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的反射鏡板和四個靜電斥力致動器構成。MEMS反射鏡使用表面微加工工藝PolyMUMPs制造而成，包括四個致動器的MEMS反射鏡的整體尺寸是3.5mm×3.5mm，體積非常小。每個執行器可以通過改變施加的電壓單獨控制。在操作中，改變一個或兩個執行器的電壓會使鏡片朝所需的方向傾斜。

關鍵詞：平視顯示器；MEMS反射鏡；PolyMUMPs

中圖分類號：TN256 文獻標識碼：A 文章編號：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能力，增加訓練時間，減少訓練費用，研制地面飛行模擬機就顯得極為重要。受模擬機研究經費和視景“視差”的影響，飛行模擬機上無法采用飛機上實裝的無窮遠聚焦平視顯示器，而如何使模擬機上的平視顯示器取得更好的、更貼近真實飛機的效果就顯得十分重要。在設計模擬機平視顯示器時，提出了一種基于微型機電系統的平視顯示器，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，相比以往模擬機上的平視顯示器，具有良好的顯示效果，更清晰明亮，投影距離更符合模擬機平顯要求，不必要的顯示雜波也較少。

1 微型機電系統平視顯示器原理

模擬機的微型機電系統平視顯示器主要由光學投影系統（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控制系統這四部分組成。模擬機的飛行參數及飛行狀態，如速度、高度、方向、風速及方向等，按照航電通信協議，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這些消息進行處理，轉化為MEMS控制系統所需的控制信號，MEMS控制系統通過控制加載在靜電斥力制動器端的電壓控制MEMS反射鏡轉動，平視顯示器像源發出激光束，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下同時能觀察到飛行信息和外界環境。

微型機電系統平視顯示器的核心技術是將微型機電系統作為反射鏡，以往的平顯采用普通半透射半反射鏡或全息透鏡，反射出的圖像質量遠不如MEMS反射鏡。因為MEMS反射鏡制造過程中采用了PolyMUMPs表面微變形鏡加工工藝。硅加工技術目前主要有表面硅加工技術和體硅加工技術兩種，表面硅工藝具有更大的靈活性，可以依據原件需求淀積不同的犧牲層[1]，并具有較大的轉動空間和較小的體積，更符合模擬機平顯要求。

本文采用的MEMS反射鏡總的犧牲層厚度達到2.75μm，為鏡面提供了較大的旋轉空間，且體積小，占用模擬機空間小。微型機電系統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反射鏡硬件構架

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

該微型機電系統平視顯示器的設計采用了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機制[2]。每個反射鏡都是由一個1mm厚，并借助靜電斥力應用于四個獨立的斥力致動器的反光鏡板組成。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，最大掃描角度可達±2.5°。該反射鏡設計的這些功能經He S等學者[2]驗證，使該系統允許矢量顯示。同時，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[3]，并能大批量生產。由于本文的MEMS反射鏡只需要兩個多晶硅層，只有poly0層和poly1層是所需的，整個鑄造過程要把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標準的44 CQFP芯片中。如果需要進一步小型化，還可以使用其他規格的包裝技術。

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，需要對各種光學元件進行定位。為了提高性能，也便于后期裝配時的調試，需要設計一個靈活的機械框架，使激光、光學透鏡和反射鏡間的距離可以改變。

3 結語

本文的微型機電系統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，首次應用于某型模擬機上。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，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平顯需求。MEMS反射鏡采用PolyMUMPs表面微加工技術制造而來，具有更大的靈活性，制造出的微鏡具有較大的轉動空間和較小的體積，更符合模擬機平顯要求。MEMS反射鏡、激光發射器與光學器件等集成一個微型機電系統平視顯示器，該系統成本低、便攜、并可顯示矢量圖形。該系統采用了矢量圖像跟蹤路徑算法，更加有效地利用了系統內存，減少了運算時間，使模擬機平顯顯示圖像更快捷，更貼近實戰。經反復的試驗調試，該微型機電系統平視顯示器系統已成功組裝在某型模擬機上，與以往的模擬機平顯相比，具有更良好的顯示效果。

參考文獻：

[1]馬文英，姚軍，任豪，等.MEMS二維靜電驅動掃描鏡設計和分析[J].微納電子技術，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.