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面向显示基于MEMS光栅光调制器光学分析和实验

张洁  
【摘要】: 投影显示器件正向多元化方向发展,随着MEMS技术的成熟,使得面向显示基于MEMS的光调制器已成为世界各国研发的热点,其中部分产品已经进入市场,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面向显示基于MEMS技术的光调制器具有重要的科学意义和潜在的应用价值。 本文在综述国内外面向显示基于MEMS光调制器的基础上,首次提出了基于MEMS的反射镜平动式光栅光调制器(RMGLM)和光栅平动式光调制器(GMLM)。对这两种调制器建立了理论模型,并利用标量衍射理论进行了光学分析和仿真;设计了器件的结构参数;结合协作单位的工艺平台,对关键参数进行了优化;讨论了加工误差对器件性能的影响;对光栅平动式光调制器进行了工艺研究和加工制作;提出了一种测量微小间距的非接触的波长扫描式光谱分析方法;同时进行了GMLM衍射实验和光学处理系统实验研究。具体研究内容如下: ①通过分析基于MEMS光调制器及其相关研究的现状,指出了目前基于MEMS光调制器存在的问题,提出了本论文的研究工作要点。 ②分析了基于MEMS光栅光调制器显示系统,表明光栅光调制器的性能决定着显示系统的关键性能,是显示系统的核心器件。 ③首次提出了反射镜平动式光栅光调制器的基本结构;利用标量衍射理论,分析了反射镜平动式光栅光调制器的光学原理。 ④首次提出了光栅平动式光调制器的基本结构,GMLM主要依靠可动光栅和下反射镜之间的间距变化来实现光调制作用;建立光学模型,利用标量衍射理论进行了器件单象素和面阵结构的光学原理分析,理论分析与CoventorWare仿真结果一致;重点讨论了光栅平动式光调制器的几何参数、可动光栅和下反射面间距、加工误差等对对比度的影响。采用不等厚光栅边距、正方形电极、阶梯型电极、减薄悬臂梁,分别将可动光栅的有效光学面积由约50%提高至60%,70%,75%,85%。 ⑤在4f系统中分析了GMLM单象素、GMLM面阵在物面、频谱面和像面的分布情况。分析表明:要得到高的对比度和图像占空比,结构上需满足可动光栅占空比为0.5和减小边框和悬臂梁的尺寸。 ⑥确定GMLM的加工几何参数,单象素的面积为52×52μm~2。制作了4×4,2×16,16×16GMLM阵列测试样品。提出了采用非接触的波长扫描式光谱分析方法测量GMLM器件可动光栅上表面和下反射镜之间的微小距离,测试结果与采用


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