專利名稱：反射鏡平動式光柵光調(diào)制器及陣列的制作方法
技術領域：
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式光柵光調(diào)制器及陣列，它是基于可動平板和固定光柵來實現(xiàn)對光束的不同調(diào)制，以提供不同的衍射光能量的分布，達到投影顯示系統(tǒng)的要求。
背景技術：
現(xiàn)有技術已經(jīng)公開了多種可以單獨使用或與其他調(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)應用已取得了巨大的成功。DMD是由MEMS技術制造的上百萬個可偏轉(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)生更細致的無縫畫面，分析力高。
但是DMD的缺陷在于，其復雜的多層結(jié)構(gòu)導致制作過程復雜，良品率低下光柵光閥(GLV)是一種典型的微光機械系統(tǒng)，用于光開關或光衰減器等。GLV器件是通過衍射效應對光束起到開關或衰減的作用，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，當為其提供一個電壓時，可動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準、隔開、可移動的細長反射部件，每個可移動的反射部件均可以平行且隔開的平面內(nèi)相對于固定反射部件獨立移動?？梢苿拥暮凸潭ǖ姆瓷洳考绱伺渲?，使得相應的可移動和固定反射部件一起導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。當偏移量為λ/4時，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得到最大光強；偏移量不同，在一級得到的光強也不同，這樣就達到光束調(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現(xiàn)光束調(diào)制，其響應速度更高，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，即器件處于關態(tài)，帶狀物處于同一平面內(nèi)，達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，就會產(chǎn)生我們不希望得到的衍射光，降低器件顯示的對比度；而在施加偏壓時，即器件處于開態(tài)，又必須要保證一個像素中的可動帶狀物均下降到同一高度，這些對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，帶狀物的長度應為100微米左右，這樣，該器件只能用于線陣，在用于顯示時，需要借助機械掃描，無法形成如DMD的無縫面陣結(jié)構(gòu)。
對比現(xiàn)有光調(diào)制器技術，各有其優(yōu)缺點，能否有一種光調(diào)制器，在兼有上述光調(diào)制器優(yōu)點的同時，又能避免其缺點，做到像素上有效光學面積高，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
針對現(xiàn)有技術存在的諸多問題，克服DMD工藝復雜的缺點以及GLV的有效衍射面積低、難以集成為面陣等缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種反射鏡平動式光柵光調(diào)制器及陣列，擴大器件的有效面積，實現(xiàn)光調(diào)制器的陣列結(jié)構(gòu)，得到反射鏡平動式光柵光調(diào)制器系統(tǒng)，提高器件的光學衍射效率，簡化器件的加工工藝。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下本發(fā)明設計的是一種反射鏡平動式光柵光調(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平板，可動平板具有反射面，并由施加到支撐梁上的偏壓產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動做垂直向下移動；用于支撐可動平板的支撐梁，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的電容極板。
一個固定光柵，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平板移動的空間間隙；以及驅(qū)動電路，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態(tài)，在不加電壓時，即在“OFF”態(tài)，可動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，相遇干涉后光強集中在衍射圖像的零級；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，衍射光強在零級處幾乎為零，而在±1級處得到最大光強。
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平板的距離，若取n＝1，則當施加電壓范圍在0-V1之間時，高度差在λ/2至λ/4之間線性可調(diào)，衍射光強會隨著平板移動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)的時間來實現(xiàn)不同的灰度層次。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點分析如下1、由于本發(fā)明中的固定光柵不需要參與機械運動，有效解決了GLV的結(jié)構(gòu)必須存在的間隙(兩條細長梁之間的間隙)，提高了器件的光學衍射效率。
2、參與機械運動的反射部件采用平板形式，對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，其機械疲勞，粘附效應對結(jié)構(gòu)的影響很小，因此基本上能保證在器件處于開態(tài)或關態(tài)下時，多條反射光束的相位差恒定，提高光調(diào)制的對比度。
3、整個可動平板是由靜電力的帶動做整體的垂直上下運動，擴大了器件的有效衍射面積，減小了像素之間的間隙，可實現(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平板及其他部件的加工分離，它與整個結(jié)構(gòu)的機械響應、固有頻率等特性均沒有關系，僅與光學衍射效率有關，因此能更為有效地解決光學衍射問題，簡化器件的加工工藝。
5、在實現(xiàn)系統(tǒng)陣列化時，不需要每個像素均附加光柵，而只需要在得到陣列結(jié)構(gòu)后，利用封裝技術，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)明的運動部件只有可動平板，而且是由靜電力帶動做垂直上下運動，而不是DMD結(jié)構(gòu)的鉸鏈帶動左右偏轉(zhuǎn)，其加工工藝簡單，機械穩(wěn)定性高。
7、驅(qū)動平板運動的方式有很多，即可采用不同的支撐梁結(jié)構(gòu)帶動平板的上下運動，這樣以來，不同的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)平板運動的不同的響應速度，以滿足不同的應用場合這種光調(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式光柵光調(diào)制器的一種具體實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)簡圖(僅顯示了一個像素)；圖2是圖1的剖面圖；圖3是本發(fā)明提出的反射鏡平動式光柵光調(diào)制器的第二種具體實現(xiàn)方式的剖面結(jié)構(gòu)圖(僅顯示了一個像素)；圖4是本發(fā)明提出的反射鏡平動式光柵光調(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；具體實施方式
參見圖1，本反射鏡平動式光柵光調(diào)制器的單個像素的結(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、可動平板7，驅(qū)動電路8。其制作方式如下利用過氧化技術先在基底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，制成支撐梁3及可動平板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)。可動平板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)動做垂直向下移動，可動平板7上鍍有AL反射面2；固定光柵1表面同樣鍍有Al反射面，利用封裝技術將固定光柵1與基底5固定，形成一個像素，若將固定光柵1整體罩于多個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平板移動的空間間隙。
上述光柵光調(diào)制器是通過可動平板的上下運動，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分布。參見圖5，為關態(tài)，即不加電壓的初始態(tài)，當不加電壓時，當可動平板處于圖示的第一平面，可動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，相遇干涉后在光強集中在衍射圖像的零級；參見圖6，為開態(tài)，當施加一定的偏壓，靜電力的作用使可動平板垂直向下運動，當下降位移為(2n-1)λ/4時，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，在零級處幾乎為零，而在±1級處得到最大光強。這兩種狀態(tài)的衍射效率分布參見圖7。
可動平板2實現(xiàn)垂直上下移動有很多現(xiàn)有技術可以實現(xiàn)，以一個像素為例，圖2和圖3給出了其中的兩種。圖3是可動平板7的中心固定在支撐梁3上，支撐梁共有四根；圖3是可動平板7的四個角與支撐梁3連接。無論是何種方式，在對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，支撐梁都會受電場力驅(qū)動并向下彎曲，從而帶動可動平板垂直向下運動。
偏壓施加裝置8采用本領域現(xiàn)有的成熟技術，多采用電壓驅(qū)動。根據(jù)不同的陣列要求，采用有源驅(qū)動或無源驅(qū)動方式。同時驅(qū)動電路的電極引出線可在制作該結(jié)構(gòu)的同時得到。
以上采用實施例對本發(fā)明進行了描述。那些只有在本領域的技術人員閱讀了本公開文件之后才變得一目了然的改進和修改，仍然屬于本申請的精神和范疇。
權利要求
1.反射鏡平動式光柵光調(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平板，可動平板具有反射面，并由施加到支撐梁或電極層上的偏壓驅(qū)動做垂直上下移動；d用于支撐可動平板的支撐梁，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的電容極板。e一個固定光柵，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平板移動的空間間隙。f驅(qū)動電路，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)動電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的反射鏡平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于支撐梁位于可動平板正下方，或位于可動平板四邊外側(cè)，并與其在同一平面內(nèi)平行布局。
3.一種反射鏡平動式光柵光調(diào)制器陣列，其特征在于使用多個權利要求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)單元的可動平板交互排列在一條線上，固定光柵整體罩于多個結(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，每個光調(diào)制器都可以獨立施加偏置電壓，其上下反射面的間距均單獨可調(diào)，獲得不同衍射效果。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的反射鏡平動式光柵光調(diào)制器及陣列，其特征在于在不加電壓時，可動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，相遇干涉后在光強集中在衍射圖像的零級；在施加偏壓后，平板垂直向下的位移量為(2n-1)λ/4時，滿足經(jīng)入射光束經(jīng)固定光柵和可動平板兩者反射得到的反射光束的相位差為(2n-1)π/2，衍射光強在零級處幾乎為零，而在±1級處得到最大光強。
全文摘要
反射鏡平動式光柵光調(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平板，由施加到電極層上的偏壓驅(qū)動做垂直向下移動；與基底固定的固定光柵，整體罩于多個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平板移動的空間間隙。光柵光調(diào)制器在未加電壓時，平板位于第一平面內(nèi)，光強集中在衍射零級；通過電壓驅(qū)動，平板垂直上下運動，位于第二平面，光強集中在衍射一級，由此實現(xiàn)對入射光束的不同調(diào)制，以提供不同的衍射光能量的分布。本調(diào)制器具有擴大器件的有效面積，實現(xiàn)光調(diào)制器的面陣結(jié)構(gòu)，提高器件的光學衍射效率，簡化器件的加工工藝等優(yōu)點。
文檔編號G02B26/00GK1645183SQ20051002018
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權日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 申請人:重慶大學