МИКРОСИСТЕМА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
OPTICAL RADIATION MICROSYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области оптики и может быть использовано для отклонения пучка квазимонохроматического оптического излучения по двум пространственным направлениям, создания плоских изображений с помощью пучка квазимонохроматического оптического излучения, изменения и переключения изображений.
Уровень техники
Из уровня техники известны устройства оптического излучения (см., например, Ammetal. - патент США на изобретение US 6829092 от 2004.12.07, Ikeda - патент США на изобретение US 7116462 от 2006.10.03 или Kasai - патент США на изобретение US7102808 от 2006.09.05), которые включают в свой состав источник квазимонохроматического оптического излучения, систему оптических элементов, блок управления и дефлектор оптического излучения, содержащий хотя бы одну линейку параллельно расположенных на подложке электроуправляемых микроструктур, каждая из которых представляет собой набор из двух электродов, сформированных на подложке друг над другом с воздушным зазором, кратным четверти длины волны падающего света: неподвижного нижнего электрода и подвижного верхнего электрода, изготовленного из диэлектрического материала и покрытого отражающим металлическим покрытием высокого оптического качества.
Недостатком известных технических решений являются недостаточные функциональные возможности устройства из-за невозможности отклонения пучка квазимонохроматического оптического излучения по двум пространственным направлениям.
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту техническим решением является микросистема оптического излучения, используемая в составе микрозеркального устройства для модуляции оптического излучения (см. Jonathan Doanet al., заявка США на изобретение US 2005/0157375 от 2005.07.21). Микросистема в составе микрозеркального устройства для модуляции оптического излучения включает в свой состав источник квазимонохроматического оптического излучения, систему оптических элементов, блок управления и пространственный дефлектор оптического излучения, содержащий матрицу электроуправляемых микроструктур, каждая из которых представляет собой микрозеркало, установленное с помощью шарнира с зазором над адресным управляющим электродом, что позволяет каждой микроструктуре отклонять пучок квазимонохроматического оптического излучения вдоль двух пространственных направлений.
Недостатком устройства является недостаточные функциональные возможности из-за низкой скорости модуляции.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей конструкции за счет создания микросистемы оптического излучения, обеспечивающей возможность отклонения пучка квазимонохроматического оптического излучения по двум пространственным направлениям со скоростью не менее 1 ГГц.
Технический результат достигается тем, что микросистема оптического излучения включает источник квазимонохроматического оптического излучения, систему оптических элементов, первую линейку электроуправляемых микроструктур, вторую линейку электроуправляемых микроструктур, фотоприемник, блок управления, при этом система оптических элементов включает: собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположена первая линейка электроуправляемых микроструктур, собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположена вторая линейка электроуправляемых микроструктур, собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник, блок управления по первой управляющей шине подсоединен к контактным площадкам неподвижного нижнего электрода и подвижного верхнего электрода первой линейки электроуправляемых микроструктур соответственно, блок управления по второй управляющей шине подсоединен к контактным площадкам неподвижного нижнего электрода и подвижного верхнего электрода второй линейки электроуправляемых микроструктур соответственно, каждая из линеек электроуправляемых микроструктур включает в свой состав как минимум две электроуправляемые микроструктуры, расположенные на подложке параллельно друг относительно друга, каждая электроуправляемая микроструктура представляет собой набор из двух электродов, сформированных на подложке друг над другом с воздушным зазором (например, так, как это показано на фигурах 2 и 4), кратным четверти длины волны падающего света: неподвижного нижнего электрода и подвижного верхнего электрода, подвижный верхний электрод изолирован диэлектрическим материалом от неподвижного нижнего электрода, при этом источник квазимонохроматического оптического излучения связан с первой линейкой электроуправляемых микроструктур через собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположена первая линейка электроуправляемых микроструктур, первая линейка электроуправляемых микроструктур через собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположена вторая линейка электроуправляемых микроструктур, связана со второй линейкой электроуправляемых микроструктур, которая в свою очередь через собирающую линзу, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник, связана с фотоприемником.
В предпочтительном варианте подвижный верхний электрод микросистемы изготовлен из диэлектрического материала и покрыт отражающим металлическим покрытием, линейки электроуправляемых микроструктур расположены плоскопараллельно и направлены отражающими поверхностями друг на друга, подложки линеек электроуправляемых микроструктур ориентированы так, что микроструктуры первой линейки перпендикулярны микроструктурам второй линейки, управление линейками электроуправляемых микроструктур с помощью блока управления осуществляется независимо, отклонения пучка квазимонохроматического оптического излучения осуществляются по двум пространственным направлениям, причем каждая из линеек электроуправляемых микроструктур отклоняет пучок квазимонохроматического оптического излучения только в одном пространственном направлении.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
На фиг.1 обозначено следующее;
1 - источник квазимонохроматического оптического излучения;
2 - система оптических элементов;
3 - система из двух линеек электроуправляемых микроструктур;
4 - фотоприемник;
5 - блок управления;
6 - собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположена первая линейка электроуправляемых микроструктур;
7 - собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположена вторая линейка электроуправляемых микроструктур;
8 - собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник;
9 - первая линейка электроуправляемых микроструктур;
10 - вторая линейка электроуправляемых микроструктур;
11 - электроуправляемая микромеханическая структура;
12 - управляющая шина от блока управления к первой линейке электроуправляемых микроструктур;
13 - управляющая шина от блока управления ко второй линейке электроуправляемых микроструктур.
На фиг.2 представлена принципиальная схема линейки электроуправляемых микроструктур, где:
14 - подвижный верхний электрод;
15 - диэлектрический материал (изоляция);
16 - неподвижный нижний электрод;
17 - контактная площадка неподвижного нижнего электрода;
18 - контактная площадка подвижного верхнего электрода;
19 - подложка линейки электроуправляемых микроструктур.
Микросистема оптического излучения включает источник квазимонохроматического оптического излучения 1, систему оптических элементов (2), первую линейку электроуправляемых микроструктур (9), вторую линейку электроуправляемых микроструктур (10), фотоприемник (4), блок управления (5), при этом система оптических элементов включает: собирающую линзу (6), в фокальной плоскости которой расположена первая линейка электроуправляемых микроструктур (9), собирающую линзу (7), в фокальной плоскости которой расположена вторая линейка электроуправляемых микроструктур (10), собирающую линзу (8), в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник (4), блок управления (5) по первой управляющей шине (12) подсоединен к контактным площадкам (17) и (18) неподвижного нижнего электрода (16) и подвижного верхнего электрода (14) первой линейки электроуправляемых микроструктур (9) соответственно, блок управления (5) по второй управляющей шине (13) подсоединен к контактным площадкам (17) и (18) неподвижного нижнего электрода (17) и подвижного верхнего электрода (18) второй линейки электроуправляемых микроструктур (10) соответственно, два электрода сформированы на подложке (19), электроды (17) и (18) изолированы диэлектрическим материалом (15).
На фиг.3 изображена система из двух линеек электроуправляемых микроструктур и показано пространственное расположение линеек электроуправляемых микроструктур друг относительно друга: линейки электроуправляемых микроструктур расположены плоскопараллельно, направлены отражающими поверхностями друг на друга и ориентированы так, что микроструктуры первой линейки перпендикулярны микроструктурам второй линейки.
На фиг.4 изображена периодическая ступенчатая структура, которая формируется при избирательной подаче управляющего напряжения на определенные электроуправляемые микроструктуры линейки электроуправляемых микроструктур, где:
20 - подвижный верхний электрод электроуправляемой микроструктуры, на которую не подано управляющее напряжение;
21 - подвижный верхний электрод электроуправляемой микроструктуры, на которую подано управляющее напряжение.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство функционирует следующим образом. При подаче управляющего напряжения между контактными площадками неподвижного нижнего электрода и контактными площадками подвижного верхнего электрода (см. фиг.2) параллельно на часть электроуправляемых микроструктур линейки электроуправляемых микроструктур, подвижные верхние электроды тех электроуправляемых микроструктур, на которые подано управляющее напряжение, прогибаются вниз к неподвижным нижним электродам, что приводит к возникновению ступенчатой структуры. При избирательной подаче управляющего напряжения на определенные электроуправляемые микроструктуры линейки электроуправляемых микроструктур, получаем периодическую ступенчатую структуру с изменяемым периодом. Величина прогиба подвижных верхних электродов (высота ступеньки) определяется значением управляющего напряжения. Период и высоты ступенек периодической ступенчатой структуры определяются из условий формирования разности фаз отраженного оптического излучения. Отраженный пучок квазимонохроматического оптического излучения от такой периодической ступенчатой структуры формирует на плоскости изображение, подобное изображению, наблюдаемому от одномерной дифракционной решетки. Пучок квазимонохроматического оптического излучения, последовательно переотраженный от двух периодических ступенчатых структур (см. фиг.4), расположенных, как показано на фиг.3, формирует на плоскости изображение, подобное изображению, наблюдаемому от двумерной дифракционной решетки. Падающий пучок квазимонохроматического света отражается от первой одномерной дифракционной решетки и дает совокупность линейно расположенных максимумов. Световой пучок, соответствующий каждому максимуму, отражаясь от второй одномерной дифракционной решетки, расположенной относительно первой решетки, как показано на фиг.3, распадается на новую совокупность световых пучков, расположенных на плоскости.
Таким образом, изменяя высоты ступенек и периоды каждой из двух ступенчатых структур, получаем возможность отклонять пучок квазимонохроматического оптического излучения по двум пространственным направлениям.
Примеры реализации
Технические решения были использованы при реализации микросистемы оптического излучения, обеспечивающей отклонение пучка квазимонохроматического излучения по двум пространственным направлениям в диапазоне 0-7,5 мм со скоростью 1-3 ГГц. Расстояние между линейками электроуправляемых микроструктур микросистемы оптического излучения составило 20 мм, расстояние от второй линейки электроуправляемых структур до фотоприемника составило 15 см. Управляющее напряжение составило не более 30 В. В качестве подложки при реализации конструкции линейки электроуправляемых микроструктур микросистемы оптического излучения использовали кремниевые монокристаллические пластины с ориентацией [100], легированные бором (марка пластин КДБ 7,5), в качестве материалов электроуправляемой микроструктуры использовали нитрид кремния и алюминий. Расстояние между соседними электроуправляемыми структурами составило 4 мкм, ширина электроуправляемых микроструктур составила 2 мкм, зазор между верхним и нижним электродом составил 0,16 мкм.
Таким образом, описанная микросистема обеспечивает отклонение отраженного оптического излучения по двум пространственным направлениям при воздействии управляющего напряжения 30 В со скоростью 1-3 ГГц.