CN111344621A - 用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置 - Google Patents

用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111344621A
CN111344621A CN201880072841.XA CN201880072841A CN111344621A CN 111344621 A CN111344621 A CN 111344621A CN 201880072841 A CN201880072841 A CN 201880072841A CN 111344621 A CN111344621 A CN 111344621A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
mirror
voltage
displacement
spring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880072841.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111344621B (zh
Inventor
A·J·弗吕林
J·N·哈尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Inc filed Critical Texas Instruments Inc
Publication of CN111344621A publication Critical patent/CN111344621A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111344621B publication Critical patent/CN111344621B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0037—For increasing stroke, i.e. achieve large displacement of actuated parts
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0841—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/20—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters
    • G09G3/34—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source
    • G09G3/3433—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices
    • G09G3/3466—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes for presentation of an assembly of a number of characters, e.g. a page, by composing the assembly by combination of individual elements arranged in a matrix no fixed position being assigned to or needed to be assigned to the individual characters or partial characters by control of light from an independent source using light modulating elements actuated by an electric field and being other than liquid crystal devices and electrochromic devices based on interferometric effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

Abstract

在用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置中，一种示例性装置(100)包括：具有弹簧腿的电极(106)；基电极(110)；反射镜位移确定器，其用于确定与超过电极(106)的不稳定点的电极(106)的位移距离相对应的周期信号；以及电压源，其用于响应于周期信号向基电极(110)输出周期电压。所述周期电压促使弹簧腿根据周期电压改变电极(106)相对于基电极(110)的位移。所述位移包括超过不稳定点的距离。

Description

用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽 的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及微机电系统，并且更具体地，涉及用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置。
背景技术
空间光调制器(SLM)在空间上改变对光束的调制。SLM操作像素，每个像素包括相应的反射镜，所述反射镜移动以改变光束的强度和/或相位。在一些示例中，微机电系统(MEMS)SLM改变(例如移动)反射镜的位置以改变光束的强度和/或相位。这样的MEMS包括联接至反射镜的基电极和弹簧电极。当在基电极(其联接至像素的基底)和弹簧电极之间形成电压差时，弹簧电极朝向基电极移动，从而使反射镜移动到不同位置。MEMS SLM以多种方式使用，例如用于投影仪、高动态范围电影院、光检测和测距系统、大容量光开关(例如，在电信或服务器群组中)、显微镜学/光谱学/自适应光学(例如，天文学、眼科学、机器视觉)和全息显示。
发明内容
在所描述的用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的装置的示例中，所述装置包括具有弹簧腿的电极。所述装置还包括基电极。所述装置还包括反射镜位移确定器，其用于确定与超过电极的不稳定点的电极的位移距离相对应的周期信号。所述装置还包括电压源，其用于响应于周期信号向基电极输出周期电压，所述周期电压促使弹簧腿根据周期电压改变电极相对于基电极的位移，所述位移包括超过不稳定点的距离。
在所描述用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法的示例中，所述方法包括确定与超过电极的不稳定点的像素的电极的位移距离相对应的周期信号。所述方法还包括响应于周期信号向基电极输出周期电压，所述周期电压促使电极的弹簧腿根据周期电压改变电极相对于基电极的位移，所述位移包括超过不稳定点的距离。
在所描述的用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的装置的示例中，所述装置包括反射镜。所述装置还包括附接到反射镜的电极。所述电极包括刚性体和联接至刚性体的三个弹簧腿，以响应于施加于所述电极的静电力使刚性体移位。
附图说明
图1A和1B是处于两个不同位置的示例性MEMS SLM像素的侧视图。
图2是图1A和1B的像素的示例性弹簧结构的平面图。
图3A-3C是图1A、1B和2的弹簧结构的三个示例性位移的透视图。
图4A-4C是MEMS SLM的三个示例性另选像素结构的侧视图。
图5是图1A和1B的示例性电极电压控制器的框图。
图6是表示示例性机器可读指令的流程图，所述示例性机器可读指令可以执行为实现图1A和1B的电极电压控制器以移动图1A至4C的弹簧结构的位置。
图7是由谐波谐振激励波形产生的增大的行程范围的示例图。
图8是从图1A和1B的示例性反射镜反射的光的采样的示例图。
图9A和9B是可以由图1A、1B和5的电极电压控制器输出以促使图1A和1B的反射镜周期性地变化超过不稳定点而不会塌陷的周期信号的示例图。
图10示出了用于生成与示例性光照状态相对应的示例性像素阵列帧的示例相移反射镜位移。
图11是用于执行图6的机器可读指令以控制图1A和1B的电极电压控制器的处理器平台的框图。
具体实施方式
附图未必按比例绘制。在附图中，相同的部件由相同的附图标记标引。
SLM通过将光束反射来控制反射光束的特性(例如强度和/或相位)，从而在空间上改变对光束的调制。为了调制光束，SLM像素包括可调节(可移动、可移位)的反射镜，以更改反射光束的特性。在一些示例中，SLM包括用于响应于静电力和弹力的组合来移动反射镜的MEMS。
图1A和1B是MEMS SLM的示例性像素100的两个位置的侧视图。图1A和1B示出了示例性反射镜102、示例性反射镜附件104(例如，反射镜通孔)、示例性弹簧106(例如，在本文中被称为“弹簧”、“弹簧结构”或“弹簧电极”)(例如，第一电极)、示例性弹簧附件108a-c(例如弹簧通孔)、示例性基电极110(例如第二电极)和示例性电极电压控制器112。
反射镜102根据反射镜的位置在一或多个方向上反射光束。例如，反射镜102在图1A中的第一位置延伸以反射光，而反射镜102回缩到图1B中的第二位置以反射光。反射镜102反射与具有连续相位范围的纯相位对比设备相对应的光。以这种方式，反射镜阵列可以在不同的位置移位以形成不同的干涉模式(例如，对应于不同的强度)。
弹簧106是包括弹簧腿和刚性体的电极。弹簧结构106经由反射镜附件104联接至反射镜102，从而为刚性体提供额外的刚性。弹簧结构106的弹簧腿对应于一定机械弹簧常数，其在拉伸时沿拉伸的相反方向施加机械力。弹簧腿被附接至可以被接地的弹簧附件108a-c。以这种方式，当静电力以向下的运动施加于弹簧结构106时，弹簧腿朝向基电极110延伸，从而导致弹簧结构106的刚性体降低，由此使反射镜102从图1A的位置朝向图1B的位置移动。尽管弹簧结构106可以是任何形状，但是六边形形状的弹簧结构增加了刚性体的面积周长比，因此施加于基电极110的电压可以显著低于常规像素而不会降低像素的质量(例如，对应于反射镜位移的总距离)。
在一些示例中，弹簧附件108a-c的长度比反射镜附件104的长度长。以这种方式，即使反射镜102在静电力的作用下完全移位，弹簧结构106也不会直接接触基电极110(例如，不会引起电气短路)。在一些示例中，反射镜102、反射镜附件104、弹簧结构106和/或弹簧附件108a-c被类似的材料覆盖。以这种方式，在反射镜102、反射镜附件104、弹簧结构106和/或弹簧附件108a-c之间存在零电压电位。
在操作中，基电极110从电极电压控制器112接收电压。基电极110上的电压产生静电力，当所述静电力强于弹簧结构106的弹簧常数时，促使弹簧结构106朝向基电极110移动。弹簧结构106的位移随着在基电极110上施加更多的电压和/或随着通过基电极110施加更多的电压区域而增加。在一些示例中，基电极110是模拟型电极，其中电压在整个基电极110上均等地分布。因此，电极电压控制器112输出模拟电压，以便将弹簧结构106和反射镜102移动到不同的位置(例如，每个电压电平对应于一不同的位置)。在一些示例中，基电极110是数字型电极，其中电压被施加于基电极110的不同区域(例如，位)。例如，对于线性位间隔，基电极110可以包括三个位(位_0、位_1和位_2)，因此面积二进制地增加(例如，位0是位1的面积的1/2，位1是位2的面积的1/2。然而，可以改变所述面积比以补偿静电力、弯曲/倾斜电极和/或非线性弹簧的非线性，如本文以下所进一步描述的。尽管图1A和1B的示例对应于3位电极配置，但是基电极110可以包括任何数量的位，这受光刻和布线限制的影响。因此：(a)如果向位_0施加5V，则弹簧结构106被移动到第一位置；(b)如果向位_0和位_1施加5V，则弹簧结构106被移动到第二位置(低于第一位置)；(c)如果向位_0、位_1和位_2施加5V，则弹簧结构106被移动到第三位置(低于第二位置)。
电极电压控制器112通过将电压发送到基电极110以在基电极110和弹簧结构106之间产生静电力来控制反射镜102的位移，从而促使弹簧结构106(并因此促使反射镜102)朝向基电极110移动。电极电压控制器112根据期望的输出(例如，从另一计算设备或电路接收到的)来施加电压以对应于一定距离。在一些示例中，电极电压控制器112生成周期信号(例如，数字脉冲信号或正弦信号)，所述周期信号促使弹簧结构106(例如，由此促使反射镜102)以周期性的方式被拉向和拉离基电极110。如本文所述，周期性地改变电压以周期性地改变弹簧结构106的位移允许电极电压控制器112将弹簧结构106朝向基电极110移动超过d/3阈值距离(例如，不稳定点)而不会塌陷(例如，不会导致弹簧结构106朝向基电极110塌陷)。通过使用周期性改变的技术，电极电压控制器112能够将弹簧结构106移动到距基电极110距离的约9/10处。因为电极电压控制器112随着时间改变弹簧结构106的位移，所以接收设备(例如，接收由反射镜102反射的光)需要获取关于周期性变化的信息，以根据期望的位移对接收到的信号(例如，反射镜102所反射的光)进行采样。例如，如果电极电压控制器112正在改变由基电极110施加的电压以使弹簧结构106以特定的速率以特定的总距离(例如，周期性位移的幅度)移动，则接收设备根据已知的速率和距离针对期望的位移对接收到的信号进行采样。尽管示例性电极电压控制器112控制像素100，但是电极电压控制器112也可以控制多个像素。例如，电极电压控制器112可以联接至各自独立地、作为组或作为子组(例如，由第一电压控制的第一子组和由第二电压控制的第二子组)操作的基电极。下文结合图5进一步描述电极电压控制器112。
图2示出了图1A和1B的像素100的基电极110上方的弹簧结构106的示例性俯视图。图2的俯视图包括图1A和1B的反射镜附件104、弹簧结构106、弹簧附件108a-c和基电极110。图2的弹簧结构106包括示例性主体200和示例性弹簧腿202a-c。
如本文所述，图2的弹簧结构106是三腿六边形形状的弹簧结构，其增加了刚性体的面积周长比，从而允许施加于基电极110的电压显著低于常规像素而不会降低像素的质量(例如，对应于反射镜位移的总距离)。另选地，弹簧结构106可以具有不同的形状、具有不同的面积周长比，其与可能需要由基电极110施加的不同电压相对应。
图2的主体200是当基电极110增加电压时保持其结构的刚性结构。当基电极110增加电压时，主体200在保持其形状的同时朝向基电极110移动。以这种方式，增加了暴露于基电极电压的表面积，从而增加了结构的总体效率。反射镜附件104附接至主体200，从而促使图2的反射镜102随着主体200的移动而移动。而且，反射镜附件104为主体200提供了额外的刚性。尽管反射镜附件104在中间附接至弹簧结构106，但是反射镜附件104可以沿主体200附接至任何地方，和/或可以在主体200的各个位置包括多个反射镜附件。这些多个附接点可以用于增加主下部电极主体的刚度，同时弱化弹簧腿，反之亦然。主体200附接至弹簧腿202a-c。
图2的弹簧腿202a-c附接至弹簧附件108a-c和弹簧主体200。在所示的示例中，弹簧附件108a-c接地；由此，弹簧腿202a-c和弹簧主体200也接地。弹簧腿202a-c包括与将主体200保持在第一位置的弹簧力相对应的弹簧常数。随着基电极110的静电力的增加(例如，根据接地的弹簧结构106与图1A和1B的偏置基电极110之间的电压差)，弹簧腿202a-c朝向基电极110拉伸，从而降低主体200。弹簧常数可以基于弹簧结构106的材料和/或基于弹簧腿202a-c的尺寸。例如，弹簧腿202a-c是长的，并且在融入主体200之前缠绕在六边形结构周围。这种结构提供了与弹簧常数相对应的伸展性，同时保留了主体200的面积周长比。在所示的示例中，弹簧结构106是一个统一材料的统一件(例如，主体200和弹簧腿202a-c由相同的材料制成并且整合在相同的结构内)。然而，主体200和弹簧腿202a-c可以是附接在一起的不同材料(例如，第一材料对应于弹簧腿202a-c的弹簧常数，而第二材料对应于主体200的刚性)。图2的三腿六边形结构降低了弹簧腿202a-c的刚度(例如弹簧常数)，同时为主体200提供了足够的支撑。
图3A-3C示出了图1A、1B和2的弹簧结构的三个示例性位移。图3A-3C包括图2的弹簧结构106的主体200和弹簧腿202a-c。图3A示出了示例性第一弹簧位移300，其对应于施加于图1A和1B的基电极110的第一电压。图3B示出了示例性第二弹簧位移302，其对应于施加于图1A和1B的基电极110的第二电压。图3C示出了示例性第三弹簧位移304，其对应于施加于图1A和1B的基电极110的第三电压。
在图3A中，电极电压控制器112未向基电极110施加电压。因为在弹簧结构106和基电极110之间不存在电压差，所以不存在朝向基电极110拉动主体200的静电力。因此，图3A示出了没有位移的弹簧结构106。例如，弹簧腿202a-c与弹簧主体200处于同一水平，并且没有施加向下的力。
在图3B中，电极电压控制器112向基电极110施加第一电压(例如，遍及基电极110的第一模拟电压或对应于基电极110的总面积的第一面积的电压)。施加于基电极110的第一电压在基电极110和弹簧结构106之间引起第一电压差，从而引起朝向基电极110向下驱动主体200的静电力。第一电压对应于第一静电力，所述第一静电力使弹簧腿202a-c拉伸并将主体200降低至第一位置(例如，对应于距离图3A的位置)10毫米(mm)的位移)。
在图3C中，电极电压控制器112向基电极110施加第二电压(例如，高于图3B的第一模拟电压的第二模拟电压或图3B中对应于大于基电极110的第一面积的第二面积的电压)。施加于基电极110的第二电压(例如，更高或在更宽的面积上)在基电极110和弹簧结构106之间引起第二更高电压差，从而引起朝向基电极110进一步向下驱动主体200的静电力。第二电压对应于第二静电力，所述第二静电力使弹簧腿202a-c进一步拉伸并将主体200降低至第二位置(例如，对应于距离图3A的位置)30毫米(mm)的位移)。
如图3A-3C所示，施加于基电极110的电压越强(例如，更高的电压或在更大的面积上)，则主体200朝向基电极110移位地越远。如本文所述，在主体200的每个位置中，主体200保持刚性，而弹簧腿202a-c响应于静电力而拉伸。
图4A-4C示出了MEMS SLM的三个示例性另选像素结构。图4A-4C的示例包括图1A和1B的反射镜102、反射镜附件104、弹簧结构106、弹簧附件108a-c以及基电极110。图4A-4C的示例进一步包括了第一示例性像素结构400、第二示例性像素结构410和/或第三示例性像素结构420中的示例性非均匀基电极402和示例性非均匀弹簧结构404。
图4A的第一示例性像素结构400包括非均匀基电极402。非均匀基电极402具有是灰阶倾斜而非平坦的结构。非均匀基电极402可以是弯曲的、碗状的、斜的、倾斜的和/或除平坦结构以外的任何其他结构。例如，非均匀基电极402可以弯曲远离彼此(例如，随着位置逐渐增加距离d)。例如，在此类弯曲结构中，随着沿致动结构的位置从支撑结构开始增加，基电极402和弹簧电极106之间的距离d增加。调节(例如，弯曲)基电极402将静电力从均匀的线性力改变为不均匀的非线性力。以这种方式，当弹簧结构106接近非均匀基电极402时，在弹簧附件108a-c附近将存在更多的力，并且将存在更多来自弹簧结构106的恢复力(例如，位移越大，则弹簧结构106的阻力越大)。通过使非均匀基电极402逐渐远离弹簧结构106的最薄弱部分，增加了总体像素行程，例如从d/3的不稳定阈值增加到2d/3的不稳定阈值(例如，常规MEMS像素行程的两倍行程)而不会塌陷(例如，没有任何塌陷的风险)。
图4B的第一示例性像素结构410包括非均匀弹簧结构404。非均匀弹簧结构404具有是灰阶倾斜而非平坦的结构。非均匀弹簧结构404可以是弯曲的、碗状的、斜的、倾斜的和/或除平坦结构以外的任何其他结构。例如，非均匀弹簧结构404可以弯曲远离彼此(例如，随着位置逐渐增加距离d)。例如，在此类弯曲结构中，随着沿致动结构的位置从支撑结构开始增加，基电极110和弹簧电极404之间的距离d增加。调节(例如，弯曲)弹簧结构404将静电力从均匀的线性力改变为不均匀的非线性力。以这种方式，当弹簧结构404接近基电极110时，在弹簧附件108a-c附近将存在更多的力，并且将存在更多来自弹簧结构404的恢复力(例如，位移越大，则弹簧结构404的阻力越大)。通过逐渐使非均匀弹簧结构404的最弱部分移动远离基电极110，增加了总体像素行程，例如从d/3的不稳定阈值增加到2d/3的不稳定阈值(例如，常规MEMS像素行程的两倍行程)而不会塌陷。图4C的第三示例性像素结构420包括图4A和4B的非均匀基电极402和非均匀弹簧结构404。类似于像素结构400和410，像素结构420对应于总体像素行程增加，例如从d/3的不稳定阈值增加到2d/3的不稳定阈值(例如，常规MEMS像素行程的两倍行程)而不会塌陷。
因此，MEMS可以施加静电力以移动SLM像素100、400、410、420的反射镜102。例如，MEMS像素100、400、410、420包括联接至反射镜102的第一电极106、404。第一电极106、404还锚定至附件104，所述附件与第二电极110、402相距距离d(例如，在垂直构造中在第二电极110、402上方)。第一电极106、404包括一或多个弹簧以保持第一电极106、404的位置(例如，远离第二电极110、402距离d)，但是允许第一电极106、404在第二力克服弹簧力的情况下向内和向外移动(例如，在垂直结构中上下移动)。第一电极106、404接地，并且第二电极110、402联接至电压调节器504。电压调节器504向第二电极110、402施加偏置电压。当施加于第二电极110、402的偏置电压增加时，第一电极106、404与第二电极110、402之间的电压差产生静电力，所述静电力朝向第二电极110、402驱动第一电极106、404，从而使反射镜102朝向第二电极110、402移动。除此之外或另选地，施加偏置电压的第二(例如，基)电极110、402的面积的量可以增加，从而增加静电力并且拉动第一电极106、404更靠近第二电极110、402，例如在数字式电极中。静电力随着电压的降低(和/或随着在第二电极110、402上施加电压的面积的量减少)而减小，从而允许弹簧的恢复力使第一电极106、404移动远离第二电极110、402。以这种方式，控制器112可以控制电压和/或在第二电极110、402上施加电压的面积的量以控制第一电极106、404的位置，由此控制反射镜102的位置。反射镜102的行程的量对应于设备可实现的相位调制。因此，本文所述的示例增加了反射镜102在MEMS像素100、400、410、420中的行程距离，而没有常规MEMS像素的缺点。
MEMS像素包括吸合点，在本文中也称为不稳定点，其对应于在塌陷发生之前(例如，在第一电极106、404朝向第二电极110、402塌陷从而破坏像素的功能之前)第一电极106、404可以行进的最大距离。不稳定点是一平衡点，超过所述平衡点，系统可能会变得不稳定。系统的稳定性取决于净力的微分(例如，
Figure BDA0002485502040000081
稳定平衡，且
Figure BDA0002485502040000082
Figure BDA0002485502040000083
不稳定平衡，其中xe是平衡位移)。净力表示静电力和弹簧力的组合(例如，
Figure BDA0002485502040000084
Figure BDA0002485502040000085
其中∈是两个电极之间的介电常数，A是基电极的面积，x是弹簧电极106、404的位移，以及-kx是线性弹簧中的恢复力)。因此，在所述示例中，第一电极106、404无法保持到第二电极110、402的距离大于d/3阈值距离的位置。例如，如果弹簧电极106、404(在未施加任何静电力的情况下)距离基电极900微米，则在发生吸合之前，弹簧电极106、404可以仅朝向基电极行进300微米。但是本文所述的示例包括能够在不引起塌陷的情况下在不稳定点之外操作像素100、400、410、420的技术。
常规的MEMS像素包括用于将第一电极(例如，弹簧电极)锚定到表面的四个附件。一些常规的MEMS像素的第一电极包括附接到刚性体的四个腿(具有一定弹簧常数)。以这种方式，当静电力增加时，腿拉伸以允许刚性体朝向基电极移动。然而，这种设计会增加弹簧的垂直刚度，从而需要：(a)增加施加于基电极的电压(例如，浪费能量)；或(b)增加基电极和/或弹簧电极的尺寸(例如，增加占有面积并减小填充因子)。例如，常规的MEMS像素需要在20至200V之间的偏置电压(例如，由第二电极施加的电压)，以提供足够的静电力来将常规的弹簧电极106、404/反射镜102移动到期望的位置。而且，增加电极的尺寸会限制光束转向角、限制光带宽以及限制机械带宽。本文所述的示例通过仅使用三个附件108a-c来锚定弹簧电极106、404来实现像素100、400、410、420，减轻了此类常规的MEMS像素的功率和尺寸，从而使垂直刚度减小了25％。以这种方式，可以减小像素尺寸和用于控制反射镜102的位置的偏置电压。而且，本文所述的一些示例包括增加周长/面积比的弹簧电极设计(例如，基于六边形的设计)，以进一步提高MEMS像素100、400、410、420的效率。在本文所述的示例中，尺寸小于10微米的MEMS像素可以在10V或更低的偏置电压下操作。
一些常规像素进一步将锚点的数量减少到仅两个支撑点。然而，由于由热应力或薄膜沉积应力引起的工艺不均匀性和/或变形，此类常规像素使MEMS设计易受倾斜或旋转影响。在本文所述的示例中，这些应力通过所述的锚定设计被充分补偿。因此，本文所述的示例在工艺不均匀性和环境变化上具有非常低的倾斜/位移/旋转。
另外，本文所述的一些示例包括能够在不稳定点之外操作(例如，移动)弹簧电极106、404和反射镜102而不会塌陷的技术。在本文所述的一些示例中，施加于基电极的电压是周期性的(例如，通过使用数字脉冲或正弦信号)，其与超过不稳定点的d/3阈值距离的距离相对应。因为电压在较短持续时间内对应于超过d/3阈值距离的距离，所以第一电极106、404到第二电极110、402的行进距离可达9d/10而不会塌陷，从而实现了近三倍于依靠平行板静电致动的常规MEMS技术远的像素行程。由于正弦信号或脉冲将导致弹簧电极106、404和反射镜102以脉冲或正弦信号模式改变距离，因此本文所述的示例包括将与脉冲或正弦信号有关的数据(例如，相位、幅度)发送到接收设备的采样器，以便采样器可以采样与反射镜期望距离相对应的光束。例如，如果像素100、400、410、420是周期性的，使得反射镜102每5纳秒对应于600微米的距离，则采样器可以每5纳秒对光束进行采样，从而使得采样的光束对应于到反射镜600微米的距离。
另外，本文所述的一些示例包括能够将d/3阈值增加到更大的阈值(例如，2d/3阈值)的基电极110、402和/或弹簧电极106、404的机械设计，而无需通过调节基电极和/或弹簧电极106、404的特性来对输出进行采样。例如，基电极402和弹簧电极404弯曲远离彼此(例如，随着位置逐渐增加距离d)。例如，在此类弯曲结构中，随着沿致动结构的位置从支撑结构开始增加，基电极402和弹簧电极404之间的距离增加。调节(例如，弯曲)弹簧和/或基电极将静电力和/或弹簧力从均匀的线性力改变为不均匀的非线性力。以此方式，当弹簧电极106、404接近弯曲的基电极时，更靠近锚点处存在更多力，并且在弹簧处存在更多的恢复力(例如，如果位移更大，则弹簧的阻力更大)。当弹簧的恢复力为线性时，静电力与间隙减小的平方成反比，如等式1所示：
Figure BDA0002485502040000091
可以通过逐渐使偏置电极移动远离弹簧的最薄弱部分来补偿这种线性度，因此总像素行程从d/3的不稳定阈值增加到较大(例如2d/3)的不稳定阈值(例如常规MEMS像素行程的两倍行程)或者更大。同样，可以通过使弹簧预弯曲(例如，通过薄膜中的工艺感应应力、光刻技术或形成弯曲或倾斜结构的其他制造工艺)从而随着位移增加而在机械刚度(k)上呈现出非线性的增加，来平衡这种非线性的吸引力以增加在达到不稳定之前的行程。
图5是本文所述的图1A和1B的电极电压控制器112的框图，所述电极电压控制器周期性地改变施加于基电极110的电压，以周期性地将弹簧结构106(例如，以及反射镜102)移位到与常规MEMS像素相对应的不稳定点之外。尽管结合像素100描述了电极电压控制器112，但是电极电压控制器112可用于控制任何类型像素的基电极。电极电压控制器112包括示例性接收器500、示例性反射镜位移确定器502、示例性电压源504和示例性发射器506。
图5的接收器500接收指令以将像素100的反射镜102移动到距计算设备或电路一定距离。另外，接收器500确定何时接收到新指令以便触发反射镜102的附加移动。
图5的反射镜位移确定器502处理所接收的指令以识别反射镜102/弹簧结构106的期望位移距离。反射镜位移确定器502确定所接收指令的期望位移距离是大于还是小于不稳定点(例如，与常规MEMS像素的不稳定点相对应的d/3阈值距离)。如果期望的位移距离小于不稳定点，则反射镜位移确定器502确定向基电极110施加哪个电压(例如，对于基于模拟的电极)和/或向基电极110施加多少面积量的电压(例如，对于基于数字的电极)。如果期望的位移距离大于不稳定点，则反射镜位移确定器502确定向基电极110施加周期性(例如，数字脉冲信号或正弦信号)信号。在一些示例中，反射镜位移确定器502响应于所确定的周期信号来确定何时需要对信号进行采样以与期望的位移距离相对应。
图5的电压源504响应于由反射镜位移确定器502确定的电压来生成电压。电压源504可以满足能够输出稳定电压和/或周期电压。在一些示例中，电压源504可以包括两个或更多个电压源(例如，一个用于稳定电压，而一个用于周期电压)。在一些示例中，电压源504能够生成不同的周期信号(例如对应于不同的频率、幅度、相位等)。
图5的发射器506经由有线或无线信号将与周期电压有关的数据(例如，电压变化数据)和/或采样数据发送至接收设备。电压变化数据包括与由电压源504施加的电压有关的相位、频率、幅度等和/或与反射镜102的移动有关的相位、频率、幅度等(例如，如果它们不一样的话)。以这种方式，接收设备可以确定何时对接收到的信号进行采样，以便样品对应于期望的反射镜位移位置。采样数据可以包括何时对接收到的信号进行采样。以这种方式，接收设备可以直接响应于电压变化数据进行采样(例如，无需计算何时对接收到的光信号进行采样)。
图5示出了图1A和1B的电极电压控制器112的示例性实施方式。此外，图5的接收器500、反射镜位移确定器502、电压调节器504、发射器506和/或更一般地电极电压控制器112可以由硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任何组合来实现。例如，图5的接收器500、反射镜位移确定器502、电压调节器504、发射器506和/或更一般地电极电压控制器112的任何一个可以由一或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)和/或现场可编程逻辑设备(FPLD)来实现。在示例性软件和/或固件实施方式中，图5的接收器500、反射镜位移确定器502、电压调节器504、发射器506和/或更一般地电极电压控制器112的至少一个包括存储软件和/或固件的计算机可读介质(例如硬盘驱动器、存储器、数字多功能光盘(DVD)、光盘(CD)、蓝光光盘或其他信息存储设备)。
在图6中示出了表示用于实现图5的电极电压控制器112的示例性机器可读指令的流程图。在所述示例中，机器可读指令形成可由指令执行装置(例如，在下文结合图11所描述的处理器平台1100中示出的处理器1112)处理的程序，以用于使所述装置执行本文描述的方法和过程。所述程序可以以存储在计算机可读介质上的软件来体现，但是整个程序和/或其部分可以另选地由除处理器1112之外的设备执行和/或嵌入在固件或专用硬件中。此外，尽管参考图6的流程图描述了所述程序，但是也可以另选地使用实现电极电压控制器112的其他方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、消除或组合所描述的一些框。除此之外或另选地，任何或所有框均可以由一或多个硬件电路(例如分立和/或集成的模拟和/或数字电路、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、比较器、运算放大器(op-amp)、逻辑电路等)来实现，其被构造为执行对应的操作而无需执行软件或固件。
如上文所述，图6的过程可以通过存储在计算机可读介质上的编码指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现。
图6是表示示例性机器可读指令的示例性流程图600，所述示例性机器可读指令可以由图1A和1B的电极电压控制器112执行以向(图1A、1B和/或4的)基电极110、402施加电压，从而将弹簧结构106、404移动到超过d/3阈值距离(例如，不稳定点)。尽管结合图1A、1B和/或5的电极电压控制器112描述了图6的指令，但是所述指令可以由任何类型的像素结构中的任何类型的电极电压控制器使用。
在框602处，接收器500接收将反射镜102移位X距离的指令。如上文结合图5所描述的，指令可以由另一设备提供以根据期望的输出来控制像素100。在框604处，反射镜位移确定器502确定X是否大于塌陷阈值距离。塌陷阈值距离对应于将导致弹簧结构106塌陷的位移距离(例如，如果保持超过较短的持续时间)。如上文所述，塌陷阈值距离约为d/3，其中d是当电极电压控制器112不施加电压时弹簧结构106到基电极110的距离。
如果反射镜位移确定器502确定X不大于塌陷距离阈值(框604：否)，则电压源504将向基电极110施加与X距离相对应的电压(框606)。以这种方式，弹簧结构106以期望的X距离被拉向基电极110。在一些示例中，电压源504可以向基电极110的一部分面积发送与X距离相对应(例如，对应于数字基电极)的预设电压。在此类示例中，为了增加位移，电压源504可以向基电极110的更大部分面积发送预设电压。在其他示例中，电压源504可以向基电极110的整个面积发送与X距离相对应的电压。在此类示例中，为了增加位移，电压源504可以向基电极110发送更高的电压。
如果反射镜位移确定器502确定X大于塌陷距离阈值(框604：是)，则电压源504周期性地改变(例如，通过使用数字脉冲信号或正弦信号)施加于基电极110的与X距离相对应电压(框608)。在一些示例中，电压源504可以生成周期电压，其中周期电压的峰值对应于X距离。在其他示例中，电压源504可以生成预设的周期电压，其中X距离对应于沿着周期电压的某个点。
在框610处，发射器506将电压变化数据和/或采样发送到接收设备(例如，接收从图2的反射镜102反射的光的设备)。电压变化数据可以包括与周期电压和/或周期位移相对应的频率、幅度、相位等。采样数据可以包括与何时对接收到的信号进行采样相对应的指令(例如，反射镜位移确定器502响应于周期信号和期望的X距离来确定何时接收设备应所述对接收到的信号进行采样)。以这种方式，接收设备知道何时对接收到的信号进行采样，以便样品与期望的X距离相对应。
在框612处，接收器500确定是否已经接收到对应于新的位移距离的附加指令。如果接收器500确定已经接收到新指令(框612：是)，则根据新接收的距离，过程返回到框604。如果接收器500确定尚未接收到新指令(框612：否)，则电极电压控制器112继续对应于X距离操作，直到接收器500接收到新的位移距离为止。
图7是示出由谐波谐振激励波形(例如，正弦信号或重复脉冲信号)产生的增大的行程范围的示例图700。所述图示出了根据针对图1A和1B的反射镜102的第一示例性反射镜位移702和第二示例性反射镜位移704的波形的频率，归一化像素位移的变化。第一反射镜位移702对应于第一调制波长(例如700纳米)，而示例性反射镜位移704对应于第二调制波长(例如470纳米)。另选地，可以通过(a)稍微偏离谐振地调节驱动脉冲的频率和/或(B)减小脉冲的偏置电压的幅度来将第一和第二反射镜位移缩放到用于任何相位调制的任何分数波长。
如图7的图700所示，当设备在高Q状态(Q>2)下操作时，例如在具有低压的封装环境中，可以谐振地泵浦设备。随着驱动频率接近谐振频率(例如，
Figure BDA0002485502040000121
其中k对应于弹簧结构106的弹簧腿202a-c的刚度，m对应于反射镜102的质量)，与偏置信号具有显著低于谐振频率的周期时相比，第一反射镜位移702的像素位移可以达到大出或高出一个数量级的最大位移。因此，对于在低于谐振频率的频率下的相同电压可标称位移，位移的缩放可以高出一个数量级。以这种方式，反射镜102可以以低电压(例如，以谐振频率或接近谐振频率)被泵浦以引起更大的振荡。第二反射镜位移704示出了其中减小偏置幅度以针对不同波长调谐峰值幅度的情形。通过略低于设备的谐振频率周期性地偏置，可以实现类似的缩放效果。如图700所示，在避免卡扣(例如塌陷)的同时，反射镜102的总行程得到了控制。可达到的幅度是像素100的质量因数和/或采样条件的函数。尽管每个MEMS设备可以具有与其质量和/或刚度成比例的不同谐振频率，但是在设计图700时要考虑总体系统功能。
图8示出了示例性示范800，其对应于从反射镜102反射的光的采样。示范800包括反射镜102的示例性像素行程802，其可能由图1A和1B的电极电压控制器112输出的周期性符号引起。
图8的像素行程802是正弦曲线的位移，其表示反射镜102响应于由图1A和1B的电压控制器112生成脉冲和/或正弦信号而产生的变化。如示范800所示，像素在0到λ/2的范围上行进，其中λ是调制光的波长。在一些示例中，可以通过脉冲定时、幅度、驱动电压和/或像素的机械设计来缩放总距离以实现期望的波长分数部分。每个位移对应于反射光的微分。因此，接收设备可以在不同的时间点对反射镜的反射输出进行采样以与不同的反射镜位置相对应。例如，快速帧成像各自代表可用于采样的不同状态。如上文所述，周期性像素行程802的细节可以被发送到接收设备，以便接收设备可以根据期望的反射镜位置进行采样。在示范800中，周期1、2、3和4表示对应于不同反射镜位置的不同采样点。因此，可以在适当的时间对反射镜位置进行采样以获得期望的分数波长。在这种谐波驱动模式下，波长分辨率受到互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器定时处理的限制。在一些示例中，可以对像素设计添加/删除质量或刚度以调节定时。根据应用定时要求、集成电路性能、帧上传带宽和/或过程均匀性，可以在单个周期内捕获所有相位模式。除此之外或另选地，一帧可以跨多个周期。除此之外或另选地，可以采用平均来补偿像素不均匀性。驱动所述设备进入谐振可提供大位移而无需超过吸合电压。
图9A示出了示例性周期信号900，其可以由电极电压控制器112输出以使反射镜102周期性地变化超过d/3不稳定点而不会塌陷。图9A的示例包括周期信号900和示例性反射镜位移902。尽管周期信号900是具有特定周期和脉冲宽度的一系列脉冲，但是周期信号900可以是任何类型的周期信号。
图9A的周期信号900包括在5微秒(例如，1/谐振频率)之后重复的等距脉冲，其中所述脉冲具有大致1微秒的宽度。另选地，周期信号900可以对应于任何模式。例如，周期信号900可以是谐振频率的函数(例如，
Figure BDA0002485502040000131
其中k和m均可以作为像素设计的特定尺寸、膜厚度和材料集而变化)，和/或周期信号900的周期可以根据驱动信号压摆率(例如，更短更高的电压脉冲或更长更低的电压脉冲)更短或更长。输出周期信号900导致反射镜位移902。例如，当周期信号900的脉冲为高时，反射镜102朝向图1A和1B的基电极110移位，例如(-0.75)(间隙)，其中间隙对应于基电极110和弹簧电极106和/或反射镜102之间的距离。当脉冲结束时，反射镜位移902示出反射镜102远离基电极110移位(例如，(0.75)(间隙))。因此，反射镜位移902示出反射镜102被驱动超过d/3不稳定点而没有灾难性接触(例如，没有任何灾难性接触风险)的能力。在一些示例中，可以降低驱动电压并且可以将脉冲的宽度加宽以实现类似的结果。在此类示例中，可以通过驱动波形来补偿泵浦周期，以经由相移波形和/或复位脉冲通过主动和被动消除来改善状态之间的过渡。当在像素阵列中使用周期信号900时，像素可以仅通过相同驱动源的相移版本来寻址，如下文结合图10所述。
图9B示出了示例性周期信号910，其可以由电极电压控制器112输出以使反射镜102周期性地变化超过d/3不稳定点而不会塌陷。图9B的示例包括周期信号912和示例性反射镜位移914。图9B的示例包括示例性过渡周期916，以在第一示例性像素相位918和第二示例性像素相位920之间过渡。
如图9B的周期信号910所示，图1A和1B的电极电压控制器112可以使一或多个像素100从第一示例性相位918过渡到第二示例性相位920，以改变光从反射镜102反射的方式。在一些示例中，例如在适合于相位泵浦的欠阻尼环境中，可能需要过渡周期916从第一示例性相位918迅速调整到第二示例性相位920。例如，电压控制器112可以在发送周期916期间施加一或多个异步脉冲(例如，用来减慢像素行进的复位脉冲和/或用来使像素准备好用于第二示例性相位920的过渡脉冲)以加速过渡。在一些示例中，电压控制器112可以根据驱动带宽在像素100和/或像素阵列上施加过渡。在一些示例中，在适当地将用于第二图像的第二相位发送到像素100和/或像素阵列之前，可能需要几个帧来减慢像素100。
图10示出了用于生成与示例性光照状态1004相对应的示例性像素阵列帧1002的示例性相移反射镜位移1000。相移反射镜位移1000包括对应于四个不同延迟的四个示例性反射镜位移1006、1008、1010、1012。像素阵列帧1002包括对应于四个不同像素阵列状态的四个不同帧1012、1016、1018、1020。光照状态1004包括四个不同的光照状态1022、1024、1026、1028。
图10的移位反射镜位移1000包括四个示例性反射镜位移1006、1008、1010、1012，每个反射镜位移对应于不同的延迟。例如，电极电压控制器112可以发送与不同的反射镜位移1006、1008、1010、1012相对应的不同周期信号。在一些示例中，可以包括附加电路以产生变化量的延迟。以这种方式，电极电压控制器112可以输出一个周期信号，并且多路复用器和延迟电路的组合可以利于阵列中不同像素的反射镜与反射镜位移1006、1008、1010、1012相对应的移动。
图10的像素阵列帧1002包括四个不同的帧1012、1016、1018、1020，其对应于四乘四的像素阵列(例如，在各个位移位置处包括四个反射镜)。例如，每个像素可以与反射镜位移1006、1008、1010、1012中的任何一个相对应。调节像素帧1002的不同像素的位移对应于不同的示例性光照状态1004。例如，第一光照状态1022对应于第一示例性帧1014的反射光，第二光照状态1024对应于第二示例性帧1016的反射光，第三光照状态1026对应于第三示例性帧1018的反射光，并且第四光照状态1028对应于第四示例性帧1020的反射光。尽管图2的示例包括与四个移位的反射镜位移1000相对应的四个像素阵列帧1002，但是在任何尺寸的像素阵列上可以使用任何数量和/或模式的阵列帧。除此之外或另选地，可以缩放偏置波形以实现不同的位移。
图11是能够执行图3至4的指令以实现图5的电极电压控制器112的示例性处理器平台1100的框图。例如，处理器平台1100可以是服务器、个人计算机、移动设备(例如，蜂窝电话、智能电话、诸如iPadTM的平板电脑)、个人数字助理(PDA)、互联网电器、DVD播放器、CD播放器、数字视频录像机、蓝光播放器、游戏机、个人视频录像机、机顶盒或任何其他类型的计算设备。
所示示例的处理器平台1100包括处理器1112。所示示例的处理器1112是硬件。例如，处理器1112可以由任何期望家族或制造商的一或多个集成电路、逻辑电路、微处理器或控制器来实现。硬件处理器可以是基于半导体的(例如，基于硅的)设备。在所述示例中，处理器实现接收器500、反射镜位移确定器502、电压源504和发射器506。
在所述示例中，处理器1112包括本地存储器1113(例如，高速缓存)。另外，在所述示例中，处理器1112经由总线1118与包括易失性存储器1114和非易失性存储器1116的主存储器进行通信。易失性存储器1114可以由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、RAMBUS动态随机存取存储器(RDRAM)和/或任何其他类型的随机存取存储器设备来实现。非易失性存储器1116可以由闪存存储器和/或任何其他期望类型的存储器设备来实现。对主存储器1114、1116的访问由存储器控制器进行控制。
所示示例的处理器平台1100还包括接口电路1120。接口电路1120可以通过任何类型的接口标准来实现，例如以太网接口、通用串行总线(USB)和/或PCI express接口。
在所示的示例中，一或多个输入设备1122连接至接口电路1120。输入设备1122允许用户将数据和/或命令输入到处理器1112中。例如，输入设备可以由音频传感器、麦克风、摄像机(静止或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、触控板、轨迹球、等位点装置和/或语音识别系统来实现。
一或多个输出设备1124同样连接至所示示例的接口电路1120。例如，输出设备1124可以由显示设备(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、液晶显示器、阴极射线管显示器(CRT)、触摸屏、触觉输出设备、打印机和/或扬声器)来实现。因此，所示示例的接口电路1120通常包括图形驱动器卡、图形驱动器芯片和/或图形驱动器处理器。
所示示例的接口电路1120还包括通信设备，例如发射器、接收器、收发器、调制解调器和/或网络接口卡，以利于经由网络1126(例如以太网连接、数字用户线(DSL)、电话线、同轴电缆、蜂窝电话系统等)与外部机器(例如，任何种类的计算设备)进行数据交换。
所示示例的处理器平台1100还包括用于存储软件和/或数据的一或多个大容量存储设备1128。此类大容量存储设备1128的示例包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、蓝光磁盘驱动器、RAID系统和数字多功能光盘(DVD)驱动器。
图6的编码指令1132可以存储在大容量存储设备1128、易失性存储器1114、非易失性存储器1116和/或另一计算机可读介质中。
计算机程序产品是具有以下内容的制品：(a)计算机可读介质；和(b)存储在此类介质上的计算机可读程序。此类程序可以由指令执行装置处理(例如，可执行)，以促使所述装置执行其本文上述操作。例如，响应于处理(例如，执行)此类程序的指令，装置执行其本文上述操作，从而使得此类操作至少部分地由计算机实现。
此类程序(例如软件、固件和/或微代码)是以一或多种编程语言编写的，例如：面向对象的编程语言(例如C++)；程序化编程语言(例如C)；和/或其任何合适的组合。在第一示例中，计算机可读介质是计算机可读存储介质。在第二示例中，计算机可读介质是计算机可读信号介质。
计算机可读存储介质包括适合于存储程序的任何系统、设备和/或其他非暂时性有形装置(例如，电子、磁性、光学、电磁、红外、半导体和/或其任何合适的组合)，从而使得此类程序可以由指令执行装置处理以促使所述装置执行其本文上述操作。计算机可读存储介质的示例包括：具有一或多个导线的电气连接；便携式计算机软盘；硬盘；随机存取存储器(“RAM”)；只读存储器(“ROM”)；可擦除可编程只读存储器(“EPROM”或闪存存储器)；光纤；便携式光盘只读存储器(“CD-ROM”)；光学存储设备；磁性存储设备；和/或其任何合适的组合。
计算机可读信号介质包括适合于传送(例如，传播或发送)程序的任何计算机可读介质(除了计算机可读存储介质之外)，从而使得此类程序可以由指令执行装置处理以促使所述装置执行其本文上述操作。在一个示例中，计算机可读信号介质包括具有体现在其中(例如，在基带中或作为载波的一部分)的计算机可读程序代码的数据信号，所述数据信号经由有线、无线、光纤缆线和/或其任何合适的组合进行传送(例如，以电子、电磁和/或光学方式)。
因此，本文描述了用来增大MEMS活塞模式SLM的效率和光带宽的示例性方法、装置和制品。本文所述的示例包括一种用于MEMS像素的新型弹簧结构，其尺寸小于10微米且可在10V或更小的偏置电压下运行的，与此同时针对可见光波长以外的光波调制实现显著位移。此外，本文所述的示例包括弹簧结构和/或基电极，所述弹簧结构和/或基电极的形状不均匀(例如，灰阶倾斜、弯曲等)，以使不稳定点从d/3位移距离(例如，对应于常规的MEMS像素)增大到更大的位移距离(例如2d/3位移距离)。相对于与对应于不稳定点的d/3阈值距离以上(例如，超过d/3阈值距离)的距离对应的电压，本文所述的其他示例对基电极应用周期性的电压(例如，通过使用数字脉冲或正弦信号)。因为电压在较短持续时间内对应于超过d/3阈值距离的距离，所以第一电极到第二电极的行进距离可达9d/10而不会塌陷，从而实现了近三倍于常规MEMS技术远的像素行程。因此，本文所述的示例提供了可以用低驱动电压(例如10V)调制大光波长(例如1550nm)的10微米以下的像素。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中能够进行修改，并且其他实施例也是可能的。

Claims (28)

1.一种用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器中反射镜的位移的装置，所述装置包含：
具有弹簧腿的电极；
基电极；
反射镜位移确定器，其用于确定与超过所述电极的不稳定点的所述电极的位移距离相对应的周期信号；以及
电压源，其用于响应于所述周期信号向所述基电极输出周期电压，所述周期电压促使所述弹簧腿根据所述周期电压改变所述电极相对于所述基电极的位移，所述位移包括超过所述不稳定点的距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括发射器，所述发射器用于向接收设备发送周期电压数据或采样数据中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期电压将允许所述电极移位超过所述不稳定点而不会塌陷。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期电压是数字脉冲信号或正弦信号中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的装置，其中当所述位移距离小于所述电极的所述不稳定点时：
所述反射镜位移确定器将确定与所述位移距离相对应的稳定信号；以及
响应于所述稳定信号，所述电压源将向所述基电极输出稳定电压以促使所述弹簧腿将所述电极移位到所述位移距离。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极联接至所述反射镜。
7.一种用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器中反射镜的位移的方法，所述方法包含：
确定与超过所述电极的不稳定点的像素的电极的位移距离相对应的周期信号；以及
响应于所述周期信号向基电极输出周期电压，所述周期电压促使所述电极的弹簧腿根据所述周期电压改变所述电极相对于所述基电极的位移，所述位移包括超过所述不稳定点的距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括向接收设备发送周期电压数据或采样数据中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的方法，其中输出所述周期电压允许所述弹簧腿将所述电极移位超过所述不稳定点而不会塌陷。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述周期电压是数字脉冲信号或正弦信号中的至少一个。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
当所述位移距离小于所述电极的所述不稳定点时：确定与所述位移距离相对应的稳定信号；以及响应于所述稳定信号，向所述基电极输出稳定电压以促使所述弹簧腿将所述电极移位到所述位移距离。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述电极联接至所述反射镜。
13.一种非暂时性计算机可读介质，其存储可由指令执行装置处理以促使所述装置执行包含以下步骤的方法的指令：
确定与超过所述电极的不稳定点的像素的电极的位移距离相对应的周期信号；以及
响应于所述周期信号向基电极输出周期电压，所述周期电压促使所述电极的弹簧腿根据所述周期电压改变所述电极相对于所述基电极的位移，所述位移包括超过所述不稳定点的距离。
14.根据权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中所述方法包括向接收设备发送周期电压数据或采样数据中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中输出所述周期电压允许所述弹簧腿将所述电极移位超过所述不稳定点而不会塌陷。
16.根据权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中所述周期电压是数字脉冲信号或正弦信号中的至少一个。
17.根据权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中所述方法包括：
当所述位移距离小于所述电极的所述不稳定点时：确定与所述位移距离相对应的稳定信号；以及响应于所述稳定信号，向所述基电极输出稳定电压以促使所述弹簧腿将所述电极移位到所述位移距离。
18.根据权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中所述电极联接至反射镜。
19.一种用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的装置，所述装置包含：
反射镜；
附接至所述反射镜的电极，所述电极包括：
刚性体；以及
三个弹簧腿，所述三个弹簧腿联接至所述刚性体以响应于施加于所述电极的静电力使所述刚性体移位。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述电极包括六边形形状。
21.根据权利要求19所述的装置，其中所述三个弹簧腿部分地缠绕在所述刚性体的周围。
22.根据权利要求19所述的装置，进一步包括基电极，其用于施加电压以引起所述静电力。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述基电极远离所述电极的所述刚性体弯曲。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述刚性体远离所述基电极弯曲。
25.根据权利要求19所述的装置，进一步包括用于将所述反射镜联接至所述电极的反射镜附件。
26.根据权利要求25所述的装置，进一步包括用于将所述弹簧腿附接至基底的弹簧附件，其中所述电极、所述反射镜附件和所述弹簧附件由相同的材料制成。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述弹簧附件接地。
28.根据权利要求26所述的装置，其中所述反射镜附件比所述弹簧附件短。
CN201880072841.XA 2017-12-08 2018-12-10 用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置 Active CN111344621B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/836,521 US10831018B2 (en) 2017-12-08 2017-12-08 Methods and apparatus for increasing efficiency and optical bandwidth of a microelectromechanical system piston-mode spatial light modulator
US15/836,521 2017-12-08
PCT/US2018/064754 WO2019113586A1 (en) 2017-12-08 2018-12-10 Methods and apparatus for increasing efficiency and optical bandwidth of a microelectromechanical system piston-mode spatial light modulator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111344621A true CN111344621A (zh) 2020-06-26
CN111344621B CN111344621B (zh) 2023-04-04

Family

ID=66696651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880072841.XA Active CN111344621B (zh) 2017-12-08 2018-12-10 用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置

Country Status (5)

Country Link
US (2) US10831018B2 (zh)
EP (1) EP3721283A4 (zh)
JP (2) JP7318952B2 (zh)
CN (1) CN111344621B (zh)
WO (1) WO2019113586A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112151312A (zh) * 2020-10-13 2020-12-29 深圳清华大学研究院 基于结构超滑的电极开关

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10831018B2 (en) 2017-12-08 2020-11-10 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus for increasing efficiency and optical bandwidth of a microelectromechanical system piston-mode spatial light modulator
US11256083B2 (en) 2018-12-27 2022-02-22 Texas Instruments Incorporated MEMS electrostatic actuator with linearized displacements
WO2023186324A1 (en) 2022-04-01 2023-10-05 Barco Nv Color projector with a beam-steered illumination and method for providing beam-steered illumination to a color projector

Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3720950A (en) * 1967-11-28 1973-03-13 North American Rockwell Time-domain correlator for spatial filtering in a pulsed energy system
EP0332953A2 (en) * 1988-03-16 1989-09-20 Texas Instruments Incorporated Spatial light modulator and method
US5285196A (en) * 1992-10-15 1994-02-08 Texas Instruments Incorporated Bistable DMD addressing method
US5444566A (en) * 1994-03-07 1995-08-22 Texas Instruments Incorporated Optimized electronic operation of digital micromirror devices
EP0769713A2 (en) * 1995-10-18 1997-04-23 Texas Instruments Incorporated Improvements in or relating to spatial light modulators
US20040061925A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-01 Azarov Alexei V. Orientation stabilization for MEMS devices
US6735004B1 (en) * 2001-03-15 2004-05-11 Nanogear, Inc. Rotatable counterbalanced actuator
US20040160118A1 (en) * 2002-11-08 2004-08-19 Knollenberg Clifford F. Actuator apparatus and method for improved deflection characteristics
US20040233507A1 (en) * 2003-05-20 2004-11-25 Henry Chu Damped control of a micromechanical device
WO2006011594A1 (ja) * 2004-07-30 2006-02-02 Sony Corporation 変形可能ミラー装置、変形ミラー板
US20060126151A1 (en) * 2004-12-10 2006-06-15 Aksyuk Vladimir A Segmented MEMS mirror for adaptive optics or maskless lithography
JP2007033787A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Fujifilm Corp 微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法
CN101060059A (zh) * 2007-04-16 2007-10-24 中国科学院电工研究所 一种压电扫描器高速扫描方式
CN101292188A (zh) * 2005-10-19 2008-10-22 秦内蒂克有限公司 光学调制
US20090128887A1 (en) * 2007-11-16 2009-05-21 Naoya Sugimoto Spatial light modulator and mirror array device
US7977897B2 (en) * 2006-04-11 2011-07-12 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. Apparatus and method for controlling or regulating an oscillating deflectable micromechanical element
CN102981272A (zh) * 2012-12-07 2013-03-20 中国科学院光电技术研究所 一种大行程结构的静电驱动mems变形镜
US20130141768A1 (en) * 2006-12-14 2013-06-06 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Tilting actuator with close-gap electrodes
US20130278912A1 (en) * 2010-09-22 2013-10-24 Nikon Corporation Spatial light modulator, exposure apparatus, and method for manufacturing device
WO2016034940A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 King Abdullah University Of Science And Technology Multi-frequency excitation
CN105572860A (zh) * 2014-11-03 2016-05-11 德州仪器公司 用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5212582A (en) 1992-03-04 1993-05-18 Texas Instruments Incorporated Electrostatically controlled beam steering device and method
US5312513A (en) 1992-04-03 1994-05-17 Texas Instruments Incorporated Methods of forming multiple phase light modulators
US5719695A (en) 1995-03-31 1998-02-17 Texas Instruments Incorporated Spatial light modulator with superstructure light shield
US6028689A (en) 1997-01-24 2000-02-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Multi-motion micromirror
US6329738B1 (en) 1999-03-30 2001-12-11 Massachusetts Institute Of Technology Precision electrostatic actuation and positioning
US6867897B2 (en) 2003-01-29 2005-03-15 Reflectivity, Inc Micromirrors and off-diagonal hinge structures for micromirror arrays in projection displays
US6501588B1 (en) * 2000-09-28 2002-12-31 Xerox Corporation Method for an optical switch on a silicon substrate
US6822370B2 (en) 2002-03-06 2004-11-23 Analog Devices, Inc. Parallel plate electrostatic actuation of MEMS mirrors
SE0200788D0 (sv) * 2002-03-15 2002-03-15 Micronic Laser Systems Ab Method using a movable micro-element
US6951769B2 (en) 2003-06-04 2005-10-04 Texas Instruments Incorporated Method for stripping sacrificial layer in MEMS assembly
US7199916B2 (en) 2004-12-07 2007-04-03 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Light modulator device
WO2006109687A1 (ja) * 2005-04-11 2006-10-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 微小機械構造体
US7061660B1 (en) * 2005-04-13 2006-06-13 Hewlett-Packard Development Company, L.P. MEMs device with feedback control
US7477440B1 (en) 2006-04-06 2009-01-13 Miradia Inc. Reflective spatial light modulator having dual layer electrodes and method of fabricating same
US20120170102A1 (en) * 2010-12-31 2012-07-05 Payne Justin Spatial Light Modulators and Fabrication Techniques
JP5951640B2 (ja) * 2011-01-14 2016-07-13 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ マイクロメカニカルデバイス
JP5457481B2 (ja) 2012-02-22 2014-04-02 日本電信電話株式会社 Ｍｅｍｓミラー装置の制御方法およびｍｅｍｓミラー装置
WO2014023777A2 (en) * 2012-08-08 2014-02-13 Danmarks Tekniske Universitet Wavelength sweepable laser source
US10527726B2 (en) 2015-07-02 2020-01-07 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus for LIDAR with DMD
US11237251B2 (en) 2016-05-11 2022-02-01 Texas Instruments Incorporated Lidar scanning with expanded scan angle
US10831018B2 (en) 2017-12-08 2020-11-10 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus for increasing efficiency and optical bandwidth of a microelectromechanical system piston-mode spatial light modulator

Patent Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3720950A (en) * 1967-11-28 1973-03-13 North American Rockwell Time-domain correlator for spatial filtering in a pulsed energy system
EP0332953A2 (en) * 1988-03-16 1989-09-20 Texas Instruments Incorporated Spatial light modulator and method
US5285196A (en) * 1992-10-15 1994-02-08 Texas Instruments Incorporated Bistable DMD addressing method
US5444566A (en) * 1994-03-07 1995-08-22 Texas Instruments Incorporated Optimized electronic operation of digital micromirror devices
EP0769713A2 (en) * 1995-10-18 1997-04-23 Texas Instruments Incorporated Improvements in or relating to spatial light modulators
US6735004B1 (en) * 2001-03-15 2004-05-11 Nanogear, Inc. Rotatable counterbalanced actuator
US20040061925A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-01 Azarov Alexei V. Orientation stabilization for MEMS devices
US20040160118A1 (en) * 2002-11-08 2004-08-19 Knollenberg Clifford F. Actuator apparatus and method for improved deflection characteristics
US20040233507A1 (en) * 2003-05-20 2004-11-25 Henry Chu Damped control of a micromechanical device
WO2006011594A1 (ja) * 2004-07-30 2006-02-02 Sony Corporation 変形可能ミラー装置、変形ミラー板
US20060126151A1 (en) * 2004-12-10 2006-06-15 Aksyuk Vladimir A Segmented MEMS mirror for adaptive optics or maskless lithography
JP2007033787A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Fujifilm Corp 微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法
CN101292188A (zh) * 2005-10-19 2008-10-22 秦内蒂克有限公司 光学调制
US7977897B2 (en) * 2006-04-11 2011-07-12 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. Apparatus and method for controlling or regulating an oscillating deflectable micromechanical element
US20130141768A1 (en) * 2006-12-14 2013-06-06 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Tilting actuator with close-gap electrodes
CN101060059A (zh) * 2007-04-16 2007-10-24 中国科学院电工研究所 一种压电扫描器高速扫描方式
US20090128887A1 (en) * 2007-11-16 2009-05-21 Naoya Sugimoto Spatial light modulator and mirror array device
US20130278912A1 (en) * 2010-09-22 2013-10-24 Nikon Corporation Spatial light modulator, exposure apparatus, and method for manufacturing device
CN102981272A (zh) * 2012-12-07 2013-03-20 中国科学院光电技术研究所 一种大行程结构的静电驱动mems变形镜
WO2016034940A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 King Abdullah University Of Science And Technology Multi-frequency excitation
CN105572860A (zh) * 2014-11-03 2016-05-11 德州仪器公司 用于扭转空间光调制器的倾斜电极元件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘肖等: "RF MEMS开关的力电耦合仿真分析", 《青岛大学学报(工程技术版)》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112151312A (zh) * 2020-10-13 2020-12-29 深圳清华大学研究院 基于结构超滑的电极开关
CN112151312B (zh) * 2020-10-13 2023-04-07 深圳清华大学研究院 基于结构超滑的电极开关

Also Published As

Publication number Publication date
EP3721283A1 (en) 2020-10-14
JP2023139061A (ja) 2023-10-03
US10831018B2 (en) 2020-11-10
US20210055540A1 (en) 2021-02-25
JP2021505962A (ja) 2021-02-18
JP7318952B2 (ja) 2023-08-01
US20190179134A1 (en) 2019-06-13
WO2019113586A1 (en) 2019-06-13
CN111344621B (zh) 2023-04-04
EP3721283A4 (en) 2021-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111344621B (zh) 用于增大微机电系统活塞模式空间光调制器的效率和光带宽的方法和装置
AU2013306138B2 (en) Dynamically curved sensor for optical zoom lens
Conant et al. A raster-scanning full-motion video display using polysilicon micromachined mirrors
KR20170002386A (ko) 소형 3d 깊이 캡처 시스템
CN109991732B (zh) 扫描反射器设备和用于驱动反射器系统的方法
US10371939B2 (en) Apparatus providing over-travel protection for actuators
Chong et al. Development of a vector display system based on a surface-micromachined micromirror
US11706392B2 (en) MEMS resonance control using phase detection
JP7256184B2 (ja) 熱作動型カンチレバー式ビーム光学スキャナ
CN108415153B (zh) 一种目标电润湿液体透镜最短响应时长控制方法及系统
EP2494401A1 (en) Optically controlled deformable reflective/refractive assembly with photoconductive substrate
US20210181499A1 (en) Bias voltage adjustment for a phase light modulator
US10488641B2 (en) Scanning microscope
JP7257327B2 (ja) 液体レンズ制御回路
CN110764251B (zh) 驱动扫描微镜进行转动的方法及其装置
US20020150377A1 (en) Method for attenuation of optical signals using reflective membrane device
KR100812644B1 (ko) 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치 및 광변조기 보상방법
CN113168799B (zh) 控制扫描镜系统
US9398276B2 (en) Projection device and control method thereof
Wang et al. Large-scale MEMS-actuated 2-D optical phased arrays
JP2009300466A (ja) 光学走査装置、その駆動方法、及び光学機器
CN116249925A (zh) 扫描投影仪像素放置
KR20080030855A (ko) 광변조기를 포함하는 디스플레이 장치 및 스캐닝 프로파일설정 방법
US20070153388A1 (en) Apparatus and method for controlling optical output of mobile display using diffractive light modulator
KR20080019463A (ko) 압전 회절형 광 변조 장치 및 그 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant