基于MEMS的閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)

技術(shù)背景

在PMP個人媒體播放器等便攜式應(yīng)用中，TFT液晶顯示器已成為主流配置。雖然TFT液晶顯示器具有圖像清晰、對比度高等優(yōu)點(diǎn)，但其耗電占了PMP系統(tǒng)耗電的70%以上。隨著分辨率不斷提高，屏幕加大，顯示器的功耗也同步增長。由于液晶顯示器的光源利用率不足10%，降低亮度并不能有效地節(jié)省電力，迫不得已的辦法是盡可能減少顯示屏的工作時間，或者是采用盡可能小的顯示屏，結(jié)果使觀賞舒適性降低，導(dǎo)致PMP的實(shí)用價值大打折扣。

理想的適合于便攜用途的顯示技術(shù)應(yīng)在電池供電環(huán)境下有盡可能長的工作時間、盡可能小的體積、盡可能高的畫面質(zhì)量，既可產(chǎn)生滿足個人獨(dú)立觀看的優(yōu)質(zhì)小畫面，又能產(chǎn)生供多人觀賞的投影畫面等特性。
現(xiàn)有的各類顯示器，根據(jù)成像的基本方式，可以分為像素單元主動發(fā)光形成畫面和像素單元被動發(fā)光形成畫面兩大類。

在像素單元主動發(fā)光形成畫面的顯示技術(shù)中，先后出現(xiàn)了陰極射線管CRT顯示技術(shù)、等離子平板PDP顯示技術(shù)、表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射SED顯示技術(shù)、碳納米管場發(fā)射CNT顯示技術(shù)、有機(jī)電致發(fā)光二極管OLED顯示技術(shù)。在這些顯示技術(shù)中，有機(jī)電致發(fā)光顯示器是唯一可小型化的技術(shù)，但是，OLED為電流驅(qū)動型顯示技術(shù)，電流強(qiáng)度與顯示亮度成正相關(guān)關(guān)系，對于便攜式應(yīng)用，功耗仍然較高。

在像素單元被動發(fā)光形成畫面的顯示技術(shù)中，先后開發(fā)出了控制光線透射程度來實(shí)現(xiàn)顯示的液晶LCD顯示技術(shù)，控制光線反射程度實(shí)現(xiàn)顯示的硅基液晶LCOS顯示技術(shù)，控制光線反射角度實(shí)現(xiàn)顯示的數(shù)字微鏡DMD顯示技術(shù)和單微鏡-掃描鏡顯示技術(shù)，利用干涉原理實(shí)現(xiàn)顯示的干涉調(diào)節(jié)iMoD顯示技術(shù)，利用衍射原理實(shí)現(xiàn)顯示的光柵光閥GLV顯示技術(shù)。這些技術(shù)當(dāng)中，iMoD干涉調(diào)節(jié)顯示技術(shù)是最適合于便攜應(yīng)用的技術(shù)之一，與LCD顯示器借助于偏振光來形成顯示不同， iMoD顯示技術(shù)利用干涉原理產(chǎn)生彩色，光線通過不同厚度的氣隙時產(chǎn)生不同的光程差，形成不同的顏色。圖1所示為iMoD顯示器樣機(jī)。雖然具有極其優(yōu)越的節(jié)電性能，但無論是對比度還是亮度，都與TFT顯示器差距甚遠(yuǎn)。這是由于iMoD顯示技術(shù)所特有的彩色形成方式?jīng)Q定的。這樣的亮度和對比度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以用來產(chǎn)生較大畫面的投影影像。因此，不能同時滿足既可產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)小畫面，又可產(chǎn)生大幅投影畫面的便攜應(yīng)用理想要求。

硅基液晶LCOS技術(shù)雖然同時具有微型顯示和投影顯示應(yīng)用的能力，但仍然需要借助于液晶的偏振光效應(yīng)來控制光線的透過率。采用偏振光方式工作，將損失50%光源能量，光利用率依然不高。更重要的原因還在于LCOS的制造工藝復(fù)雜，良品率一直難以提高，短期內(nèi)難以成為理想的便攜顯示技術(shù)的優(yōu)選者。

數(shù)字微鏡DMD是最為成功的基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的顯示技術(shù)，采用高壓汞燈作為照明光源時，可產(chǎn)生極大尺寸的優(yōu)質(zhì)投影畫面，用R、G、B三基色LED更換大功率照明燈，可以構(gòu)成小體積的便攜投影儀。圖2所示為TI公司開發(fā)的袖珍投影儀，使用LED光源，不用色輪，通過高速切換紅、綠、藍(lán)圖像，進(jìn)行彩色顯示，采用前投方式，可在投影機(jī)前方約1m處投射約40～50英寸、分辨率為800 600的DVD影像。這種利用時序方式來實(shí)現(xiàn)彩色顯示的模式，不僅要求LED要有足夠快的響應(yīng)速度，而且要求驅(qū)動電路也必須具有極高的速度指標(biāo)，這不僅增加了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)功耗。對便攜應(yīng)用而言，照明光源消耗的電力依然較高。因此，DMD顯示技術(shù)仍以固定地點(diǎn)的投影應(yīng)用為主，不是理想的便攜應(yīng)用顯示技術(shù)。

與DMD不同的另一種掌上便攜投影儀是圖3所示的日本信號試制成功的單微鏡-掃描鏡投影技術(shù)。該技術(shù)不同于DMD的一個像素對應(yīng)一個微鏡，而是一個微鏡對應(yīng)多個像素，再利用掃描部件形成畫面。采用該方式，雖然可以減小微鏡所占用的半導(dǎo)體芯片面積，降低成本，但掃描部件不僅具有較高的精度要求，而且還存在著機(jī)械磨損等問題。更重要的一點(diǎn)還在于，需要解決響應(yīng)速度高達(dá)數(shù)MHz至數(shù)十MHz的綠色半導(dǎo)體激光器還不能量產(chǎn)的障礙后，才能真正形成商品。

GLV是基于衍射原理唯一成功實(shí)現(xiàn)彩色顯示的技術(shù)，具有較高的光源利用率，采用激光作為光源時，可產(chǎn)生極大畫面的影像。然而， GLV技術(shù)同樣由于半導(dǎo)體激光光源等原因，一直未成為被消費(fèi)者廣泛接受的商品。
在現(xiàn)有顯示技術(shù)均不能滿足理想便攜顯示應(yīng)用要求的情況下，開發(fā)一種既節(jié)電，又能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)小畫面和投影大畫面的顯示技術(shù)是很有必要的。閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)（Blazed Grating Digital Micromirro Display Technology）開創(chuàng)了一種高效顯示的新途徑。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的工作原理

閃耀光柵已發(fā)明很久，應(yīng)用主要集中在光譜分析、通訊領(lǐng)域，將閃耀光柵應(yīng)用于畫面顯示的理論基礎(chǔ)是閃耀光柵高效的分色原理。 當(dāng)狹窄、凸凹相間、具有波長尺度范圍、有反射能力的槽型結(jié)構(gòu)并排排列時，就構(gòu)成了反射型衍射光柵。衍射光柵對入射光的振幅或相位產(chǎn)生周期性的空間調(diào)制，產(chǎn)生光的分色作用，對于單色光，則改變光的傳播方向。

GLV顯示技術(shù)基于衍射光柵的原理工作。在硅基底的頂部分布著細(xì)小的條形狀金屬條，這些金屬條與硅基底之間具有很小的縫隙，在金屬條與硅基底之間施加電壓時，電場力的作用下，金屬條就會下移。固定的金屬條和移動的金屬條之間就具有了高度差，形成反射型衍射光柵。用固定波長的單色光照射衍射光柵時，就會產(chǎn)生衍射光，在衍射光射出的路徑上設(shè)置投影鏡頭，即可得到單色亮點(diǎn)；控制金屬條下移，即可控制單色亮點(diǎn)；控制一條光柵可得到一維條形圖案，加上掃描器，即可得到二維畫面。

從GLV工作原理的描述可以得知，GLV是通過改變光柵的節(jié)距周期來調(diào)制光線的。金屬動條未下移時，與固定條在一個平面上，節(jié)距周期消失，不產(chǎn)生衍射；金屬動條下移，構(gòu)成節(jié)距周期等于金屬條寬度與金屬條之間縫隙之和的固定節(jié)距光柵。由于這種光柵結(jié)構(gòu)的特殊性，確定了GLV只能利用較高級次（典型值為1級次）的衍射光作為成像光。而處于較低級次的零級次衍射光占據(jù)了衍射光的絕大部分能量，因此利用1級次衍射光來產(chǎn)生畫面的GLV所具有的最高理論衍射效率為40.5%。

閃耀光柵不僅具有很高的分色能力，而且還具有將零級次衍射光的絕大部分能量轉(zhuǎn)移到所需級次上的能力，衍射效率可達(dá)到100%。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拈W耀角，就能使復(fù)合白色光產(chǎn)生的RGB三基色光處于最高衍射效率范圍內(nèi)。用閃耀光柵作為顯示畫面的光調(diào)制器，就能最大限度地提高光源的利用率。

根據(jù)閃耀光柵的分色原理，用復(fù)合白色光源以固定的入射角照射可轉(zhuǎn)動的閃耀光柵微鏡，可在一個固定的方向上得到由白色光源直接產(chǎn)生的RGB三基色，控制閃耀光柵微鏡轉(zhuǎn)動到產(chǎn)生紅R、綠G、藍(lán)B、三基色以及暗態(tài)的4個固定位置，三個閃耀光柵微鏡就可以構(gòu)成一個真彩色的像素單元，用脈寬調(diào)制方式確定閃耀光柵微鏡在每個位置上的停留時間，可使各個子像素所對應(yīng)的三基色具有不同的亮度，三個子像素不同亮度、不同基色的組合，就可以產(chǎn)生一個像素所需的各種彩色，多個像素組成陣列，即可構(gòu)成顯示畫面。圖4所示為用普通20瓦鹵素照明燈在距光柵15厘米處照射用于測試的3 4反射型衍射光柵測試陣列，得到的彩色實(shí)像圖案。從任何角度觀察，都不影響觀察效果。圖5所示為漫射光環(huán)境下，3 4反射型衍射光柵形成的彩色圖。圖6為太陽光照射3 4反射型衍射光柵生成的彩色投影圖像。若將用于測試的衍射光柵更換為閃耀光柵，彩色畫面的亮度、對比度以及色飽和度還會更好。

與GLV通過控制光柵節(jié)距的有無以產(chǎn)生畫面不同，閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)是通過改變復(fù)合白色光線的入射角來形成畫面的。在閃耀光柵數(shù)字微鏡部件的驅(qū)動電極上施加電壓，在電場力的作用下，閃耀光柵偏轉(zhuǎn)到四個預(yù)定位置并準(zhǔn)確定位。由于閃耀光柵微鏡僅需在四個固定的位置上轉(zhuǎn)動，所以可工作于數(shù)字方式，避免了模擬工作方式需精確控制驅(qū)動電壓、嚴(yán)格要求加工過程一致性和材料特性一致性的高要求，降低了制造難度。

設(shè)計(jì)和仿真

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)的核心部件基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)和制造。設(shè)計(jì)基于MEMS的部件時，需要進(jìn)行機(jī)電部件運(yùn)動設(shè)計(jì)、基于有限元結(jié)構(gòu)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微尺度下的動力設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)尺度下機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大區(qū)別在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要充分考慮到將要采用的MEMS制造工藝為半導(dǎo)體工藝。

利用MEMS來構(gòu)建顯示系統(tǒng)，一個極其重要的指標(biāo)是像素單元能夠控制在多大的尺寸范圍，同時還要求像素單元要有較高的充填率。對像素單元尺寸大小以及填充率影響最大的因素是所選擇的微結(jié)構(gòu)致動方式。

閃耀光柵數(shù)字微鏡采用靜電力作為驅(qū)動力。為確保閃耀光柵數(shù)字微鏡動作的準(zhǔn)確性、可靠性和閃耀光柵結(jié)構(gòu)的剛度，閃耀光柵微鏡部件采用 Coventor 公司的CoventorWare軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、靜電力驅(qū)動仿真。通過仿真，可以對部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后，可利用CoventorWare軟件的工藝仿真模塊進(jìn)行MEMS制造的工藝仿真。從而大幅度地提高開發(fā)速度，降低開發(fā)風(fēng)險。圖7為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的閃耀光柵數(shù)字微鏡部件。

隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，納米級的壓印技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，閃耀光柵的制造也變得不再困難。滾壓、模壓、灰梯度照相制版蝕刻、涂鍍、磁性平板印刷等工藝技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)低成本制造。而閃耀光柵數(shù)字微鏡的結(jié)構(gòu)本身，則是基于MEMS的表面制造工藝設(shè)計(jì)，采取多次掩膜、沉積、蝕刻的工藝完成制造。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動可采用與傳統(tǒng)LCD驅(qū)動相類似的方式。與LCD不同的是驅(qū)動數(shù)字微鏡并不需要交變電壓，用直流驅(qū)動電壓即可。采用基于COMS技術(shù)的有源驅(qū)動可以避免直接驅(qū)動產(chǎn)生的驅(qū)動不足的現(xiàn)象，保證驅(qū)動的可靠性。將常規(guī)LCD的驅(qū)動部件做適當(dāng)修改，基于LCD的各種驅(qū)動技術(shù)就可以用于閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動。典型的驅(qū)動模塊可由圖8所包含的驅(qū)動單元構(gòu)成。

在傳統(tǒng)的三基色濾片彩色模式中，由于濾色片的顏色不能變換，因此，當(dāng)需要顯示某一基色時，其余兩基色均處于暗態(tài)，這就降低了顯示系統(tǒng)的亮度和分辨率。在閃耀光柵數(shù)字微鏡中，由于每一個子像素均能產(chǎn)生三基色和黑色，三個子像素可以同時顯示一個基色，因此可以有效地提高顯示器的亮度和對比度。不僅如此，如果設(shè)計(jì)新的配色算法還可以提高分辨率。對于不增加器件就能有效提高亮度和分辨率而言，設(shè)計(jì)新的配色算法是有意義的。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動與DMD的驅(qū)動相比，由于不需要極高速度的驅(qū)動器件，可供選擇的器件會增加很多，成本也會大幅度降低，這對于加速該技術(shù)的開發(fā)速度無疑會帶來極大的好處。

應(yīng)用前景

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)可以利用太陽光和漫射光作為照明光源，從而有效地延長便攜應(yīng)用的電池供電時間。不僅可以形成便于個人觀看的、近眼顯示的高質(zhì)量畫面，還可以產(chǎn)生供多人觀賞的大幅投影畫面。與DMD、GLV技術(shù)相比，不僅可以用復(fù)合白色光線直接生成彩色畫面，省去了色輪、掃描鏡等部件，而且大大降低驅(qū)動元件的速度要求指標(biāo)，從而有效地降低制造成本。和傳統(tǒng)的LCD顯示技術(shù)相比，不僅免去造成光源極大損失的偏振片、濾色片，而且還免去了灌注、堵孔、貼膜等裝配封裝工藝，在提高亮度、對比度、分辨率的同時降低了制造成本。

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)是一項(xiàng)既適合于便攜用途，又適合于投影顯示的新技術(shù)，在未來的生活中，將有著極其廣泛的應(yīng)用前景。