面向顯示基于MEMS光柵光調(diào)制器光學(xué)分析和實(shí)驗(yàn).pdf

1、投影顯示器件正向多元化方向發(fā)展，隨著MEMS技術(shù)的成熟，使得面向顯示基于MEMS的光調(diào)制器已成為世界各國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，以其優(yōu)異的性能成為帶動(dòng)下一代顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要分支。但國(guó)內(nèi)對(duì)這類(lèi)器件研究較晚，且受到國(guó)外專(zhuān)利限制，因此開(kāi)發(fā)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面向顯示基于MEMS技術(shù)的光調(diào)制器具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。 本文在綜述國(guó)內(nèi)外面向顯示基于MEMS光調(diào)制器的基礎(chǔ)上，首次提出了基于MEMS的反射鏡平

2、動(dòng)式光柵光調(diào)制器(RMGLM)和光柵平動(dòng)式光調(diào)制器(GMLM)。對(duì)這兩種調(diào)制器建立了理論模型，并利用標(biāo)量衍射理論進(jìn)行了光學(xué)分析和仿真；設(shè)計(jì)了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)合協(xié)作單位的工藝平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；討論了加工誤差對(duì)器件性能的影響；對(duì)光柵平動(dòng)式光調(diào)制器進(jìn)行了工藝研究和加工制作；提出了一種測(cè)量微小間距的非接觸的波長(zhǎng)掃描式光譜分析方法；同時(shí)進(jìn)行了GMLM衍射實(shí)驗(yàn)和光學(xué)處理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容如下： ①通過(guò)分析基于MEMS光調(diào)

3、制器及其相關(guān)研究的現(xiàn)狀，指出了目前基于MEMS光調(diào)制器存在的問(wèn)題，提出了本論文的研究工作要點(diǎn)。 ②分析了基于MEMS光柵光調(diào)制器顯示系統(tǒng)，表明光柵光調(diào)制器的性能決定著顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，是顯示系統(tǒng)的核心器件。 ③首次提出了反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)；利用標(biāo)量衍射理論，分析了反射鏡平動(dòng)式光柵光調(diào)制器的光學(xué)原理。 ④首次提出了光柵平動(dòng)式光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)，GMLM主要依靠可動(dòng)光柵和下反射鏡之間的間距變化來(lái)實(shí)現(xiàn)

4、光調(diào)制作用；建立光學(xué)模型，利用標(biāo)量衍射理論進(jìn)行了器件單象素和面陣結(jié)構(gòu)的光學(xué)原理分析，理論分析與CoventorWare仿真結(jié)果一致；重點(diǎn)討論了光柵平動(dòng)式光調(diào)制器的幾何參數(shù)、可動(dòng)光柵和下反射面間距、加工誤差等對(duì)對(duì)比度的影響。采用不等厚光柵邊距、正方形電極、階梯型電極、減薄懸臂梁，分別將可動(dòng)光柵的有效光學(xué)面積由約50﹪提高至60﹪，70﹪，75﹪，85﹪。 ⑤在4f系統(tǒng)中分析了GMLM單象素、GMLM面陣在物面、頻譜面和像面的分布情

5、況。分析表明：要得到高的對(duì)比度和圖像占空比，結(jié)構(gòu)上需滿(mǎn)足可動(dòng)光柵占空比為0.5和減小邊框和懸臂梁的尺寸。 ⑥確定GMLM的加工幾何參數(shù)，單象素的面積為52×52μm2。制作了4×4，2×16，16×16GMLM陣列測(cè)試樣品。提出了采用非接觸的波長(zhǎng)掃描式光譜分析方法測(cè)量GMLM器件可動(dòng)光柵上表面和下反射鏡之間的微小距離，測(cè)試結(jié)果與采用Veeco公司的白光干涉儀一致，相對(duì)誤差小于1﹪，并與理論結(jié)果吻合。從理論上分析了采用該方法可以測(cè)

6、量器件電壓與位移的關(guān)系、吸合電壓、固有頻率和殘余應(yīng)力，以及基于MEMS的衍射型/干涉型器件的微間距等。對(duì)GMLM測(cè)試樣品進(jìn)行了光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)和光學(xué)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)，與理論模型曲線(xiàn)相符合，驗(yàn)證了理論模型正確性。從而將理論、仿真與實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一起來(lái)。 ⑦根據(jù)兩次投片及測(cè)試和分析結(jié)果，對(duì)GMLM進(jìn)行方案比較和優(yōu)化，對(duì)可動(dòng)光柵邊框和懸臂梁表面進(jìn)行不反光處理，同時(shí)使可動(dòng)光柵和下反射面構(gòu)成整數(shù)倍光柵周期，經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化方案的圖像填充率為74.67﹪，光學(xué)