung einer nochmals weiteren verbesserten Rücksetzsignalform mit etwas verschiedenen Spannungen ist, wodurch während der Periode T&sub2; lediglich zwei Rücksetzimpulse verwendet werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Nunmehr anhand von Fig. 2 ist ein Pixel 20 einer Spiegelmatrix gezeigt. Die Daten einer sekundären Speicherzelle der Steuerschaltung 22 werden einem Paar komplementärer Adressenelektrodenleitungen zugeführt, die als Va und a bezeichnet sind, wobei jede Leitung ihrerseits mit einer von zwei Adressenelektroden 26 und 28 verbunden ist, die unter einem oder mehreren Pixeln 20 der Matrix hergestellt und diesen zugeordnet sind. Wie zu sehen ist, enthält das Pixel 20 einen quadratischen Spiegel 30, der durch einen Halteständer 34 über einer allgemein bei 32 gezeigten Wippe gehalten und über ihr erhöht ist. Der Halteständer 34 verläuft von der Mitte des Spiegels 30 nach unten und ist, wie gezeigt ist, entlang seiner Drehachse an der Mitte der Wippe 32 befestigt, um den Schwerpunkt des Spiegels 30 auf der Wippe 32 im Gleichgewicht zu halten. Die Wippe 32 besitzt allgemein Schmetterlingsform und wird entlang ihrer Mittelachse axial durch ein Paar Drehscharniere 40 gehalten. Das andere Ende jedes Drehscharniers 40 ist an einer Scharnierhalteständer-Abdeckung 42, die auf einem jeweiligen Scharnierhalteständer 44 definiert ist, befestigt und wird von ihr gehalten. Ein Paar erhöhte Spiegeladressenelektroden 50 und 52 werden durch die jeweiligen Adressenhalteständer 54 und 56 gehalten.
• Der Adressenhalteständer 54 und 56 und die Scharnierhalteständer 44 halten die Adressenelektroden 50 und 52, die Drehscharniere 40 und die Wippe 32 von einem Vorspannungs-/Rücksetz-Bus 60 und einem Paar Substratebenen-Adressenelektrodenflächen 26 und 28 entfernt und über ihnen. Wenn der Spiegel 30 und die Wippe 32 zusammen um die durch die Scharniere 40 definierte Drehachse der Wippe gedreht werden, landen ein Paar Wippenspitzen 58 auf der Seite der Wippe 32, die abgelenkt wird, an den Landestellen 62 auf dem Vorspannungs-/Rücksetz- Bus 60 und gelangen mit ihnen in Eingriff.
• Das Pixel 20 ist bistabil, wodurch die Drehung des Spiegels 30 und der Wippe 32 in einer von zwei Richtungen erzielt werden kann, um, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist und in Kürze diskutiert wird, auffallendes Licht zu modulieren. Über die Elektrodenleitung Va oder a wird durch die Steuerschaltung 22 wahlweise einer der zwei Adressenelektrodenflächen 26 oder 28 und über den zugeordneten Elektrodenhalteständer 54 und 56 einer der entsprechenden erhöhten Spiegeladressenelektroden 50 oder 52 wahlweise eine Adressenspannung zugeführt, während der nicht adressierten Elektrodenfläche die komplementäre Spannung zugeführt wird. Diese Adressenspannung kann 0 Volt sein, während die komplementäre Spannung +7 Volt sein kann, wobei sie auf Wunsch aber auch andere Pegel umfassen könnten. Gleichzeitig wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie auch angesichts Fig. 7 in Kürze ausführlicher diskutiert wird, durch die Steuerschaltung 22 dem Vorspannungs-/Rücksetz-Bus 60 und somit über den Halteständer 44, die Ständerabdeckungen 42 und die Scharniere 50 der Wippe 32 sowie über die Halterung 34 dem Spiegel 30 wahlweise eine Vorspannung zugeführt.
• Anhand von Fig. 3 sind die zwischen dem erhöhten Spiegel 30 und den erhöhten Elektroden 50 und 52 sowie zwischen der Wippe 32 und den Adressenflächen 26 und 28 erzielten elektrostatischen Anziehungskräfte gezeigt. Der Ort dieser Anziehungskräfte ist in Fig. 2 durch die schraffierten Bereiche 74, 78, 82 und 84 gezeigt.
• Anhand von Fig. 4 ist nun das Pixel 20 in einem unabgelenkten (ebenen) Zustand gezeigt. Wie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt ist, wird durch die Schaltung 22 auf der Adressenleitung a zur Adressenelektrode 28 und zur erhöhten Elektrode 52 ein Potential von 0 Volt bereitgestellt, während auf der Adressenleitung Va zur Adressenelektrode 26 und zur erhöhten Elektrode 50 ein komplementäres Spannungspotential von +7 Volt bereitgestellt wird, falls der Spiegel 30 und die Wippe 32 in Uhrzeigerrichtung gedreht werden sollen. Auf der Vorspannungsleitung Vb zum Vorspannungs-/Rücksetz-Bus 60 wird wahlweise ein Vorspannungspotential bereitgestellt, um auf der Wippe 32 und auf dem Spiegel 30 ein Vorspannungspotential bereitzustellen. Dieses Vorspannungspotential beträgt während einer Nicht-Übergangsperiode normalerweise +24 Volt, obgleich auf Wunsch andere Potentiale hergestellt werden können. Eine elektrostatische Anziehungskraft von der zwischen der Adressenelektrode 28 und einem Abschnitt der Wippe 32 erzeugten Differenz von 24 Volt, wobei diese Kraft in Fig. 3 allgemein bei 76 gezeigt ist, und die elektrostatische Anziehungskraft von der Differenz von 24 Volt zwischen der erhöhten Elektrode 52 und dem Spiegel 30, die in Fig. 3 allgemein bei 82 gezeigt ist, führen zu der wie in Fig. 6 gezeigten Drehung des Pixels 20. Der entsprechende Abschnitt der Wippe 32, der über der adressierten Elektrode 28 hängt, ist durch den in Fig. 2 bei 78 gezeigten schraffierten Abschnitt gezeigt.
• Falls der Spiegel umgekehrt entgegen der Uhrzeigerrichtung gedreht werden soll, wird auf der Adressenelektrode 26 ein Potential von 0 Volt bereitgestellt, um bei 70 eine Anziehungskraft zu erzeugen, wobei ein entsprechender Abschnitt der Wippe 32, der über der Adressenelektrode 26 hängt, durch das schraffierte Gebiet bei 74 gezeigt ist. Auf der Adressenelektrode 28 wird ein Potential von +7 Volt bereitgestellt.
• In Fig. 6 ist nun ein optisches schematisches Diagramm gezeigt, wobei zu sehen ist, daß auffallendes Licht je nachdem, ob der Spiegel in dem "Ein"- oder "Aus"-Zustand ist, moduliert und in einer von zwei Richtungen abgelenkt wird. Wenn der Spiegel 30 in dem "Ein"-Zustand ist, wird auffallendes Licht in die Optik reflektiert, die eine Projektorlinse enthält, und im Fall eines Projektors mit vorderem oder hinterem Bildschirm schließlich auf einen Anzeigebildschirm fokussiert oder im Fall eines elektrophotographischen Druckers auf eine lichtempfindliche Oberfläche fokussiert. Wenn der Spiegel 30 in der "Aus"-Stellung ist, wird auffallendes Licht zu einem Lichtabsorber und von der Dunkelfeldoptik weg reflektiert. Eine 20-Grad-Drehung zwischen den bistabilen Zuständen des Spiegels 30 erzielt eine 40-Grad-Schwenkbewegung des reflektierten auffallenden Lichts. Die vorliegende Erfindung erzielt ein räumliches Lichtbild mit hohem Kontrastverhältnis, was entscheidend für die Verwendung in Dunkelfeldoptik- Systemen ist, für die der räumliche Lichtmodulator der vorliegenden Erfindung gedacht ist.
• Wie nun in Fig. 7 gezeigt ist, wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während eines Rücksetzzyklus eine verbesserte Rücksetzsignalform realisiert, die die elektrostatische Steuerung der DMD-Spiegel 30 während der Schaltzustände verbessert. Dies wird dadurch erzielt, daß für die Wippe und für den Spiegel während des Rücksetzzyklus ein Übergangsvorspannungspegel bereitgestellt wird, der eine Zwischenspannung zwischen der maximalen Adressenelektrodenspannung (+7 Volt) und der normalen Vorspannung (+17 Volt) ist. Dieser Zwischenspannungspegel, der wie gezeigt vorzugsweise +12 Volt beträgt, stellt sicher, daß die Spiegel 30 während Übergängen in den gleichen Zustand verriegelt bleiben, wobei dieser Übergangsvorspannungspegel aber nicht ausreichend ist, um das Entkommen des Spiegels von den Landeflächen für Übergänge in den entgegengesetzten Zustand zu verhindern.
• Nochmals anhand von Fig. 7 wird durch die Steuerschaltung 22 während der als T&sub1; identifizierten Zeitperiode eine Vorspannungs-/Rücksetz-Signalform 80 mit einem Potential von +17 Volt hergestellt. Wie für Erläuterungs- und Klarheitszwecke wieder anhand von Fig. 5 gezeigt ist, wird angenommen, daß der Spiegel 30 und die Wippe 32 wie gezeigt in Uhrzeigerrichtung gedreht sind und der Spiegel, wie in Fig. 6 gezeigt ist, in dem "Ein-Zustand" ist. Das Spannungspotential an der Adressenelektrode 28 beträgt 0 Volt, während das an die komplementäre Adressenelektrode 26 angelegte Spannungspotential +7 Volt beträgt. Somit beträgt ein Spannungspotential zwischen der Wippe 32 und dem Spiegel 30 in bezug auf die Adressenelektrode 28 bzw. auf die erhöhte Elektrode 52 17 Volt (17 V-0 V). Die Spannungsdifferenz zwischen der Wippe 32 und dem Spiegel 30 in bezug auf die andere Adressenelektrode 26 bzw. in bezug auf die erhöhte Elektrode 50 beträgt lediglich 10 Volt (17 V-7 V). Somit ist der Spiegel 30 in einem stabilen verriegelten Zustand gezeigt.
• Wie wieder anhand von Fig. 7 gezeigt ist, wird das Potential der Vorspannungs-/Rücksetz-Signalform 80 während der als T&sub2; identifizierten Zeitperiode während 3 Zyklen mit einer Frequenz von etwa 2,9 Megahertz, d. h. der Resonanzfrequenz der Scharniere 40, die etwa 2,9 Megahertz beträgt, zwischen +24 Volt und +12 Volt geändert. Eine ausführlichere Diskussion des Anlegens des Resonanzrücksetzimpulses ist in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 5.285.196 mit dem Titel "Bistable DMD Adressing Method" offenbart. Im wesentlich hilft das Anlegen eines Resonanzrücksetzimpulses während 2 oder 3 Zyklen, daß der Spiegel in Resonanz kommt und von den Landeflächen freikommt, wobei er irgendwelche Haftkräfte, die vorhanden sein können, überwinden kann.
• Während der als T&sub3; identifizierten Spiegelrücksetz-Zeitperiode wird die Vorspannungs-/Rücksetz-Signalform 80 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einen Zwischenübergangs-Vorspannungspegel hergestellt, der als +12 Volt gezeigt ist. Dieser Rücksetzvorspannungspegel liegt zwischen dem normalen Vorspannungspegel von +17 Volt und der maximalen Adressenelektrodenspannung von +7 Volt. Für einen Spiegelübergang in den gleichen Zustand verläßt der Spiegel 30 nie den "Ein"-Zustand, der in Fig. 5 und 6 und graphisch in Fig. 7 bei 82 gezeigt ist. Mit anderen Worten, der Spiegel 30 bleibt dynamisch geparkt. Dagegen ermöglicht der Zwischenvorspannungspegel von +12 Volt für Übergänge in den entgegengesetzten Zustand, d. h. Übergänge, bei denen die Adressenspannungen an den Adressenelektroden 26 und 28 in der Weise geschaltet werden, daß für die Adressenelektrode 26 ein Potential von 0 Volt bereitgestellt wird, während fit die Adressenelektrode 28 ein Potential von +7 Volt bereitgestellt wird, daß sich der Spiegel 30/die Wippe 32 von den Landeelektroden 82 lösen, wobei ein graphisch bei 84 gezeigter Übergang in den entgegengesetzten Zustand zulässig ist.
• Während Übergängen in den gleichen Zustand, d. h., wenn der Spiegel dynamisch geparkt bleibt und die Wippe 32 mit den Landeelektroden 82 in Kontakt bleibt, gibt es zwischen dem Spiegel 30, der Wippe 32 und den entsprechenden Elektroden eine Differenz von 12 Volt (12 Volt-0 Volt), die eine in Fig. 3 bei 76 und 82 gezeigte Anziehungskraft erzeugt. Dieses Spannungspotential ist ausreichend, um die Anziehungskräfte 76 und 82 zu erzeugen, die die Rückstellkraft der Scharniere 40 überwinden, wobei der Spiegel für in Fig. 5 und graphisch in Fig. 7 gezeigte Übergänge in dem gleichen Zustand dynamisch geparkt bleibt. Dieser gewählte Zwischenvorspannungspegel hängt von der Steifheit der Scharniere ab, d. h., je steifer die Scharniere sind, desto größer ist das Spannungspotential, das zum Überwinden der Scharnierrückstellkraft erforderlich ist. Um sicherzustellen, daß der Spiegel für Übergänge in den gleichen Zustand dynamisch geparkt bleibt, ist außerdem der benötigte Zwischenvorspannungspegel um so größer, je größer die Anfangsgeschwindigkeit des Spiegels/der Wippe ist, die die Landeelektrode verlassen. Je größer die Spitzenspannung ist und je größer die Anzahl der Impulse der Rücksetzsignalform während der Zeitperiode T&sub2; ist, desto größer ist die Anfangsgeschwindigkeit des Spiegels/der Wippe.
• Für Übergänge in den entgegengesetzten Zustand, d. h. für Übergänge, durch die während der Zeitperiode T&sub3; die Spannungspotentiale an den Adressenelektroden 26 und 28 ausgetauscht werden, gibt es zwischen dem Spiegel 30 und der Wippe 32 und den entsprechenden Adressenelektroden 28 lediglich ein Potential von 5 Volt (12 Volt-7 Volt), wobei dieses Spannungspotential nicht ausreicht, um elektrostatische Anziehungskräfte zu erzeugen, die die Scharnierrückstellkräfte überwinden können. Folglich löst sich die Wippe 32 während der Zeitperiode T&sub3; von den Landeflächen 82 in die Neutralstellung. Wie gezeigt ist, wird die Vorspannung von +17 V beim Start einer als T&sub4; identifizierten Zeitperiode erneut an die Wippe 32 und an den Spiegel 30 angelegt, was veranlaßt, daß der Übergang in den entgegengesetzten Zustand abgeschlossen wird, wodurch die Wippe 32 zu den Landeflächen 82 gezogen wird und mit ihnen in Kontakt gelangt, wobei sie zusammen mit dem Spiegel 30 über der Adressenelektrode 26 verriegelt wird.
• Anhand von Fig. 8 ist nun bei 90 eine weitere verbesserte Rücksetzsignalform gezeigt, durch die während der Rücksetzperiode T&sub2; lediglich zwei Rücksetzimpulse verwendet werden. Die Spitzenspannung der Rücksetzimpulse beträgt +27 Volt, während die normale Vorspannung während der Periode T&sub1; etwa +18 Volt und die Zwischenvorspannung während der Periode T&sub3; etwa +14 Volt beträgt. Obgleich während der Periode T&sub2; lediglich zwei Impulse angelegt werden, erzeugt das Potential von +27 Volt zusammen mit anderen Scharnierparametern einschließlich der Scharniersteifheit eine etwas höhere Anfangsgeschwindigkeit des Spiegels/der Wippe, die die Landeelektroden verlassen. Somit wird während der Periode T&sub3; im Vergleich zu der Signalform 80 in Fig. 7 eine etwas größere Zwischenvorspannung von +14 Volt verwendet. Wie gezeigt ist, hängt die gewählte Zwischenvorspannung von mehreren Faktoren ab, wobei sie aber etwa in der Mitte zwischen der normalen Spiegelvorspannung und der maximalen Adressenelektrodenspannung liegt.
• Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß während der bei T&sub3; identifizierten Vorspannungs-/Rücksetz-Periode auf der Wippe 32 und auf dem Spiegel 30 ein Zwischenübergangs-Vorspannungspegel aufrechterhalten wird, der ausreichend ist, um wegen einer Differenzspannung zwischen den Adressenelektroden und der Wippe/dem Spiegel eine elektrostatische Anziehungskraft zu erzeugen, die die Scharnierrückstellkräfte überwindet und sicherstellt, daß der Spiegel während eines Übergangs in den gleichen Zustand dynamisch geparkt bleibt. Allerdings erzeugt dieser Zwischenübergangs-Vorspannungspegel keine ausreichenden Anziehungskräfte, die erforderlich sind, um die Scharnierrückstellkräfte zu überwinden, wenn die Adressenspannungen an den Adressenelektroden während eines Übergangs in den entgegengesetzten Zustand ausgetauscht werden, wobei sich der Spiegel/die Wippe von den Landeflächen in die Neutralstellung (ebenen Stellung) lösen können. Mit dem Übergangsvorspannungspegel wird ein ausreichender Adressengrenzwert aufrechterhalten, durch den sich der Spiegel/die Wippe nicht versehentlich von den Landeflächen lösen und während eines Übergangs in den gleichen Zustand versehentlich in einem entgegengesetzten Zustand erfaßt werden. Da der Spiegel/die Wippe die Landeflächen während eines Übergangs in den gleichen Zustand nie verlassen, was unter Verwendung des Ansatzes des "Fangens im Flug" zulässig war, entkommt der Spiegel nicht und veranlaßt er nicht, daß auffallendes Licht in die Anzeigeöffnung reflektiert wird. Außerdem sind die Zeitablauf-Nebenbedingungen für das erneute Anlegen des Vorspannungspotentials von 17 Volt nicht so kritisch. Die DMD-Lebensdauerzuverlässigkeit wird verbessert, wobei größere Abweichungen von Spiegel zu Spiegel toleriert werden können, ohne daß sie außerhalb der für Spiegelmatrizen akzeptablen Zeitablauf-Betriebsparameter fallen.
• Obgleich in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Vorspannungspotential von +17 Volt mit einem Übergangsvorspannungspegel von +12 Volt realisiert ist, wobei das maximale Adressenelektrodenpotential +7 Volt beträgt, können andere Vorspannungs- und Adressenpotentiale ebenso realisiert werden, wobei keine Beschränkung auf diese bevorzugten Werte abgeleitet werden soll. Statt dessen sind die Differenzspannungen entscheidend, die während Übergängen in den gleichen Zustand und in den entgegengesetzten Zustand hergestellt werden. Vorzugsweise liegt der Übergangsvorspannungspegel (+12 Volt) etwa zwischen dem normalen Vorspannungspotential (+17 Volt) und dem maximalen Adressenelektrodenpotential (+7 Volt). Während des Rücksetzzyklus ist eine minimale Differenzspannung erforderlich, um sicherzustellen, daß der Spiegel/die Wippe während Übergängen in den gleichen Zustand dynamisch geparkt bleiben, wobei dieses Differenzpotential etwa 12 Volt (12 Volt-0 Volt) beträgt. Zum Herstellen der Differenzspannungen, die während eines Übergangs in den gleichen Zustand die Scharnierrückstellkräfte überwinden, können andere Übergangsvorspannungspegel und Adressenspannungen verwendet werden, wobei keine Begrenzung auf +12 Volt als Übergangsvorspannungspegel abgeleitet werden soll. In der vorliegenden Erfindung wird fit die Zeitperiode T&sub3; ein Bereich von 0,5 Mikrosekunden bis 6 Mikrosekunden verwendet, um zu ermöglichen, daß sich der Spiegel/die Wippe von den Landeflächen in die Neutralstellung lösen, so daß sie nachfolgend in dem anderen Zustand erfaßt werden können, wenn das Vorspannungspotential von +17 Volt während der Periode T&sub4; erneut an die Wippe/den Spiegel angelegt wird.
• Obgleich die Erfindung mit Bezug auf eine spezifische bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, sind für den Fachmann auf dem Gebiet beim Lesen der vorliegenden Anmeldung viele Abwandlungen und Änderungen offensichtlich.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators, der eine erste und eine zweite Adressenelektrode (26, 28, 50, 52) besitzt, die unter einem Element (30, 32) liegen, das zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand ablenkbar ist, mit den folgenden Schritten:

(a) Anlegen einer Spannung an die erste und an die zweite Adressenelektrode (26, 28, 50, 52), wobei an die erste Adressenelektrode (26, 50) eine erste Spannung angelegt wird und an die zweite Adressenelektrode (28, 52) eine zweite Spannung angelegt wird;

(b) Anlegen einer dritten Spannung an das ablenkbare Element (30, 32), um eine Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der ersten Adressenelektrode (26, 50) und zwischen dem Element (30, 32) und der zweiten Adressenelektrode (28, 52) zu erzeugen; und

(c) Anlegen einer vierten Spannung an das ablenkbare Element (30, 32); wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß

die vierte Spannung während eines Rücksetzzyklus angelegt wird und ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die erste Spannung an der ersten Elektrode (26, 50) aufrechterhalten wird, während die vierte Spannung aber nicht ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der ersten Adressenelektrode (26, 50) geändert wird, damit sie kleiner als die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der zweiten Adressenelektrode (28, 52) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfaßt:

(d) erneutes Anlegen der dritten Spannung an das ablenkbare Element (30, 32) nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne seit dem Anlegen der vierten Spannung, um das ablenkbare Element (30, 32) dazu zu veranlassen, den zweiten Zustand einzunehmen, wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der zweiten Adressenelektrode (28, 52) größer als die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der ersten Adressenelektrode (26, 50) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ferner den folgenden Schritt umfaßt: vor dem Schritt c) Ändern der an das ablenkbare Element (30, 32) angelegten dritten Spannung aber mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des ablenkbaren Elements entspricht.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die vierte Spannung ungefähr in der Mitte zwischen der dritten Spannung und der ersten Spannung liegt.

5. Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators, der eine erste und eine zweite Adressenelektrode (26, 28, 50, 52) besitzt, die unter einem Element (30, 32) liefen, das zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand ableitbar ist, mit den folgenden Schritten:

(a) Anlegen einer Spannung an die erste Adressenelektrode (26, 50), wobei an die erste Adressenelektrode (26, 50) eine erste Spannung angelegt wird;

(b) Anlegen einer dritten Spannung an das ablenkbare Element (30, 32), um eine Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der ersten Adressenelektrode (26, 50) zu erzeugen; und

(c) Anlegen einer vierten Spannung an das ablenkbare Element (30, 32); wobei der räumliche Lichtmodulator dadurch gekennzeichnet ist, daß

die vierte Spannung während eines Rücksetzzyklus angelegt wird und ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die erste Spannung an der ersten Adressenelektrode (26, 50) aufrechterhalten wird, während die vierte Spannung aber nicht ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die erste Spannung von der ersten Adressenelektrode (26, 52) weggenommen und an die zweite Adressenelektrode (28, 52) angelegt wird.

6. Räumlicher Lichtmodulator, mit:

(a) einer ersten Adressenelektrode (26, 50) und einer zweiten Adressenelektrode (28, 52), an die eine erste Spannung bzw. eine zweite Spannung angelegt werden kann;

(b) einem ablenkbaren Element (30, 32), das über den Adressenelektroden (26, 28, 50, 52) gehalten wird und das in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und den Adressenelektroden (26, 28, 50, 52) zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand ablenkbar ist; und

(c) einer Schaltung (22), die an das Element (30, 32) eine dritte Spannung anlegt, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu verriegeln, wenn eine erste Spannungsdifferenz zwischen der ersten Adressenelektrode (26, 50) und dem Element (30, 32) eine zweite Spannungsdifferenz zwischen der zweiten Adressenelektrode (28, 52) und dem Element (30, 32) übersteigt, und um das Element (30, 32) in dem zweiten Zustand zu verriegeln, wenn die zweite Spannungsdifferenz die erste Spannungsdifferenz übersteigt, wobei die Schaltung (22) an das Element (30, 32) wahlweise eine vierte Spannung anlegen kann; wobei der räumliche Lichtmodulator dadurch gekennzeichnet ist, daß

die vierte Spannung ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die erste Spannungsdifferenz die zweite Spannungsdifferenz übersteigt, während die vierte Spannung aber nicht ausreicht, um das Element (30, 32) in dem ersten Zustand zu halten, wenn die zweite Spannungsdifferenz die erste Spannungsdifferenz übersteigt.

7. Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 6, bei dem die Schaltung (22) die dritte Spannung nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne seit dem Anlegen der vierten Spannung erneut an das Element (30, 32) anlegen kann, wobei das Element (30, 32) den zweiten Zustand einnimmt, wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der zweiten Adressenelektrode (28, 52) größer als die Spannungsdifferenz zwischen dem Element (30, 32) und der ersten Adressenelektrode (26, 50) ist.

8. Räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem das Element ein Mikrospiegel (30) ist, der durch ein Scharnier über den Adressenelektroden (26, 28, 50, 52) gehalten wird.