基于微机电系统(MEMS)光栅光调制器在静电压驱动下可改变其衍射效果, 并在光学4f系统中实现光信息处理, 从而应用于投影显示。在典型4f光学系统基础上, 优化设计了基于MEMS光栅光调制器的投影显示系统, 根据菲涅耳衍射分析了该系统; 分别利用两种光栅光调制器实验样品在设计的光学系统中进行了显示实验研究。结果表明, 该系统可实现投影显示; 配以驱动电路可实现动态显示, 并可进行工作电压、吸合电压、响应频率等特性测试。

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。

A novel grating light modulator for projection display is introduced. It consists of an upper moveable grating, a bottom mirror, and four supporting posts between them. The moveable grating and the bottom mirror compose a phase grating whose phase difference is controlled by the actuating voltage. When the phase difference is 2k\pi, the grating light modulator will switch the incident light to zero-order diffraction; when the phase difference is (2k-1)\pi, the grating light modulator will diffract light to first-order diffraction. A 16\times16 modulator array is fabricated by the surface micromachining technology. The device works well when it is actuated by a voltage with 1-kHz frequency and 10-V amplitude. The fabricated grating light modulator can show blackness and brightness when controlled by the voltage. This modulator has potential applications in projection display system.

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13 nm时, 像面上的对比度约为150, 进一步减小带宽至10 nm, 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。