[发明专利]具有改善的光学效率和衬度的机电适形光栅器件

说明书

技术领域：

本发明涉及通过衍射对入射光束进行空间和时间调制的机电器件的设计。更具体地说，本发明描述一种机电适形光栅器件，它具有改善的光学效率和衬度的支承结构。

背景技术：

设计各异的机电空间光调制器已用于显示、光学处理、印刷、光学数据存储和光谱学等诸多领域。这些调制器利用系列可单独寻址的器件使入射光束的相位和/或幅度产生空间变化。

一类机电空间光调制器具有带有周期序列的反射元件的器件，它们形成机电相位光栅。在这些器件中，入射光束被有选择性地反射或衍射成一些离散的序列。光学系统可以根据不同的用途收集和使用一种或几种这类衍射序列。机电相位光栅可以在金属化弹性体凝胶中形成，这可参见1986年12月2日颁发给Glenn的美国专利4,626,920和1989年8月15日颁发给Goldburt等人的美国专利4,857,978。位于弹性体下面的电极被做成一定图形，这样施加电压后会使弹性体变形，形成一个近似正弦形的相位光栅。这类器件已被成功地用于彩色投影显示装置中。

在1994年5月10日颁发给Bloom等人的美国专利5,311,360中，描述了一种用悬挂式微机械带状元件制成的机电相位光栅，它的响应时间要快得多。这种器件也称为栅形光阀(GLV)，它可以利用类似CMOS工艺在硅上制造。Bloom等人后来提出了对这种器件的一些改进措施，包括：(1)将带状元件下面的凸起区域制成一定图形，以减小接触面积，使带条与衬底之间的静摩擦降低。2)采用替换的器件设计，在该设计中带条之间的距离减小了，且交替的带条能产生较好的衬度；有关情形可参见1995年10月17日发布的美国专利5,459,610。Bloom等人还提出了一种用于制造这种器件的方法；请参看1997年10月14日发布的美国专利5,677,783。对于线性的这类GLV阵列，衍射方向与阵列方向不垂直，这增加了分离衍射序列所需光学系统的复杂性。另外，由于阵列的有效区域较窄，因而要求在整个阵列长度上的线性照明对准良好，一般在几厘米的长度上应在10-30μm以内。同时还要求在整个线性阵列上线性照明的直线性很好。

发明内容：

因此，要求光栅器件线性阵列具有较大的有效区域，其中衍射方向垂直于阵列的方向。另外，器件还能在具有高衬度和高速度的同时将光线有效地衍射成离散序列。除此而外，器件的制造还要与CMOS型工艺兼容。

上述要求在本发明中是通过采用一种周期为Λ的机电适形光栅器件来实现的，此器件包括：一个细长带状元件，它包括一个光反射面；一对端支座，其用来将细长带状元件的两端支承在衬底上方；一个中间支座；以及将一个力加到细长带状元件上以使该元件在第一和第二工作状态之间变形的装置，其中在第二工作状态下细长带状元件机械上与中间支座的形状相符合，形成一个具有交替凸起和下陷的部分的适形光栅，且其中升高和降低的部分的长度基本上相同。

附图说明：

图1是一个局部剖开的带有机电适形光栅器件的空间光调制器的透视图，图中示出两个以线性阵列的器件；

图2是带有机电适形光栅器件的空间光调制器的俯视图，图中示出排列成一个线性阵列的四个可独立工作的器件；

图3a和3b是沿图2和3-3线所取的横剖面视图，分别表示机电适形光栅器件在非激励状态和激励状态下的工作状况；

图4a和4b为沿图2的4-4线所取的横剖面视图，分别表示器件处在非激励状态和激励状态的状况；

图5是作为所加电压函数的带状元件位置的曲线；

图6为带状元件在激励状态下的轮廓图；

图7为不同衍射序列组合下作为支座宽度的函数的适形光栅器件的衍射效率的曲线；

图8为衍射效率增加的器件在激励状态下时带状元件的轮廓图；

图9是空间光调制器的另一种实施方案的俯视图；

图10是沿图9的10-10线所取的适形光栅器件的横剖面视图，此器件制成中间支座是凸出的，因而衬度较低；

图11a至11c是几种不同形状的中间支座的俯视图；

图12是带有被分成两个分支座的中间支座的适形光栅器件的侧视图。

具体实施方式：