摘要：微镜是在实际中得到应用的一种新型空间光调制器,它是通过控制电信号调整光线空间分布的器件,通常是采用MEMS技术加工的微镜或微镜阵列,采用机械性能良好的硅作结构材料。微镜是通过微机械加工制备而成的微型光学镜,与传统的光学扫描机构相比,微镜体积小,质量轻,转动惯量低,工作频率高,可在较低的驱动电压下获得较大的扫描角度,所采用的MEMS制备工艺使其易于实现低成本的批量生产与集成电路的兼容,因此,微镜在光纤通信、投影显示、数字存储、精密测量以及生命健康等领域正得到越来越广泛的应用。
关键字：微镜；MEMS；激光；HUD
1前言
微谐振器是微机电系统（MEMS）的典型器件，广泛应用于高频和高精度的驱动器和传感器。MEMS微镜是一种典型的微谐振器件，广泛应用于微光电领域。利用MEMS扫描镜技术提高汽车安全性，是当前业界趋之若鹜的技术。先进驾驶辅助系统(ADAS)的激光扫描雷达，MEMS微型投影仪和平视显示器(HUD)都是利用微型MEMS扫描镜技术实现的。本课题研究对象为MEMS激光HUD，具有微型化、功耗小、无需对焦、分辨率高等优点。这种设备的核心器件为框架式微镜。利用CATIA/ANSYS软件建立微镜模型，并利用有限元方法进行相关动力学分析。研究微镜结构对振动模态的影响，探讨微镜尺寸、固有频率的选取，研究热弹性能量耗散。研究的目的是：掌握零件的有限元分析方法，了解振动模态对产品性能的影响。为了优化设计基于微镜技术的微型光机电系统,需要对微镜的主要性能(如位移、速度、振幅、频率等)进行准确的测试,因此微镜的测试技术成为近年来开发MEMS的一项重要研究内容。目前已发展了多种测试技术,如激光多普勒测振仪(LDV)、频闪显微干涉系统(SMIS)、计算机微视觉系统(CMVS)、光纤迈克尔逊干涉仪等,这些技术采用非接触的光学测量,具有测量精度高,速度快,定位准确等特点,但是都依赖精密的测试系统或图像定位策略,价格昂贵,且主要针对微镜尺寸较小(mu;m量级)、运动频率较高(几十KHz以上)、位移量较小(mu;m量级)的性能测试,因此并不都适用于实际的测试过程,还需要根据测试对象、精度要求、现有设备等进行合理选择或者重新设计。
2设计的背景和意义
人类的信息媒体经历了语言、文字、印刷物、电波阶段，现已进入光/卫星阶段。只有光媒体和卫星媒体才能支持具有大量、高速信息的多媒体系统。多媒体依靠数字技术，网络系统以及先进的人机界面进行双向信息服务。数字显示技术是当今信息技术领域中大力发展的一个重要分支，目前被相当看好并已进入市场的技术包括平板显示技术，如LCD液晶显示和PDP等离子体显示技术，和高清晰度投影显示技术。这些技术带给消费者的是信息化社会人们所追求的大屏幕、高清晰度和高画面质量的图像、数据和视频显示，它们所缺乏的是像移动电话、报刊杂志或掌上电脑那样可随身携带的，同时能实现大屏幕、高清晰度显示的功能。这就是目前国际上正在探研的能给我们当前的显示方式带来一些根本变革的新技术的动力,积极向超薄型甚至纸式可卷平板显示和袖珍式投影显示的方向发展为此，电子显示业界正对微显示器不断地增大研发与生产的力度。微显示器的最大特点之一便是制得很小、便于携带及能产生出高清晰度大屏幕图像的效果。
3国内外概况及研究内容
据有关资料报道，微显示器不仅是美国当前关注的热点，而且还倍受世界各著名大公司及有关研究单位关注的热门研究课题。其中包括荷兰飞利浦(Philips)公司、法国汤姆逊(Thomson)公司、美国高像（Spatial Light Microdisplays）公司、英国 CRL Opto公司、芬兰诺基亚（Nokia）公司、美国埃普逊（Epson）公司、韩国电子技术研究所(KETI)、中国台湾的“工业技术研究院”、中国台湾微显示器公司、中国台湾联电公司及香港科技大学等。日本向来擅长于生产小型电子产品，绝不可等闲视之，进入该研究领域的有日本胜利公司（JVC）、三洋公司、Sony公司等。
据美国斯坦福德资源（Stanford Resources）市场调查公司预测，全球用作显示部件的微显示器销售市场总额将从2001年的6.7亿美元，增长至2007年的19亿美元，年均增长率19%，届时将销售4400万台微显示器。另据英国麦克劳克林咨询集团（Mclaughlin Consulting Group,MCG）公司预测，随着显示器新品层出不穷，微显示器的销售市场总额将从2000年的10亿美元，上升至2006年的46亿美元，年均增长率达36%。通常，微显示器显示直径1-1.3英寸的图像。微显示器最常见的结构是在含有有源器件、驱动器及其他电子器件的硅片上设置一层光控层。迄今大量销售的微显示器产品基本上有如下两种：一种是微机电系统（MEMS）微显示器，TI公司已在出售数字微镜显示器(Digital Micromirror Device,DMD)。另一种则是硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCo S)，亦称反射式液晶，它是将铁电型或扭曲向列型液晶显示器（LCD）集成在硅片上。此外，Magin公司已将有机发光二极管(OLED)集成在硅片上，这属于首种硅基自发光微显示器。美国偏转技术公司研制成的微显示器产品，与线阵列扫描技术一同使用，它由发光二极管（LED）线阵、放大透镜及扫描振镜组成，借助透镜可观看到经放大的垂直LED线像，这些垂直线像与整幅图像的列点逐一对应。当振镜摆动时，LED垂直线像相应地从视场的一侧扫至另一侧，由于人眼视觉暂留效应产生的作用，使用户能清晰地观看到整幅屏幕上的全部信息。微镜“点扫描成像”显示理论随着MEMS技术的成熟得到了飞速发展，在基本概念和关键技术上得到论证与完善，并有多家研究机构和公司在MEMS微镜的设计与驱动，以及MEMS扫描显示系统的研究上取得一些进展。但高分辨率的微镜扫描显示理论需要进一步发展，特别是高速扫描微镜的动态变形理论及对分辨率的影响、高分辨率高质量扫描成像理论、单片集成微镜扫描系统结构以及多光速高速扫描显示理论等。手机、摄录一体机和数码相机的取景器是当前微显示器的主要应用领域，目前已大批量生产。数年前，微显示器还仅在为数不多的摄录一体机上得到应用，如今则已成为全部摄录一体机及大多数码相机的主选产品。据英国MCG公司预测表明，微显示取景器的销售量将从2001年的500万个将增至2005年的2000万个，使微显示模块的销售总额超过3亿美元[11]。
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