-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion einer mikromechanischen
Vorrichtung für die
räumliche
und zeitliche Modulation eines einfallenden Lichtstrahls mittels
Beugung. Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung eine
elektromechanisch konforme Gittervorrichtung mit einer Trägerstruktur,
die auf eine verbesserte optische Leistung und einen verbesserten
Kontrast ausgelegt ist.
-
In
diversen Anwendungen, wie Anzeige, optische Verarbeitung, Drucken,
optische Datenspeicherung und Spektroskopie werden elektromechanische
Raumlichtmodulatoren mit einer Vielzahl von Konstruktionen eingesetzt.
Diese Modulatoren erzeugen räumliche
Variationen in der Phase und/oder Amplitude eines einfallenden Lichtstrahls
mithilfe von Arrays einzeln adressierbarer Vorrichtungen.
-
Eine
Klasse elektromechanischer Raumlichtmodulatoren beinhaltet Vorrichtungen
mit einer periodischen Folge reflektierender Elemente, die elektromechanische
Phasengitter bilden. In diesen Vorrichtungen wird der einfallende
Lichtstrahl wahlweise reflektiert oder in eine Anzahl einzelner
Ordnungen gebeugt. Je nach Anwendung vermag das optische System
eine dieser Beugungsordnungen oder mehrere dieser Beugungsordnungen
zu sammeln und zu verwenden. Elektromechanische Gitter können in metallisierten
Elastomergelen gebildet werden; siehe US-A-4,626,920, erteilt am
2. Dezember 1986 an Glenn, und US-A-4,857,978, erteilt am 15. August 1989
an Goldbart et al. Die Elektroden unter dem Elastomer sind derart
bemustert, dass das Anlegen einer Spannung das Elastomer verformt,
wodurch ein nahezu sinusförmiges
Phasengitter entsteht. Diese An von Vorrichtungen wird erfolgreich
in Farbprojektionsanzeigen verwendet.
-
Aus
suspendierten mikromechanischen Bandelementen lässt sich ein elektromechanisches
Phasengitter mit einer viel schnelleren Ansprechzeit herstellen,
wie in US-A-5,311,360, erteilt am 10. Mai 1994 an Bloom et al.,
beschrieben. Diese Vorrichtung, die auch als Gitterlichtventil bekannt
ist, kann mit CMOS-ähnlichen
Prozessen auf Silicium hergestellt werden. Verbesserungen in der
Vorrichtung wurden später
von Bloom et al. beschrieben, die folgendes umfassen: 1) bemusterte,
erhabene Bereiche unterhalb der Bänder, um den Kontaktbereich
zu minimieren und Haftreibung zwischen den Bändern und dem Substrat erkennbar
zu machen, und 2) eine alternative Vorrichtungskonstruktion, in
der der Abstand zwischen den Bändern
verkleinert wurde, und bei der alternative Bänder betätigt wurden, um einen guten
Kontrast zu erzeugen; siehe US-A-5,459,610, erteilt am 17. Oktober
1995. Bloom et al. stellte zudem ein Verfahren zur Herstellung der
Vorrichtung vor; siehe US-A-5,677,783 vom 14. Oktober 1997. Mit
linearen Gitterlichtventilen dieser Art ist die Beugungsrichtung
nicht zur Arrayrichtung rechtwinklig, was die Komplexität des zur
Trennung der Beugungsordnungen erforderlichen optischen Systems erhöht. Zudem
ist der aktive Bereich des Arrays relativ schmal, was eine gute
Ausrichtung der Zeilenbeleuchtung über die gesamte Länge des
Arrays voraussetzt, üblicherweise
innerhalb von 10–30 μm über eine
Länge von
wenigen Zentimetern. Die Zeilenbeleuchtung muss zudem über das
gesamte lineare Array sehr geradförmig sein.
-
Es
besteht daher Bedarf nach einem linearen Array aus Gittervorrichtungen,
die einen großen
aktiven Bereich mit einer Beugungsrichtung aufweisen, die rechtwinklig
zur Arrayrichtung verläuft.
Die Vorrichtung ist zudem in der Lage, Licht von hohem Kontrast
und hoher Geschwindigkeit wirksam in einzelne Ordnungen zu beugen.
Die Herstellung der Vorrichtung ist zudem kompatibel mit CMOS-ähnlichen
Prozessen.
-
Diese
Aufgabe wird mit der in den anhängenden
Ansprüchen
dargelegten Erfindung gelöst.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
perspektivische, teilweise ausgeschnittene Ansicht eines Raumlichtmodulators
mit elektromechanisch konformen Gittervorrichtungen, die zwei Vorrichtungen
in einem linearen Array darstellt, wobei die Fig. nicht Teil der
Erfindung ist;
-
2 eine
Draufsicht eines Raumlichtmodulators mit elektromechanisch konformen
Gittervorrichtungen, die vier einzeln betreibbare Vorrichtungen
in einem linearen Array darstellt, wobei die Fig. nicht Teil der
Erfindung ist;
-
3a und 3b Schnittansichten
durch Linie 3-3 in 2 zur Darstellung des Betriebs
einer elektromechanisch konformen Gittervorrichtung in einem unbetätigten Zustand
bzw. in einem betätigten Zustand,
wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung ist;
-
4a und 4b Schnittansichten
durch Linie 4-4 in 2 zur Darstellung der Vorrichtung
in einem unbetätigten
Zustand bzw. in einem betätigten Zustand,
wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung ist;
-
5 eine
Kurve zur Darstellung der Position eines Bandelements als eine Funktion
der angelegten Spannung, wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung
ist;
-
6 eine
Kurve zur Darstellung des Bandelementprofils in einem betätigten Zustand,
wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung ist;
-
7 eine
Kurve zur Darstellung des Beugungswirkungsgrads der konformen Gittervorrichtung
als eine Funktion der Halterungsbreite für verschiedene Kombinationen
von Beugungsordnungen, wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung ist;
-
8 eine
Kurve zur Darstellung des Bandelementprofils in einem betätigten Zustand
für eine Vorrichtung
mit zunehmendem Beugungswirkungsgrad, wobei die Fig. nicht Teil
der Erfindung ist;
-
9 eine
Draufsicht eines alternativen Beispiels des Raumlichtmodulators,
wobei die Fig. nicht Teil der Erfindung ist;
-
10 eine
Schnittansicht durch Linie 10-10 in 9 für eine konforme
Gittervorrichtung, die mit vorstehenden Zwischenhalterungen gefertigt
ist, was einen reduzierten Kontrast bewirkt, wobei die Fig. nicht
Teil der Erfindung ist;
-
11a bis 11c Draufsichten
verschiedener Geometrien von Zwischenhalterungen, wobei 11a nicht Teil der Erfindung ist; und
-
12 eine
Seitenansicht einer konformen Gittervorrichtung mit Zwischenhalterungen,
die in zwei Unterhalterungen unterteilt sind.
-
Die
Gitterstruktur in einem Gitterlichtventil ist durch die Bemusterung
der Bandelemente bestimmt. Eine vollständig andere Klasse elektromechanischer Gittervorrichtungen
lässt sich
durch Definition einer Gitterstruktur in den Halterungen unterhalb
der verlängerten
Bandelemente erzielen. Diese konformen Gittervorrichtungen basieren
auf dem Prinzip eines versteckten Gitters. In dem nicht betätigten Zustand ist
die Gitterstruktur vollständig
gegen Sicht verdeckt, wobei die Vorrichtung wie ein Spiegel funktioniert.
In dem betätigten
Zustand verformen sich die langgestreckten Bandelemente derart,
dass sie die Gitterstruktur der Halterungen freigeben, wodurch ein
teilweise konformes Beugungsgitter entsteht. Konforme Gittervorrichtungen
sind daher funktionell vergleichbar mit metallisierten Elastomergelgittern,
haben jedoch das höhere
Geschwindigkeitspotenzial von Gitterlichtventilen. Außerdem ist
die Herstellung mit CMOS-ähnlichen
Prozessen kompatibel. Einige konforme Gittervorrichtungen weisen
nicht die maximal mögliche
optische Leistung und den maximal möglichen Kontrast auf, weil
die Halterungsstruktur unterhalb der langgestreckten Bandelemente
möglicherweise
nicht optimal ist. Es besteht daher Bedarf nach einer besseren Halterungsstruktur. 1,
die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt die Struktur von zwei seitlich
benachbarten konformen Gittervorrichtungen 5a und 5b in
einem nicht betätigten
Zustand. In diesem Beispiel können
die Vorrichtungen durch Anwendung einer elektrostatischen Kraft
betrieben werden. Die Gittervorrichtungen 5a und 5b werden
auf einem Substrat 10 gebildet, das aus Glas, Metall, Kunststoff oder
Halbleitermaterialien hergestellt ist, und welches mit einer unteren
Leitschicht 12 bedeckt ist, die als eine Elektrode zur
Betätigung
der Vorrichtungen dient. Die untere Leitschicht 12 kann
aus derartigen Materialien, wie Aluminium, Titan, Gold, Silber,
Wolfram, dotiertem Silicium oder Indiumzinnoxid hergestellt sein.
Die untere Leitschicht 12 ist mit einer dielektrischen
Schutzschicht 14 bedeckt, gefolgt von einer Abstandsschicht 18.
-
Auf
der Abstandsschicht 18 ist eine Bandschicht 20 ausgebildet,
die von einer Reflexionsschicht 22 bedeckt ist. In dem
vorliegenden Beispiel ist die Reflexionsschicht 22 auch
ein Leiter, um Elektroden für
die Betätigung
der konformen Gittervorrichtungen 5a und 5b bereitzustellen.
Die Reflexions- und Leitschicht 22 ist bemustert, um den
beiden konformen Gittervorrichtungen 5a und 5b Elektroden
bereitzustellen. Die Bandschicht 20 umfasst vorzugsweise
ein Material mit einer ausreichenden Zugfestigkeit, um eine große Rückstellkraft
bereitzustellen. Beispiele für
Bandmaterialien sind Siliciumnitrid, Titanaluminid und Titanoxid.
Die Dicke und Zugspannung der Bandschicht 20 sind so gewählt, dass
die Leistung durch Beeinflussung der elektrostatischen Kraft zur
Betätigung
sowie die Rückstellkraft
optimiert werden. Diese Kräfte
beeinträchtigen
die Spannungsanforderung, die Geschwindigkeit und die Resonanzfrequenz
der konformen Gittervorrichtungen 5a und 5b.
-
Jede
der beiden Vorrichtungen 5a und 5b hat ein zugehöriges, langgestrecktes
Bandelement 23a bzw. 23b, das aus der Reflexions-
und Leitschicht 22 und der Bandschicht 20 bemustert
ist. Die langgestreckten Bandelemente 23a bzw. 23b werden
von den Endhalterungen 24a und 24b gehaltert,
die aus der Abstandsschicht 18 und einer oder mehreren Zwischenhalterungen 27 ausgebildet
sind. In 1 werden drei Zwischenhalterungen 27 gezeigt,
die aus der Abstandsschicht 18 ausgebildet sind. Diese Zwischenhalterungen 27 sind
gleichmäßig beabstandet,
um vier gleichbreite Kanäle 25 zu
bilden. Die langgestreckten Bandelemente 23a und 23b sind
an den Endhalterungen und an den Zwischenhalterungen 27 befestigt.
Die Endhalterungen 24a und 24b sind nicht nur
an ihren Kanten, die auf den Kanal 25 ausgerichtet sind,
definiert. Eine Vielzahl quadratischer Distanzelemente 29 ist
unten auf den Kanälen 25 aus
der Abstandsschicht 16 ausgebildet. Diese Distanzelemente 29 reduzieren
die Möglichkeit,
dass Bandelemente bei Betätigung
ankleben. Die Distanzelemente können
zudem in nicht quadratischen Formen bemustert sein, beispielsweise
rechtwinkligen oder runden Formen.
-
Eine
Draufsicht eines linearen Arrays konformer Gittervorrichtungen aus
vier Vorrichtungen 5a, 5b, 5c und 5d wird
in 2 gezeigt, die nicht Teil der Erfindung ist. Die
langgestreckten Bandelemente sind über dem Teil des Diagramms
unterhalb der Linie 2-2 teilweise entfernt dargestellt,
um die darunter liegende Struktur zu zeigen. Für die beste optische Leistung
bei maximalem Kontrast sind die Zwischenhalterungen 27 vollständig unterhalb
der langgestreckten Bandelemente 23a, 23b, 23c und 23d verdeckt.
Bei Betrachtung von oben sind die Zwischenhalterungen daher in den
Lücken 28 zwischen
den konformen Gittervorrichtungen 5a–5d nicht sichtbar. Hier
hat jede der konformen Gittervorrichtungen drei Zwischenhalterungen 27 mit
vier gleichbreiten Kanälen 25.
Einige konforme Gittervorrichtungen können auch nur eine einzelne
Zwischenhalterung 27 aufweisen. Der Mitte-Mitte-Abstand Λ der Zwischenhalterungen 27 oder äquivalent
dazu der Mitte-Mitte-Abstand der Kanäle 25 der konformen
Gittervorrichtung bildet die Periode Λ der konformen Gittervorrichtungen
in dem betätigten
Zustand. Wie später
detailliert erläutert
wird, hat die Breite b der Zwischenhalterungen 27 eine
wichtige Wirkung auf den Beugungswirkungsgrad. Die langgestreckten
Bandelemente 23a–23d sind
mechanisch und elektrisch voneinander isoliert, was einen unabhängigen Betrieb
der vier konformen Gittervorrichtungen 5a–5d ermöglicht.
Die untere Leitschicht 12 aus 1 kann allen
diesen Vorrichtungen gemeinsam sein.
-
3a ist
eine Seitenansicht durch Linie 3-3 aus 2 von zwei
Kanälen 25 der
konformen Gittervorrichtung 5a im unbetätigten Zustand. 3b zeigt die
gleiche Ansicht im betätigten
Zustand. Für
den Betrieb der Vorrichtung wird eine elektrostatische Kraft erzeugt,
indem eine Spannungsdifferenz zwischen der unteren Leitschicht 12 und
der Leitschicht 22 des langgestreckten Bandelements 23a erzeugt angelegt
wird. In dem unbetätigten
Zustand (siehe 3a) ohne Spannungsdifferenz
ist das Bandelement 23a zwischen den Halterungen flach
aufgehängt.
In diesem Zustand wird ein einfallender Lichtstrahl 30 hauptsächlich in
Spiegelrichtung 32 reflektiert. Um den betätigten Zustand
zu erhalten, wird eine Spannung an die konforme Gittervorrichtung 5b angelegt,
die das langgestreckte Bandelement 23a verformt und ein
teilkonformes Gitter mit Periode Λ erzeugt. 3b zeigt
die Vorrichtung im vollständig betätigten Zustand
mit dem langgestreckten Bandelement 23a in Kontakt mit
den Distanzelementen 29. Die Höhendifferenz zwischen dem Boden
des Elements 23a und der Oberkante der Distanzelemente 29 ist
derart gewählt,
dass die Distanz ca. ¼ der
Wellenlänge λ des einfallenden
Lichts beträgt.
Die optimale Höhe
hängt von
der konkreten Form der betätigten
Vorrichtung ab. Im betätigten
Zustand wird der einfallende Lichtstrahl 30 hauptsächlich in
die +1. Ordnung 35a und in die –1. Ordnung 35b gebeugt, wobei
zusätzliches
Licht in der +2. Ordnung 36a und –2. Ordnung 36b gebeugt
wird. Eine kleine Menge Licht wird sogar in höheren Ordnungen gebeugt und ein
Teil davon reflektiert. Für
Licht, das rechtwinklig auf die Oberfläche der Vorrichtung einfällt, ist
der Winkel θm zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem
gebeugten Lichtstrahl der mten Ordnung gegeben
durch sinθm = mλ/Λ, wobei
m eine ganze Zahl ist. Eine oder beide Beugungsordnungen können, je
nach Anwendung, gesammelt und von dem optischen System verwendet werden.
Wenn die angelegte Spannung entfernt wird, bringen die Kräfte aufgrund
der Zugbelastung und des Biegemoments das Bandelement 23a in
seinen ursprünglichen,
unbetätigten
Zustand zurück.
-
4a und 4b,
die nicht Teil der Erfindung sind, zeigen eine gedrehte Seitenansicht
durch die Linie 4-4 aus 2 der konformen Gittervorrichtung 5b im
unbetätigten
bzw. betätigten
Zustand. Das langgestreckte Bandelement 23a wird von der
Endhalterung 24b und der (in dieser Perspektive nicht gezeigten)
benachbarten Zwischenhalterung 27 gehaltert. Durch Anlegen
einer Spannung wird die Vorrichtung betätigt, wie in 4b gezeigt.
-
In
einem Beispiel wird das lineare Array aus konformen Gittervorrichtungen
durch Anordnen der Vorrichtungen, wie in 1–3 gezeigt, ausgebildet, wobei die Richtung
der Gitterperiode Λ (die
y-Richtung) rechtwinklig zur Arrayrichtung (x-Richtung) verläuft. Die
Beugungsordnungen verlaufen dann in verschiedenen Winkeln in der
y-z-Ebene und rechtwinklig zur Arrayrichtung. Sogar mit einem größeren linearen
Array, der möglicherweise
aus mehreren Tausend Vorrichtungen besteht, die durch ein schmales Lichtband
beleuchtet werden, werden die Beugungsordnungen räumlich über eine
relativ kurze Distanz geteilt. Dieses Merkmal vereinfacht die Konstruktion des
optischen Systems und ermöglicht
Konstruktionen, in denen die Trennung der Ordnungen räumlich erfolgen
kann, ohne dass Schlieren-Optiken erforderlich sind.
-
In
einem linearen Array aus konventionellen Gitterlichtventilvorrichtungen
verläuft
die Gitterperiode parallel zu den Arrayrichtungen, wodurch zur räumlichen
Trennung der Beugungsordnungen eine wesentlich größere Distanz
erforderlich ist. Als Vergleichsbeispiel sei angenommen, dass ein
Array aus konformen Gittervorrichtungen 4 cm lang ist (2000 Vorrichtungen
zu je 20 μm
Breite), die von einer 100 μm
breiten Lichtzeile beleuchtet werden. Für Vorrichtungen mit einer Periode,
die derart gewählt
ist, dass die Beugungsordnungen rechtwinklig um 1 Grad getrennt
sind, werden die Ordnungen räumlich
um ca. 6 mm getrennt. Ein ähnliches
4 cm langes Array aus Gitterlichtventilen nach dem Stand der Technik
mit einem Winkelabstand von 4 Grad zwischen den Beugungsordnungen
würde eine
räumliche
Trennung von mindestens 60 cm erfordern, ohne die Verwendung einer
Schlieren-Optik.
-
Weil
die Gitterperiode Λ in
einem konformen Gitterarray rechtwinklig zur Arrayrichtung verläuft, kann
das Array viele Perioden breit sein, ohne dass wesentliche Einschränkungen
bezüglich
der Anzahl der möglichen
Perioden bestehen. Durch Erhöhen der
Anzahl der Perioden verbessern sich die optischen Ausrichtungstoleranzen
und es wird ein gewisses Maß an
Redundanz für
den Fall eines lokalen Vorrichtungsausfalls bereitgestellt. Wenn
ein Teil einer konformen Gittervorrichtung nicht mehr funktioniert,
kann der optische Strahl auf einen funktionsfähigen Teil neu positioniert
werden.
-
Um
den elektromechanischen und optischen Betrieb der konformen Gittervorrichtung
im Detail zu verstehen, ist es hilfreich, die erwartete Leistung
einer realistischen Konstruktion mit folgenden Materialien und Parametern
zu prüfen:
Werkstoff
des Substrats 10: Silicium
Untere Leitschicht 12:
dotiertes Silicium
Schutzschicht 14: Siliciumdioxid,
Dicke = 50 nm
Abstandsschicht 18: Siliciumdioxid,
Dicke = 150 nm
Bandschicht 20: Siliciumnitrid, Dicke
= 100 nm, Zugbelastung = 600 MPa
Reflexions- und Leitschicht 22:
Aluminium, Dicke = 50 nm
Gitterperiode Λ = 20 μm
Aufgehängte Länge des
langgestreckten Bandelements 23a = 16 μm
Breite des langgestreckten
Bandelements 23aw = 30 nm
Breite der Zwischenhalterung 27b =
4 μm
-
Diese
Art der Konstruktion ermöglicht
die Fertigung mit CMOS-Verfahren und die Integration in CMOS-Schaltungen.
Die Resonanzfrequenz der Bandelemente in dieser konkreten Konstruktion
beträgt
ca. 11 MHz. Die meisten Praxiskonstruktionen arbeiten mit Resonanzfrequenzen
zwischen 2 MHz und 15 MHz. Wegen dieser hohen Resonanz kann die
Schaltzeit der Vorrichtung recht kurz sein.
-
5 und 6,
die nicht Teil der Erfindung sind, zeigen den modellierten elektromechanischen Betrieb
dieser konkreten Vorrichtung. 5 ist eine Kurve
der Position des langgestreckten Bandelements an der Mitte eines
Kanals als Funktion der angelegten Spannung mit Darstellung der
zugehörigen Hysterese.
Wenn die Spannung von 0 V erhöht
wird, steigt in einem ersten Betriebszustand der Mittenversatz nahezu
quadratisch, wodurch das langgestreckte Bandelement verformt wird,
bis die Pulldown-Spannung von 20,1 V in einem zweiten Betriebszustand
erreicht wird. Bei dieser Spannung überwindet die elektrostatische
Kraft die Zugrückstellkraft,
und das langgestreckte Bandelement schlägt in das Substrat. Durch weitere
Erhöhung
der angelegten Spannung ändert
sich die Form des verformten Bandes, kann aber die Mittenposition
nicht ändern.
Wenn das Bandelement in Kontakt mit dem Substrat ist, kann die Spannung
unter den Pulldown-Wert gesenkt werden, während der Kontakt erhalten
bleibt, bis bei 10,8 V eine Trennung erfolgt. Diese Hysterese lässt sich
nutzen, um die optische Leistung der Vorrichtung zu verbessern.
Sie kann zudem in bestimmten Anwendungen als Schalter genutzt werden.
-
6,
die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt das Profil des langgestreckten
Bandelements in dem zweiten Betriebszustand, d.h. im betätigten Zustand bei
22,1 V. Die Länge
des erhabenen Bereichs 42 entspricht in etwa der Breite
der Zwischenhalterung b = 4 μm.
Die Länge
des abgesenkten Bereichs 44 in Kontakt mit dem Substrat
entspricht in etwa 8,2 μm. Um
die maximal mögliche
Beugungsleistung zu erzielen, muss, wie in 7 gezeigt,
die Länge
des erhabenen Bereichs 42 allerdings verlängert werden, um
den Arbeitszyklus des Gitters zu verbessern.
-
7 zeigt
eine Kurve der Beugungsleistung der konformen Gittervorrichtung
als eine Funktion der Änderung
der Breite der Zwischenhalterung b, während die Periode Λ = 20 μm erhalten
bleibt. Es sei angenommen, dass die angelegte Spannung 110% der
Pulldown-Spannung
beträgt,
dass die Beleuchtungswellenlänge
550 nm beträgt,
dass der Reflexionsgrad 100% beträgt und dass die Lücken 55 zwischen
den langgestreckten Bandelementen vernachlässigt werden können. Leistungskurven
werden für vier
Fälle dargestellt:
ein optisches System, das 1) die Strahlen der Ordnung –1 und +1
sammelt; das 2) die Strahlen der Ordnung –2, –1, +1 und +2 sammelt; das
3) die Strahlen der Ordnung –3, –2, –1, +1,
+2 und +3 sammelt und 4) das die Strahlen aller Ordnungen sammelt,
ausgenommen der Ordnung 0. Aus 7 wird deutlich,
dass das Beispiel von 6 mit b = 4 μm nicht die bestmögliche Beugungsleistung erzielt.
Um eine gute Beugungsleistung zu erzielen, ist die Breite der Zwischenhalterungen
im Allgemeinen so gewählt,
dass Λ/4 ≤ b ≤ Λ/2. Für das langgestreckte
Bandelement mit Periode Λ =
20 μm wird eine
gute Leistung mit 5μm ≤ b ≤ 10μm erzielt.
Der jeweilige Wert von b, der die maximale Beugungsleistung erzielt,
hängt von
den jeweiligen Bandmaterialien, der Bandgeometrie und davon ab,
welche Strahlen von dem optischen System gesammelt werden. Das Bandmaterial
kann von Bedeutung sein, weil es die Ausdehnung des erhabenen Bereichs 42 über die Breite
der Zwischenhalterung b betrifft. Im Allgemeinen liegt die maximal
erzielte Beugungsleistung bei b ∼ Λ/3.
-
8,
die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt das Profil des langgestreckten
Bandelements in einem betätigten
Zustand mit wechselweise erhabenen und abgesenkten Bereichen 42 bzw. 44 für eine konforme
Gittervorrichtung mit Λ =
20 μm und
b = 7 μm
zur Erzielung einer verbesserten Beugungsleistung. Die Länge des
abgesenkten Bereichs 44 entspricht im Wesentlichen der
Länge des
erhabenen Bereichs 42.
-
9,
die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt ein alternatives Beispiel,
das eine Draufsicht eines linearen Arrays aus vier Vorrichtungen
zeigt, ähnlich denen
in 2. Jeder konformen Gittervorrichtung 5a, 5b, 5c und 5d sind
jetzt zwei langgestreckte Bandelemente (51a, 52a),
(51b, 52b), (51c, 52c) bzw. (51d, 52d)
zugeordnet. Die Unterteilung jeder Vorrichtung ermöglicht die
Fertigung breiterer Vorrichtungen ohne wesentliche Beeinträchtigung
der optischen Leistung. Das bevorzugte Fertigungsverfahren ist das Ätzen einer
Opferschicht aus dem Kanal, wodurch die Bandelemente freigesetzt
werden. Die Lücken 55 zwischen
den Elementen ermöglichen
dem Ätzmittel,
zur Opferschicht zu gelangen. Eine Erhöhung der Lückenzahl 55 kann daher
den Ätzprozess verbessern.
In der Praxis kann es notwendig sein, die konformen Gittervorrichtungen
in mehr als zwei Teile zu unterteilen. Die langgestreckten Bandelemente sind über dem
Teil des Diagramms unterhalb der Linie 2-2 teilweise entfernt dargestellt,
um die darunter liegende Struktur zu zeigen. Für die beste optische Leistung
bei maximalem Kontrast sind die Zwischenhalterungen 27 vollständig unterhalb
der langgestreckten Bandelemente 51a, 52a, 51b, 52b, 51c, 52c, 51d und 52d verborgen.
Bei Betrachtung von oben dringen die Zwischenhalterungen 27 daher nicht
in die Lücken 55 ein.
Die Gitterelemente innerhalb einer einzelnen konformen Gittervorrichtung sind
mechanisch isoliert, aber elektrisch gekoppelt. Sie arbeiten daher
im Gleichklang, wenn eine Spannung angelegt wird.
-
10,
die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt eine Seitenansicht durch
Linie 10-10 aus 9 von zwei Kanälen 25 der
konformen Gittervorrichtung 5a im unbetätigten Zustand. In diesem konkreten
Beispiel ist die Vorrichtung nicht perfekt gefertigt, so dass sich
in Nähe
der Zwischenhalterungen 27 ein kleiner Höhenversatz ε befindet.
Das langgestreckte Bandelement 52a hat im unbetätigten Zustand
ein schwaches Gitter der Periode Λ,
was bewirkt, dass ein kleiner Teil eines einfallenden Lichtstrahls
in den Ordnungen –2, –1, +1 und
+2 gebeugt wird. Dies führt zu
einer Kontrastminderung der Vorrichtung. Derselbe Fertigungsfehler
kann in den konformen Gittervorrichtungen der 1 und 2 vorhanden
sein. Eine Möglichkeit
zur Minimierung der Wirkung dieser schwachen Gitterbildung auf den
Kontrast besteht darin, die Breite b der Zwischenhalterungen so
klein wie möglich
zu machen. Wie zuvor erläutert,
verringert sich allerdings durch Reduzierung der Breite b die Beugungsleistung
der Vorrichtung. Eine alternative Lösung, die eine hohe Beugungsleistung
bewahrt, wird nachfolgend beschrieben.
-
11a–11c zeigt drei Konstruktionen, die denselben Wert
b für die
Zwischenhalterungen 27 aus 10 aufweisen.
Jede dieser Konstruktionen führt
somit zur gleichen Beugungsleistung im unbetätigten Zustand. 11a, die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt die
Zwischenhalterungen 27 aus 10. 11b zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Zwischenhalterungen 27 in
ein Paar aus korrespondierenden Unterhalterungen 27a und 27b unterteilt sind.
Diese Unterteilung verbessert den Kontrast der Vorrichtung durch
Reduzierung der Beugungsleistung der schwachen Gitterbildung in
dem unbetätigten
Zustand. Jedes dieser Paare korrespondierender Unterhalterungen 27a und 27b könnte kleiner
als 1 μm
breit sein. 11c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Zwischenhalterungen 27 in weitere Unterhalterungen
unterteilt sind. Die Unterhalterungen könnten auch aus der Außenwand
der Zwischenhalterungen ausgebildet sein.
-
Diese
Art der Unterteilung ermöglicht
die Herstellung einer Vorrichtung, die gleichzeitig einen hohen
Kontrast und eine hohe Leistung aufweist. Für das Beispiel aus 8 mit
hoher Leistung beträgt Λ = 20 μm und b =
7 μm, wobei
jede der Zwischenhalterungen 27 entsprechende Zwischenhalterungen 27a und 27b von
1 μm Breite
aufweisen könnte,
die um 5 μm
voneinander getrennt sind. Die Unterhalterungen können auch
anders als quadratisch oder rechtwinklig ausgebildet sein.
-
Außerdem kann
sich die Konstruktion der Unterhalterungen auf die Spannung auswirken,
die verwendbar ist, um die langgestreckten Bandelemente in dem betätigten Zustand
zu halten. Die Spannung muss niedrig genug sein, damit die langgestreckten
Bandelemente zwischen den Unterhalterungen aufgehängt bleiben.
Gute Konstruktionen von Unterhalterungen weisen nur eine geringe
Ablenkung zwischen einzelnen Paaren von Unterhalterungen auf, aber
zwischen den Zwischenhalterungen kommt es zu einer vollständigen Ablenkung.
Das zuvor besprochene Beispiel mit hoher Leistung und Λ = 20 μm, b = 7 μm und zwei
1 μm breiten
Unterhalterungen, die um 5 μm
beabstandet sind, erfüllt
die Voraussetzung einer sehr geringen Ablenkung zwischen den Unterhalterungen
im betätigten
Zustand für
einen großen
Bereich von Spannungen. Für
eine größere Spannungsbandbreite
könnten
drei 1 μm
breite Unterhalterungen verwendet werden, die um 2 μm zueinander
beabstandet sind.
-
12 zeigt
eine Seitenansicht von zwei Kanälen 25 einer
konformen Gittervorrichtung 5a in dem unbetätigten Zustand,
wobei die Zwischenhalterungen 27 in zwei Unterhalterungen 27a und 27b unterteilt
sind, wie in 11b gezeigt. Diese Vorrichtung weist
einen höheren
Kontrast als die Vorrichtung aus 10 auf,
weil ein größerer Prozentsatz
des langgestreckten Bandelements 52a auf gleicher Höhe liegt.
In der Praxis kann die relative Verbesserung größer als in 12 dargestellt
sein, weil die Zugkraft des langgestreckten Bandelements 52a eine gewisse
Abflachung bewirkt, wodurch sich die Gesamthöhe ε verringert. Es sei darauf hingewiesen, dass
das langgestreckte Bandelement im betätigten Zustand (in 12 nicht
gezeigt) nahezu flach zwischen den Unterhalterungen 27a und 27b einer
einzelnen korrespondierenden Zwischenhalterung 27 bleibt,
während
es Kontakt mit den Distanzelementen 29 zwischen zwei benachbarten
Zwischenhalterungen 27 hat.