MEMS光柵光調制器陣列及投影顯示系統(tǒng)的光學分析和實驗.pdf

1、隨著MEMS技術的不斷發(fā)展，它已經成為促進傳統(tǒng)產業(yè)提升、高新技術發(fā)展和進步的有效手段。面對著 MEMS這一迅速發(fā)展的嶄新領域，開展面向顯示的MEMS光調制器的研究，進而開發(fā)擁有自主知識產權的基于MEMS光調制器，對提升我國的顯示技術水平和核心競爭力具有重要的現(xiàn)實意義。開展該領域的研究對促進我國MEMS技術，特別是光MEMS技術的發(fā)展也有重要的學術意義和研究價值。
　　論文作者所在的課題組在分析了MEMS光調制器的發(fā)展現(xiàn)狀和結合自身

2、研究條件的基礎上，提出了一種具有自主知識產權的面向顯示的光柵平動式光調制器陣列。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制器的光學特性，對單個光柵光調制器的結構進參數(shù)行了設計和優(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制器在設計、加工中的一些關鍵問題，對器件的部分機電特性進行了簡單的測試。在他們研究的基礎上本論文對二維光柵光調制器陣列的衍射和成像特性進行了系統(tǒng)而深入的研究。設計了基于光柵光調制器的投影顯示光

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

4、　1)利用標量衍射理論對光柵光調制器的理論光學模型進行了優(yōu)化，討論了上層光柵與下反射鏡的不同結構組合對調制器衍射特性的影響，通過分析指出當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，調制器的衍射特性最佳。
　　2)系統(tǒng)的分析了二維光柵光調制器陣列的衍射光學特性。分析結果顯示，調制器陣列的衍射圖樣分布和單個調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制器像素之間空間信息的次級衍射圖樣，二維光柵光調制器陣列的衍射光強分布是單個光柵光調制器衍射光的相干疊加。
　　3)依據信號與系統(tǒng)理論，提出用數(shù)字信號變換的方法研究二維光柵光調制器陣列的衍射和成像特性。利用該方法對二維調制器的光學信息處理和調制器的成像特性進行了分析，為器件的設計和優(yōu)化提供了理論上的指導。對于光柵光調制器，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制器光柵常數(shù)的一半；調制器周圍的支撐部分會在像面上留下空隙，降低了調制器的填充率。當用零級衍射光成像的時候，調制器在像面的投影像是一個均勻的光場；調制器周圍支撐部分會成像在像面上，降低調制器的對比度。
　　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制器的衍射特性，并通過實驗對理論分析進行了驗證。在擴展光源照明的情況下，調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)依據光柵光調制器的光學調制特性，分析了光柵光調制器的投影光學系統(tǒng)成像原理；根據光柵光調制器光學信息處理的特點，對基于4F系統(tǒng)的投影光學結構進行了優(yōu)化，設計了光柵光調制器的投影顯示光學系統(tǒng)。分析了光柵光調制器的彩色顯示方案。討論了光柵光調制器在LED照明條件下的衍射特性。
　　6)利用基于 MEMS技術加工得到的光柵光調制器，分

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

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