一種基于MEMS反射鏡的平視顯示器

閆思齊 姜藶峰

摘 要：MEMS反射鏡由1mm的反射鏡板和四個(gè)靜電斥力致動(dòng)器構(gòu)成。MEMS反射鏡使用表面微加工工藝PolyMUMPs制造而成，包括四個(gè)致動(dòng)器的MEMS反射鏡的整體尺寸是3.5mm×3.5mm，體積非常小。每個(gè)執(zhí)行器可以通過改變施加的電壓?jiǎn)为?dú)控制。在操作中，改變一個(gè)或兩個(gè)執(zhí)行器的電壓會(huì)使鏡片朝所需的方向傾斜。

關(guān)鍵詞：平視顯示器；MEMS反射鏡；PolyMUMPs

中圖分類號(hào)：TN256 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）07-0054-02

A Kind of Flat View Display Based on MEMS Reflector

YAN Siqi JIANG Lifeng

（Aviation University Air Force，Changchun Jilin 130022）

Abstract： The MEMS reflector is composed of a 1 millimeter reflector plate and four electrostatic repulsion actuators. The MEMS mirror is made from the surface micromachining process PolyMUMPs. The overall size of the MEMS reflector， including four actuators， is 3.5mm x 3.5mm， and the size is very small. Each actuator can be controlled individually by changing the applied voltage. In operation， changing the voltage of one or two actuators will tilt the lens in the direction required.

Keywords： flat view display；MEMS reflector； PolyMUMPs

為了提高飛行員的飛行作戰(zhàn)能力，增加訓(xùn)練時(shí)間，減少訓(xùn)練費(fèi)用，研制地面飛行模擬機(jī)就顯得極為重要。受模擬機(jī)研究經(jīng)費(fèi)和視景“視差”的影響，飛行模擬機(jī)上無法采用飛機(jī)上實(shí)裝的無窮遠(yuǎn)聚焦平視顯示器，而如何使模擬機(jī)上的平視顯示器取得更好的、更貼近真實(shí)飛機(jī)的效果就顯得十分重要。在設(shè)計(jì)模擬機(jī)平視顯示器時(shí)，提出了一種基于微型機(jī)電系統(tǒng)的平視顯示器，MEMS反射鏡在高速控制下反射激光束以顯示所需文字或符號(hào)，相比以往模擬機(jī)上的平視顯示器，具有良好的顯示效果，更清晰明亮，投影距離更符合模擬機(jī)平顯要求，不必要的顯示雜波也較少。

1 微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器原理

模擬機(jī)的微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器主要由光學(xué)投影系統(tǒng)（聚焦透鏡、放大透鏡和半透射半反射鏡等）、平視顯示器信息處理器、平視顯示器像源以及MEMS控制系統(tǒng)這四部分組成。模擬機(jī)的飛行參數(shù)及飛行狀態(tài)，如速度、高度、方向、風(fēng)速及方向等，按照航電通信協(xié)議，通過航電總線傳送至平視顯示器信息處理器，平視顯示器信息處理器對(duì)這些消息進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為MEMS控制系統(tǒng)所需的控制信號(hào)，MEMS控制系統(tǒng)通過控制加載在靜電斥力制動(dòng)器端的電壓控制MEMS反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，平視顯示器像源發(fā)出激光束，通過MEMS反射鏡后得到所需的字符、圖像，通過放大透鏡照射在顯示屏上，顯示屏采用半透射半反射鏡，使飛行員在保持平視的狀態(tài)下同時(shí)能觀察到飛行信息和外界環(huán)境。

微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器的核心技術(shù)是將微型機(jī)電系統(tǒng)作為反射鏡，以往的平顯采用普通半透射半反射鏡或全息透鏡，反射出的圖像質(zhì)量遠(yuǎn)不如MEMS反射鏡。因?yàn)镸EMS反射鏡制造過程中采用了PolyMUMPs表面微變形鏡加工工藝。硅加工技術(shù)目前主要有表面硅加工技術(shù)和體硅加工技術(shù)兩種，表面硅工藝具有更大的靈活性，可以依據(jù)原件需求淀積不同的犧牲層[1]，并具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間和較小的體積，更符合模擬機(jī)平顯要求。

本文采用的MEMS反射鏡總的犧牲層厚度達(dá)到2.75μm，為鏡面提供了較大的旋轉(zhuǎn)空間，且體積小，占用模擬機(jī)空間小。微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器要求金屬層具有較高的反射率，通過剝離加工技術(shù)得到的鏡面部分可滿足平顯需求。此方法還大大提高了掃描鏡對(duì)光的反射效率，能得到所需的字符信息等。

2 MEMS反射鏡硬件構(gòu)架

首先向MEMS反射鏡發(fā)射一種調(diào)制后的單色激光，MEMS反射鏡與激光光軸成70°角。MEMS控制系統(tǒng)控制MEMS反射鏡高速旋轉(zhuǎn)，使激光轉(zhuǎn)向屏幕上的既定位置，產(chǎn)生矢量跟蹤圖像幀速率每秒超過24幀。開始階段，驅(qū)動(dòng)器兩端加有200V電壓使反射鏡遠(yuǎn)離底部，這樣反射鏡有較大的運(yùn)動(dòng)空間，接下來能快速按所需要求轉(zhuǎn)動(dòng)。施加在每個(gè)靜電斥力致動(dòng)器兩端的電壓在0V和200V之間變化，每個(gè)靜電斥力驅(qū)動(dòng)器按照加載的電壓轉(zhuǎn)動(dòng)，四個(gè)靜電斥力驅(qū)動(dòng)器相互作用，從而得到所需角度的反射鏡。

該微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器的設(shè)計(jì)采用了MEMS反射鏡，該反射鏡是基于一種已提出并獲得專利的微觀反轉(zhuǎn)機(jī)制[2]。每個(gè)反射鏡都是由一個(gè)1mm厚，并借助靜電斥力應(yīng)用于四個(gè)獨(dú)立的斥力致動(dòng)器的反光鏡板組成。用0V至200V的電壓加載在固定的“指端”，該反射鏡可以高速翻轉(zhuǎn)，最大掃描角度可達(dá)±2.5°。該反射鏡設(shè)計(jì)的這些功能經(jīng)He S等學(xué)者[2]驗(yàn)證，使該系統(tǒng)允許矢量顯示。同時(shí)，該反射鏡采用PolyMUMPs制作方法，此方法是一種四層鑄造表面微加工技術(shù)[3]，并能大批量生產(chǎn)。由于本文的MEMS反射鏡只需要兩個(gè)多晶硅層，只有poly0層和poly1層是所需的，整個(gè)鑄造過程要把poly2和金屬層剝離出去。為了便于手工裝配，反射鏡的原型被封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的44 CQFP芯片中。如果需要進(jìn)一步小型化，還可以使用其他規(guī)格的包裝技術(shù)。

聚焦透鏡將激光束聚焦到1mm直徑的反射鏡上[4]。激光束本身的初始直徑為1.2mm，為了提高圖像的清晰度和亮度，需要對(duì)各種光學(xué)元件進(jìn)行定位。為了提高性能，也便于后期裝配時(shí)的調(diào)試，需要設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的機(jī)械框架，使激光、光學(xué)透鏡和反射鏡間的距離可以改變。

3 結(jié)語(yǔ)

本文的微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器是一種基于MEMS反射鏡的低功率激光矢量顯示系統(tǒng)，首次應(yīng)用于某型模擬機(jī)上。MEMS反射鏡在高速控制下反射激光束以顯示所需文字或符號(hào)，相比以往的CRT平顯和全息平顯，具有良好的顯示效果，更清晰更明亮，顯示雜波少，最重要的是投影距離更貼切模擬機(jī)平顯需求。MEMS反射鏡采用PolyMUMPs表面微加工技術(shù)制造而來，具有更大的靈活性，制造出的微鏡具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)空間和較小的體積，更符合模擬機(jī)平顯要求。MEMS反射鏡、激光發(fā)射器與光學(xué)器件等集成一個(gè)微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器，該系統(tǒng)成本低、便攜、并可顯示矢量圖形。該系統(tǒng)采用了矢量圖像跟蹤路徑算法，更加有效地利用了系統(tǒng)內(nèi)存，減少了運(yùn)算時(shí)間，使模擬機(jī)平顯顯示圖像更快捷，更貼近實(shí)戰(zhàn)。經(jīng)反復(fù)的試驗(yàn)調(diào)試，該微型機(jī)電系統(tǒng)平視顯示器系統(tǒng)已成功組裝在某型模擬機(jī)上，與以往的模擬機(jī)平顯相比，具有更良好的顯示效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文英，姚軍，任豪，等.MEMS二維靜電驅(qū)動(dòng)掃描鏡設(shè)計(jì)和分析[J].微納電子技術(shù)，2009（5）：296-300.

[2]He S， Mrad R B， Chong J. Repulsive-force out-of-plane large stroke translation micro electrostatic actuator[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering，2011（7）：75002.

[3]He S， Mrad R B，Chang J S. Development of a High-Performance Microelectrostatic Repulsive-Force Rotation Actuator[J]. Journal of Microelectromechanical Systems，2010（3）：561-569.

[4] Chong J， He S， Mrad R B. Development of a Vector Display System Based on a Surface-Micromachined Micromirror[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012，59（12）：4863-4870.