MEMS光栅光调制器阵列及投影显示系统的光学分析和实验

摘要

随着MEMS技术的不断发展，它已经成为促进传统产业提升、高新技术发展和进步的有效手段。面对着 MEMS这一迅速发展的崭新领域，开展面向显示的MEMS光调制器的研究，进而开发拥有自主知识产权的基于MEMS光调制器，对提升我国的显示技术水平和核心竞争力具有重要的现实意义。开展该领域的研究对促进我国MEMS技术，特别是光MEMS技术的发展也有重要的学术意义和研究价值。
　　论文作者所在的课题组在分析了MEMS光调制器的发展现状和结合自身研究条件的基础上，提出了一种具有自主知识产权的面向显示的光栅平动式光调制器阵列。课题组的张洁博士在她的论文里重点分析了单个光栅光调制器的光学特性，对单个光栅光调制器的结构进参数行了设计和优化。课题组的张智海博士在他的论文里从工艺的角度讨论了光栅光调制器在设计、加工中的一些关键问题，对器件的部分机电特性进行了简单的测试。在他们研究的基础上本论文对二维光栅光调制器阵列的衍射和成像特性进行了系统而深入的研究。设计了基于光栅光调制器的投影显示光学系统。在理论分析的基础上，利用MEMS技术加工得到的器件组建了光栅光调制器的投影显示光学系统，进行了一系列的光学和机电特性实验，得到了明暗调制的投影显示图像，验证了光栅光调制器用于投影显示的可行性。分析了光栅光调制器二氧化硅绝缘层的充电电荷对调制器性能的影响，从理论上和实验上首次同时得到了调制器的可动光栅随介质层电荷充放电过程的变化趋势,加深了人们对MEMS器件失效机理的认识，完善了MEMS的失效分析理论。具体研究内容包括：
　　1)利用标量衍射理论对光栅光调制器的理论光学模型进行了优化，讨论了上层光栅与下反射镜的不同结构组合对调制器衍射特性的影响，通过分析指出当上层可动光栅的栅条与下反射镜在光栅周期方向呈对称分布，且栅条的总面积和下反射镜的有效面积相等的时候，调制器的衍射特性最佳。
　　2)系统的分析了二维光栅光调制器阵列的衍射光学特性。分析结果显示，调制器阵列的衍射图样分布和单个调制器的衍射图样分布类似，但是和单个器件的衍射图样分布不同的是，阵列器件的衍射图样包含了更多的反映调制器像素之间空间信息的次级衍射图样，二维光栅光调制器阵列的衍射光强分布是单个光栅光调制器衍射光的相干叠加。
　　3)依据信号与系统理论，提出用数字信号变换的方法研究二维光栅光调制器阵列的衍射和成像特性。利用该方法对二维调制器的光学信息处理和调制器的成像特性进行了分析，为器件的设计和优化提供了理论上的指导。对于光栅光调制器，如果用±1级衍射光投影成像，像面上像素光强的分布为余弦的平方分布，像面出现明暗相间的变化，明暗变化的周期是调制器光栅常数的一半；调制器周围的支撑部分会在像面上留下空隙，降低了调制器的填充率。当用零级衍射光成像的时候，调制器在像面的投影像是一个均匀的光场；调制器周围支撑部分会成像在像面上，降低调制器的对比度。
　　4)利用部分相干光的互强度传播理论，分析了扩展光源照明情况下光栅光调制器的衍射特性，并通过实验对理论分析进行了验证。在扩展光源照明的情况下，调制器的衍射图样是点光源照明时的衍射图样与扩展光源空间光强分布的卷积，卷积的结果使衍射级次展宽，并有可能发生重叠。利用会聚透镜可以将重叠的衍射级次分开。
　　5)依据光栅光调制器的光学调制特性，分析了光栅光调制器的投影光学系统成像原理；根据光栅光调制器光学信息处理的特点，对基于4F系统的投影光学结构进行了优化，设计了光栅光调制器的投影显示光学系统。分析了光栅光调制器的彩色显示方案。讨论了光栅光调制器在LED照明条件下的衍射特性。
　　6)利用基于 MEMS技术加工得到的光栅光调制器，分别进行了调制器在激光照明和LED照明条件下的衍射实验，得到了调制器的衍射图样，验证了光栅光调制器衍射理论分析的正确性。用一个静态的MEMS光栅光调制器，组建了基于光栅光调制器的投影显示光学系统，在屏幕上得到投影图像，验证了投影光学系统的可行性。利用投影显示的光学实验装置和相应的光栅光调制器驱动电路在投影像面上得到了调制器明暗调制的像，验证了光栅光调制器用于投影显示的可行性。利用三色激光的合成得到了静态光栅光调制器的彩色投影显示图像。
　　7)搭建了光栅光调制器的动态响应特性测试装置，并进行了测试实验。测试结果显示，当驱动频率不高于3k Hz时，调制器具有良好的响应特性。该实验装置为光栅光调制器的一系列机电特性测试提供了实验平台和基础。
　　8)分析了光栅光调制器结构中二氧化硅绝缘层的介质层充电对调制器特性的影响，并通过实验对理论分析进行了验证。通过分析发现，当驱动电压的信号周期和介质的充放电时间常数相当或大于充放电时间常数的时候，由于介质层充电电荷的影响，光栅在被外加电压下拉之后，会出现缓慢的回跳。当驱动电压的信号周期远小于介质充放电时间常数的时候，在每个周期内，光栅的位移没有明显的变化；但是随着时间的增加，光栅的位移变化幅度将逐渐变小，并最终导致器件失效。该现象的发现进一步完善了电容式MEMS器件的失效机理和失效模型。根据充电电荷的极性特点，提出通过将驱动电压的极性周期性反向的方法来降低和消除介质层充电电荷的影响，通过实验验证了该方案的可行性。

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1 绪 论

1.1 基于MEMS的显示技术

1.2 基于MEMS的光调制器

1.3 课题的研究意义

1.4 论文的主要内容

1.5 小结

2 光栅光调制器阵列光学特性分析

2.1 光栅光调制器衍射特性分析

2.2 光栅光调制器阵列的衍射特性

2.3 光栅光调制器阵列光学信息处理

2.4 光栅光调制器阵列的像面特性分析

2.5 光栅光调制器对比度与衍射级次选取的关系

2.6 光源尺寸对光栅光调制器阵列衍射特性的影响

2.7 小结

3 光栅光调制器投影光学系统设计

3.1 投影显示光学系统

3.2 基于光栅光调制器的投影光学系统

3.3 基于扩展光源的光学投影系统分析

3.4 光栅光调制器的投影透镜

3.5 光栅光调制器的彩色显示方案

3.6 LED照明的光栅光调制器衍射特性分析

3.7 小结

4 光栅光调制器的特性测试与实验

4.1 光栅光调制器的制作工艺

4.2 光栅光调制器的衍射实验

4.3 静态光栅光调制器的投影成像实验

4.4 光栅光调制器的投影显示实验

4.5 光栅光调制器的彩色显示

4.6 光栅光调制器的频率响应特性

4.7 小结

5 介质层充电对光栅光调制器的影响

5.1 光栅光调制器介质层充电的理论分析

5.2 光栅光调制器介质充电的实验

5.3 消除光栅光调制器介质层充电影响的分析

5.4 介质层充电的进一步讨论

5.5 小结

6 结 论

致谢

参考文献