MEMS光柵光調(diào)制器陣列及投影顯示系統(tǒng)的光學(xué)分析和實驗.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)成為促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提升、高新技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的有效手段。面對著 MEMS這一迅速發(fā)展的嶄新領(lǐng)域，開展面向顯示的MEMS光調(diào)制器的研究，進(jìn)而開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于MEMS光調(diào)制器，對提升我國的顯示技術(shù)水平和核心競爭力具有重要的現(xiàn)實意義。開展該領(lǐng)域的研究對促進(jìn)我國MEMS技術(shù)，特別是光MEMS技術(shù)的發(fā)展也有重要的學(xué)術(shù)意義和研究價值。
　　論文作者所在的課題組在分析了MEMS光調(diào)制器的發(fā)展現(xiàn)狀和結(jié)合自身

2、研究條件的基礎(chǔ)上，提出了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的面向顯示的光柵平動式光調(diào)制器陣列。課題組的張潔博士在她的論文里重點分析了單個光柵光調(diào)制器的光學(xué)特性，對單個光柵光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)參數(shù)行了設(shè)計和優(yōu)化。課題組的張智海博士在他的論文里從工藝的角度討論了光柵光調(diào)制器在設(shè)計、加工中的一些關(guān)鍵問題，對器件的部分機電特性進(jìn)行了簡單的測試。在他們研究的基礎(chǔ)上本論文對二維光柵光調(diào)制器陣列的衍射和成像特性進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。設(shè)計了基于光柵光調(diào)制器的投影顯示光

3、學(xué)系統(tǒng)。在理論分析的基礎(chǔ)上，利用MEMS技術(shù)加工得到的器件組建了光柵光調(diào)制器的投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行了一系列的光學(xué)和機電特性實驗，得到了明暗調(diào)制的投影顯示圖像，驗證了光柵光調(diào)制器用于投影顯示的可行性。分析了光柵光調(diào)制器二氧化硅絕緣層的充電電荷對調(diào)制器性能的影響，從理論上和實驗上首次同時得到了調(diào)制器的可動光柵隨介質(zhì)層電荷充放電過程的變化趨勢,加深了人們對MEMS器件失效機理的認(rèn)識，完善了MEMS的失效分析理論。具體研究內(nèi)容包括：
　

4、　1)利用標(biāo)量衍射理論對光柵光調(diào)制器的理論光學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化，討論了上層光柵與下反射鏡的不同結(jié)構(gòu)組合對調(diào)制器衍射特性的影響，通過分析指出當(dāng)上層可動光柵的柵條與下反射鏡在光柵周期方向呈對稱分布，且柵條的總面積和下反射鏡的有效面積相等的時候，調(diào)制器的衍射特性最佳。
　　2)系統(tǒng)的分析了二維光柵光調(diào)制器陣列的衍射光學(xué)特性。分析結(jié)果顯示，調(diào)制器陣列的衍射圖樣分布和單個調(diào)制器的衍射圖樣分布類似，但是和單個器件的衍射圖樣分布不同的是，陣列器件

5、的衍射圖樣包含了更多的反映調(diào)制器像素之間空間信息的次級衍射圖樣，二維光柵光調(diào)制器陣列的衍射光強分布是單個光柵光調(diào)制器衍射光的相干疊加。
　　3)依據(jù)信號與系統(tǒng)理論，提出用數(shù)字信號變換的方法研究二維光柵光調(diào)制器陣列的衍射和成像特性。利用該方法對二維調(diào)制器的光學(xué)信息處理和調(diào)制器的成像特性進(jìn)行了分析，為器件的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論上的指導(dǎo)。對于光柵光調(diào)制器，如果用±1級衍射光投影成像，像面上像素光強的分布為余弦的平方分布，像面出現(xiàn)明暗相間

6、的變化，明暗變化的周期是調(diào)制器光柵常數(shù)的一半；調(diào)制器周圍的支撐部分會在像面上留下空隙，降低了調(diào)制器的填充率。當(dāng)用零級衍射光成像的時候，調(diào)制器在像面的投影像是一個均勻的光場；調(diào)制器周圍支撐部分會成像在像面上，降低調(diào)制器的對比度。
　　4)利用部分相干光的互強度傳播理論，分析了擴展光源照明情況下光柵光調(diào)制器的衍射特性，并通過實驗對理論分析進(jìn)行了驗證。在擴展光源照明的情況下，調(diào)制器的衍射圖樣是點光源照明時的衍射圖樣與擴展光源空間光強分布

7、的卷積，卷積的結(jié)果使衍射級次展寬，并有可能發(fā)生重疊。利用會聚透鏡可以將重疊的衍射級次分開。
　　5)依據(jù)光柵光調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制特性，分析了光柵光調(diào)制器的投影光學(xué)系統(tǒng)成像原理；根據(jù)光柵光調(diào)制器光學(xué)信息處理的特點，對基于4F系統(tǒng)的投影光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了光柵光調(diào)制器的投影顯示光學(xué)系統(tǒng)。分析了光柵光調(diào)制器的彩色顯示方案。討論了光柵光調(diào)制器在LED照明條件下的衍射特性。
　　6)利用基于 MEMS技術(shù)加工得到的光柵光調(diào)制器，分

8、別進(jìn)行了調(diào)制器在激光照明和LED照明條件下的衍射實驗，得到了調(diào)制器的衍射圖樣，驗證了光柵光調(diào)制器衍射理論分析的正確性。用一個靜態(tài)的MEMS光柵光調(diào)制器，組建了基于光柵光調(diào)制器的投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，在屏幕上得到投影圖像，驗證了投影光學(xué)系統(tǒng)的可行性。利用投影顯示的光學(xué)實驗裝置和相應(yīng)的光柵光調(diào)制器驅(qū)動電路在投影像面上得到了調(diào)制器明暗調(diào)制的像，驗證了光柵光調(diào)制器用于投影顯示的可行性。利用三色激光的合成得到了靜態(tài)光柵光調(diào)制器的彩色投影顯示圖像。

9、r>　　7)搭建了光柵光調(diào)制器的動態(tài)響應(yīng)特性測試裝置，并進(jìn)行了測試實驗。測試結(jié)果顯示，當(dāng)驅(qū)動頻率不高于3k Hz時，調(diào)制器具有良好的響應(yīng)特性。該實驗裝置為光柵光調(diào)制器的一系列機電特性測試提供了實驗平臺和基礎(chǔ)。
　　8)分析了光柵光調(diào)制器結(jié)構(gòu)中二氧化硅絕緣層的介質(zhì)層充電對調(diào)制器特性的影響，并通過實驗對理論分析進(jìn)行了驗證。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動電壓的信號周期和介質(zhì)的充放電時間常數(shù)相當(dāng)或大于充放電時間常數(shù)的時候，由于介質(zhì)層充電電荷的影響，