ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР
OPTICAL MODULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области обработки оптической информации: к конструкции оптических затворов, регуляторов и модуляторов света, дисплеев, а также оптических коммутаторов с микроэлектромеханическими оптическими модуляторами.
Уровень техники
Известны оптические многоканальные модуляторы, каждый канал которых - физический пиксель - реализован в виде микроэлектромеханического оптического затвора, включающего микрозеркало, приводимое в движение микроэлектромеханическим приводом - актуатором (US 6856445, 7116462, 7102808, 7016099, RU 2276774, 2277265). Известны оптические модуляторы, каждый пиксель которых содержит переворачивающуюся заслонку в виде флажка с закрепленной осью вращения, перекрывающую или открывающую микроотверстие для прохождения света (US 20040080484 A1).
Недостатком их является сложность конструкции и технологии, а также ограниченность применения (скорее оптические коммутаторы, чем оптические модуляторы).
Известен также микроэлектромеханический оптический модулятор, каждый пиксель которого выполнен в виде заслонки, перемещающейся благодаря неодинаковому удлинению двух консолей при неодинаковом их нагреве и перекрывающей при этом частично или полностью световой поток через отверстие (US 6775048, 6967761, 7151627).
Недостатком их является сложность конструкции и изготовления, а также малая полезная площадь, т.е. площадь окна для излучения.
Прототипом предлагаемого изобретения является оптический модулятор (WO 2010114417, RU 2473936), каждый пиксель которого содержит неподвижный поляризатор и параллельный ему подвижный поляризатор, выполненный с возможностью поворота вокруг перпендикулярной им оси и содержащий также средство для осуществления поворота подвижного поляризатора. В вариантах изобретения смещение диска вдоль стенок, т.е. смещение его оси, исключается наличием гнезда, например, в виде отверстия во вспомогательном слое, или наличием закрепленной или локализуемой другим путем (RU 2017108638) оси подвижного поляризатора.
Недостатком этого устройства является большая толщина и, соответственно, большой вес подвижного поляризатора, выполненного из пленочного поглощающего поляризатора или в виде диэлектрической пленки с нанесенной на нее поляризационной решеткой. Это приводит к увеличению сил нормального давления и, следовательно, сил трения, препятствующих повороту подвижного поляризатора, что замедляет его поворот и ухудшает быстродействие. Другим недостатком, приводящим к таким же последствиям, является наличие сил электростатического взаимодействия сплошного диэлектрического поляризатора с поверхностями соседних элементов, для уменьшения которых необходимы дополнительные конструкторские и технологические усилия. Быстродействие ухудшается также из-за большого момента инерции такого подвижного поляризатора. Для МЭМС-устройств является также недостатком то, что описанный подвижный поляризатор имеет большую толщину - порядка 100 мкм. Необходимость нанесения поляризационных полос и антистатических слоев на поверхность диэлектрической пленки, а также необходимость нанесения магнитных элементов, необходимых для управления коммутатором с помощью внешнего поля (например, для записи магнитным стилусом), значительно усложняет технологию изготовления оптического коммутатора (дисплея).
Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением является увеличение быстродействия оптического модулятора, уменьшение толщины устройства и упрощение технологии изготовления.
Раскрытие сущности изобретения
Указанная проблема решается тем, что предложен оптический модулятор, каждый пиксель которого содержит, как и устройство по прототипу, перекрывающие площадь пикселя неподвижный плоский поляризатор и параллельный ему подвижный плоский поляризатор, который выполнен с возможностью поворота относительно первого вокруг нормальной к их плоскостям фиксированной оси, а также содержит средство для такого поворота, а отличие от прототипа состоит в том, что подвижный поляризатор выполнен в виде поляризационной решетки из параллельных друг другу прямых полос или нитей из проводящего магнитного или немагнитного материала в виде самонесущей (сохраняющей свою форму при условиях применения) решетки с элементом или с элементами жесткости из диэлектрического, полупроводникового или проводящего материала.
Предлагаемый оптический модулятор работает так же, как и устройство по прототипу: при повороте подвижного поляризатора относительно неподвижного меняется пропускание модулятора, поворот же подвижного поляризатора производят с помощью актуатора или с помощью магнитного или электростатического стилуса. Фиксирование оси подвижного поляризатора может быть осуществлено любым известным способом, в т.ч. ограничением поступательного смещения поляризатора путем установки его в гнезде, как в устройстве по прототипу, или, например, с помощью магнитной подвески, как в RU 2017108638.
Основное отличие предлагаемого технического решения от устройства по прототипу в том, что подвижный поляризатор имеет другую конструкцию: он представляет из себя не сплошной слой, а легкую решетку из параллельных друг другу полос или нитей из проводящего материала, расположенных друг от друга на расстоянии, обеспечивающем заданный коэффициент отражения для той составляющей излучения, которая должна быть отражена, т.е. для той составляющей, которая имеет ненулевую проекцию вектора напряженности электрического поля на направление вдоль полос (нитей) поляризационной решетки. Причем, эта решетка не нанесена на какой-либо слой, задающий форму подвижного поляризатора, т.е. не имеет специального несущего слоя, а является самонесущей, т.е. сохраняет форму и размеры при перемещениях и вращениях. Для придания решетке самонесущих свойств полосы (нити) решетки скреплены друг с другом элементами жесткости, одним или несколькими для каждой отдельной решетки.
Подвижный поляризатор предлагаемой конструкции имеет малый вес, что уменьшает силу его нормального давления на соседние элементы и, соответственно, уменьшает моменты сил трения, препятствующих его повороту. Вес подвижного поляризатора в предлагаемом устройстве мал, благодаря малой толщине, отсутствию несущего сплошного слоя-подложки и благодаря наличию щелей между полосами поляризатора. Малый вес приводит также к тому, что подвижный поляризатор имеет малый момент инерции (здесь и далее - относительно оси подвижного поляризатора), что позволяет придавать ему большие угловые ускорения и тем самым увеличивает быстродействие модулятора.
Другим существенным отличием предлагаемого технического решения от устройства по прототипу является то, что проводящие полосы поляризатора способны ориентироваться вдоль электрического поля, поворачивая подвижный поляризатор, т.е. для придания подвижному поляризатору способности ориентироваться по полю не требуется других средств.
Полосы поляризатора выполняют одновременно несколько функций: поляризуют свет, задают жесткость подвижного поляризатора и обеспечивают возможность поворота подвижного поляризатора путем приложения внешнего электрического поля.
Если полосы подвижного поляризатора изготовлены из проводящего магнитного (обладающего высокой магнитной проницаемостью) материала, то его поворот может осуществляться также и магнитным полем.
В одном из вариантов элементом жесткости поляризационной решетки является охватывающая ее рамка в виде кольца из диэлектрического материала: каждая из параллельных друг другу проводящих полос соединена (закреплена, крепится) противоположными концами с рамкой (как хорды окружности). При таком исполнении внешнее электрическое поле приводит к перераспределению зарядов в каждой из полос поляризационной решетки, т.е. в каждой полосе возникает наведенный дипольный момент, направленный вдоль полосы, что, в свою очередь, приводит к возникновению вращательного момента, действующего на решетку и стремящегося повернуть ее полосками вдоль поля. При напряженности электрического поля, достаточной для преодоления моментов сил трения, подвижный поляризатор повернется. Если при данном варианте исполнения материал полос поляризационной решетки не только проводящий, но и магнитный, то на поляризационную решетку во внешнем магнитном поле будет действовать вращательный момент, так как полосы имеют направление легкого намагничивания вдоль полос, и возникающий вращательный момент будет стремиться развернуть решетку полосами вдоль поля. Итак, при изготовлении элементов (элемента) жесткости из диэлектрического материала может быть реализовано управление (поворот) подвижным поляризатором:
- магнитным полем, если полосы поляризатора выполнены из проводящего магнитного материала,
- электрическим полем, независимо от магнитных свойств полос поляризатора.
Рамка, в варианте изобретения, может быть выполнена также из проводящего материала, т.к. влияние ее на поляризацию света много меньше влияния полос решетки, благодаря большому количеству последних. Такое исполнение позволяет использовать в качестве средства для поворота подвижного поляризатора внешнее магнитное поле, т.к. полосы из проводящего магнитного материала имеют направление легкого намагничивания вдоль полос, а части рамки, имеющие иное направление, составляют малую часть поляризатора. Внешнее электрическое поле при таком исполнении не будет создавать вращающих моментов, т.к. наведенный дипольный момент будет направлен вдоль поля, а не вдоль полос. Писать от руки на экране из таких оптических модуляторов можно только магнитными стилусами.
В варианте изобретения жесткость решетки может быть обеспечена перемычками между ее полосами, причем количество, расположение и распределение перемычек, обеспечивающих жесткость решетки, могут быть различными. Перемычки могут быть выполнены диэлектрическими или проводящими. Возможны также различные сочетания диэлектрических и проводящих перемычек. Элемент жесткости в виде перемычек может быть выполнен с меньшим моментом инерции, чем у рамки того же назначения, путем расположения перемычек ближе к центру подвижного поляризатора.
Перемычки между полосами могут составлять разные по форме элементы жесткости, причем не только в виде кольца, но и другой формы, замкнутой или незамкнутой (например, в виде спирали), хотя бы по разу пересекающей (касающейся) каждую полосу решетки, т.е. перемычками должны связывать между собой все полосы поляризационной решетки.
При использовании диэлектрических перемычек возможно управление подвижным поляризатором как электрическим внешним полем, так и - при изготовлении полос из магнитного проводящего материала - магнитным полем. При использовании проводящих перемычек возможно управление только внешним магнитным полем (если полосы изготовлены из проводящего магнитного материала). Оговоримся, что оптический модулятор и, в частности, подвижный поляризатор, могут быть снабжены и другими средствами привода, поэтому указанное ограничение касается только использования стилусов.
Элементы жесткости (или один элемент) могут быть изготовлены из того же материала, что и полосы поляризатора. При этом упрощается технология изготовления, т.к. и полосы, и элементы жесткости могут быть изготовлены одновременно, в одном процессе. В данном варианте также возможно управление внешним полем, но только магнитным. Ограничение касается использования стилусов и не касается применения разного вида актуаторов, в т.ч. использующих электростатическое поле.
Как элементы жесткости, так и полосы поляризационной решетки могут быть использованы в качестве элементов актуаторов или могут быть снабжены элементами для воздействия актуаторов. Например, элемент жесткости в виде круглой охватывающей рамки может содержать поводки, зубцы, вставки других материалов и т.д., необходимые для работы актуатора.
В изобретении использовано свойство решетки из параллельных проводящих полос, расположенных с достаточно малым периодом (с малым зазором между полосами), пропускать составляющую излучения с одной поляризацией и отражать составляющую с перпендикулярной ей поляризацией. Технологические достижения позволяют получать поляризационные решетки, пригодные для видимого света (например, Ken Werner. Eighth Annual Display of the Year Awards // Information DISPLAY. 2002. December. Vol. 18. No. 12Y; Bobrov and al. Journal of the SID // 12/2, 2004; поляризаторы Optiva Ink. и др.). Способ расчета подобных решеток общеизвестен, и в настоящем описании параметры поляризационных решеток не обсуждаются, кроме упоминания в примере.
На дисплеях на основе предлагаемого оптического модулятора изображение может создаваться от руки с помощью электростатического и/или магнитного стилуса, как в устройстве по прототипу.
Для электронного управления оптическим модулятором, т.е. для поворота подвижного поляризатора электронными свойствами, а также для формирования изображения на дисплеях на основе предлагаемого оптического модулятора могут использоваться актуаторы, например, как в прототипе, включающие обкладки на стенках и затягиваемый ими поводок на подвижном поляризаторе. Подвижный поляризатор может быть дополнен элементами, необходимыми для функционирования актуатора.
Здесь не рассматриваются вспомогательные и общеизвестные элементы:
- внешние стенки, хотя бы одна из которых прозрачна,
- актуаторы,
- спейсеры,
- просветляющие, отражающие, защитные, пылевлагоотталкивающие, антифрикционные, антистатические и другие слои,
- дорожки разводки электронного управления,
- узлы электронного управления
и другие элементы, узлы и блоки, необходимые для обеспечения работы устройств на основе предлагаемого оптического модулятора.
На чертежах схематично изображен подвижный поляризатор в вариантах поляризационной решетки с разными фиксирующими элементами: на фиг. 1 - из диэлектрика, на фиг. 2 - выполненным заодно с полосами поляризатора из того же материала, на фиг. 3 - в виде диэлектрических перемычек.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - проводящие полосы поляризатора;
2 - фиксирующий элемент в виде кольцевой рамки;
3 - поводок для привода от актуатора;
4 - диэлектрические перемычки.
Осуществление изобретения
Примером конкретного исполнения предлагаемого оптического модулятора может служить массив из 1000×1000 физических пикселей.
Неподвижный поляризатор выполнен сплошным на весь массив из стекла толщиной 0,5 мм путем нанесения серебряной поляризационной решетки на его внутреннюю поверхность и покрытия его слоем на основе оксида кремния толщиной 0,1 мкм. На этом слое сформированы электроды электростатического (емкостного) актуатора и дорожки разводки из хрома. Вспомогательный слой толщиной 0,3 мкм со сквозными гнездами диаметром 34 мкм для подвижных поляризаторов и с пазами для перемещения поводков при повороте поляризаторов на 90° выполнен фотолитографией и наклеен на неподвижный поляризатор поверх поляризационной решетки.
Проводящие магнитные полосы подвижного поляризатора выполнены из мю-металла путем магнетронного нанесения на жертвенный слой, нанесенный на неподвижный поляризатор со вспомогательным слоем с гнездами, и последующих электронной литографии и ионного травления.
Параметры поляризационной решетки подвижного поляризатора:
- диаметр - 30 мкм;
- толщина проводящих полос - 0,1 мкм;
- ширина полос подвижного поляризатора - 0,05 мкм;
- промежуток между полосами - 0,05 мкм;
- диэлектрическое кольцо, выполняющее функции элемента жесткости, толщиной и шириной 1,0 мкм с поводком актуатора 4×4 мкм выполнены путем нанесения пленки на основе оксида кремния по способу RU 2030483 на жертвенный слой, нанесенный на слой проводящих полос, за исключением их концов длиной 1 мкм, и последующего травления.
Функции спейсера выполняет избыточный по толщине вспомогательный слой с гнездами.
После удаления жертвенных слоев на вспомогательный слой наклеена вторая прозрачная стенка из стекла толщиной 0,5 мм с заранее сформированными электродами электростатического (емкостного) актуатора и дорожками разводки.
Другим примером может служить планшет-ценник в виде матрицы из предлагаемых модуляторов размером 3000×3000 пикселей, не содержащий актуаторов и предназначенный для записи стилусом от руки или для записи настраиваемым штампом, создающим магнитное поле в соответствии с требуемым изображением.
Неподвижный поляризатор выполнен сплошным на весь массив из стекла толщиной 0,5 мм путем нанесения серебряной поляризационной решетки. Вспомогательный слой толщиной 0,3 мкм со сквозными гнездами диаметром 34 мкм для подвижных поляризаторов выполнен фотолитографией и наклеен на неподвижный поляризатор поверх поляризационной решетки.
Проводящие магнитные полосы подвижного поляризатора и кольцо, выполняющее функции элемента жесткости, выполнены из мю-металла путем магнетронного нанесения на жертвенный слой, нанесенный на вспомогательный слой с гнездами, и последующих электронной литографии и ионного травления.
Параметры поляризационной решетки подвижного поляризатора:
- диаметр - 30 мкм;
- толщина проводящих полос подвижного поляризатора - 0,1 мкм;
- ширина полос - 0,05 мкм;
- промежуток между полосами - 0,05 мкм;
- кольцо, выполняющее функции элемента жесткости, толщиной и шириной 0,1 мкм выполнен заодно с полосками поляризатора и затем его толщина увеличена до 2 мкм нанесением алюминия по маске из жертвенного слоя.
После удаления жертвенных слоев на вспомогательный слой наклеена вторая прозрачная стенка из стекла толщиной 0,5 мм.
На основе предлагаемого оптического модулятора могут быть изготовлены дисплеи, планшеты, индикаторы, работающие на просвет или на отражение, могут быть изготовлены оптические многоканальные коммутаторы (число каналов может достигать числа физических пикселей модулятора) с регулируемым пропусканием в отдельности по каждому каналу и коммутаторы с регулируемой апертурой, т.е. с регулируемой площадью действующего отверстия (требуемое число пикселей на канал).
При сохранении всех преимуществ устройства по прототипу, а именно:
- энергонезависимое сохранение изображения или коммутации и пропускания каналов,
- высокие энергосберегающие характеристики,
- возможность воспроизведения динамического изображения,
- возможность записи от руки,
- практически безразличность к температуре, давлению, радиации,
- нулевое время выхода на рабочий режим и др.,
- применение предлагаемого изобретения позволит:
- увеличить быстродействие по сравнению с прототипом примерно в 100 раз, благодаря уменьшению моментов сил трения и уменьшению момента инерции подвижного поляризатора;
- упростить технологию;
- увеличить долговечность и надежность оптического модулятора за счет упрощения конструкции подвижного поляризатора.