CN102686508B - 三波长衍射调制器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三波长衍射调制器(TWDM)及三波长衍射调制方法。三波长衍射调制器包括：固定基板，顶部形成有底电极板；第一电极板，包括平行悬设于所述固定基板上方的第一悬梁及固定于所述固定基板上的第一连接部；第二电极板，包括平行悬设于所述第一电极板上方的第二悬梁及固定于所述固定基板上的第二连接部。本发明所述衍射调制器及衍射调制方法适用于投影系统。

Description

三波长衍射调制器及调制方法

技术领域

本发明涉及一种三波长衍射调制器(Tri Wavelength Diffraction Modulator，TWDM)及三波长衍射调制方法，属于光学调制设备技术领域。 

背景技术

光学调制器是一种固态微型设备，被广泛用于微显示投影和其它光学信号处理系统中。光学调制器能以确定的空间图案来控制或调制入射光束，该空间图案与设备的一系列图像的电子输入相联系，通过这种方式，能调制该入射光束的强度、相位、偏振或方向。 

两种最常用的光学调制器，尤其是空间光调制器，是采用在二维阵列中设置提供入射光二维调制的微机电系统(MEMS)设备，分别是：德州仪器(Texas Instruments)公司的数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)和硅光机械(Silicon Light Machines)公司的光栅光阀(Grating Light Valve，GLV)设备。 

DMD的广泛应用证实了其吸引力，其能够提供高光学效率、大集光率、宽带宽、高调制速率以及对时序色彩组合和管理的数字化控制算法。尽管DMD在投影显示应用中获得成功，但人们认识到DMD存在某些缺点，例如，每单位像素高能耗，特别是当应用于手机等手持设备的高分辨率微显示投影时。

而基于精密反射金属格或元件的GLV阵列设备也被认为在集光率、模拟灰阶化、光学效率、调制速率，尤其是在每单位像素能耗方面具有相当大的吸引力。在任一线性或二维结构如用于调制入射光束的GLV阵列中的调制器包括多个光栅元件，其中每个所述光栅元件包括光反射平面。这些光栅元件设置成互相平行，光栅元件的光反射面也互相平行。调制器包括用于支撑相对元件的机电装置及用于移动相对元件的装置，以便元件在第一结构和第二结构间移动，所述第一结构中，调制器作为平面镜反射入射光束，所述第二结构中，调制器反射入射光束的同时也衍射入射光束。 实际上，在第一和第二结构中，元件的光反射表面均保持相互平行，相邻元件的反射面之间的垂直间距等于入射光线波长的m/4倍，其中，元件在第一结构中时，m为偶数或零；元件在第二结构中时，m为奇数。 

此类GLV调制器的核心理念包括反射可变形光栅调制器，其中，光栅振幅可为电子控制，所述调制器包括可变形光栅悬设其上的反射基板。未变形状态下，光栅元件和基板元件之间不施加电压，光栅振幅为入射光波长的一半。因为光从光栅顶部和底部反射的往返路径差为一个波长，所以不发生衍射。当光栅元件和基板元件之间施加一电压时，静电力向下拉元件，导致光栅振幅变为波长的四分之一，从而元件和基板的反射破坏性的增加，导致光发生衍射。如果反射光的检测系统具有只接纳零阶光束的数值孔径，仅仅四分之一波长的机械运动足以调制高对比度的反射光。 

然而，现有技术中已经发现，处于控制算法下光调制离散状态的波长效应和在GLV设备中由于衍射造成了明显的入射角敏感度，尤其对于微显示投影应用中，尤其是其与时序或空间马赛克式的色彩管理方案相联系时，需要使用数字化空间调制方式来调制可见光谱上宽入射角的光。 

发明内容

本发明提供一种三波长衍射调制器及三波长衍射调制方法，用以使调制过程适用于投影系统。 

本发明的一个方面提供一种三波长衍射调制器，包括： 

固定基板，该固定基板顶部形成有底电极板； 

第一电极板，包括平行悬设于所述固定基板上方的第一悬梁及固定于所述固定基板上的第一连接部； 

第二电极板，包括平行悬设于所述第一电极板上方的第二悬梁及固定于所述固定基板上的第二连接部； 

其中，所述第二电极板的第二悬梁包括第二反射层及第二介电层，所述第二反射层至少开有一个微孔； 

所述固定基板进一步包括设于其内部的驱动电路，该驱动电路用于分别向所述底电极板、所述第一电极板及第二电极板提供电荷，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间在不同时间段内分别保持松弛距离、拉近距离及 拉分距离； 

所述拉近距离用于使穿过所述微孔的入射光中的第一波长的光形成衍射；所述松弛距离用于使入射光中的第二波长光形成衍射；所述拉分距离用于使入射光中的第三波长的光形成衍射。 

本发明另一方面提供一种三波长衍射调制方法，所述方法包括： 

将所述第一时间段再分成第一空闲时间段和第一工作时间段； 

通过驱动电路驱动所述三波长衍射调制器的第一电极板与第二电极板发生相对移动；在所述第一空闲时间段内，使所述第一电极板的第一悬梁与所述第二电极板的第二悬梁之间保持拉近距离，从而使所述第一波长的光发生衍射；在所述第一工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持拉近距离，从而使所述第一波长的光发生反射； 

将所述第二时间段再分成第二空闲时间段和第二工作时间段； 

通过所述驱动电路驱动所述第一电极板与所述第二电极板发生相对移动；在所述第二空闲时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间保持松弛距离，从而使所述第二波长的光发生衍射；在所述第二工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持松弛距离，从而使所述第二波长的光发生反射； 

将所述第三时间段再分成第三空闲时间段和第三工作时间段； 

所述驱动电路驱动所述第一电极板与所述第二电极板发生相对移动；在所述第三空闲时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间保持拉分距离，从而使所述第三波长的光发生衍射；在所述第三工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持拉分距离，从而使所述第三波长的光发生反射。 

本发明所述衍射调制器及衍射调制方法采用衍射的方式实现了对入射光的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)，有利于数字化控制算法和已调制的复合波的整合，以及对宽入射角光实现有效的调制。因此，该衍射调制器及衍射调制方法适用于投影系统。 

附图说明

附图不一定按比例绘制，而是重点示出本发明的架构和原理。 

图1a为本发明实施例的三波长衍射调制器的剖面示意图，显示第一挂梁与第二悬梁之间保持松弛距离22； 

图1b为本发明实施例的三波长衍射调制器的剖面示意图，显示第一悬梁与第二悬梁之间保持拉分距离23； 

图1c为本发明实施例的三波长衍射调制器的剖面示意图，显示第一悬梁与第二悬梁之间保持拉近距离21； 

图2a为本发明实施例的三波长衍射调制方法中入射光10在被调制之前的光强度分布示意图； 

图2b为本发明实施例的三波长衍射调制方法中第一悬梁与第二悬梁之间的距离在调制过程中与反射光强度的对应关系示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例进行更详细地描述。另外，为了清楚的目的，以下说明中略去了公知的且与本发明无关的设备的部分扩展细节。 

如图1a～1c所示，本实施例所述三波长衍射调制器(TWDM)包括：固定基板200、第一电极板110及第二电极板120。 

其中，所述固定基板200的顶部形成有底电极板210；所述第一电极板110包括平行悬设于所述固定基板200上方的第一悬梁及固定于所述固定基板200上的第一连接部；所述第二电极板120，包括平行悬设于所述固定基板200上方的第二悬梁及固定于所述固定基板200上的第二连接部。 

所述第二电极板120的第二悬梁包括第二反射层125及第二介电层126，所述第二反射层125至少开有一个微孔125a；所述微孔125a形状为闭环几何图形，例如圆形、环形、椭圆形或多边形。所述第二电极板120可透射入射光10。所述固定基板200进一步包括驱动电路220，所述驱动电路220设置在固定基板200内部并用于分别向所述底电极板210、所述第一电极板110及第二电极板120提供电荷，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间在不同时间段内分别保持松弛距离22、拉近距离21及拉分距离23； 

具体地，如图1a所示，当所述驱动电路220提供的电荷为零时，所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间保持松弛距离22。另外，可选地，当所述底电极板210、所述第一电极板110及第二电极板120上的电荷使该底电极板210、第一电极板110及第二电极板120之间保持平衡时，也可以使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间保持松弛距离22。 

如图1b所示，当所述驱动电路220为所述第一电极板110及所述底电极板210提供相反极性的电荷时，所述第一电极板110沿远离方向51向所述底电极板210移动。第一限位部131向所述底电极板210突出地设置在所述第一电极板110的底部，或向所述第一电极板110突出地设置在所述底电极板210的顶部，当所述第一电极板110向所述底电极板210移动时，通过所述第一限位部131的限位作用，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间保持拉分距离23。 

可选地，所述第一限位部131可以安装在第一电极板110的底部或与该第一电极板110一体成型，或者直接设置于所述底电极板210的顶部。 

如图1c所示，当所述驱动电路220为所述第一电极板110及所述第二电极板120提供相反极性的电荷时，所述第一电极板沿靠近方向52向所述第二电极板120移动。通过在所述第二电极板120的底部或所述第一电极板110的顶部设置第二限位部132，当所述第一电极板110向所述第二电极板120移动时，通过该第二限位部132的限位作用，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间保持拉近距离21。 

可选地，所述第二限位部132可以安装在第二电极板120的底部或与该第二电极板120一体成型，或者直接设置于所述第一电极板110的顶部。 

在脉冲宽度调制的二进制模式下，为了获得所需的灰阶控制，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间在不同时间段内分别保持松弛距离22、拉近距离21及拉分距离23。其中，拉近距离21用于使穿过微孔125a的入射光10中的第一波长91的光发生衍射；松弛距离22用于使所述入射光10中的第二波长92的光发生衍射；拉分距离23用于使所述入射光10中的第三波长93的光发生衍射。 

在可见光谱上，第一波长91优选地相当于从450nm～495nm的蓝色光谱内选择的蓝波长；第二波长92优选地相当于从495nm～570nm的绿色光谱内选择的绿波长；第三波长93优选地相当于从620nm～750nm的红色光谱内选择的红波长。 

可选地，所述底电极板210可以由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。 

可选地，第一悬梁进一步包括第一介电层116及形成于该第一介电层116顶部的第一反射层115，所述第一反射层115用于将未发生衍射的光反射并射出所述第二电极板120。其中，所述第一介电层116与所述第一反射层115可以构成复合板。其中，所述第一介电层116可选择地由氧化硅、氮化硅和碳化硅中的任一种或其组合制成；所述第一反射层115可以由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。 

调制衍射时，为了获得最高对比度，设置微孔125a的尺寸，以使第一反射层115对应微孔125a的面积的反射率等于除去微孔125a之外的第二反射层125的面积的反射率。 

可选地，所述第二电极板120的第二悬梁包括第二反射层125和第二介电层126。其中，所述第二介电层126由氧化硅、氮化硅和碳化硅中的任一种或其组合制成；所述第二反射层125由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。 

以下介绍本发明所述三波长衍射调制方法实施例。 

如图2a所示，本实施例所述的入射光10由持续第一时间段11的第一波长91的光，持续第二时间段12的第二波长92的光，以及持续第三时间段13的第三波长93的光组成。如图2a所示，第一波长91的光、第二波长92的光及第三波长93的光可以具有不同的光强度。 

如图2b所示，该方法包括如下步骤： 

步骤111，将该第一时间段11再分成第一空闲时间段11f和第一工作时间段11n。 

步骤112，通过驱动电路220驱动所述三波长衍射调制器100的所述第一电极板110与所述第二电极板120发生相对移动；在所述第一空闲时间段11f内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的 第二悬梁之间保持拉近距离21，从而使第一波长91的光发生衍射；在所述第一工作时间段11n内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间不保持拉近距离21，从而使所述第一波长91的光发生反射。 

具体地，所述第一波长91的光由第一电极110顶部的第一反射层115反射并射出所述第二电极板120。 

步骤121，将该第二时间段12再分成第二空闲时间段12f和第二工作时间段12n； 

步骤122，通过驱动电路220驱动所述三波长衍射调制器100的所述第一电极板110与所述第二电极板120发生相对移动；在所述第二空闲时间段12f内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间保持松弛距离22，从而使第二波长92的光发生衍射；在所述第二工作时间段12n内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间不保持松弛距离22，从而使所述第二波长92的光发生反射。 

具体地，所述第二波长92的光由第一电极110顶部的第一反射层115反射并射出所述第二电极板120。 

步骤131，将该第三时间段13再分成第三空闲时间段13f和第三工作时间段13n； 

步骤132，所述三波长衍射调制器100的所述驱动电路220驱动所述第一电极板110与所述第二电极板120发生相对移动；在所述第三空闲时间段13f内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间保持拉分距离23，从而使第三波长93的光发生衍射；在所述第三工作时间段13n内，使所述第一电极板110的第一悬梁与所述第二电极板120的第二悬梁之间不保持拉分距离23，从而使所述第三波长93的光发生反射。 

具体地，所述第三波长93的光由第一电极板110顶部的第一反射层115反射并射出所述第二电极板120。本实施例中的第一反射层115和第二反射层125具有反射和衍射的切换功能。 

本发明上述实施例所述衍射调制器及衍射调制方法采用衍射的方式 实现了对入射光10的脉冲宽度调制(PWM)，有利于控制算法的数字化和复合波长调制的整合以及对宽角入射光实现有效的调制，因此，所述衍射调制器及衍射调制方法适用于投影系统。 

制造这样一种衍射调制器的方法包括制造多层隔膜结构的现代化MEMS设备中使用的最先进的基于硅的薄膜处理技术。这类制造的基本方案是，形成在平面基板上悬设彼此有特定间距的多层膜，如图1a所示。这类制造包括首先沉积牺牲薄膜并在其上光刻图案，然后沉积结构薄膜作为隔膜并在其上光刻图案，最后但不是最终地，选择性去除该牺牲薄膜而使隔膜完整悬设于基板之上。重复相同的方案，制造出这类具有悬设的并有确定间距的多层隔膜的调制器设备，与薄膜MEMS构造领域现有技术公布的方法类似。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而无需做出创造性的劳动；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (12)

1.一种三波长衍射调制器，其特征在于，包括：

固定基板，该固定基板顶部形成有底电极板；

第一电极板，包括平行悬设于所述固定基板上方的第一悬梁及固定于所述固定基板上的第一连接部；以及

第二电极板，包括平行悬设于所述第一电极板上方的第二悬梁及固定于所述固定基板上的第二连接部，

其中，所述第二电极板的第二悬梁包括第二反射层及第二介电层，所述第二反射层至少开有一个微孔；

所述固定基板进一步包括设于其内部的驱动电路，该驱动电路用于分别向所述底电极板、所述第一电极板及所述第二电极板提供电荷，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间在不同时间段内分别保持松弛距离、拉近距离及拉分距离；

所述第一电极板的底部或所述底电极板的顶部设置有第一限位部，当所述第一电极板向所述底电极板移动时，该第一限位部用于使所述第一电极板的第一悬梁与所述第二电极板的第二悬梁之间保持拉分距离；

所述第二电极板的底部或所述第一电极板的顶部设置有第二限位部，当所述第一电极板向所述第二电极板移动时，该第二限位部用于使所述第一电极板的第一悬梁与所述第二电极板的第二悬梁之间保持拉近距离；

所述拉近距离用于使穿过所述微孔的入射光中的第一波长的光形成衍射；所述松弛距离用于使入射光中的第二波长光形成衍射；所述拉分距离用于使入射光中的第三波长的光形成衍射。

2.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：当所述驱动电路提供的电荷为零时，或者当所述电荷使所述底电极板、第一电极板及第二电极板之间保持静电力平衡时，所述第一电极板的第一悬梁与所述第二电极板的第二悬梁之间保持松弛距离。

3.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：当所述驱动电路为所述第一电极板及所述第二电极板提供相反极性的电荷时，所述第一电极板向所述第二电极板移动。

4.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：当所述驱动电路向所述第一电极板及所述底电极板提供相反极性的电荷时，所述第一电极板向所述底电极板移动。

5.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述第一波长为从450nm～495nm的蓝色光谱内选择的蓝波长；所述第二波长为从495nm～570nm的绿色光谱内选择的绿波长；所述第三波长为从620nm～750nm的红色光谱内选择的红波长。

6.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述底电极板由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。

7.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述第一悬梁进一步包括第一介电层及形成于该第一介电层顶部的第一反射层，所述第一反射层用于将所述入射光中未发生衍射的光反射并射出所述第二电极板。

8.根据权利要求7所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述第一介电层由氧化硅、氮化硅和碳化硅中的任一种或其组合制成；所述第一反射层由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。

9.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述微孔形状为闭环几何图形。

10.根据权利要求9所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述闭环几何图形为圆形、环形、椭圆形或多边形。

11.根据权利要求1所述的三波长衍射调制器，其特征在于：所述第二介电层由氧化硅、氮化硅和碳化硅中的任一种或其组合制成；所述第二反射层由银、铝、铜、钛、铂、金、镍和钴中的任一种或其组合制成。

12.一种三波长衍射调制方法，用于采用权利要求1所述三波长衍射调制器对入射光进行调制，其特征在于，所述入射光由持续第一时间段的第一波长的光，持续第二时间段的第二波长的光，以及持续第三时间段的第三波长的光组成，所述方法包括：

将所述第一时间段再分成第一空闲时间段和第一工作时间段；

通过驱动电路驱动所述三波长衍射调制器的第一电极板与第二电极板发生相对移动；在所述第一空闲时间段内，使所述第一电极板的第一悬梁与所述第二电极板的第二悬梁之间保持拉近距离，从而使所述第一波长的光发生衍射；在所述第一工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持拉近距离，从而使所述第一波长的光发生反射；

将所述第二时间段再分成第二空闲时间段和第二工作时间段；

通过所述驱动电路驱动所述第一电极板与所述第二电极板发生相对移动；在所述第二空闲时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间保持松弛距离，从而使所述第二波长的光发生衍射；在所述第二工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持松弛距离，从而使所述第二波长的光发生反射；

将所述第三时间段再分成第三空闲时间段和第三工作时间段；

所述驱动电路驱动所述第一电极板与所述第二电极板发生相对移动；在所述第三空闲时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间保持拉分距离，从而使所述第三波长的光发生衍射；在所述第三工作时间段内，使所述第一悬梁与所述第二悬梁之间不保持拉分距离，从而使所述第三波长的光发生反射。

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