一种基于MEMS反射镜的平视显示器

闫思齐 姜苈峰

摘 要：MEMS反射镜由1mm的反射镜板和四个静电斥力致动器构成。MEMS反射镜使用表面微加工工艺PolyMUMPs制造而成，包括四个致动器的MEMS反射镜的整体尺寸是3.5mm×3.5mm，体积非常小。每个执行器可以通过改变施加的电压单独控制。在操作中，改变一个或两个执行器的电压会使镜片朝所需的方向倾斜。

关键词：平视显示器；MEMS反射镜；PolyMUMPs

中图分类号：TN256 文献标识码：A 文章编号：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

為了提高飞行员的飞行作战能力，增加训练时间，减少训练费用，研制地面飞行模拟机就显得极为重要。受模拟机研究经费和视景“视差”的影响，飞行模拟机上无法采用飞机上实装的无穷远聚焦平视显示器，而如何使模拟机上的平视显示器取得更好的、更贴近真实飞机的效果就显得十分重要。在设计模拟机平视显示器时，提出了一种基于微型机电系统的平视显示器，MEMS反射镜在高速控制下反射激光束以显示所需文字或符号，相比以往模拟机上的平视显示器，具有良好的显示效果，更清晰明亮，投影距离更符合模拟机平显要求，不必要的显示杂波也较少。

1 微型机电系统平视显示器原理

模拟机的微型机电系统平视显示器主要由光学投影系统（聚焦透镜、放大透镜和半透射半反射镜等）、平视显示器信息处理器、平视显示器像源以及MEMS控制系统这四部分组成。模拟机的飞行参数及飞行状态，如速度、高度、方向、风速及方向等，按照航电通信协议，通过航电总线传送至平视显示器信息处理器，平视显示器信息处理器对这些消息进行处理，转化为MEMS控制系统所需的控制信号，MEMS控制系统通过控制加载在静电斥力制动器端的电压控制MEMS反射镜转动，平视显示器像源发出激光束，通过MEMS反射镜后得到所需的字符、图像，通过放大透镜照射在显示屏上，显示屏采用半透射半反射镜，使飞行员在保持平视的状态下同时能观察到飞行信息和外界环境。

微型机电系统平视显示器的核心技术是将微型机电系统作为反射镜，以往的平显采用普通半透射半反射镜或全息透镜，反射出的图像质量远不如MEMS反射镜。因为MEMS反射镜制造过程中采用了PolyMUMPs表面微变形镜加工工艺。硅加工技术目前主要有表面硅加工技术和体硅加工技术两种，表面硅工艺具有更大的灵活性，可以依据原件需求淀积不同的牺牲层[1]，并具有较大的转动空间和较小的体积，更符合模拟机平显要求。

本文采用的MEMS反射镜总的牺牲层厚度达到2.75μm，为镜面提供了较大的旋转空间，且体积小，占用模拟机空间小。微型机电系统平视显示器要求金属层具有较高的反射率，通过剥离加工技术得到的镜面部分可满足平显需求。此方法还大大提高了扫描镜对光的反射效率，能得到所需的字符信息等。

2 MEMS反射镜硬件构架

首先向MEMS反射镜发射一种调制后的单色激光，MEMS反射镜与激光光轴成70°角。MEMS控制系统控制MEMS反射镜高速旋转，使激光转向屏幕上的既定位置，产生矢量跟踪图像帧速率每秒超过24帧。开始阶段，驱动器两端加有200V电压使反射镜远离底部，这样反射镜有较大的运动空间，接下来能快速按所需要求转动。施加在每个静电斥力致动器两端的电压在0V和200V之间变化，每个静电斥力驱动器按照加载的电压转动，四个静电斥力驱动器相互作用，从而得到所需角度的反射镜。

该微型机电系统平视显示器的设计采用了MEMS反射镜，该反射镜是基于一种已提出并获得专利的微观反转机制[2]。每个反射镜都是由一个1mm厚，并借助静电斥力应用于四个独立的斥力致动器的反光镜板组成。用0V至200V的电压加载在固定的“指端”，该反射镜可以高速翻转，最大扫描角度可达±2.5°。该反射镜设计的这些功能经He S等学者[2]验证，使该系统允许矢量显示。同时，该反射镜采用PolyMUMPs制作方法，此方法是一种四层铸造表面微加工技术[3]，并能大批量生产。由于本文的MEMS反射镜只需要两个多晶硅层，只有poly0层和poly1层是所需的，整个铸造过程要把poly2和金属层剥离出去。为了便于手工装配，反射镜的原型被封装在一个标准的44 CQFP芯片中。如果需要进一步小型化，还可以使用其他规格的包装技术。

聚焦透镜将激光束聚焦到1mm直径的反射镜上[4]。激光束本身的初始直径为1.2mm，为了提高图像的清晰度和亮度，需要对各种光学元件进行定位。为了提高性能，也便于后期装配时的调试，需要设计一个灵活的机械框架，使激光、光学透镜和反射镜间的距离可以改变。

3 结语

本文的微型机电系统平视显示器是一种基于MEMS反射镜的低功率激光矢量显示系统，首次应用于某型模拟机上。MEMS反射镜在高速控制下反射激光束以显示所需文字或符号，相比以往的CRT平显和全息平显，具有良好的显示效果，更清晰更明亮，显示杂波少，最重要的是投影距离更贴切模拟机平显需求。MEMS反射镜采用PolyMUMPs表面微加工技术制造而来，具有更大的灵活性，制造出的微镜具有较大的转动空间和较小的体积，更符合模拟机平显要求。MEMS反射镜、激光发射器与光学器件等集成一个微型机電系统平视显示器，该系统成本低、便携、并可显示矢量图形。该系统采用了矢量图像跟踪路径算法，更加有效地利用了系统内存，减少了运算时间，使模拟机平显显示图像更快捷，更贴近实战。经反复的试验调试，该微型机电系统平视显示器系统已成功组装在某型模拟机上，与以往的模拟机平显相比，具有更良好的显示效果。

参考文献：

[1]马文英，姚军，任豪，等.MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析[J].微纳电子技术，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.