空间光调制器是对于多种成像应用有价值的，包括科学仪器和商业 产品。
经由追溯本发明的背景，MOEMS光调制器是已知的，其利用光干 涉效应来控制光束的强度和/或相位。例如，刘易斯(Lewis)等人在 SP1E-5614(1994年)第24-30页发表的文章说明了基于带可调式间隙的 MOEMS器件的光调制器结构，所述可调式间隙充当光学谐振腔(硅- 空气-硅式法布里-珀罗标准器)。然而在刘易斯等人的文章中说明的器 件不同于大多数MOEMS光调制器结构，因为它可以在透射中以及反射 中起作用。
古森(Goossen)等人在IEEE Phot.Tech.Lett.6(1994)上第1119- 1121页发表的文章说明了光调制器，其基于结合了可动隔膜下方的可调 式腔的法布里-珀罗谐振腔，在反射模式下工作。在古森等人的文章中 所指的器件里，隔膜被气隙上方的臂支撑且可借助于静电力运动，所述 静电力由施加在绕隔膜圆周布置的电极与下面的基板之间的偏置电压 引起。当隔膜被引入到紧靠下面基板附近时，则存在防反射条件且因而 减少了反射信号。在透射中，打开和关闭状态之间的对比很低，且该设 计将不适合作为空间光调制器用于在红外光谱区中使用虽然在古森的 文章中说明的调制器可以有用地在光导纤维应用中采用，这样一种结构 难以按比例扩大到具有精细节距几何形状(10μm到50μm)的二维阵 列，因为其填充系数将低得令人难以接受。另外，调制器内使用的材料 中的应力使得不能在没有显著扭曲该可动隔膜的情况下实现更紧凑的 支撑结构。此外，古森等人的文章中所指的器件易受扭曲，这是由于其 中所使用材料(氮化物结构上方的金属)的差别的热膨胀系数。这种 扭曲将使得器件的光学性能有所折衷，因为谐振腔将是定义不明确的。
电极被限制在隔膜的周缘处以使得填充系数最大化，意思是该区域 的仅很小一部分被用来静电式驱动该器件。因而需要高电压以调制该器 件。类似地，金属在隔膜上方，增加了电极间的间隙并减少了合力，除 非施加更高驱动电压。器件上所需的的上电极的有限尺寸及相关的驱动 电压，使得此器件不适合于按比例变为具有高像素计数的大面积(二维) 阵列所需的小像素尺寸(15到50μm)。
美国专利5,636,052说明了反射性显示器，包括具有MOEMS光调 制器阵列的二维空间光调制器。阵列内的每个调制器包括悬挂在基板上 方的可动隔膜。每个光调制器在可动隔膜与下面基板之间运用光干涉效 应，这导致调制器基本上反射或者吸收光信号。该显示器总是以反射式 工作。阵列内的光调制器是借助于使用行-列寻址策略的相关驱动电子 线路而可以分立地寻址的。采用主动行-列寻址策略矩阵，且每个调制 器具有至少一个与其相关联的地址晶体管。驱动电子线路可以制作在同 一基板上作为与每个分立调制器邻接的空间光调制器。正如本领域技术 人员读者将领会到的，此装置便利了数据信号与空间光调制器的交互对 接，但可能减少阵列的填充系数。另外，用来制作调制器隔膜的高温微 机电(MEMS)加工步骤可以使驱动电子线路内的晶体管特性劣化。而 且，便利了基板内的驱动电子线路干预基板的光学性能，由此仅将空间 光调制器限制为反射性工作。
绝大部分MEMS阵列寻址策略是基于埋入式(像素内)寻址电子 线路的。尽管静电器件的滞后特性是总所周知的，基于此现象的用于 MEMS器件的寻址策略不是公知的。然而，在EP 1 341 025中可以发现 一个例外，这种寻址策略迄今未被应用于本发明的MOEMS空间光调制 器。EP 1 341 025说明了反射性MEMS光学显示系统，其使用激励电极 来操作多个MEMS反射体并分离存储电极以将MEMS反射体闭锁到优 选位置内。与本发明形成对比的是，EP 1 341 025中说明的器件仅以反 射式工作，因为其中的电极不是光学透射性的。因此，EP 1 341 025中 的驱动电极没有形成器件的光学结构的部分。最后，EP 1 341 025中讨 论的寻址策略不能将显示系统内的分立反射体复位。

本发明的目的是提供替代的MOEMS空间光调制器，其减轻了上述器 件的至少某些缺点。本发明的又一目的是提供控制不需要像素内电子装 置的MOEMS空间光调制器的无源方法。本发明的另一目的是实现用作微 型快门(micro-shutter)阵列的MOEMS调制器。
根据本发明的第一方面，现在提出了一种具有光谐振器的微光机电 系统(MOEMS)光调制器，所述光谐振器包括结合了镜的不对称法布里- 珀罗标准器(etalon)，所述镜相对于基板弹性地偏置、且可以响应于 施加到它们之间的电压而相对其运动。
优选地，光调制器能够调制具有多个波长和/或入射角的电磁辐射。 可选地，光调制器能够调制具有单一波长的电磁辐射。
作为说明，在常规的布里-珀罗标准器中，每个镜常包括具有对比 性折射率的材料的介电叠层，且每层的厚度近似为四分之一光波长。由 镜之间的气隙形成的谐振腔的厚度常规情况下是半光波长(在设计波长 处)的若干倍。因而通过将可动镜从厚度为半波长的情况移位到厚度为 四分之一波长的情况，有可能达到两个对比性的光学状态，因为在后一 情况下整个叠层在本质上是宽带反射器。这两个状态分别被标示为打开 和关闭。这种设计的问题是，打开状态的光谱响应相对狭窄且这种器件 将不适合作为跨宽光谱范围(0.75水平，从而使得 随后的干涉叠层在本质上变为宽带透射滤波器。
在优选实施例中，光调制器适合调制红外辐射的透射，且更优选地， 适合调制短波红外(SWIR)辐射(0.8-2.5μm)、中波红外(MWIR) 辐射(3-5μm)和长波红外(LWIR)辐射(8-14μm)大气窗中的至少 一种。
便利地，光调制器基板基本上对SWIR、MWIR和LWIR辐射有透 射性。这个特性指的是：在光调制器中的基板层上制作光谐振器之前， 基板层的透射性能。
有利地，调制器在光学打开状态下基本上对MWIR辐射有透射性、 且在光学关闭状态下基本上对MWIR辐射没有透射性。
优选地，对于MWIR辐射，光调制器在光学打开状态下具有大于 40％，优选为大于50％，甚至更优选地大于60％，有利地大于70％， 甚至更有利地大于80％，最优地大于95％的最大透射率；且在光学关 闭状态下具有小于5％，优选地小于4％，甚至更优选地小于3％，有利 地小于2％，甚至更有利地小于1％的最小透射率。
便利地，光调制器具有多层叠层，包括下列多个毗邻层：硅可动镜 层、气隙、硅层、第一介电层、和硅层。第一介电层可以包括二氧化 硅、氮化硅、氮氧化硅、或气体例如空气或氮气之一。
可选地，光调制器可以具有多层叠层，包括下列多个毗邻层：硅可 动镜层、气隙、第二介电层、硅层、第一介电层、和硅层。在此情况 下，第二介电层可以包括二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅之一。
在另一优选实施例中，光调制器适合于反射地调制可见辐射。
优选地，镜能够在不对称法布里-珀罗标准器内、在基板远端的基 本上稳定的第一位置与紧邻基板的基本上稳定的第二位置之间运动。
便利地，所述镜适合于响应所施加电压在第一与第二位置之间非线 性地运动。无限制地，本文中所用术语“非线性”将指镜的位置响应， 所述镜的位置响应是施加到光调制器的电压的函数而非镜运动速度或 其加速度的函数。
有利地，所述镜适合于当具有超过第一阈值的量值的力施加到所述 镜时，从第一位置运动，且当所施加的力的量值减少到第二阈值以下时， 适合于从第二位置运动，该两个阈值设置为基本上不同。
优选地，该力是具有基本上与所加电压的平方成比例的量值的静电 引力、与具有基本上与镜位移成比例的量值的机械回复力的合力。作为 替代，或另外，弹簧可以设计成是非线性部件。
甚至更优选地，所述镜具有表现出滞后的位置响应。
根据本发明的第二方面，现在提出了包括根据本发明第一方面的光 调制器的二维阵列的空间光调制器。
在优选实施例中，空间光调制器具有第一层电极和第二层电极，且 其中光调制器布置成阵列，每个调制器具有第一层中的电极和第二层中 的电极。
便利地，空间光调制器具有多个行电极和多个列电极，且其中光调 制器是可以使用无源矩阵行-列寻址策略单个地寻址的。这样一种无源 寻址策略不需要半导体器件(晶体管等等)在空间光调制器内开关每个 光调制器。为清楚起见，行电极包括所述行的光调制器内的所有可动镜， 而列电极包括所述列的光调制器内的所有固定平板电极。
优选地，每个光调制器内的光谐振器包括至少第一层电极和第二层 电极之一。
甚至更优选地，至少第一层电极和第二层电极之一基本上对入射辐 射有透射性。
优选地，光调制器规则地布置成阵列且具有在5-200μm范围内的 节距(在相邻调制器上的相同点之间测量)，优选地在20-50μm的范 围内，最佳为30μm的节距。
便利地，空间光调制器内的至少一个光调制器被切趾(apodized)。 该至少一个被切趾的光调制器可以包括异型镜(profiled mirror)。
有利地，空间光调制器包括具有多个微透镜的阵列，所述微透镜布 置成与其中的光调制器的阵列光学连通。优选地，微透镜阵列内的每个 微透镜与空间光调制器内的光调制器协作，来将电磁辐射聚焦于其上。
根据本发明的第三方面，现在提出了一种寻址空间光调制器的方 法，所述空间光调制器包括具有布置成阵列的多个MOEMS双稳光调制器 的多个列电极和多个行电极，且阵列内的每个光调制器布置在行电极与 列电极之间的交点处，该方法包括以下步骤：
(i)施加列驱动电压到每个列电极，
(ii)施加行驱动电压到每个行电极，
由此在每个交点处的光调制器可以响应于所述交点处的列驱动电 压与行驱动电压之间的电势差而工作。
寻址策略的主要特征是，当使能给定列时，整个行可以并行设置。 在实践中，各列被顺序启用，对于每个给定列，所有行被并行设置。
优选地，该方法包括将光调制器设置到锁定位置，包括以下步骤：
(i)将施加到所有列电极的列驱动电压设置成等于保持电压基准 Vref，
(ii)将施加到与待设定调制器相对应的列电极的列驱动电压增加 Vset，其中Vref+Vset小于锁定光调制器所需的锁定电压Vpi，
(iii)将施加到与待设定调制器相对应的行电极的行驱动电压设置 为等于行设定电压-Vrow-set，其中电势差Vref+Vset+Vrow-set大于锁定电压 Vpi，
(iv)将行驱动电压从与待设定调制器相对应的行电极移除，和 (v)将施加到与待设定调制器相对应的列电极的列驱动电压减少 Vset回到Vref，
优选地，该方法包括将光调制器从锁定位置复位，包括以下步骤：
(i)将施加到除了与待复位调制器相对应的列以外的所有列电极的 列驱动电压设置为等于保持电压基准Vref加设定电压Vset，其中Vref+ Vset小于锁定光调制器所需的锁定电压Vpi，与待复位调制器相对应的列 保持在Vref。
(ii)将施加到与待复位调制器相对应的行电极的行驱动电压设置 为等于行复位电压+Vreset，其中
电势差Vref-Vreset小于释放光调制器所需的释放电压Vpo，
(iii)将行驱动电压从与待复位调制器相对应的行电极移除，和
(iv)将施加到与待设定调制器相对应的列电极的列驱动电压减少 Vreset回到Vref。
为清楚起见，前述的将光调制器设定到锁定位置和从锁定位置复 位，能使在特定行上的单个光调制器被设定，而不改变在该行上的任何 其它光调制器的状态。
优选地，该方法包括将阵列内的所有光调制器设定到锁定位置，包 括以下步骤：
(i)将施加到所有列电极的列驱动电压设置为等于保持电压基准 Vref加设定电压Vset，其中Vref+Vset小于锁定光调制器所需的锁定电压 Vpi且大于释放电压Vp0，
(ii)将施加到所有行电极的行驱动电压设置为等于行设定电压 -Vrow-set，其中电势差Vref+Vset+Vrow-set大于锁定电压Vpi，
(iii)将行驱动电压从与待设定调制器相对应的行电极移除，和
(iv)将施加到与待设定调制器相对应的列电极的列驱动电压减少 Vreset回到Vref
优选地，该方法包括从锁定位置复位阵列内的所有光调制器，包括 以下步骤：
(i)将施加到所有列电极的列驱动电压设置为基本上为零。
技术人员将认识到，可以按类似方式通过寻址列电极的子群，将阵 列内光调制器的子群复位以便控制峰值电流。
根据本发明的第四方面，现在提出了用于自适应编码孔径成像 (ACAI)系统的MOEMS调制器阵列，所述ACAI系统包括具有至少一 个根据本发明第二方面的空间光调制器的多孔障板(aperture mask)， 以便调制入射到探测器阵列上的电磁辐射。
附图说明
现在将参考附图、通过仅作为示例而说明本发明，附图中：
图1a示出了具有两个支撑弹簧的MOEMS光调制器的示意性透视 图。图1b示出了具有四个支撑弹簧的可选MOEMS光调制器的示意性 透视图。
图2示出了根据本发明一个实施例的MOEMS光调制器的横截面视 图。
图3a图解了根据本发明的包括了具有可调式腔的不对称法布里-珀 罗标准器的MOEMS光调制器的横截面视图。图3b示出了具有可选实 施例的不对称法布里-珀罗标准器的MOEMS光调制器的横截面视图。
图4a到4c图示了对于图3a的光调制器的典型性能特性。具体地， 图4a示出了当微镜在垂直入射情况下处于其下部位置中及其上部平衡 位置中时，对于光调制器而言对MWIR频带的透射率。图4b示出了当 微镜在0度和50度入射角情况下处于其下部位置中及其上部平衡位置 中时，对于光调制器而言对MWIR频带的透射率。图4c示出了对由于 偏振引起的入射角的透射率。
图5a示出了对于图3b的光调制器的典型性能特性，所述光调制器 被优化为在3.5到4.5μm频带中在光学打开状态的最大透射。图5b 示出了在本文的同时待审英国专利申请GB 0510470中所述的自适应编 码孔径成像(ACAI)系统的示意图，所述GB 0510470的内容通过援引 而由此被并入本文，其包括了根据本发明的MOEMS光调制器的二维阵 列。
图6示出了对于根据本发明的MOEMS光调制器的典型锁定特性 (滞后曲线)。
图7a示出了根据具有像素阵列的本发明的一个实施例的空间光调 制器的示意图，每个像素是可以使用多个行和列地址线而分立地寻址的。 图7b示出了具有30μm节距像素的阵列的空间逛调制器的示意性透视 图，所述像素阵列结合了用于行寻址的埋入式电极和用于列寻址的布置 在微镜上的电极。图7c示出了本发明的另一实施例的示意性横截面视 图，其包括光调制器的封装二维阵列。
图8示出了根据本发明另一实施例的、用来控制本MOEMS空间光 调制器的矩阵(行-列)寻址策略所特有的示例波形和对应的像素状态。 上面的图示出了行和列电压状态，而下面的图表示出像素是处于锁定 (1)或释放(0)状态。
图9示出了对于根据本发明的MOEMS光调制器的预测性能特性。 这些图示出了对于图1形式的直线像素的一般趋势。具体地，图9a示 出了预测谐振频率对像素厚度(pixel thickness)的图表，图9b示出了 预测谐振频率对板尺寸的图表，图9c示出了预测驱动电压对板尺寸的 图表，且图9d示出了预测填充系数对板尺寸的图表。
图10示出了大型MOEMS空间光调制器阵列的示意图，所述空间 光调制器阵列包括使用芯片直接贴装技术(例如球栅阵列/倒装芯片)由 电子芯片(驱动专用集成电路)连接的多个空间光调制器芯片。图解 是按横截面示出的。
图11示出了使用基于自适应编码孔径(ACA)的校准源的红外摄 象机的示意图，所述校准源包括根据本发明的MOEMS空间光调制器。

现在参考附图，其中相同的附图标记在各个视图中标识出对应或类 似元件，图1示出了在本申请人的同时待审英国专利申请GB 0521251 中所述的大面积MOEMS光调制器的示意性横截面视图，该英国专利申 请的内容通过援引而由此被并入本文。
作为简要解说，GB 0521251中所述的调制器利用光干涉效应来控制 光束的强度和/或相位，且基于单一MOEMS光调制器或MOEMS光调 制器阵列，其中一个或多个可动微镜被悬挂在基板上方。此装置可以在 基板(例如硅)为光学透射性的情况下用于多种波长的透射，且可以对 于基本上较大的波长范围用于反射。
单个光调制器2包括可动悬挂层10，其在下文中指代以介于零点几 微米和几微米之间的距离而悬挂在基板13上方的微镜10。该微镜被弹 簧14支撑，从而当在基板13与微镜10之间施加电压时，静电力将微 镜10从平衡位置朝基板13牵引。
微镜10可以是平面形式的任何形状，但需要是平坦的且平行于基 板13。
当光直射到此器件上时，一些光将被反射且一些将被透射到基板13 并在另一侧出射(对于基板透明的各种波长情况)。被悬挂式镜10反 射和透射的光将与基板13所反射和透射的光相干涉，且器件2的实际 透射和反射将在高低值之间变动，取决于器件上的光入射角度、悬挂式 镜10与基板13之间的间距、和系统的其它预定特性，诸如：悬挂式微 镜10的厚度、制造微镜10的材料的折射率、和入射光的波长。
随着微镜10与基板13之间的间距被调节，透射在高低值之间变动， 提供了一种入射光调制的手段。调制可以在透射或反射模式中工作。应 注意到，微镜10通常是零点几微米厚，且其甚至在硅有高度吸收性的 情况下在可见区为半透明的，所以由硅制成的调制器可以在对可见频带 的反射中使用。另外，微镜可以覆有涂层以充当可见区中的甚至更好的 反射体。
可以通过使用对于法布里-珀罗标准器透射和反射是已知的公式，对 光调制器2的透射和反射性加以说明。应注意到所反射和透射的光经受 了相移以及振幅改变。这也可以在通过调制光束的相位而连通的器件中 使用。
每个微镜10具有两个稳定位置，其中一个位置可以被确信为-确保 了镜100在受控时被定位。这些位置中的第一个是“平衡位置”，在该 位置中当在镜子10与基板13之间没有施加电压时微镜10被悬挂在基 板13上方休息、且支撑弹簧14没有延展。第二位置是“下拉位置”， 在该位置中当施加到基板13的电压超过一定值时将微镜10稳固地朝基 板13下拉。可以在基板13与微镜10之间提供绝缘止挡(stop)22，从 而当电压超过一定值时，牵引镜10抵紧止挡22、但不能进一步朝基板 13牵引。这些下拉止挡22由此防止了在微镜10与基板13之间的不期 望的电接触，因为电接触将导致短路和电损伤。
上面讨论的MOEMS光调制器2的横截面视图在图2中示出。 MOEMS光调制器2包括了具有标准器的简单结构，所述标准器包括多 晶硅-空气-硅配置。光调制器2可以在硅基板13上使用仅四个淀积步骤 (氮化硅层18、制造微镜10和支撑弹簧14的多晶硅层、和基本上从器 件去除的两个磷掺杂的氧化硅层，去除磷掺杂的氧化硅层的下面层提供 了法布里-珀罗标准器内的气隙)制作。因此，简单结构导致制成了低成 本器件。可以包括更多任选层，诸如：作为改进的蚀刻终止层(etch stop) 的附加固定多晶硅层16、和减少迹线电阻以在随阵列尺寸增长时控制 RC延迟的金属层20。
上述微镜10可以制造为带有扩展区的阵列，所述扩展区被致密堆 积的光调制器2的平铺(tiling)所覆盖，在该情况下微镜10成为空间 光调制器。应力很低，且因而可以采用和镶嵌图2中所示形式的悬挂来 制成大面积阵列。这种形式的设计在中心基本上正方形或矩形的镜面的 两个相对侧或所有四侧上具有弹簧14。它代表了在位移时镜面平整度与 填充系数(为了良好光学性能)、可接受的速度与驱动电压(机电性能)、 和对大面积覆盖的可缩放性之间的良好折衷。该器件运用基板13作为 整体电极(global electrode)且因而所有光调制器2被并行驱动。尽管 在上面根据正方形或矩形配置加以说明，镜面10(及相关联的二维阵列) 可以采取其它形状，例如，圆形、六边形等。类似地，弹簧14没有被 限于直线型配置但可以是弯曲的。它们也可以相对于镜定位以利于在相 关联的二维阵列内的填充系数和连通性。
使用此方法，MOEMS光调制器在24V、1.55μm已展示出了超过 200kbps的数据速率和超过7∶1的对比度(双通则为50∶1)
迄今，上述MOEMS光调制器2已经在SWIR中的单波长(1.55μ m)下的透射工作模式中使用。已经采用低精密度(finesse)的光学腔 来提供宽角度的操作。
现在参考图3a，根据本发明的MOEMS光调制器的横截面视图包括 了具有在可调式腔上方的可动镜的不对称法布里-珀罗标准器。在本发明 的此实施例中，不对称标准器包括多晶硅-空气-多晶硅-氧化物-硅配置。
图3a中所示的MOEMS光调制器包括硅基板13，在硅基板13上制 作了氧化硅层30，其后是固定的多晶硅层26。固定的多晶硅层26提供 了被气隙24与可动微镜10分开的固定电极。在本发明的此实施例中， 标准器包括多晶硅-空气-多晶硅-氧化物-硅配置。
在图3b中示意性示出的可选实施例中，在固定多晶硅层26的顶部 上提供介电层28。在本发明的此实施例中，标准器包括不对称的多晶硅 -空气-电介质-多晶硅-电介质-硅配置。上部多晶硅-空气层提供了与固定 电介质层28、多晶硅层26、介电层30和硅基板13相结合的可调标准 器。介电层28优选地包括氧化硅、氧氮化硅或最优选地氮化硅。介电 层30优选地包括氧化硅。可选地，介电层30可以包括氮化硅或氧氮化 硅。在又一可选方案中，更复杂的结构可以与多晶硅-空气-多晶硅可动 上部镜一起使用以增加器件的精密度。
正如技术人员读者将领会到的，上述体系结构可以通过采用氧化物 层而制作，所述氧化物在去除牺牲层期间具有不同的相对蚀刻速率，在 此情况下牺牲层是磷掺杂的淀积的氧化硅。例如，热氧化硅在氢氟酸中 蚀刻比淀积掺杂的氧化物层蚀刻慢得多，为后者的1/5到1/100之间。然 而，改进的制作工艺路线是为了避免在释放蚀刻期间氧化硅层暴露。
在图3a和3b中示出的前述实施例运用二氧化硅作为层30内的电 介质，及氧化硅、氧氮化硅或氮化硅作为层28内的电介质，然而技术 人员将意识到可以选择其它电介质材料来给出良好的性能。
使用图3b中的电介质，在多晶硅微镜(用作器件中的上部电极) 和下部多晶硅层26(器件内的下部电极)之间提供电绝缘，赋予了额外 的好处。此配置便利了光调制器2的阵列的制作(其中固定多晶硅层被 分为多个分离的电极)，因为氮化硅层在实现调制器内的气隙的工艺期 间保护下面的氧化硅层免于被蚀刻掉。
类似地，也可以使用具有适当的光学/机械材料性能的其它结构层/ 基板，例如多晶硅-锗、锗、单晶硅等。
防反射涂层(ARC)，诸如SiO或Ta2O5/SiO2，通常被添加到硅基 板13背面以最优化通过量并减少寄生(spurious)标准器效应的可能性。
为达到良好的关闭状态性能，需要狭窄的气隙(例如30-100nm)， 如果不使用额外的支座凹座(stand-off dimple)22来防止大面积接触， 这是有挑战性的。一种可选方案在多晶硅电极上方使用覆盖绝缘电介质 层28(采用适当光学设计)允许接触并限定支座(stand-off)。对设计 加以优化以确保可动微镜克服了静摩擦力并返回到其平衡位置。
通过调节光学腔的间隙，根据本发明的MOEMS光调制器能在透射 中实现在SWIR、MWIR、LWIR和可见光谱的某些部分中的工作。
任选地，假设容许充分的行程(由间隙所限定)，则该器件在其它 光频带(例如，可见光)中可用于反射。任选地，使用薄的上部反射涂 层来改进性能。
光调制器的数字操作是充分的，在此情况下微镜要么位于其上部平 衡位置中、要么位于紧邻下部固定电极的其下部位置中。上部平衡位置 和下部位置将包括在施加参考电压Vref到调制器的情况下镜所取的那些 位置。在透射而非反射中优选地使用调制器以改进系统设计。当作为透 射调制器使用时，在微镜位于其上部平衡位置中时光调制器基本上阻断 了电磁辐射穿过，且在微镜处于其紧邻基板的其下部位置中时光调制器 基本上透射了穿过其的电磁辐射。
本MOEMS调制器特别适用于MWIR和SWIR成像应用，其中出于 性能(例如，液晶显示器；LCD)或成本(例如，量子阱器件(multi-quantum well device))原因不能使用其它常规调制器方案。而且，因为调制器 可以专门由硅制作，减少或消除了热双物质(bi-material)效应，且因 此调制器的行为在很大程度上不受工作温度(例如，易于达到超过-40℃ 到+70℃的范围)的影响。这意味着其适合于冷却，从而使得微镜没有 添加噪声给图像。因此，调制器可以有利地在IR成像应用和自适应编 码孔径成像应用(ACIA)中采用。
图4a到4c图示了对于图3b的可调式腔的典型性能特性。具体地， 图4a示出了当微镜在垂直入射情况下处于其下部位置中及其上部平衡 位置中时，对于光调制器而言在MWIR频带中的透射率。图4b示出了 当微镜在0度和50度入射角情况下处于其下部位置中及其上部平衡位 置中时，对于光调制器而言对MWIR频带的透射率。图4c示出了对于 不同偏振，透射率与入射角的关系。在实践中，可以使用在15度到20 度范围内的入射角来使得角度效应最小化。在涉及到调制来自于大气的 辐射的情况中，布置透射峰以符合大气透射窗是有益的。
可以跨光谱和角度范围来对标准器内的光学叠加的尺寸加以优化， 以使得对比度最大化-对于单一波长器件而言略微移离常规的半波/四分 之一波光学叠加。
图5a示出了对于图3b的可调式腔的典型性能特性，所述可调式腔 通过使用下列层序列在3μm到4.5μm的波带中针对光学打开状态中的 最大透射被优化：
多晶硅微镜-空气-氮化硅-多晶硅-二氧化硅-硅基板。
在此具体实施例中，通过移动微镜以便调节调制器中的气隙，达到 光调制器的两种状态(光学打开-基本上透射性/光学关闭-光学不透射 性)。标准位置可以是～1μm和～50nm。
对于具体的成像应用而言，例如，自适应编码孔径成像(ACAI)， 理想的是制造MOEMS光调制器的二维阵列，其中每个光调制器是可以 单个地寻址的。这能使阵列内的单个光调制器(在下文中也指图像元或 像素)被设定在光学关闭或光学打开位置(反射“0”或透射“1”)。 例如，参看图5b，其示出了在本申请人的同时待审英国专利申请GB 0510470中所述的自适应编码孔径成像(ACAI)系统的示意图，所述 GB 0510470的内容通过援引而由此被并入本文，其包括了根据本发明的 MOEMS光调制器的二维阵列。
因此，根据本发明的另一实施例，空间光调制器包括图1到3的光 调制器的二维阵列，其可以使用无源矩阵行/列寻址策略寻址、而不需要 在透射器件中无法接受地减少填充系数的子像素控制电子装置。对于透 射性体系结构的关键方面是，下部电极为透明的且是光学设计的一部 分。关键的好处是，本发明的此实施例能使用芯片外驱动器(off-chip driver)对仅MEMS芯片进行寻址，且意味着集成MEMS工艺不是必需 的。此方法能实现MEMS体系结构和像素控制电子装置的分开优化， 减少了成本并提供了可缩放到任何尺寸的二维阵列。
在本发明的此实施例中通过使用适当电压使得组元(constituent) 光调制器双稳，达到了二维阵列的无源矩阵寻址。
为了达到此双稳特性，布置微镜使得当施加到光调制器的电压超过 一定值时，微镜将从平衡位置突降(snap down)到“吸入”(pull in) (或“闭锁”(latch down))位置。MOEMS光调制器中的非线性效应迄 今已被认为是对器件工作有害的且已努力消除这些效应，例如参看说明 了带有线性工作特性的MOEMS光调制器的专利US 5,838,484。
因此，在本发明中布置阵列内的每个光调制器2，使得其中的微镜 10仅在跨成对的电极施加的电势差超过阈值电压(Vpi)时闭锁(吸入)， 在此情况下静电吸引力大于由支撑弹簧14提供的机械回复力。光调制 器展示了滞后，从而使得分离电压(Vpo)显著低于吸入电压。可以通 过适当设计来按需配置滞后度。
为了能实现无源矩阵寻址，分离(或释放)电压被设置为显著地低 于(例如为后者的一半)吸入电压。参看例如图6，其示意性示出了本 实施例的阵列内的光调制器之一的滞后特性。
在本实施例中，光调制器的二维阵列布置在介于多个列地址电极32 与多个下面的行地址电极34之间的矩阵中，见图7。上部列地址电极 32包括了光调制器内的可动微镜10，而行地址电极34包括了在每个光 调制器中并通过边缘接入的固定电极极板36，见图7b。
图7c示出了本发明的另一实施例的示意性横截面视图，其包括光 调制器的封装二维阵列。此处，光调制器阵列被使用晶片/芯片级封装技 术通过接合层29贴附到基板13的盖31所封闭。在图7c中，盖具有形 成于其中的嵌槽(rebate)。可选地，如果接合层29的厚度相应增加， 则可以使用平面盖。此方式的封装能使被密封器件内的压力受控，由此 允许微镜的机械阻尼受控。此技术简化了加工，因为器件被晶片级释放、 接合和切割-避免了碎片问题并简化了在封装/集成入系统期间的处理。 盖31设有适当的防反射(AR)涂层和到可动镜的适当间距(例如，大 于应用中的光的相干长度以避免不必要的标准器效应)。通过盖中的嵌 槽(如附图中所示)和/或介于调制器晶片与盖晶片之间的接合隔离物 (bond spacer)实现此间距。有可能以某些方式有源地使用介于上部盖 31与可动镜10之间的间隙，以进一步调节光学性能并以利用带小间隙 情况下的标准器效应。
穿过晶片的通路(through wafer vias)也可以结合到晶片或盖(或 甚至于电子芯片)中以实现电子驱动芯片的直接安装而不翻转。
任选地，盖可以定形状为提供具有光学功能性或光功率的元件，例 如盖可以具有透镜功能。
在本布置中，施加到阵列内的给定光调制器的电压是施加到可动微 镜的电压(列电压)与施加到固定电极的电压(行电压)的总和。此配 置能使阵列内的每个光调制器或像素在行/列地址策略中被单独地设置。
现在对根据本发明的一个实施例的寻址策略加以说明，其能使每个 像素在行/列寻址策略中被单独地设置或复位(不需要复位整个阵列以解 锁像素)。
本领域的技术人员将领会到有改变列/行电压的其它方法，以实现将 施加到每个像素的净电势差移动到属于滞后区内(保持)、在分离电压 (复位)以下或在吸入电压(设置)以上，如本文中详细说明的。例 如，在复位功能期间，含待复位的镜的列的电压需要低于其它列的电压 从而使得列电压和行电压的总和降到分离电压以下。其实现可以是通过 将所关注的列的电压减少到参考电压以下(诸如对于其它列而言Vref- Vreset>Vpo)或通过加上Vset2将其它列的电压增加到参考电压以上，从 而使得它们的电势保持在分离电压以下，同时所关注的列(处于Vref) 连同行电压一起降到分离阈值以下。类似地，行电压和列电压可以互换 从而使得行可以被顺序地寻址而同时所有列被并行设置。
根据本发明的本实施例的寻址策略基于静电滞后(见图6)，其中 Vpi是锁定(吸入)电压且Vpo是释放(分离)电压。关于先有技术，EP 1 341 025的寻址策略通过移除锁定电压而将整个调制器阵列复位。EP 1 341 025也使用了分离的锁定电极。这使得仅改变阵列的很小部分、同 时保持剩余部分不受影响是困难且很可能效率低下的(需要较高的寻址 速度以在给定时间内修改阵列模式)。
本实施例中所述的寻址策略最好地通过图8中所示的时序图说明。 参考图8，行位置被标注为“R行号”，列位置被标注为“C列号”且 像素位置被标注为“P行号，列号”。例如，使得Vpi＝14V，Vpo＝10V。 图8中的上部图标注了行电压状态(例如，上限＝-2V(-Vrow-set)，下限 ＝+2V(Vrow-set)，中心＝0V)和列电压状态(例如，上限＝13V(Vref+Vset)， 中心＝11V(Vref)，且下限＝0V)。对于给定像素，驱动电压被给定为 (Vcolumn-Vrow)。图8中所示的下部图标注了给定像素是处于锁定(1) 还是释放(0)状态。此处所用电压对于设计为在SWIR中以100kbps 进行调制的带有1.2μm间隙的25μm微镜，是典型的。
通过按如下设定电压的适当组合而执行操作：
设置像素—所有列处于保持电压基准Vref，除了具有待设置像素的 列处于Vref+VsetVpi(其它列处于Vref+Vrow-set复位像素—所有列处于Vref+Vset(Vpo所以如果 锁定则保持如此)。从行移除Vreset且所有列回到Vref以将所需像素保持 在锁定状态。
复位/设置所有—所有列到0V以复位所有。所有列到Vref+Vset且所 有行到Vrow-set以设置所有。
以此方法可以并行对完整列寻址(即，当设置列电压时，所有行电 压设置为改变整个列)。列被顺序地寻址。
上面使用的术语行和列不是限制性的，但可以互换而不影响寻址策 略。
原则上，使用此方法空间光调制器阵列可缩放到任何尺寸。为了成 像场景，单个像素微镜节距很可能属于范围15-100μm内。当在成像应 用中使用时，优选地该节距匹配探测器的成像阵列中的像素的节距。该 阵列必须包括独立列，并且在实践中尺寸将受到电阻/电容(RC)时间 常数考虑的限制。通过在任何时间仅切换一行即可使此问题有所减轻。 单个像素的电阻将被弹簧宽度和长度所支配-例如，在0.5μm厚的多晶 硅内具有2μm弹簧，像素阵列电阻是500KΩ/cm左右，而阵列的电容 在50pF/cm左右(对于100μm像素极板)，给出了2.5μs/cm的RC常 数。如在光刻中使用的步进光刻的曝光场尺寸通常是2x2cm左右的，因 此这可以是对铺贴片(tile)的实际尺寸限制以构建较大阵列而同时维持 良好控制和产率。然而，采用在弹簧上方的下部电阻多晶硅互连的埋入 层或第二层，可能显著减少电阻(>10x)。可选地或另外地，如果速度 /电阻压降是问题的话，薄的金属层可以将迹线电阻的量值减少2-3个量 级。例如，在使用来自结构本身和/或剥离的荫罩(shadow masking)的 组合以保护不需要金的区域(例如，像素的透射区)而部分释放器件时， 该薄金属层可以被淀积。在调制器包括额外的多晶硅和金属导体层之 处，所述层可以布置为在器件的若干部分中形成光学阻断层以维持最优 化对比度。这在低填充系数器件中尤其有益。
对于电极层，固定多晶硅充当电导线。其明显比可动阵列层中的弹 簧更宽且因此不太可能限制性能。为进一步减少其电阻，电极阵列可以 周期性地使用通路(via)连接到带植入迹线的基板。植入的结果是使用 反向偏置的pn型二极管隔离了基板中的迹线。对于最积极的电阻控制， 硅化物或金属迹线也可以被限定在基板上但将需要注意其不干涉光路。
金属-氮化物工艺是在此环境下令人感兴趣的可选方案，因为电极和 可动微镜层都可以包含低电阻金属走线(tracking)。由于需要将大多数 微镜制作为仅允许透射的PECVD氮化物(除非采用IR透射性金属化)， 驱动电压将很可能较高。在实践中，金属化可以被应用到PECVD氮化 物层的顶部和底部以便减少热双物质效应并减少驱动间隙(由此减少了 驱动电压)。
任选地，微透镜阵列可以结合本发明的空间光调制器使用，以在空 间光调制器内的调制器的填充系数减少的情形中维持光调制器的效率。
根据本发明的又一实施例，可以在本空间光调制器内使用光学切趾 的工艺以减少边缘效应和因此的衍射。像素可以通过合适地给阵列的光 调制器内的腔镜元件之一确定轮廓而切趾。例如，可以将单调增加的轮 廓、阶梯型轮廓等赋予所述镜，所述轮廓设计成减少单个法布里-珀罗元 件的光透射。最实际地，这将被约束到微镜的周缘附近。作为替代，或 另外，为实现切趾，将金属化添加到腔镜的边缘。金属化可以包括一层 或多层金属(例如，金)。金属层的厚度可以是渐变的。另外，或可选 地，通过使用灰度模式(半色调模式)等而应用金属化，以改变金属层 的光学密度。
在MEMS设计方面，感兴趣的主要特征是速度、电压(功率)和 微镜尺寸。参考附图，图9a示出了预测谐振频率对像素厚度(pixel thickness)的图表，图9b示出了预测谐振频率对板尺寸的图表，图9c 示出了预测驱动电压对板尺寸的图表，且图9d示出了预测填充系数对 板尺寸的图表。图9a到9d强调了下列趋势：较大的像素减小了驱动 电压并增加了填充系数同时减小了速度，四弹簧设计更快但需要较大驱 动电压且具有较低填充系数，较薄的像素减小了驱动电压和速度。
技术人员将领会到，大面积可以由根据本发明的较小的MOEMS空 间光调制器阵列平铺(tile)而成。在本发明的另一实施例中，采用直接 芯片贴装(attach)技术的混合集成被用来将减薄的驱动电子芯片40翻 转并接合到空间光调制器阵列芯片的两侧上，分别用于列和行寻址(例 如，使用精细几何形状的焊料凸块技术)。当缩放到平铺片(调制器芯 片)的二维阵列时，这导致MEMS芯片在所有四侧上被驱动芯片围绕。 可以将伪芯片(dummy chip)用于平铺片阵列周缘的空白边缘。驱动芯 片可以可选地包含用于两个相邻芯片的电子装置，需要在每个平铺片的 4个边缘上有驱动芯片。使用此技术，两个MOEMS调制器芯片通过每 个电子装置芯片而贴附，如图10所示。
从小的平铺片建立大的阵列是减少成本最有效率的方式，因为成品 率随芯片面积一起减少。这也控制了每个驱动芯片需要寻址的列和行的 数目(且因此RC/电阻损耗和功率/电流考虑)。例如，在2x2cm芯片 中，如果像素节距为20μm，则将有1000行和1000列。这需要10位 寻址。诸如，如果驱动电压低于3.3V则芯片可以在0.35μm混合CMOS 技术中实现，或如果驱动电压低于5V则芯片可以在0.8μm混合CMOS 技术中实现。较高驱动电压将需要高电压(20-50V)的工艺变型和/或较 大型几何处理，导致了高度专业化的驱动电子装置设计。在高电压工艺 中的晶体管尺寸也较大，意味着此方法将不再是通过使用简单布局和结 构而可行的。使用在不同驱动电压下运行的驱动芯片的组合的配置也是 可行的。例如在列和行寻址策略中，列地址驱动器可以包括标准CMOS 驱动芯片，而行地址驱动器可以包括高电压驱动芯片。在此实施例中， 高电压驱动芯片能够在高达40V情况下运行用于小像素节距。
使用这样一种平铺布置，也有可能实现不平坦形状，诸如网格球顶 (geodesic dome)以给出额外的刚度。图10也图解了任选的支撑框架， 其具有布置成增加平铺阵列的刚度的元件42。支撑框架可以有利地为热 传导性的(例如，金属的)，且可以被用来控制平铺阵列的温度。例如， 通过从边缘经由支撑框架移除热量，可以冷却整个阵列。任选地，支撑 框架包括冷却流体流经的中空横截面。可选地，可以穿过支撑框架或在 支撑框架上为数据和/或功率连接设定到平铺的多个MOEMS阵列的路 线。
2cm芯片的50x50阵列可以进一步多路复用以启用/禁用特定芯片， 用于设置并给出1x1m的障板(mask)。如果使用单一元件，则将需要 在2.5G像素阵列上的16比特的寻址。
更新平铺的大面积阵列的速度是主要的设计依据。电压驱动电容性 负载，所以电速度受到RC考虑的限制。对于典型设计，RC时间常数是 具有2.5μs/cm左右的长度—与用于2x2cm芯片的10μs/像素的开关速 度相兼容。在上述配置中，受到了列路径中的多晶硅电阻限制，并限于 较小范围各行。这两者都是可以减少的，即通过增加更有传导性的路径 且同时略微增加如前所述的工艺复杂性。用装置谐振频率和阻尼(压力) 确定了机械响应。频率取决于移动层厚度、弹簧设计和节距。采用适当 设计，其可以预测为在1-10μs左右。采用可能地1000x1000阵列(在 2cm芯片上20μm节距)，使用本文中提出的寻址策略，其中整个列内 的像素被并行设置，则导致了低于10ms的阵列更新时间。通过使用此 尺寸的平铺片，且并行地驱动/寻址所有调制器平铺片，可以将任意尺寸 的阵列作为单个平铺片设置在相同速度。
驱动电压取决于像素面积、弹簧几何形状和间隙。对于采用35μm 像素的光学设计，其在5V左右且将能够响应于高达200kHz。功率消耗 是电压结合电容、像素改变状态的数目和频率、以及所采用的任何电荷 恢复策略的效率的函数。
根据本发明的任何前述实施例的MOEMS光调制器是通过在硅基 板上连续淀积材料层而制作的。可选地，该装置是使用SOI晶片的装置 层而制造的，所述装置层被成型并转移到MEMS晶片来取代多晶硅结 构层。这可以是有利的，因为将不需要高温加工步骤来控制多晶硅层中 的应力并能实现基板上的常规CMOS电子装置。
有可能使用低温技术在基板上对本MOEMS光调制器进行后处理， 所述低温技术诸如多晶硅-锗微加工(例如，比利时微电子研究中心 (IMEC)或加州大学伯克利分校(UC Berkeley))或金属-氮化物工 艺(例如，奎奈蒂克(QinetiQ))。后者将使用PECVD氮化物膜作为 具有如前所述的低电阻金属走线的主要光学/结构元件。也有可能将标准 多晶硅工艺合并入具有略微退化的晶体管特性的经修改的大几何形状 (2-3μm)CMOS或BiCMOS工艺流程中。
本发明的MOEMS空间光调制器阵列的一种特定应用是作为自适 应编码孔径成像(ACAI)系统内的可重新配置障板。参考图5b，在二 维探测器阵列前面使用包括至少一个本MOEMS空间光调制器阵列的可 重新配置障板，以调制从场景入射到其上的电磁辐射的振幅和/或相位。 障板提供了多个可单独寻址的孔或针孔。通常障板内孔的节距为～15-50 μm。在实践中，多个光调制器可以组合到一起以充当具有较大有效孔 的较大型调制器。例如，每个具有50μm2子孔的四个单独的光调制器 可以被组合以形成具有200μm2有效孔的单个光调制器。
本发明的MOEM空间光调制器的可选应用包括但不限于，红外探 测器阵列的使用中校准、光电保护和扫描探测器应用。
红外探测器的校准是本MOEMS空间光调制器的重要应用，这是因 为，由于制造工艺中的差异，来自红外探测器的输出信号从探测器到探 测器差异相当大。这种情况甚至在同时制成的探测器的二维阵列中是真 实的。一般说来是通过将红外探测器的二维阵列用凸块接合到硅读出电 路上而对该阵列上的单个元件进行访问的，所述硅读出电路可以充当多 路复用器。硅晶体管的性能差异给输出增添了变化且通常使得输入随输 入通量非线性地变化。
因此作为通量的函数来校准来自阵列中每个像素的输出是很重要 的。由于变化的非线性性质，如果在场景温度的范围上(诸如无边界地 观察)需要高质量成像，则有必要在大的通量数下进行此校准。
常规的解决方案是使用热电控制的校准黑体板并测量作为板温度 的函数的输出。此技术的缺点是容许每个温度下的稳定时间(或译为“置 位时间”)，其可以占用若干分钟以完成此过程。理想地，需要可以迅 速产生稳定的通量范围的源。除了减少工作时间，这还将能实现更频繁 的校准循环。这将有助于减少由于诸如阵列温度变化等效应的校准设置 中的漂移。此外，因为硅和多晶硅具有相同的温度膨胀系数，加热和冷 却不会在空间光调制器增加额外的应力，所述额外应力可以另外不利地 影响性能。
可以通过组合常规的固定温度黑体板和包括根据本发明的MOEMS 空间光调制器的可重新配置的自适应编码孔径(ACA)障板，而产生快 速校准源。如前所述，该ACA障板是由障板中的开口的阵列组成，所 述开口可以打开或关闭以改变落到探测器上的通量。理想地，该ACA 障板将被冷却，然而如果从透射状态切换到反射状态，则此做法不是必 要的。
通过从完全关闭到完全打开来改变开口数目，可以产生一校准的通 量范围。因为障板的切换可以相对较快地完成，应该有可能在短时间内 得到多点校准。在图11中示出了使用此系统的摄相机的一种可能配置。 图11的红外摄相机系统50采用了布置在底盘上的ACA障板52和布置 在底盘上的热电(TE)控制的黑体板54。在校准期间，该ACA障板52 和该TE控制板借助于旋转构件56而旋转进入介于摄相机透镜58与二 维红外探测器阵列之间的位置。在校准期间，该二维红外探测器阵列给 热电(TE)控制黑体板54成像，而非接受来自摄相机外部的场景的红 外辐射。对于常规的成像系统，障板不是在成像位置且因此焦平面的照 明将是均一的—然而这可以通过在ACA障板上均匀地展开开口而加以 改进。
在如上所述的自适应编码孔径成像(ACAI)系统中，ACA障板已 经被包括，且因此上述校准策略可以加以实施而没有额外成本。特定的 应用是在无透镜(lens-less)自适应编码孔径成像(ACAI)系统中。在 无透镜ACAI成像系统中，落到每个探测器上的通量被预期为相对均匀 的(由于平均了来自所有开口的通量)且良好的成像将取决于在相对小 的流量范围上的精确校准。通过打开障板上的不同图案(pattern)，可 以再次生成在此值附近的通量范围。可以实施更复杂的策略，其可校准 出在障板上的单个开口的透射的变化。
鉴于前述说明，对本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的 范畴内作出各种修改。
本公开的范畴包括任何新颖性特征或在本文中明确或隐含地披露 出的特征的组合或任何它们的任何概括，而不管其是否涉及到所主张的 本发明或减缓了由本发明提出的任何或所有问题。申请人由此给出通 知，在本申请或源自其的任何这样的进一步申请的提交期间，可以对这 样的特征拟定新权利要求。特别是，参考所附权利要求，来自从属权利 要求的特征可以与独立权利要求的那些特征相结合，且来自相应的独立 权利要求的特征可以按任何适当方式结合且不仅仅是在权利要求中列 举的具体组合中。