一种抑制激光散斑的MEMS振镜及其制作方法与流程

本发明涉及激光投影显示领域，尤其涉及一种抑制激光散斑的MEMS振镜及其制作方法。

背景技术：

相对于传统的显示技术，激光投影显示技术具有较宽色域而容易获得生动鲜明的画面，具有超高的亮度和对比度而容易提高显示画面质量，同时还具有寿命长、功耗低、可靠性高和节能环保等特点，是一种极具竞争力的显示技术。目前激光显示中存在的一个主要应用障碍是激光散斑现象。激光光源具有高相干性，激光光源照射在粗糙屏幕后产生的漫反射光线将在空间光路上发生严重的干涉而形成明显的干涉条纹。由于屏幕表面的粗糙特性并无规律，因此所形成的干涉图像也无规律，而是随机分布的细小尺寸的亮斑，即为散斑(laser speckle)。该亮斑将影响漫反射空间中任意位置的观察者所看到图像的视觉效果。激光散斑通常用画面的光强分布来表征度量，具体定义为光强的标准偏差与画面平均光强的比值，可以通过CCD拍摄并利用图像处理系统来分析计算。

依据激光散斑的形成原理，激光散斑的抑制方法大体可以分为三类。第一类是通过降低光源的相干性，如增加激光光源的谱带宽度，激光器谐振腔调制、脉冲光源、多光源、出射方向的光源振动等方法。第二类是通过降低屏幕终端的反射光散斑，如振动屏幕。第三类是通过在光路中改变激光的相干性从而抑制激光散斑现象，如振动镜，随机相位片，光导管等。激光在传播过程中(反射或透射)与界面或器件发生作用形成出射角度多样化(微小差异)、相位差异随机化或偏振差异化的出射激光，最终降低散斑对比度。相对于前两类方法，在光路中降低激光散斑的方案具有操作设计空间大，选择多，成本低，局限小等优点。

CN105301793A公开了一种旋转透射式，具有凹凸表面的消散斑光学元件，CN105700169A公开了一种将振动装置与光源、光路器件和屏幕等任意元件结合的消散斑装置。近几年的研究文献中介绍了旋转式和振动式激光匀散器(diffuser)，旋转匀光管(light pipe)和微镜阵列光束整形器件(Vibrating microlens array beam shaper or diffuser)，均有较明显的散斑对比度消减效果。

目前随着产品微型便携化发展，还有众多此类消减散斑器件从MEMS角度开发设计，如静电驱动的动态衍射光栅、压电驱动的MEMS变形反射镜、MEMS微镜阵列二元相位调制器(CN102967933A)、MEMS平面光波导分路器(CN102053385A)、MEMS面外垂直振动膜(CN102141687A)，抛光粗化的MEMS振动反射镜(CN102207634A)。上述器件或装置可以对散斑对比度产生消减效果，具有各自的优点，但是也存在各方面不足，例如制作工艺复杂，工艺可控性差，成本居高，光能量损失严重，结构复杂，不易实现微型化和集成化等等。现实激光显示技术仍然在努力追求一种能有效降低散斑现象的简单可靠装置。

技术实现要素：

本发明提供了一种抑制激光散斑的MEMS振镜及其制作方法，结构及制作工艺简单，可靠性高，能耗低，且光能量损失较小。

一种抑制激光散斑的MEMS振镜，该MEMS振镜由SOI片制成，包括反射镜面、驱动反射镜面振动的驱动梳齿和检测反射镜面振动的检测梳齿，其中，所述反射镜面的表面有波浪起伏结构，保证对入射光进行反射，同时干扰激光相位实现散斑抑制功能。

所述的波浪起伏结构指随机的特征尺寸范围的凸起或凹陷图形，且截面形貌为连续起伏的规则或不规则的波浪形，而非台阶形，保证波浪起伏的表面形貌得到更为丰富的激光相位差异和出射光角度微差异，增强激光散斑的抑制效果。

所述凸起或凹陷的图形为不同尺寸的圆形或正多边形，圆形的直径为2～100μm，正多边形外接圆的直径为2～100μm。

相邻凸起或凹陷之间的距离通过凸起或凹陷的表面覆盖率决定，凸起的高度或凹陷的深度由刻蚀的深度决定。

所述凸起的高度或凹陷的深度为入射光波长的1/4～2倍。

所述的反射镜面上表面进一步设置有金属层，以提高反射镜面的反射率。

所述的金属层为厚度为50～500nm的金属铝或者厚度为5～20nm铬和50～500nm金的合金。

所述驱动梳齿和检测梳齿均包括动梳齿和静梳齿，其中，反射镜面和动梳齿通过谐振梁悬置连接外框架，静梳齿直接与外框架相连。

一种抑制激光散斑的MEMS振镜的制备方法，包括以下步骤：

(1)在SOI的底层制备背腔，该背腔刻蚀至SOI埋氧层，使得埋氧层暴露出来；

(2)在SOI的器件层通过光刻、浅刻蚀和腐蚀抛光制作波浪形特征表面；

(3)在波浪起伏形特征表面沉积金属反射层，金属反射层仍然维持波浪特征；

(4)将步骤(3)获得的器件经过光刻并从器件层刻蚀到埋氧层，形成电隔离槽和振镜的主要结构，所述电隔离槽位于各梳齿结构与电极的周围；

(5)腐蚀暴露在背腔的埋氧层。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在本发明振镜结构中，反射镜面基于微加工工艺制作，其表面设计有波浪起伏结构，可以使反射光得到更为丰富的激光相位差异和出射光角度微差异，增强激光散斑的抑制效果；这些波浪起伏结构可以通过控制凸起或凹陷图形的形状、布局、大小、高度或深度和截面轮廓等参数进行灵活设计和调整，进而控制表面对光的反射，衍射和散射特性，减少光能量的损失；

在本发明工艺方法中，反射镜面加工所采用的浅刻蚀工艺可以维持被刻蚀区面有较好的镜面特性，并消除刻蚀后浅槽内的底部直角拐角而得到圆弧倒角；随后的腐蚀抛光工艺可以对刻蚀形成的尖凸角形成圆化处理，提高基底的反射率水平且抑制镜面的衍射图纹和减小镜面的散射锥角，最大程度地减小由于反射光散射引起的光能量损失；反射镜面沉积的金属层也可以进一步提高镜面的反射率。

另外，针对于反射型散斑抑制MEMS振镜存在一定程度的散射锥角的客观现实，可以根据实际情况和需求在出射光路上通过透镜汇聚的方式再次提高光能量利用率。

【附图说明】

图1是加工MEMS振镜所使用的SOI硅片的结构示意图。

图2是SOI硅片的支撑层经光刻和刻蚀后形成空腔。

图3是SOI硅片的器件层经光刻、浅刻蚀和腐蚀抛光后形成波浪起伏表面的结构示意图。

图4是波浪起伏的镜面上沉积一层金属反射层后的结构示意图；

图5是SOI硅片的器件层经再次光刻并刻蚀至埋氧层，形成电隔离槽和振镜的主要结构的结构示意图。

图6是本发明振镜的结构示意图。

图7是本发明MEMS振镜的器件层平面示意图。

图8是本发明镜面内随机分布的微小图形的示意图。

图9是本发明MEMS振镜在激光显示系统内的工作示意图。

【具体实施方式】

请参阅图9所示，本发明MEMS振镜在激光显示系统内的工作示意图。示意图包括激光源1、MEMS振镜、短焦距光学平凸透镜2、匀光管4，激光显示芯片5以及显示屏幕6，所述MEMS振镜位于激光源1的出射光路上，通过MEMS振镜的相位干扰和镜面反射，将来自于激光源1的高相干性入射光转换为具有不均匀相位差的出射光。具有一定散射锥角的出射光经过前短焦距平凸透镜、匀光管4和后短焦距平凸透镜的汇聚、匀化和聚焦，然后进入激光显示芯片5并最终投射到显示屏幕6。

请参阅图7所示，所示的MEMS振镜，包含反射镜面31、谐振悬梁39、驱动梳齿33、检测梳齿35、驱动梳齿的动梳齿电极331和静梳齿电极333、检测梳齿的静梳齿电极351和外框架37；反射镜面31和动梳齿通过谐振悬梁39悬置连接于外框架37，静梳齿直接与外框架37相连，驱动梳齿的动梳齿电极331、静梳齿电极333、检测梳齿的静梳齿电极351分布于外框架37的表面并与对应的梳齿相连。

所有结构均分布在SOI片的器件层，动静梳齿之间通过刻蚀隔离槽41和埋氧层实现电绝缘隔离。SOI片的支撑层设计有对应的空腔，以释放器件层可动结构，提供自由振动空间，减小振动阻尼。

所述的反射镜面具有随机分布且微小的波浪起伏特征，保证对入射光有较高的反射率，同时还能干扰激光相位实现散斑抑制功能。随机且微小的波浪起伏特征具体是指镜面上随机分布了特征尺寸范围的凸起(或凹陷)图形，且截面形貌为连续起伏的规则或不规则的波浪形，而非台阶形，波浪起伏的表面形貌利于得到更为丰富的激光相位差异和出射光角度微差异，增强激光散斑的抑制效果。

制作随机且微小的波浪起伏特征表面所需的光刻掩膜图形通过软件随机生成得到，随机分布的凸起(或凹陷)图形可以是不同尺寸的圆形(直径为2-100μm)或者正多边形(外接圆的直径为2-100μm)，相邻的凸起(或凹陷)图形之间的距离通过凸起(或凹陷)图形的表面覆盖率来决定，凸起高度(或凹陷深度)由浅刻蚀的深度决定，具体范围是入射光波长(λ)的1/4～2倍之间。

另外，为了维持较高的反射率、抑制衍射光斑和减少散射锥角，浅刻蚀所得的波浪起伏反射镜面经过腐蚀抛光工艺处理，并沉积5～20nm铬和50～500nm金的一层金属反射层。

所制作的抑制激光散斑的MEMS振镜可以通过静电梳齿驱动镜面做面内左右振动，并且振动频率可通过MEMS振镜的结构参数进行设计调整。振动的反射镜面进一步增强激光散斑对比度的时间平均，提高该装置对散斑的抑制效果。

本发明提供一种激光显示系统中抑制激光散斑的MEMS振镜制作方法。通过光刻、刻蚀和镀膜等半导体微加工工艺制作，容易对该器件的各种参数精密控制和设计，尤其便于器件中的核心结构——镜面的特征设计和控制，满足多样化需求。

所述振镜按照以下步骤制备：

(1)SOI硅片的上层为器件层(单晶硅)，中间层为埋氧层(二氧化硅)，底层为支撑层(单晶硅)，如图1；首先在SOI的底层经光刻和刻蚀后形成空腔，空腔内的埋氧层暴露出来，该空腔为背腔，如图2；

(2)在SOI的器件层通过光刻、浅刻蚀和腐蚀抛光工艺制作波浪形特征表面，面内随机分布微小的浅圆弧凹槽，刻蚀深度为200-1200nm，如图3；

(3)在波浪起伏形特征表面沉积金属反射层和制作电极，金属反射层仍然维持波浪特征，沉积的金属Cr和Au，厚度分别为10nm和200nm，如图4；

(4)将步骤(3)获得的器件经过光刻并从器件层刻蚀到埋氧层，形成电隔离槽和振镜的主要结构(即驱动梳齿、振动梁等)，如图5；

(5)通过氢氟酸腐蚀暴露在背腔的埋氧层，释放可动结构，完成振镜制作，如图6。

所述的波浪形表面制作所需要的光刻掩膜版图形是通过软件辅助生成的不同尺寸的正多边形或者圆形：图形的覆盖率为10～80％，直径为2～100μm的圆形或者外接圆直径为2～100μm的正多边形随机分布与整个镜面；浅刻蚀所得的浅凹槽底部存在明显的圆弧倒角，而非直角，同时镜面浅刻蚀工艺和腐蚀抛光工艺可以保障加工后表面的较高的反射率，抑制衍射图纹和减小散射锥角。

工作时，在静梳齿驱动电极和动梳齿电极上施加电信号促使可动镜面两侧的驱动梳齿形成一推一拉的驱动力，保证可动镜面平稳规律地面内振动。

当激光投射在振镜镜面，由于镜面随机分布有200-1200nm范围内某一固定深度的浅圆弧凹槽，高相干性的激光在此波浪表面被反射的同时出射激光的相位也被重置。与柱状凸起或凹陷相比，圆弧形凹槽界面可以形成更多深浅不一的反射点，该界面反射的激光具有更丰富的相位差和出射光角度微差异，因此可以更好地降低激光的相干性。

在激光反射的同时，镜面可以按一定频率面内左右振动。在镜面振动的过程中，激光将从镜面随机图案的不同位置反射，形成不同的散斑图案。这些散斑图案在人眼视觉暂留时间内产生叠加从而实现散斑对比度因时间平均而被降低，实现了较好的散斑抑制效果。

本发明具有的有益效果如下：

(1)本发明以Si晶圆为原材料，MEMS微加工工艺批量制作，有效降低单个器件成本，提高器件品质、稳定性和可靠性。

(2)反射传播功能和散斑抑制功能被设计集成在同一结构上，镜面表面设计有随机分布且微小的波浪起伏特征，在实现激光反射的同时通过干扰激光相位实现散斑抑制功能，结构功能更紧凑。

(3)镜面表面设计的随机分布且微小的波浪起伏特征是通过浅刻蚀和腐蚀抛光工艺得到，该表面特征有利于产生更为丰富的相位差异和出射光角度微差异，同时抑制形成衍射图案、增大反射率和减小反射光的散射锥角。

(4)镜面通过沉积一层金属(Al或者Cr/Au)反射层，增加镜面反射率，降低光损耗。

(5)该MEMS振镜置于激光光路上，对入射到振镜表面(波浪起伏表面)的激光执行反射和干扰激光相位的动作，同时镜面在静电梳齿驱动下做面内的左右振动(不会改变激光入射和出射方向)，进一步利用人眼视觉暂留时间内散斑图像的叠加从而实现散斑对比度因时间平均而被降低，增强器件的散斑抑制效果。

(6)镜面振动通过静电驱动，且在谐振模式，元件工作性能稳定且能耗低。

(7)随机且微小的波浪起伏特征通过光刻、浅刻蚀和腐蚀抛光等工艺得到，工艺方法简单，工艺可靠性高，可调制空间大。