通过应力调谐的发光光栅光阀 【发明领域】
本发明涉及光调制器的领域，特别是涉及投射光被调制而产生发光衍射的光调制器领域。
背景技术
Bollm等人曾在题为“调制光束的方法和设备”的美国专利5,311,360号中讲授一种能在反射模式和衍射模式下运作的光栅光阀。该光栅光阀包括悬挂在基底之上的一些细长元件。在反射的模式下，光栅光阀的多个表面能使投射光在构造上结合而形成反射光。在衍射的模式下，光栅光阀的一些反射表面被该投射光的四分之一波长相互间离开以产生衍射光。这时光栅光阀主要将光衍射成一个正一的衍射序列和一个负一的衍射序列，但也将少量光衍射成较高次的衍射序列。
Bloom等人还讲授另一种能在反射模式和发光衍射模式下运作的光栅光阀。该光栅光阀包括悬挂在基底之上的一些细长元件，但在每一个细长元件的两端均包括有偏离轴线的颈部。在反射模式下，该细长元件互相平行使投射光在其上反射，从而产生反射光。在发光衍射模式下，每一细长元件都环绕一条由这些离轴线的颈部限定的轴线被旋转而产生发光衍射。
因为光调制器是在反射模式和衍射模式之间转换，并且因为反射模式将少量的光衍射成与发光衍射模式相同地角度，在非作用状态与作用状态之间的对比小于优化的对比。另外，这些偏离轴线的颈部对光调制器的运作至关紧要，因此偏离轴线的颈部必需有紧密的公差，这使光调制器较难制造，也使制造费用较贵。
需要有一种能提供较高对比的发光衍射光调制器。
需要有一种较易制造的发光衍射光调制器。
需要有一种制造较经济的发光衍射光调制器。
发明概述
本发明为一种光调制器。该光调制器包括一些互相平行排列并悬挂在基底之上的细长元件。光调制器在第一衍射模式下和在第二衍射模式下运作。在第一衍射模式下，投射光衍射成至少两个衍射序列。在第二衍射模式下，投射光衍射成单一的衍射序列，其衍射角不同于至少有两个衍射序列时的衍射角。
每一个细长元件都有一个中央发光部、一个第一外部发光过渡段、和一个第二外部发光过渡段。中央发光部将第一外部发光过渡段偶联到第二外部发光过渡段。每一个中央发光部都有一个反射表面。从中央发光部选出的一批各有一个第一导电元件。第一外部发光过渡段和第二外部发光过渡段各被偶联到基底上。基底具有一个第二导电元件。
当将最好为零值的第一电偏压施加在从这些细长元件中选出的一批元件的第一导电元件和第二导电元件之间时，这些细长元件产生第一衍射。而当将第二电偏压施加在从这些细长元件中选出的一批元件的第一导电元件和第二导电元件之间时，调节这些发光部分的相对高度以产生第二衍射。
附图简要说明
图1示出本发明的优选发光光栅光阀(GLV)的等角投影图。
图2A示出本发明的优选的发光光栅光阀的单个细长元件和在下面的基底的等角投影图。
图2B进一步示出权利要求的单个细长元件和在下面的基底。
图3A和3B分别示出本发明的优选发光光栅光阀分别在非作用状态时和在完全作用状态时的横向剖视图，其时投射光与光栅平面正交。
图4A和4B分别示出本发明的优选发光光栅光阀分别在非作用状态时和在完全作用状态时的横向剖视图，其时投射光以倾斜的角度投射。
图5A、5B、5C；6A、6B、6C；7A、7B、7C；和8A、8B、8C分别示出本发明的第一、第二、第三和第四局部制成的发光光栅光阀的一个平面视图和两个相互垂直的视图。
图9A、9B和9C分别示出本发明的制成的发光光栅光阀的一个平面视图和两个相互垂直的视图。
图10示出本发明的一个可替代的细长元件和在下面的基底。
优选实施例的详细说明
图1中用等角投影示出的优选发光光栅光阀20包括：一个基底22，一些细长元件24，一些第一柱头26(示出一个)和一些第二柱头28(示出一个)。基底22包括一个第一导体30。每一个细长元件24都包括一个中央发光部32、一个第一外部发光过渡段34、和一个第二外部发光过渡段36。用一个第一柱头26和一个第二柱头28将每一个细长元件24偶联到基底22上。每一个细长元件24最好还在其第一端和第二端(未示出)偶联到基底22上。每一个中央发光部32都有一个能反射的表面38，该表面最好还能导电。
在图2A中进一步用等角投影示出一个细长元件24和一部分基底22。细长元件24包括第一外部发光过渡段34、中央发光部32、第二外部发光过渡段36和反射表面38。最好第一外部发光过渡段34、中央发光部32和第二外部发光过渡段36都各占在第一和第二柱头26和28之间细长元件24长度的三分之一。细长元件24被第一和第二柱头26和28偶联到基底上。
最好细长元件24、第一柱头26、和第二柱头28均由弹性材料如氮化硅构成。最好反射表面为一铝层，或者为一不同的金属，甚或为一多层的介电反射镜。基底22包括第一导体30。最好，基底22含有硅，或者含有不同的半导体材料或绝缘材料。最好第一导体30含有搀杂的多晶硅，或者为一金属。对于可见光谱的用途，最好细长元件24从第一柱头26到第二柱头28的长度约为200μm而宽度约为4.25μm。
第一和第二外部发光过渡段34和36能使中央发光部32倾侧，因此中央发光部32的近边33向下倾侧。制造时光要使细长元件从在下的层上脱开，中央发光部32的倾侧便会发生。倾侧是由细长元件24内的内部拉应力及在第一外部发光过渡段34和中央发光部之间的第一过渡段处37与中央发光部32和第二外部发光过渡段36之间的第二过渡段处39的刚度造成的。这个内部拉应力由第一和第二锚件(未示出)承受。
细长元件24和基底22还在图2B中示出。细长元件24最好具有中央部40及第一和第二外部42和44。第一外部42最好在第一端46和第一柱头处26被偶联到基底22上。第二外部44最好在第二端48和第二柱头28处被偶联到基底22上。最好第一和第二外部42和44还被处在第一和第二端46和48附近的第一和第二锚件29和31分别偶联到基底22上。最好第一和第二锚件29和31具有椭圆形横截面，其长轴平行于细长元件24的长度。这样，第一和第二锚件29和31沿由细长元件24内的内部拉应力所限定的拉力方向较为刚性。最好第一和第二外部42和44的长度大致与中央部40等长，但也可不等。第一和第二外部42和44保证细长元件24及第一和第二柱头26和28(注意在图2B中由于细部的尺寸小，中央发光部32的倾侧未能示出)均匀地制造。
图3A示出本发明的优选发光光栅光阀20的第一横向剖视图50。该图50所示光阀20是在非作用状态。细长元件24的中央发光部32最好具有一个长方形体52和一个金属反射件54。长方形体52最好含有氮化硅，而金属反射件54最好含有铝。每一中央发光部32最好与光栅平面成一发光角γ。每一中央发光部32的高边和低边的高度差最好为投射光波长四分之一即λ/4。中央部32最好有一光栅栅距A。发光角γ由下式给出：γ＝arctan(λ/(4A))。
在非作用的状态下，在细长元件24和第一导体30之间的电偏压最好为零。波长为λ的投射光I以与光栅平面56正交的方向照射发光光栅光阀20。为了便于论述的目的，衍射序列根据两倍于光栅栅距A的第二光栅栅距2A来制定。
在非作用的状态下，波长为λ的投射光I被衍射成第零衍射序列的D0和第二衍射序列的衍射D2。第零序列的衍射D0与光栅平面56正交，第二极的衍射D2则偏转一个由下式给出的第二序列衍射角θ2∶θ2＝arcsin(λ/A)。对于优选的发光光栅光阀20，第二序列衍射角θ2小于约10°。这时，第二序列衍射角θ2约为发光角γ的四倍。
忽略不计由于金属反射件54的吸收而产生的第一光学损失和投射光I在细长元件相邻对之间的间隙内通过时的第二光学损失，约有半数投射光被衍射成第零衍射序列D0，另有半数投射光被衍射成第二衍射序列D2。
图3B示出本发明的优选发光光栅光阀20的第二横向剖视图60。该图所示光阀是在作用状态。为了产生作用状态，最好在第一导体30和细长元件24的交错的一个的金属反射件54之间施加一个电偏压，使细长元件24中的交错的一个元件向基底22移动。在完全作用的状态下，这个移动可达投射光I的四分之一波长λ/4。这样便能使成对的中央发光部32形成一个等于投射光一半波长λ/2的有效地完全作用的高度差同时保持发光角γ。
在完全作用的状态下，波长为λ的投射光被衍射成为具有第一序列角θ1的第一序列衍射D1。第一序列角θ1由下式给出：θ1＝arcsin(λ/2A)。对于这里所说优选光栅光阀20，第一序列角θ1约为发光角γ的两倍。
图4A示出本发明的优选光栅光阀20的第三横向剖视图70。该图70所示光阀20是在非作用状态，而投射光I是从正交偏斜一个角度θi投向光栅平面。在非作用状态下，投射光I被衍射成一个偏斜第零序列衍射D0’和一个偏斜第二序列衍射D′2，和一个偏斜负第二序列衍射D′-2。偏斜第零序列衍射D′0与光栅平面56的法线成一偏斜第零序列角θ′0，该角θ′0等于偏斜角θi。偏斜第零序列角θ′0和偏斜角θi由下式给出：θ′0＝θi＝arcsin(λ/2A)。偏斜第二序列衍射D′2的偏射角为θi。
图4B示出本发明的优选发光光阀20的第四横向剖视图72。该图72所示光阀20是在作用状态，而投射光I是从正交偏斜一个角θi投向光栅平面56。在完全作用状态下，投射光I被衍射成一偏斜第一序列衍射D′1。该衍射与光栅平面56正交。
这里所说的优选发光光栅光阀20有下列五个优点：
第一，它在作用状态下能提供发光的衍射，而在非作用状态与作用状态之间能很快转换。这是因为细长元件是被平移而不是被旋转。
第二，它在非作用状态下，对于正交投射不能将投射光衍射成第一衍射序列D1，而对于偏斜投射不能将投射光衍射成偏斜第一序列衍射D1′。因此在显象的用途中，当优选发光光栅光阀20产生象素阵列而使明亮象素对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，能提供图象的暗黑象素。在通信的用途中，当优选发光光栅光阀20被用作开关而使开关的开通状态对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，能提供开关的关断状态。
第三，它在作用状态下，能将投射光衍射成单一的衍射序列，即对于正交投射衍射成第一衍射序列D1，或对于偏斜投射衍射成偏斜第一序列衍射D1′。因此在显象用途中，当优选发光光栅光阀20产生象素阵列而将明亮象素对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，这样可简化显象光学器件，因为只有单一的衍射序列要被聚光来产生明亮的象素。在通信用途中，当优选发光光栅光阀20被用作开关而使开关的开通状态对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，这样能有效地利用投射光，因为投射光被衍射成单一的衍射序列。
第四，因为在非作用状态下，投射光I在正交投射时不能被衍射成第一衍射序列D1，或在偏斜投射时不能被衍射成第一序列衍射D1′。并因为在作用状态下，投射光I被衍射成单一的衍射序列，因此优选发光光栅光阀20能在非作用状态和作用状态之间提供高对比率。在通常的情况下，这个对比率约为1000比1。在显象用途中，当优选发光光栅光阀20产生象素阵列而使明亮象素对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，这样能产生高对比的图象。在通信用途中，当优选发光光栅光阀20被用作开关而使开关的开通状态对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，这样能在开通状态和关断状态之间产生高度的差别。
第五，因为作用状态能将投射光衍射成单一的衍射序列，因此不论是正交投射时的第一衍射序列D1还是偏斜投射时的偏斜第一序列衍射D1′，其焦点深度都比将有效光衍射成多个衍射序列的衍射光调制器来得深。在显象用途中，当优选发光光栅光阀20产生象素阵列而使明亮象素对应于第一衍射序列D1或偏斜第一序列衍射D1′时，可应用较简单的光学器材。在显象用途的一种型式即打印用途中，明亮象素典型地被用来照射圆筒，较深的焦点深度能提供较清晰的打印图象。
本发明的第一局部制成的发光光栅光阀80在图5A、5B和5C中示出。光阀80的制造是从一块硅的基底82开始。接下来最好在氧气气氛内加热硅基底，使在其上形成一个厚度最好约为1.0μm的场氧化层。随后，将一导电层86沉积在场氧化层84上。最好导电层86具有约为0.35μm的厚度并且含有用LPCVD(低压化学气相沉积)法沉积的搀杂多晶硅。此后，在导电层86上形成一块蚀刻光阑88。最好光阑88为在氧气氛围内由加热多晶硅而形成的第二场氧化层，具有约为200(埃，波长单位＝10-8cm)的厚度。其次，在蚀刻光阑88上沉积一个牺牲层90。最好牺牲层90为用LPCVD法沉积的多晶硅，厚度约为1.0μm。或者，牺牲层的厚度可大于或大致等于投射光I的波长λ。
本发明的第二局部制成的发光光栅光阀92在图6A、6B、6C中示出。光阀92的制造是从光阀80(图5A、5B、5C)开始，包括使用照相平版印刷术和半导体蚀刻技术如等离子蚀刻的第一和第二蚀刻步骤。第一蚀刻步骤在牺牲层90内蚀刻出浅薄能引起应力的部分。第二蚀刻步骤在牺牲层90内蚀刻出柱头孔94，还蚀刻出锚件孔(未示出)。从锚件孔制出第一和第二锚件29和31(图2B)。第二蚀刻步骤还蚀刻出牺牲层边缘(未示出)，这是每一个细长元件24的第一和第二端38和40偶联到基底22上的地方(图2B)。
本行业的行家当会知道，应用半导体蚀刻技术容易在柱头孔94和引起应力的细部96两者外露的角落内制出小平面。
本发明的第三局部制成的发光光栅光阀100在图7A、7B和7C中示出。光阀100的制造是从光阀92(图6A、6B和6C)开始，包括将弹性材料102沉积在光阀92上，然后将金属104沉积在弹性材料102上。最好弹性材料102为氮化硅。最好弹性材料102将第二局部制成的光阀92的柱头孔94和锚件孔的表面覆盖。或者弹性材料102较充分地填充在柱头孔94和锚件孔内。(注意图7A和7B所画填充柱头孔94的弹性材料102为了更容易理解已予简化。)最好弹性材料具有内部拉应力约为1GPa。最好弹性材料102具有约为920的厚度并且是用LPCVD法沉积的。最好金属104为厚度约为500的铝并且是用物理蒸气沉积技术如阴极溅镀或气化沉积的。
本发明的第四局部制成的发光光栅光阀106在图8A、8B和8C中示出。光阀106的制造是从光阀100(图7A、7B和7C)开始，并且包括蚀刻金属104和弹性材料102以资形成由牺牲层90支承而制成的细长元件24A。
本发明的完全制成的发光光栅光阀110在图9A、9B和9C中示出。光阀110的制造是从光阀106(图8A、8B和8C)开始，并且包括使用二氟化氙蚀刻剂蚀刻牺牲层90来完成。这样便可生产出具有制成的中央发光部32A，中央发光部32A通过制成的第一和第二发光过渡段34A和36A偶联到制成的第一第二柱头26A和28A上，由这两柱头将制成的细长元件24A偶联到制成的基底22A上。
图9D示出其中一个制成的细长元件通过制成的中夹发光部的横截面。在用二氟化氙蚀刻剂使制成的中央发光部凸现时，制成的第一和第二发光过渡段34A和36A(图9B)可使制成的中央发光部32A的表面倾斜成为所需的发光角γ′。
本行业的行家当会知道可用结构和制造都很熟悉的搭接片来使制成的发光光栅光阀110合适地接电。另外，行家当会知道制成的发光光栅光阀100是本发明的一个特定的实施例，因此，所说优选发光光栅光阀20较为概括地描述本发明。
本发明的第一可替代的细长元件和在其下的基底22在图10中示出。第一可替代的细长元件24B包括一个与第一和第二可替代的发光过渡段34A和36A偶联的可替代的中央发光部32A。第一和第二可替代的发光过渡段在可替代的中央发光部32A各有一个对称的台阶，使可替代的中央发光部32A的近边33向下倾斜而远边35向上倾斜。
本行业的行家当会知道，在不离开权利要求书所限定的本发明的精神和范围的前提下，上面所说的实施例是可以作出各种修改的。