CN1658008A - 悬臂梁式闪耀光栅光调制器及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬臂梁式闪耀光栅光调制器及阵列，它具有一个基底和一个电驱动装置，基底上依次形成有下电极层和绝缘层，在绝缘层上方悬浮有多个具有反射表面的带状物，绝缘层和带状物之间留有间隙，这些带状物由各自的一个端部支撑在绝缘层上，同时带状物上的一层金属铝膜形成上电极，也作为光反射层，整个形成悬臂梁式结构，带状物按行列位置并列布置，形成面阵，所有的带状物在自由状态时基本共面。通过施加偏压，所有的反射平面都可以保持在第一平面内。当所有的部件位于第一平面内时，衍射光栅反射入射光束。当所述预定的带状物位于设定的倾斜角度时，衍射光栅衍射入射光束，此时，该闪耀光栅将光能量闪耀到预定的衍射级次上。

Description

悬臂梁式闪耀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。更具体地说，本发明涉及一种悬臂梁式闪耀光栅光调制器，它具有基本上为平面的反射表面，该表面具有可选择地变形，以提供闪耀衍射光栅。

背景技术

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。

DMD则是由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成像器件的总出光效率大大提高，调制速度快，对比度、亮度和均匀性都非常出色，微镜的紧密间隙令投射的影像产生更细致的无缝画面，分析力特别高。但它仍存在制作过程复杂，良品率低的缺点。

GLV是一种典型的微光机械***，用于光开关、光衰减器和高清晰度电视中的关键器件等。GLV器件是通过衍射效应对光束起到开关或衰减的作用，而不是采用镜面反射或偏振调制。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的奇数倍时，经由不同的带状物反射的入射光束产生π/2的奇数倍的相位差，因此在衍射图像的一级得到最大光强；偏移量为λ/2的偶数倍时，经由不同的带状物反射的入射光束产生π的偶数倍的相位差，因此在衍射图像的零级得到最大光强，这样就达到光束调制的目的。

上述GLV存在的问题如下：

(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，栅条处于同一平面内，达到完全反射入射光的目的，否则，若栅条不处于同一平面内，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栅条均下降到同一高度，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，两条栅条之间存在一个间隙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，栅条的长度应为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的面阵结构。

发明内容

针对现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提供一种悬臂梁式闪耀光栅光调制器及阵列，扩大器件的有效面积，实现调制器的面阵结构，提高器件的光学衍射效率，简化器件的加工工艺。

本发明的发明目的采用以下技术方案实现：

本发明设计的悬臂梁式闪耀光栅光调制器具有如下结构，它具有一个基底和一个电驱动装置，基底上依次形成有绝缘层和电极层，在电极层上方悬浮有多个具有反射表面的带状物，电极层和带状物之间留有间隙，这些带状物由各自的一个端部支撑在基底上，形成悬臂梁式结构，带状物按行列位置并列布置，形成面阵，所有的带状物在自由状态时基本共面。在电驱动下，所有的带状物的悬浮端将被偏置到支撑凸台，形成闪耀光栅。

当器件未被施加电压时，所有的带状物都位于第一位置内，器件处于OFF态，见图3，衍射光栅将光束反射，大部分的能量集中在0级。当通过在电极层和带状物之间施加适当的偏压，静电力就会使这些悬浮的带状物向下变形，由于其是悬臂梁式结构，因此所有的悬浮带状物都向下倾斜相同角度，形成一个闪耀角为θ_b的闪耀光栅，带状物位于第二位置，器件处于ON态，见图4，此时器件对入射光有衍射的作用，根据衍射理论，大部分的光能量将集中在设计需要的级次上(一般为1级)，这样就达到了对光的调制作用。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

(1)由于采用闪耀光栅的原理，理想情况下可使光能量全部集中在1级；

(2)由于采用悬臂梁结构，制作的工艺比较简单；

(3)通过对电极层施加适当的偏压，以及支撑凸台的作用，使所有的反射表面都可以保持在预定的倾斜角度下，那么可以在预定的接收角度下得到高的衍射效率；

(4)在保证足够刚度的条件下，可以增加闪耀面积，相对的有效面积比光栅光阀大，容易形成面阵；

附图说明

图1是本发明提出的悬臂梁式闪耀光栅光调制器的三维结构图；

图2是本发明提出的工艺流程；

图3是图1所示的光调制器在“OFF”态的状态示意图；

图4是图1所示的光调制器在“ON”态的状态示意图；

图5是两种状态的衍射效率分布图；

图6是本发明提出的悬臂梁式闪耀光栅光调制器形成面阵的示意图。

具体实施方式

参见图1、2，悬臂梁式闪耀光栅光调制器具有以下组成结构：一个基底21和一个电驱动装置200，基底上依次形成有下电极层22和绝缘层23，在绝缘层上方悬浮有多个具有反射表面的具有悬臂梁结构的带状物25，绝缘层23和带状物25之间留有间隙，这些带状物25由各自的一个端部支撑在基底上，形成悬臂梁式结构。驱动电路200通过线路连接上、下电极，驱动电路200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，采用并行或串行驱动方式。同时驱动电路的电极引出线可在制作该结构的同时得到。当图1中的驱动电路200所施加适当的偏压时，带状物25保持水平共面；当200所施加的电压为特定偏压时，带状物将偏斜，形成闪耀光栅。带状物按行列位置并列布置，形成面阵。

上述结构按以下工艺获得：

1.在硅衬底为基底21，在其上淀积一层金属铝作为下电极层22；

2.淀积一层SiO₂作为电绝缘层23；

3.掩模腐蚀形成支撑凸台24；

4.淀积一层牺牲层，牺牲层材料为PSG，掩模腐蚀牺牲层，并淀积一层金属铝膜形成上电极，也作为光反射层；

5.掩模刻蚀形成悬臂梁结构25；

6.释放牺牲层，获得整个结构。

上述结构的光调制器在未施加电压时，其带状物25从端部被悬浮起来，保持共面。通过对上下电极层施加适当的偏压，以及支撑凸台24的作用，使所有的反射表面都可以保持在预定的倾斜角度θ_b下。当所有的带状物都位于第一平面内时(OFF态，图3)，入射的光将全部被反射。当这些带状物位于第二位置(ON态，图4)，即存在相同的倾斜角度时，衍射光栅将使光束发生衍射，将绝大部分的能量衍射到需要的级次上(一般1级)，如图5所示。也就是说，当结构起反射镜的作用时，所用的光都被反射回去，不发生衍射，大部分的能量都集中在0级。当结构处于“ON”态时，其将起到衍射光栅的作用，通过设计光调制器的各个参数值，可以使得能量都集中到需要的某一级次上。

该悬臂梁式闪耀光栅光调制器形成的面阵结构如图6所示。

Claims (4)

1、悬臂梁式闪耀光栅光调制器，它具有一个基底和一个电驱动装置，基底上依次形成有下电极层和绝缘层，其特征在于：在绝缘层上方悬浮有多个具有反射表面的带状物，绝缘层和带状物之间留有间隙，这些带状物由各自的一个端部支撑在绝缘层上，同时带状物上的一层金属铝膜形成上电极，也作为光反射层，整个形成悬臂梁式结构，带状物按行列位置并列布置，形成面阵，所有的带状物在自由状态时基本共面，在电驱动下，所有的带状物的悬浮端将被偏置到支撑凸台，形成闪耀光栅。

2、根据权利要求1所述的悬臂梁式闪耀光栅光调制器，其特征在于：在基底上设置有多个高度一致的支撑凸台，这些支撑凸台分别对应每一个悬臂梁式带状物的悬浮端。

3、一种悬臂梁式闪耀光栅光调制器阵列，其特征在于使用多个权利要求1或2所述的光调制器按行排列成阵列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，形成衍射效果不同的点阵。

4、一种悬臂梁式闪耀光栅光调制器阵列，其特征在于使用多个权利要求1或2所述的光调制器按行和列排列成面列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，可以在一个面上形成衍射效果不同的点阵。

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