CN100595629C - 桥式光栅光调制器及其阵列 - Google Patents

Abstract

一种能够对入射光进行相位调制的桥式光调制器及其阵列，它是基于MOEMS技术在硅片上分层构造的器件。在底层反射面正上方有一组双端支撑的弹性梁，弹性梁上由两锚点支撑金属反射栅条，形成顶层反射面。顶层反射面和底层反射面之间的间距可变，在两者之间不加电压时，间距为nλ/2；加固定偏置电压V₁时，间距为(2n-1)λ/4；当施加电压范围在0-V₁之间时，间距在nλ/2至(2n-1)λ/4之间线性可调。使用多个这样的光调制器形成阵列时，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，顶层反射面作垂直平动，形成衍射效果不同的点阵，使得像素投影成像在光栅方向上没有间隙，达到无缝显示的效果。这种光调制器可广泛地用于显示、投影、印刷、光通讯、光谱仪上。

Description

桥式光栅光调制器及其阵列

技术领域

本发明涉及一种光调制器件，更具体的说，本发明涉及一种桥式光栅光调制器，该器件是利用深度可变的矩形槽光栅对入射光的相位进行调制。

背景技术

随着数字技术的发展，大屏幕显示，尤其是高清晰数字电视技术的成熟，许多的设计者和发明者已经设法开发可以单独使用或与其他调制器一起使用的光调制器，其中基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用。它们在应用于显示设备上时具有共同的优点，即出光效率很高，清晰度高，调制速度快，灰度级较多，能与数字电视技术指标兼容，对比度、亮度和均匀性都非常出色，信号易于处理等等。

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MOEMS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，分析力特别高。GLV与DMD不同之处在于，它是利用光栅衍射原理实现光线调制，其响应速度更高，电路简单，制造工艺简单，良品率高。

但是，DMD和GLV也有不足之处。

DMD的缺陷在于，其复杂的结构导致制作过程复杂，良品率低下。

GLV的缺点在于：它较难保证构成光栅的带状物处于同一平面内；光栅带之间的间隙影响衍射效率；可动光栅上真正有效的衍射区太小；特别是单个像素长度大、面积大，使得GLV只能作线阵，须加光学扫描机构才能用于光学成像系统，这就增加了光学机构的复杂性和装配难度，增加了整机的成本。

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，工艺相对简单，良品率高，这成为我们发明的初衷。

发明内容

为了克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效衍射面积低、难以集成为面阵的缺点，本发明的目的在于提供一种桥式光栅光调制器，采用衍射原理，对入射光进行相位调制，增大器件的有效利用面积，提高光学效率和对比度，简化制造工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的桥式光栅光调制器采用衍射原理，对入射光进行相位调制，用MOEMS技术制造微型器件。它是基于现有的IC工艺，在硅片上分层构造器件。包括以下结构：

一带氧化层的硅基底，其上淀积有金属下电极兼底层反射面；

一覆盖于底层反射面上的透明绝缘层；

一组间距布置于透明绝缘层上的桥式弹性梁兼上电极，每个桥式弹性梁被两个或多个锚点支撑；

一组金属反射栅条即顶层反射面，每条栅条宽度和长度与对应的桥式弹性梁的宽度和长度相当，每一栅条由两个或多个锚点支撑在桥式弹性梁正上方，并把下方的桥式弹性梁隐藏起来，从而实现光学平面反射与梁弯曲的相互独立，使得整个栅条反射面在下拉过程中都保持平坦，为实现面阵结构提供条件。

一驱动电路，通过电极引出线连接金属下电极和上电极，在下电极和上电极之间施加加偏置电压，由于下电极固定，做为上电极的桥式弹性梁在静电力的作用下向下弯曲，在偏置电压释放后，桥式弹性梁在自身弹性力的作用下回到原位，桥式弹性梁的上下弯曲运动带动栅条上下平动，使顶层反射面和底层反射面之间的间距发生变化，从而实现光学调制。

顶层反射面和底层反射面之间的间距可变，在两者之间不加电压时，间距为nλ/2；加固定偏置电压V₁时，间距为(2n-1)λ/4；当施加电压范围在0-V₁之间时，间距在nλ/2至(2n-1)λ/4之间线性可调。使用多个这样的光调制器形成阵列，每个光调制器为一个像数，相邻像素的边缘栅条之间的间隙和各像素内部的栅条间隙相同，使得像素投影成像在光栅方向上没有间隙；每个光调制器独立施加偏置电压，其上下反射面的间距均单独可调，形成衍射效果不同的点阵，通过行列寻址驱动实现面阵调制。

本发明由于相对简单的结构，完全可以用通用的IC表面加工工艺实现，解决了DMD工艺复杂，良品率低的问题。同时弹性梁位于栅条反射面的正下方，使得整个栅条反射面在下拉过程中都保持平坦，均为有效光学面积，解决了GLV有效面积不足的问题。在集成阵列时，相邻的像素栅条间隙可以和像素内部栅条间隙相同，由于独特的光学衍射原理，使得像素投影成像在光栅方向上没有间隙。

本发明的优点是：出光效率高、调制速度快、对比度高、亮度高、均匀性好，同时制造工艺简单，良品率高，有效利用面积大。

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1a是本发明的单像素桥式光栅光调制器结构侧视图。

图1b是单像素桥式光栅光调制器结构剖面图。

图2a是单像素桥式光栅光调制器在未加电状态的衍射示意图。

图2b是单像素桥式光栅光调制器在加电后的衍射示意图。

图3是加电下拉过程中弹性梁和上层光栅条的变形情况图。

图4是由图1所示的桥式光栅光调制器形成阵列的示意图。

图中：1.硅衬底，2.氧化层，3.底层反射面即下层光栅兼下电极，4.透明绝缘层，5.桥式弹性梁兼上电极，6.顶层反射面即上层光栅

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1a显示了本发明的单像素桥式光栅光调制器结构侧视图。其中，在硅衬底1上经过热氧化形成一层氧化层2；再溅射(或蒸镀)并图形化底层反射面3；再在底层反射面3上淀积透明绝缘层4；在透明绝缘层4上旋涂牺牲层，刻蚀出支撑柱；随后溅射(或蒸镀)桥式弹性梁5；通过淀积第二层牺牲层和溅射(或蒸镀)工艺，形成顶层反射面6，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为上电极；最后释放牺牲层就可以得到如图1所示结构。入射光线实际上接受到了上层光栅6和底层反射面形成的下层光栅3的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过对弹性梁5施加偏压来调节。其中，底层反射面3和顶层反射面6可以使用导电性能和反射性能俱佳的金属铝，而透明绝缘层4优选PECVD形成的二氧化硅。由于结构和工艺相对简单，完全可以用通用的IC表面加工工艺实现，解决了DMD工艺复杂，良品率低的问题。图1b是单像素桥式光栅光调制器结构沿光栅条长度方向的剖面图。

图2说明了桥式光栅光调制的调制原理，图2a和图2b均为沿光栅条宽度方向的剖面图。在图2a中，当底层反射面3和顶层反射面6之间未加电压，两者保持初始间距：λ/2的整数倍，其中λ为入射光波长。因此入射光束经顶层反射面6和底层反射面3反射得到的两束光线在相位上相差2π整数倍，相遇干涉后，光强集中在衍射图像的零级。在图2b中，当底层反射面3和顶层反射面6之间通过施加电压V＝V1，顶层反射面6受静电力的作用被拉下λ/4距离，经顶层反射面和底层反射面反射得到的两束光线的相位差为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。因此，±1级处的光强大小随平板下降的位移变化，收集±1级的光强，则实现了对入射光的调制作用。

图3中，显示了加电下拉过程中弹性梁5和上层光栅6的变形情况。底层反射面3同时用作下电极，而与上反射面6电学相连的弹性梁5兼作上电极。当上下电极间施加电压时，变形主要发生在弹性梁5上，由于桥式结构的设计，使得顶层反射面6基本无变形，在下拉过程中保持平坦。另外，弹性梁5隐藏于上层光栅6的正下方。这样，使得整个上层光栅6在下拉过程中都均为有效光学面积，而不像GLV那样仅使用了变形光栅条中心约1/3的平坦部分为光学有效面积，解决了GLV有效面积不足的问题。

图4中，由多个单像素桥式光栅光调制器形成阵列。为了表示清楚，将各层结构在纵向拉开适当距离。每个光调制器都可以独立施加偏置电压，顶层反射面6作垂直平动，形成衍射效果不同的点阵。相邻的像素顶层栅条的间隙和像素内部顶层栅条间隙相同，由于独特的光学衍射原理，使得像素投影成像在光栅方向上没有间隙，达到无缝显示的效果。而诸如DMD等微镜结构，微镜之间总是存在间隙，在反射成像过程中，像面上显示出来是一个个有间隙的小方块，无法真正做到无缝显示。在对不同波长λ优化设计不同机结构尺寸的像素后，本发明可以实现彩色图像的显示。

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 (3)

1.一种桥式光栅光调制器，其特征在于它包括：

a.一带氧化层的硅基底，其上淀积有金属下电极兼底层反射面；

b.一覆盖于底层反射面上的透明绝缘层；

c.一组间距布置于透明绝缘层上的桥式弹性梁兼上电极，每个桥式弹性梁被至少两个锚点支撑；

d.一组金属反射栅条即顶层反射面，每条栅条宽度和长度与对应的桥式弹性梁的宽度和长度相当，每一栅条由至少两个锚点支撑在桥式弹性梁正上方，并把下方的桥式弹性梁隐藏起来；

e.一驱动电路，通过电极引出线连接金属下电极和上电极，在下电极和上电极之间加一偏置电压，由于下电极固定，作为上电极的桥式弹性梁在静电力的作用下向下弯曲，在偏置电压释放后，桥式弹性梁在自身弹性力的作用下回到原位，桥式弹性梁的上下弯曲运动带动栅条上下平动，使顶层反射面和底层反射面之间的间距发生变化，从而实现光学调制。

2.根据权利要求1所述的桥式光栅光调制器，其特征在于：所述顶层反射面与底层反射面之间的间距在两者之间不加电压时，间距为nλ/2；加固定偏置电压V₁时，间距为(2n-1)λ/4；施加电压范围在0-V₁之间时，间距在nλ/2至(2n-1)λ/4之间线性可调。

3.一种桥式光栅光调制器阵列，其特征在于使用多个权利要求1或2所述的桥式光栅光调制器按行和列排列集成成阵列，每个光调制器为一个像素，相邻像素的边缘栅条之间的间隙和各像素内部的栅条间隙相同，使得像素投影成像在光栅方向上没有间隙；每个光调制器独立施加偏置电压，其上下反射面的间距均单独可调，形成衍射效果不同的点阵，通过行列寻址驱动实现面阵调制。

Images