CN100349035C - 反射镜平动式光栅光调制器及阵列 - Google Patents

Abstract

反射镜平动式光栅光调制器及阵列，光调制器包括：基底；基底之上形成的绝缘层和电极层；位于电极层之上由支撑梁支撑的可动平板，由施加到电极层上的偏压驱动做垂直向下移动；与基底固定的固定光栅，整体罩于多个由上述部件组成的结构单元形成阵列之上，固定光栅与电极层之间为可动平板移动的空间间隙。光栅光调制器在未加电压时，平板位于第一平面内，光强集中在衍射零级；通过电压驱动，平板垂直上下运动，位于第二平面，光强集中在衍射一级，由此实现对入射光束的不同调制，以提供不同的衍射光能量的分布。本调制器具有扩大器件的有效面积，实现光调制器的面阵结构，提高器件的光学衍射效率，简化器件的加工工艺等优点。

Description

反射镜平动式光栅光调制器及阵列

技术领域

本发明涉及一种光束调制装置，具体的说，本发明涉及一种反射镜平动式光栅光调制器及阵列，它是基于可动平板和固定光栅来实现对光束的不同调制，以提供不同的衍射光能量的分布，达到投影显示***的要求。

发明背景

现有技术已经公开了多种可以单独使用或与其他调制器一起使用的基于MEMS工艺的光调制器，这些调制器包括数字式微反射镜器件(DMD)及光栅光阀(GLV)等。

在这类器件中，以数字式微反射镜器件(DMD)及光栅光阀(GLV)为代表，它们的商业应用已取得了巨大的成功。DMD是由MEMS技术制造的上百万个可偏转的反射微镜构成的调制器。DMD微镜的紧密间隙令投射的影像产生更细致的无缝画面，分析力高。

但是DMD的缺陷在于，其复杂的多层结构导致制作过程复杂，良品率低下

光栅光阀(GLV)是一种典型的微光机械***，用于光开关或光衰减器等。GLV器件是通过衍射效应对光束起到开关或衰减的作用，而不是采用镜面放射或偏振调制。该器件是在硅基上构造多个悬浮在基底上的平行微带状物，这些带状物具有电耦合性，当为其提供一个电压时，可动带状物将向基底弯折，从而形成很好的衍射光栅。衍射光栅的光阀阵列具体包括一行彼此平行对准、隔开、可移动的细长反射部件，每个可移动的反射部件均可以平行且隔开的平面内相对于固定反射部件独立移动。可移动的和固定的反射部件如此配置，使得相应的可移动和固定反射部件一起导致入射于其上的光在不同的状态下发生反射或(和)衍射。当偏移量为λ/4时，经由不同的带状物反射的入射光束产生π/2的相位差，因此在衍射图像的一级得到最大光强；偏移量不同，在一级得到的光强也不同，这样就达到光束调制的目的。

GLV与DMD不同之处在于，它是利用光栅衍射原理实现光束调制，其响应速度更高，电路简单，制造工艺简单，良品率高。但GLV器件同样存在以下的问题：

1、如果入射光波并非精确为λ的话，那么所谓的黑象素将表现出一定的亮色，而所谓的亮象素并不会表现出完全的亮色。因此基于上述原理的显示所能得到的对比度与理论结果相比较差。

2、必须要尽量保证未施加电压时，即器件处于关态，带状物处于同一平面内，达到完全反射入射光的目的，否则，若带状物不处于同一平面内，也将形成光栅，就会产生我们不希望得到的衍射光，降低器件显示的对比度；而在施加偏压时，即器件处于开态，又必须要保证一个像素中的可动带状物均下降到同一高度，这些对器件的制作精度和工艺都提出了很高的要求。

3、由于结构及工艺局限，两条带状物之间存在一个间隙w_g，该间隙将影响光栅的衍射效率。

4、为得到合适的偏移以及更大的有效衍射面积，带状物的长度应为100微米左右，这样，该器件只能用于线阵，在用于显示时，需要借助机械扫描，无法形成如DMD的无缝面阵结构。

对比现有光调制器技术，各有其优缺点，能否有一种光调制器，在兼有上述光调制器优点的同时，又能避免其缺点，做到像素上有效光学面积高，易于集成面阵，工艺简单，良品率高，这成为我们发明的初衷

发明内容：

针对现有技术存在的诸多问题，克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效衍射面积低、难以集成为面阵等缺点，本发明的目的在于提供一种反射镜平动式光栅光调制器及阵列，扩大器件的有效面积，实现光调制器的阵列结构，得到反射镜平动式光栅光调制器***，提高器件的光学衍射效率，简化器件的加工工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下

本发明设计的是一种反射镜平动式光栅光调制器，调制入射光束，光调制器包括以下组成部件：

基底；

基底之上形成的绝缘层和电极层；

位于电极层之上一定间距、由支撑梁支撑的可动平板，可动平板具有反射面，并由施加到支撑梁上的偏压产生的静电力驱动做垂直向下移动；

用于支撑可动平板的支撑梁，该支撑梁下部支撑在基底上，并镀有金属薄膜用作正电极，使之同电极层之间形成可动的电容极板。

一个固定光栅，该固定光栅罩于上述部件组成的结构单元之上，并与基底固定，固定光栅与电极层之间为可动平板移动的空间间隙；以及驱动电路，通过电极引出线连接电极层和支撑梁。

若要获得光调制器阵列，就将固定光栅整体罩于多个由上述部件组成的结构单元通过并列布置而形成阵列之上，并与基底固定，即形成光调制器阵列。

本光调制器及其阵列可以工作在开关态，在不加电压时，即在“OFF”态，可动平板同固定光栅的高度差为nλ/2，满足入射光束经光栅和平板反射得到的两束光线在相位上相差2nπ，相遇干涉后光强集中在衍射图像的零级；在施加偏压V₁后，即在“ON”态，平板垂直向下的位移量为(2n-1)λ/4，满足经入射光束经固定光栅和可动平板两者反射得到的反射光束的相位差为(2n-1)π/2，衍射光强在零级处几乎为零，而在±1级处得到最大光强。

本光栅光调制器及其阵列也可以工作在模拟态，控制上面固定光栅和下面可动平板的距离，若取n＝1，则当施加电压范围在0-V₁之间时，高度差在λ/2至λ/4之间线性可调，衍射光强会随着平板移动的距离的不同而变化，从而形成不同的灰度层次；也可以靠保持在某种工作状态的时间来实现不同的灰度层次。

本发明与现有技术相比的优点分析如下：

1、由于本发明中的固定光栅不需要参与机械运动，有效解决了GLV的结构必须存在的间隙(两条细长梁之间的间隙)，提高了器件的光学衍射效率。

2、参与机械运动的反射部件采用平板形式，对于保证平板在下拉过程中处于平行状态是容易的，且平板需要下移的位移量很小，其机械疲劳，粘附效应对结构的影响很小，因此基本上能保证在器件处于开态或关态下时，多条反射光束的相位差恒定，提高光调制的对比度。

3、整个可动平板是由静电力的带动做整体的垂直上下运动，扩大了器件的有效衍射面积，减小了像素之间的间隙，可实现光阀的面阵结构，得到面阵光栅光调制器***。

4、采用固定光栅结构，固定光栅的加工可与可动平板及其他部件的加工分离，它与整个结构的机械响应、固有频率等特性均没有关系，仅与光学衍射效率有关，因此能更为有效地解决光学衍射问题，简化器件的加工工艺。

5、在实现***阵列化时，不需要每个像素均附加光栅，而只需要在得到阵列结构后，利用封装技术，将加工好的固定光栅固定在基底上，保证光栅表面同平板表面高度差满足要求即可，简化了器件的结构。

6、本发明的运动部件只有可动平板，而且是由静电力带动做垂直上下运动，而不是DMD结构的铰链带动左右偏转，其加工工艺简单，机械稳定性高。

7、驱动平板运动的方式有很多，即可采用不同的支撑梁结构带动平板的上下运动，这样以来，不同的结构可以实现平板运动的不同的响应速度，以满足不同的应用场合这种光调制器可广泛用于显示、投影、印刷、光通讯、光谱仪上。

附图说明

图1是本发明提出的反射镜平动式光栅光调制器的一种具体实现方式的结构简图(仅显示了一个像素)；

图2是图1的剖面图；

图3是本发明提出的反射镜平动式光栅光调制器的第二种具体实现方式的剖面结构图(仅显示了一个像素)；

图4是本发明提出的反射镜平动式光栅光调制器阵列的示意图；

图5是图1所示的反射镜平动式光栅光调制器在“OFF”态的状态示意图；

图6是图1所示的反射镜平动式光栅光调制器在“ON”态的状态示意图；

图7是两种状态的衍射效率分布图；

具体实施方式

参见图1，本反射镜平动式光栅光调制器的单个像素的结构组成包括固定光栅1，反射面2，支撑梁3、绝缘层4基底5、电极层6、可动平板7，驱动电路8。其制作方式如下：利用过氧化技术先在基底5上淀积一层硅的氧化物，形成绝缘层4，起绝缘作用；由多晶硅材料组成的电极层6是在此氧化物之上淀积而成；利用牺牲层技术，制成支撑梁3及可动平板7；支撑梁3同电极层6之间形成电容式极板，支撑梁3的可选材料很多，本发明采用氮化硅上镀铝的双层结构的方式，也可采用多晶硅作为材料的单层结构。可动平板7由掺氮的硅材料组成，具有很高的刚度，并由支撑梁支撑，位于电极层6之上一定间距处，由施加到电极层6上的偏压驱动做垂直向下移动，可动平板7上镀有AL反射面2；固定光栅1表面同样镀有Al反射面，利用封装技术将固定光栅1与基底5固定，形成一个像素，若将固定光栅1整体罩于多个由上述部件组成的像素单元通过并列布置而形成面阵或线阵之上，形成如图4所示的结构，固定光栅与电极层之间为可动平板移动的空间间隙。

上述光栅光调制器是通过可动平板的上下运动，使得入射光束经光栅衍射后在起衍射图像的不同位置得到不同的光强分布。参见图5，为关态，即不加电压的初始态，当不加电压时，当可动平板处于图示的第一平面，可动平板同固定光栅的高度差为nλ/2，满足入射光束经光栅和平板反射得到的两束光线在相位上相差2nπ，相遇干涉后在光强集中在衍射图像的零级；参见图6，为开态，当施加一定的偏压，静电力的作用使可动平板垂直向下运动，当下降位移为(2n-1)λ/4时，经两者反射得到的反射光束的相位差为(2n-1)π/2，这样得到的衍射光强，在零级处几乎为零，而在±1级处得到最大光强。这两种状态的衍射效率分布参见图7。

可动平板2实现垂直上下移动有很多现有技术可以实现，以一个像素为例，图2和图3给出了其中的两种。图3是可动平板7的中心固定在支撑梁3上，支撑梁共有四根；图3是可动平板7的四个角与支撑梁3连接。无论是何种方式，在对支撑梁或电极层施加一定的电压的情况下，支撑梁经电耦合，支撑梁都会受电场力驱动并向下弯曲，从而带动可动平板垂直向下运动。

偏压施加装置8采用本领域现有的成熟技术，多采用电压驱动。根据不同的阵列要求，采用有源驱动或无源驱动方式。同时驱动电路的电极引出线可在制作该结构的同时得到。

以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims (5)

1、反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于光调制器包括有：

a基底；

b基底之上形成的绝缘层和电极层；

c位于电极层之上一定间距、由支撑梁支撑的可动平板，可动平板具有反射面，并由施加到支撑梁或电极层上的偏压驱动做垂直上下移动；

d用于支撑可动平板的支撑梁，该支撑梁下部支撑在基底上，并镀有金属薄膜，该支撑梁具有电耦合性，使支撑梁同电极层之间形成可动的电容极板；

e一个固定光栅，该固定光栅罩于上述部件组成的结构单元之上，并与基底固定，固定光栅与电极层之间为可动平板移动的空间间隙；

f驱动电路，通过电极引出线连接电极层和支撑梁，产生不同电平、不同频率的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于：支撑梁位于可动平板正下方，或位于可动平板四边外侧，并与其在同一平面内平行布局。

3、根据权利要求1或2所述的反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于：在不加电压时，可动平板同固定光栅的高度差为nλ/2，满足入射光束经固定光栅和可动平板反射得到的两束光线在相位上相差2nπ，相遇干涉后光强集中在衍射图像的零级；在施加偏压后，平板垂直向下的位移量为(2n-1)λ/4时，满足经入射光束经固定光栅和可动平板两者反射得到的反射光束的相位差为(2n-1)π/2，衍射光强在零级处为零，而在±1级处得到最大光强。

4、一种反射镜平动式光栅光调制器阵列，其特征在于：使用多个权利要求1所述的光调制器结构单元按行和列排列成阵列，相邻结构单元的可动平板交互排列在一条线上，固定光栅整体罩于多个结构单元形成阵列之上，并与基底固定，形成光调制器阵列，每个光调制器都独立施加偏置电压，其上下反射面的间距均单独可调，获得不同衍射效果。

5、根据权利要求4所述的反射镜平动式光栅光调制器阵列，其特征在于：在不加电压时，可动平板同固定光栅的高度差为nλ/2，满足入射光束经固定光栅和可动平板反射得到的两束光线在相位上相差2nπ，相遇干涉后光强集中在衍射图像的零级；在施加偏压后，平板垂直向下的位移量为(2n-1)λ/4时，满足经入射光束经固定光栅和可动平板两者反射得到的反射光束的相位差为(2n-1)π/2，衍射光强在零级处为零，而在±1级处得到最大光强。

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