本發明涉及激光投影顯示領域，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：

相對于傳統的顯示技術，激光投影顯示技術具有較寬色域而容易獲得生動鮮明的畫面，具有超高的亮度和對比度而容易提高顯示畫面質量，同時還具有壽命長、功耗低、可靠性高和節能環保等特點，是一種極具競爭力的顯示技術。目前激光顯示中存在的一個主要應用障礙是激光散斑現象。激光光源具有高相干性，激光光源照射在粗糙屏幕后產生的漫反射光線將在空間光路上發生嚴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規律，因此所形成的干涉圖像也無規律，而是隨機分布的細小尺寸的亮斑，即為散斑(laser speckle)。該亮斑將影響漫反射空間中任意位置的觀察者所看到圖像的視覺效果。激光散斑通常用畫面的光強分布來表征度量，具體定義為光強的標準偏差與畫面平均光強的比值，可以通過CCD拍攝并利用圖像處理系統來分析計算。

依據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。第一類是通過降低光源的相干性，如增加激光光源的譜帶寬度，激光器諧振腔調制、脈沖光源、多光源、出射方向的光源振動等方法。第二類是通過降低屏幕終端的反射光散斑，如振動屏幕。第三類是通過在光路中改變激光的相干性從而抑制激光散斑現象，如振動鏡，隨機相位片，光導管等。激光在傳播過程中(反射或透射)與界面或器件發生作用形成出射角度多樣化(微小差異)、相位差異隨機化或偏振差異化的出射激光，最終降低散斑對比度。相對于前兩類方法，在光路中降低激光散斑的方案具有操作設計空間大，選擇多，成本低，局限小等優點。

CN105301793A公開了一種旋轉透射式，具有凹凸表面的消散斑光學元件，CN105700169A公開了一種將振動裝置與光源、光路器件和屏幕等任意元件結合的消散斑裝置。近幾年的研究文獻中介紹了旋轉式和振動式激光勻散器(diffuser)，旋轉勻光管(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比度消減效果。

目前隨著產品微型便攜化發展，還有眾多此類消減散斑器件從MEMS角度開發設計，如靜電驅動的動態衍射光柵、壓電驅動的MEMS變形反射鏡、MEMS微鏡陣列二元相位調制器(CN102967933A)、MEMS平面光波導分路器(CN102053385A)、MEMS面外垂直振動膜(CN102141687A)，拋光粗化的MEMS振動反射鏡(CN102207634A)。上述器件或裝置可以對散斑對比度產生消減效果，具有各自的優點，但是也存在各方面不足，例如制作工藝復雜，工藝可控性差，成本居高，光能量損失嚴重，結構復雜，不易實現微型化和集成化等等。現實激光顯示技術仍然在努力追求一種能有效降低散斑現象的簡單可靠裝置。

技術實現要素：

本發明提供了一種抑制激光散斑的MEMS振鏡及其制作方法，結構及制作工藝簡單，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、驅動反射鏡面振動的驅動梳齒和檢測反射鏡面振動的檢測梳齒，其中，所述反射鏡面的表面有波浪起伏結構，保證對入射光進行反射，同時干擾激光相位實現散斑抑制功能。

所述的波浪起伏結構指隨機的特征尺寸范圍的凸起或凹陷圖形，且截面形貌為連續起伏的規則或不規則的波浪形，而非臺階形，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。

相鄰凸起或凹陷之間的距離通過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的1/4～2倍。

所述的反射鏡面上表面進一步設置有金屬層，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。

所述驅動梳齒和檢測梳齒均包括動梳齒和靜梳齒，其中，反射鏡面和動梳齒通過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；

(2)在SOI的器件層通過光刻、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)獲得的器件經過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構，所述電隔離槽位于各梳齒結構與電極的周圍；

(5)腐蝕暴露在背腔的埋氧層。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：在本發明振鏡結構中，反射鏡面基于微加工工藝制作，其表面設計有波浪起伏結構，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，增強激光散斑的抑制效果；這些波浪起伏結構可以通過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進行靈活設計和調整，進而控制表面對光的反射，衍射和散射特性，減少光能量的損失；

在本發明工藝方法中，反射鏡面加工所采用的淺刻蝕工藝可以維持被刻蝕區面有較好的鏡面特性，并消除刻蝕后淺槽內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一步提高鏡面的反射率。

另外，針對于反射型散斑抑制MEMS振鏡存在一定程度的散射錐角的客觀現實，可以根據實際情況和需求在出射光路上通過透鏡匯聚的方式再次提高光能量利用率。

【附圖說明】

圖1是加工MEMS振鏡所使用的SOI硅片的結構示意圖。

圖2是SOI硅片的支撐層經光刻和刻蝕后形成空腔。

圖3是SOI硅片的器件層經光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光后形成波浪起伏表面的結構示意圖。

圖4是波浪起伏的鏡面上沉積一層金屬反射層后的結構示意圖；

圖5是SOI硅片的器件層經再次光刻并刻蝕至埋氧層，形成電隔離槽和振鏡的主要結構的結構示意圖。

圖6是本發明振鏡的結構示意圖。

圖7是本發明MEMS振鏡的器件層平面示意圖。

圖8是本發明鏡面內隨機分布的微小圖形的示意圖。

圖9是本發明MEMS振鏡在激光顯示系統內的工作示意圖。

【具體實施方式】

請參閱圖9所示，本發明MEMS振鏡在激光顯示系統內的工作示意圖。示意圖包括激光源1、MEMS振鏡、短焦距光學平凸透鏡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MEMS振鏡的相位干擾和鏡面反射，將來自于激光源1的高相干性入射光轉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過前短焦距平凸透鏡、勻光管4和后短焦距平凸透鏡的匯聚、勻化和聚焦，然后進入激光顯示芯片5并最終投射到顯示屏幕6。

請參閱圖7所示，所示的MEMS振鏡，包含反射鏡面31、諧振懸梁39、驅動梳齒33、檢測梳齒35、驅動梳齒的動梳齒電極331和靜梳齒電極333、檢測梳齒的靜梳齒電極351和外框架37；反射鏡面31和動梳齒通過諧振懸梁39懸置連接于外框架37，靜梳齒直接與外框架37相連，驅動梳齒的動梳齒電極331、靜梳齒電極333、檢測梳齒的靜梳齒電極351分布于外框架37的表面并與對應的梳齒相連。

所有結構均分布在SOI片的器件層，動靜梳齒之間通過刻蝕隔離槽41和埋氧層實現電絕緣隔離。SOI片的支撐層設計有對應的空腔，以釋放器件層可動結構，提供自由振動空間，減小振動阻尼。

所述的反射鏡面具有隨機分布且微小的波浪起伏特征，保證對入射光有較高的反射率，同時還能干擾激光相位實現散斑抑制功能。隨機且微小的波浪起伏特征具體是指鏡面上隨機分布了特征尺寸范圍的凸起(或凹陷)圖形，且截面形貌為連續起伏的規則或不規則的波浪形，而非臺階形，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，增強激光散斑的抑制效果。

制作隨機且微小的波浪起伏特征表面所需的光刻掩膜圖形通過軟件隨機生成得到，隨機分布的凸起(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凸起(或凹陷)圖形的表面覆蓋率來決定，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(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過腐蝕拋光工藝處理，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振鏡可以通過靜電梳齒驅動鏡面做面內左右振動，并且振動頻率可通過MEMS振鏡的結構參數進行設計調整。振動的反射鏡面進一步增強激光散斑對比度的時間平均，提高該裝置對散斑的抑制效果。

本發明提供一種激光顯示系統中抑制激光散斑的MEMS振鏡制作方法。通過光刻、刻蝕和鍍膜等半導體微加工工藝制作，容易對該器件的各種參數精密控制和設計，尤其便于器件中的核心結構——鏡面的特征設計和控制，滿足多樣化需求。

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的底層經光刻和刻蝕后形成空腔，空腔內的埋氧層暴露出來，該空腔為背腔，如圖2；

(2)在SOI的器件層通過光刻、淺刻蝕和腐蝕拋光工藝制作波浪形特征表面，面內隨機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)獲得的器件經過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構(即驅動梳齒、振動梁等)，如圖5；

(5)通過氫氟酸腐蝕暴露在背腔的埋氧層，釋放可動結構，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的正多邊形隨機分布與整個鏡面；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，在靜梳齒驅動電極和動梳齒電極上施加電信號促使可動鏡面兩側的驅動梳齒形成一推一拉的驅動力，保證可動鏡面平穩規律地面內振動。

當激光投射在振鏡鏡面，由于鏡面隨機分布有200-1200nm范圍內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，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，鏡面可以按一定頻率面內左右振動。在鏡面振動的過程中，激光將從鏡面隨機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暫留時間內產生疊加從而實現散斑對比度因時間平均而被降低，實現了較好的散斑抑制效果。

本發明具有的有益效果如下：

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

(2)反射傳播功能和散斑抑制功能被設計集成在同一結構上，鏡面表面設計有隨機分布且微小的波浪起伏特征，在實現激光反射的同時通過干擾激光相位實現散斑抑制功能，結構功能更緊湊。

(3)鏡面表面設計的隨機分布且微小的波浪起伏特征是通過淺刻蝕和腐蝕拋光工藝得到，該表面特征有利于產生更為豐富的相位差異和出射光角度微差異，同時抑制形成衍射圖案、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，對入射到振鏡表面(波浪起伏表面)的激光執行反射和干擾激光相位的動作，同時鏡面在靜電梳齒驅動下做面內的左右振動(不會改變激光入射和出射方向)，進一步利用人眼視覺暫留時間內散斑圖像的疊加從而實現散斑對比度因時間平均而被降低，增強器件的散斑抑制效果。

(6)鏡面振動通過靜電驅動，且在諧振模式，元件工作性能穩定且能耗低。

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