CN102967933B - 基于mems微镜阵列的二元相位调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光显示技术领域，具体为一种用于激光散斑抑制的二元相位调制器，解决了现有的基于微镜阵列的相位调制器必须依赖数量庞大的CMOS寄存器进行独立控制的问题。一种基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，包括绝缘衬底，所述绝缘衬底上集成有微镜阵列，所述每个微镜由设有阻止栓的下微镜和上微镜组成，所有下微镜呈对角线方向连接后形成平行的下微镜电极组，所述下微镜电极组内的每个下微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所有上微镜呈对角线方向连接后形成平行的上微镜电极组，所述上微镜电极组内的每个上微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接。本发明设计合理，有效消除了激光散斑。
Description
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，具体为一种用于激光散斑抑制的二元相位调制器。
背景技术
当相干光（例如激光）透射过粗糙散射体或被粗糙散射体所反射时，在该散射体的粗糙表面会发生光波的干涉现象：即形成散斑，所表现出的是颗粒状的明暗非均匀光强分布。在激光显示中，散斑的存在将会降低图像质量，因而必须被抑制。
在‘Speckle Phenomena in Optics: Theory and Application’一书中，Joseph W. Goodman对激光显示投影中的散斑抑制方法和装置进行了总结和分析，通过在屏幕上对随机散斑光场在时域积分内进行光强叠加而非幅值叠加，可以有效地降低散斑对比度，进而消除散斑。基于上述理论，CN102193208A公开了一种用二元正交数组编码的二元相位调制器。如图5所示，是基于二元相位调制器的激光显示系统1，包括：激光光源2、显示面板（例如数字微镜器件）3、聚光透镜5、投影镜6和二元相位调制器7。所述二元相位调制器7位于聚光透镜5和投影镜6的中间像平面上。显示面板3上生成的图像信息首先成像于二元相位调制器7上，然后通过投影镜6被投影于屏幕9上并被光探测成像元件11（例如人眼）所扑捉。该二元相位调制器有两个相位调制状态：‘0’相位态和‘π’相位态，它们分别对应于正交数组的‘1’和‘-1’元素值。
但是，现有的基于MEMS微镜阵列的相位调制器，如基于Fraunhofer IPMS的微镜阵列，将CMOS（Complementary metal–oxide–semiconductor）寄存器置于微镜之下，每个微镜均有一个CMOS寄存器相对应，进而可以通过对CMOS寄存器施加控制信号而实现对各个微镜的独立控制。存在的缺点是：1、引入了额外的CMOS寄存器和与之匹配的控制电路，如编码、解码电路等；2、微镜的加工工艺设计必须兼容CMOS工艺；3、由于微镜阵列中每个微镜必须依赖于各自的CMOS寄存器进行独立控制，因而需要庞大的控制信号。
因此，有必要发明一种新型的二元相位调制器，来实现激光的散斑抑制。
发明内容
本发明为了解决现有的基于微镜阵列的相位调制器必须依赖数量庞大的CMOS寄存器进行独立控制的问题，提供了一种基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，来实现激光的散斑抑制。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，包括绝缘衬底，所述绝缘衬底上集成有微镜阵列，所述每个微镜由设有阻止栓的下微镜和上微镜组成，所有下微镜呈对角线方向连接后形成平行的下微镜电极组，所述下微镜电极组内的每个下微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所有上微镜呈对角线方向连接后形成平行的上微镜电极组，所述上微镜电极组内的每个上微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所述上、下微镜电极组正交、且交点处由绝缘层间隔；当外部显示面板上的图像信息成像于所述微镜阵列上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于微镜阵列上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N×N的微镜单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述微镜阵列上被相同地分割成阵列为N×N的微镜单元组，所述N是非零的正整数；在所述每个阵列为N×N的微镜单元组内，微镜在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的相干光的相位发生改变。
所述上、下微镜电极组正交即成90°的夹角，其交点处即是当通入微镜内的电压信号使上微镜发生向下运动吸合时的支撑点。
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写，随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来。在以硅为基础的MEMS 加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。
工作时，基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器工作在反射状态下，在实现方式上，MEMS微镜阵列通过上、下微镜通入的电压信号的变化致使每个微镜的吸合与否，进而改变相干光（例如激光）的光程来调制相干光的相位。
优选地，通入下微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，通入上微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，并且通入下微镜电极组内重复单元和通入上微镜电极组内重复单元的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。
具体工作时，仅仅作为一个例子，如图1、2所示，是基于微镜阵列的二元相位调制器，当外部显示面板上的图像信息成像于所述微镜阵列上时，显示面板上的每个像素单元对应地在微镜阵列上均被分割成阵列为3×3的微镜单元组。当通入电压信号时，由于通入下微镜电极组内的电压信号组以每3个电压信号为一个重复单元，通入上微镜电极组内的电压信号组也以每3个电压信号为一个重复单元，那么，下微镜电极组（包括13.1、13.2、13.3、13.4、13.5电极）内的每个下微镜电极对应连接有一个信号源（即13.1、13.2、13.3、13.4、13.5电极与下信号总线C1、C2、C3、C1、C2一一对应连接）；上微镜电极组（包括12.1、12.2、12.3、12.4、12.5电极）内的每个上微镜电极对应连接有一个信号源（即12.1、12.2、12.3、12.4、12.5电极与上信号总线R1、R2、R3、R1、R2一一对应连接），进而每个像素单元可以通过对应的3×3的微镜单元组实现实时编码。如图3所示，表示上信号的总线R1、R2、R3和下信号的总线C1、C2、C3在人眼的积分时间内的通入由二元正交数组控制的周期方波电压信号的变化情况。本发明所述相位调制器的工作机理如下：作为一个3×3的微镜单元组的控制信号的例子，下信号总线C1、C2、C3由4×3二元正交数组C[公式（1）中等号左侧的第二个数组]的行作为控制信号，上信号总线R1、R2、R3由4×3二元正交数组B[公式（1）中等号左侧的第一个数组]的行作为控制信号。这样，上信号总线R1、R2、R3和下信号总线C1、C2、C3分别对应于4×3二元正交数组B和C的行元素，二元正交数组B和C的克罗内克积（Kronecker Product）可生成如下公式（1）所示的16×9二元正交数组D：
（1）
上述二元正交数组D的每行正好对应于各个3×3的微镜单元组在人眼的积分时间内产生的多个二元相位掩膜。所述二元相位掩膜每变化一次，即对通过其的激光进行一次相位调制。在人眼的积分时间内，所述3×3的微镜单元组可以对激光进行16次独立的相位调制。如果数组B、C均选择5（行）×3（列）或者6（行）×3（列）的二元正交数组，那么在人眼的积分时间内，所述3×3的微镜单元组可以对激光进行25或者36次独立的相位调制。调制原理具体为，在人眼积分时间内的某一时刻，二元正交数组B的第i行和二元正交数组C的第x行被用来作为上信号总线R1、R2、R3和下信号总线C1、C2、C3的控制信号，分别对上微镜电极组（包括12.1、12.2、12.3、12.4、12.5电极）和下微镜电极组（包括13.1、13.2、13.3、13.4、13.5电极）进行编码（由于通入下微镜电极组内的电压信号组以每3个电压信号为一个重复单元，通入上微镜电极组内的电压信号组也以每3个电压信号为一个重复单元，所以，3×3的微镜单元组虽然上下微镜电极分别是5个，但是仍然相当于由3个信号总线进行控制）。正交数组的元素值和控制信号呈如下的一种对应关系：‘-1’和‘1’分别对应于微镜电极组的低电势VLow和高电势VHigh。当3×3的微镜单元组中的某一微镜的上、下微镜间的电势分别为VLow（或VHigh）和VHigh（或VLow）时，偏置电压VBias=VHigh-VLow和静电力存在于该微镜内，由于静电力的吸引，该微镜的上微镜被迅速下拉接触阻止栓，从而实现对激光的‘π’相位调制；当某一微镜内的上、下微镜间的电势均为VLow或VHigh时，该微镜处于零偏置电压态，所以无静电力吸引，从而实现对激光的‘0’相位调制。由于下微镜电极组（包括13.1、13.2、13.3、13.4、13.5电极）和上电极微镜组（包括12.1、12.2、12.3、12.4、12.5电极）分别被二元正交数组B和C所编码，因此在人眼积分时间内，3×3的微镜单元组可以获得多个二元相位掩膜。如图4所示，表示一个3×3的微镜单元组在人眼积分时间内第t6-t7时刻，相位调制器中一个微镜单元组（如图中虚线方框内所示）在实现激光相位调制过程中的工作状态，图中颜色较深部分表示上微镜下拉接触阻止栓，颜色较浅部分表示上微镜未运动。信号控制过程如下：将4×3的二元正交数组B的第i=2行和4×3的二元正交数组C的第x=3行分别作为工作电压对上信号总线R1、R2、R3和下信号总线C1、C2、C3进行编码，从而实现第7个二元相位掩膜。所以，在人眼的积分时间内，此二元相位调制器中每个3×3的微镜单元组可以产生16个不同的二元相位掩膜，即对于二元相位调制器整体而言，在人眼的积分时间内，可以对通过其的激光进行16次独立的相位调制，使得入射相干光的相位分布互不相关，从而使得随机散斑光场在人眼积分时间内为光强叠加而非幅值叠加，进而可以有效地降低激光散斑对比度，也就有效地抑制了激光散斑。
上述例子中，通入上微镜电极组和下微镜电极组内由二元正交数组B和C的行元素控制的周期方波电压信号，其优点在于使得入射阵列为N×N的微镜单元组内每个微镜的相干光（例如激光）的总体相位改变是0或π弧度、且每个微镜单元规律地改变相干激光的相位，即在人眼积分时间内的每个N×N的微镜单元组，根据由上微镜电极和下微镜电极各自的信号源所提供的随时间规律变化的周期控制信号，产生的16种二元正交掩膜中任意两个掩膜变化均使得相干激光被调制后的相位分布互不相关，也就使得相干光的相位分布在整体上互不相关，这样激光散斑消除效果最好。也就是通过使用正交数组相位掩膜作为漫射器产生M个独立斑纹图案来抑制斑纹的方法。
如果将外部显示面板上的一个像素单元对应地在相位调制器上分割成3×3的微镜单元组，那么对于一个具有1920×1080像素的显示面板，本发明所述相位调制器需要的微镜电极数仅为（1920+1080）×3=9000，其中独立电极为3+3=6；当然，也可以将一个像素分割成4×4微镜单元组、5×5微镜单元组、20×20微镜单元组，那么对于一个具有1920×1080像素的显示面板，本发明所述的相位调制器需要的微镜电极数分别为（1920+1080）×4（其中独立电极为4+4=8）、（1920+1080）×5（其中独立电极为5+5=10）、（1920+1080）×20（其中独立电极为20+20=40）。但是，如果将一个像素分割成3×3的微镜单元组，用CMOS寄存器来单独调节每个微镜的话，需要集成的寄存器数量则是1920×1080×9=18662400，这是一个庞大的数量。
基于上述过程，本发明不需要在每个微镜下集成有单独的寄存器，而是由两组独立的微镜电极（上微镜电极和下微镜电极）驱动，通过对驱动端口的高速实时编码，可生成正交的二维二元相位掩膜，在光探测成像元件（例如人眼）的积分时间内，相位调制器产生的多个正交的二维二元相位掩膜被投影到随机散斑光场上进行时域积分，由于该积分为散斑光场的光强叠加而非幅值叠加，从而有效降低了积分图片的散斑对比度，也就有效地消除了激光散斑。
本发明设计合理，解决了现有的基于微镜阵列的相位调制器必须依赖数量庞大的CMOS寄存器进行独立控制的问题，同时，有效消除了激光散斑。
附图说明
图1是本发明的部分结构示意图。
图2是图1的部分结构示意图。
图3是以3×3微镜单元组为例的控制信号。
图4是图3中所示例的3×3微镜单元组在t6-t7时刻的工作状态示意图。
图5是基于现有的二元相位调制器的激光显示系统示意图。
图中，1-激光显示系统，2-激光光源，3-显示面板，4-一个像素，5-聚光透镜，6-投影镜，7-二元相位调制器，8-相位单元组，9-屏幕，10-对应像素，11-光探测成像元件，14-绝缘衬底，15-阻止栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1、2所示，一种基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，包括绝缘衬底14，所述绝缘衬底14上集成有微镜阵列，所述每个微镜由设有阻止栓15的下微镜和上微镜组成，所有下微镜呈对角线方向连接后形成平行的下微镜电极组，所述下微镜电极组内的每个下微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所有上微镜呈对角线方向连接后形成平行的上微镜电极组，所述上微镜电极组内的每个上微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所述上、下微镜电极组正交、且交点处由绝缘层间隔；当外部显示面板上的图像信息成像于所述微镜阵列上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于微镜阵列上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N×N的微镜单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述微镜阵列上被相同地分割成阵列为N×N的微镜单元组，所述N是非零的正整数；在所述每个阵列为N×N的微镜单元组内，微镜在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的相干光的相位发生改变。
优选地，通入下微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，通入上微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，并且通入下微镜电极组内重复单元和通入上微镜电极组内重复单元的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。
具体实施时，所述每一微镜单元内，阻止栓15与上微镜电极之间的距离为四分之一波长。所述阻止栓15的作用是：1、阻止下微镜电极和上微镜电极接触，从而避免器件失效；2、阻止栓与上微镜电极之间的距离由半导体加工工艺中的牺牲层所控制，具体可以选择四分之一波长的距离比较合适，从而实现在反射状态下对激光的π相位调制。
所述下微镜的材料具体可以选用铝，所述上微镜的材料具体可以选用钛铝合金，但并限于上述材料。
具体使用时，本发明所述的基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器工作在反射状态下。
Claims (4)
1.一种基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，包括绝缘衬底（14），所述绝缘衬底（14）上集成有微镜阵列，所述每个微镜由上微镜和设有阻止栓（15）的下微镜组成，其特征在于：所有下微镜呈对角线方向连接后形成平行的下微镜电极组，所述下微镜电极组内的每个下微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所有上微镜呈对角线方向连接后形成平行的上微镜电极组，所述上微镜电极组内的每个上微镜电极与一个提供随机变化电压信号的信号源连接；所述上、下微镜电极组正交、且交点处由绝缘层间隔；当外部显示面板上的图像信息成像于所述微镜阵列上时，所述显示面板上的每一像素单元均对应于微镜阵列上相应的固定区域，所述固定区域内包含有阵列为N×N的微镜单元组，即显示面板上的每一像素单元在所述微镜阵列上被相同地分割成阵列为N×N的微镜单元组，所述N是非零的正整数；在所述每个阵列为N×N的微镜单元组内，微镜在各自电压信号源提供的随机变化电压信号控制下，使得入射于其上的相干光的相位发生改变。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，其特征在于：通入下微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，通入上微镜电极组内的电压信号组以每N个电压信号为一个重复单元，并且通入下微镜电极组内重复单元和通入上微镜电极组内重复单元的电压信号为由二元正交数组控制的周期方波电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，其特征在于：所述下微镜内阻止栓（15）与上微镜之间的距离为四分之一波长。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS微镜阵列的二元相位调制器，其特征在于：所述下微镜的材料为铝，所述上微镜的材料为钛铝合金。
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