（光学工程专业论文）光栅平动式光调制器机电特性与测试系统研究.pdf

中文摘要 摘要 显示器件正向多元化方向发展，随着m e m s 技术的成熟，基于m e m s 技术面 向高清显示的光调制器成为世界各国研发的热点，并以其优异的性能成为带动下 一代显示产业发展的一个重要分支。但国内对这类器件研究起步较晚，且受到国 外专利限制，因此开发一种具有自主知识产权的基于m e m s 技术，面向高清显示 的光调制器及其核心显示控制电路具有重要的意义。 光栅平动式光调制器( g m l m ) 正是在上述背景下，由重庆大学提出的一种基 于m e m s 面向高清投影显示的光调制器方案。本文建立了g m l m 的机电模型，对 其机电特性进行了理论分析与有限元仿真，并通过结构参数分析对器件结构进行 优化。设计了器件驱动电路，并在此基础上进行了1 6 1 6 阵列的控制测试系统和 显示测试系统的设计与相关实验研究。本文主要研究工作如下： 根据微结构的力学理论，建立了g m l m 的电力学模型。对g m l m 的工作电 压、吸合电压、固有频率等机电特性进行了理论分析，并采用c o v e n t o r w a r e 软件 进行有限元仿真，得到比较吻合的结果。器件性能指标如下：工作电压4 3 v ，吸 合电压5 v ，共振频率0 4 7 m h z ，响应速度为4 0 1 t s 。经对加工样片的初步测试表明， 器件工作电压高于2 0 v ，响应速度约为8 0 p s 。 通过对器件工作电压、吸合电压、共振频率、有效衍射面积、残余应力等 方面进行了结构参数分析，得到了提高有效衍射面积与降低残余应力影响的优化 方案。仿真和v e e c o 干涉轮廓仪测试表明，优化后结构与原结构相比有效衍射面积 可以提高为原来3 倍左右，残余应力造成的器件弯曲降到原来的5 左右。 针对g m l m 的机电特性，设计了器件内外驱动电路。器件内部由c m o s 电 路控制其充放电，配合外部驱动的寻址电路实现g m l m 面阵的扫描驱动。 根据对加工器件相关参数测试的需要，采用s o p c 技术进行了控制测试系统 的设计以及相关实验的研究。该系统采用r s 2 3 2 作为与p c 的通讯接口，以f p g a 为 信息处理硬件平台，定带l j n i o s 核作为处理器，用c 语言编写应用程序。该系统能够 实时在线无接触的对器件进行光学、电学耦合，以及工作频率等多个参数的测试。 同时为满足测试器件显示性能的需要，设计了显示测试系统。该系统以 u s b 2 0 作为与p c 的通讯接口，通过v h d l 硬件描述语言在f p g a 内构建了u s b 控制 模块、数据格式转换模块，灰度调制模块与扫描控制模块。该系统可以实现1 6 1 6 阵列在6 0 f p s 的帧频下逐行扫描显示由p c 上发送的1 6 级灰度数字图像数据。 关键词：微光机电系统，光调制器，机电特性，f p g a ，s o p c 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) t e c h n o l o g ya n dm u l t i d e v e l o p m e n to fd i s p l a yd e v i c e s ，t h er e s e a r c ho fm e m s - b a s e d l i g h tm o d u l a t o r sf o rd i s p l a ya p p l i c a t i o n sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c hf o c u s e s ，a n dw h i c hh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tb r a n c ht op r o m o t en e x t g e n e r a t i o no fd i s p l a yi n d u s t r y b u td o m e s t i cr e s e a r c ho nt h e s ed e v i c e si sn o w r e l a t i v e l yl a g g e da n dr e s t r a i n e db yi n t e r n a t i o n a lp a t e n t s ，s ot h e r ei sag r e a ti m p o r t a n c e a n dp o t e n t i a lv a l u et od e v e l o pan o v e lm e m s - b a s e dl i g h tm o d u l a t o ra n dr e l e v a n tc o r e d i s p l a yc o n t r o l l i n g c i r c u i t sf o rd i s p l a y 印p l i c a t i o nw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s u n d e rt h i sb a c k g r o u n da n du r g e n tn e e d s ，an o v e lm e m s - b a s e dg r a t i n gl i g h t m o d u l a t o rg m l m ( g r a t i n gm o v i n gl i g h tm o d u l a t o r ) p r o j e c tw a sj u s tp r o m p t e db y c h o n g q i n gu n i v e r s i t y i n t h i s p a p e r , e l e c t r o m e c h a n i c a lm o d e lo fg m l mw a s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n d t h ee l e c t r o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e db yf e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ed e v i c ew e r ea n a l y z e d a n ds i m u l a t e dt oo b t a i na l lo p t i m i z a t i o ns t r u c n 】r e i nt e r m so fe l e c t r o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed r i v e rc i r c u i t so ft h ed e v i c ew e r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d t h e nt h e d r i v e rc i r c u i t so fg m l mw e r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c ha n d r e l e v a n te x p e r i m e n tf o rt h ec o n t r o l l i n gt e s ts y s t e ma n dd i s p l a yt e s ts y s t e mo f1 6 1 6 g m l m a r r a yw e r ea c c o m p l i s h e d t h em a i nw o r k o f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g ： t ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z eg m l m ，t h ee f f e c t i v es p r i n g - c a p a c i t a n c em o d e la n d m e c h a n i c a lm o d e lw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gm i c r o - s 打u c t u r em e c h a n i c st h e o r y e l e c t r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha so p e r a t i o nv o l t a g e ，p u l l - i nv o l t a g ea n dr e s o n a n c e f r e q u e n c yo fg m l m w e r ea n a l y z e db yb o t ht h e o r ya n dc o v e n t o r w a r ef e a s i m u l a t i o n ， w h i c hh a v es i m i l a rr e s u l t s i t sp e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n sa r ea sf o l l o w i n g s ：o p e r a t i o n v o l t a g e ：4 3 vp u l l i nv o l t a g e ：5 v , r e s o n a n c ef r e q u e n c y ：o 4 7 m h za n dr e s p o n s et i m e ： 4 0 r t s a n dt h et e s tt ot h es a m p l eg m l ms h o w s ：o p e r a t i o nv o l t a g e ：m o r et h a n2 0 va n d r e s p o n s et i m e ：8 0 p s a c c o r d i n gt os t r u c t u r ep a r a m e t e ra n a l y s i sf o rd e v i c eo p e r a t i o nv o l t a g e ，p u l l - i n v o l t a g e ，r e s o n a n c ef r e q u e n c y , e f f e c t i v ed i f f r a c t i o na r e aa n dr e s i d u a ls t r e s s ，c o r r e l a t i v e o p t i m i z a t i o np r o j e c t sf o ri m p r o v i n ge f f e c t i v e d i f f r a c t i o na r e aa n ds u p p r e s s i n gt h e i i i 重庆大学硕士学位论文 c u r v i n gc a u s e db yr e s i d u a ls t r e s sw e r ea c h i e v e d c o m p a r e dw i t l lt h ef o r m e rs t r u c t u r e t h ee f f e c t i v ed i f f r a c t i o na r e ac a nr i s eu p3t i m e sa r o u n da n dt h ed e f l e x i o nc a u s e db y r e s i d u a ls t r e s sc a nr e d u c e dt oa b o u t5 w h i c hw a sv a l i d a t e dv i as i m u l a t i o nb yf e a a n dt h et e s tb yt h ev e e c ol a s e rp r o f i l e r b o t hi n n e ra n de x t e r i o rd r i v e rc i r c u i t so fg m l mw e r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h es p e c i a le l e e t r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s n l ei n n e rc m o sc i r c u i tw h i c hc a t l c o n t r o lt h ed e v i c ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec o i l a b o r a t e sw i t ht h ee x t e r i o ra d d r e s sc i r c u i tt o o p e r a t eg m l ma r r a ys c a n n i n gd r i v e d u et ot h en e e do ft e s t i n gg m l ms a m p l e ，h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r e e n v i r o n m e n t so f t h et e s tc o n t r o l l i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e da n de x p e r i m e n t e db ys o p c t e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi n c l u d e s ：r s 2 3 2w h i c hi su s e da st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e w i t hp c ，f p g aw h i c hi su s e da st h eh a r d w a r ef o rd i s p o s i n gi n f o r m a t i o n ，n i o sc o r e w h i c hi sc u s t o m i z e da st h ec p u ，a p p l i c a t i o np r o g r a mw h i c hi sb u i l tb ycl a n g u a g e 1 1 1 es y s t e mc a nr e a l i z er e a l t i m e o n - l i n ea n du n t o u c h e dt e s t i n gs o m ep a r a m e t e r ss u c h a s t h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lc o u p l ep h e n o m e n aa m o n g p i x e l s ，t h eo p e r a t i o nf r e q u e n c y , e t c a c c o r d i n gt ot h en e e do ft e s t i n gt h ed i s p l a yp e r f o r m a n c eo fg m l m ，t h e d i s p l a yt e s ts y s t e mw a sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d i nt h i ss y s t e m ，u s bc o n t r o l l i n g u n i t , d a t af o r m a tt r a n s f o r m i n gu n i t ，g r a ym o d u l a t i n gu n i ta n ds e a r lc o n t r o l l i n gu n i t w e r ed e s i g n e da n db u i l ti nf p g ab yv h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ew i t h u s b 2 0a sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h es y s t e mc a na c h i e v e1 6 x1 6a r r a yr e a l t i m e a n do n l i n ed i s p l a yt h e1 6 - g r a d eg r a yd i g i t a li m a g ed a t at h a tt r a n s m i t t e df r o mp ci n t h em o d e lo f6 0 f p sa n dp r o g r e s s i v es c a n n i n g k e y w o r d s ：m i c r oe l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e m ，l i g h tm o d u l a t o r ，e l e c t r o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，f i e l dp m g r a r n m a b l eg a t ea r r a y ，s y s t e mp r o g r a m m a b l eo n c h i p i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韩免 签字日期： 。z 。了年月夸e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：韩磊蠹 导师签名： 签字日期：a 年6 月年日 签字日期7 年月寸日 l ? 1 绪论 l 绪论 本章首先介绍了微机械电子系统( m e m s 。m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技 术以及高清显示技术；指出开展基于m e m s 面向高清显示光调制器研究的迫切需 要和重要意义。接着回顾了基于m e m s 技术光调制器的研究现状，特别对数字微 镜( d m d ，d i g i t a lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ) ，薄膜微镜阵列( t m a ，t h i n f i l mm i c r o - m i r r o r a r r a y ) ，光栅光阀( g l v , g r a t i n gl i g h tv a l v e ) 等应用比较成功的光调制器进行了概述 与比较，接着介绍了光栅平动式光调制器的方案。基于以上论述，国内对这类器 件研究较晚，且受到国外专利限制，因此加快开展基于m e m s 面向高清显示光调 制器的研究，进而开发拥有自主知识产权的基于m e m s 光调制器以及其核心显示 控制电路，对提高我国显示、通信等的技术性能、提高产品的市场竞争能力，打 破国外产品的技术垄断，振兴我国显示、通信等技术具有重要的现实意义。最后 提出了本论文将要开展的研究工作。 1 1 基于m e m s 的高清显示技术 1 1 1m e m s 概念 微机械电子系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，又称为微机电系统，简 称m e m s ，是在微电子技术和硅微细加工技术基础上发展起来的，集微型机械、 微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。涉及 到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电 磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。目前微电子机械系统还 没有公认的定义，一般认为是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密 机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的微型机械系统。新型 m e m s 系统将如微电子技术在上一世纪的作用一样对2 1 世纪的人类社会生产和 生活方式产生革命性的影响【1 。5 1 。 如今，随着m e m s 技术的不断发展，其概念已经扩展到许多其他领域：包括 热、磁、流体、光学元件和系统等，如图1 1 所示。其中基于m e m s 技术的光学 器件，在通信、宇航以及投影显示等方面得到广泛的应用 6 - 9 。特别是随着大屏幕 高清晰投影显示技术的发展，基于m e m s 技术的光调制器无疑将成为下一代显示 技术研究中的最具吸引力的核心显像器件，将带领投影显示技术的发展进入崭新 的一页。 重庆大学硕士学付论文 图1 1m e m s 技术的应用 f i g1 1a p p l i c a t i o no f m e m st e c h n o l o g y 1 1 2 高清显示技术 视觉是人们认识世界的主要手段，人类从外界获取的信息7 5 来自于视觉反 应。随着信息时代的到来，信息量的爆炸式的增长，显示技术作为信息的窗口和 上下“信息高速公路”的阶梯，在人类的日常活动、工作中发挥着越来越重要的 作用。当代的显示技术发展一日千里，现在符合高清晰度电视标准的显示技术逐 渐成为市场的主流。 高清晰度电视( h d t v , h i 曲d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 是在现代电子技术、通讯 技术和信息加工技术高度发展的基础上集多方面成就与一身的高科技产物。它具 有视野宽、临场感强、图像清晰稳定、立体感强等特点。从高清晰电视的发展来 看，包括模拟高清晰数字电视与数字高清晰数字电视。但全数字化是各国电视发 展的趋势，因此，现在一般所说的h d t v 特指数字高清晰度电视。现在世界上主 要流行的高清数字电视标准有：美国的a t s c 数字电视标准、欧洲的d v b 数字 电视标准、日本的i s d b 数字电视标准【1 0 1 2 1 。为了避免在数字电视的发展上受制 于人，中国现在也正在加紧提出自己的数字电视标准。 而大屏幕显示技术是数字电视系统的关键技术之一，显示器件是最终体现高 清晰数字电视效果或魅力的产品 1 3 , 1 4 】。当前，大屏幕高清晰数字电视在世界范围 内正进入商品化时代。目前，适用于h d t v 的显示器或投影仪，主要包括阴极射线 管( c r t , c a t h o d er a yt u b e ) 显示器、液晶显示器( l c d ，u q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 4 6 1 、等 离子显示器( p d p , p l a s m ad i g i t a lp r o j e c t ) 1 5 , 1 6 数字微镜技术( d m d 。d i g i t a lm i c r o m i r r o r ) t 1 7 丑】。其中c r t 式是目前技术最为成熟、使用最为广泛的视频显示设备， 已有8 1 e r a ( 4 0 英寸) 电视机上市，但由于c r t 式显像管随着屏幕尺寸的增加会出现显 像管重量增加、长度增长、屏幕曲面感增加、光栅畸变增加、防暴安全性要求增 2 1 绪论 高等影响，一般而言4 0 英寸达到其尺寸极限，如今c r t 电视的市场统治地位已经逐 渐让位于新型的显示器。4 0 英寸以上的大屏幕h d t v 主要以投影方式工作，当前主 要的投影显示器有c r t 投影式、液晶光阀投影式和基于m e m s 技术的光调制式三大 类。除上述显示技术，还有许多新型的显示技术还在发展，并有可能在下一代显 示技术中占领一席之地，如硅基液晶( l c o s ，l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 【2 3 , 2 4 j 、有 机电致发光二极管( o l e d ，o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ) 【2 堆6 】、场致发射显示技 术( f e d 。f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ) 2 7 , 2 8 】、薄膜微镜阵列( t m a , t h i nm i c r o - m i r r o r a r r a y ) t 2 93 2 1 、光栅光阀( g l v , g r a t i n gl i g h tv a l v e ) 3 3 柏垮。上述新型显示器以优良 的显示性能，逐渐显露头角占领市场。 在上述众多显示技术中d m d 、g l v 、t m a 都是基于m e m s 的显示器件，它 们以高对比度、高亮度、高分辨率、宽色彩表现范围、低能量消耗、体积小、易 集成封装等特点，已经成为下一代高清显示技术中重要的组成部分。如图1 2 为 传统c r t 显示器与基于m e m s 显示器市场份额对比【”5 ”。 图1 2 微显示器与传统c r t 市场份额对比 f i g1 2m i c r o d i s p l a yv sc r t i ns h i p m e n t s 1 2 基于m e m s 的显示器件的国内外现状 1 2 1 数字微镜d m d 1 9 7 7 年德州仪器公司开始致力于微机电光调制器研究；1 9 8 4 年，线性d m d 阵列被应用于打印领域；1 9 9 0 年d m d 开始应用于显示领域；1 9 9 6 年t i 公司第 一款基于d m d 芯片的投影机面世【1 7 】；如今d m d 已广泛应用于高清晰数字电视、 数字影院等领域，获得了巨大的商业成功。它是极为精确的光开关，是在c m o s s r a m 存储器上以通常的芯片加工为基础，使用微细机加工技术成形，有1 0 6 、 1 0 7 个机构元件及晶体管构成。在半导体芯片上以1 7 1 m 的间隔形成几十万个 1 6 1 u n 2 的铝膜镜，其单象素结构如图1 3 所示【4 3 l 。 3 一书lo暑一鲁g d l ； 重庆大学硕士学位论文 图1 3 d m d 器件结构图 f i g1 3d i 目m lm i c r o - m i r r o rd e v i c ea t r u c t m e d m d 是靠静电力控制微镜偏转进行光调制的。其工作的机电原理如图1 4 ( a ) 所示，在对角轴方向薄扭转铰链上悬吊着微镜，由于框架与存储单元之间的静电 力的作用，微镜在两落地位置之间偏转，微镜的偏转方向受到微镜结构下部m o s 晶体管发出的地址电压控制【4 l 4 2 】。微镜的偏转角以对角轴为中心成1 0 0 偏转，从 而取得电机械的稳定状态并在这两种状态间高速开关，因此反射光的方向也随着 微镜的偏转而切换，结合光学系统，使得反射镜在+ 1 0 。角度时对应的像素为亮态， 在一1 0 。时对应暗态，于是在屏幕上该像素所成的像也会发生亮暗变化，d m d 实现 光学调制的原理如图1 4 ( b ) 所示。 + q ( q ) q ( + q ) ( a )( b ) 图1 4 ( a ) 数字微镜机电原理( b ) 数字微镜光学原理 f i g1 4 ( a ) e l e e t r o m e c h a n i e a lo p e r a t i o no f d m d ( b ) o p t i c a lo p e r a t i o no f d m d 4 k n s l i g h t 1 绪论 (a)(b) 图1 5 ( a ) d m d 二进制灰度调制( i o ) d l p 投影显示系统原理 f i 9 1 5 ( a ) d m d b i n a r y p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n ( ”p r i n c i p l e o f d l p p r o j e c t i o ns y s t e m d m d 是一种数字式开关，灰度显示的实现采用“二进制脉宽光调制”技术。 由于d m d 是高速光开关，所以在视频信号每一帧的时i 日j 内可以产生时间不同的 脉冲数字光信号，这样就可以使观看者得到不同的灰度级图像，如图1 5 所示【4 2 1 。 现在的d m d 可以实现1 5 l x s 的机械开关时间。为将d m d 应用到投影显示上，t i 公司成功了研发了d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 系统【4 1 删，作为实现d m d 投 影显示的核心控制电路，整个d l p 电路系统被集成到一块a s i c 芯片内。单片式 d l p 投影系统如图1 5 ( b ) 所示，可以实现l o 位彩色显示或8 位2 5 6 级灰度的单色 显示；三片式d l p 投影机可以实现2 4 位彩色显示或l o 位1 0 2 4 级灰度的单色显 示m 】。 f ：鬈i o l g l t a l 叫 图1 6d l p 的投影显示控制系统原理图 f i g1 6d l pc o n t r o ls y s t e m 5 重庆大学硕士学位论文 d l p 的控制原理图如图1 6 所裂”】，主要有前端电路、数字处理电路、数据 格式转换电路、以及显示控制电路构成。前端电路主要是对视频信号进行解压缩、 解码、与数，模转换；数字处理电路主要是对图像进行处理与优化包括：扫描方式 转换、分辨率转换、色彩空间转换、解伽马校正等。前面两个步骤与其他数字电 视采用的方法相同。格式转换电路主要包括：系统控制模块，数据处理模块，复 位控制模块及s d r a m 缓冲储存器等部分组成，系统控制电路产生针对d m d 和 s d r a m 的地址信号以及控制系统各部分的时序控制信号。数据处理电路主要完 成转换显示数据格式，并完成显示数据输入d m d 芯片的工作。复位控制电路将 产生d m d 控制中独特的双极复位脉冲电压序列，这一电压序列是实现d m d 的 灰度控制的关键所在。s d r a m 则是用于暂时存放图像数据，采用双s d r a m 的 乒乓缓存机制，系统工作时，当一个s d r a m 在输出当前帧的图像数据时，另一 个s d r a m 接收下一帧图像数据，当前一帧图像输出完毕后，二者开始交替接收 与输出，以实现实时动态的图像显示。 自1 9 9 6 年初以来，d l p 产品的出货量己超过1 0 0 万。其应用领域也不断扩 展，在d l p 技术的应用产品主要集中的三个领域，即投影机、d l p 数字化大屏 幕显示系统、d l p 数字背投电视领域，其应用与市场前景被一致看好。到目前为 止，d m d 已应用到高清晰度数字电视、打印机、投影仪以及光通信领域，并取 得了很大的商业利润和潜在的市场前景。图1 7 为d l p 技术应用于h d t v 及数码 电影院的典型例子【2 2 j 。 1 7d l p 技术的商业化应用 f i g1 7b u s i n e s sa p p l i c a t i o no f d l pt e c h n o l o g y 6 1 绪论 1 2 2 薄膜微镜阵列t m a 图1 8 t m a 结构 f i g1 , 8t m a s l l u c 舡n e 图1 9 t m a 机电原理 f i g1 9 t m a e l e c t r o m e c h a n i c a l p r i n c i p l e t m a 是韩国大宇电子公司开发的薄膜微镜阵列，其显示原理类似d m d 器件， 也是通过控制其阵列中微镜的倾斜角来控制其对入射光的反射。t m a 是一种悬臂 结构，一端固定在基板，而悬臂端支有一微镜，悬臂本身由顶电极、底电极及中 间的压电材料构成，如图1 8 所示 2 9 , 3 0 。 当项电极与底电极问未施加电压时，压电驱动器不工作，悬臂梁处于水平状 态，此时反射镜也是水平状态；当两电极问施加电压时，压电驱动器工作，悬臂 梁发生向上的翘曲，从而使反射镜面发生倾斜，实现对入射光的调制，如图1 9 所示【2 9 】。其倾斜角与工作电压( 0 - 1 0 v ) 是线性关系，因此t m a 在投影显示时，利 用反射镜发生的倾斜角度的连续变化，来得到屏幕上对应像素点上的不同亮度等 级，其显示系统如图1 1 0 。因此其图像灰度的实现同样采用类似于l c d 的模拟电 压控制方法，其驱动和调制系统比较简单，其驱动控制系统框图如图1 1 1 所耐4 6 1 。 图1 1 0 t m a 显示系统图 f i g1 1 0 t m a d i s p h ys y s t e m 7 图1 1 1l c d 驱动控制系统框图 f i g1 1 1l c d d r i v e nc o n t r o ls y s t e m 重庆大学硕士学位论文 1 2 3 光栅光阀g l v 图1 1 2g l v 象素的结构示意图 f i g1 1 2s i n g l ea d d r e s s e dg l vp i x e l g l v ( g r a t i n gl i g h tv a l v e ) 是由美国斯坦福大学和s i l i c o nl i g h tm a c h i n e 公司研 发的高性能空间光调制器，如图1 1 2 所示。g l v 是一种典型的微光机械器件，由 一系列间隔可动的栅条构成，利用光栅衍射原理实现光信号调制。每个像素单元， 即最小的可寻址的单元，是一个可动光栅，光栅条是两端固定的s i 3 n 4 梁组成， 在其表面镀有反射层a l 的。每个象素单元均由六个光栅条即三个周期组成，其机 电原理如图1 1 3 ( a ) 所示，当未施加电压时，光栅栅条处于同一平面内，可视为镜 面，反射入射光束；当下电极为其提供一个电压时，可动带状物日j 隔性的向基底 弯折，从而形成很好的衍射光栅【3 33 5 o 当旌加电压时，入射光经由光栅衍射光强 集中于土l 级，如图1 1 3 ( b ) p f i ：示 4 q ，从而通过控制其电压就可以实现对入射光调 制的目的。 磊t 盒f 半攀班 g l v 的显像器件并不是做成面阵，而是做成长条形( 线阵结构) ，g l v 的长度 是可以显示的垂直像素，宽度只有一个像素，通过另一只反射镜的扫描而得到一 1 绪论 幅图像，如图1 1 4 所示【3 43 6 1 。 图1 1 4 二维图像的实现 f i g1 1 4 a c h i e v i n g t w o - d i m e n s i o n i m a g i n g b a s e d g l v w i t h as c a n n i n g m i r r o l 图1 1 5 基于g l v 的超宽大屏幕投影图像 f i g1 1 5 a s u p e r - - w i d e 目x e p r o j e c t o r u t i l i z i n g t h r e e g l v d e v i c e o p t i c a l a r e n u a t o r m o d u l e 由于是通过水平扫描成像，因此g l v 是在水平方向上可变像素的显示方式。 垂直方向的1 0 8 0 个像素是固定的，水平方向取决于相应的控制和处理电路，而和 g l v 器件本身无关，因此图像的宽高比也和g l v 器件本身无关。也就是讲，同 一个g l v 器件，在成品的g l v 投影机上，可以做成4 ：3 的，也可以做成1 6 ：9 的，还可以做成2 3 5 ：l 的；可以做成1 9 2 0 x1 0 8 0 的，也可以做成3 0 0 0 x1 0 8 0 的，也可以做成5 0 0 0 x1 0 8 0 的。由于d m d 元件是“整面显示”，而g l v 是横向 扫描显示，因此做成成品时，单板式d l p 和g l v 投影机的差距应该不会太大， g l v 的速度大约是d l p 的1 5 倍左右。g l v 激光投影机之所以如此受人瞩目， 3 0 0 0 ：1 的超高对比度确实是其他技术( d l p 、l c d 、d - i l a l c o s ) 望尘莫及的， 基于g l v 的高清晰的投影仪图像如图1 1 5 所示。 9 重庆人学硕+ 学位论文 1 2 4 现有技术对比 通过上面几节对现有m e m s 光调制器的分析，几种主要的基于m e m s 光调 制器对比如表1 1 所示。 表1 1 几种光调制器的性能比较 t a b l e1 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i n go f d i f f e r e n tl i g h tm o d u l a t o r s 光调制器d m dt m ag l v 原理反射镜偏转反射镜偏转光栅衍射 分辨率 1 2 8 0 x1 0 2 41 0 2 4 x 7 6 8 线阵1 0 2 4 对比度 1 5 0 0 ：12 0 0 ：l 2 0 0 0 ：l 象素填充率8 8 5 8 9 4 线阵无缝 加l 难易稃度 难 较难容易 能否形成面阵能能不能 d m d 5 2 j 的特点是：利用反射原理，不会因光吸收、散射、偏光等引起的光谱 变化，可以无噪声的实现色彩再生，光利用效率高，像素填充比高，可实现无缝 显示；对光源的单色性( 滤波系统) 要求不高；容易集成面阵、高的对比度；但是 三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低，价格昂贵等缺点，已成为d m d 发展 的最大瓶颈。 t m a 的特点是：利用反射原理，光能量利用率高，对光源单色性( 滤波系统) 的要求不高；容易集成面阵、加工也较容易；但是对比度只有2 0 0 ：1 2 9 , 3 0 1 。 g l v 的特点：是利用光栅衍射原理实现光束调制，响应速度更高，电路简单， 加工工艺简单，良品率高，其非接触运动保证了器件的高可靠性和稳定性，以它 为核心的显示器件比其它显示器具有更加优美的画质。但g l v 器件同样存在以下 的问题：由于原理及结构的限制，两条带状物之问存在一个问隙，该间隙将影响 光栅的衍射效率 4 8 】；为得到合适的偏移以及更大的有效衍射面积，带状物的长度 应为2 0 0 1 a m 左右，这样由于结构的限制，难以集成面阵。该器件只能用于线阵， 在用于显示时，需要借助机械扫描，无法形成如d m d 的无缝面阵结构；增大了 整个投影系统的复杂性；利用衍射的原理，对光源的单色性( 滤波系统) 要求比较 高。 国内对这类器件研究较晚，且受到国外专利限制，但到目前为止，国内对基 于m e m s 技术面向投影显示领域的光调制器件的研究还未见报道。因此开发一种 具有自主知识产权的基于m e m s 面向高清晰投影显示的光调制器，对于提高我国 的科技竞争力具有重要意义和潜在的应用价值。 l o 1 绪论 1 2 5g m l m 显示方案 图1 1 6 单象素g m l m 器件结构 f i g1 1 6s i n g l ep i x e lo f g m l ms 缸u c t u r e 图1 1 7 g m l m 阵列图 f i g1 1 7t h es e mp h o t oo f g m l ma r r a y 根据对国内外m e m s 技术的发展情况，结合自身特点，重庆大学提出了一种 采用m e m s 加工技术基于衍射原理进行显示的器件光栅平动式光调制器 ( g m l m ，g r a t i n gm o v i n gl i g h tm o d u l a t o r ) 4 9 , 5 0 1 。g m l m 器件单像素结构和g m l m 阵列如图1 1 6 与图1 1 7 所示，其基本结构如图1 1 6 ：1 为硅基底与c m o s 驱动 电路，其上淀积刻蚀有绝缘层2 和下反射面3 ；通过底部在绝缘层上的支撑柱4 ， 使蟹型悬臂梁5 与项层可动光栅6 悬浮于下反射面上方，两反射面之间留有合适 的间距g ( 为入射光半波长的偶数倍)