CN1965343A - 光阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于反射和衍射入射光的光阀(40)，其包括：配有反射面(60)的可静电操作的金属薄片(42)，在该金属薄片(42)的一侧上提供的反射光栅结构(52)，以及用于在该金属薄片(42)上引起静电力的装置(48，56，60)，用以使所述金属薄片在第一位置和第二位置之间转换，在第一位置处，所述金属薄片与所述光栅结构(52)分开，从而由所述光阀(40)接收的入射光(64)将被所述反射光栅结构(52)衍射，在第二位置处，所述金属薄片与所述光栅结构(52)接触，从而由所述光阀(40)接收的入射光(64)基本上被所述金属薄片电极(60)镜面反射。因此可以使用不具有活动部件的光栅结构，这使得光阀易于制造。本发明还涉及包括至少一个这种光阀的成像***。

Description

光阀

技术领域

本发明涉及一种光阀以及包括至少一个这种光阀的光学成像***。

背景技术

反射光阀例如用在各种投影***中。反射光阀的例子是光栅光阀(GLV)和光栅电机***(GEMS)。GLV和GEMS都利用用于选择暗或亮像素的转换光栅的原理。

如图1a-1b中所示，像素12的光栅机构10通常由衬底16上提供的许多活动条14组成。当所有的条都位于一个平面内时(图1a)，像素12充当平面镜，入射到光栅上的光17发生镜面反射。另一方面，当借助于静电力将光栅的奇数条或偶数条拉下时(图1b)，该像素充当光栅，这意味着入射光17在一组规定的角内发生相长干涉，即所谓的高阶模式。这样，使入射到该光栅上的光发生衍射。

镜面反射的光18(0阶模式)被阻挡，高阶模式20被投影透镜收集并将其投射到屏幕上。这样，当像素充当平面镜时，阻挡所有的反射光，像素处于OFF状态或者暗态。当像素充当光栅时，透镜收集大部分衍射光，像素处于ON状态或者亮态。

GLV和GEMS都利用集成在硅衬底上的多个活动元件。但是，对于这些元件的形成，必需使用很难的关键工艺光刻技术，如蚀刻不足、剥离和牺牲层。这固有地使其成为对产量问题敏感并可能限制该结构的空间分辨率的过程。

另一种类型的显示器是金属薄片显示器(foil display)。例如WO00/38163中记载了一种常规的金属薄片显示器。这种显示器如图2中所示，其包括光导板22和非发光板(non-lit plate)24，在中间夹着散射金属薄片26。光导板和非发光板上有各自的平行电极组28、30，其相对于彼此垂直排列。光导板上的电极沿列方向排列，而非发光板上的电极沿行方向排列。金属薄片也配有电极层32。这些电极由所提及的每个表面上形成的ITO层来形成。每组电极的交叉处限定显示器的像素。

通过向光导板22、非发光板24和金属薄片26上的适当电极施加电压，可以将金属薄片吸引到光导。当金属薄片与光导接触时，从该光导中吸取出光源31发出的光。

但是，由于金属薄片显示器是基于将光耦合到光导外面，因此根本不适合用作反射光阀。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将入射光反射和衍射的改进的光阀，该光阀是坚固的并且易于制造。

根据本发明的第一方面，该目的和其他目的由如下光阀来实现，该光阀包括配有反射面的可静电操作的金属薄片，在该金属薄片的一侧上提供有反射光栅结构，以及用于在该金属薄片上引起静电力的装置，用以使金属薄片在第一位置和第二位置之间转换，在第一位置处，金属薄片与所述光栅结构分开，从而由所述光阀接收的入射光将被所述反射光栅结构衍射，在第二位置处，金属薄片与所述光栅结构接触，从而由所述光阀接收的入射光基本上被所述金属薄片电极镜面反射。

本发明基于以下理解，即通过安排反射金属薄片与固定光栅结构相互作用，使得当金属薄片靠在光栅上时使入射光发生镜面反射，并且当金属薄片与光栅分开时使入射光发生衍射，在操作过程中不需要移动光栅结构本身。这样，可以使用不具有活动部件的光栅结构。光栅结构例如可以是固定的薄结构、高反射的金属涂层，其可以在一个淀积步骤中利用直接光刻(straightforward lithography)制成，因此不再需要具有牺牲层的很难的剥离技术。这明显使得光阀更易于制造。

本发明的光阀的另一个优点在于，由于光阀显示出非常低的暗态级(dark level)，因此能够投影具有高反差比的图像。

优选的是，金属薄片的反射面由金属薄片电极构成，即，金属薄片电极是反射电极，例如金属层。其优点在于该金属薄片不必配有单独的电极和单独的反射面，这便于光阀的制造。

用于在金属薄片上引起静电力的装置可以是相对于该金属薄片位于光栅结构另一侧的电极。因此能够通过向该电极和金属薄片电极施加适当的电压来对该金属薄片进行定址，从而操作该金属薄片趋向前板。可以通过静电或机械力来吸引该金属薄片远离前板，所述静电或机械力例如借助于因金属薄片的弹性而引起的弹力。

在本发明的另一个实施例中，反射光栅结构是导电的，并且构成第一电极。这样，光栅结构用作光栅和电极。其优点在于便于光阀的制造。

优选的是，该光阀具有细长的形状，这便于金属薄片的位置转换。并且，优选将反射光栅结构设置地垂直于光阀的纵向。换句话说，使光栅的条垂直于光阀的长边而设置。这种垂直结构的优点在于，特别是对于小型化的像素来说，可以将大多数条照亮，这提高了光栅的质量。可选择的是，可以将反射光栅结构设置地平行于光阀的纵向，即，使光栅的条平行于光阀的长边而设置。

光栅结构可以设置在前板上，充当光阀的外表面(面向入射光)。优选的是，第一电极也可以设置在前板上。

该光阀可进一步包括相对于前板位于金属薄片的另一侧的背板，因此金属薄片被放置在前板和背板之间。优选的是，通过隔离物使金属薄片与背板分开。在这种情况下，可以将用于在金属薄片上引起静电力的装置设置为使得当金属薄片处于其静止位置时金属薄片靠在前板的光栅结构上。可选择的是，隔离物可以位于前板和金属薄片之间，或者位于金属薄片的两侧。

用于在金属薄片上引起静电力的装置可进一步包括设置在背板上的第二电极。使用两个电极(除了金属薄片电极之外)使得在例如该光阀被设置在相似光阀的二维阵列中时能够实现良好的寻址能力。在这种情况下，优选使用驱动电压寻址方案来将电压施加于适当电极上以便对特定光阀或像素进行寻址。

根据本发明的另一方面，提供一种成像***，该成像***包括根据前面描述中的至少一个光阀。该成像***进一步包括用于照明该至少一个光阀的光源，以及用于选择来自至少一个光阀的衍射光的至少一部分的装置。优选的是，该选择装置包括光束光阑，其设置为阻挡已经从该至少一个光阀镜面反射的光。

该成像***可包括一个单光阀，其用来形成单像素图像，由此该成像***进一步包括用于扫描该像素图像以便形成二维图像的扫描仪。

可选择的是，成像***可包括许多光阀，这些光阀构成用于形成线图像的一维阵列，所述线图像即“一维”图像，由此该成像***进一步包括用于扫描连续的线图像以便形成二维图像的扫描仪。

可选择的是，该许多光阀可形成二维阵列。在这种情况下，形成完整图像，并可以不使用扫描仪。

附图说明

在下文中，将参考示出优选实施例的附图来更详细地描述本发明的这些和其他方面。

图1a-1b示出根据现有技术的光阀，

图2示出根据现有技术的金属薄片显示设备，

图3a是根据本发明的单个光阀处于ON状态的示意性侧视图，

图3b是图3a中的光阀处于OFF状态的示意性侧视图，

图4a-4b是说明不同光栅结构配置的示意性顶视图，

图5a-5b是根据本发明另一个实施例的光阀的示意性侧视图，以及

图6是包括至少一个光阀的光学***的示意图。

具体实施方式

图3a-3b中示意性地示出了根据本发明的单光阀或像素。相同的附图标记用于光阀的相应元件。

图3a-3b中的光阀40包括机电操作的金属薄片42，其夹在前板44和背板46之间。前板44优选由玻璃制成，并且至少前板对于来自光源(未示出)的光是透明的。背板46可以是任何材料。

前板44在其面向金属薄片42的那一侧上配有透明电极48。电极48可以由ITO层形成。电极48由介电层50覆盖，所述介电层例如由SiO₂制成。在介电层的顶部提供薄结构、高反射的金属涂层52。该金属涂层由大量细长的矩形条组成，这些矩形条充当光栅，制成的涂层足够厚以反射入射光。通常，涂层的厚度是大约50nm。可以在介电层上利用基本的光刻技术淀积该金属涂层，即光栅。

图4a-4b中进一步详示了反射光栅结构52的不同布局。图4a和4b都示出具有细长矩形形状的光阀40的顶视图。光阀40的尺寸，即像素的尺寸是例如100×600μm。图中还示出了光栅52，其由许多细长矩形金属条54组成。每个条之间的距离，即光栅的间距用d表示。在图4a中，光栅结构52垂直于光阀40的纵向而设置。换句话说，光栅结构52的条54垂直于该光阀的长边而设置。可选择的是，在图4b中，光栅结构52平行于光阀40的纵向而设置，即该光栅的条54平行于光阀的长边而设置。

返回图3a-3b，背板46在其面向金属薄片42的那一侧配备有电极56。电极56可以是不透明电极。可选的是，电极56由介电层58覆盖。

位于前板44和背板46之间的金属薄片42在其面向前板的光栅52那一侧上配备有金属层60。金属薄片上的金属层充当电极和光反射器。可以通过向电极48、56和60施加适当电压来激励金属薄片42。

在图3a-3b中，借助于隔离物62使金属薄片42与背板46分开。在这种情况下，当金属薄片42处于其静止状态时金属薄片42压住前板44。优选的是，隔离物62的高度对应于入射光的波长的四分之一。隔离物的高度通常在大约100nm至2μm的范围内。作为图3a-3b中所示隔离物62的定位的可替代方案，隔离物可以位于前板和金属薄片之间，或者位于金属薄片的每一侧。

现在分别针对图3a和图3b中所示的两种不同状态来描述光阀40的操作。

当光阀40处于第一状态时(图3a)，通过向电极48、56和60施加适当电压而将金属薄片42拉向背板46。在这种状态下，朝前板垂直入射的光束64将“看见”具有间距d的反射光栅，即光栅52。光栅52致使入射光以下面给出的规定角发生衍射：

n·d·sinθ＝m·λ           (1)

其中n是折射率，d是光栅间距，θ是阶角(angle of the order)，m是阶数，λ是入射光的波长。

由反射光栅52衍射和反射的光，即所谓的高阶模式，在图3a中用66标明，并且如后面将描述的，在衍射/反射之后由聚焦透镜(未示出)接收。该第一状态规定为像素的“ON”状态或亮态。

当光阀40处于第二状态时(图3b)，金属薄片42被拉向前板44，从而使金属薄片靠在光栅52上。这通过向电极48、56和60施加适当电压来实现。在这种状态下，由于金属薄片42的反射金属层60压到前板的光栅52，因此朝前板垂直入射的光束64将“看见”基本上平坦的镜子，并且该光基本上发生镜面反射。镜面反射的光，即，零阶模式，在图3b中用68标明，并且如后面将描述的，在反射之后由光束光阑(未示出)接收。该第二状态规定为像素的“OFF”状态或者暗态。

但是，由于光栅52和金属薄片的反射金属层的贴合不理想，因此在这种状态下还存在具有间距0.5d的衍射结构。

还应该注意，可以抽空在玻璃板44、46之间的空间以便提高光阀的金属薄片的位置转换速度。

根据另一个实施例，如图5a-5b中所示，去掉了前板44的透明电极。取而代之的是，光栅52将充当电极。但是，在这种情况下，必须将光栅/电极52与金属薄片电极60隔离。在图5a-5b中，这通过用介电层70覆盖光栅52来实现，该介电层将光栅/电极52与金属薄片电极60隔离。该层的厚度为等于所用光的波长的0.5倍的光程长度。在可选择的解决方案(未示出)中，通过将金属薄片电极设置在金属薄片的另一侧，即其面向背板的一侧，来将光栅/电极与金属薄片电极隔离。在这种情况下，金属薄片必须是金属的，以便其可以在OFF状态下充当镜子。并且，背板必须覆盖介电层。

图6示出用于将图像投射到屏幕上的光学成像***76的示意图。该***76包括至少一个光阀的阵列72。在下文中，假定该阵列包括许多光阀，该光阀或像素可以是上述任何一种类型。除了光阀阵列72之外，该光学***76还包括光源78，如激光器或LED光源，其具有产生沿一个方向偏振的光的装置(未示出)。偏振光束分离器81和1/4λ板79(即，厚度等于入射光的波长的1/4的板)设置在光路中，所述偏振光束分离器81与光的偏振方向对准。在来自光源的光穿过光束分离器81和板79之后，所述光照亮阵列72。该***进一步包括投影透镜82和光束光阑80，以及反射镜扫描仪84，该光束光阑设置在透镜82的焦点处(纹影光阑(Schlieren stop))，该焦点位于投影透镜82的焦平面90中的焦点处。

当操作光学***76时，来自光源78的偏振光穿过光束分离器81和1/4λ板79。该1/4λ板79的取向为相对于入射光的偏振方向成45度，以便将来自光源的偏振光转变为圆偏振光。该光由阵列72的光阀选择性地镜面反射或者衍射，然后所述光再次穿过1/4λ板79。这一次该1/4λ板将圆偏振光转变为偏振方向与入射光的偏振方向垂直的光。因此，光束分离器81将该反射(或衍射)光反射。

由光阀在OFF状态下镜面反射的光88(零阶模式)以与投影透镜82的光轴平行的方向反射向投影透镜82。因此，从不同光阀镜面反射的光聚焦在投影透镜82的焦平面90的焦点处，并由光束光阑80吸收。

由光阀在ON状态下衍射的光(例如正和负的一阶衍射92和93)将沿着与投影透镜82的光轴不平行的方向反射向投影透镜82，因此不会被引导到焦点中(光束光阑所处的位置)。对应的衍射光束，例如正一阶模式92将共享射入投影透镜82的相同入射角，因此在焦平面内彼此交叉。因而，源于阵列72的一个和相同光阀的正和负的一阶模式92和93将聚焦在聚焦透镜82的焦平面90之上的平面内，并在该位置形成图像。在图示的例子中，这些光束在聚焦在像平面94之前首先被反射镜扫描仪84反射。

应该注意，上述光阀阵列可以是“零维的”(即单个光阀)、一维的或二维的。在单个光阀或像素的情况下，反射镜扫描仪是二维的，在一维阵列的情况下，反射镜扫描仪是一维的，以便形成可投射到投影屏上的二维图像。在二维阵列的情况下，光阀阵列72形成完整的图像，并且可以不需要使用反射镜扫描仪。可以借助于电极48和56利用某一类型的矩阵寻址来对阵列的光阀进行寻址。

还应该注意，可以使用非偏振光束分离器来代替1/4λ板79和偏振光束分离器81。但是，非偏振光束分离器的使用是不太有效的，因为75％的光将会损失掉。

并且可选择的是，图6中的光学***设置为使来自光源的光朝光阀阵列倾斜地入射，即不是如图6中所示基本上垂直地入射。在这种情况下，投影透镜设置为使来自阵列的镜面反射的光沿着基本上与投影透镜的光轴平行的方向射入投影透镜。在这种情况下，可以不使用1/4λ板79和偏振光束分离器81。

出于效率的原因，也将高阶模式成像是有益的，即不仅仅如上所述将一阶模式成像。但是，二阶模式在与像素的OFF状态中形成的光栅结构的一阶模式相同的角度下发生衍射。这同样适用于光栅的每个偶数阶。因此，必须由纹影光阑截取这些阶。

但是在实践中，将一阶模式成像就足够了，并且仍然具有成像***的高效率。如果希望更高的效率，那么也可以捕获三阶模式，特别是当由于金属薄片的弯曲而使光栅不是完全的矩形时。这些模式必须由投影透镜来收集，该投影透镜优选具有2或者更大的孔径(F/#)。这意味着可以被捕获的最大角度是14度。通过利用方程式1，可以推导出光栅的间距应该至少是所用光的波长的13倍以便捕获三阶模式。对于绿光来说，这意味着最小光栅间距d是7μm，金属条的最小宽度是3.5μm。如果仅仅需要捕获一阶模式，那么最小光栅间距d为2.5μm是可接受的。

最小间距是最终限制成像***的对比度的重要参数。对于所希望的像素尺寸，光栅间距决定了在像素中适用的金属条的数量。该数量最后决定光栅的质量，并因此决定成像***的鉴别率(＝对比度)。

本发明不限于上面描述的实施例。本领域的技术人员将认识到可以在不背离随附的权利要求所要求的本发明范围的情况下进行多种变化和修改。

Claims (14)

1.一种光阀(40)，其具有用于反射和衍射入射光的至少两种状态，其包括：

-配有反射面(60)的可静电操作的金属薄片(42)，

-在该金属薄片(42)的一侧上提供的反射光栅结构(52)，以及

-用于在该金属薄片(42)上引起静电力的装置(48，56，60)，用以使所述金属薄片在第一位置和第二位置之间转换，在第一位置处，所述金属薄片与所述光栅结构(52)分开，从而由所述光阀(40)接收的入射光(64)将被所述反射光栅结构(52)衍射，在第二位置处，所述金属薄片与所述光栅结构(52)接触，从而由所述光阀(40)接收的入射光(64)基本上被所述金属薄片电极(60)镜面反射。

2.根据权利要求1的光阀，其中所述反射面(60)由金属薄片电极层形成。

3.根据权利要求1或2的光阀，其中所述用于在金属薄片上引起静电力的装置包括相对于金属薄片(42)设置于光栅结构(52)的另一侧上的第一电极(48)。

4.根据权利要求3的光阀，其中所述反射光栅结构(52)是导电的，并且构成所述第一电极(48)。

5.根据权利要求1的光阀，其中所述光阀(40)具有细长形状，并且其中所述反射光栅结构(52)设置得垂直于或平行于所述光阀的纵向。

6.根据权利要求1的光阀，其中所述光栅结构(52)设置在前板(44)上。

7.根据权利要求1的光阀，进一步包括背板(46)，该背板设置在金属薄片(42)的相对于光栅结构(52)的另一侧上。

8.根据权利要求7的光阀，其中所述用于在金属薄片上引起静电力的装置进一步包括设置在所述背板(46)上的第二电极(56)。

9.根据权利要求6-8中一项权利要求的光阀，其中由隔离物(62)将金属薄片与所述前板和所述背板中的至少一个隔离。

10.根据权利要求8的光阀，其中隔离物(62)设置在所述金属薄片(42)和所述第二电极(56)之间。

11.一种成像***(76)，其包括：

-根据前面任一项权利要求的至少一个光阀(40)，

-设置用于照明所述至少一个光阀的光源(78)，以及

-用于选择来自所述至少一个光阀的衍射光的至少一部分的装置(80，82)。

12.根据权利要求11的成像***，其中所述选择装置包括光束光阑(80)，其设置为阻挡已经从所述至少一个光阀镜面反射的光。

13.根据权利要求11或12的成像***，包括一个单光阀(40)，其用来形成单像素图像，并且其中所述***进一步包括用于扫描所述像素图像以便形成二维图像的扫描仪(84)。

14.根据权利要求11或12的成像***，包括许多光阀，这些光阀构成用来形成线图像的一维阵列(72)，并且其中所述***进一步包括用于扫描连续的所述线图像以便形成二维图像的扫描仪(84)。

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