技術(shù)背景

在PMP個(gè)人媒體播放器等便攜式應(yīng)用中，TFT液晶顯示器已成為主流配置。雖然TFT液晶顯示器具有圖像清晰、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，但其耗電占了PMP系統(tǒng)耗電的70%以上。隨著分辨率不斷提高，屏幕加大，顯示器的功耗也同步增長(zhǎng)。由于液晶顯示器的光源利用率不足10%，降低亮度并不能有效地節(jié)省電力，迫不得已的辦法是盡可能減少顯示屏的工作時(shí)間，或者是采用盡可能小的顯示屏，結(jié)果使觀賞舒適性降低，導(dǎo)致PMP的實(shí)用價(jià)值大打折扣。

理想的適合于便攜用途的顯示技術(shù)應(yīng)在電池供電環(huán)境下有盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間、盡可能小的體積、盡可能高的畫(huà)面質(zhì)量，既可產(chǎn)生滿足個(gè)人獨(dú)立觀看的優(yōu)質(zhì)小畫(huà)面，又能產(chǎn)生供多人觀賞的投影畫(huà)面等特性。
現(xiàn)有的各類(lèi)顯示器，根據(jù)成像的基本方式，可以分為像素單元主動(dòng)發(fā)光形成畫(huà)面和像素單元被動(dòng)發(fā)光形成畫(huà)面兩大類(lèi)。

在像素單元主動(dòng)發(fā)光形成畫(huà)面的顯示技術(shù)中，先后出現(xiàn)了陰極射線管CRT顯示技術(shù)、等離子平板PDP顯示技術(shù)、表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射SED顯示技術(shù)、碳納米管場(chǎng)發(fā)射CNT顯示技術(shù)、有機(jī)電致發(fā)光二極管OLED顯示技術(shù)。在這些顯示技術(shù)中，有機(jī)電致發(fā)光顯示器是唯一可小型化的技術(shù)，但是，OLED為電流驅(qū)動(dòng)型顯示技術(shù)，電流強(qiáng)度與顯示亮度成正相關(guān)關(guān)系，對(duì)于便攜式應(yīng)用，功耗仍然較高。

在像素單元被動(dòng)發(fā)光形成畫(huà)面的顯示技術(shù)中，先后開(kāi)發(fā)出了控制光線透射程度來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的液晶LCD顯示技術(shù)，控制光線反射程度實(shí)現(xiàn)顯示的硅基液晶LCOS顯示技術(shù)，控制光線反射角度實(shí)現(xiàn)顯示的數(shù)字微鏡DMD顯示技術(shù)和單微鏡-掃描鏡顯示技術(shù)，利用干涉原理實(shí)現(xiàn)顯示的干涉調(diào)節(jié)iMoD顯示技術(shù)，利用衍射原理實(shí)現(xiàn)顯示的光柵光閥GLV顯示技術(shù)。這些技術(shù)當(dāng)中，iMoD干涉調(diào)節(jié)顯示技術(shù)是最適合于便攜應(yīng)用的技術(shù)之一，與LCD顯示器借助于偏振光來(lái)形成顯示不同， iMoD顯示技術(shù)利用干涉原理產(chǎn)生彩色，光線通過(guò)不同厚度的氣隙時(shí)產(chǎn)生不同的光程差，形成不同的顏色。圖1所示為iMoD顯示器樣機(jī)。雖然具有極其優(yōu)越的節(jié)電性能，但無(wú)論是對(duì)比度還是亮度，都與TFT顯示器差距甚遠(yuǎn)。這是由于iMoD顯示技術(shù)所特有的彩色形成方式?jīng)Q定的。這樣的亮度和對(duì)比度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以用來(lái)產(chǎn)生較大畫(huà)面的投影影像。因此，不能同時(shí)滿足既可產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)小畫(huà)面，又可產(chǎn)生大幅投影畫(huà)面的便攜應(yīng)用理想要求。

硅基液晶LCOS技術(shù)雖然同時(shí)具有微型顯示和投影顯示應(yīng)用的能力，但仍然需要借助于液晶的偏振光效應(yīng)來(lái)控制光線的透過(guò)率。采用偏振光方式工作，將損失50%光源能量，光利用率依然不高。更重要的原因還在于LCOS的制造工藝復(fù)雜，良品率一直難以提高，短期內(nèi)難以成為理想的便攜顯示技術(shù)的優(yōu)選者。

數(shù)字微鏡DMD是最為成功的基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的顯示技術(shù)，采用高壓汞燈作為照明光源時(shí)，可產(chǎn)生極大尺寸的優(yōu)質(zhì)投影畫(huà)面，用R、G、B三基色LED更換大功率照明燈，可以構(gòu)成小體積的便攜投影儀。圖2所示為T(mén)I公司開(kāi)發(fā)的袖珍投影儀，使用LED光源，不用色輪，通過(guò)高速切換紅、綠、藍(lán)圖像，進(jìn)行彩色顯示，采用前投方式，可在投影機(jī)前方約1m處投射約40～50英寸、分辨率為800 600的DVD影像。這種利用時(shí)序方式來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色顯示的模式，不僅要求LED要有足夠快的響應(yīng)速度，而且要求驅(qū)動(dòng)電路也必須具有極高的速度指標(biāo)，這不僅增加了系統(tǒng)成本，也增加了系統(tǒng)功耗。對(duì)便攜應(yīng)用而言，照明光源消耗的電力依然較高。因此，DMD顯示技術(shù)仍以固定地點(diǎn)的投影應(yīng)用為主，不是理想的便攜應(yīng)用顯示技術(shù)。

與DMD不同的另一種掌上便攜投影儀是圖3所示的日本信號(hào)試制成功的單微鏡-掃描鏡投影技術(shù)。該技術(shù)不同于DMD的一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)微鏡，而是一個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)多個(gè)像素，再利用掃描部件形成畫(huà)面。采用該方式，雖然可以減小微鏡所占用的半導(dǎo)體芯片面積，降低成本，但掃描部件不僅具有較高的精度要求，而且還存在著機(jī)械磨損等問(wèn)題。更重要的一點(diǎn)還在于，需要解決響應(yīng)速度高達(dá)數(shù)MHz至數(shù)十MHz的綠色半導(dǎo)體激光器還不能量產(chǎn)的障礙后，才能真正形成商品。

GLV是基于衍射原理唯一成功實(shí)現(xiàn)彩色顯示的技術(shù)，具有較高的光源利用率，采用激光作為光源時(shí)，可產(chǎn)生極大畫(huà)面的影像。然而， GLV技術(shù)同樣由于半導(dǎo)體激光光源等原因，一直未成為被消費(fèi)者廣泛接受的商品。
在現(xiàn)有顯示技術(shù)均不能滿足理想便攜顯示應(yīng)用要求的情況下，開(kāi)發(fā)一種既節(jié)電，又能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)小畫(huà)面和投影大畫(huà)面的顯示技術(shù)是很有必要的。閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)（Blazed Grating Digital Micromirro Display Technology）開(kāi)創(chuàng)了一種高效顯示的新途徑。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的工作原理

閃耀光柵已發(fā)明很久，應(yīng)用主要集中在光譜分析、通訊領(lǐng)域，將閃耀光柵應(yīng)用于畫(huà)面顯示的理論基礎(chǔ)是閃耀光柵高效的分色原理。 當(dāng)狹窄、凸凹相間、具有波長(zhǎng)尺度范圍、有反射能力的槽型結(jié)構(gòu)并排排列時(shí)，就構(gòu)成了反射型衍射光柵。衍射光柵對(duì)入射光的振幅或相位產(chǎn)生周期性的空間調(diào)制，產(chǎn)生光的分色作用，對(duì)于單色光，則改變光的傳播方向。

GLV顯示技術(shù)基于衍射光柵的原理工作。在硅基底的頂部分布著細(xì)小的條形狀金屬條，這些金屬條與硅基底之間具有很小的縫隙，在金屬條與硅基底之間施加電壓時(shí)，電場(chǎng)力的作用下，金屬條就會(huì)下移。固定的金屬條和移動(dòng)的金屬條之間就具有了高度差，形成反射型衍射光柵。用固定波長(zhǎng)的單色光照射衍射光柵時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生衍射光，在衍射光射出的路徑上設(shè)置投影鏡頭，即可得到單色亮點(diǎn)；控制金屬條下移，即可控制單色亮點(diǎn)；控制一條光柵可得到一維條形圖案，加上掃描器，即可得到二維畫(huà)面。

從GLV工作原理的描述可以得知，GLV是通過(guò)改變光柵的節(jié)距周期來(lái)調(diào)制光線的。金屬動(dòng)條未下移時(shí)，與固定條在一個(gè)平面上，節(jié)距周期消失，不產(chǎn)生衍射；金屬動(dòng)條下移，構(gòu)成節(jié)距周期等于金屬條寬度與金屬條之間縫隙之和的固定節(jié)距光柵。由于這種光柵結(jié)構(gòu)的特殊性，確定了GLV只能利用較高級(jí)次（典型值為1級(jí)次）的衍射光作為成像光。而處于較低級(jí)次的零級(jí)次衍射光占據(jù)了衍射光的絕大部分能量，因此利用1級(jí)次衍射光來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面的GLV所具有的最高理論衍射效率為40.5%。

閃耀光柵不僅具有很高的分色能力，而且還具有將零級(jí)次衍射光的絕大部分能量轉(zhuǎn)移到所需級(jí)次上的能力，衍射效率可達(dá)到100%。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拈W耀角，就能使復(fù)合白色光產(chǎn)生的RGB三基色光處于最高衍射效率范圍內(nèi)。用閃耀光柵作為顯示畫(huà)面的光調(diào)制器，就能最大限度地提高光源的利用率。

根據(jù)閃耀光柵的分色原理，用復(fù)合白色光源以固定的入射角照射可轉(zhuǎn)動(dòng)的閃耀光柵微鏡，可在一個(gè)固定的方向上得到由白色光源直接產(chǎn)生的RGB三基色，控制閃耀光柵微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)到產(chǎn)生紅R、綠G、藍(lán)B、三基色以及暗態(tài)的4個(gè)固定位置，三個(gè)閃耀光柵微鏡就可以構(gòu)成一個(gè)真彩色的像素單元，用脈寬調(diào)制方式確定閃耀光柵微鏡在每個(gè)位置上的停留時(shí)間，可使各個(gè)子像素所對(duì)應(yīng)的三基色具有不同的亮度，三個(gè)子像素不同亮度、不同基色的組合，就可以產(chǎn)生一個(gè)像素所需的各種彩色，多個(gè)像素組成陣列，即可構(gòu)成顯示畫(huà)面。圖4所示為用普通20瓦鹵素照明燈在距光柵15厘米處照射用于測(cè)試的3 4反射型衍射光柵測(cè)試陣列，得到的彩色實(shí)像圖案。從任何角度觀察，都不影響觀察效果。圖5所示為漫射光環(huán)境下，3 4反射型衍射光柵形成的彩色圖。圖6為太陽(yáng)光照射3 4反射型衍射光柵生成的彩色投影圖像。若將用于測(cè)試的衍射光柵更換為閃耀光柵，彩色畫(huà)面的亮度、對(duì)比度以及色飽和度還會(huì)更好。

與GLV通過(guò)控制光柵節(jié)距的有無(wú)以產(chǎn)生畫(huà)面不同，閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)是通過(guò)改變復(fù)合白色光線的入射角來(lái)形成畫(huà)面的。在閃耀光柵數(shù)字微鏡部件的驅(qū)動(dòng)電極上施加電壓，在電場(chǎng)力的作用下，閃耀光柵偏轉(zhuǎn)到四個(gè)預(yù)定位置并準(zhǔn)確定位。由于閃耀光柵微鏡僅需在四個(gè)固定的位置上轉(zhuǎn)動(dòng)，所以可工作于數(shù)字方式，避免了模擬工作方式需精確控制驅(qū)動(dòng)電壓、嚴(yán)格要求加工過(guò)程一致性和材料特性一致性的高要求，降低了制造難度。

設(shè)計(jì)和仿真

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)的核心部件基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)和制造。設(shè)計(jì)基于MEMS的部件時(shí)，需要進(jìn)行機(jī)電部件運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、基于有限元結(jié)構(gòu)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微尺度下的動(dòng)力設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)尺度下機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大區(qū)別在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到將要采用的MEMS制造工藝為半導(dǎo)體工藝。

利用MEMS來(lái)構(gòu)建顯示系統(tǒng)，一個(gè)極其重要的指標(biāo)是像素單元能夠控制在多大的尺寸范圍，同時(shí)還要求像素單元要有較高的充填率。對(duì)像素單元尺寸大小以及填充率影響最大的因素是所選擇的微結(jié)構(gòu)致動(dòng)方式。

閃耀光柵數(shù)字微鏡采用靜電力作為驅(qū)動(dòng)力。為確保閃耀光柵數(shù)字微鏡動(dòng)作的準(zhǔn)確性、可靠性和閃耀光柵結(jié)構(gòu)的剛度，閃耀光柵微鏡部件采用 Coventor 公司的CoventorWare軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、靜電力驅(qū)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真，可以對(duì)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后，可利用CoventorWare軟件的工藝仿真模塊進(jìn)行MEMS制造的工藝仿真。從而大幅度地提高開(kāi)發(fā)速度，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。圖7為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的閃耀光柵數(shù)字微鏡部件。

隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，納米級(jí)的壓印技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，閃耀光柵的制造也變得不再困難。滾壓、模壓、灰梯度照相制版蝕刻、涂鍍、磁性平板印刷等工藝技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)低成本制造。而閃耀光柵數(shù)字微鏡的結(jié)構(gòu)本身，則是基于MEMS的表面制造工藝設(shè)計(jì)，采取多次掩膜、沉積、蝕刻的工藝完成制造。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動(dòng)可采用與傳統(tǒng)LCD驅(qū)動(dòng)相類(lèi)似的方式。與LCD不同的是驅(qū)動(dòng)數(shù)字微鏡并不需要交變電壓，用直流驅(qū)動(dòng)電壓即可。采用基于COMS技術(shù)的有源驅(qū)動(dòng)可以避免直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)不足的現(xiàn)象，保證驅(qū)動(dòng)的可靠性。將常規(guī)LCD的驅(qū)動(dòng)部件做適當(dāng)修改，基于LCD的各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)就可以用于閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動(dòng)。典型的驅(qū)動(dòng)模塊可由圖8所包含的驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成。

在傳統(tǒng)的三基色濾片彩色模式中，由于濾色片的顏色不能變換，因此，當(dāng)需要顯示某一基色時(shí)，其余兩基色均處于暗態(tài)，這就降低了顯示系統(tǒng)的亮度和分辨率。在閃耀光柵數(shù)字微鏡中，由于每一個(gè)子像素均能產(chǎn)生三基色和黑色，三個(gè)子像素可以同時(shí)顯示一個(gè)基色，因此可以有效地提高顯示器的亮度和對(duì)比度。不僅如此，如果設(shè)計(jì)新的配色算法還可以提高分辨率。對(duì)于不增加器件就能有效提高亮度和分辨率而言，設(shè)計(jì)新的配色算法是有意義的。

閃耀光柵數(shù)字微鏡的驅(qū)動(dòng)與DMD的驅(qū)動(dòng)相比，由于不需要極高速度的驅(qū)動(dòng)器件，可供選擇的器件會(huì)增加很多，成本也會(huì)大幅度降低，這對(duì)于加速該技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度無(wú)疑會(huì)帶來(lái)極大的好處。

應(yīng)用前景

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)可以利用太陽(yáng)光和漫射光作為照明光源，從而有效地延長(zhǎng)便攜應(yīng)用的電池供電時(shí)間。不僅可以形成便于個(gè)人觀看的、近眼顯示的高質(zhì)量畫(huà)面，還可以產(chǎn)生供多人觀賞的大幅投影畫(huà)面。與DMD、GLV技術(shù)相比，不僅可以用復(fù)合白色光線直接生成彩色畫(huà)面，省去了色輪、掃描鏡等部件，而且大大降低驅(qū)動(dòng)元件的速度要求指標(biāo)，從而有效地降低制造成本。和傳統(tǒng)的LCD顯示技術(shù)相比，不僅免去造成光源極大損失的偏振片、濾色片，而且還免去了灌注、堵孔、貼膜等裝配封裝工藝，在提高亮度、對(duì)比度、分辨率的同時(shí)降低了制造成本。

閃耀光柵數(shù)字微鏡顯示技術(shù)是一項(xiàng)既適合于便攜用途，又適合于投影顯示的新技術(shù)，在未來(lái)的生活中，將有著極其廣泛的應(yīng)用前景。