热控制得到改进的基于MEMS的空间光调制器的制作方法

热控制得到改进的基于mems的空间光调制器
相关申请的交叉引用
1.本技术是2022年2月3日提交的美国非临时申请号17/591,834的国际申请，并要求2021年2月5日提交的美国临时专利申请序列号63/146,488的权益，该美国临时专利申请通过援引以其全文并入本文。
技术领域
2.本发明总体上涉及空间光调制器(slm)，更具体地涉及一种基于微机电系统(mems)的slm，其被封闭在填充有具有低摩尔质量和高热导率的填充气体的封装体中，以提高slm的可靠性和寿命。


背景技术：

3.空间光调制器或slm包括一个或多个衍射体或调制器的阵列，这些衍射体或调制器可以按照对应于装置的电输入的空间图案来控制或调制入射光束。典型地由激光器产生的入射光束可以在强度、相位、偏振或方向上被调制。空间光调制器越来越多地被开发用于各种应用，包括显示系统、光学信息处理和数据存储、打印、无掩模光刻、3d打印、增材制造、表面改性和光相位调制器。
4.在前述应用中可能有用的一种类型的空间光调制器(slm)是基于微机电系统(mems)的slm，其包括安装在衬底上的可动态调整的反射表面或反射镜的阵列。在操作中，来自相干光源(比如激光器)的电磁辐射或光被投射到阵列上，并且反射镜的对准被产生静电力的电信号改变，以将反射镜中的至少一些移位而调制从该阵列反射的光的相位、强度和/或角度。
5.不幸的是，现有的基于mems的slm无法处理激光加工系统中用于包括切割、打标、雕刻和3d打印在内的应用的高功率激光。典型地，当暴露于高功率或高温激光时，这些装置的失效模式是“索瑞特效应(soret effect)”，其中基于mems的slm中的覆盖反射表面的反射金属(比如铝)的原子从带的较热区域物理迁移到较冷区域。金属原子的这种迁移可能减少反射，并且因此降低slm的效率，并最终缩短装置的使用寿命。
6.因此，需要热处理能力和高功率处理能力得到改进的基于mems的slm。


技术实现要素：

7.描述了一种基于微机电系统(mems)的空间光调制器(slm)，其被封闭在填充有具有低摩尔质量和高热导率的填充气体的封装体中，以提高slm的可靠性和寿命。基于mems的slm可以包括光栅光阀(glv
tm
)、平面光阀(plv
tm
)或线性plv(lplv)中的一个或多个，所有这些都可以从美国加利福尼亚州圣何塞市(san jose ca)的硅光机器公司(silicon light machines inc.)购得，并且详细描述在下文中。所有这些装置都能够通过空间滤波进行相位和/或振幅调制。
8.通常，slm包括多个mems调制器，每个调制器包括多个光反射表面，至少一个光反
射表面耦合到悬置在衬底上方的可静电偏转元件，并且每个调制器适于反射并调制入射在其上的光束。封闭slm的封装体包括光学透明盖，反射表面通过该光学透明盖暴露于光束，并且空腔填充有低摩尔质量填充气体，该低摩尔质量填充气体具有二或更小的原子序数和大于100毫瓦/米开尔文(mw/(m.k))的热导率。
9.在一个实施例中，基于mems的衍射体中的每一个包括悬置在衬底上方的多个可静电偏转带，每个带具有光反射表面。这些带中的一个或多个的静电偏转使得从第一可静电偏转带的光反射表面反射的光与从相同或相邻衍射体中的衍射体中的带的光反射表面反射的光干涉，以调制入射在其上的光。
10.在另一个实施例中，基于mems的衍射体是二维衍射体，每个衍射体包括：活塞层，该活塞层通过在其拐角处的支柱悬置在衬底的表面上方，该活塞层包括可静电偏转活塞和多个挠曲部，该活塞通过这些挠曲部耦合到支柱；第一反射表面，该第一反射表面处于该活塞的顶表面上方；以及面板，该面板悬置在该活塞层上方，该面板包括位于该面板的顶表面上的第二反射表面，以及通过其曝光该活塞的孔。活塞的静电偏转使得从第一反射表面反射的光与从第二反射表面反射的光干涉，以调制入射在其上的光。
11.下文参照附图详细描述本发明的实施例的进一步的特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。应注意，本发明不限于本文所述的具体实施例。此处仅出于说明的目的而呈现了这样的实施例。基于本文所包含的教导，附加实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
12.根据下文的详细描述以及下文提供的附图和所附权利要求，将更全面地理解本发明的实施例，其中：
13.图1a和图1b是基于微机电系统(mems)的空间光调制器(slm)的实施例的侧视示意图和俯视示意图，其被封闭在填充有具有低摩尔质量和高热导率的填充气体的封装体中；
14.图1c是基于mems的slm的另一个实施例的示意性框图，其被封闭在封装体中并且进一步包括用具有低摩尔质量和高热导率的填充气体对封装体加压的系统；
15.图1d是基于mems的slm的另一个实施例的示意性框图，其被封闭在流经式封装体中并且进一步包括使具有低摩尔质量和高热导率的填充气体流经该封装体的系统；
16.图2a至图2c是示意性框图，图示了包括带型微机电系统调制器的基于mems的slm的实施例；
17.图3a至图3c是示意性框图，图示了包括二维(2d)调制器的基于mems的slm的实施例；
18.图4是slm的俯视示意性框图，其包括基于mems的2d衍射体(比如图3a至图3c所示的衍射体)的多像素线性阵列；
19.图5a至图5c图示了适于与经相位调制的系统一起使用的2d的基于mems的复杂slm的示意图；
20.图6a和图6b示出了包括基于mems的调制器的线性阵列的slm的部分的俯视图，图示了与封闭在填充有氮气的空腔中的slm相比，由增大的激光功率引起的对封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中的slm的损坏；
21.图7示出了包括封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中的基于mems的调制器的线性阵列的slm的部分的俯视图，图示了填充气体压力对由以14kw/cm2功率操作的激光器引起的损坏的影响；
22.图8是图示了对于在可静电偏转元件与衬底的表面之间具有不同偏转间隙的基于mems的调制器，0.01到10个大气压的氦气填充气体的相对热导率的曲线图；
23.图9a至图9c是根据本披露的实施例的用于基于mems的slm的单一2d调制器或plv
tm
的立体图，该slm包括填充先前空隙区域的大的散热结构；
24.图10是图示了用于操作封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的mems封装体中的基于mems的slm的方法的实施例的流程图；
25.图11是包括slm的光学系统的框图，该slm包括封闭在封装体中的基于mems的调制器的线性阵列，该封装体包括填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔；
26.图12是包括slm的热感式计算机直接制版(ctp)打印系统的布局的示意性框图，该slm包括封闭在封装体中的基于mems的调制器的线性阵列，该封装体包括填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔；
27.图13是包括slm的增材制造系统的示意性框图，该slm包括封闭在封装体中的基于mems的调制器的线性阵列，该封装体包括填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔；
28.图14是包括slm的表面改性系统的实施例的示意性框图，该slm包括封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中的基于mems的调制器的线性阵列；以及
29.图15是包括slm的光探测和测距(lidar)系统的示意图，该slm包括封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中的基于mems的调制器的线性阵列。
具体实施方式
30.本披露涉及基于微机电系统(mems)的空间光调制器(slm)，其被封闭在填充有具有低摩尔质量和高热导率的填充气体的mems封装体中，以提高slm的可靠性和寿命，并且在各种应用中操作这些空间光调制器的方法进行了描述。
31.在以下描述中，阐述了许多具体细节(比如具体材料、尺寸和工艺参数等)以提供对本发明的全面理解。然而，特定实施例可以被实施为没有这些具体细节中的一个或多个具体细节，或者与其他已知方法、材料和设备相结合来实施。在其他情况下，没有特别详细地描述公知的半导体设计和制造技术，以避免不必要地使本发明模糊不清。在整个本说明书中，对“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书在各处出现的短语“在实施例中”并不一定都指代本发明的同一个实施例。此外，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。
32.本文使用的用语“在
……
上方”、“在
……
下”、“在
……
之间”和“在
……
上”是指一个层相对于其他层的相对位置。因而，例如，沉积或设置在另一个层上方或另一个层下的一个层可以与另一个层直接接触，或者可以具有一个或多个介于中间的层。此外，沉积或设置在层之间的一个层可以与这些层直接接触，或者可以具有一个或多个介于中间的层。相反，在第二层“上”的第一层与第二层接触。此外，提供了一个层相对于其他层的相对位置，其中
假设操作相对于起始衬底沉积、修改和移除了膜，而不考虑衬底的绝对取向。
33.图1a和图1b是基于微机电系统(mems)的空间光调制器(slm 100)的实施例的俯视示意图和侧视示意图。参考图1a，slm 100通常包括：线性阵列102，该线性阵列具有封闭在封装体106中的多个单独的基于mems的光调制器104，该封装体包括填充有具有低摩尔质量和高热导率的填充气体的空腔108，线性阵列被封闭在该空腔中；以及光学透明盖110，该多个调制器通过该光学透明盖暴露于光束。低摩尔质量和高热导率意味着元素的原子量为二或更小，即氦(he)或氢(h)，并且热导率大于100毫瓦/米开尔文(mw/(m.k))。通常，每个调制器104包括多个光反射表面(这些图中未示出)，包括的至少一个光反射表面耦合到可静电偏转元件，以使从其反射的光与该调制器或相邻调制器中的另一个光反射表面相长干涉或相消干涉，以调制入射在slm 100上的相干光束的振幅或相位。
34.参考图1b，在所示出的实施例中，封装体106是表面贴装、无引线类型的封装，通过球栅阵列(bga 114)或针栅阵列(pga)(未示出)机械耦合到且电耦合到电路板112。封装体106包括：空腔108，线性阵列102被封闭在该空腔中；光学透明盖110，调制器104通过该光学透明盖的反射表面暴露出来；以及接线键合116，这些接线键合用于将基于mems的slm电耦合到bga 114。通常，线性阵列102制造在通过焊料薄层120附接到封装体106的衬底118上。
35.在一个实施例中，空腔108是密封的，并且具有至少0.01个大气压的静态压力。优选地，填充气体包括0.1个大气压或更大的静态压力的至少约10％至约100％的氢气(h)或氦气(he)的气体混合物，更优选地，填充气体具有约1巴或1个大气压的压力。
36.可选地或替代地，在图1c所示的另一个实施例中，mems封装体106进一步包括填充气体入口或入口122，填充气体通过该填充气体入口或入口从气体供应系统124引入到空腔108中，以动态地维持其中的填充气体的期望压力。通常，气体供应系统124包括：填充气体源126，比如储存液化气体的气瓶或杜瓦瓶；以及控制和/或监视填充气体到封装体106的入口122的流量的监视器，比如质量流量控制器(mfc 128)；以及控制mfc的操作的控制器130。
37.在图1d所示的另一个实施例中，封装体106是进一步包括与入口122相反的填充气体出口或出口132的流经式封装体，并且气体供应系统124进一步包括第二mfc或电磁阀134，填充气体通过该第二mfc或电磁阀排出或移除，并且可操作以在slm 100的操作期间提供0.01标准立方厘米/分钟(sccm)到10000sccm的气体流量。
38.通常，已发现基于mems的slm的热导率和冷却尤其取决于所使用的填充气体的热导率。下表i示出了各种潜在填充气体在300k时的热导率。表i
39.从表i可见，氦气(he)的热导率约6倍于n2的热导率。因此，热fea(有限元分析)预测，与填充有空气或氮气(n2)的空腔相比，封闭在包括填充有氦气(he)的空腔的封装体中的基于mems的slm的冷却和功率处理能力提高了3.5倍。此外，下文详细描述的对基于mems的slm的单一2d调制器的测试的结果证实，调制器的表面被4kw/cm2的光子通量照射，并且被封闭在填充有氮气填充气体的空腔中，反射镜的表面上温度为～148℃，相比之下，当使用氦气填充气体时，温度仅为43℃。
40.现在将参考图2a至图2c来描述包括带型可静电调整调制器的多像素线性阵列的基于mems的slm的实施例(比如glv
tm
)，本披露的封装体和方法特别适用于该slm。为了清楚起见，已在下文描述中省略了与本发明无关的一般slm的许多细节，特别是基于mems的带型调制器的许多细节。所描述的附图仅是示意性的，并且是非限制性的。在附图中，出于图示的目的，元件中的一些的大小可能被夸大并且没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸可能不对应于对本发明的实施的实际缩减。
41.参考图2a和图2b，在所示出的实施例中，slm 200包括由数千个独立的、可寻址的静电致动带204构成的线性阵列202，每个带具有支撑在衬底208的表面上方的光反射表面206，其中多个带被分组在一起以形成基于mems的调制器。带204中的每一个包括电极210，并且可通过静电力穿过间隙或空腔212朝向衬底208偏转，这些静电力是当在带204中的电极210与形成在衬底中或衬底上的基电极214之间施加电压时产生的。带电极210中的每一个由驱动器218中的多个驱动通道216中的一个驱动，该驱动器可以与线性阵列202整体形成在同一衬底208上，如实施例所示，或者形成在第二衬底或芯片上并与线性阵列电耦合(未示出)。
42.图2b示出了图2a的slm 200的带204的示意性剖视侧视图。参考图1b，带204包括将带支撑在衬底208的表面222上方的弹性机械层220、传导层或电极210和反射层224，该反射层包括上覆在机械层和传导层上的反射表面206。
43.通常，机械层220包括拉紧的氮化硅膜，并且在带204的两端处通过典型地也由氮化硅制成的多个支柱或结构柔性地支撑在衬底208的表面222上方。如图所示，传导层或电极210可以形成在机械层220上方并与其直接物理接触，或者形成在机械层下面。传导层或带电极210可以包括与标准mems制造技术兼容的任何合适的传导或半传导材料。例如，形成电极210的传导层可以包括经掺杂的多晶硅(poly)层或金属层。替代地，如果反射层224是
金属的，那么反射层也可以用作电极210。
44.单独的、离散的反射层224(如果包括了的话)可以包括与标准mems制造技术兼容的任何合适的金属、电介质或半导体材料，并且能够使用标准光刻技术来图案化以形成反射表面206。
45.在所示的实施例中，多个带被分组在一起以形成大量的mems通道或像素226，每个由数量少得多的驱动通道216驱动。带204的偏转引起从反射表面206反射的光与从相邻带的反射表面反射的光相长干涉或相消干涉，从而使像素226能够在开或亮状态、关或暗状态或中间灰度级之间切换。
46.参考图2c，在一个实施例中，线性阵列202包括1088个可单独寻址的带204，这些带可以被分组在一起以形成通道或像素226，这些通道或像素取决于像素大小要求具有任何数量的带。此外，slm可以包括具有高达10位振幅调制的驱动通道216(如图2a所示)，以支持灰度级，并且能够以高达350khz的速度来调制或切换。再次参考图2c，阴影矩形图示了被引导到slm 200的线性阵列202上的矩形光束照射的线性阵列202上的被照射区域228。在slm 200的一些实施例中，期望提供具有正方形纵横比的像素配置。例如，在线性阵列202包括各自具有约25μm的宽度的数千个带204并且被照射区域228具有约75μm的宽度的所示实施例中，带可以被分组以形成各自包括三个相邻带的部分的360个正方形像素226a。替代地，被照射区域的宽度可以减小到约50μm，并且带204可以被分组以形成各自包括两个相邻带的部分的512个50μm
×
50μm的正方形像素226b，或者被照射区域的宽度可以进一步减小到约25μm，使得每个带形成1088个25μm
×
25μm的正方形像素226c。
47.现在将参考图3a至3c和图4描述包括基于mems的二维(2d)调制器的多像素线性阵列的另一种类型的slm，比如可以从美国加利福尼亚州圣何塞市的硅光机器公司购得的线性平面光阀(lplv
tm
)，本披露的封装体和方法特别有利于该slm。
48.为了清楚起见，已在下文描述中省略了公知的且与本发明无关的制造和操作基于mems的二维(2d)调制器的许多细节。基于mems的2d调制器在例如2006年6月20日授权的alexander payne等人的发明名称为“two-dimensional spatial light modulator[二维空间光调制器]”的共同转让的美国专利序列号7,064,883中有更详细的描述，该美国专利通过援引以其全文并入本文。
[0049]
图3a图示了处于静止或未驱动状态下的2d衍射体或调制器300的剖视侧视示意性框图。参考图3a，2d调制器300通常包括活塞层302，该活塞层通过活塞层和/或2d调制器的拐角处的支柱306悬置在衬底304的表面上方。活塞层302包括可静电偏转活塞302a和多个挠曲部302b，活塞通过挠曲部柔性或可移动地耦合到支柱306。上覆在活塞层302上的面板308包括第一光反射表面310和孔或切口部分312，该孔或切口部分将面板与活塞302a上或附接到该活塞的第二反射表面314分开。第二光反射表面314可以直接形成在活塞302a的顶表面上，或者如实施例所示，形成在反射镜316上，该反射镜被支撑在活塞302a上方并通过从活塞延伸到反射镜的中心支柱318与活塞分开。第一和第二光反射表面310、314具有相等的面积和反射率，使得在操作中，由形成在活塞层302中或该活塞层上的电极320和衬底304中的电极322引起的活塞302a的静电偏转使从第一光反射表面310反射的光与从第二光反射表面314反射的光相长干涉或相消干涉。
[0050]
一般来说，衬底304中的电极322耦合到驱动电路或驱动器324中的多个驱动通道
中的一个，该驱动电路或驱动器可以一体形成在邻近于2d调制器300或在其下面的衬底中，如实施例所示。衬底304中的电极322可以通过从驱动器到电极延伸穿过衬底的通孔耦合到驱动器324，并且形成在活塞层302中或该活塞层上的电极320可以通过延伸穿过支柱306和活塞层之一的导体耦合到驱动器或电接地。如下文更详细解释的，典型地，多个单独2d调制器300在单一驱动通道的控制下被分组或编组在一起，以用作slm的多像素线性阵列中的单一像素。
[0051]
图3b是处于活动或驱动状态下的图3a的2d调制器300的示意性框图，示出了朝向衬底304偏转的活塞302a，并且图3c是图3a和图3b的2d调制器的俯视图，图示了静态的第一光反射表面310和可移动的第二光反射表面314。
[0052]
现在将参考图4的框图描述密集包装的基于mems的2d调制器的示例性多像素线性阵列。图4是包括2d调制器402(比如图3a至图3c所示的那些)的线性阵列401的slm 400的平面俯视图，这些调制器一起分组或耦合到多个驱动通道或像素。
[0053]
参考图4，在一个实施例中，2d调制器402沿着第一、水平或纵向轴线406被分组为交错通道或像素404的线性阵列401。单一像素404中的2d调制器402中的每一个共享共用的驱动通道或驱动器408。虽然在所示的实施例中，每个像素404被描绘为具有沿着垂直于阵列的水平或纵向轴线406的横向或竖直或横向轴线410分组的单列12个调制器402，但这仅仅是为了便于阵列的图示。应了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，每个通道或像素可以包括任何数量的2d调制器，这些调制器跨越阵列的宽度或竖直轴线或横向轴线布置成任何长度的一列或多列。例如，在特别适用于本披露的光谱成形系统和方法的slm 400的一个实施例中，每个像素404包括沿着阵列的横向轴线410分组的单列40个调制器。类似地，slm 400可以包括线性阵列401，该线性阵列具有彼此首尾相邻放置的任何数量的像素404或多个单独线性阵列。因为线性阵列401的光学有效区域通过增大每个像素的调制器列数而变大，所以这后一种配置可以帮助增大slm 400的功率处理。如果每个调制器的损坏阈值是恒定的，那么功率处理可以与面积增大成比例地增大。
[0054]
为了最大化slm 400的对比度或为它提供足够的对比度，期望来自照明源的入射光具有小于衍射slm 400的一阶衍射角(θ)的数值孔径(na)或锥角(θ)。slm的衍射角(θ)被定义为在0阶模式或状态下从像素404反射的光与在正和/或负1阶模式下从同一像素反射的光之间的角度。然而，根据光栅方程，周期性表面(比如slm 400的线性阵列401)的衍射角由入射在阵列上的光的波长与周期性表面(即像素404)的特征的空间周期或间距的比率来设定。特别地，光栅方程(以下方程1)表示：sin θ ＝ mλ/λ (1)其中θ是从表面反射的光的衍射角，m是衍射光线的阶数(整数)，λ是入射光的波长，并且λ是调制器402的空间或间距。当集中在具有多个调制器402的单一像素上，并且入射光是理想的平面波或者具有数值孔径(na)＝0时，光由于惠更斯-菲涅耳原理而扩散。扩散角θ由以下方程2定义为：θ ＝ λ/d (2)其中d是像素大小。
[0055]
通过传统的基于光栅的slm实现足够的对比度需要通过孔径限制照明na(并且遭受相关的吞吐量损失)，或者通过减小单独调制器的尺寸和空间周期或间距来提供大的衍
射角。然而，后一种方法由于多种原因而存在问题，包括需要较大、较高电压的驱动电路来驱动较小的可移动光栅元件，以及这种较小的光栅元件导致slm的光学功率处理能力降低。
[0056]
与传统的基于光栅的slm相比，包括基于mems的2d调制器402的slm 400(比如lplv
tm
)被配置成具有多个像素404，每个像素包括沿着阵列的横向轴线或纵向轴线410布置的若干调制器402(在所示实施例中为十二个)，但是沿着水平轴线或纵向轴线406布置的调制器的数量少得多，通常只有一个或两个调制器。因此，来自像素404的衍射光沿纵向轴线(其中像素大小远小于沿竖直或横向或横向轴线的大小)的扩散角θh远大于像素沿横向轴线的扩散角θv。相反，竖直方向(阵列短轴)上的照明数值孔径可以远大于水平方向(阵列长轴)上的数值孔径，因为后者受到slm的衍射角的限制，以便获得足够的对比度。因此，通过将2d调制器的线性阵列与纵向和横向方向上的不对称照明na结合使用，可以提高光谱成形器的总吞吐量。
[0057]
图5a至图5c图示了用于相位调制的2d的基于mems的复杂slm的示意图，本披露的封装体和方法特别适用于该slm。简言之，复杂slm 500包括多个像素502，每个像素包括多个相移调制器504。相移调制器504各自包括可静电移位反射镜或反射表面506。相移调制器504被配置成使得基本上所有的从复杂slm500反射的光都来自相移调制器。优选地，通过电互连每个相移调制器下方的驱动电极(未示出)并施加共用驱动电压，沿对角线508、510的相移调制器504被耦合以一致偏转。以这种方式，每个像素502接收两个独立的驱动电压，以将对角相对的相移调制器504作为一组(在图5a中表示为组1和组2)偏转。每个像素502的两组可以独立于其他像素被控制，以允许从一个像素反射的相干光与从一个或多个相邻像素反射的光相长干涉或相消干涉，从而调制入射在其上的光。更优选地，相移调制器504可贯穿一个或多个波长的光偏转，以使反射光的相位和振幅两者能够被独立地调制。图5b图示了图5a的复杂slm 500的像素502在(a)静止模式、(b)经相位调制模式和(c)经振幅和相位调制模式下的立体图，其中δ等于入射在复杂slm上的光的四分之一波长。
[0058]
现在将参考图5c详细描述复杂slm 500的相移调制器504的示例性实施例。图5c描绘了复杂slm 500中的单一相移调制器504的详细立体图。参考图5c，相移调制器504通常包括通过多个支柱516设置在衬底514的上表面上方的膜或隔膜512，其中形成有可移位或可移动的致动器或活塞518。反射表面506由支撑结构520支撑在每个活塞518上方并固定到每个活塞，该反射表面通常平行于衬底514的表面定位，并被定向成反射入射在复杂slm 500的顶表面上的光。活塞518和相关联的反射表面506形成单独相移调制器504。
[0059]
单独的活塞518或活塞组通过静电力相对于衬底514向上或向下移动非常小的距离(典型地仅是光波长的一小部分)，这些静电力由致动器膜512下方的衬底中的驱动电极(未示出)控制。优选地，活塞518可以移位n*λ/2波长，其中λ是入射在复杂slm 500上的光的特定波长，并且n是等于或大于1的整数。移动活塞518使来自一个相移调制器504的平面光反射表面506的反射光与像素中相邻相移调制器反射的光相长干涉或相消干涉，从而调制入射在复杂slm 500上的光。
[0060]
图6a和图6b示出了包括基于mems的调制器的线性阵列的slm(比如图4所示)的部分的俯视图，图示了当封闭在填充有氮气的空腔中时，与封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中的slm相比，暴露于增大的激光功率的影响。这些图示的数据是使用具有照明光学器件的1064nm激光器获得的，该照明光学器件可操作以在不同功率水平中
的每一个的下曝光照射线性阵列的400μm光束区域5秒钟。图6a图示了在线性阵列600上将激光功率水平从4kw/cm2增大到8kw/cm2时的曝光结果，该线性阵列封闭在填充有氮气(n2)填充气体的空腔中，压力为约31磅/平方英寸(psig)。图6b图示了在线性阵列600上将激光功率水平从12kw/cm2增大到20kw/cm2时的曝光结果，该线性阵列封闭在填充有氦气(he)填充气体的空腔中，压力还是为约31psig。参考图6a和图6b，可见这些曝光测试(针对每种填充气体重复两次)显示，封闭在填充有he的空腔中的线性阵列600的功率处理能力比填充有n2的空腔提高了2.5至3倍。这意味着在损坏slm之前可以施加的功率(单位为kw/cm2)为约2.5至3倍。特别地，应注意，封闭在填充有he的空腔中的线性阵列600曝光于约14kw/cm2的激光功率，然后在遭受损坏，类似于针对封闭在填充有氮(n2)的空腔中并暴露于约5kw/cm2的激光功率的线性阵列600所见。
[0061]
图7示出了包括基于mems的调制器的线性阵列700的slm的部分的俯视图，图示了不同压力的低摩尔质量且高热导率的填充气体增大热传导的能力，从而减少了对slm的损坏，并且增大了功率处理能力，同时提高了slm的可靠性和寿命。这些图示的数据是使用1064nm激光器获得的，其光束区域为400μm，在5至35psig的不同压力中的每一个下，在约14kw/cm2的功率下曝光操作5秒钟。参考图7，可见发现了很强的依赖性，其中随着压力的增大，损坏减少，并且损坏在10与15psig之间，在约1个大气压或14psig的大气压力下大大减少。
[0062]
图8是图示了对于在可静电偏转元件与衬底的表面之间具有不同偏转间隙的基于mems的slm，0.01到10个大气压的氦气填充气体的相对热导率的曲线图。图8是通过计算以下稀薄气体热导率方程3导出的，其中方程的项在表ii中给出。表ii表ii
[0063]
参考图8，应注意，随着基于mems的slm的尺寸(即偏转间隙)减小，热导率成为填充气体的压力的函数。“稀薄”是指压力小于1巴或小于大气压。在图8中，线802表示对于具有1mm偏转间隙的基于mems的slm，0.01到10个大气压的氦气填充气体的热导率；线804表示对于具有100μm偏转间隙的基于mems的slm，he填充气体的热导率；线806表示对于具有10μm偏转间隙的基于mems的slm，he填充气体的热导率；线808表示对于具有1μm偏转间隙的基于
mems的slm，he填充气体的热导率；并且线810表示对于具有100nm偏转间隙的基于mems的slm，he填充气体的热导率。参考图8，可见在静电可移动元件(比如活塞层302)与衬底304的表面之间的偏转间隙尺寸减小时，热导率主要根据填充气体压力而变化。应进一步注意，对于基于mems的slm，比如上述的线性plv
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或lplv，测试的结果以图表显示，在低于1个大气压的压力下，填充气体表现为稀薄气体，其中热导率下降并成为压力的函数。“稀薄”是指压力小于1巴或小于大气压。
[0064]
在另一个实施例中，通过在调制器中包括散热结构，可以增大基于mems的slm的热传导或热量转移，并且提高slm的可靠性和寿命。图9a至图9c是根据本披露的实施例的plv
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调制器的下部mems或活塞层的立体图，该调制器包括填充先前空隙区域的大的散热结构。特别地，图9a是不完整的plv
tm 900的第一mems或活塞层902的立体图，该第一mems或活塞层通过在其拐角中的多个支柱906悬置在衬底904上方，并且包括大的散热结构908，这些散热结构基本上填充活塞层中先前空隙区域，以提供活塞层的热管理。活塞层902包括可静电偏转活塞902a和多个挠曲部902b，活塞通过挠曲部柔性或可移动地耦合到支柱906。支柱906可以包括环形结构，该环形结构包括围绕基本中空的内部区域或者如图所示的第二材料906b的外部或第一材料906a。支柱906的第一和第二材料可以包括电介质、导电或半导体材料，该材料被选择成与用于形成plv
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的材料和工艺兼容。通常，支柱906中的至少一个的第一或第二材料中的至少一种包括导电或半导体材料，以将活塞902a中或该活塞上的电极(此图中未示出)电耦合到形成在衬底904中或电耦合到该衬底的集成驱动电路(此图中未示出)。
[0065]
在图9a所示的实施例中，散热结构908包括基本上与活塞层902的上表面共面的端部或上表面，并且基本上不延伸穿过或经过活塞。散热结构908可以包括实心的均匀结构或环形结构，包括围绕基本中空的内部区域或第二材料908b的外部或第一材料908a，如图9d所示。散热结构908的第一和第二材料可以包括电介质、导电或半导体材料。在一个实施例中，散热结构908包括围绕ge核心的sige。包括sige的外部或第一材料908a是令人期望的，因为提供了对用于形成plv
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的蚀刻剂的抵抗力，同时还提供了将活塞902a中或该活塞上的电极电耦合到衬底904中或电耦合到该衬底的集成驱动电路的导电路径。散热结构908的环形结构是令人期望的，因为这使得散热结构能够具有大的外表面面积，基本上填充活塞层902的支柱906、挠曲部902b和活塞902a之间的空隙空间，而不需要过多沉积散热结构的第一材料的共形层。如下文进一步详细解释的，当散热结构908的第一材料908a的第一材料与例如形成活塞层902和/或支柱906同时在单一步骤中沉积时，这是特别有利的。在一些实施例中，比如图9d所示，散热结构908的内核或区域不是中空的，而是填充有第二材料908b，比如热导率比第一材料908a大的锗(ge)。取决于硅与锗的比率，硅锗(sige)具有约0.089w/cm-℃到约0.11w/cm-℃的热导率，而锗(ge)具有约0.6w/cm-℃的热导率。如下文进一步详细解释的，锗(ge)也适合作为用于形成plv
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的牺牲材料，因此消除了对沉积第二材料908b的单独沉积步骤的需要。应进一步注意，使用ge作为牺牲材料还能够容易地替换空隙，同时容易地维持第二牺牲层的平面性。
[0066]
图9b是完整的plv
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的立体图，其在结构上类似于图9a，并且进一步包括第二mems或面板层910，该第二mems或面板层包括通过第二支柱912悬置在活塞层902上方的反射顶表面和形成在活塞层的活塞902a上或上方并附接到该活塞的反射镜914。如同第一支柱906
一样，第二支柱912可以包括环形结构，该环形结构包括围绕基本中空的内部区域或者如图所示的第二材料的外部或第一材料。如在上述plv
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中，在图9b所示的实施例中，当plv
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处于静止或未通电状态且活塞902a未偏转时，反射镜基本上与面板层910的上表面共面。然而，应理解，在不改变或不利地影响本发明的结构和方法的情况下，可以改变该状态下的反射镜914的这种放置。特别地，应注意，反射镜914可以定位在面板层910的反射顶表面上方或下方由plv
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调制的光的四分之一(1/4)波长的偶数倍或奇数倍处，以提供与从面板层的反射顶表面反射的光的相长干涉或相消干涉，和/或调制反射光的相位。在图9a所示的实施例中，散热结构908包括终止于面板层910附近的端部或上表面，以提供面板层的热管理以及plv
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的活塞层的改进的热管理。
[0067]
图9c是plv
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的透视的立体图，其包括悬置在活塞层902上方的面板层910(以虚线示出)，该活塞层通过plv
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的四个拐角中的支柱912悬置在衬底904的表面上方，并且包括延伸穿过或经过活塞层以终止于面板附近或与面板接触的大的散热构结908。散热结构908可以包括包含第一和第二材料的圆环形状。应进一步注意，这种设计(即具有圆环状截面的支柱)也可以应用于plv
tm
的四个拐角处的支柱906、912。
[0068]
图9c还图示了中心支柱916(以虚线示出)，该中心支柱将反射镜914支撑在活塞层902上方，可选地提供反射镜的热管理。在该实施例中，所示的中心支柱916具有包括第一材料916a的圆环的圆环状截面，该圆环围绕第二材料916b的基本中空的内部区域或内核。如同散热结构908一样，中心支柱916的第一和第二材料可以包括电介质、导电或半导体材料。在一个实施例中，中心支柱916包括围绕ge核心的sige。以前，不在面板层910、反射镜914或活塞层902的表面上产生凹痕，就不可能扩大支柱906、912的大小。因此，支柱906、912、916的大小受到活塞或反射镜和面板层的厚度的限制，以便提供平滑的、基本平坦的顶表面。
[0069]
现在将参考图10的流程图描述用于操作封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的mems封装中的基于mems的slm的方法。参考图10，该方法开始于提供基于mems的slm，该slm包括封闭在包括光学透明盖的封装体的空腔内的反射表面(步骤1002)。接着，在0.1个大气压或更大的压力下，用原子序数为二或更小且热导率大于100mw/(m.k)的低摩尔质量填充气体填充空腔(步骤1004)。在一些实施例中，在1个大气压的压力下，用热导率为151mw/(m.k)的低摩尔质量填充气体填充空腔。可选地，从封装体中的入口和出口通过空腔建立流体流动(步骤1006)。接着，使反射表面穿过光学透明盖暴露于光束(步骤1008)。再次，可选地，该方法可以进一步包括在反射表面暴露于光束期间监视空腔中的压力(步骤1010)，并且如果压力下降到低于指定的最小0.1个大气压，那么停止将反射表面暴露于光束(步骤1012)。
[0070]
图11是包括slm 1102的光学系统1100的框图，该slm具有基于mems的调制器的多像素线性阵列(此图中未示出)，如图2a至图2c所示，或者2d调制器的多像素线性阵列，如图3a至图3c和图4所示。简言之，除了slm 1102之外，光学系统1100还包括：光源，比如激光器1104，该光源可操作以照射slm；成像光学器件1106，该成像光学器件可操作以将基本线性的调制光条聚焦到成像或焦平面，比如固定装置1108上的工件的表面；以及控制器1110，该控制器可操作以控制slm、激光器和成像光学器件，以使线性调制光条跨越工件的表面扫描，而在其上记录二维(2d)图像。通常，如实施例所示，光学系统1100进一步包括具有光束形成光学系统的照明光学器件1112，以将矩形光束引导到slm 1102的线性阵列上。
[0071]
典型地，激光器1104能够以连续波(cw)模式或脉冲模式在355纳米(nm)到高达约2000nm的红外(ir)波长的紫外(uv)波长下操作，脉冲的宽度或持续时间是约1飞秒(fs)到约500纳秒(ns)，重复率是约10khz到约300khz，并且能量范围是约10微焦耳(μj)最高到大于10毫焦耳(mj)。
[0072]
成像光学器件1106可以包括使线性调制光条跨越工件的表面扫描的动态光学元件、以及将调制光引导到检流计反射镜和/或将来自检流计反射镜的调制光聚焦到工件的表面上的多个静态光学元件。
[0073]
放置或固定工件的固定装置1108可以包括静态固定装置或可移动平台，该静态固定装置或可移动平台可操作以将工件相对于基本静止的线性调制光条移动或重新定位，以使线性调制光条跨越工件的表面扫描。在任一实施例中，无论是静态的还是可移动的，固定装置1108优选包括多个传感器和信号装置，以在工件处于待打标其的适当位置中时向激光打标系统中的其他部件发出信号。在一些实施例中，固定装置1108包括能够沿着两个正交轴线移动的可移动平台，以使得能够使多个平行条扫描来扫描工件上的较大区域。在其他实施例中，光学系统1100包括具有检流计反射镜的成像光学器件1106以及能够沿着与检流计反射镜使线性调制光条扫描的方向正交的单一轴线移动的可移动平台(固定装置1108)两者，以扫描工件上的较大区域。
[0074]
激光器1104、照明光学器件1112、slm 1102、成像光学器件1106和固持在固定装置1108上的工件在箭头1114所指示的方向上光学耦合。此外，激光器1104、照明光学器件1112、slm 1102、成像光学器件1106和固定装置1108通过控制总线1116以信号通信的方式与控制器1110电耦合，并且彼此电耦合。特别地，控制器1110通过控制总线1116向slm 1102提供数字图像数据，控制激光器1104的功率水平，控制成像光学器件1106中的检流计反射镜的操作，以及控制固定装置1108的可移动平台(如果包括的话)。此外，当工件处于合适位置中时，固定装置1108可以向控制器1110、slm 1102和/或激光器1104发送信号，并且当加载到slm的图像数据准备好在工件上扫描时，slm可以向激光器发送信号，使得激光器可以发出脉冲。
[0075]
图12是包括slm的热感式计算机直接制版(ctp)打印系统的布局的示意性框图，该slm具有封闭在封装体中的基于mems的调制器的线性阵列，该封装体包括填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔。参考图12，在图12中示出了包括slm 1202的打印系统或打印机1200，该slm具有基于mems的调制器的线性阵列，如图2a至2c所示，或者2d调制器的多像素线性阵列，如图3a至图3c和图4所示。在本技术中使用具有基于mems的调制器的线性阵列的slm 1202的优点是，通过用具有基于mems的调制器的线性阵列的slm 1202代替它们，消除了对传统slm的扫描反射镜和f-θ或扫描光学器件的需要，这些基于mems的调制器的线性阵列沿着纵向轴线足够大，以将调制光投射到基本跨越成像或焦平面的整个宽度延伸的条上。打印机1200通常包括照明器或光源1204、照明光学器件1206和成像光学器件1208，以将来自slm 1202的图像(调制光)引导到成像或焦平面的光敏或光电导表面上，此处示出为在其表面1212上具有光电导层的滚筒1210。
[0076]
光源1204可以包括能够连续发射足够功率水平或功率密度的光的任何发光装置，并且优选地连续发射单一或窄范围的波长的光，以使从slm 1202的调制器反射的光能够通过衍射在相位和/或振幅上调制。在某些打印应用中，特别是在光热打印机中，光源1204可
以包括多个激光器或激光发射器，比如二极管激光器，这些激光器或激光发射器各自在cw(连续波)操作中由共用电源(未示出)供电。优选地，光源1204是在约750至约1000nm的波长(λ)下产生约5000至约40,000毫瓦(mw)的功率的高功率二极管激光器。
[0077]
照明光学器件1206可以包括多个元件，包括透镜积分器、反射镜和棱镜，这些元件被设计成将来自光源1204的光传输到slm 1202，使得特定长度和宽度的线被照射在slm上。在所示实施例中，照明光学器件1206包括折射和透射来自光源1204的光的棱镜1214和透镜1216、以及照射基本覆盖slm的整个宽度的条的积分器1218。
[0078]
成像光学器件1208可以包括放大元件，比如傅立叶变换(ft)透镜1220和ft反射镜1222，以将来自slm 1202的光引导向位于滚筒1210上的光电导层。优选地，成像光学器件1208被设计成将光从slm 1202传输到滚筒1210，使得位于滚筒上的光电导层在基本覆盖滚筒的整个宽度的条上被照射。可选地，如所示实施例中一样，成像光学器件1208进一步包括滤波器元件，比如ft滤波器1224，以分辨从每个像素反射的光，但不分辨从每个单独调制器或衍射体或从每个调制器中的每个元件反射的光。
[0079]
如上文参考图3a至图3c和图4所述，slm 1202包括多个单独衍射二维(2d)密集包装的空间光调制器或衍射体(此图中未示出)的线性阵列。相邻的2d调制器可以被分组或功能性地连接，以提供线性阵列中的多个像素，这些像素可以由来自单一共用驱动通道的驱动信号控制，从而以期望的分辨率打印到成像或焦平面。优选地，slm 1202具有足以覆盖基本跨越成像或焦平面的光敏或热敏表面的整个宽度延伸的条或带的像素计数。更优选地，slm 1202具有至少约500个像素、最优选至少约1000个像素的像素计数，以提供期望的分辨率。例如，在图12所图示的布局的一个版本中，slm 1202包括足够数量的像素，以使用中等功率的780nm gaas二极管激光器作为光源1204，以约2000点/英寸(dpi)的打印分辨率覆盖标准八英寸(8")写入滚筒1210上的整个条。
[0080]
在另一个未示出的实施例中，打印系统是包括slm的无掩模光刻或光刻系统，并且进一步包括图案发生器，该图案发生器用于生成驱动信号并将其传输到多个2d调制器，以制造微电子器件。微电子器件是指集成电路(ic)和微机电系统或mems器件。在无掩模光刻技术中，光用于曝光衬底(如硅或半导体晶片)上的图像平面中的光敏材料，器件将形成在该衬底上。
[0081]
图13是包括slm的三维(3d)打印或增材制造系统的示意性框图，该slm封闭在封装体中，该封装体包括填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔。参考图13，3d打印系统1300通常包括：具有多个像素的基于mems的衍射slm 1302，每个像素具有多个调制器以调制由激光器1304产生的光束；包含光聚合物或树脂1308(由虚线表示)的料槽1306；以及升高和降低工作表面1312的传送机构1310，物体1314在该工作表面上被打印到料槽中，如竖直箭头所指示。典型地，激光器1304能够以cw模式或脉冲模式在355nm到高达约2000nm的ir波长的uv波长(λ)下操作，其宽度或持续时间是约1fs到约500ns，重复率是约10khz到约300khz，并且能量范围是约10微焦耳(μj)到大于10毫焦耳(mj)。
[0082]
再次参考图13，3d打印系统1300进一步包括用于将调制光从slm传输到工作表面1312的成像光学器件1318、用于控制激光器1304、slm 1302和传送机构1310的操作的控制器1316。在一些实施例中，成像光学器件1318可以包括放大和滤波元件，比如第一傅立叶变换(ft)透镜，以将来自slm 1302的光聚焦和引导到扫描反射镜1320上，该扫描反射镜旋转
以使调制光束1322在工作表面1312正上方或附近的树脂1308的表面上沿着x轴线和y轴线扫描。
[0083]
当调制光将液体树脂1308转换成固体时，传送机构1310由控制器1316调适并控制，以将工作表面1312降低到料槽1306中，从而构建待打印物体1314的相继层或截面。通常，3d打印系统1300进一步包括清扫器1324，该清扫器适于如水平箭头所示移动，以在被打印的物体1314的表面部分上散布或抹平新树脂1308。
[0084]
图14是包括slm的激光打标系统的实施例的示意性框图，该slm封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中。图14是包括slm 1402和用于扫描的检流计反射镜的激光打标系统1400的实施例的示意性框图，该slm具有基于mems的调制器的多像素线性阵列。为了清楚起见，并且为了简化附图，光路被显示为展开的，而使得slm 1402看起来是透光的。然而，应理解，因为slm 1402是反射性的，所以实际光路在slm处被折叠成90
°
或更小的角度。
[0085]
参考图14，除了slm 1402之外，激光打标系统1400进一步包括：激光器1404，该激光器可操作以产生用于照射slm的激光；照明光学器件1406，该照明光学器件将激光引导到slm上；成像光学器件1408，该成像光学器件可操作以将基本上线性的调制光条1410聚焦到工件1414的表面1412上，该工件在固定装置1416或平台上或固定到该固定装置或平台；以及控制器1418，该控制器可操作以控制slm、激光器和成像光学器件以使线性调制光条跨越工件的表面扫描，而在其上记录2d图像。典型地，激光器1404能够以cw模式或脉冲模式在355nm到高达约2000nm的ir波长的uv波长(λ)下操作，其宽度或持续时间是约1fs到约500ns，重复率是约10khz到约300khz，并且能量范围是约10微焦耳(μj)到大于10毫焦耳(mj)。
[0086]
slm 1402可以包括基于mems的带型调制器的多像素线性阵列，如图2a至2c所示，或者2d调制器的多像素线性阵列，如图3a至图3c和图4所示。
[0087]
照明光学器件1406可以包括光束形成光学系统，以将激光引导到slm 1402上。参考图14，光束形成光学系统的元件可以包括鲍威尔透镜1420、长轴准直透镜1421和圆柱形短轴聚焦透镜1422，以将照明成形或聚焦成矩形光束或照明线，该矩形光束或照明线跨越slm 1402的线性阵列基本均匀地延伸。
[0088]
成像光学器件1408可以包括：用于使线性调制光条1410在工件1414的表面1412上扫描的检流计反射镜1424；用于将调制光引导向检流计反射镜的多个圆柱形透镜1426；用于将调制光中的0阶光束与1阶光束分离的傅立叶孔径1428；以及用于将调制光聚焦到工件的表面上的傅立叶变换(ft)透镜1430。
[0089]
优选地，成像光学器件的圆柱形透镜1426和ft透镜1430包括熔融石英透镜，以减少聚焦到工件1414的表面1412上的调制光的热焦点偏移。在一些实施例中，照明光学器件1406的透镜1420、1421、1422中的一个或多个还可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到slm 1402上的激光的热焦点偏移。
[0090]
放置或固定待打标的工件1414的固定装置1416可以包括静态固定装置或可移动平台，该静态固定装置或可移动平台可操作以将工件相对于基本静止的线性调制光条移动或重新定位，以使线性调制光条跨越工件的表面扫描。如上所述，在任一实施例中，无论是静态的还是可移动的，固定装置1416优选包括多个传感器和信号装置，以在工件处于待打
标的适当位置中时向激光打标系统中的其他部件发出信号。
[0091]
取决于线性调制光条1410和/或要记录的图像的大小，该图像可以在沿着单一轴线跨越表面的线性调制光条1410的单次扫描或单条纹中记录在工件1414的表面1412上，或者通过沿着垂直于线性调制光条的长轴的第一轴线跨越表面的线性调制光条的多次扫描或条纹(多条纹)来记录，随后将线性调制光条沿着平行于长轴的第二轴线重新定位。
[0092]
图15a是包括slm的光探测和测距(lidar)系统的示意图，该slm被封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中。图15是lidar系统1500的一部分的示意性功能图，该lidar系统包括控制器1501和固态光学扫描仪1502，该固态光学扫描仪具有光发射器1504，该光发射器具有至少一个mems相控阵列1506，该至少一个mems相控阵列被封闭在填充有低摩尔质量且高热导率的填充气体的空腔中，并且被配置成通过成形或照明光学器件(此图中未示出)接收来自光源的光，并且调制所接收的光中的至少一些的相位，并且通过投影光学器件1508传输或投射经相位调制的光束，该投影光学器件可操作以投射和操纵照明线或条1510以扫描远场场景1512。mems相控阵列1506通过改变入射在mems相控阵列的不同部分上的光的相位调制来操纵光束扫描远场场景1512。通常，第一mems相控阵列1506被配置成在至少二维(2d)上扫描远场场景1512，包括角度维度(θ)和平行于mems相控阵列的长轴的轴向维度(由箭头1514指示)。
[0093]
应注意，虽然光学扫描仪1504被示意性地示出为包括单一mems相控阵列1506，但是这不需要并且通常不是每个实施例中的情况。相反，如下文详细解释的，通常有利的是，光学扫描仪1504包括一致操作的多个相邻mems相控阵列1506或者具有多个相邻阵列的单一mems相控阵列，以增大孔径宽度或长度，而增大所发射或接收的光的功率或辐射通量，并增大系统的点扩散分辨率。
[0094]
光学扫描仪1504进一步包括光学接收器1516，该光学接收器包括收集或接收光学器件1518以捕捉来自远场场景1512的光，该光接着被引导到检测器1520上。
[0095]
参考图15，从lidar系统1500到远场场景1512中的目标或物体1522的深度或距离信息可以使用多种标准lidar技术中的任何一种来获得，包括脉冲、经振幅调制的连续波(amcw)或经频率调制的连续波(fmcw)。在脉冲和amcw lidar系统中，所发射的光的强度振幅是脉冲的或者用信号调制，并且从lidar系统1500到物体1522的tof是通过测量返回信号的时间延迟量来获得的。到所反射的物体的距离是用这个时间的一半乘以光速得到的。
[0096]
图15b是图示了使用fmcw技术的lidar系统的所发射的光的输出脉冲的频率随时间的改变的图。参考图15a和图15b，在fmcw lidar中，当光条1510跨越远场场景1512连续扫描时，所发射的光的输出信号或脉冲1524的频率随时间连续变化。到达物体1522的时间可以通过比较从物体反射的光的频率和本地振荡器的频率来确定，并且到物体的距离可以通过使用如前所述的光速来得到。fmcw lidar系统相对于经振幅调制的系统的优点在于，本地振荡器提供了所检测的信号的固有放大。
[0097]
利用关于tof的信息，lidar系统中的控制器1501接着可以从当光从mems相控阵列发射时的mems相控阵列1506的操纵方向，沿着x轴线1526计算远场场景1512中的物体1522的位置，并且从物体沿着平行于检测器的长轴的检测器1520的轴线(由箭头1530指示)感测位置，沿着y轴线1528计算该远场场景中的物体的位置。
[0098]
因此，已描述了封闭在填充有氦气的mems封装体中的基于mems的slm的实施例，以
及在各种应用中制造和操作这些slm的方法。虽然已参考具体示例性实施例描述了本披露，但是显而易见的是，在不偏离本披露的更宽广的精神和范围的情况下可对这些实施例进行各种修改和改变。相应地，本说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
[0099]
提供本披露的摘要而符合37c.f.r.1.72(b)，从而要求摘要将允许读者快速确定本技术披露的一个或多个实施例的性质。提交了本摘要，应理解，本摘要将不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述具体实施方式中，可见各种特征可以在单一实施例中分组在一起以使本披露流线化。然而，这种披露方法并不被解释为反映以下意图：所要求保护的实施例所需要的特征要多于在每项权利要求中明确引用的特征。相反，如随附权利要求所反映的，发明主题在于要少于一个单独的披露的实施例的全部特征。因此，特此将随附权利要求结合到具体实施方式中，其中每项权利要求自身独立地作为单独的实施例。
[0100]
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着与结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在电路或方法的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的短语“一个实施例”并不一定都指代同一个实施例。

技术特征：
1.一种空间光调制器(slm)，包括：多个微机电系统(mems)调制器，每个调制器包括多个光反射表面，这些光反射表面包括的至少一个光反射表面耦合到悬置在衬底的表面上方的可静电偏转元件，并且每个调制器适于反射并调制入射在其上的光束；以及封闭该多个mems调制器的封装体，该封装体包括：空腔，该多个mems调制器被封闭在该空腔中；光学透明盖，该多个反射表面通过该光学透明盖暴露于该光束，其中，该空腔填充有低摩尔质量填充气体，该低摩尔质量填充气体具有二或更小的原子序数和大于100毫瓦/米开尔文(mw/(m.k))的热导率。2.如权利要求1所述的slm，其中，该空腔中的填充气体的压力大于0.01个大气压。3.如权利要求2所述的slm，其中，该空腔是密封的，并且其中，该填充气体包括0.1个大气压或更大的静态压力的10％至100％的氢气(h)或氦气(he)。4.如权利要求3所述的slm，其中，该填充气体包括氢气(h)或氦气(he)的混合物。5.如权利要求2所述的slm，其中，该封装体进一步包括入口，该入口可操作以向该空腔提供填充气体，从而在该slm的操作期间维持0.1个大气压或更大的压力。6.如权利要求5所述的slm，其中，该封装体进一步包括出口，该出口可操作以在该slm的操作期间提供0.01标准立方厘米/分钟(sccm)至10000sccm的气体流量。7.如权利要求1所述的slm，其中，该多个mems在该可静电偏转元件与该衬底的表面之间包括0.1微米(μm)至1μm的偏转间隙，并且其中，该多个mems与该衬底之间的热传导根据该填充气体的压力而变化。8.如权利要求1所述的slm，其中，该多个mems调制器中的每一个包括悬置在该衬底的表面上方的多个可静电偏转带，每个带具有光反射表面，其中，该多个可静电偏转带的静电偏转使得从第一可静电偏转带的光反射表面反射的光与从第二可静电偏转带的光反射表面反射的光干涉。9.如权利要求1所述的slm，其中，该多个mems调制器中的每一个包括二维(2d)mems调制器，该调制器包括：活塞层，该活塞层通过在其拐角处的支柱悬置在该衬底的表面上方，该活塞层包括可静电偏转活塞和多个挠曲部，该活塞通过这些挠曲部耦合到这些支柱；第一反射表面，该第一反射表面处于该活塞的顶表面上方；以及面板，该面板悬置在该活塞层上方，该面板包括位于该面板的顶表面上的第二反射表面、以及通过其暴露该活塞的孔，其中，该活塞的静电偏转使得从该第一反射表面反射的光与从该第二反射表面反射的光干涉。10.如权利要求9所述的slm，其中，这些2d mems调制器被布置为线性阵列。11.如权利要求1所述的slm，其中，该多个mems调制器可操作用于调制入射在其上的光的相位和振幅中的一个或两个。12.一种系统，包括：光源，该光源可操作用于生成光束；空间光调制器(slm)，该空间光调制器可操作用于调制入射在其上的光，该slm包括mems调制器的多像素线性阵列，该slm被封闭在具有光学透明盖的封装体中的空腔中，该
mems调制器的线性阵列通过该光学透明盖暴露于该光束，该空腔填充有填充气体，该填充气体包括处于0.1个大气压或更大的压力的10％至100％的氢气(h)或氦气(he)；成像光学器件，该成像光学器件可操作用于将来自该slm的调制光聚焦到该系统的焦平面上；以及控制器，该控制器可操作用于控制该光源、该slm和该成像光学器件，以使该调制光跨越该焦平面扫描。13.如权利要求12所述的系统，进一步包括填充气体源，该填充气体源耦合到该slm的封装体上的填充气体入口，以向该空腔提供填充气体，并且其中，该控制器进一步可操作用于控制该填充气体源，以在该slm的操作期间维持0.1个大气压或更大的压力。14.如权利要求13所述的系统，进一步包括在该slm的封装体上的填充气体出口，并且其中，该控制器进一步可操作用于控制该填充气体源，以在该slm的操作期间提供0.01标准立方厘米/分钟(sccm)至10000sccm的气体流量。15.如权利要求12所述的系统，其中，该系统是增材制造系统，该增材制造系统进一步包括：料槽，一起添加的材料被引入到该料槽中；以及传送机构，该传送机构用于升高和降低工作表面，物体在该工作表面上被制造到该料槽中，其中，该焦平面在该料槽中的材料的表面上，并且其中，该控制器进一步可操作用于控制该传送机构的操作。16.如权利要求12所述的系统，其中，该系统是表面改性系统，该焦平面在工件的表面上，该光源是激光器，并且其中，该成像光学器件可操作用于将基本线性的调制光条聚焦到该工件的表面上，该线性条包括来自该slm的多个像素的光，并且其中，该控制器可操作用于控制该slm、该激光器和该成像光学器件对该工件的表面打标以在其上记录图像。17.如权利要求12所述的系统，其中，该系统是光探测和测距(lidar)系统，该焦平面是远场场景，该光源是相干光源，该成像光学器件可操作用于将来自该slm的光投射到该远场场景，并且进一步包括接收光学器件，该接收光学器件接收来自该远场场景的光并将所接收的光引导到探测器上。18.一种方法，包括：提供封闭在封装体的空腔内的基于微机电系统(mems)的空间光调制器，该封装体包括光学透明盖，该基于mems的slm的反射表面通过该光学透明盖曝光；以及用处于0.1个大气压或更大的压力、原子序数为二或更小且热导率大于100毫瓦/米开尔文(mw/(m.k))的低摩尔质量填充气体填充该空腔；以及将这些反射表面暴露于光束。19.如权利要求18所述的方法，其中，该封装体包括入口，该入口可操作用于向该空腔提供填充气体以对该空腔加压，并且其中，填充该空腔包括用包含处于0.1个大气压或更大的压力的10％至100％的氢气(h)或氦气(he)的填充气体对该空腔加压。20.如权利要求19所述的方法，其中，该封装体进一步包括出口，并且其中，填充该空腔包括在该slm的操作期间提供0.01标准立方厘米/分钟(sccm)到10000sccm的、从该入口到该出口通过该空腔的气体流量。

技术总结
描述了基于微机电系统(MEMS)的空间光调制器(SLM)，这些空间光调制器封闭在填充有气体的封装体中以提高SLM的可靠性和寿命，并且描述了在各种应用中操作这些空间光调制器的方法。通常，SLM包括多个MEMS调制器，每个调制器包括多个光反射表面，至少一个光反射表面耦合到悬置在衬底上方的可静电偏转元件，并且每个调制器适于反射并调制入射在其上的光束。封闭SLM的封装体包括光学透明盖，反射表面通过该光学透明盖暴露于光束，并且空腔填充有低摩尔质量填充气体，该低摩尔质量填充气体具有二或更小的原子序数和大于100mW/(m.K)的热导率。SLM可以包括悬置在衬底上方的可静电偏转带、或者二维MEMS调制器的线性阵列。或者二维MEMS调制器的线性阵列。或者二维MEMS调制器的线性阵列。


技术研发人员：亚历山大
受保护的技术使用者：硅光机电股份有限公司
技术研发日：2022.02.04
技术公布日：2023/10/6