DE10213579B4

DE10213579B4 - Deformierbare Spiegelvorrichtung

Info

Publication number: DE10213579B4
Application number: DE10213579A
Authority: DE
Inventors: Daniel Gelbart; Glen Arthur Fitzpatrick
Original assignee: Kodak Graphic Communications Canada Co
Current assignee: Teledyne Micralyne Inc
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: US20020135857A1; US20040114209A1; US6661561B2; DE10213579A1; US6836352B2

Abstract

Deformierbares Element zum Modulieren von Licht mit: einer federnden, flexiblen langgezogenen Einrichtung (20; 31; 41; 51), welche eine Licht-reflektierende Oberfläche (32) aufweist, wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) auf einem Substrat (23; 34; 54) angebracht ist und biegbar um eine Achse (21) angeordnet und konvex deformierbar ist, wobei eine Länge der Einrichtung (20; 31; 41; 51) in einer Richtung parallel zu der Achse (21) größer als eine Breite der Einrichtung (20; 31; 41; 51) in einer Richtung rechtwinklig zu der Achse (21) ist; wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) auf einem Sockel (24; 33) getragen ist und Flügel aufweist, welche zu jeder Seite des Sockels (24; 33) vorspringen; wobei auf der Einrichtung (20; 31; 41; 51) eine Elektrodenschicht (32) vorgesehen ist; wobei unterhalb der Einrichtung (20; 31; 41; 51) eine Steuerelektrode (35) auf dem Substrat (23; 34; 54) vorgesehen ist; und wobei...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft modulierende Lichtstrahlen, welche deformierbare Spiegel einsetzen.
Hintergrund der Erfindung
Lichtsteuereinrichtungen bzw. Lichtventile, welche ebenfalls räumliche Lichtmodulatoren genannt werden, werden in Gebieten eingesetzt, welche die Druckindustrie einschließt. Lichtventile können zum Modulieren von Laserstrahlen zum Erzeugen lithographischer Druckplatten eingesetzt werden. Laserstrahlen weisen oft nah-infrarot Wellenlängen auf.
Lichtventile oder Anordnungen von Lichtventilen können zum individuellen Modulieren einer großen Anzahl von Lichtpunkten eingesetzt werden. Solche modulierten Punkte können eingesetzt werden, um Druckplatten bildmäßig zu belichten. Die Computer-to-Plate-Technologie erfordert insbesondere Lichtventile, welche imstande sind, bedeutende optische Leistung handzuhaben und schnelle Schaltgeschwindigkeiten und eine hohe Auflösung vorzusehen. Bei optischer Nachrichtenübertragung besteht ebenfalls eine Notwendigkeit für Vorrichtungen, welche zum Schalten, Modulieren oder Verarbeiten von Lichtsignalen eingesetzt werden können.
Einige Lichtventile weisen deformierbare Mikro-Miniaturspiegel auf. Lichtventile vom Ausleger- bzw. Kantilever- oder Klapptyp weisen Spiegel auf, welche sich biegen oder schwenken, um Licht abzulenken. Die durch TEXAS INSTRUMENTS entwickelte DMD-Technologie ist ein Beispiel. Membranlichtventile weisen flache Membranen auf, welche in einen kugelförmigen Spiegel zum Fokussieren einfallenden Lichts deformiert werden können. Ein Beispiel eines Membranlichtventils ist durch Hornbeck in US 4 441 791 A dargestellt. Gitterlichtventile beugen Licht durch Bilden eines periodischen physikalischen Musters, wie z. B. in Bloom, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. (USA), Ausgabe 3013, Seite 165 – Seite 171 und US 5 311 360 A erläutert.
Gegenwärtige Lichtventile weisen Nachteile auf. Ein Nachteil einer Klapp- oder Auslegerspiegeltyp-Vorrichtung ist eine verhältnismäßig langsame Reaktionszeit, oft in einer Größenordnung von 10 Mikrosekunden. Membranlichtventile weisen schnellere Reaktionszeiten auf. Sie sind jedoch schwierig herzustellen. Gitterlichtventile sind schnell. Reaktionszeiten unter 100 Nanosekunden sind erzielbar. Ein Nachteil von Gitterlichtventilen ist eine niedrige optische Effizienz und/oder ein schlechter Kontrast.
In der oben schon genannten US 5,311,360 A ist ein Modulator zum Modulieren eines einfallenden Lichtstrahls beschrieben, welcher in einer ersten Ebene angeordnete streifenförmige erste Reflektorflächen und in einer zweiten Ebene angeordnete streifenförmige zweite Reflektorflächen umfasst. Der Abstand der zweiten Ebene zu der parallel dazu ausgerichteten ersten Ebene soll verstellbar sein, sodass auch ein Wegunterschied zwischen den an den verschiedenen Reflektorflächen reflektierten Lichtstrahlen variierbar ist.
In der Druckschrift US 6,028,689 A ist ein verstellbarer Mikrospiegel beschrieben, welcher über einen Stützposten beabstandet von einem Substrat gehalten wird. Mittels einer unter dem Stützposten angeordneten Elektrode und einer benachbart dazu angeordneten weiteren Elektrode ist die Stellung des Mikrospiegels veränderbar. Der Mikrospiegel und der Stützposten sind aus mindestens einer Polysiliziumschicht herausstrukturiert.
Die Druckschrift US 4,710,732 A beschreibt einen Lichtmodulator mit einem aus einem leitfähigen Material herausstrukturierten Stützposten, an dessen von dem Substrat weggerichteten Ende mehrere plattenförmige Elektroden ausgebildet sind. Unterhalb der Elektroden sind Gegenelektroden an dem Substrat befestigt. Über ein Variieren einer Spannung, welche zwischen mindesten einer Elektrode und der ihr zugeordneten Gegenelektrode angelegt wird, soll eine von dem Substrat weggerichtete reflektierende Oberfläche der jeweiligen Elektrode verstellbar sein.
Die oben ebenso schon genannte Druckschrift US 4,441,791 beschreibt schreibt einen verformbaren Spiegel-Lichtmodulator, welcher mindestens eine verformbare Membran mit einer darin ausgebildeten Elektrode aufweist, welche mittels mindestens zweier Stützposten aufgespannt ist. Zwischen den mindestens zwei Stützposten ist mindestens eine Gegenelektrode an einem Substrat benachbart zu der verformbaren Membran angeordnet.
In der US 6,025,951 A sind eine Licht modulierende Mikrovorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben von dieser beschrieben. Die Mikrovorrichtung umfasst einen Spiegel, welcher über ein verformbares Gelenkteil aus Metall beabstandet von einem Substrat gehalten wird. Der aus einem leitfähigen Material gebildete Spiegel ist durch das Anlegen einer Spannung ungleich Null zwischen dem Spiegel und mindestens einer benachbart dazu an dem Substrat angeordneten Gegenelektrode verstellbar.
Des Weiteren beschreibt die US 5,142,405 A eine bistabile verformbare Spiegelvorrichtung (bistable deformable mirror device) mit einer mittels eines Stützteils beabstandet von einem Substrat angeordneten reflektierenden Elektrodenfläche und mindestens einer benachbart dazu an dem Substrat angeordneten Gegenelektrode. Über das Variieren der zwischen der Elektrodenfläche und der mindestens einen Gegenelektrode anliegenden Spannung ist die Stellung der reflektierenden Oberfläche in Bezug zu dem Substrat veränderbar.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt Lichtventile bereit, welche Anordnungen von individuell ansteuerbaren, lichtreflektierenden Bändern aufweist. Die Bänder sind so konfiguriert, dass sie sich unter einem angelegten elektrostatischen Feld um eine längere Achse biegen. Die Bänder können auf Sockeln befestigt sein, so dass sie im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Ebene entlang ihrer Längsachse und normal bzw. lotrecht zu dem Substrat sind. Diese mikromechanische Anordnung kann eine robuste Struktur mit einer hohen Eigenfrequenz bereitstellen. Die Erfindung kann entweder in einem „Hellfeld” oder einem „Dunkelfeld” (Schlieren)-Modus angelegt werden. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann durch den Einsatz von Verfahren hergestellt werden, welche zum Herstellen von Gitterlichtventilen entwickelt wurden. Da sich die Bänder um ihre längere Achse biegen, ist die Amplitude der Ablenkung der Spitze, welche benötigt wird um eine gegebene Winkellichtablenkung zu erzeugen, viel kleiner als die, welche bei einigen Ausleger- bzw. Kantilever-Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik erforderlich sind, welche sich um ihre kürzere Achse biegen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen sind nicht begrenzende Ausführungsformen der Erfindung verdeutlicht,
1a ist eine schematische Ansicht einer Kippspiegelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
1b ist eine schematische isometrische Ansicht einer Ausleger- bzw. Kantileverbandvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
1c ist eine schematische isometrische Ansicht einer Bandvorrichtung, welche sich konvex oder konkav biegt;
1d ist eine schematische isometrische Ansicht eines lichtablenkenden Elements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2a ist ein vereinfachter Querschnitt einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem nicht mit Energie beaufschlagten Zustand;
2b zeigt die Vorrichtung gemäß 2a in einem vorgespannten Zustand;
2c zeigt die Vorrichtung gemäß 2a in einem mit Energie beaufschlagten Zustand;
3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche verankerte Bänder aufweist;
4 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche zwei Spiegel pro Sockel aufweist; und
5 zeigt ein Laserbildsystem, welches einen Lichtmodulator gemäß der Erfindung einsetzt.
Detaillierte Beschreibung
1a, 1b und 1c bezeichnen schematisch drei deformierbare Spiegelvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik. 1a zeigt einen Kippspiegeltyp einer Lichtmodulationsvorrichtung. Ein Spiegel 10 bleibt im Wesentlichen starr, während er um eine Achse 12 typischerweise an Torsionsscharnieren (nicht dargestellt) kippt. 1b zeigt einen Auslegertyp einer Lichtmodulationsvorrichtung, welcher ein Band 13 aufweist, welches charakteristischerweise eine beträchtlich größere Länge als Breite aufweist und sich um eine Achse 14 parallel seiner kurzen Seite biegt. Das Band 13 ist an einem Ende an einer Befestigung 15 angebracht. 1c zeigt eine Lichtmodulationsvorrichtung, welche ein Band 16 aufweist, welches an Befestigungen 15 an beiden Enden (ein Ende aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt) befestigt ist. Das Band 16 biegt sich konkav oder konvex um die Achse 17, welche parallel zu der kurzen Seite des Bandes 16 ist.
1d zeigt schematisch ein lichtablenkendes Element gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung. Ein Band 20 hat eine längere Erstreckung L und eine kürzere Erstreckung W. Das Band 20 kann sich um die Achse 21, welche parallel zur längeren Erstreckung L ist, biegen. Das Band 20 ist an der Befestigung 23 durch einen Sockel 24 angebracht. Im Querschnitt weisen das Band 20 und der Sockel 24 eine T-Form auf.
2a, 2b und 2c bezeichnen ein einzelnes lichtablenkendes Element 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Eine Vielzahl solcher lichtablenkenden Elemente kann zum Bereitstellen einer ansteuerbaren Anordnung angeordnet werden. Die Anordnung kann linear oder zweidimensional sein. Das Element 30 kann unter Einsatz von mikroelektromechanischen Systemtechniken für Silizium hergestellt werden.
2a zeigt ein deformierbares Spiegelelement 30 in einem nicht mit Energie versehenen Zustand. Eine reflektierende Einrichtung 31, welche eine lichtreflektierende Fläche 32 auf weist, ist auf einem Sockel 33 angeordnet. In dieser Ausführungsform weist die reflektierende Einrichtung 31 ein Band auf, welches eine lichtreflektierende Fläche hat. Die Fläche 32 kann „Reflektoroberfläche” genannt werden. In der verdeutlichten Ausführungsform weist die Fläche 32 eine reflektive Schicht 39 auf. Die reflektive Schicht 39 kann eine reflektive Metallschicht aufweisen. In diesem Fall kann die reflektive Schicht 39 gleichzeitig als eine Elektrode dienen. Die reflektive Schicht 39 kann zum Beispiel eine Aluminiumschicht aufweisen. Im allgemeinen Fall kann das Metall so gewählt werden, dass es dem zu reflektierenden Licht angepasst ist. Gold kann beispielsweise ausgewählt werden, wenn das zu reflektierende Licht infrarot ist. Es ist ebenso möglich dielektrische Reflektoren auf der reflektiven Einrichtung 31 einzusetzen.
Im allgemeinen Fall kann die Elektrodenschicht und die reflektiven Schichten zum Optimieren der Reflektivität und des Elektrodenbetriebs unabhängig getrennt sein. Wenn beispielsweise die elektrischen Reflektoren eingesetzt werden, kann eine separate elektrisch leitfähige Elektrodenschicht auf der reflektiven Einrichtung 31 vorgesehen sein.
Der Sockel 33 erstreckt sich vom Siliziumsubstrat 34. Elektroden 35 sind auf dem Siliziumsubstrat 34 vorgesehen. Diese Struktur kann durch standardmikroelektronische Prozesse hergestellt werden. Alternativ können die Elektroden 35 als einfache planare Elektroden ohne jegliches Ätzen hergestellt werden. Ein Luftraum 36 unter der reflektiven Einrichtung 31 kann durch den Einsatz eines Opferschicht-Mikrobearbeitungsprozesses erzeugt werden. Opferschichttechniken sind gut etabliert in den Gebieten mikroelektronischer und mikroelektromechanischer Systeme (MEMS). Durch Herstellen der reflektiven Einrichtung 31 aus einem isolierenden Material wie Siliziumnitrid stellt die reflektierende Einrichtung 31 eine elektrische Isolation zwischen der Elektrode und der reflektiven Einrichtung 31, zum Beispiel Schicht 39 und Elektroden 35, bereit. Die Abschnitte der reflektiven Einrichtung 31 welche die Lufträume 36 überspannen, können „Flügel” genannt werden.
In einer alternativen Ausführungsform können Elektroden 35 durch Herstellen von oberflächennahen Abschnitten des Siliziumsubstrats 34, welche z. B. durch Dotierung elektrisch leiten, bereitgestellt sein. In einer solchen Ausführungsform könnten sich alle Elemente in einer Anordnung eine gemeinsame Elektrode auf dem Substrat 34 teilen. Elektroden auf der reflektiven Einrichtung 31 könnten unabhängig ansteuerbar sein.
Der Sockel 33 stützt die reflektive Einrichtung 31 entlang seiner Längsachse, welche sich in die Zeichenebene um eine Distanz größer als die Breite W der reflektiven Einrichtung 31 erstreckt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die reflektive Einrichtung 31 aus Gründen der Klarheit beschrieben als sei sie rechteckig in ihrer Längsachse, welche sich entlang des Sockels 33 erstreckt. Die zwei Flügel sind spiegelsymmetrisch entlang einer vertikalen Ebene durch das Zentrum des Sockels 33; dies stellt sicher, dass die Flügel die selbe Eigenresonanzfrequenz aufweisen.
Im allgemeinen Fall kann die reflektive Einrichtung 31 eine verlängerte Form aufweisen, welche eine längere Erstreckung und eine kürzere Erstreckung gemessen entlang des Sockels 33 aufweisen.
Im natürlichen ungeladenen Zustand des deformierbaren Spiegelelements 30 neigen die Flügel der reflektiven Einrichtung 31 dazu, nach oben in näherungsweise zylindrischer Weise deformiert zu sein. Diese Deformation ist ein Produkt des Herstellungsprozesses. Der Grad dieser Aufwärtsdeformation kann über den Schichtabscheidungsprozess gesteuert werden.
In dieser Ausführungsform bilden die Elektroden 39 und 35 einen Kondensator, so dass das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 39 und 35 ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden 35 und 39 erzeugt. Dieses elektrostatische Feld ist anziehend und resultiert in einer Kraft, welche auf die Elektrode 39 wirkt. Diese Kraft zieht die Flügel der elektrostatischen Einrichtung 31 in die Lufträume 36, wodurch die reflektive Einrichtung 31 zum Biegen entlang seiner Längsachse veranlasst wird. Für Deformationen, welche im Vergleich zur Breite der Flügel der reflektiven Einrichtung 31 klein sind, weist die reflektive Einrichtung 31 eine Form auf, welche im Wesentlichen zylindrisch ist. Für größere Deformationen kann die Form der reflektiven Einrichtung 31 genauer durch eine hyperbolische Kosinusfunktion beschrieben werden. Deformationen größer oder gleich als die durch die hyperbolische Kosinusfunktion beschriebene, sehen einen besonders guten optischen Kontrast vor. Über einer gewissen Grenze der Deformation oder Spannung hinaus kann der Abschnitt der reflektiven Einrichtung 31, welcher sich über den Luftraum 36 erstreckt, „nach unten schnappen” bis es das Silikonsubstrat 34 berührt. Diese „nach unten schnappende” Deformation sieht die Vorrichtung mit dem höchsten Kontrast vor.
Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Deformation einer im Wesentlichen planaren reflektiven Einrichtung 31 entlang seiner Längsachse eine mechanisch starke Struktur mit einer hohen Eigenresonanzfrequenz erzeugt.
Um die natürlichen Deformation der reflektiven Einrichtung 31, wie in 2a bezeichnet, zu berücksichtigen, sieht die Erfindung ein Verfahren vor, welches drei Zustände für Element 30 erkennt. In einem nicht mit Energie beaufschlagten Zustand, bezeichnet in 2a, ist keine Ladung an den Kondensator zwischen den Elektroden 35 und 39 angelegt. In diesem Zustand ist die reflektive Einrichtung 31 leicht nach oben deformiert. Wenn das Element 30 in diesem Zustand ist, kann Licht am Verlassen der Kombination von Elementen, bezeichnet in 2a, gehindert werden. Dies kann durch Ausschalten der Lichtquelle oder durch Abdecken des Lichts, welches die Kombination von Elementen verlässt, erzielt werden.
2b stellt einen zweiten „vorgespannten” – Zustand dar, in welchem eine Spannung zwischen den Elektroden 35 und 39 zum Erzeugen einer ausreichend anziehenden Kraft zwischen den Elektroden 39 und 35 zum Ebenmachen der reflektiven Einrichtung 31 angelegt wird. Ein einfallender Lichtstrahl 37 wird durch die reflektive Schicht 32 reflektiert. Unter Einsatz eines optischen Elements (nicht dargestellt) wird der einfallende Lichtstrahl so fokussiert, dass wenn die reflektive Einrichtung 31 in dem Vorspannungszustand und somit flach ist, der Strahl auf der Öffnung 38a in der Blende 38 fokussiert wird. Die Blende 38 ist eine Barriere, welche nicht lichtdurchlässig ist. In diesem Fall wird das Licht von dem Lichtstrahl 37 auf der Öffnung 38a in Fokus gebracht. Als ein Ergebnis durchläuft der Hauptteil des Lichts des Strahls 37 die Öffnung 38a.
2c zeigt einen dritten „mit Energie versehenen” Zustand, in welchem eine höhere Spannung zwischen den Elektroden 35 und 39 angelegt wird, so dass die reflektive Einrichtung 31 in einer konvexen Weise deformiert wird. Das Licht vom Lichtstrahl 37 läuft auseinander, wenn es durch die reflektive Schicht 32 reflektiert wird. Kein echtes Bild wird gebildet und sehr wenig, wenn überhaupt, Licht vom Lichtstrahl 37 wird durch die Öffnung 38a übertragen.
Die Blende 38 könnte ersetzt werden durch eine Blende mit denselben planaren Abmessungen wie die Öffnung 38a. In dieser Ausführungsform läuft das meiste Licht hinter die Blende in dem mit Energie beaufschlagten Zustand gemäß 2c. Dieser Betriebsmodus wird manchmal als „Dunkelfeld” (oder Schlieren) bezeichnet im Gegensatz zu dem früheren oben beschriebenen Verfahren, welches als „Hellfeld” bekannt ist. Mit dieser Anordnung wird der vorgespannte Modus das meiste Licht dazu veranlassen, gestoppt zu werden. Die Parität der Lichtventilaktion ist deshalb invertiert zu dem „Hellfeld” Fall. In dem „Hellfeld” Zustand erzeugt der mit Energie beaufschlagte Zustand des Bandes Licht am Ausgang der Anordnung, während in dem „Hellfeld” Fall das Licht an dem Ausgang der Anordnung produziert wird, wenn das Band in dem Vorspannungszustand ist.
Es wird vom Fachmann auf dem Gebiet der Optik verstanden, dass Öffnungen und Linsen kombiniert in Einfachlinsen werden können, welche dasselbe Ziel mit Bezug auf die vorliegende Erfindung wie eine Kombination einer einzelnen Linse und einer einzelnen Öffnung erreichen. Dies betrifft insbesondere das Fokussieren des Lichtstrahls 37 und die Lage der Blende 38 mit der Öffnung 38a wie in 2a, 2b und 2c dargestellt.
Ein Vorteil beim Einsatz eines ausgelenkten Spiegels, welcher auf eine elektrische Ladung reagiert, besteht darin, dass sehr kleine Auslenkungen typischerweise unter einem Mikron ausreichend für einen effektiven Betrieb sein können. Macht man die Öffnung 38a breiter, so ergibt sich mehr Lichttransmission in diesem „ein” Zustand, aber man verringert den Kontrast mit dem „aus” Zustand aufgrund vergrößerten Lichtabflusses. Ein guter Wert ist die Öffnung 38a vergleichbar in der Breite zu der Brechungsgrenze des Spiegels zu machen, welche durch die deformierte reflektive Einrichtung 31 gebildet wird. Um einen optimalen Kontrast zu erzielen, muss die Deflektion größer als eine viertel Wellenlänge sein. Dies kann einfach erzielt werden selbst bei nah-infrarot Wellenlängen von Lasern, welche typischerweise in der Druckindustrie eingesetzt werden, und mit Kohlendioxidlasern, welche bei einer Wellenlänge von 10,6 μm betrieben werden.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann durch den Einsatz der Verfahren, wie sie in US 5 311 360 und US 5 661 592 beschrieben sind, hergestellt werden. Bei einer Bandlänge von 200 μm und einer Breite von 50 μm kann eine Vorrichtung hergestellt werden, welche bei 300 Nanometern beugt und in weniger als einer Mikrosekunde mit einer Spannung zwischen 20 V und 80 V (typischerweise 50 V) schaltet. Die Aufwärtsdeformation in Abwesenheit einer Spannung kann in der Größenordnung von 50 Nanometern sein. Der monolithische Herstellungsansatz erlaubt nicht nur das Lichtventil sondern ebenfalls das Herstellen der elektronischen Treiber auf dem selben Substrat.
Siliziumnitrid kann anstatt von Silizium für das Material der reflektiven Einrichtung 31 eingesetzt werden, um eine schnellere Reaktionszeit (aufgrund einer höheren Resonanzfrequenz), eine höhere Leistungshandhabungsfähigkeit (aufgrund eines niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und sehr hoher Temperaturwiderstandsfähigkeit) und eine längere Lebensdauer zu ergeben. Die Eigenfrequenz der Vorrichtung ist ein Punkt des Designs und kann durch eine Wahl der Abmessungen einschließlich der Dicke und Spannweite des Bandes und der eingesetzten Materialien einschließlich ihrer speziellen Eigenschaften, wie ablagerungsbedingte Spannung, bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform, dargestellt in 3, ist ein Band 41 an einem Rahmen 49 an jedem Ende angebracht. Dies verstärkt physikalisch die Vorrichtung und dämpft einige natürliche Biegungsmoden niedriger Frequenz. Obwohl dies vollständig den gewünschten Modus des Biegens des Bandes 41 nahe seiner angebrachten Enden dämpft, lässt es einen zentralen Abschnitt des Bandes 41 frei, um wie oben beschrieben zu funktionieren. Nur ein kleiner Abschnitt des Bandes 41 muss sich biegen, um eine nützliche Lichtventilaktion zu erzielen. Nur der sich biegende Abschnitt muss unter solchen Umständen beleuchtet werden. Das Anbringen der Enden des Bandes erleichtert die Herstellung von Metallanschlussstücken zum Bereitstellen einer Spannung an der reflektiven Schicht. Die angebrachten Endendes Bandes 41 können „axiale Enden” genannt werden.
Der Abschnitt der reflektiven Schicht direkt über dem Sockel 33 biegt sich nicht so stark wie die Flügel. Reflektionen von diesem Gebiet tragen nicht zum Kontrast des Lichtventils bei, da es in allen drei in 2a, 2b und 2c dargestellten Moden reflektiv bleibt. Das relative Ausmaß dieses Bereichs niedrigerer Biegung der reflektiven Einrichtung 31 ist durch Design anpassbar. Dieser Bereich kann „Abschnitt niedrigerer Biegung” des Bandes 41 genannt werden. Er ist durch eine Wahl der Abmessung, Materialien und Spannungen, welche durch den Kontrastgrad, welcher von der Vorrichtung gewünscht ist, bestimmt wird, vollständig gestaltbar.
In einer alternativen Ausführungsform, dargestellt in 4, ist der „Abschnitt niedrigerer Biegung” der reflektiven Einrichtung 31 nicht mit einer reflektiven Schicht 12 versehen und ist stattdessen absorbierend für den Lichtstrahl hergestellt. Der Teil des Lichtstrahls 37, welcher auf den Abschnitt niedrigerer Biegung der reflektiven Einrichtung 31 auftrifft, wird absorbiert und trägt nicht zum reflektierten Signal bei. Der Kontrast des Lichtventils ist verbessert. Ein Nachteil dieses Aufbaus ist eine reduzierte Leistungshandhabung, da mehr Licht in dem Lichtventil absorbiert wird.
Der/die reflektive(n) Abschnitt(e) der Reflektoroberfläche kann/können „reflektives Segment” der Reflektoroberfläche genannt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform sind zwei deformierbare Spiegelvorrichtungen für jeden Sockel hergestellt, wodurch sie die gleiche physische Struktur wie in 4 gezeigt, aufweisen. Dies wird durch Herstellen unabhängiger getrennter reflektiver Schichten 32 auf jedem der zwei Flügel des Bandes 31 erzielt. Diese reflektiven Schichten 32, welche ebenfalls als Elektroden funktionieren, können zum Vorsehen unabhängiger Lichtschalter getrennt angesteuert werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil sowohl eines hohen Kontrasts als auch einer höheren Anordnungsdichte.
Die vorausgehenden Ausführungsformen der Erfindung setzen elektrostatische Kraft zum Induzieren der Biegung in den Flügeln der Lichtventilelemente ein. Dieselbe Biegung kann ebenfalls durch Anlegen einer magnetischen Kraft erzielt werden. In solch einer alternativen Ausführungsform kann die Kraft durch Aufweisen mikrolithographisch definierter, stromtragender Spulen auf den Bändern und deren Biegen durch Anordnen der Vorrichtung in einem magnetischen Feld und Ändern des Stroms durch die mikrolithographischen Spulen erzwungen werden.
Diese Erfindung ist insbesondere nützlich bei: Laserbildgebung, insbesondere mit nah – IR Hochleistungslasern, und Projektionsdisplays. Beispielhaft ist ein System, welches die Erfindung für Laserbildgebung einsetzt, detailliert in 5 beschrieben. Eine lineare Anordnung 51 von Bändern ist monolithisch auf einem Siliziumsubstrat 54 hergestellt. Jedes mit Energie beaufschlagte Band nimmt die Form eines Spiegels ein, welcher durch die Prinzipien betrieben wird, welche mit Bezug auf die 2a, 2b und 2c erläutert wurden.
Ein Laser 61 erzeugt eine Linienbeleuchtung 57 unter dem Einsatz eines amorphen Strahlerweiterers, welcher zylindrische Linsen 62 und 63 aufweist. Eine Fokussierungslinse 68 bringt die Linie in dem Fokus auf Öffnung 59 in Blende 58. Viele andere Verfahren können zum Erzeugen der Linienbeleuchtung eingesetzt werden, um es mit dem angemessenen Fokus zu versehen. Die Kombination der eingesetzten Elemente streut den Strahl lateral in eine Richtung (die horizontale in 5) in eine Beleuchtungslinie. Diese Linie wird für eine weitere Transmission wieder zusammengeführt und dann eine Linse einsetzend fokussiert. Jede Kombination optischer Elemente getrennt oder integriert, welche diese Funktionen ausführen, kann eingesetzt werden.
Ein besonders nützliches Verfahren zur Beleuchtung ist durch Gelbart in US 5 517 359 offenbart. Die Öffnung 59 in der Blende 58 erlaubt dem Licht von den Bändern in dem vorgespannten Zustand, welche ebene, reflektive Oberflächen aufweisen, durchzulassen, obwohl sie das meiste des Lichts der mit Energie versehenen Bänder durch den mit Bezug auf 2b und 2c beschriebenen Mechanismus blockieren. Die Linse 64 bildet ein Bild 67 einer linearen Anordnung 51 auf dem lichtsensiblen Material 65, welches auf der Trommel 66 befestigt ist. Nur die flachen Bänder in dem vorgespannten Zustand erzeugen Spuren auf dem Material 65, da das von den mit Energie versehenen Bändern reflektierte Licht durch die Blende 58 blockiert wird. Alle anderen Details eines solchen Bildgebungssystems, wie das Erzeugen einer zweidimensionalen Abtastung und Datensynchronisation, sind wohl bekannt auf dem Gebiet der Bildspeicherung und hierin nicht vorgesehen.
Wiederum ist es offensichtlich für den Fachmann auf diesem Gebiet, dass dieselbe Anwendung ebenfalls in dem „Dunkelfeld”-Modus betrieben werden kann, wobei die Blende 58 mit der Öffnung 59 durch eine Blende mit denselben planaren Abmessungen wie die Öffnung 59 ersetzt wird. In einer solchen Ausführungsform wird das durch die Blende 51 reflektierte Licht in den vorgespannten (flachen) Zustand gestoppt, obwohl Licht, welches von den mit Energie versehenen Bändern 51 reflektiert wird, durch die Linse 64 gesammelt wird und zu einer Markierung auf dem sensiblen Material 65, welches auf der Trommel 66 befestigt ist, fokussiert. Darüber hinaus wird von dem Fachmann auf dem Gebiet der Optik verstanden, dass Öffnungen und Ansammlungen von Linsen in einfachere Linsen zusammengefasst werden können, welche dasselbe Ziel mit Bezug auf die vorliegende Erfindung als eine Kombination individueller Linsen und individueller Öffnungen erreichen. Dies betrifft insbesondere das Fokussieren des Lichtstrahls 67 durch die Linsen 62, 63 und 68 und die Lage der Blende 58 mit der Öffnung 59 und Linse 64, wie in 5 dargestellt. Die Öffnung 59 kann kreisförmig oder zum Erzielen eines gewünschten Kompromisses zwischen Lichtdurchgang und Kontrast verlängert sein.
Die Erfindung kann ebenfalls in Situationen eingesetzt werden, in denen mehr Zustände vorliegen. Dies kann durch zwei Umsetzungsebenen erzielt werden. Erstens mit Bezug auf eine der Figuren 2b, 2c, 4 und 5 kann die Intensität des durch die Öffnung 38a in den Hellfeldumsetzungen reflektierte Licht durch Steuern entweder des Grads der Biegung einzelner Bänder oder zusätzlich durch Steuern der Anzahl der Bänder in einer Anordnung, welche Licht durch die Öffnung 38a zu einer Zeit reflektieren, gesteuert werden. Dies erlaubt analoge Lichtsignale von einem konstanten einfallenden Strahl durch Anlegen modulierender Spannungssignale zwischen den Elektroden 39 und 35 in 2b, 2c, 3 oder 4 zu erzeugen.
Die Erfindung kann ebenfalls zum Richten auf ein wohlbekanntes Problem auf dem Gebiet optischer Anwendungen eingesetzt werden. Die Querschnittsintensität von Strahlen von Lichtquellen einschließlich Laser variiert typischerweise. Es gibt häufig eine größere Intensität nahe der Mitte des Strahls. Viele Anwendungen erfordern, dass der Strahl ein Intensitätsprofil aufweist, welches so ausgeglichen wie möglich ist. Durch Beleuchten einer Anordnung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, mit z. B. einem Laserstrahl, kann die Menge des von diesem Band reflektierten Licht so angepasst werden, dass das Strahlprofil umgewandelt wird. In einem einfachen Fall werden die Bänder, welche die randnahen Bereiche des Strahls reflektieren so gebogen, dass mehr Licht durch die Öffnung 38a reflektiert wird, während die Bänder, welche die zentrumsnahen Bereiche des Strahls reflektieren zum relativ weniger Reflektieren gebogen werden.
Obwohl die Erfindung als eine Zusammenstellung bestimmter Ausführungsformen beschrieben ist, ist es zu verstehen, dass Veränderungen und Modifikationen der Erfindung dem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich werden. Es ist deshalb erdacht, dass die nachfolgenden Ansprüche zu interpretieren sind als decken sie all solche Veränderungen und Modifikationen, wie sie in den wahren Geist und Bereich der Erfindung fallen, ab.

Claims

Deformierbares Element zum Modulieren von Licht mit: einer federnden, flexiblen langgezogenen Einrichtung (20; 31; 41; 51), welche eine Licht-reflektierende Oberfläche (32) aufweist, wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) auf einem Substrat (23; 34; 54) angebracht ist und biegbar um eine Achse (21) angeordnet und konvex deformierbar ist, wobei eine Länge der Einrichtung (20; 31; 41; 51) in einer Richtung parallel zu der Achse (21) größer als eine Breite der Einrichtung (20; 31; 41; 51) in einer Richtung rechtwinklig zu der Achse (21) ist; wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) auf einem Sockel (24; 33) getragen ist und Flügel aufweist, welche zu jeder Seite des Sockels (24; 33) vorspringen; wobei auf der Einrichtung (20; 31; 41; 51) eine Elektrodenschicht (32) vorgesehen ist; wobei unterhalb der Einrichtung (20; 31; 41; 51) eine Steuerelektrode (35) auf dem Substrat (23; 34; 54) vorgesehen ist; und wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) aus einem isolierenden Material hergestellt ist, so dass die Einrichtung (20; 31; 41; 51) eine elektrische Isolation zwischen der Steuerelektrode (35) und der Elektrodenschicht (32) bildet.
Deformierbares Element nach Anspruch 1, wobei der Sockel (24; 33) langgezogen ist und sich parallel zu der Achse (21) erstreckt.
Deformierbares Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flügel symmetrisch auf jeder Seite des Sockels (24; 33) hervorspringen.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flügel ausreichend breit und flexibel sind, so dass sie nach unten zum Berühren des Substrats (23; 34; 54) schnappen können.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flügel jeweils unabhängig biegbar sind.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Substrat (23; 34; 54) ein Siliziumsubstrat (34; 54) aufweist und der Sockel (24; 33) und die Einrichtung (20; 31; 41; 51) auf dem Siliziumsubstrat (34; 54) mikromaschinell bearbeitet sind.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches eine Licht-reflektierende Schicht (39) eines Metalls auf der Einrichtung (20; 31; 41; 51) aufweist.
Deformierbares Element nach Anspruch 7, wobei die Licht-reflektierende Schicht (39) zumindest eine reflektive Schicht (39) bestehend aus zumindest einem der nachfolgenden Materialien aufweist: Gold, Palladium, Platin, Chrom, Aluminium, Tantal und Titan.
Deformierbares Element nach Anspruch 7, wobei die Licht-reflektierende Schicht (39) in elektrischem Kontakt mit einer Quelle einer Steuerspannung ist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerelektrode (35) eine metallisierte Schicht (35) aufweist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuerelektrode einen dotierten Bereich auf dem Substrat (23; 34; 54) aufweist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein sich längs erstreckender zentraler Abschnitt der Einrichtung (20; 31; 41; 51) nicht Licht-reflektierend ist.
Deformierbares Element nach Anspruch 12, wobei der zentrale Abschnitt der Einrichtung (20; 31; 41; 51) Licht-absorbierend ist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein sich weniger biegender Abschnitt auf einer Oberfläche der Einrichtung (20; 31; 41; 51) Licht-absorbierend ist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Einrichtung (20; 31; 41; 51) ein Siliziumnitridmaterial aufweist.
Deformierbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei zumindest ein axiales Ende der Einrichtung (41) fest an das Substrat (34) angekoppelt ist.
Lichtmodulator mit einer Anordnung deformierbarer Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Lichtmodulator nach Anspruch 17, wobei die Einrichtungen (51) der deformierbaren Elemente so relativ zu einer Öffnung (59) angeordnet sind, dass dort ein gewisser Grad an Biegung einer der Einrichtungen (51) vorliegt, für welchen ein Hauptteil eines einfallenden Lichtstrahls, welcher von einer der Einrichtungen (51) reflektiert wird, die Öffnung (59) durchläuft.
Lichtmodulator nach Anspruch 17, wobei die Einrichtungen (51) der deformierbaren Elemente so relativ zu einer Strahlblende (58) angeordnet sind, dass ein bestimmter Grad von Biegung einer der Einrichtungen (51) vorliegt, für welchen ein Hauptteil eines einfallenden Lichtstrahls, welcher von einer der Einrichtungen (51) reflektiert wird, durch die Strahlblende (58) blockiert ist.
Verfahren zum Modulieren von Licht mit den Schritten: Bereitstellen eines Lichtmodulators nach Anspruch 17; Richten eines Lichtstrahls zum Reflektieren von der reflektiven Einrichtung (51) des reflektiven Elements; und Biegen einer der mehrerer der reflektiven Einrichtungen (51) um deren Achsen (21).
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Biegen eine oder mehrerer der Einrichtungen (51) das Anlegen einer elektrostatischen Kraft an eine oder mehrere Einrichtungen (51) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Biegen einer oder mehrerer der Einrichtungen (51) das Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrodenschicht (32) auf der Einrichtung (51) und der Steuerelektrode (35) auf dem Substrat (54) vorsieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Biegen einer oder mehrerer der Einrichtungen (51) das ausreichende Biegen der Einrichtung (51) vorsieht, dass die eine oder mehrere Einrichtungen (51) eine im Wesentlichen hyperbolische Kosinusform im Querschnitt aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Biegen einer oder mehrerer der Einrichtungen (51) das ausreichende Biegen der einen oder mehrerer der Einrichtungen (51) vorsieht, so dass die Ränder der einen oder mehreren Einrichtungen (51) nach unten in Kontakt mit dem Substrat (54) schnappen.