本發(fā)明涉及激光投影顯示領(lǐng)域，尤其涉及一種抑制激光散斑的MEMS振鏡及其制作方法。

背景技術(shù)：

相對(duì)于傳統(tǒng)的顯示技術(shù)，激光投影顯示技術(shù)具有較寬色域而容易獲得生動(dòng)鮮明的畫(huà)面，具有超高的亮度和對(duì)比度而容易提高顯示畫(huà)面質(zhì)量，同時(shí)還具有壽命長(zhǎng)、功耗低、可靠性高和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的顯示技術(shù)。目前激光顯示中存在的一個(gè)主要應(yīng)用障礙是激光散斑現(xiàn)象。激光光源具有高相干性，激光光源照射在粗糙屏幕后產(chǎn)生的漫反射光線(xiàn)將在空間光路上發(fā)生嚴(yán)重的干涉而形成明顯的干涉條紋。由于屏幕表面的粗糙特性并無(wú)規(guī)律，因此所形成的干涉圖像也無(wú)規(guī)律，而是隨機(jī)分布的細(xì)小尺寸的亮斑，即為散斑(laser speckle)。該亮斑將影響漫反射空間中任意位置的觀(guān)察者所看到圖像的視覺(jué)效果。激光散斑通常用畫(huà)面的光強(qiáng)分布來(lái)表征度量，具體定義為光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與畫(huà)面平均光強(qiáng)的比值，可以通過(guò)CCD拍攝并利用圖像處理系統(tǒng)來(lái)分析計(jì)算。

依據(jù)激光散斑的形成原理，激光散斑的抑制方法大體可以分為三類(lèi)。第一類(lèi)是通過(guò)降低光源的相干性，如增加激光光源的譜帶寬度，激光器諧振腔調(diào)制、脈沖光源、多光源、出射方向的光源振動(dòng)等方法。第二類(lèi)是通過(guò)降低屏幕終端的反射光散斑，如振動(dòng)屏幕。第三類(lèi)是通過(guò)在光路中改變激光的相干性從而抑制激光散斑現(xiàn)象，如振動(dòng)鏡，隨機(jī)相位片，光導(dǎo)管等。激光在傳播過(guò)程中(反射或透射)與界面或器件發(fā)生作用形成出射角度多樣化(微小差異)、相位差異隨機(jī)化或偏振差異化的出射激光，最終降低散斑對(duì)比度。相對(duì)于前兩類(lèi)方法，在光路中降低激光散斑的方案具有操作設(shè)計(jì)空間大，選擇多，成本低，局限小等優(yōu)點(diǎn)。

CN105301793A公開(kāi)了一種旋轉(zhuǎn)透射式，具有凹凸表面的消散斑光學(xué)元件，CN105700169A公開(kāi)了一種將振動(dòng)裝置與光源、光路器件和屏幕等任意元件結(jié)合的消散斑裝置。近幾年的研究文獻(xiàn)中介紹了旋轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式激光勻散器(diffuser)，旋轉(zhuǎn)勻光管(light pipe)和微鏡陣列光束整形器件(Vibrating microlens array beam shaper or diffuser)，均有較明顯的散斑對(duì)比度消減效果。

目前隨著產(chǎn)品微型便攜化發(fā)展，還有眾多此類(lèi)消減散斑器件從MEMS角度開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，如靜電驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)衍射光柵、壓電驅(qū)動(dòng)的MEMS變形反射鏡、MEMS微鏡陣列二元相位調(diào)制器(CN102967933A)、MEMS平面光波導(dǎo)分路器(CN102053385A)、MEMS面外垂直振動(dòng)膜(CN102141687A)，拋光粗化的MEMS振動(dòng)反射鏡(CN102207634A)。上述器件或裝置可以對(duì)散斑對(duì)比度產(chǎn)生消減效果，具有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在各方面不足，例如制作工藝復(fù)雜，工藝可控性差，成本居高，光能量損失嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)微型化和集成化等等?，F(xiàn)實(shí)激光顯示技術(shù)仍然在努力追求一種能有效降低散斑現(xiàn)象的簡(jiǎn)單可靠裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種抑制激光散斑的MEMS振鏡及其制作方法，結(jié)構(gòu)及制作工藝簡(jiǎn)單，可靠性高，能耗低，且光能量損失較小。

一種抑制激光散斑的MEMS振鏡，該MEMS振鏡由SOI片制成，包括反射鏡面、驅(qū)動(dòng)反射鏡面振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測(cè)反射鏡面振動(dòng)的檢測(cè)梳齒，其中，所述反射鏡面的表面有波浪起伏結(jié)構(gòu)，保證對(duì)入射光進(jìn)行反射，同時(shí)干擾激光相位實(shí)現(xiàn)散斑抑制功能。

所述的波浪起伏結(jié)構(gòu)指隨機(jī)的特征尺寸范圍的凸起或凹陷圖形，且截面形貌為連續(xù)起伏的規(guī)則或不規(guī)則的波浪形，而非臺(tái)階形，保證波浪起伏的表面形貌得到更為豐富的激光相位差異和出射光角度微差異，增強(qiáng)激光散斑的抑制效果。

所述凸起或凹陷的圖形為不同尺寸的圓形或正多邊形，圓形的直徑為2～100μm，正多邊形外接圓的直徑為2～100μm。

相鄰?fù)蛊鸹虬枷葜g的距離通過(guò)凸起或凹陷的表面覆蓋率決定，凸起的高度或凹陷的深度由刻蝕的深度決定。

所述凸起的高度或凹陷的深度為入射光波長(zhǎng)的1/4～2倍。

所述的反射鏡面上表面進(jìn)一步設(shè)置有金屬層，以提高反射鏡面的反射率。

所述的金屬層為厚度為50～500nm的金屬鋁或者厚度為5～20nm鉻和50～500nm金的合金。

所述驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測(cè)梳齒均包括動(dòng)梳齒和靜梳齒，其中，反射鏡面和動(dòng)梳齒通過(guò)諧振梁懸置連接外框架，靜梳齒直接與外框架相連。

一種抑制激光散斑的MEMS振鏡的制備方法，包括以下步驟：

(1)在SOI的底層制備背腔，該背腔刻蝕至SOI埋氧層，使得埋氧層暴露出來(lái)；

(2)在SOI的器件層通過(guò)光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光制作波浪形特征表面；

(3)在波浪起伏形特征表面沉積金屬反射層，金屬反射層仍然維持波浪特征；

(4)將步驟(3)獲得的器件經(jīng)過(guò)光刻并從器件層刻蝕到埋氧層，形成電隔離槽和振鏡的主要結(jié)構(gòu)，所述電隔離槽位于各梳齒結(jié)構(gòu)與電極的周?chē)?/p>

(5)腐蝕暴露在背腔的埋氧層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：在本發(fā)明振鏡結(jié)構(gòu)中，反射鏡面基于微加工工藝制作，其表面設(shè)計(jì)有波浪起伏結(jié)構(gòu)，可以使反射光得到更為豐富的激光相位差異和出射光角度微差異，增強(qiáng)激光散斑的抑制效果；這些波浪起伏結(jié)構(gòu)可以通過(guò)控制凸起或凹陷圖形的形狀、布局、大小、高度或深度和截面輪廓等參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)和調(diào)整，進(jìn)而控制表面對(duì)光的反射，衍射和散射特性，減少光能量的損失；

在本發(fā)明工藝方法中，反射鏡面加工所采用的淺刻蝕工藝可以維持被刻蝕區(qū)面有較好的鏡面特性，并消除刻蝕后淺槽內(nèi)的底部直角拐角而得到圓弧倒角；隨后的腐蝕拋光工藝可以對(duì)刻蝕形成的尖凸角形成圓化處理，提高基底的反射率水平且抑制鏡面的衍射圖紋和減小鏡面的散射錐角，最大程度地減小由于反射光散射引起的光能量損失；反射鏡面沉積的金屬層也可以進(jìn)一步提高鏡面的反射率。

另外，針對(duì)于反射型散斑抑制MEMS振鏡存在一定程度的散射錐角的客觀(guān)現(xiàn)實(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況和需求在出射光路上通過(guò)透鏡匯聚的方式再次提高光能量利用率。

【附圖說(shuō)明】

圖1是加工MEMS振鏡所使用的SOI硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是SOI硅片的支撐層經(jīng)光刻和刻蝕后形成空腔。

圖3是SOI硅片的器件層經(jīng)光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光后形成波浪起伏表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是波浪起伏的鏡面上沉積一層金屬反射層后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是SOI硅片的器件層經(jīng)再次光刻并刻蝕至埋氧層，形成電隔離槽和振鏡的主要結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明振鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明MEMS振鏡的器件層平面示意圖。

圖8是本發(fā)明鏡面內(nèi)隨機(jī)分布的微小圖形的示意圖。

圖9是本發(fā)明MEMS振鏡在激光顯示系統(tǒng)內(nèi)的工作示意圖。

【具體實(shí)施方式】

請(qǐng)參閱圖9所示，本發(fā)明MEMS振鏡在激光顯示系統(tǒng)內(nèi)的工作示意圖。示意圖包括激光源1、MEMS振鏡、短焦距光學(xué)平凸透鏡2、勻光管4，激光顯示芯片5以及顯示屏幕6，所述MEMS振鏡位于激光源1的出射光路上，通過(guò)MEMS振鏡的相位干擾和鏡面反射，將來(lái)自于激光源1的高相干性入射光轉(zhuǎn)換為具有不均勻相位差的出射光。具有一定散射錐角的出射光經(jīng)過(guò)前短焦距平凸透鏡、勻光管4和后短焦距平凸透鏡的匯聚、勻化和聚焦，然后進(jìn)入激光顯示芯片5并最終投射到顯示屏幕6。

請(qǐng)參閱圖7所示，所示的MEMS振鏡，包含反射鏡面31、諧振懸梁39、驅(qū)動(dòng)梳齒33、檢測(cè)梳齒35、驅(qū)動(dòng)梳齒的動(dòng)梳齒電極331和靜梳齒電極333、檢測(cè)梳齒的靜梳齒電極351和外框架37；反射鏡面31和動(dòng)梳齒通過(guò)諧振懸梁39懸置連接于外框架37，靜梳齒直接與外框架37相連，驅(qū)動(dòng)梳齒的動(dòng)梳齒電極331、靜梳齒電極333、檢測(cè)梳齒的靜梳齒電極351分布于外框架37的表面并與對(duì)應(yīng)的梳齒相連。

所有結(jié)構(gòu)均分布在SOI片的器件層，動(dòng)靜梳齒之間通過(guò)刻蝕隔離槽41和埋氧層實(shí)現(xiàn)電絕緣隔離。SOI片的支撐層設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)的空腔，以釋放器件層可動(dòng)結(jié)構(gòu)，提供自由振動(dòng)空間，減小振動(dòng)阻尼。

所述的反射鏡面具有隨機(jī)分布且微小的波浪起伏特征，保證對(duì)入射光有較高的反射率，同時(shí)還能干擾激光相位實(shí)現(xiàn)散斑抑制功能。隨機(jī)且微小的波浪起伏特征具體是指鏡面上隨機(jī)分布了特征尺寸范圍的凸起(或凹陷)圖形，且截面形貌為連續(xù)起伏的規(guī)則或不規(guī)則的波浪形，而非臺(tái)階形，波浪起伏的表面形貌利于得到更為豐富的激光相位差異和出射光角度微差異，增強(qiáng)激光散斑的抑制效果。

制作隨機(jī)且微小的波浪起伏特征表面所需的光刻掩膜圖形通過(guò)軟件隨機(jī)生成得到，隨機(jī)分布的凸起(或凹陷)圖形可以是不同尺寸的圓形(直徑為2-100μm)或者正多邊形(外接圓的直徑為2-100μm)，相鄰的凸起(或凹陷)圖形之間的距離通過(guò)凸起(或凹陷)圖形的表面覆蓋率來(lái)決定，凸起高度(或凹陷深度)由淺刻蝕的深度決定，具體范圍是入射光波長(zhǎng)(λ)的1/4～2倍之間。

另外，為了維持較高的反射率、抑制衍射光斑和減少散射錐角，淺刻蝕所得的波浪起伏反射鏡面經(jīng)過(guò)腐蝕拋光工藝處理，并沉積5～20nm鉻和50～500nm金的一層金屬反射層。

所制作的抑制激光散斑的MEMS振鏡可以通過(guò)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)鏡面做面內(nèi)左右振動(dòng)，并且振動(dòng)頻率可通過(guò)MEMS振鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。振動(dòng)的反射鏡面進(jìn)一步增強(qiáng)激光散斑對(duì)比度的時(shí)間平均，提高該裝置對(duì)散斑的抑制效果。

本發(fā)明提供一種激光顯示系統(tǒng)中抑制激光散斑的MEMS振鏡制作方法。通過(guò)光刻、刻蝕和鍍膜等半導(dǎo)體微加工工藝制作，容易對(duì)該器件的各種參數(shù)精密控制和設(shè)計(jì)，尤其便于器件中的核心結(jié)構(gòu)——鏡面的特征設(shè)計(jì)和控制，滿(mǎn)足多樣化需求。

所述振鏡按照以下步驟制備：

(1)SOI硅片的上層為器件層(單晶硅)，中間層為埋氧層(二氧化硅)，底層為支撐層(單晶硅)，如圖1；首先在SOI的底層經(jīng)光刻和刻蝕后形成空腔，空腔內(nèi)的埋氧層暴露出來(lái)，該空腔為背腔，如圖2；

(2)在SOI的器件層通過(guò)光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光工藝制作波浪形特征表面，面內(nèi)隨機(jī)分布微小的淺圓弧凹槽，刻蝕深度為200-1200nm，如圖3；

(3)在波浪起伏形特征表面沉積金屬反射層和制作電極，金屬反射層仍然維持波浪特征，沉積的金屬Cr和Au，厚度分別為10nm和200nm，如圖4；

(4)將步驟(3)獲得的器件經(jīng)過(guò)光刻并從器件層刻蝕到埋氧層，形成電隔離槽和振鏡的主要結(jié)構(gòu)(即驅(qū)動(dòng)梳齒、振動(dòng)梁等)，如圖5；

(5)通過(guò)氫氟酸腐蝕暴露在背腔的埋氧層，釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)，完成振鏡制作，如圖6。

所述的波浪形表面制作所需要的光刻掩膜版圖形是通過(guò)軟件輔助生成的不同尺寸的正多邊形或者圓形：圖形的覆蓋率為10～80％，直徑為2～100μm的圓形或者外接圓直徑為2～100μm的正多邊形隨機(jī)分布與整個(gè)鏡面；淺刻蝕所得的淺凹槽底部存在明顯的圓弧倒角，而非直角，同時(shí)鏡面淺刻蝕工藝和腐蝕拋光工藝可以保障加工后表面的較高的反射率，抑制衍射圖紋和減小散射錐角。

工作時(shí)，在靜梳齒驅(qū)動(dòng)電極和動(dòng)梳齒電極上施加電信號(hào)促使可動(dòng)鏡面兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)梳齒形成一推一拉的驅(qū)動(dòng)力，保證可動(dòng)鏡面平穩(wěn)規(guī)律地面內(nèi)振動(dòng)。

當(dāng)激光投射在振鏡鏡面，由于鏡面隨機(jī)分布有200-1200nm范圍內(nèi)某一固定深度的淺圓弧凹槽，高相干性的激光在此波浪表面被反射的同時(shí)出射激光的相位也被重置。與柱狀凸起或凹陷相比，圓弧形凹槽界面可以形成更多深淺不一的反射點(diǎn)，該界面反射的激光具有更豐富的相位差和出射光角度微差異，因此可以更好地降低激光的相干性。

在激光反射的同時(shí)，鏡面可以按一定頻率面內(nèi)左右振動(dòng)。在鏡面振動(dòng)的過(guò)程中，激光將從鏡面隨機(jī)圖案的不同位置反射，形成不同的散斑圖案。這些散斑圖案在人眼視覺(jué)暫留時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生疊加從而實(shí)現(xiàn)散斑對(duì)比度因時(shí)間平均而被降低，實(shí)現(xiàn)了較好的散斑抑制效果。

本發(fā)明具有的有益效果如下：

(1)本發(fā)明以Si晶圓為原材料，MEMS微加工工藝批量制作，有效降低單個(gè)器件成本，提高器件品質(zhì)、穩(wěn)定性和可靠性。

(2)反射傳播功能和散斑抑制功能被設(shè)計(jì)集成在同一結(jié)構(gòu)上，鏡面表面設(shè)計(jì)有隨機(jī)分布且微小的波浪起伏特征，在實(shí)現(xiàn)激光反射的同時(shí)通過(guò)干擾激光相位實(shí)現(xiàn)散斑抑制功能，結(jié)構(gòu)功能更緊湊。

(3)鏡面表面設(shè)計(jì)的隨機(jī)分布且微小的波浪起伏特征是通過(guò)淺刻蝕和腐蝕拋光工藝得到，該表面特征有利于產(chǎn)生更為豐富的相位差異和出射光角度微差異，同時(shí)抑制形成衍射圖案、增大反射率和減小反射光的散射錐角。

(4)鏡面通過(guò)沉積一層金屬(Al或者Cr/Au)反射層，增加鏡面反射率，降低光損耗。

(5)該MEMS振鏡置于激光光路上，對(duì)入射到振鏡表面(波浪起伏表面)的激光執(zhí)行反射和干擾激光相位的動(dòng)作，同時(shí)鏡面在靜電梳齒驅(qū)動(dòng)下做面內(nèi)的左右振動(dòng)(不會(huì)改變激光入射和出射方向)，進(jìn)一步利用人眼視覺(jué)暫留時(shí)間內(nèi)散斑圖像的疊加從而實(shí)現(xiàn)散斑對(duì)比度因時(shí)間平均而被降低，增強(qiáng)器件的散斑抑制效果。

(6)鏡面振動(dòng)通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)，且在諧振模式，元件工作性能穩(wěn)定且能耗低。

(7)隨機(jī)且微小的波浪起伏特征通過(guò)光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光等工藝得到，工藝方法簡(jiǎn)單，工藝可靠性高，可調(diào)制空間大。