基于MEMS的闪耀光栅数字微镜显示技术

技术背景

在PMP个人媒体播放器等便携式应用中，TFT液晶显示器已成为主流配置。虽然TFT液晶显示器具有图像清晰、对比度高等优点，但其耗电占了PMP系统耗电的70%以上。随着分辨率不断提高，屏幕加大，显示器的功耗也同步增长。由于液晶显示器的光源利用率不足10%，降低亮度并不能有效地节省电力，迫不得已的办法是尽可能减少显示屏的工作时间，或者是采用尽可能小的显示屏，结果使观赏舒适性降低，导致PMP的实用价值大打折扣。

理想的适合于便携用途的显示技术应在电池供电环境下有尽可能长的工作时间、尽可能小的体积、尽可能高的画面质量，既可产生满足个人独立观看的优质小画面，又能产生供多人观赏的投影画面等特性。
现有的各类显示器，根据成像的基本方式，可以分为像素单元主动发光形成画面和像素单元被动发光形成画面两大类。

在像素单元主动发光形成画面的显示技术中，先后出现了阴极射线管CRT显示技术、等离子平板PDP显示技术、表面传导发射SED显示技术、碳纳米管场发射CNT显示技术、有机电致发光二极管OLED显示技术。在这些显示技术中，有机电致发光显示器是唯一可小型化的技术，但是，OLED为电流驱动型显示技术，电流强度与显示亮度成正相关关系，对于便携式应用，功耗仍然较高。

在像素单元被动发光形成画面的显示技术中，先后开发出了控制光线透射程度来实现显示的液晶LCD显示技术，控制光线反射程度实现显示的硅基液晶LCOS显示技术，控制光线反射角度实现显示的数字微镜DMD显示技术和单微镜-扫描镜显示技术，利用干涉原理实现显示的干涉调节iMoD显示技术，利用衍射原理实现显示的光栅光阀GLV显示技术。这些技术当中，iMoD干涉调节显示技术是最适合于便携应用的技术之一，与LCD显示器借助于偏振光来形成显示不同， iMoD显示技术利用干涉原理产生彩色，光线通过不同厚度的气隙时产生不同的光程差，形成不同的颜色。图1所示为iMoD显示器样机。虽然具有极其优越的节电性能，但无论是对比度还是亮度，都与TFT显示器差距甚远。这是由于iMoD显示技术所特有的彩色形成方式决定的。这样的亮度和对比度远远不足以用来产生较大画面的投影影像。因此，不能同时满足既可产生优质小画面，又可产生大幅投影画面的便携应用理想要求。

硅基液晶LCOS技术虽然同时具有微型显示和投影显示应用的能力，但仍然需要借助于液晶的偏振光效应来控制光线的透过率。采用偏振光方式工作，将损失50%光源能量，光利用率依然不高。更重要的原因还在于LCOS的制造工艺复杂，良品率一直难以提高，短期内难以成为理想的便携显示技术的优选者。

数字微镜DMD是最为成功的基于微机电系统MEMS的显示技术，采用高压汞灯作为照明光源时，可产生极大尺寸的优质投影画面，用R、G、B三基色LED更换大功率照明灯，可以构成小体积的便携投影仪。图2所示为TI公司开发的袖珍投影仪，使用LED光源，不用色轮，通过高速切换红、绿、蓝图像，进行彩色显示，采用前投方式，可在投影机前方约1m处投射约40～50英寸、分辨率为800 600的DVD影像。这种利用时序方式来实现彩色显示的模式，不仅要求LED要有足够快的响应速度，而且要求驱动电路也必须具有极高的速度指标，这不仅增加了系统成本，也增加了系统功耗。对便携应用而言，照明光源消耗的电力依然较高。因此，DMD显示技术仍以固定地点的投影应用为主，不是理想的便携应用显示技术。

与DMD不同的另一种掌上便携投影仪是图3所示的日本信号试制成功的单微镜-扫描镜投影技术。该技术不同于DMD的一个像素对应一个微镜，而是一个微镜对应多个像素，再利用扫描部件形成画面。采用该方式，虽然可以减小微镜所占用的半导体芯片面积，降低成本，但扫描部件不仅具有较高的精度要求，而且还存在着机械磨损等问题。更重要的一点还在于，需要解决响应速度高达数MHz至数十MHz的绿色半导体激光器还不能量产的障碍后，才能真正形成商品。

GLV是基于衍射原理唯一成功实现彩色显示的技术，具有较高的光源利用率，采用激光作为光源时，可产生极大画面的影像。然而， GLV技术同样由于半导体激光光源等原因，一直未成为被消费者广泛接受的商品。
在现有显示技术均不能满足理想便携显示应用要求的情况下，开发一种既节电，又能产生优质小画面和投影大画面的显示技术是很有必要的。闪耀光栅数字微镜显示技术（Blazed Grating Digital Micromirro Display Technology）开创了一种高效显示的新途径。

闪耀光栅数字微镜的工作原理

闪耀光栅已发明很久，应用主要集中在光谱分析、通讯领域，将闪耀光栅应用于画面显示的理论基础是闪耀光栅高效的分色原理。 当狭窄、凸凹相间、具有波长尺度范围、有反射能力的槽型结构并排排列时，就构成了反射型衍射光栅。衍射光栅对入射光的振幅或相位产生周期性的空间调制，产生光的分色作用，对于单色光，则改变光的传播方向。

GLV显示技术基于衍射光栅的原理工作。在硅基底的顶部分布着细小的条形状金属条，这些金属条与硅基底之间具有很小的缝隙，在金属条与硅基底之间施加电压时，电场力的作用下，金属条就会下移。固定的金属条和移动的金属条之间就具有了高度差，形成反射型衍射光栅。用固定波长的单色光照射衍射光栅时，就会产生衍射光，在衍射光射出的路径上设置投影镜头，即可得到单色亮点；控制金属条下移，即可控制单色亮点；控制一条光栅可得到一维条形图案，加上扫描器，即可得到二维画面。

从GLV工作原理的描述可以得知，GLV是通过改变光栅的节距周期来调制光线的。金属动条未下移时，与固定条在一个平面上，节距周期消失，不产生衍射；金属动条下移，构成节距周期等于金属条宽度与金属条之间缝隙之和的固定节距光栅。由于这种光栅结构的特殊性，确定了GLV只能利用较高级次（典型值为1级次）的衍射光作为成像光。而处于较低级次的零级次衍射光占据了衍射光的绝大部分能量，因此利用1级次衍射光来产生画面的GLV所具有的最高理论衍射效率为40.5%。

闪耀光栅不仅具有很高的分色能力，而且还具有将零级次衍射光的绝大部分能量转移到所需级次上的能力，衍射效率可达到100%。设计适当的闪耀角，就能使复合白色光产生的RGB三基色光处于最高衍射效率范围内。用闪耀光栅作为显示画面的光调制器，就能最大限度地提高光源的利用率。

根据闪耀光栅的分色原理，用复合白色光源以固定的入射角照射可转动的闪耀光栅微镜，可在一个固定的方向上得到由白色光源直接产生的RGB三基色，控制闪耀光栅微镜转动到产生红R、绿G、蓝B、三基色以及暗态的4个固定位置，三个闪耀光栅微镜就可以构成一个真彩色的像素单元，用脉宽调制方式确定闪耀光栅微镜在每个位置上的停留时间，可使各个子像素所对应的三基色具有不同的亮度，三个子像素不同亮度、不同基色的组合，就可以产生一个像素所需的各种彩色，多个像素组成阵列，即可构成显示画面。图4所示为用普通20瓦卤素照明灯在距光栅15厘米处照射用于测试的3 4反射型衍射光栅测试阵列，得到的彩色实像图案。从任何角度观察，都不影响观察效果。图5所示为漫射光环境下，3 4反射型衍射光栅形成的彩色图。图6为太阳光照射3 4反射型衍射光栅生成的彩色投影图像。若将用于测试的衍射光栅更换为闪耀光栅，彩色画面的亮度、对比度以及色饱和度还会更好。

与GLV通过控制光栅节距的有无以产生画面不同，闪耀光栅数字微镜显示技术是通过改变复合白色光线的入射角来形成画面的。在闪耀光栅数字微镜部件的驱动电极上施加电压，在电场力的作用下，闪耀光栅偏转到四个预定位置并准确定位。由于闪耀光栅微镜仅需在四个固定的位置上转动，所以可工作于数字方式，避免了模拟工作方式需精确控制驱动电压、严格要求加工过程一致性和材料特性一致性的高要求，降低了制造难度。

设计和仿真

闪耀光栅数字微镜显示技术的核心部件基于微机电系统MEMS技术设计和制造。设计基于MEMS的部件时，需要进行机电部件运动设计、基于有限元结构分析的结构设计和微尺度下的动力设计。与传统尺度下机电系统设计的最大区别在于结构设计时，要充分考虑到将要采用的MEMS制造工艺为半导体工艺。

利用MEMS来构建显示系统，一个极其重要的指标是像素单元能够控制在多大的尺寸范围，同时还要求像素单元要有较高的充填率。对像素单元尺寸大小以及填充率影响最大的因素是所选择的微结构致动方式。

闪耀光栅数字微镜采用静电力作为驱动力。为确保闪耀光栅数字微镜动作的准确性、可靠性和闪耀光栅结构的刚度，闪耀光栅微镜部件采用 Coventor 公司的CoventorWare软件进行结构分析、静电力驱动仿真。通过仿真，可以对部件结构进行优化改进设计。优化设计完成之后，可利用CoventorWare软件的工艺仿真模块进行MEMS制造的工艺仿真。从而大幅度地提高开发速度，降低开发风险。图7为改进设计后的闪耀光栅数字微镜部件。

随着MEMS技术的不断发展，纳米级的压印技术已经出现，闪耀光栅的制造也变得不再困难。滚压、模压、灰梯度照相制版蚀刻、涂镀、磁性平板印刷等工艺技术均可以实现低成本制造。而闪耀光栅数字微镜的结构本身，则是基于MEMS的表面制造工艺设计，采取多次掩膜、沉积、蚀刻的工艺完成制造。

闪耀光栅数字微镜的驱动可采用与传统LCD驱动相类似的方式。与LCD不同的是驱动数字微镜并不需要交变电压，用直流驱动电压即可。采用基于COMS技术的有源驱动可以避免直接驱动产生的驱动不足的现象，保证驱动的可靠性。将常规LCD的驱动部件做适当修改，基于LCD的各种驱动技术就可以用于闪耀光栅数字微镜的驱动。典型的驱动模块可由图8所包含的驱动单元构成。

在传统的三基色滤片彩色模式中，由于滤色片的颜色不能变换，因此，当需要显示某一基色时，其余两基色均处于暗态，这就降低了显示系统的亮度和分辨率。在闪耀光栅数字微镜中，由于每一个子像素均能产生三基色和黑色，三个子像素可以同时显示一个基色，因此可以有效地提高显示器的亮度和对比度。不仅如此，如果设计新的配色算法还可以提高分辨率。对于不增加器件就能有效提高亮度和分辨率而言，设计新的配色算法是有意义的。

闪耀光栅数字微镜的驱动与DMD的驱动相比，由于不需要极高速度的驱动器件，可供选择的器件会增加很多，成本也会大幅度降低，这对于加速该技术的开发速度无疑会带来极大的好处。

应用前景

闪耀光栅数字微镜显示技术可以利用太阳光和漫射光作为照明光源，从而有效地延长便携应用的电池供电时间。不仅可以形成便于个人观看的、近眼显示的高质量画面，还可以产生供多人观赏的大幅投影画面。与DMD、GLV技术相比，不仅可以用复合白色光线直接生成彩色画面，省去了色轮、扫描镜等部件，而且大大降低驱动元件的速度要求指标，从而有效地降低制造成本。和传统的LCD显示技术相比，不仅免去造成光源极大损失的偏振片、滤色片，而且还免去了灌注、堵孔、贴膜等装配封装工艺，在提高亮度、对比度、分辨率的同时降低了制造成本。

闪耀光栅数字微镜显示技术是一项既适合于便携用途，又适合于投影显示的新技术，在未来的生活中，将有着极其广泛的应用前景。