CN100535706C - 空间光调制器、操作空间光调制器的方法及投影系统 - Google Patents

空间光调制器、操作空间光调制器的方法及投影系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种空间光调制器及其操作方法，以及投影系统，该调制器包括像素阵列，包括在可透光衬底上的多个微镜，每个微镜包括设置在该可透光衬底上的微镜板；第一制动机构，用于将所述微镜制动在处于接通位置的第一预定角度处；第二制动机构，用于将所述微镜制动在处于关闭位置的第二预定角度处；至少一个电极，用于在所述接通位置和所述关闭位置之间移动所述微镜；以及所述至少一个电极中的一个电极设置在该可透光衬底上。

Description

空间光调制器、操作空间光调制器的方法及投影系统
技术领域
本发明一般涉及微机电系统，以及特别涉及空间光调制器。
背景技术
本发明涉及反射微镜和微镜阵列器件，用于例如投影型显示器，用于控制光束、无掩膜光刻、无掩膜微阵列制造等等。共有的特征是一个微镜，该微镜是可移动的，以便偏转入射光。在一种传统直接观看类型或者投影类型显示系统中，设置反射微镜阵列，用于产生图像。通常，微镜具有对于“接通(ON)”状态的倾斜角和对于“关闭(OFF)”状态的非偏转状态，或者对于“ON”和“OFF”状态具有相同的倾斜角，但是符号相反。
作为用于显示图像的示例性应用，微镜与图像的像素关联。在像素是“亮”时，微镜被设置为“ON”状态。由微镜将入射光反射为反射光锥，而到达投影透镜或者显示靶。在像素变为“暗”的另一时刻，微镜被设置为“OFF”状态。将入射光反射为偏离投影透镜和显示靶的另一反射光锥。但是，当通过处于ON状态的微镜的反射光锥和通过处于OFF状态的微镜的反射光锥靠的太近，例如两个光锥之间的角度太小时，两个光锥可能重叠。减少了像素的对比率，这样也减少了显示图像的质量(对比率是可以产生的最亮的“白”和可以产生的最暗的“黑”之间的亮度比)。并且它对觉察图像的质量有很大的影响。如果显示图像具有高的对比率，则观看者将判定它比具有较低对比率的显示图像明显，即使较低对比率的图像具有基本上更高的可度量分辨率。随着入射光束的角度范围的增加，对比率的降低也变得较大。
因此，需要一种具有高分辨率、高填充系数和高对比率的空间光调制器。进一步需要一种空间光调制器，其不需要偏振光，因此光学是有效的并且力学上也是鲁棒的。
发明内容
由所附独立权利要求的特征来实现该目标。本发明优选实施例的特征在于从属权利要求。系统中的微镜包括定义微镜OFF状态和ON状态的机构和用于激励微镜的电极。
在本发明的一个实施例中，公开了一种空间光调制器。该空间光调制器包括：像素阵列，每个像素包括在衬底上的微镜，每个微镜包括由铰链保持的反射板并且可通过多于一个电极来移动，每个微镜可通过第一电极和第二电极来移动，第一电极用于将微镜从非激励位置移动到处于一个角度的ON位置，第二电极用于将微镜移动到OFF位置，OFF位置与ON角度相比以及相对于0角度的非偏转静止位置处于负角度，第二电极设置在与第二电极相对的反射板的一侧上。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种空间光调制器。该空间光调制器包括：在衬底上的微镜阵列，每个微镜包括反射板，该反射板可通过多于一个电极来移动；第一电极，用于将微镜从非激励位置移动到等于或者大于10度的角度的ON位置；以及第二电极，用于将微镜移动到OFF位置，OFF位置处于-1到-8度的角度，其中微镜制动器设置在与衬底相对的反射板的一侧上，反射板在距衬底一预定距离处靠近制动器并且处于从-1到-8度的角度。设置另一个制动器，用于在ON位置制动反射镜板移动。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种空间光调制器。该空间光调制器包括：在衬底上的微镜阵列，每个微镜包括反射板，该反射板可通过多于一个电极来移动；第一电极，用于将微镜从非激励位置移动到等于或者大于10度的角度的ON位置；以及第二电极，用于将微镜移动到OFF位置，OFF位置处于-1到-8度的角度，第二电极设置在与第二电极相对的反射板的一侧上，其中微镜制动器设置在与衬底相对的反射板的一侧上，反射板在距衬底一预定距离处毗邻制动器并且处于从-1到-8度的角度。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种空间光调制器。该空间光调制器包括：像素阵列，每个像素包括经由铰链保持的并且在静电力作用下能够移动的微镜；第一电极，用于将微镜移动到ON位置，第一制动器，用于将微镜制动在预定ON角度；以及第二制动器，用于将微镜制动在预定OFF角度，该预定OFF角度处于距微镜的非偏转状态相反的方向上并且小于ON角度。
在本发明的优选实施例中，OFF位置处于距非偏转位置从-2到-6度的角度处。
在本发明的优选实施例中，OFF位置处于从-3到-5度的角度处。
在本发明的优选实施例中，ON位置处于从14到18度的角度处。
在本发明的另一实施例中，公开了一种空间光调制器。该空间光调制器包括：在可见光透过的衬底上的微镜阵列，每个微镜包括由透光衬底上的铰链保持的微镜板以及进一步包括第一制动点，用于将微镜制动在预定角度的ON位置，以及第二制动点，用于将微镜制动在预定角度的OFF位置。
本发明的优选实施例可以概括如下。公开了一种空间光调制器，以及用于制作这种调制器的方法，该调制器包括反射镜器件阵列，每个反射镜至少具有优选地至少一第一电极和一第二电极。第一电极用于将微镜阵列的反射板驱动到ON状态，以及第二电极用于将反射板驱动到OFF状态。两个电极可以设置在反射板的同一侧但是在反射板的旋转轴的相对侧，用以在相反的方向驱动反射板旋转。可替换地，两个电极可以设置在反射板的相对侧但是在反射板的旋转轴的同一侧上，用以在相反的方向驱动反射板旋转。可以通过制动器定义反射板的ON状态和OFF状态。制动器可以形成在衬底上，保持微镜器件的反射板的铰链结构上和/或者微镜器件内的期望位置上。可替换地，可以使用用于ON状态和OFF状态的电极作为制动器，或者单个或者组合，或者与其它部件相结合，例如微镜器件的衬底。优选地，OFF状态角度和OFF状态角度不同。
虽然所附权利要求具体阐述了本发明的特征，但是通过以下结合附图的详细说明可以更清楚地理解本发明及其目的和优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的具有两组用于使微镜阵列的微镜板偏转的电极的微镜阵列器件的横截面图；
图2是图1微镜阵列的顶视图；
图3是根据本发明另一实施例的具有两组用于使微镜阵列的微镜板偏转的电极的微镜阵列器件的横截面图；
图4是根据本发明的又一实施例的具有两组用于使微镜阵列的微镜板偏转的电极的微镜阵列器件的横截面图；
图5a到图5c示意性地描述了具有平直非偏转OFF状态的微镜；
图5d到图5f示意性地描述了具有相等角度的偏转的ON状态和OFF状态；
图5g到图5i示意性地描述了对于ON状态的角度大于对于OFF状态的角度的微镜；
图6a和图6b示意性地描述了具有ON状态和OFF状态的微镜板，其中ON状态被定义为由其上形成有电极的衬底制动微镜板(6a)，以及其中OFF状态被定义为由其上形成有微镜板的玻璃衬底制动微镜板(6b)；
图7a到图7c示意性描述根据本发明实施例的微镜的非偏转状态(7a)、ON状态(7b)和OFF状态(7c)；
图8a是根据本发明另一实施例的具有用于定义微镜器件的ON状态和OFF状态的两个制动器以及用于驱动微镜板旋转到ON状态和OFF状态的两个电极的微镜器件的横截面图；
图8b是具有OFF状态的微镜器件的横截面图，其中OFF状态是微镜板的非平直和非偏转状态；
图8c是根据本发明的实施例的具有玻璃衬底的微镜器件的横截面图，其中在玻璃衬底上淀积有可见光透过的电极膜，用于将微镜偏转到OFF状态；
图8d是根据本发明实施例的具有形成在玻璃衬底上的电极的微镜器件的横截面图，其中电极用于将微镜板旋转到微镜器件的OFF状态；
图9a是根据本发明实施例的在制作过程期间的微镜的侧视图；
图9b是图9a的微镜的三层结构的横截面图；
图9c是图9a的微镜的六层结构的横截面图；
图10a描述了根据本发明实施例的微镜器件的铰链结构、微镜板和衬底，其中铰链结构用作用于微镜板的OFF状态的电极；
图10b示意性地描述了具有图10a的微镜阵列的微镜阵列器件；
图11示意性地描述了具有微镜阵列的另一个微镜阵列器件；
图12描述了具有形成在用于微镜器件的OFF状态的铰链结构上的制动器和电极的微镜器件的顶视图；以及
图13a和图13b分别描述了两个示例性的显示系统，一个采用一个空间光调制器以及另一个采用三个空间光调制器，其中每个空间光调制器被设计为调制三种基色中的一种，即，绿、红和蓝。
具体实施方式
本发明公开了一种具有微镜阵列的微镜阵列器件。每个微镜包括至少两个电极，用于将微镜驱动到ON状态和OFF状态。电极可以设置在相对于微镜板的同一侧但是相对于微镜板的旋转轴的相对侧上。可替换地，所有用于微镜的OFF状态的电极可以被形成作为淀积在其上形成微镜的衬底上的电极膜。该电极膜也可以是抗反射膜，用于增强通过衬底的光透射。为了减少散射以及增加光反射，对应于ON状态的ON状态角度被定义为不同于对应于OFF状态的OFF状态角度。具体地，OFF状态角度小于ON状态角度并且相对于微镜板的非偏转状态处于ON状态角度相反的方向上。可以通过具有多个旋转制动机构的多个电极的合适组合来实现该不对称的OFF状态角度和ON状态角度。例如，用于ON状态和OFF状态的电极可以用作用于ON状态和OFF状态的制动器。这些电极一般由绝缘材料覆盖，用于隔离电极，以避免电短路。利用合适的电极几何结构，可以获得期望的不对称OFF状态角度和ON状态角度。在另一个例子中，设计的用于ON状态和/或OFF状态的制动器可以被用于定义OFF状态角度和ON状态角度。这些制动器可以形成在衬底和/或保持微镜板的铰链结构上。优选地，连接第二电极阵列的电极并且形成一个连续电极，使得第二电极“阵列”的所有电极总是处于同一电势。在操作中，可以通过在所述电极和微镜板之间施加电势来触发第二电极阵列的电极(“第二电极)”，并且相应于该电势，将所有微镜板旋转到OFF状态。然后，响应于激励信号，响应于在所选择的微镜板和用于ON状态的电极之间施加的电势，将所选择的微镜板旋转到OFF状态。明显地，为了将微镜从OFF状态切换到ON状态，通过用于ON状态的电极施加到微镜板的电力应当克服通过用于OFF状态的电极施加到微镜板的电力。
下面，参考附图，将详细讨论本发明的实施例。本领域普通技术人员应当理解，下列的讨论仅仅用于描述目的，而不应当以任何方式翻译为对本发明的限制。
回到附图，图1描述了根据本发明实施例的微镜阵列器件的横截面图。微镜阵列器件包括形成在衬底100上的微镜阵列(例如，微镜102)，衬底100例如为对可见光透明的玻璃或者石英。电极阵列(例如，电极106)和电路(未示出)形成在衬底110上，并且设置在微镜阵列附近，用于静电地偏转微镜。例如，在微镜器件的每个微镜板和电极阵列的电极之间建立静电场。响应于所建立的静电场，相对于衬底100，微镜板旋转到ON状态，使得通过投影透镜(例如图13a中的投影透镜106)可以收集来自处于ON状态的微镜板的反射光，用于将图像显示在显示靶上。处于ON状态的微镜板相对于衬底100的旋转角度被称为ON状态角度。此后，当参考ON和OFF角度(或相对于衬底的类似角度)时，将使用角度符号(相对于衬底为正或者负)。符号是任意的，但是微镜在一个方向上旋转到ON位置，以及在相反的方向上旋转到OFF位置。下面，通过具有加号(+)的角度值表示ON状态角度，以及通过具有减号(-)的角度值表示OFF状态角。在本发明的优选实施例中，ON状态角度为+10°度或者更大，优选地为+14°度或者更大，以及更优选地为+16°度或者更大。
除了衬底110上的电极阵列110之外，在衬底100上形成第二电极或者电极阵列，用于将微镜板驱动到OFF状态。在本发明的优选实施例中，OFF状态角度为-1°或者更小(角度的绝对值大于1)，优选地-2°度或者更小，以及更优选地大约-4°度。为了将微镜板驱动到OFF状态角度，在本发明的一个实施例中，第二电极或者电极阵列设置在玻璃衬底100上。具体地，第二电极或者电极阵列的每个电极(例如电极104)设置与形成在衬底110上的第一电极阵列的电极相对的微镜板的一侧，以及两个电极(例如，电极104和106)相对于微镜板(例如，微镜板102)的旋转轴处于同一侧。在操作中，第一电压V1(这样第一电场)被施加在微镜板(例如微镜板102)和第一电极阵列的电极(例如电极106)之间。相应于第一电场，微镜板(例如微镜板102)相对于衬底100旋转(在如图所示给出的结构中为顺时针)到ON状态。为了驱动微镜板(例如微镜板102)相对于衬底100旋转(在如图所示给出的结构中为逆时针)到OFF状态，第二电压V2(这样第二电场)被施加在微镜板(例如微镜板102)和衬底100上的第二电极阵列的电极(例如电极104)之间。作为本发明的一个可替换实施例，微镜阵列(例如微镜102)可以形成在作为半导体晶片的衬底110上。在衬底110上的电极阵列驱动微镜板旋转到ON状态，以及在玻璃衬底100上的电极阵列驱动微镜板旋转到OFF状态。
因为第二电极或者电极阵列形成在玻璃衬底100上并且暴露于入射在微镜板上的光，所以第二电极或者电极阵列可以由光吸收材料组成，并且形成在每个微镜板周围的光吸收栅格(优选地，互连为一个栅格)，以及更具体地，在相邻微镜板之间形成光吸收栅格，如图所示)。正如从图2所看到的，衬底100上的电极“阵列”事实上是形成为栅格的单个电极。也可以设置这种栅格电极作为微镜板的一系列制动器(例如，电极104，处于沿着微镜阵列的长度(或者宽度)伸展的电极条的横截面上)。
不是在玻璃衬底上形成用于微镜器件的OFF状态的第二电极或者电极阵列，第二电极或者电极阵列也可以形成在相对于微镜板与第一电极阵列相同的一侧上，如图3所示。具体地，第二电极阵列(例如电极104)可以形成在与第一电极阵列(例如电极106)相同的微镜板的一侧上，但在微镜板(例如微镜板102)的旋转轴的相对侧上。在操作中，两个不同的电压分别被施加在微镜板与用于驱动微镜板旋转到ON状态的第一电极之间，以及在微镜板与用于驱动微镜板旋转到OFF状态的第二电极之间。作为本发明的一个可替换的实施例，微镜阵列(例如微镜102)可以形成在作为半导体晶片的衬底110上。在衬底110上的电极阵列驱动微镜板旋转到ON状态，以及第二电极或者电极阵列驱动微镜板旋转到OFF状态。
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，第二电极或者电极“阵列”可以形成在玻璃衬底100上，作为电极膜。参考图4，电极膜107淀积在玻璃衬底100的下表面，其下表面面对微镜器件的微镜板。在这种情况下，电极膜107是导电的(或者如果电极膜107是叠层时，至少一层是导电的)并且对可见光透明。更优选地，电极膜也可以是抗反射(AR)膜。在操作期间，如果相邻电极106没有被设置为激励微镜到ON状态，电压被施加在电极膜107和微镜板之间，产生在电极膜107和微镜板之间建立的静电场，用于驱动微镜板旋转(在图所示给出的结构中为逆时针)到OFF状态。响应于微镜板和第一电极之间建立的电场，微镜板可以旋转(在图所示给出的结构中为顺时针)到ON状态，即使电压被施加到电极膜107。作为本发明的一个可替换的实施例，微镜板(例如微镜102)可以形成在作为半导体晶片的衬底110上。在衬底110上的电极阵列驱动微镜板旋转到ON状态，以及在玻璃衬底100上的电极膜107驱动微镜板旋转到OFF状态。
这类利用非零OFF状态角度的OFF状态的定义在许多方面肯定对微镜器件的性能有好处，例如，对比率。OFF状态角度和ON状态角度可以是相同的值，但是具有相反的符号。但是，当OFF状态角度太大时，将降低微镜器件的性能，这将参考图5a到5i作详细讨论。
参考图5a，显示了阵列中的多个微镜的横截面图，其中，没有偏转处于OFF状态的微镜(组108)，而使在ON状态的微镜从平直状态偏移，以便投影光，在此可以观看光(直接地，在整体器件中的目标，穿过室内到屏幕上，等等)。在图5b和5c中更好地显示了这种微镜阵列配置。正如可以从图5B中看到的，在微镜的ON状态，入射光锥50被反射而偏离微镜(在该图中所有微镜为ON)，以及光被投影作为光锥52而进入输出孔60，以及在大多数情况下，继续到达成像系统(例如一个或者多个投影透镜)。光锥54表示来自透镜覆盖层的光谱反射。图5c显示了处于OFF状态的微镜，其中光锥52表示从处于OFF状态的微镜反射的光。入射和反射光锥将变窄到整个阵列上，虽然在这些图中，为了显示方便，光锥被显示为变细而进入到单个微镜。
图5b和图5c的优势在于：当微镜处于OFF(非偏转)状态时，很少的光能够穿过微镜之间的间隙而引起不希望的“间隙散射”。但是，如图5c所示，通过微镜的重复构图而引起了衍射光((延伸到反射离开光锥52之外的光61a和61b。由来自微镜边缘的散射和衍射(“边缘散射)”引起了不希望的光。具体地，因为使得入射光锥(这样离开光锥)尽可能的大以便增加效率，所以延伸到反射离开光锥之外的例如光61a的衍射光可以进入输出孔60(例如，收集光学系统)并且不希望地减少了对比率。
为了避免减少对比率的OFF状态光(包括衍射光)和ON状态光的这种“重叠”，可以通过偏转ON和OFF状态的微镜，进一步将OFF状态光和ON状态光彼此隔开。正如可以从图5d所看到的，如果如图所示，微镜被在OFF状态偏转，可以合适地反射一些光而远离ON状态方向(例如收集光学系统)离开微镜，如光线128所示。其它光124没有碰到微镜，而是在下衬底(例如在下电路和电极上)的上表面上散射，并且进入收集光学系统，即使相邻的微镜处于OFF状态。或者，正如通过光线128所看到的，入射光碰到微镜，但是仍然引起间隙散射而不是如光线128一样合适地以OFF角度反射。图5e所示的ON配置与图5b的相同。但是，正如图5f所示的，沿着由微镜周期性所引起的衍射61a的OFF状态被移动而进一步远离ON角度，从而导致由于衍射/边缘散射而引起的改善的对比率(即使，如上所述，由于间隙散射引起减少的对比率。
一个改善的微镜振列将最大化OFF光锥和ON光锥之间的距离(最小化进入接收光锥的边缘散射)，但是最小化相邻微镜的间隙(最小化间隙散射)。一个已经尝试的方案提供了一种微镜阵列，具有对ON和OFF状态在相反方向偏转的微镜，如图5d到图5f中所示，以及提供了位于微镜下面的光吸收层，以便减小间隙散射。不幸的是，这增加了工艺的复杂性，或者吸收到微镜阵列组件(或者光阀)上的光，这增加了光阀的温度，并且产生了由于热膨胀所引起的问题，增加的疲劳或者微镜结构的下垂，增加的钝化膜断裂，自组装单层和/或润滑剂等等。
正如可以从图5g到图5i所看到的，提供微镜，使得在ON状态和OFF状态偏转，但具有不同的偏转角度。正如可以从图5g所看到的，微镜108在OFF状态的偏转角度小于处于ON状态的微镜112的偏转角度(从平直的非偏转位置在相反方向上偏转)。正如可以从图5h所看到的，ON状态没有改变(入射光50被投影作为进入输出孔60的离开光52)，具有镜反射54。在图5i中，微镜在足够偏转的位置处于OFF状态，使得最小化通过输出孔60的边缘散射光61a，但是，但是偏转仅仅大至将这种边缘散射光保持在接受锥之外，使得最小化由于大的OFF状态偏转角度而引起的来自微镜下的间隙散射光。
为了获得对应于ON状态和OFF状态的不同的旋转角度，在本发明中，公开了微镜板的不对称旋转。参考图6a，其中显示了根据本发明实施例的微镜器件的横截面图。正如可以看到的，提供形成在衬底110上的三个电极70、72和74，并且将它们设置为靠近微镜板44。提供电极72和74，用于在相反的旋转方向偏转微镜板。作为本发明实施例的一个可替换特征，设置电极70，用于通过碰到具有与微镜板本身相同电势的材料允许微镜板停止旋转。当电压VA被施加到电极72上，偏转微镜板44，直到它接触电极70。这是微镜板的ON位置，它允许光进入系统的收集光学系统。可以设计衬底(例如衬底110和100)之间的间隙，使得微镜44的端部同时碰到电极70和衬底100。当电压VB被施加到电极74时，微镜板44在相反的方向上偏转，直到微镜板的端部碰到衬底100。这是微镜的OFF位置，正如图6b所示。由于铰链50和支柱46的位置，在OFF位置的微镜的角度小于在ON位置的微镜的角度。
对于使用衬底定义OFF角度和ON角度的一种替换，也可以使用制动器和电极定义OFF角度和ON角度。正如图7a到图7c所示。从图7a可以看到，微镜24经由支柱22、铰链18c、支柱16c和金属区域12c连接到衬底110。当没有电压施加到任何底电极(在上述工艺中形成的离散金属区域)，例如电极18b或者12d时，没有偏转图9A所示的微镜。该非偏转位置不是微镜的OFF位置，用于投影系统的OFF位置通常是离ON位置最远的角度(以便实现用于投影图像的最佳对比率)。图7b显示了微镜的ON状态，即，偏转进入收集光学系统的接受锥的光的微镜的位置。电压VA被施加电极12d，以便静电地拉下微镜板24，直到板24的边缘碰到电极12e。微镜板24和电极12e处于相同的电势，在本例中为电压V0。正如图7c所示，当电压VB被施加到电极18a时，微镜板24在相反的方向偏转，其运动被电极18a所制动。电极18a和微镜板24处于相同的电势(在本例中为电压V0)。取决于电极18b对电极12d的尺寸以及这些电极与微镜板之间的距离，施加到电极18b和12d的电压不必是相同的。图7c所示的该偏转位置是OFF位置，并且将光偏转而进一步远离收集光学系统。
正如通过比较图7b和图7c所看到的，OFF位置形成了比ON位置较低的角度(相对于衬底)。这种不对称的好处将在下面进一步详细地讨论。在本发明的一个实例中，ON位置是从0到+30度以及OFF位置是从0到-30度，并且到ON位置的移动大于到OFF位置的移动。例如，ON位置可以是从+10到+30度(或者+12到20度或者+10到+15度)，以及OFF位置可以是大于0并且在0和-30度之间(或者在0与-10或者-12之间的较小范围，或者从-1到-12，或者-1到-10或者-11度，或者-2到-7度)。在另一个实例中，微镜能够旋转至少+12度而到ON位置，以及旋转-4到-10度之间的角度而到OFF位置。取决于铰链所用的材料，可以使用较大的角度，例如从+10到+35度的ON旋转，以及从-2到-25度的OFF旋转(当然，在很大的角度时，材料疲劳和儒变可能成为一个问题)。没有考虑旋转方向，优选地，ON和OFF位置相对于衬底处于大于3度但是小于30度的角度。优选地，ON位置处于大于+10度的位置，并且微镜在ON方向上比在相反的OFF方向多旋转1度(或者更多)。请注意，铰链没有必要偏离微镜板的中心附着，可以通过设置进一步远离一个衬底的制动器而简单地实现相同的旋转不对称。
对于在衬底上形成制动器机构的替换，制动器也可以形成在微镜结构上，例如铰链结构上，例如图8a到8d所示。参考图8a，微镜板210附着到铰链241。铰链241由铰链结构263保持，铰链结构263形成在玻璃衬底100上，玻璃衬底100对于可见光是透明的。铰链结构263进一步包括制动器270和制动器275，它们分别定义微镜板210的ON状态角度和OFF状态角度。具体地，当微镜板碰到制动器270时微镜板到达它的ON状态。类似地，当微镜板由制动器275制动时微镜板到达它的OFF状态。在衬底上的电极282和283被设置为靠近微镜264，用于在相反的旋转方向上静电地使微镜板发生偏转，如图所示。
根据本发明的一方面，OFF状态可以被定义为微镜板停留在其非偏转状态，如图8b所示。参考图8b，铰链结构263具有偏离衬底100的处于自然静止状态的弯曲部分。附着到曲线铰链结构的微镜210在没有外力(例如电场)的情况下相对于衬底100呈现一个有限的角度。通过调整铰链结构部分的曲度，可以实现微镜板和衬底之间希望的角度。在这种情况下，可以移动设计用来驱动微镜旋转到OFF状态的电极283。作为本实施例的可替换特征，OFF状态可以定义作为微镜板210由制动器242所制动。制动器242可以形成在铰链结构263的支柱上，如图所示。可替换地，制动器262也可以形成在铰链支撑体上，在铰链支撑体上形成铰链，如图8b中的虚线所示。
如图8a所示，电极283被设计为驱动微镜板旋转到OFF状态。可替换地，用于OFF状态的该电极可以由淀积在玻璃衬底下表面的电极膜所替代，正如图8c所示。参考图8c，电极膜272淀积在玻璃衬底100的下表面。电极膜272对于可见光是透明的，并且可导电。当然，抗反射膜可以是一个独立的层，作为电极膜272，并且可以淀积在玻璃衬底的任意一个表面上。在操作中，电压被施加到玻璃衬底上的电极膜，在电极膜和微镜板之间产生电场。响应于该电场，微镜板相对于衬底旋转，并且当它碰到制动器275时停止，制动器275定义微镜板的OFF状态。提供衬底110上的电极282，用于微镜板的ON状态。通过将电势施加到电极282，在微镜板和电极282之间建立电场。当微镜板和电极282之间的电力克服微镜板和电极膜272之间的电力时，微镜板210旋转到ON状态，作为一个例子，OV和18V可以分别被施加给用于OFF状态和ON状态的电极282。微镜板210总是处于30V，并且电极膜总是处于18V，用于将非激励微镜板保持在OFF状态。当然，在此所提及的电压仅仅示一个例子，根据电极和微镜板的间隙和相对间隙、铰链形状和铰链材料等等，可以选择电压。
在本发明的另一个实施例中，可以提供不同于电极282的独立电极(例如电极267)，用于获得微镜板的OFF状态。参考图8d，在玻璃衬底100上形成电极267(按照图2所示的条状或者格栅状)。通过在电极267和微镜板210之间建立电场，微镜板210相对于衬底在OFF状态角度方向旋转。该旋转可以由制动器275所制动，制动器275定义了OFF状态。在这种情况下，电极267静电导电。可替换地，旋转可以由电极267本身所制动。在这种情况下，电极267利用绝缘材料所覆盖，以避免微镜板和电极267之间的电短路。
上述微镜器件可以按照许多方式制造，例如Huibers的美国专利5835256和6046840中所公开的，这些专利每个的主题在此并入作为参考文件。下列讨论用于形成本发明微镜器件的示例性过程。Reid的2001年7月20日申请的美国专利申请09/910527和2001年6月22日申请的美国专利申请60300533包含了可以用于本发明各种部件的材料的例子。这些申请并入此作为参考文件。本领域所属技术人员应当理解，这些示例性过程用于仅仅描述目的，不应当翻译为对本发明的限制。
参考图9a，提供衬底100。通过在衬底上淀积一第一牺牲层(例如非晶硅)和然后在第一牺牲层上淀积微镜板层以及随后形成所期望的淀积的微镜板。衬底可以是玻璃(例如，1737F、Eagle 2000)、石英、PyrexTM、蓝宝石。取决于牺牲层的选择和所选择的蚀刻剂，第一牺牲层可以是任何合适的材料，例如，非晶硅，或者可替换地，可以是聚合体或者聚酰亚胺，或者甚至是多晶硅、氮化硅、氧化硅等等。在一个实施例中，牺牲层包括钨，例如元素钨或者氮化钨。如果第一牺牲层是非晶硅，它可以在300-350℃下淀积。第一牺牲层的厚度可以是取决于微镜尺寸和微镜所希望的倾斜角的厚度范围，优选为从500埃到50000埃的厚度，优选地大约25000埃。第一牺牲层可以使用任何合适的方法淀积在衬底上，例如LPCVD和PECVD。作为本实施例的一个可替换特征，抗反射膜(没有示出)可以淀积在衬底表面上。抗反射膜被淀积用于减小来自衬底表面的入射光的反射。可替换地，根据需要，可以在玻璃衬底的任意一个表面上淀积其它光学增强层、UV过滤层、IR过滤层等等。因为微镜被设计来反射希望光谱中的入射光(例如可见光)，所以优选地微镜板层包括对入射光显示高反射率(优选地90％或者更高)的一种或者多种材料。用于微镜板的示例性材料是Al、Ti、AlSiCu和TiAl。在淀积微镜板层中，优选地，在150℃下使用PVD。微镜板的厚度范围取决于所期望的机械性(例如弹性模块)、微镜的尺寸、微镜板的所希望的倾斜角和电(例如导电率)属性以及选择来形成微镜板的材料的尺寸。根据本发明，优选为500埃到5000埃的厚度，更优选地为2500埃。在构图微镜板中，可以采用标准的光刻技术，使用例如CF4、C12或者其它合适的蚀刻剂(曲剧于微镜板层的特定材料)。微镜板可以形成为任何期望的形状，例如图10a、图10b图11所示的形状。
返回参考图9a到9f，在构图的微镜板237上，淀积第二牺牲层，之后构图第二牺牲层，以形成深的通道240(见图9a和10a)以及浅的通道242(见图9e和10a)。第二牺牲层可以包括非晶硅，或者可替换地可以包括上面参考第一牺牲层所述的各种材料中的一种或者多种。第一和第二牺牲层没有必要相同，虽然在优选实施例中是相同的，使得在将来，可以简化移去这些牺牲层的蚀刻过程。类似于第一牺牲层，可以使用例如LPCVD和PECVD的任何合适的方法淀积第二牺牲层。如果第二牺牲层包括非晶硅，则可以在350℃下淀积该层。第二牺牲层的厚度可以是1000埃的数量级，但是可以根据微镜板和铰链之间的希望距离(在垂直于微镜板和衬底的方向上)可调整为任何合理的厚度，例如2000埃到20000埃之间。优选地，在至少0.5μm的释放之后，铰链和微镜板隔开一间隙(根据需要，可以是至少1μm或者甚至2μm或者更多)。
在构图第二牺牲层之后，淀积并且构图层220。在本发明的实施例中，层220是三层结构，其进一步包括层221、222和223，如图9b所示。在本发明的优选实施例中，层221是绝缘的，例如SiNx，具有大约400埃的优选厚度。层222是可导电的，例如TiNx，具有大约400埃的优选厚度。层222将用作用于微镜OFF状态的电极。另外，层223也是绝缘的，例如SiNx，具有大约400埃的优选厚度。
对于ON角度接触区域(图9d)但不是支柱区域(图9a)，或者OFF角度接触区域(图9f)，可以同时淀积和构图这三层。在淀积和构图之后，这三层添充深通道240和浅通道242，浅通道的底部暴露给微镜板237(通过图9e的蚀刻)。在层220上，淀积(以及在图9d的ON角度接触区域构图)层224，层224优选地是绝缘的，例如SiNx，具有大约400埃的优选厚度。这是对于从下一层225的层220内的绝缘层222。淀积层225，其优选地是导电的，例如TiNx，具有大约200埃的优选厚度。在淀积层225之后，淀积层226，其优选地是绝缘的，例如SiNx，具有大约3000埃的优选厚度。在层226之后，淀积层235，其是铰链层，并且优选地是导电的单层或者多层。然后，一起构图层225、226和235(图9d)，或者在支柱和OFF角度接触区域(图9a和9f)构图所有的层220、224、226和235。正如可以从图9d看到的，图9d中的接触点具有在层225上的导电接触区域。铰链层235是导电的。可以看到，层222和层225和235是导电层；层222用作使微镜板偏转到OFF状态的电极；以及层225和235经由浅通道连接到微镜板，以施加电势。在操作中，层222和225/235被施加具有不同的电势。组后，使用例如合适的自发汽相化学蚀刻剂，例如二氟化氙，移去衬底和微镜板之间的第一牺牲层和微镜板和层220之间的第二牺牲层。在蚀刻期间，其它合适的气体材料，例如惰性气体(例如He、N2、Ar和Xe)也可以与二氟化氙混合。可替换地，蚀刻剂可以是卤间化合物惰性气体卤化物。除了上述蚀刻剂和蚀刻方法用于或者最终脱膜和中间蚀刻步骤之外，也存在其它自己使用或者结合使用的蚀刻剂和方法。这些包括湿蚀刻，例如ACT、KOH、TMAH、HF(液体)、氧等离子体、SCCO2、或者超临界CO2(在美国专利申请10/167272中描述了超临界CO2用作蚀刻剂，该专利申请并入此作为参考文件。当然，所选择的蚀刻剂和方法应当与所移去的牺牲材料和所希望留下的材料相匹配。
在本发明的实施例中，当微镜板的旋转被点A制动时，点A定义了微镜板237的ON状态。点B定义了微镜板的OFF状态。可替换地，如图所示，可以形成对于OFF状态独立的制动器231。作为本发明的一方面，制动器231也可以用作用于驱动微镜板旋转到OFF状态的电极。当制动器231用作制动器和电极时，优选地，制动器231包括绝缘材料层，以避免短路。
参考图10a，其中示出了在移去第一和第二牺牲层之后的微镜器件的一部分。正如可以看到的，导电层222和层225和235由绝缘层224隔开。图10显示了具有形成在对于可见光透明的玻璃衬底上的图10a的微镜器件的阵列的微镜阵列104。具有电极阵列113和电路(没有示出)的另一衬底110被设置为靠近用于静电偏转微镜的微镜阵列。
参考图11，其中显示了另一个微镜阵列器件。该微镜阵列器件包括在对可见光透明的玻璃衬底100上形成的微镜阵列103。包括电极阵列113和电路(没有示出)的衬底被设置为靠近用于静电偏转微镜的微镜阵列103。
除了形成用于连续在铰链结构上的微镜板的OFF状态的电极和制动器，也可以独立地形成用于OFF状态的电极和制动器，正如图12所示。参考图12，用于微镜板的OFF状态的制动器304和电极310分别形成在铰链结构上。末端结构308用作用于微镜板的ON状态的制动器。
本发明的微镜器件具有多种应用(例如，无掩膜光刻、原子光谱、微镜阵列的无掩膜制作、信号处理、显微术等等)，它们中的一个是在显示系统。图13a表示了采用包括本发明的微镜阵列的空间光调制器的简化示例性显示系统。在它的很基本的结构中，显示系统100包括光源102、光学器件(例如，光导管104、聚焦透镜106和投影透镜108)、显示靶112和空间光调制器110，空间光调制器110进一步包括多个微镜器件(例如微镜阵列)。光源102(例如弧光灯)发射光通过光积分器/光导管104和聚焦透镜106达到空间光调制器110上。控制器有选择地激励空间光调制器110的微镜(例如2002年05月14日授权的美国专利6388661中的公开的)，以便当它们处于ON状态时，反射入射光到投影光学系统108，产生在显示靶12(屏幕、观看这的眼睛、光敏材料等等)上的图像。通常，常常使用更复杂的光学系统，特别在用于彩色图像的显示应用中，例如图13b中的显示系统中。
参考图13b，其中显示了采用三个空间光调制其的显示系统，每个空间光调制器用于调制三种基色(例如，绿、红和蓝)中的一种，并且每个包括本发明的微镜阵列。显示系统包括二向棱镜组件204，用于将入射光分成三种基色光束。二向棱镜组件包括棱镜176a、176b、176c、176d、176e和176f。总的内部反射(TIR)表面，例如TIR表面205a、105b和205c，被定义在面对空气间隙的棱镜表面。棱镜176c和176e的表面198a和198b覆盖有二色膜，产生二色表面。具体地，二色表面198a反射率光而透过其它光。二色表面198b反射红光而透过其它光。在棱镜组件周围设置三个空间光调制器182、184和186，每个具有微镜阵列器件。
不管光学系统是否利用图1a的单个微镜阵列器件还是图1b和1c的多微镜阵列器件，优选地，最小化来自光透射衬底的反射。在操作中，来自光源102的入射白光174进入棱镜176a，并且以大于TIR表面205的临界TIR角度的角度导向TIR表面205a。TIR表面205全部内部反射入射白光到空间光调制器186，空间光调制器用于调制入射白光中的蓝光成分。在二色表面198，从TIR表面205a中分离全部内部反射光中的绿光成分，并且反射到空间光调制器182，空间光调制器182用于调制绿光。正如所看到的，分离的绿光可以经历由TIR表面205b的TIR，以便以期望的角度照射空间光调制器182。这可以通过安排在TIR表面205b的分离的绿光的入射角度大于TIR表面205b的临界TIR角度来实现。来自TIR表面205a的反射光的除了绿光的其余光成分通过二色表面198a并且在二色表面198b反射。因为二色表面198b用于反射红光，所以这样分离到达二色表面198b的入射光的红光成分，并且反射到空间光调制器184，空间光调制器184用于调制红光。最后，白色入射光(白光174)的蓝色成分到达空间光调制器186，并且由此被调制。通过使三个空间光调制器协同操作，可以合适地调制红、绿和蓝光。重新收集调制的红、绿和蓝光，并且如果有必要，通过光学元件(例如投影透镜202)传送到显示靶112。
本领域所属技术人员应该理解，其中描述了一种新的有用的空间光调制器。但是，考虑到本发明的原理可以应用到的需要可能的实施例，应该理解，在此相对于附图所描述的实施例仅仅用于示范性的，并应当看作对本发明范围的限制。例如，本领域所属技术人员应该理解，没有偏离本发明的精神，可以在配置和细节上修改所示例的势示例。因此，在此描述的本发明企图将所有这些实施例都纳入所附权利要求及其等效的范围内。

Claims (24)

1、一种空间光调制器，包括：
像素阵列，包括在可透光衬底上的多个微镜，每个微镜包括设置在该可透光衬底上的微镜板；
第一制动机构，用于将所述微镜制动在处于接通位置的第一预定角度处；
第二制动机构，用于将所述微镜制动在处于关闭位置的第二预定角度处；
至少一个电极，用于在所述接通位置和所述关闭位置之间移动所述微镜；以及
所述至少一个电极中的一个电极设置在该可透光衬底上。
2、根据权利要求1的空间光调制器，其中，
每个微镜可以通过所述至少一个电极中的第一电极从非激励位置移动到处于正角度的接通位置，以及可以通过所述至少一个电极中的第二电极移动到相对于非偏转静止位置为负角度的关闭位置，所述第二电极设置在与所述第一电极相对的微镜板的一侧。
3、根据权利要求1或2的空间光调制器，其中，
所述至少一个电极中的第一电极将所述微镜从非激励位置移动到处于10度或者更大角度处的接通位置，以及所述至少一个电极中的第二电极将所述微镜板移动到处于-1到-8度的角度的关闭位置，以及其中，
所述第二制动机构设置与所述衬底相对的微镜板的一侧上，所述微镜板在距所述衬底一预定距离处并且以-1到-8度的角度邻近所述第二制动机构。
4、根据权利要求1的空间光调制器，其中，
所述第二预定角度与第一预定角度方向相反并且第二预定角度值小于第一预定角度值。
5、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述微镜由设置在所述微镜和所述衬底之间的铰链保持。
6、根据权利要求5的空间光调制器，其中，所述铰链在不是所述微镜板中心的点处连接到所述微镜板。
7、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述铰链设置在与所述微镜板不同的平面上。
8、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述第一制动机构连接到一支柱，该支柱将所述微镜保持到所述衬底。
9、根据权利要求1的空间光调制器，其中，对于每个像素，所述至少一个电极包括独立操作的第一电极和第二电极，其中多个像素的第二电极包括共享的公用第二电极。
10、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述至少一个电极中的第二电极是在所述衬底上的抗反射涂层，用于减少入射可见光的反射。
11、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述至少一个电极中的第二电极与所述至少一个电极中的第一电极设置在所述微镜板的同一侧上，以及其中所述第二电极被设置为比所述第一电极更靠近所述微镜板。
12、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述至少一个电极中的第二电极经由支柱保持到所述衬底，以及第一电极设置在结合到所述衬底的第二衬底上。
13、根据权利要求1的空间光调制器，其中，对于第一组微镜中的每个微镜，当所述至少一个电极中的第一电极激励所述微镜时，来自共享的公用第二电极的电压偏转不在第一组中的微镜。
14、根据权利要求1的空间光调制器，其中，每个像素的所述至少一个电极中的第一电极和/或所述至少一个电极中的第二电极设置在靠近所述衬底的第二衬底上。
15、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述至少一个电极中的第二电极是多层关闭状态制动机构的一部分。
16、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述至少一个电极中的共享的公用第二电极是用于同时施加静电力给所有像素的导电栅格。
17、根据权利要求1的空间光调制器，其中，所述衬底是可透过可见光的衬底。
18、根据权利要求2的空间光调制器，其中，所述第一电极连接到第一电压源；以及所述第二电极连接到第二电压源。
19、一种用于操作空间光调制器的方法，该空间光调制器包括具有在可透光衬底上的多个微镜的像素阵列，该方法包括：
提供用于每个微镜的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和第二电极设置在所述微镜的相对侧，一个设置在所述微镜的上方，以及另一个设置在所述微镜的下方；
当期望为接通状态时，施加第一电压给所述第一电极，用以将所述微镜旋转到处于所述接通状态的第一角度；以及
当期望为关闭状态时，施加第二电压给所述第二电极，用以将所述微镜旋转到处于所述关闭状态的第二角度。
20、根据权利要求19的方法，还包括：
提供第一和第二制动机构，所述第一制动机构将所述微镜制动在所述第一角度处，以及所述第二制动机构将所述微镜制动在第二角度处。
21、根据权利要求19的方法，其中，在移走所述第一电压之后，施加所述第二电压。
22、根据权利要求19的方法，其中，所述第二电压的幅度大于所述第一电压的幅度，使得所述第一和第二电压存在时，所述微镜从所述接通状态旋转到所述关闭状态。
23、一种投影系统，包括：
光源，用于为所述投影系统提供光；
聚光透镜，用于将所述光引导至空间光调制器；
空间光调制器，包括：像素阵列，包括在可透光衬底上的多个微镜，每个微镜包括设置在所述可透光衬底上微镜板；第一制动机构，用于将所述微镜制动在处于接通位置的第一预定角度处；第二制动机构，用于将所述微镜制动在处于关闭位置的第二预定角度处；以及至少一个电极，用于在所述接通位置和所述关闭位置之间移动微镜；以及
显示靶；
其中所述第一预定角度与所述第二预定角度不同。
24、根据权利要求23的系统，还包括：色轮。
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