基于MEMS光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法

基于单片机控制的动态图像显示控制方法主要通过配置单片机参数实现对图像的显示控制,由于数据读写能力较弱,导致电压负荷较大。对此,提出基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法。将PC端输入的文字指令编码转换为光栅光调制器阵列的图像编码,采用异步读写的方式,对USB数据控制器的读写模式进行设计,构建出动态图像显示控制电路模块。在实验中,对提出的方法进行电压负荷的验证,经实验分析证明,利用提出的方法对动态图像进行显示控制,所需的工作电压和吸合电压值较低,对显示器的电压负荷较小。

反射面平动式光栅光调制器的实现及机电特性分析

提出了一种新型的光栅光调制器(GLM),它由可动平板阵列和固定光栅构成,通过可动平板的垂直运动,达到调制光束的目的。为验证该结构实现的可能性,得到器件的机电特性,根据微梁的力学理论进行了电力学理论分析,通过Coventor仿真软件进行了有限元仿真。分析表明,该器件所需驱动电压为16V,无明显的迟滞现象,可动平板的有效衍射面积较大,易于实现面阵结构,提高了光学衍射效率。

一种基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱探测系统

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。设计了该光谱探测系统的光学结构,论述了系统光谱探测原理,并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、波长准确性、系统稳定性、器件响应频率等特征参数测试实验。结果表明,该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内,分辨本领小于10 nm,波长准确性小于1 nm,系统稳定性小于0.5%,光栅光调制器的响应频率为5kHz。实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性,为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。

交叉效应对光栅光调制器阵列的影响

为了讨论交叉效应对无源矩阵驱动的光栅光调制器的影响,建立了无源矩阵驱动光栅光调制器的电学模型。介绍了光栅光调制器的工作原理和驱动电压。利用基尔霍夫的电流定理和电压定理,对该无源矩阵驱动阵列的电学模型进行化简分析,得到了交叉效应中半选点像素、非选点像素与全选点像素之间的电压关系。实验测得器件的驱动电压,并对加工的阵列器件进行交叉效应验证,得到这3种像素的±1级衍射光强与全选点像素驱动电压的关系。最后,提出两种抑制交叉效应的方法。实验结果显示:光栅光调制器的工作电压为8V,吸合电压约8.5V时;对于加工的16×16阵列,半选点像素电压约为全选点像素电压的1/2,且远大于非选点像素电压,结论与交叉效应理论分析一致。结果表明:交叉效应会降低阵列的光学对比度和光利用率,而器件较低的驱动电压有利于与有源矩阵电路实现单片集成,消除器件的交叉效应。

基于SRAM光栅光调制器阵列控制系统电路的研究

提出一种基于静态随机存储器(SRAM)的光栅光调制器阵列控制系统电路.介绍了光栅光调制器的加工工艺和工作原理,分析了该控制系统电路的原理和技术指标.利用Cadence软件和无锡华润上华0.5μm工艺,设计和加工了大小为8×8的控制系统电路.通过实验表明:加工的SRAM有源矩阵单元能够实现对输出电压的更新或保持;且加工的控制系统电路能够实现对光栅光调制器阵列的有源控制,从逻辑功能上验证了该控制系统电路设计的正确性.结果表明:只要该控制系统电路的行、列驱动电路能够在248MHz的时钟频率下工作,且有源矩阵单元的开关时间小于121ns,则该控制系统电路可以满足分辨率为1920×1080,帧频为30Hz,灰度级为256的投影显示.

光栅光调制器阵列翘曲问题分析

提出了一种新颖的面向大屏幕高清晰度显示的光栅光调制器(GLM)阵列.它利用光衍射原理对入射光进行调制.GLM是在硅片上分层构造的器件,采用以铝膜工艺为主的表面微加工工艺.在研制过程中器件翘曲成为制约器件性能的关键问题.从残余应力分析入手,分析了产生残余应力的原理,并提出使用单金属膜并控制工艺参数的改进方案.另外,采用"减薄梁"的工艺,使大部分应力释放在刚性较弱的支撑梁上.加工结果印证了理论分析和仿真,最终器件获得了较为平坦的表面.

闪耀式光栅光调制器及其机电耦合分析与仿真

提出一种基于微悬臂梁结构的新型闪耀式光栅光调制器,介绍其结构组成及工作原理.建立了器件的两种假设受力模型Ⅰ、模型Ⅱ,根据极小势能原理推导出器件变形方程,通过瑞利-里茨法则得出器件的固有频率,从理论上分析器件的结构尺寸、材料性能对吸合电压、固有频率的影响.最后通过Coventorware软件对器件进行机电耦合仿真,通过对比,模型Ⅱ更为合理,分析结果为器件的制造提供了理论依据.

光栅光调制器的有源矩阵驱动的设计与优化

通过提出一种光栅光调制器的有源矩阵的驱动方式,分析了有源矩阵光栅光调制器的工作机理和关键指标参数。并且分析指出增大有源矩阵的存储电容值,可以减小由电荷重新分布造成存储电压的降低。有源矩阵的晶体管宽长比和存储电容,影响有源矩阵的保持电压特性和开关速度。结合实际的工艺设计包,利用Cadence软件设计了有源矩阵的版图。设计了有源矩阵与光栅光调制器的单片集成的工艺流程。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性,且仿真结果与实验结果基本一致,表明:有源矩阵光栅光调制器可以满足分辨率为1920×1080,帧频30Hz,256级灰度的显示要求。

直梁结构光栅光调制器的机电特性分析与实验

介绍了直梁光栅光调制器的结构和原理,建立了器件的机电模型.利用能量法和卡式第二定理分析并得到器件的弹性系数;通过静电力与机械回复力的平衡,得到器件的驱动电压.结合器件的实际参数值,计算得到器件的工作电压为10.71 V,吸合电压为11.46 V.实验测得器件的实际工作电压为10.5 V,吸合电压为12.2 V,实验结果与理论分析基本一致.在1 kHz脉冲电压的驱动下,器件响应的上升时间和下降时间分别为46.59μs和44.77μs;器件的响应频率约为5 kHz.结果表明,加工的直梁光栅光调制器具有较低的驱动电压和较高的响应频率,能够满足微投影显示的要求.

MEMS光栅光调制器与CMOS驱动单片集成的研究

为了消除光栅光调制器阵列的交叉效应,提出利用post-CMOS工艺将光栅光调制器与CMOS驱动单片集成.介绍了单片集成器件的工作原理,详细分析了单片集成器件的关键参数.通过分析表明,在满足调制器响应频率条件下,通过改变悬臂梁的各个参数可以减小调制器的弹性系数,从而降低光栅光调制器的工作电压;在满足开关速度的条件下,较大存储电容具有更好的电压保持特性.利用中芯国际提供的0.18μm工艺设计包完成该单片集成器件的物理版图设计和仿真.最后,通过实验测得该器件的上升沿和下降沿时间分别为:36.8ns和36.4ns,且经过16.73ms的保持时间后压降为2.1V.实验结果与仿真结果具有较好的一致性,结果表明:加工的单片集成器件具有较快的开关速度和较好的电压保持特性,能够满足设计要求.

MEMS光栅光调制器阵列的控制系统设计

针对光栅光调制器阵列的显示控制,提出了一种控制系统设计方案。设计应用软件,产生显示数据源,由USB数据线发送到FPGA芯片,在FPGA芯片上实现格式转换、乒乓操作、脉宽调制等模块电路。实验结果表明,该控制系统操作灵活方便,为测试光栅光调制器的显示参数提供了有力的技术支持。

二维光栅光调制器阵列的光学分析与实验

基于标量衍射理论分析了二维光栅光调制器的衍射特性,提出了投影系统的光学处理方法,利用Matlab软件进行了仿真分析。分析结果表明,二维光栅光调制器的衍射光强分布是单个像素衍射光强的干涉叠加,其分布趋势与单个光调制器的衍射光强分布类似;通过反傅里叶变换可将各个调制器的衍射光重新分开而成像。如果用±1级衍射光的成像,相位为2kπ的调制器在投影面得到一个明亮的像,而相位为(2k-1)π的调制器在投影像面上得到一个黑暗的像。通过一个基于静态微光电系统光栅光调制器的投影光学系统得到了一幅明暗调制的像,证明了光栅光调制器用于投影显示的可行性。

LED照明的光栅光调制器光学特性分析与实验

针对一种新型的光调制器——光栅光调制器,研究用LED作为其照明光源时对光学调制特性的影响。以部分相干光理论为依据,结合MATLAB仿真,推导出用LED照明光栅光调制器时,光源带宽对成像对比度具有较大的影响,通过滤色片将光源带宽减小到13nm时,像面上的对比度约为150,进一步减小带宽至10nm,对比度将达到225。光源的尺寸在与光源到光栅光调制器之间的距离相比小于0.03时,对光栅光调制器的光学信息处理不会有影响,并通过实验加以证实,从而说明采用LED作为光栅光调制器照明光源的可行性。

基于光栅光调制器的照明光源的显示特性研究

研究了用LED作为光栅光调制器的照明光源时,三基色光源数目之比和光源相干性对显示质量及颜色复现能力的影响。利用部分相干光和色度学的相关理论,比较了不同光源带宽对显示对比度和色彩显示的影响。结果表明光源带宽越小,显示对比度越高,色品图中的色三角的面积越大;此外,研究还发现三基色光源数目之比对色彩显示影响较大,当红绿蓝三色光源数目之比为2:1:1时,混色白场在色品图中的坐标与标准光源的白场坐标位置接近,并进一步得到在该比例下光源带宽和一般显色指数的关系:光源的一般显色指数随着光源带宽的减小而减小。从而为光学系统的设计提供了一个光源选择的优化方案。

光栅光调制器的表面弯曲度分析及实验

讨论了二维光栅光调制器阵列的表面弯曲度对衍射光学特性的影响。利用实测的表面结构数据建立了阵列模型,利用Matlab软件计算了不同弯曲度对频谱面上衍射光强的分布影响,得到了弯曲度与对比度之间的关系。结果表明暗态时光栅面的弯曲度对成像对比度的影响很大,如果将光栅面的中心弯曲度控制在0.1λ以内,在像面上将获得1000以上的对比度。并通过实验动态显示器件的明暗态调制,得出减少光栅面弯曲度的优化方案。

基于光栅光调制器的彩色投影方案分析与实验

提出一种利用三色激光作为照明光源时,基于单片光栅光调制器(GLM)的彩色投影显示方案。阐述了该投影系统的彩色显示原理利用色度学相关理论;分析了红、绿、蓝三色激光合成标准D65白光源的原理;综合考虑显示色彩还原度、投影亮度和激光器输出功率3个重要指标,对激光光源进行了优化选择。分析结果表明,峰值波长分别为635,532及457nm的三色激光器组合为光源的最优设计方案。搭建了相关实验系统,通过收集±1级衍射光进行了静态光栅光调制器彩色投影实验。实验得到了红、绿、蓝及合成白色光源照明下的投影图案,初步证明了该彩色投影方案的正确性。

光栅光调制器周期结构的优化分析与实验

针对光栅光调制器的光学调制特点,建立一种可变周期结构的光栅光调制器模型,采用Matlab软件中的数字图像处理方法进行研究。利用傅里叶变换分析两种周期结构的光栅光调制器在频谱面和像面的光场分布,并得到不同周期结构对器件调制对比度的影响。实验得到了两种结构像面的光强输出对比。结果表明:不同周期结构对器件的亮态调制效果影响不大;当器件上下反射面中心对齐,下层反射面在器件周期方向两侧各超出上层光栅面的1/2倍光栅间隙宽度时,器件具有最佳的暗态调制效果,从而得到了光栅光调制器的一种周期结构优化方案。

基于光栅光调制器的投影物镜设计

设计了一种在发光二极管(LED)光源照明下,基于4f信息处理系统的光栅光调制器的投影物镜。对经光栅光调制器的衍射光进行滤波处理,实现对调制后像的投影放大显示。设计结果表明:该物镜总长70.71 mm,最大口径12.40 mm;整体像差控制在理想范围之内,可以满足成像要求。根据设计结果搭建实验系统,实验结果与理论分析一致,说明了设计的可行性。

基于LED的光栅光调制器照明系统的优化设计与实现

设计了一种基于LED照明的光栅光调制器(GLM)照明系统,以自由曲面TIR透镜、光棒、聚光透镜组为主要光学元件来提高LED光能利用率,并实现光场均匀化。通过仿真得出,照明系统的光能利用率为78.7%,光照均匀性为85%,实验与设计结果基本一致。这表明,优化后的光栅光调制器的照明系统,解决了基于LED的照明系统光照不均匀和光能利用率低的问题。

光栅光调制器投影系统信息处理优化设计

光学信息处理是投影系统设计的关键环节,利用部分相干光理论分析了具有一定光斑尺寸的激光照明下滤波面上的光学特性并进行了数值仿真。结果表明,滤波面上的衍射光强分布是调制器透过率函数傅里叶变换模的平方与激光光斑尺寸在滤波面上几何投影间的卷积;滤波面上各衍射级次出现了展宽,并产生了混叠;各级次混叠的程度随滤波面与调制器间距的增大而减弱。搭建了相关实验系统观察到了滤波面上的衍射图样,实验结果和理论分析一致。最后提出了在光栅光调制器与滤波面间设置一个会聚透镜来减小系统光学尺寸,提高系统信息处理效果的方法,并通过实验得到了最优方案,为研究光栅光调制器的微型化投影系统提供了理论基础与实验指导。