CN101144902A - 基于高填充率镜的空间光调制器 - Google Patents

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CN101144902A CNA2007101469079A CN200710146907A CN101144902A CN 101144902 A CN101144902 A CN 101144902A CN A2007101469079 A CNA2007101469079 A CN A2007101469079A CN 200710146907 A CN200710146907 A CN 200710146907A CN 101144902 A CN101144902 A CN 101144902A
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Abstract

一种空间光调制器包括：以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列。每个六边形镜面由一个或多个构件支撑。在相邻六边形镜面之间存在间隙。所述构件不位于所述间隙中。

Description

基于高填充率镜的空间光调制器
技术领域
本公开涉及基于微镜的空间光调制器。
背景技术
空间光调制器可包括可倾斜微镜的阵列。设置在衬底上的微镜可包括可被静电力倾斜的可倾斜镜面。镜面倾斜到“开”位置，在该“开”位置，微镜面将入射光引向显示装置，并且倾斜到“关”位置，在该“关”位置，微镜面将入射光引离显示装置。镜面可被机械制动器停止在“开”或“关”位置，以便可将镜面的取向精确地限定在这两个位置。为了使微镜适当工作，必须能够没有延迟地将镜面迅速地在“开”或“关”位置之间改变。可将空间光调制器中的镜面选择性地倾斜到“开”或“关”位置以形成显示图像。在显示应用中空间光调制器的期望性能在于提供明亮和高对比度的显示图像。
发明内容
在一个总体方面，本发明涉及一种空间光调制器，其包括六边形镜面的二维阵列，该二维阵列以蜂房图案布置在衬底上，其中，每个六边形镜面由一个或多个构件支撑，在相邻的六边形镜面之间存在间隙，并且所述构件不位于所述间隙中。
在另一总体方面，空间光调制器被描述为包括以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，每个六边形镜面由一个或多个构件支撑，在相邻的六边形镜面之间存在间隙，并且所述构件不位于所述间隙中，镜面的构件与镜面的上表面之间的距离小于1微米。
在另一方面，空间光调制器被描述为具有以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，每个六边形镜面由一结构支撑，其中，所述结构位于该六边形镜面的两个角之间，并且所述结构至少部分地在该六边形镜面之下。
在另一总体方面，空间光调制器被描述为具有以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，在该二维阵列中的相邻六边形镜面被小于2微米的间隙隔开。
在另一总体方面，空间光调制器被描述为具有以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，每个六边形镜面由一个或多个构件支撑，其中，至少一个构件位于六边形镜面的边缘的中间附近，并且所述构件至少部分地在六边形镜面之下。
该系统的实现可包括下面的一个或多个。一个或多个构件可分别被由与衬底结合的支柱支撑。所述支柱可隐藏在六边形镜面之下。至少一个六边形镜面可被配置为绕着支撑六边形镜面的所述一个或多个构件倾斜。至少一个六边形镜面可包括在下表面上具有开口的腔体，与六边形镜面关联的至少一个构件伸入所述腔体中。至少一个镜面在其上表面中没有孔。空间光调制器还可包括衬底上的机械制动器，其中，所述机械制动器被配置为接触一个六边形镜面，从而当六边形镜面绕着支撑六边形镜面的所述一个或多个构件倾斜时停止六边形镜面的运动。在二维阵列中的相邻六边形镜面可被小于2微米的间隙隔开。在二维阵列中的相邻六边形镜面可被小于1微米的间隙隔开。在二维阵列中的相邻六边形镜面可被小于0.5微米的间隙隔开。六边形镜面的上表面可占据二维阵列面积的至少85％。六边形镜面的上表面可占据二维阵列面积的至少90％。
六边形镜面的上表面可占据二维阵列面积的至少95％。构件与相关联六边形镜面的上表面之间的距离小于1微米。构件与相关联六边形镜面的上表面之间的距离小于0.5微米。
实现可包括下面的一个或多个优点。所公开的方法和系统提供了一种可产生明亮和高对比度显示图像的基于微镜的空间光调制器。所述空间光调制器可包括分布在蜂房形单元中的可倾斜六边形镜阵列。所公开的六边形镜包括没有孔的反射上表面，在一些实例中，这可以是对一些在镜面中包括孔的传统镜设计的改进。镜面中的孔被已知用于散射光并减小显示图像的对比度和锐度。因此在所公开六边形镜中去除孔可相比于传统的基于镜的显示系统改进显示图像的对比度和锐度。
所公开的方法和系统提供了具有高填充率(fill-in ratio)的可倾斜六边形镜的阵列，这可以更充分地利用入射光并减小光损失，产生更明亮的显示图像。与包括暴露在相邻镜面之间间隙中的挠性铰链的一些传统的基于镜的空间光调制器不同，所公开的六边形镜在相邻镜面之间的衬底上不需要构件。六边形镜的结构的几个特性可使相邻六边形镜之间的间隙较小，从而使六边形镜的封装更密。六边形镜可包括延伸到在镜面的下表面处具有开口的腔体中的铰链部件。对于镜面上部的观察者，所述铰链部件可被完全隐藏，这是因为铰链部件在六边形镜面之下。所公开的六边形镜面可绕着由与镜面相关联的一个或多个铰链部件限定的旋转轴倾斜。铰链部件的位置可以允许旋转轴位于镜面中，这使得在六边形镜倾斜期间在六边形镜面边缘处的纵向运动最小化。此外，相邻微镜不需要像在一些传统微镜系统中需要的那样被隔开从而为任何结构留出空间。这些有益特征可允许公开的六边形镜面被以相邻镜面之间小的间隙紧密地布置，同时仍为相邻六边形镜面的倾斜运动提供足够的间隙。
尽管已经参照多个实施例具体地示出和描述了本发明，但是相关领域的技术人员应该理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对其进行形式和细节上的各种改变。
附图说明
下面的附图被并入于此并构成说明书的一部分，其示出了本发明的实施例并与说明书一起用于解释在此描述的原理、装置和方法。
图1是六边形镜的阵列的平面图。
图2至图4分别是图1中的六边形镜的透视顶视图、透视侧视图和透视底视图。
图5是当垂直于图1中的A-A线察看时六边形镜的侧视图。
图6是当垂直于图1中的B-B线察看时三个相邻六边形镜的侧视图。
图7是当垂直于图1中的B-B线察看时六边形镜的侧视图。
具体实施方式
图1是可与空间光调制器兼容的阵列100的顶视图。阵列100包括以蜂房图案分布的多个六边形镜110。阵列100被边界120限定，该边界可形成简单的多边形或圆形的形状，例如，如所示的矩形、或圆形、六边形、三角形、正方形或其他多边形。相邻的六边形镜150至152被间隙751和752隔开(如图6所示)。每个镜面和该镜面与其相邻平面之间的间隙区域的一半定义一个单元。不活动区域130可存在于阵列100与边界120之间。
六边形镜110的上表面是反射性的。该反射面使六边形镜110能够反射光。镜是可倾斜的，这将控制反射光被引向哪里。阵列100的总活动区域是阵列100中所有六边形镜110的反射上表面区域之和。在边界120之内的不活动区域包括不活动区域130和边界之内的间隙。尽管只示出了几十个镜，但阵列100可包括沿每个维的成百上千个微镜110。例如，阵列100可包括沿一维的1024个微镜110以及沿另一维的1536个微镜。
“占体”率可被定义为在镜阵列中的一单元内的活动区域的百分比。在图1示出的示例中，填充率为所有六边形镜110的反射上表面的总面积之和除以阵列100中的所有单元的总面积。换句话说，填充率近似为阵列100中的总反射面积除以矩形边界120内的面积与不活动面积130之差的比率。填充率可指示微镜阵列的反射效率。在相邻镜面之间具有大间隙的镜阵列相比于在相邻镜面之间具有较小间隙的镜阵列而言，在间隙中损失的入射光更多。因此，前者比后者具有更小的填充率。
参照图2至图5，单个六边形镜150包括六边形镜面200。在一些实施例中，镜面200包括：上反射层201、中间层202和下层203。上反射层201可由金属材料(如，铝、金或一种它们的合金)制成。中间层202使镜面具有机械强度。中间层202还包括腔体部分205。中间层202可包括：硅、多晶硅、非晶硅、铝、钛、钽、钨、钼，以及铝、钛、钽、钨或钼的硅化物或合金。下层203可由导电材料制成，如，铝、掺杂硅、多晶硅、非晶硅、铝硅合金、钛、钽、钨、钼，以及铝、钛、钽、钨或钼的硅化物或合金。下层203包括在下层203的下表面处具有开口的腔体部分205。
六边形镜150还包括延伸到腔体205中的铰链部件210。铰链部件210通过连接部分与下层203相连接，并与铰链支柱217的上部215相连接。铰链部件210、上部215和铰链支柱217在六边形镜面200之下，并且在六边形镜面200之上可被隐藏。也就是说，铰链部件210、上部215和铰链支柱217不会延伸超出六边形镜150的覆盖区。铰链部件210和铰链支柱215位于镜150的两个角之间的六边形镜面200的边缘中间的附近。
铰链支柱217的上部215经由铰链支柱217的下部216与电极220相连接。铰链部件210、铰链支柱217的下部215和铰链支柱217的下部216由导电材料制成，这样允许由施加到电极220的电压信号控制下层203的电势。导电材料可包括：硅、多晶硅、非晶硅、铝、钛、钽、钨、钼，以及铝、钛、钽、钨或钼的硅化物或合金。还可在衬底(为了说明清楚未示出)之上镜面200之下设置一个或多个阶形电极230a和230b。阶形电极230a和230b中每一个包括下层和上层。阶形电极230a和230b中每一个可接收电压信号，以建立下层203与阶形电极230a或230b之间的静电势差。结果，可在镜面200上产生静电力。施加到电极220和阶形电极230a和230b的电压信号可被设计为产生静电扭矩，以使镜面200倾斜。六边形镜面200的一般对角线尺寸的范围为1至100微米。
可将一个或多个连接挡块(landing stop)260设置在衬底之上。当镜面200开始与连接挡块260相接触时，镜面200的倾斜运动可被停止。连接挡块260可由导电材料制成。连接挡块260的电势可由电极261控制。电极261与电极220相连接，从而连接挡块260与镜面200的下层203的电压相同。下层203与连接挡块260之间的相同电势确保当下层203开始与一个连接挡块260接触时该下层203的电压被保持。
下层203还可包括一个或多个腔体，每个腔体具有在该下层203的下表面中的开口。与下层203连接的可偏斜悬臂265延伸到腔体205中。当连接挡块260接触镜面200上的相应悬臂265时，镜面200的倾斜运动可被停止。通过由连接挡块260施加的压力，所述悬臂可偏斜并轻微地弯曲。在镜面200与连接挡块260分离期间，存储在形变的悬臂265中的弹性能可被释放，以导致镜面200弹回。弹性形变能的释放可帮助克服连接挡块260与镜面200之间的静摩擦。在2006年3月1日提交的共同转让的题为“Spatial Light Modulator Having aCantilever Anti-Stiction Mechanism”的第11/366，195号美国专利申请中公开了关于镜面中的悬臂的结构和制造的细节。
镜面200的纵向尺寸延伸超出铰链部件210的纵向尺寸以及铰链支柱217的上部215和下部216。换句话说，当从镜面200上方观看时，铰链部件210、铰链支柱217的上部215和铰链支柱217的下部216完全隐藏在镜面200之下。阶形电极230a、230b和连接挡块260也可隐藏在镜面200之下。在衬底之上的镜面200的纵向尺寸的外部(即，在间隙751和752中)不需要支撑结构。这是相邻镜面150至152可被紧密地布置并且仅被小间隙751和752隔开的一个原因。上面公开的镜设计也是对在相邻镜之间的衬底上包括多个结构的一些传统微镜系统的改进。这些传统镜系统要求相邻镜之间的间隙大很多以容纳这些结构。
在2004年10月27日提交的共同转让的题为“High contrastspatial light modulator and method”的第10/974，468号美国专利申请和在2005年12月14日提交的共同转让的题为“System and Methodfor Making a Micro-mirror Array Device”的第60/750，506号美国临时专利申请中公开了关于制造倾斜微镜的细节。
参照图6，六边形镜150至152中的镜面被间隙751和752隔开。参照图7，两个铰链支柱217的上部215支撑延伸到六边形镜面200的下层203中的腔体205中的两个铰链部件210(在图6中未示出)。两个铰链部件210可限定六边形镜面200可绕着其倾斜的旋转轴。公开的六边形镜的有益特点在于：铰链部件210延伸到六边形镜面200的下层中的腔体205中。再次参照图7，用于六边形镜面200的倾斜运动的旋转轴因此在镜面200的下层之内。结果，在镜面730、731和732的倾斜期间，六边形镜150至152中的镜面730、731和732的边缘经历几乎垂直的位移。因此，镜面730、731和732可被紧密地隔开而不受彼此的倾斜的干扰。在一些实施例中，间隙751和752可以小于2微米，如小于1微米或小于0.5微米。
由于六边形镜150至152的上述有益特征，间隙751和752可保持非常小。在一些实现中，六边形镜110的阵列100的填充率可超过85％、90％、93％或95％。
公开的六边形镜的另一有益特征在于：上层201在其反射面中不包括孔。在一些传统的基于微镜的显示系统中的镜面中的孔被已知用于散射光并减小显示图像的对比度和锐度。与这些传统的基于微镜的显示系统相比，在所公开的六边形镜中去除孔可提供显示图像的改进的对比度和锐度。
公开的六边形镜阵列的另一有益特征在于：六边形镜之间的间隙不分布在如在矩形镜阵列中那样的跨越整个阵列的一组周期性直线上。此外，六边形镜的角比矩形镜的直角更钝。这些有益特征允许公开的六边形镜阵列产生由不期望的衍射和散射导致的少量杂散光。
尽管已经示出和描述了多个实施例，但是相关领域的技术人员应该理解，在不脱离精神和范围的情况下可进行形式和细节的各种改变。例如，可改变用于在六边形镜面上产生静电力的电极的精确设计。此外，可与所公开系统兼容的衬底可包括用于控制六边形镜面的电子电路。此外，六边形镜阵列的边界可采用多种形状，如矩形、六边形或圆形。
为了所有目的，将在此描述的所有专利和公开的内容通过引用并入于此。

Claims (29)

1.一种空间光调制器，包括：
以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，每个六边形镜面由一个或多个构件支撑，在相邻的六边形镜面之间存在间隙，并且所述一个或多个构件不位于所述间隙中。
2.如权利要求1所述的空间光调制器，其中，支撑一个六边形镜面的所述一个或多个构件包括衬底上的支柱，所述支柱隐藏在该六边形镜面之下。
3.如权利要求2所述的空间光调制器，其中，至少一个六边形镜面被配置为绕着连接到支柱的铰链倾斜。
4.如权利要求3所述的空间光调制器，还包括衬底上的机械制动器，其中，所述机械制动器被配置为接触一个六边形镜面，从而当六边形镜面绕着铰链倾斜时停止该六边形镜面的运动。
5.如权利要求4所述的空间光调制器，其中，铰链和该六边形镜面的上表面之间的距离小于1微米。
6.如权利要求5所述的空间光调制器，其中，铰链和该六边形镜面的上表面之间的距离小于0.5微米。
7.如权利要求1所述的空间光调制器，其中，所述间隙小于2微米。
8.如权利要求7所述的空间光调制器，其中，所述间隙小于1微米。
9.如权利要求8所述的空间光调制器，其中，所述间隙小于0.5微米。
10.如权利要求1所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面的上表面占据所述二维阵列面积的至少85％。
11.如权利要求10所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面的上表面占据所述二维阵列面积的至少90％。
12.如权利要求11所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面的上表面占据所述二维阵列面积的至少95％。
13.如权利要求1所述的空间光调制器，其中，至少一个六边形镜面在下表面中包括凹进部分，并且与该六边形镜面关联的至少一个构件延伸到该凹进部分中。
14.如权利要求1所述的空间光调制器，其中，至少一个镜面在其上表面中没有孔。
15.一种空间光调制器，包括：
以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，在该二维阵列中的相邻六边形镜面被小于2微米的间隙隔开。
16.如权利要求15所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面在上表面中没有孔。
17.如权利要求15所述的空间光调制器，其中，所述间隙小于1微米。
18.如权利要求17所述的空间光调制器，其中，所述间隙小于0.5微米。
19.如权利要求15所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面的上表面占据所述二维阵列面积的至少85％。
20.如权利要求19所述的空间光调制器，其中，所述六边形镜面的上表面占据所述二维阵列面积的至少95％。
21.如权利要求15所述的空间光调制器，其中，每个六边形镜面由在衬底和该六边形镜面之间延伸的构件支撑，所述构件在该六边形镜面的覆盖区内。
22.如权利要求21所述的空间光调制器，其中，至少一个六边形镜面被配置为绕着连接到所述构件的铰链倾斜。
23.如权利要求22所述的空间光调制器，其中，至少一个六边形镜面包括在下表面上具有开口的腔体，所述构件延伸进入所述腔体。
24.如权利要求22所述的空间光调制器，其中，构件和相关联六边形镜面的上表面之间的距离小于1微米。
25.如权利要求24所述的空间光调制器，其中，构件和相关联六边形镜面的上表面之间的距离小于0.5微米。
26.一种空间光调制器，包括：
以蜂房图案布置在衬底上的六边形镜面的二维阵列，其中，每个六边形镜面由一结构支撑，其中，所述结构位于该六边形镜面的两个角之间，并且所述结构至少部分地在该六边形镜面之下。
27.如权利要求26所述的空间光调制器，其中，在相邻六边形镜面之间存在间隙，并且所述结构不位于所述间隙中。
28.如权利要求26所述的空间光调制器，其中，所述结构由衬底上的支柱支撑，并且所述支柱在六边形镜面的覆盖区之内。
29.如权利要求28所述的空间光调制器，其中，至少一个六边形镜面被配置为绕着所述结构倾斜。
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