專利名稱：反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器及陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束調(diào)制裝置，具體的說，本發(fā)明涉及一種反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器及陣列，它是基于可動(dòng)平板和固定光柵來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的不同調(diào)制，以提供不同的衍射光能量的分布，達(dá)到投影顯示系統(tǒng)的要求。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)公開了多種可以單獨(dú)使用或與其他調(diào)制器一起使用的基于MEMS工藝的光調(diào)制器，這些調(diào)制器包括數(shù)字式微反射鏡器件(DMD)及光柵光閥(GLV)等。
在這類器件中，以數(shù)字式微反射鏡器件(DMD)及光柵光閥(GLV)為代表，它們的商業(yè)應(yīng)用已取得了巨大的成功。DMD是由MEMS技術(shù)制造的上百萬個(gè)可偏轉(zhuǎn)的反射微鏡構(gòu)成的調(diào)制器。DMD微鏡的緊密間隙令投射的影像產(chǎn)生更細(xì)致的無縫畫面，分析力高。
但是DMD的缺陷在于，其復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致制作過程復(fù)雜，良品率低下光柵光閥(GLV)是一種典型的微光機(jī)械系統(tǒng)，用于光開關(guān)或光衰減器等。GLV器件是通過衍射效應(yīng)對(duì)光束起到開關(guān)或衰減的作用，而不是采用鏡面放射或偏振調(diào)制。該器件是在硅基上構(gòu)造多個(gè)懸浮在基底上的平行微帶狀物，這些帶狀物具有電耦合性，當(dāng)為其提供一個(gè)電壓時(shí)，可動(dòng)帶狀物將向基底彎折，從而形成很好的衍射光柵。衍射光柵的光閥陣列具體包括一行彼此平行對(duì)準(zhǔn)、隔開、可移動(dòng)的細(xì)長反射部件，每個(gè)可移動(dòng)的反射部件均可以平行且隔開的平面內(nèi)相對(duì)于固定反射部件獨(dú)立移動(dòng)?？梢苿?dòng)的和固定的反射部件如此配置，使得相應(yīng)的可移動(dòng)和固定反射部件一起導(dǎo)致入射于其上的光在不同的狀態(tài)下發(fā)生反射或(和)衍射。當(dāng)偏移量為λ/4時(shí)，經(jīng)由不同的帶狀物反射的入射光束產(chǎn)生π/2的相位差，因此在衍射圖像的一級(jí)得到最大光強(qiáng)；偏移量不同，在一級(jí)得到的光強(qiáng)也不同，這樣就達(dá)到光束調(diào)制的目的。
GLV與DMD不同之處在于，它是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)光束調(diào)制，其響應(yīng)速度更高，電路簡單，制造工藝簡單，良品率高。但GLV器件同樣存在以下的問題1、如果入射光波并非精確為λ的話，那么所謂的黑象素將表現(xiàn)出一定的亮色，而所謂的亮象素并不會(huì)表現(xiàn)出完全的亮色。因此基于上述原理的顯示所能得到的對(duì)比度與理論結(jié)果相比較差。
2、必須要盡量保證未施加電壓時(shí)，即器件處于關(guān)態(tài)，帶狀物處于同一平面內(nèi)，達(dá)到完全反射入射光的目的，否則，若帶狀物不處于同一平面內(nèi)，也將形成光柵，就會(huì)產(chǎn)生我們不希望得到的衍射光，降低器件顯示的對(duì)比度；而在施加偏壓時(shí)，即器件處于開態(tài)，又必須要保證一個(gè)像素中的可動(dòng)帶狀物均下降到同一高度，這些對(duì)器件的制作精度和工藝都提出了很高的要求。
3、由于結(jié)構(gòu)及工藝局限，兩條帶狀物之間存在一個(gè)間隙wg，該間隙將影響光柵的衍射效率。
4、為得到合適的偏移以及更大的有效衍射面積，帶狀物的長度應(yīng)為100微米左右，這樣，該器件只能用于線陣，在用于顯示時(shí)，需要借助機(jī)械掃描，無法形成如DMD的無縫面陣結(jié)構(gòu)。
對(duì)比現(xiàn)有光調(diào)制器技術(shù)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，能否有一種光調(diào)制器，在兼有上述光調(diào)制器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又能避免其缺點(diǎn)，做到像素上有效光學(xué)面積高，易于集成面陣，工藝簡單，良品率高，這成為我們發(fā)明的初衷

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多問題，克服DMD工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)以及GLV的有效衍射面積低、難以集成為面陣等缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器及陣列，擴(kuò)大器件的有效面積，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制器的陣列結(jié)構(gòu)，得到反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器系統(tǒng)，提高器件的光學(xué)衍射效率，簡化器件的加工工藝。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明設(shè)計(jì)的是一種反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器，調(diào)制入射光束，光調(diào)制器包括以下組成部件基底；基底之上形成的絕緣層和電極層；位于電極層之上一定間距、由支撐梁支撐的可動(dòng)平板，可動(dòng)平板具有反射面，并由施加到支撐梁上的偏壓產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動(dòng)做垂直向下移動(dòng)；用于支撐可動(dòng)平板的支撐梁，該支撐梁下部支撐在基底上，并鍍有金屬薄膜用作正電極，使之同電極層之間形成可動(dòng)的電容極板。
一個(gè)固定光柵，該固定光柵罩于上述部件組成的結(jié)構(gòu)單元之上，并與基底固定，固定光柵與電極層之間為可動(dòng)平板移動(dòng)的空間間隙；以及驅(qū)動(dòng)電路，通過電極引出線連接電極層和支撐梁。
若要獲得光調(diào)制器陣列，就將固定光柵整體罩于多個(gè)由上述部件組成的結(jié)構(gòu)單元通過并列布置而形成陣列之上，并與基底固定，即形成光調(diào)制器陣列。
本光調(diào)制器及其陣列可以工作在開關(guān)態(tài)，在不加電壓時(shí)，即在“OFF”態(tài)，可動(dòng)平板同固定光柵的高度差為nλ/2，滿足入射光束經(jīng)光柵和平板反射得到的兩束光線在相位上相差2nπ，相遇干涉后光強(qiáng)集中在衍射圖像的零級(jí)；在施加偏壓V1后，即在“ON”態(tài)，平板垂直向下的位移量為(2n-1)λ/4，滿足經(jīng)入射光束經(jīng)固定光柵和可動(dòng)平板兩者反射得到的反射光束的相位差為(2n-1)π/2，衍射光強(qiáng)在零級(jí)處幾乎為零，而在±1級(jí)處得到最大光強(qiáng)。
本光柵光調(diào)制器及其陣列也可以工作在模擬態(tài)，控制上面固定光柵和下面可動(dòng)平板的距離，若取n＝1，則當(dāng)施加電壓范圍在0-V1之間時(shí)，高度差在λ/2至λ/4之間線性可調(diào)，衍射光強(qiáng)會(huì)隨著平板移動(dòng)的距離的不同而變化，從而形成不同的灰度層次；也可以靠保持在某種工作狀態(tài)的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同的灰度層次。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)分析如下1、由于本發(fā)明中的固定光柵不需要參與機(jī)械運(yùn)動(dòng)，有效解決了GLV的結(jié)構(gòu)必須存在的間隙(兩條細(xì)長梁之間的間隙)，提高了器件的光學(xué)衍射效率。
2、參與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的反射部件采用平板形式，對(duì)于保證平板在下拉過程中處于平行狀態(tài)是容易的，且平板需要下移的位移量很小，其機(jī)械疲勞，粘附效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很小，因此基本上能保證在器件處于開態(tài)或關(guān)態(tài)下時(shí)，多條反射光束的相位差恒定，提高光調(diào)制的對(duì)比度。
3、整個(gè)可動(dòng)平板是由靜電力的帶動(dòng)做整體的垂直上下運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大了器件的有效衍射面積，減小了像素之間的間隙，可實(shí)現(xiàn)光閥的面陣結(jié)構(gòu)，得到面陣光柵光調(diào)制器系統(tǒng)。
4、采用固定光柵結(jié)構(gòu)，固定光柵的加工可與可動(dòng)平板及其他部件的加工分離，它與整個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)、固有頻率等特性均沒有關(guān)系，僅與光學(xué)衍射效率有關(guān)，因此能更為有效地解決光學(xué)衍射問題，簡化器件的加工工藝。
5、在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)陣列化時(shí)，不需要每個(gè)像素均附加光柵，而只需要在得到陣列結(jié)構(gòu)后，利用封裝技術(shù)，將加工好的固定光柵固定在基底上，保證光柵表面同平板表面高度差滿足要求即可，簡化了器件的結(jié)構(gòu)。
6、本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)部件只有可動(dòng)平板，而且是由靜電力帶動(dòng)做垂直上下運(yùn)動(dòng)，而不是DMD結(jié)構(gòu)的鉸鏈帶動(dòng)左右偏轉(zhuǎn)，其加工工藝簡單，機(jī)械穩(wěn)定性高。
7、驅(qū)動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)的方式有很多，即可采用不同的支撐梁結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平板的上下運(yùn)動(dòng)，這樣以來，不同的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平板運(yùn)動(dòng)的不同的響應(yīng)速度，以滿足不同的應(yīng)用場合這種光調(diào)制器可廣泛用于顯示、投影、印刷、光通訊、光譜儀上。


圖1是本發(fā)明提出的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器的一種具體實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)簡圖(僅顯示了一個(gè)像素)；圖2是圖1的剖面圖；圖3是本發(fā)明提出的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器的第二種具體實(shí)現(xiàn)方式的剖面結(jié)構(gòu)圖(僅顯示了一個(gè)像素)；圖4是本發(fā)明提出的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器陣列的示意圖；圖5是圖1所示的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器在“OFF”態(tài)的狀態(tài)示意圖；圖6是圖1所示的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器在“ON”態(tài)的狀態(tài)示意圖；圖7是兩種狀態(tài)的衍射效率分布圖；具體實(shí)施方式
參見圖1，本反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器的單個(gè)像素的結(jié)構(gòu)組成包括固定光柵1，反射面2，支撐梁3、絕緣層4基底5、電極層6、可動(dòng)平板7，驅(qū)動(dòng)電路8。其制作方式如下利用過氧化技術(shù)先在基底5上淀積一層硅的氧化物，形成絕緣層4，起絕緣作用；由多晶硅材料組成的電極層6是在此氧化物之上淀積而成；利用犧牲層技術(shù)，制成支撐梁3及可動(dòng)平板7；支撐梁3同電極層6之間形成電容式極板，支撐梁3的可選材料很多，本發(fā)明采用氮化硅上鍍鋁的雙層結(jié)構(gòu)的方式，也可采用多晶硅作為材料的單層結(jié)構(gòu)?？蓜?dòng)平板7由摻氮的硅材料組成，具有很高的剛度，并由支撐梁支撐，位于電極層6之上一定間距處，由施加到電極層6上的偏壓驅(qū)動(dòng)做垂直向下移動(dòng)，可動(dòng)平板7上鍍有AL反射面2；固定光柵1表面同樣鍍有Al反射面，利用封裝技術(shù)將固定光柵1與基底5固定，形成一個(gè)像素，若將固定光柵1整體罩于多個(gè)由上述部件組成的像素單元通過并列布置而形成面陣或線陣之上，形成如圖4所示的結(jié)構(gòu)，固定光柵與電極層之間為可動(dòng)平板移動(dòng)的空間間隙。
上述光柵光調(diào)制器是通過可動(dòng)平板的上下運(yùn)動(dòng)，使得入射光束經(jīng)光柵衍射后在起衍射圖像的不同位置得到不同的光強(qiáng)分布。參見圖5，為關(guān)態(tài)，即不加電壓的初始態(tài)，當(dāng)不加電壓時(shí)，當(dāng)可動(dòng)平板處于圖示的第一平面，可動(dòng)平板同固定光柵的高度差為nλ/2，滿足入射光束經(jīng)光柵和平板反射得到的兩束光線在相位上相差2nπ，相遇干涉后在光強(qiáng)集中在衍射圖像的零級(jí)；參見圖6，為開態(tài)，當(dāng)施加一定的偏壓，靜電力的作用使可動(dòng)平板垂直向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下降位移為(2n-1)λ/4時(shí)，經(jīng)兩者反射得到的反射光束的相位差為(2n-1)π/2，這樣得到的衍射光強(qiáng)，在零級(jí)處幾乎為零，而在±1級(jí)處得到最大光強(qiáng)。這兩種狀態(tài)的衍射效率分布參見圖7。
可動(dòng)平板2實(shí)現(xiàn)垂直上下移動(dòng)有很多現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，以一個(gè)像素為例，圖2和圖3給出了其中的兩種。圖3是可動(dòng)平板7的中心固定在支撐梁3上，支撐梁共有四根；圖3是可動(dòng)平板7的四個(gè)角與支撐梁3連接。無論是何種方式，在對(duì)支撐梁或電極層施加一定的電壓的情況下，支撐梁經(jīng)電耦合，支撐梁都會(huì)受電場力驅(qū)動(dòng)并向下彎曲，從而帶動(dòng)可動(dòng)平板垂直向下運(yùn)動(dòng)。
偏壓施加裝置8采用本領(lǐng)域現(xiàn)有的成熟技術(shù)，多采用電壓驅(qū)動(dòng)。根據(jù)不同的陣列要求，采用有源驅(qū)動(dòng)或無源驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的電極引出線可在制作該結(jié)構(gòu)的同時(shí)得到。
以上采用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。那些只有在本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀了本公開文件之后才變得一目了然的改進(jìn)和修改，仍然屬于本申請(qǐng)的精神和范疇。
權(quán)利要求
1.反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器，其特征在于光調(diào)制器包括有a基底；b基底之上形成的絕緣層和電極層；c位于電極層之上一定間距、由支撐梁支撐的可動(dòng)平板，可動(dòng)平板具有反射面，并由施加到支撐梁或電極層上的偏壓驅(qū)動(dòng)做垂直上下移動(dòng)；d用于支撐可動(dòng)平板的支撐梁，該支撐梁下部支撐在基底上，并鍍有金屬薄膜，具有電耦合性，使之同電極層之間形成可動(dòng)的電容極板。e一個(gè)固定光柵，該固定光柵罩于上述部件組成的結(jié)構(gòu)單元之上，并與基底固定，固定光柵與電極層之間為可動(dòng)平板移動(dòng)的空間間隙。f驅(qū)動(dòng)電路，通過電極引出線連接電極層和支撐梁?？僧a(chǎn)生不同電平、不同頻率的驅(qū)動(dòng)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器，其特征在于支撐梁位于可動(dòng)平板正下方，或位于可動(dòng)平板四邊外側(cè)，并與其在同一平面內(nèi)平行布局。
3.一種反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器陣列，其特征在于使用多個(gè)權(quán)利要求1所述的光調(diào)制器結(jié)構(gòu)單元按行和列排列成陣列，相鄰結(jié)構(gòu)單元的可動(dòng)平板交互排列在一條線上，固定光柵整體罩于多個(gè)結(jié)構(gòu)單元形成陣列之上，并與基底固定，形成光調(diào)制器陣列，每個(gè)光調(diào)制器都可以獨(dú)立施加偏置電壓，其上下反射面的間距均單獨(dú)可調(diào)，獲得不同衍射效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器及陣列，其特征在于在不加電壓時(shí)，可動(dòng)平板同固定光柵的高度差為nλ/2，滿足入射光束經(jīng)固定光柵和可動(dòng)平板反射得到的兩束光線在相位上相差2nπ，相遇干涉后在光強(qiáng)集中在衍射圖像的零級(jí)；在施加偏壓后，平板垂直向下的位移量為(2n-1)λ/4時(shí)，滿足經(jīng)入射光束經(jīng)固定光柵和可動(dòng)平板兩者反射得到的反射光束的相位差為(2n-1)π/2，衍射光強(qiáng)在零級(jí)處幾乎為零，而在±1級(jí)處得到最大光強(qiáng)。
全文摘要
反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器及陣列，光調(diào)制器包括基底；基底之上形成的絕緣層和電極層；位于電極層之上由支撐梁支撐的可動(dòng)平板，由施加到電極層上的偏壓驅(qū)動(dòng)做垂直向下移動(dòng)；與基底固定的固定光柵，整體罩于多個(gè)由上述部件組成的結(jié)構(gòu)單元形成陣列之上，固定光柵與電極層之間為可動(dòng)平板移動(dòng)的空間間隙。光柵光調(diào)制器在未加電壓時(shí)，平板位于第一平面內(nèi)，光強(qiáng)集中在衍射零級(jí)；通過電壓驅(qū)動(dòng)，平板垂直上下運(yùn)動(dòng)，位于第二平面，光強(qiáng)集中在衍射一級(jí)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的不同調(diào)制，以提供不同的衍射光能量的分布。本調(diào)制器具有擴(kuò)大器件的有效面積，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制器的面陣結(jié)構(gòu)，提高器件的光學(xué)衍射效率，簡化器件的加工工藝等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1645183SQ20051002018
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者黃尚廉, 伍藝, 張潔, 張智海, 付紅橋, 閆許 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)