[发明专利]光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光调制器及其控制方法。本发明具体地涉及到、但不只是涉及到在成像系统中使用的微光机电系统(MOEMS)空间光调制器。

背景技术

空间光调制器是对于多种成像应用有价值的，包括科学仪器和商业产品。

经由追溯本发明的背景，MOEMS光调制器是已知的，其利用光干涉效应来控制光束的强度和/或相位。例如，刘易斯(Lewis)等人在SP1E-5614(1994年)第24-30页发表的文章说明了基于带可调式间隙的MOEMS器件的光调制器结构，所述可调式间隙充当光学谐振腔(硅-空气-硅式法布里-珀罗标准器)。然而在刘易斯等人的文章中说明的器件不同于大多数MOEMS光调制器结构，因为它可以在透射中以及反射中起作用。

古森(Goossen)等人在IEEE Phot.Tech.Lett.6(1994)上第1119-1121页发表的文章说明了光调制器，其基于结合了可动隔膜下方的可调式腔的法布里-珀罗谐振腔，在反射模式下工作。在古森等人的文章中所指的器件里，隔膜被气隙上方的臂支撑且可借助于静电力运动，所述静电力由施加在绕隔膜圆周布置的电极与下面的基板之间的偏置电压引起。当隔膜被引入到紧靠下面基板附近时，则存在防反射条件且因而减少了反射信号。在透射中，打开和关闭状态之间的对比很低，且该设计将不适合作为空间光调制器用于在红外光谱区中使用虽然在古森的文章中说明的调制器可以有用地在光导纤维应用中采用，这样一种结构难以按比例扩大到具有精细节距几何形状(10μm到50μm)的二维阵列，因为其填充系数将低得令人难以接受。另外，调制器内使用的材料中的应力使得不能在没有显著扭曲该可动隔膜的情况下实现更紧凑的支撑结构。此外，古森等人的文章中所指的器件易受扭曲，这是由于其中所使用材料(氮化物结构上方的金属)的差别的热膨胀系数。这种扭曲将使得器件的光学性能有所折衷，因为谐振腔将是定义不明确的。

电极被限制在隔膜的周缘处以使得填充系数最大化，意思是该区域的仅很小一部分被用来静电式驱动该器件。因而需要高电压以调制该器件。类似地，金属在隔膜上方，增加了电极间的间隙并减少了合力，除非施加更高驱动电压。器件上所需的的上电极的有限尺寸及相关的驱动电压，使得此器件不适合于按比例变为具有高像素计数的大面积(二维)阵列所需的小像素尺寸(15到50μm)。

美国专利5,636,052说明了反射性显示器，包括具有MOEMS光调制器阵列的二维空间光调制器。阵列内的每个调制器包括悬挂在基板上方的可动隔膜。每个光调制器在可动隔膜与下面基板之间运用光干涉效应，这导致调制器基本上反射或者吸收光信号。该显示器总是以反射式工作。阵列内的光调制器是借助于使用行-列寻址策略的相关驱动电子线路而可以分立地寻址的。采用主动行-列寻址策略矩阵，且每个调制器具有至少一个与其相关联的地址晶体管。驱动电子线路可以制作在同一基板上作为与每个分立调制器邻接的空间光调制器。正如本领域技术人员读者将领会到的，此装置便利了数据信号与空间光调制器的交互对接，但可能减少阵列的填充系数。另外，用来制作调制器隔膜的高温微机电(MEMS)加工步骤可以使驱动电子线路内的晶体管特性劣化。而且，便利了基板内的驱动电子线路干预基板的光学性能，由此仅将空间光调制器限制为反射性工作。

绝大部分MEMS阵列寻址策略是基于埋入式(像素内)寻址电子线路的。尽管静电器件的滞后特性是总所周知的，基于此现象的用于MEMS器件的寻址策略不是公知的。然而，在EP 1 341 025中可以发现一个例外，这种寻址策略迄今未被应用于本发明的MOEMS空间光调制器。EP 1 341 025说明了反射性MEMS光学显示系统，其使用激励电极来操作多个MEMS反射体并分离存储电极以将MEMS反射体闭锁到优选位置内。与本发明形成对比的是，EP 1 341 025中说明的器件仅以反射式工作，因为其中的电极不是光学透射性的。因此，EP 1 341 025中的驱动电极没有形成器件的光学结构的部分。最后，EP 1 341 025中讨论的寻址策略不能将显示系统内的分立反射体复位。

发明内容

本发明的目的是提供替代的MOEMS空间光调制器，其减轻了上述器件的至少某些缺点。本发明的又一目的是提供控制不需要像素内电子装置的MOEMS空间光调制器的无源方法。本发明的另一目的是实现用作微型快门(micro-shutter)阵列的MOEMS调制器。