基于被动式 MEMS二元空间光调制器的激光散斑抑制方法研究

Currently, one of the bottlenecks for the application of lasers, which are the perfect illumination sources, in projection displays is the speckle reduction. In this project, we will start from the formation of speckle and the speckle reduction mechanisms, build up an optimized speckle reduction model based on a low-scattering binary phase diffuser, and then propose a passive MEMS binary spatial light modulator (P-MEMS-BSLM), which has the merits such as cheaper, more portable, lower power consumption and longer lifetime et al. With the help of the theoretical analysis and the simulation of the four-beam piston micro-mirror structure, the key parameters of the P-MEMS-BSLM will be optimized. The fabrication process of P-MEMS-BSLM will be developed. Finally, a standard speckle measurement setup will be built up, and the speckle reduction by the P-MEMS-BSLM will be characterized. In conclusion, this project aims to develop an optimized laser speckle reduction method based on the theory and technique, replace the traditional speckle reduction method by vibrating the binary phase diffuser, and support the key-tech in commercialization of laser projection displays.

作为理想的投影显示照明光源，现阶段激光在投影显示中仍未普及的技术瓶颈之一即散斑抑制。本项目拟从激光散斑的产生和抑制机理出发，建立基于低散射性二元相位散射屏的优化散斑抑制模型，并提出具有低成本、小体积、低功耗和长寿命等优点的被动式MEMS二元空间光调制器（passive MEMS binary spatial light modulator: P-MEMS-BSLM）。通过对四粱活塞式微镜结构的计算分析和建模仿真，实现P-MEMS-BSLM关键参数的最优化设计。开发出P-MEMS-BSLM的成套加工工艺。搭建散斑测试的标准化实验平台，对P-MEMS-BSLM的散斑抑制效果进行标定。本项目旨在从理论和技术实现手段上，开发出一种优化的激光散斑抑制方法，以替代传统的机械振动二元相位散射屏的方法，为激光投影显示的商业化应用提供关键技术支持。

激光显示具有宽色域、高光效和高亮度等潜在优势，被称为第四代显示技术。据预测，到2025年激光显示的市场规模将达1000亿美元。激光散斑是阻碍激光显示技术发展的主要问题，目前普遍采用振动随机相位散射片（RPD）抑制散斑。但马达和音圈等机械驱动器件存在成本高、体积大和功耗高等缺点，难以满足工业需求。本项目提出二元相位散射屏（BPD）激光散斑抑制方案，建立被动式MEMS二元空间相位调制器（P-MEMS-BSLM）在激光投影显示系统中的散斑抑制模型，以取代机械振动BPD的散斑抑制方法，其具有低成本、小体积、低功耗等优势；通过建立微镜的被动式矩阵电极驱动模型和驱动方法，简化掉单独控制微镜所需的存储晶体管，降低控制电极数量；设计P-MEMS-BSLM器件，研究开发P-MEMS-BSLM的成套加工工艺；搭建激光散斑测试的标准化实验平台，分析P-MEMS-BSLM在激光投影显示系统中的散斑抑制效果。项目实施以来，课题组严格统筹项目进展，设计加工P-MEMS-BSLM器件，验证其具有激光散斑抑制功能。发表学术论文6篇，申请国家发明专利7项，培养本硕博连读研究生1名，硕士研究生5名，完成了项目任务书中的规定要求。相关技术成果有：（1）提出了基于二元正交数组（OA）的BPD激光散斑抑制方法和器件模型，证明采用N_1×N_2 OA，经过N_1次相位变化，将激光散斑对比度降低1/N_2^1/2。（2）基于正交数组的克罗内克构造法，设计了被动式矩阵电极驱动方案，仅需2/N_2^1/2个控制电极数量，即可实现器件的驱动。（3）研究了磁控溅射方法生长钛铝合金薄膜加工工艺，薄膜方块电阻37.7 ohm/□和杨氏模量136 GPa，具有优异的电学和机械性能。（4）设计了P-MEMS-BSLM的成套加工工艺流程，主要包括铝下电极、氮化硅阻止栓、二氧化硅牺牲层和钛铝合金上电极等，完成了三梁六边形和四梁四边形两类P-MEMS-BSLM器件的加工。（5）建立了激光散斑测试平台，测试发现P-MEMS-BSLM具有激光散斑抑制功能，将激光散斑对比度由0.7降低至0.5（理论上可降低到0.23）。本项目方法和技术为解决激光显示中的散斑问题提供了新的思路，并为下一步该技术原理真正用于指导激光显示的散斑抑制问题做好了前期准备。