具有光角度放大的微镜面器件 【相关申请的交叉引用】
本申请是于2002年4月30日提交的共同未决的美国专利申请No.10/136719的部分继续申请，此申请已转让给本发明的受让人，并通过引用结合于本文中。
【技术领域】
本发明一般涉及微执行器，更具体地涉及微镜面器件。
背景技术
微执行器已经可通过用微电子技术如光刻术、气相淀积和蚀刻等来形成于绝缘体或其它衬底上。这种微执行器通常称为微机电系统(MEMS)器件。微执行器的例子包括微镜面器件。微镜面器件可以起光调制器的作用，用于对入射光进行幅度和/或相位调制。微镜面器件的一项应用是用于显示系统中。在这种情况下，把多个微镜面器件排列成阵列、使得每一个微镜面器件形成显示器的一个单元或像素。
传统的微镜面器件包括静电激励镜，其被支撑成可绕镜子的轴线旋转。因此，通过沿不同方向引导或反射入射光，就可采用镜子绕轴线的旋转来调制入射光。为了沿不同的方向有效地引导入射光，反射光的角度必须足够。例如可通过增大镜子的旋转角度或倾斜角度来增大反射光的角度。然而，由于镜子将在较大的距离上旋转或倾斜，因此增大镜子的旋转角度或倾斜角度可能会使镜子疲劳受损，和/或产生更长的响应时间。
因此，希望能够有效地增大微镜面器件的反射光的角度，而不必增大微镜面器件的镜子的旋转或倾斜。
【发明内容】
本发明的一个方面提供一种微镜面器件。此微镜面器件包括：衬底；以及板，所述板与衬底间隔开并基本上平行于衬底取向、以便在板和衬底之间形成空腔。在衬底和板之间插入反射元件，并且至少在反射元件和板之间的空腔内设置折射系数大于1地液体。在这种情况下，反射元件适合于在第一位置和至少一个第二位置之间运动。
【附图说明】
图1是说明根据本发明的微镜面器件的一部分的一个实施例的示意的剖视图。
图2是说明根据本发明的微镜面器件的一部分的一个实施例的透视图。
图3是说明根据本发明的微镜面器件的一部分的另一实施例的透视图。
图4是沿图2和3中的线4-4截取的示意的剖视图，说明根据本发明的微镜面器件的激励的一个实施例。
图5是说明根据本发明的微镜面器件的光调制的一个实施例的示意的剖视图。
图6是说明传统的微镜面器件的光调制的一个实施例的示意的剖视图。
图7是说明根据本发明的微镜面器件的光调制的另一实施例的示意的剖视图。
图8是说明传统的微镜面器件的光调制的另一实施例的示意的剖视图。
图9是说明根据本发明的微镜面器件的光调制的另一实施例的示意的剖视图。
图10是说明包括根据本发明的微镜面器件的显示系统的一个实施例的框图。
图11是说明包括根据本发明的微镜面器件的光开关的一个实施例的框图。
【具体实施方式】
在对优选实施例的下述详细描述中，将参考形成本发明的一部分的附图，在附图中借助图示说明可实施本发明的具体实施例。在这一方面，方向性用语如“上”、“下”、“前”、“后”、“前面的”、“后面的”等参照所述附图的方位来使用。由于本发明的部件可定位在许多不同的方位，因此这些方向性用语是为说明目的而使用，并不起限制作用。应当理解，在不脱离本发明的范围的前提下，也可采用其它实施例和对其进行结构或逻辑上的变化。因此，以下的详细描述并不具备限制意义，本发明的范围由所附权利要求书限定。
图1说明微镜面器件10的一个实施例。微镜面器件10是一种微执行器，其依赖电-机械转换来产生力并导致物体或元件的运动或启动。如下所述，在一个实施例中，设置了多个微镜面器件10以形成微镜面器件阵列。这样，就可以采用微镜面器件阵列来形成显示器。因此，每一个微镜面器件10构成用于对入射光进行调制的光调制器并形成显示器的一个单元或像素。另外，微镜面器件10还可用于其它成像系统如投影机或打印机中，还可用于光寻址或光交换，和/或其它光束调制。
在一个实施例中，微镜面器件10包括衬底20、板30和执行元件40。板30最好与衬底20的表面22基本上平行地取向并与表面22间隔开，以便在板和衬底之间形成空腔50。执行元件40插入在衬底20的表面22和板30之间。因此，执行元件40处于空腔50内。
在一个实施例中，执行元件40被激励以便相对于衬底20和板30在第一位置47和第二位置48之间运动。执行元件40最好可绕旋转轴线以一定的角度运动或倾斜。因此，以基本上水平并与衬底20基本上平行的形式来图解说明执行元件40的第一位置47，而以与第一位置47形成一定角度的形式来图解说明执行元件40的第二位置48。下面将详细地描述执行元件40相对于衬底20和板30的运动或激励。
在一个实施例中，在空腔50中填充了液体52，使得执行元件40与液体52相接触。更具体地说，不管微镜面器件10如何取向，在空腔50中填充了液体52、使得液体52处于至少执行元件40和板30之间。在一个实施例中，在空腔50中填充了液体52、使得执行元件40浸没在液体52中。因此，液体52处于执行元件40和衬底20之间以及执行元件40和板30之间。因此，液体52与执行元件40的相对的表面接触或润湿了此相对的表面。
液体52最好是透明的。因此，液体52在可见光谱中为透明的或无色的。另外，液体52在电场中是化学稳定的，在较宽的温度工作范围内是热稳定的，并且在光化学上是稳定的。此外，液体52还具有较低的蒸气压力并且是非腐蚀性的。
在一个实施例中，液体52包括介电液体53。如下所述，介电液体53可增强执行元件40的活动。介电液体53最好在电场中具有高极化性并可在非均匀电场中运动。另外，介电液体53具有较低的介电常数和较高的偶极矩。另外，介电液体53通常是柔性的并且可以获得π电子。适合用作介电液体53的液体的例子包括单独的或处于共混物中(即2，3和5个环)的苯基醚、硫化苯基和/或硒化苯基。在一个说明性实施例中，适合用作介电液体53的液体的例子包括聚苯醚(PPE)，例如OS138和橄榄油。
板30最好为透明板32，而执行元件40最好为反射元件42。在一个实施例中，透明板32为玻璃板。然而也可使用其它适当的平面型半透明或透明的材料。这种材料的例子包括石英和塑料。
反射元件42包括反射面44。在一个实施例中，反射元件42由具有适当反射率以形成反射面44的均匀材料形成。这种材料的例子包括多晶硅或金属如铝。在另一实施例中，反射元件42由基材如多晶硅和设置在基材上以形成反射面44的反射性材料如铝或氮化钛形成。另外，反射元件42可由非导电材料形成，或者由导电材料形成或包括导电材料。
如图1中的实施例所示，微镜面器件10对由位于衬底20对面的、透明板32一侧的光源(未示出)所产生的光进行调制。光源例如可包括环境光或人工光。这样，入射在透明板32上的输入光12可穿过透明板32进入到空腔50中，并被反射元件42的反射面44反射成输出光14。因此，输出光14从空腔50中传出并反向穿过透明板32。
输出光14的方向由反射元件42的位置确定或控制。例如，在反射元件42处于第一位置47时，输出光14指向第一方向14a。然而在反射元件42处于第二位置48时，输出光14指向第二方向14b。因此，微镜面器件10调制或改变由输入光12所产生的输出光14的方向。这样，反射元件42就可用于将光引入和/或引出光学成像系统。
在一个实施例中，第一位置是反射元件42的空挡位置并且代表微镜面器件10的“接通”状态，在这种状态下光被反射给例如观众或反射到显示屏上，如下所述。这样，第二位置是反射元件42的激活位置并且代表微镜面器件10的“断开”状态，在这种状态下光不会被反射给例如观众或反射到显示屏上。
图2说明反射元件42的一个实施例。反射元件142具有反射面144，并包括大致矩形的外部部分180和大致矩形的内部部分184。在一个实施例中，在外部部分180和内部部分184上均形成有反射面144。外部部分180具有四个邻接的侧部181，所述四个邻接的侧部181排列成形成大致矩形的开口182。因此，内部部分184处于开口182内。内部部分184最好对称地处于开口182内。
在一个实施例中，一对铰链186延伸在内部部分184和外部部分180之间。铰链186从内部部分184的相对边延伸到外部部分180的相邻的相对边上。外部部分180最好由铰链186沿对称轴线支撑。更具体地说，外部部分180被延伸穿过其相对边的中点的轴线所支撑。因此，铰链186便于如上所述(图1)的反射元件142在第一位置47和第二位置48之间的运动。更具体地说，铰链186便于外部部分180相对于内部部分184在第一位置47和第二位置48之间运动。
在一个实施例中，铰链186包括扭转件188，扭转件188具有基本上平行于反射面144取向的纵向轴线189。纵向轴线189与反射元件142的对称轴线共线且重合。这样，扭转件188可绕纵向轴线189扭转或转动，以调节外部部分180相对于矩形部分184在第一位置47和第二位置48之间的运动。
在一个实施例中，反射元件142被从衬底20的表面22伸出的支撑件或支柱24相对于衬底20而支撑。更具体地说，支柱24支撑了反射元件142的内部部分184。这样，支柱24处于外部部分180的侧部181内。因此，反射元件142的外部部分180由支柱24通过铰链186支撑。
图3说明反射元件42的另一实施例。反射元件242具有反射面244，并包括基本上H形的部分280和一对大致矩形的部分284。在一个实施例中，在H形部分280和矩形部分284上均形成有反射面244。H形部分280具有一对间隔开的分支部分281和在间隔开的分支部分281之间延伸的连接部分282。因此，矩形部分284处于间隔开的分支部分281之间的连接部分282的两侧。矩形部分284最好对称地处于间隔开的分支部分281和连接部分282之间。
在一个实施例中，铰链286延伸在矩形部分284和H形部分280之间。铰链186从矩形部分284的一侧或一边延伸到H形部分280的连接部分282的相邻的相对侧或相对边上。H形部分280最好由铰链286沿对称轴线支撑。更具体地说，H形部分280被延伸穿过连接部分282的相对边的中点的轴线所支撑。因此，铰链286便于如上所述(图1)的反射元件242在第一位置47和第二位置48之间的运动。更具体地说，铰链286便于H形部分280相对于矩形部分284在第一位置47和第二位置48之间的运动。
在一个实施例中，铰链286包括扭转件288，扭转件288具有基本上平行于反射面244取向的纵向轴线289。纵向轴线289与反射元件242的对称轴线共线且重合。这样，扭转件288可绕纵向轴线289扭转或转动，以调节H形部分280相对于矩形部分284在第一位置47和第二位置48之间的运动。
在一个实施例中，反射元件242被从衬底20的表面22上伸出的一对支柱24相对于衬底20而支撑。更具体地说，支柱24支撑了反射元件242的矩形部分284。这样，支柱24处于间隔开的分支部分281之间的连接部分282的两侧。因此，反射元件242的H形部分280由支柱24通过铰链286支撑。
图4说明微镜面器件10的激励的一个实施例。在一个实施例中，通过在形成于衬底20上的电极60上施加电信号而使反射元件42(包括反射元件141和242)在第一位置47和第二位置48之间运动。电极60最好形成在衬底20上的邻近反射元件42的一端或边缘的位置处。在电极60上施加电信号会在电极60和反射元件42之间产生电场，它会导致反射元件42在第一位置47和第二位置48之间运动。因此，反射元件42在第一方向上运动。
最好这样选择介电液体53、以便对电场作出响应。更具体地说，这样选择介电液体53、使得电场把液体的极性分子排列整齐并使之运动。在这种情况下，当施加电场时介电液体53在电场中运动并有助于反射元件42在第一位置47和第二位置48之间运动。因此，在空腔50中填充有介电液体53时，介电液体53增强了作用在反射元件42上的启动力，例如在已转让给本发明的受让人的美国专利申请No.10/136719中所介绍的那样。
最好，当从电极60上去除电信号时，反射元件42保持或固定在第二位置48一段时间。之后，例如包括铰链186(图2)和铰链286(图3)的反射元件42的恢复力将反射元件42拉回或使其返回到第一位置47。
在一个实施例中，导电通路26形成于支柱24内并从中穿过。导电通路26与反射元件42电连接，更具体地说是与反射元件42的导电材料相连。这样，通过在电极60和反射元件42上施加电信号，就可使反射元件42(包括反射元件142和242)在第一位置47和第二位置48之间运动。更具体地说，激励电极60使其具有一种电位，而激励反射元件42的导电材料使其具有不同电位。
在电极60上施加一种电位而在反射元件42上施加不同的电位可在电极60和反射元件42之间产生电场，这使得反射元件42在第一位置47和第二位置48之间运动。如上所述，介电液体53有助于反射元件42的运动。
在另一实施例中，通过在反射元件42上施加电信号，就可使反射元件42(包括反射元件142和242)在第一位置47和第二位置48之间运动。更具体地说，电信号通过导电通路26并经支柱24施加到反射元件42的材料上。这样，在反射元件42上施加电信号就产生了电场，这使得反射元件42在第一位置47和第二位置48之间运动。如上所述，介电液体53有助于反射元件42的运动。
例如在已转让给本发明的受让人的美国专利申请No.10/136719中介绍了微镜面器件10的激励的其它实施例。
在一个实施例中，如图4所示，反射元件42还在与第一方向相反的第二方向上运动。更具体地说，通过在形成于衬底20上的与反射元件42的相对端或边缘相邻的电极62上施加电信号，就可使反射元件42在第一位置47和第三位置49之间运动。这样，通过在电极62上施加电信号，就可使反射元件42在与第一方向相反的第二方向上运动。
对电极62施加电信号会在电极62和反射元件42之间产生电场，这就使反射元件42在第一位置47和第三位置49之间运动，其方式类似于上述反射元件42在第一位置47和第二位置48之间运动的方式。反射元件42可以在第二位置48和第三位置49之间直接地运动而不在第一位置47处停留或停顿，这也属于本发明的范围内。
在一个实施例中，包含于微镜面器件10的空腔50内的液体52(包括介电液体53)具有大于1的折射率。另外，围绕在微镜面器件10周围的空气具有基本上等于1的折射率。这样，在微镜面器件10的空腔50内和微镜面器件10的空腔50外形成了具有不同折射率的区域。
由于折射率不同，因此由微镜面器件10所调制的光线在这两个区域的界面处产生折射。更具体地说，穿过板30并进入到空腔50中的输入光在空腔50的界面处产生折射。另外，由反射元件42反射并经板30从空腔50中出来的输出光在空腔50的界面处产生折射。在一个实施例中，这样选择板30的材料、使其具有基本上等于液体52的折射率。另外，板30的厚度很薄、使得板30处的折射可忽略不计。在一个代表性实施例中，板30的厚度约为1毫米。
在一个说明性实施例中，包含于微镜面器件10的空腔50内的液体52的折射率在约1.3到约1.7的范围内。适合用作液体52的液体的例子包括二苯醚、二苯乙烯、聚二甲基硅氧烷或四苯基-四甲基-三硅氧烷。适合用作液体52的液体的例子例如在代理人档案号为200209446的美国专利申请No.＿＿和代理人档案号为200308966的美国专利申请No.＿＿中有介绍，这些专利申请与本申请同日提交，已转让给本发明的受让人，并且通过引用结合于本文中。
参考图5，对与平表面界面相交的光线来说，斯涅尔定律成立：
n1 sin(A1)＝n2 sin(A2)
其中n1表示平表面界面的第一侧上的折射率，A1表示在平表面界面的第一侧上所形成的光线与正交于此平表面界面并通过光线与所述平表面界面相交的点的直线之间的夹角，n2表示平表面界面的第二侧上的折射率，A2表示在平表面界面的第二侧上所形成的光线与正交于此平表面界面并通过光线与所述平表面界面相交的点的直线之间的夹角。
图5说明输入光12经板30进入到空腔50中并作为输出光14从空腔50中再经板30反射出的一个实施例。在一个实施例中，如上所述，空腔50内的液体52具有大于1的折射率，更具体地说，具有大于空腔50外的空气的折射率。这样，当输入光12进入到空腔50中时，输入光12在与空腔50的交界处产生折射，当输出光14离开空腔50时，输出光14在与空腔50的交界处产生折射。
在一个实施例中，在空腔50的外部，在输入光12和正交于空腔50的界面且延伸并通过输入光12与所述界面相交的点的直线之间形成了角A1。因此，角A1表示输入光12的照射角。另外，在空腔50的内部，在输入光12和正交于空腔50的界面而延伸并通过输入光12与所述界面相交的点的直线之间形成了角A2。因此，角A2表示输入光12的照射折射角。
如上所述，输入光12被反射元件42反射为输出光14。这样，在空腔50的内部，在输出光14和与正交于空腔50的界面而延伸并通过输入光12与所述界面相交的点的直线平行地延伸且通过输入光12被反射元件42反射的点的直线之间形成了角A3。因此，角A3表示输出光14的折射角。另外，在空腔50的外部，在输出光14和正交于空腔50的界面而延伸并通过输出光14与所述界面相交的点的直线之间形成了角A4。因此，角A4表示的输出光14的出射角。
通过应用光学基本原理，包括在与空腔50的接界处的折射和在反射元件42处的反射，就可得到出射角A4，用于改变由角A5表示的反射元件42的倾角，并可改变由折射系数n2表示的空腔50内液体52的折射系数。如上所述，由折射系数n1所表示的微镜面器件10周围的空气的折射系数基本上为1。
图6和7说明通过在空腔50内分别未设置和设置有折射系数大于1的液体的微镜面器件所进行的光调制的代表性实施例。图6说明通过在空腔50内未设置折射系数大于1的液体的微镜面器件所进行的光调制。在图6所示的代表性实施例中，空腔50未包括液体52，而是包括了空气。这样，空腔50内的折射系数基本上为1。由于微镜面器件外部的折射系数也基本上为1，因此如上所述，假定板30的厚度非常薄，那么在与空腔50的接界处不会产生折射。在图6所示的代表性实施例中，输入光12的照射角A1为15度，反射元件42的倾角A5为5度。这样，输出光14的出射角A4为25度。
图7说明通过在空腔50内设置有折射系数大于1的液体的微镜面器件所进行的光调制。在图7所示的代表性实施例中，空腔50包括液体52(包括介电液体53)，其折射系数为1.65。另外，作为与图6的对比，输入光12的照射角A1为15度，反射元件42的倾角A5为5度。然而，输出光14的出射角A4为32.5度。这样，在相同的输入光12的照射角(15度)和相同的反射元件42的倾角A5(5度)的情况下，在空腔50内存在有液体52时，输出光14可以达到更大的出射角。因此，例如在空腔50包括液体52时，在反射元件42的倾角不增加的情况下，空腔50的输出光14的出射角可得到30％的增加(7.5度)。在这里，出射角的这种增大可称为角度放大。
图8说明通过在空腔50内未设置折射系数大于1的液体的微镜面器件所进行的光调制另一代表性实施例。在图8所示的代表性实施例中，空腔50未包括液体52，而是包括了空气。因此，空腔50内的折射系数基本上为1。由于微镜面器件外部的折射系数也基本上为1，因此在与空腔50的接界处不会产生角度放大。
在图8所示的代表性实施例中，输入光12的照射角A1为15度，反射元件42的倾角A5为5度。这样，在空腔50内未设置液体52且在输入光12具有照射角(15度)的情况下，为了产生与如图7所示的出射角(32.5度)相同的输出光14的出射角A4，反射元件42的倾角A5必须增加到8.75度。因此，例如在空腔50未包括液体52时，为了从空腔50中产生相同的输出光14的出射角，反射元件42的倾角需要增加75％(3.75度)。
图9说明通过在空腔50内设置有折射系数大于1的液体的微镜面器件所进行的光调制的另一代表性实施例。在图9所示的代表性实施例中，空腔50包括液体52(包括介电液体53)，其折射系数为1.65。另外，输入光12的照射角A1为15度。这样，在空腔50内设置有液体52且输入光12具有相同的照射角(15度)的情况下，为了产生与如图6所示的出射角(25度)相同的输出光14的出射角A4，反射元件42的倾角A5只需为2.9度。因此，例如在空腔50包括液体52时，反射元件42的倾角降低42％(2.1度)就可从空腔50中产生相同的输出光14的出射角。
在一个实施例中，如图10所示，微镜面器件10结合于显示系统500中。显示系统500包括光源510、光源光学部件512、光处理器或控制器514和投影光学部件516。光处理器514包括排列成阵列的多个微镜面器件10，因而各微镜面器件10构成了显示器的一个单元或像素。微镜面器件10的阵列可形成在一个共用衬底上，所述衬底具有用于多个微镜面器件10的反射元件的单独空腔和/或共用空腔。
在一个实施例中，光处理器514接收代表待显示图像的图像数据518。这样，光处理器514根据图像数据518来控制对微镜面器件10的激励和对从光源510接收到的光的调制。然后为观众投影调制后的光或将调制后的光投影在显示屏520上。
在一个实施例中，如图11所示，微镜面器件10结合在光交换系统600中。光交换系统600包括光源610、光处理器或控制器612以及至少一个接收器614。光处理器612包括一个或多个配置成可选择性地将光引导到接收器614上的微镜面器件10。光源610例如可包括光纤、激光、发光二极管(LED)或其它发光装置，以产生输入光12。接收器614例如可以包括光纤、光导管/光通道或者其它光接收或检测装置。
在一个实施例中，接收器614包括第一接收器614a和第二接收器614b。这样，光处理器612控制微镜面器件10的激励和来自光源610的光的调制，以便将光引导到第一接收器614a或第二接收器614b中。例如，当微镜面器件10处于第一位置时，将输出光14a引导到第一接收器614a中，而当微镜面器件10处于第二位置时，将输出光14b引导到第二接收器614b中。这样，光交换系统600可采用微镜面器件10来控制或引导光、以便例如用于光寻址或光交换中。
通过在空腔50内设置折射系数大于1的液体52(包括介电液体53)，就可以增大或放大来自微镜面器件10的输出光14的出射角，而不必增大反射元件42的倾角。通过增大来自微镜面器件10的输出光14的出射角，就可以在被引向完全接通和完全切断显示装置的投影光学部件之间更有效地调制入射光。这样，可以提高显示装置的对比度。
另外，通过用反射元件42的更小倾角来产生来自微镜面器件10的输出光14的所需出射角，就可使反射元件42的视在倾角大于反射元件42的实际倾角。因此，由于反射元件42可在更短距离上旋转或倾斜同时仍产生来自微镜面器件10的输出光14的所需出射角，就可以实现微镜面器件10的更快速的响应或激励时间。此外，微镜面器件10的疲劳度更小，这是因为反射元件42可在更短距离上旋转或倾斜，同时仍产生来自微镜面器件10的输出光14的所需出射角。
虽然在本文中为优选实施例的描述目的而显示并介绍了特定的实施例，然而本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以用能实现相同目的的多种不同的替代和/或等效实施方案来代替这些特定的实施例。化学、机械、机电、电气和计算机领域的技术人员可以容易地理解，本发明可以很多种不同的实施例来实施。本申请用来覆盖这里讨论的优选实施例的任何修改或变化。因此，很明显，本发明只由权利要求书及其等效物来限定。