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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft strahladressierte elektrostatisch betätigte Lichtmodulatoren
und insbesondere einen ladungsgesteuerten Spiegel (CCM), der eine
dünne isolierende
Membran benutzt, um die Mikrospiegel-Anordnung in einem Vakuum von
dem Strahl zu entkoppeln.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Bei
einem elektrostatisch betätigten
Lichtmodulator wird ein Lichtstrahl in Reaktion auf ein Videoadressierungssignal
auf ein Lichtventilziel gerichtet, das dem Strahl proportional zur
Amplitude der Ablenkung der einzelnen reflektierenden Elemente,
z. B. einem reflektierenden Dünnfilm
oder einer Anordnung von Mikrospiegeln, eine Modulation vermittelt. Der
amplituden- oder phasenmodulierte Strahl wird dann durch Projektionsoptik
geleitet, um das Bild auszubilden. Das Ziel erzeugt elektrostatische
Anziehungskräfte
zwischen dem darunter liegenden Substrat und den einzelnen reflektierenden
Elementen, die diese nach innen in Richtung auf das Substrat ziehen.
Die Amplitude der Ablenkung entspricht der Pixelintensität im Videosignal.
Es ist bekannt, dass die optische Leistung des Lichtmodulators eng
mit dem Ablenkbereich, elektrostatischer Instabilität und der
Auflösung
verknüpft
ist.
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Der
Ablenkbereich wird durch den Abstand der reflektierenden Elemente
oberhalb des Substrats strikt begrenzt. Außerdem nimmt man im Allgemeinen
an, dass aufgrund von Problemen mit elektrostatischer Instabilität nur ungefähr ein Drittel
der Lücke nutzbar
verwendet werden kann. Die Anziehungskräfte überwältigen tendenziell die rückstellende
Federkraft des reflektierenden Elements und lassen es die ganze
Strecke bis zur Basiselektrode schnappen. Dieses Problem bezeichnet
man im Allgemeinen als Einziehen oder Umschnappen. Sobald das Element umschnappt,
bleibt es aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte am Substrat haften. Der
nutzbare Bereich kann auf ungefähr
vier Fünftel
der Lücke
erweitert werden, indem man eine Steuerelektrode unterhalb des Elements
verwendet, deren Diagonale ungefähr
60 % der Länge
der Diagonalen des Elements ist. Dies vergrößert jedoch die Spannung, die
nötig ist,
um denselben Ablenkbetrag zu erzielen.
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In
den späten
1960-ern entwickelte RCA ein neues Schlieren-Lichtventil, das einen
Hochenergie-Abtastelektronenstrahl in einem Vakuum benutzte, um
einen dünnen Metallfilm
zu adressieren, der in nächster
Nähe zu
einem Glassubstrat gestützt
wird, was beschrieben ist in J. A. van Raalte, "A New Schlieren Light Valve for Television
Projection", Applied
Optics Band 9, Nr. 10, (Okt. 1970), S. 2225. Der Elektronenstrahl
durchdringt den Metallfilm und bringt proportional zur Intensität des Videosignals
Ladung auf das Substrat auf. Die aufgebrachte Ladung erzeugt eine
Anziehungskraft, die den Metallfilm nach innen in Richtung auf das
Substrat verformt, was einen Teil des reflektierten Lichts den Stopp
verfehlen lässt,
wodurch die Bildschirmhelligkeit vergrößert wird, bis schließlich alles
Licht den Bildschirm erreicht. Im tatsächlichen Betrieb verformt sich
jedes Pixel parabolisch. Folglich wird auf den zentralen Teil eines
jeden Pixelements auftreffendes Licht nicht abgelenkt, was den Füllfaktor
und den optischen Wirkungsgrad begrenzt. Außerdem ist der Ablenkbereich
auf ungefähr
20 % begrenzt, um parabolische Verformung aufrechtzuerhalten.
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Löschen erreicht
man, indem man die in der dielektrischen Schicht aufgebrachte Ladung
durch die Frontplatte der Vidicon-Röhre hindurch entweichen lässt. Die
RC-Zeitkonstante
der Frontplatte kann so eingestellt werden, dass garantiert im Wesentlichen
die ganze aufgebrachte Ladung in einer Einzelbildzeit entweichen
gelassen wird. Die Frontplatte muss jedoch geheizt werden, um die
durch die Fallen im dielektrischen Material erzeugten Schwankungen
der Entladungszeiten zu minimieren. Außerdem wird sich das Glasmaterial
in Reaktion auf das Elektronenbombardement mit der Zeit tendenziell entfärben.
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In
neuerer Zeit hat die Fa. Optron Systems, wie beschrieben in Warde
et al., US-Patent
Nr. 5,287,215, ein Membran-Lichtmodulationssystem entwickelt, bei
dem eine Ladungstransferplatte (CTP) Ladung aus einer Abtastelektronenkanone
im Vakuum zu Potentialtöpfen
in Luftraum durchkoppelt. Eine Anordnung von isolierenden Stielen,
die in oder auf der CTP ausgebildet sind, stützt eine verformbare Membran,
die die Töpfe überspannt.
Die CTP dient als Multidurchlass-Vakuum-zu-Luft-Grenzfläche mit hoher Dichte, die sowohl
die Elektronenstrahl-Wechselwirkung von der Membran entkoppelt als
auch die Stützstruktur
bereitstellt, die nötig
ist, um den Luftdruck abzuwehren. Die Vakuum-zu-Luft-Grenzfläche erlaubt
es, die reflektierende Membran in Luft statt einem Vakuum herzustellen
und zu betreiben, was einfacher und billiger ist.
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Da
die CTP genügend
strukturelle Integrität bereitstellt,
um dem Luftdruck zu widerstehen, muss die CTP jedoch sehr dick sein,
mindestens 3 mm für nutzbare
Anzeigegrößen. Um
die Auflösung
des aufgebrachten Ladungsmusters aufrechtzuerhalten, besteht die
Faustregel, dass die Ladungsebene vorzugsweise innerhalb von einem
Zehntel der Pixelbreite und nicht größer als zehn mal die Breite
liegen sollte. In großen
Abständen
waschen die Streukräfte die
Auflösung
der elektrostatischen Anziehungskräfte aus. Selbst unter der Annahme
einer ziemlich großen
Pixelgröße von 0,1
mm könnte
die Ladungsebene nicht mehr als 1 mm weg und vorzugsweise ungefähr 10 Mikrometer
sein. Um die Ladungsebene wirksam näher an die Membran zu bewegen,
bildet Warde leitende Durchführungen
in der CTP aus, um das Ladungsmuster von der Rückseite der CTP zu den Töpfen zu
transferieren, welche nominell 2-10 Mikrometer von der Membran beabstandet
sind.
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Die
Durchführungen
lösen zwar
das Annäherungsproblem,
sie vermindern den den Töpfen
zugeführten
Ladungsbetrag aber drastisch. Da die Ladung sich selbst gleichmäßig rings
um die zylindrische Durchführung
verteilt und die Fläche
eines Endes einer Durchführung
1/1000 ihrer Gesamtfläche für diese
Abmessungen sein könnte,
wird der dem Topf zugeführte
Ladungsbetrag um ungefähr
1/1000 vermindert. Daher muss die Abtastelektronenkanone ungefähr 1000
mal die Ladung liefern, die nötig
ist, um die Membran zu betätigen.
Je höher
die Stromdichte, desto größer die
Strahlpunktgröße, also
desto geringer die Auflösung
der Anzeige.
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In
den frühen
1970ern entwickelte die Westinghouse Electric Corporation eine Elektronenkanonen-adressierte
verformbare Freiträger-Spiegelvorrichtung,
welche beschrieben ist in R. Thomas et al., "The Mirror-Matrix Tube: A Novel Light
Valve for Projection Displays," ED-22
IEEE Tran. Elec. Dev. 765 (1975), und den US-Patenten Nr. 3,746,310, 3,886,310 und
3,896,338. Die Vorrichtung wird hergestellt, indem eine thermische
Siliziumdioxidschicht auf einem Silizium-auf-Saphir-Substrat aufgewachsen
wird. Das Oxid wird in einer Kleeblattanordnung von vier zentral
verbundenen Freiträgern
gemustert. Das Silizium wird isotropisch nassgeätzt, bis das Oxid unterschnitten
ist, wobei vier Oxid-Freiträger
innerhalb jedes Pixels zurückbleiben,
die durch einen zentralen Silizium-Stützstiel gestützt werden.
Die Kleeblattanordnung wird dann für Reflexionsvermögen mit
Aluminium metallisiert. Das auf das Saphir-Substrat aufgebrachte
Aluminium bildet eine Bezugsgitterelektrode nahe den Rändern der
Spiegel, die auf einer Gleichstrom- Vorspannung gehalten wird. Ein Feldsieb
wird oberhalb der Spiegel gestützt, um
irgendwelche Sekundärelektronen
zu sammeln, die in Reaktion auf die auftreffenden Primärelektronen
emittiert werden.
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Die
Vorrichtung wird von einem niederenergetischen Abtastelektronenstrahl
adressiert, der ein Ladungsmuster auf die Kleeblatt-Träger aufbringt und
bewirkt, dass die Träger
durch elektrostatische Betätigung
in Richtung auf die Bezugsgitterelektrode auf dem Substrat verformt
werden. Löschen
erreicht man durch Halten der auf den Spiegel aufgebrachten Ladung
während
der ganzen Einzelbildzeit und anschließendes Erhöhen der Zielspannung auf einen Wert
gleich dem Feldsiebpotential, während
die Röhre
mit niederenergetischen Elektronen geflutet wird, um alle Spiegel
gleichzeitig zu löschen.
Diese Methode vergrößert das
Kontrastverhältnis
des Modulators, erzeugt aber "Flackern", welches bei Videoanwendungen
inakzeptabel ist.
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Um
Verformung der Kleeblatt-Träger
mit vernünftigen
durch den Abtastelektronenstrahl aufgebrachten Ladungsmengen zu
ermöglichen,
muss Westinghouse die Kleeblatt-Träger dünn und biegsam machen. Und
um eine kristalline Kornstruktur zu vermeiden, die das Reflexionsvermögen um 10-15
% vermindern würde,
muss Westinghouse eine sehr dünne
Aluminiumbeschichtung auf den Kleeblatt-Trägern verwenden. Als Folge muss
die Elektronenstrahlenergie relativ niedrig sein, so dass im Wesentlichen
alle Elektronen im Spiegel gestoppt werden und nicht zum darunter
liegenden Glassubstrat durchdringen. Ungünstigerweise zeigen niederenergetische
Elektronenstrahlen relativ große
Punktgrößen, was
die Auflösung
vermindert.
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Ein
dickerer Spiegel könnte
in Kombination mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl verwendet
werden, um die auftreffenden Elektronen zu stoppen und eine hohe
Auflösung
aufrechtzuerhalten. Um Qualitäts-Videoleistung
sicherzustellen, muss jedoch die mechanische Grundresonanz des Spiegels
die Videorate um ungefähr
einen Faktor von einhundert übersteigen,
damit sich der Spiegel vollständig
einschwingen kann. Resonanzfrequenzen von 5-10 KHz sind geeignet.
Als Folge müsste
das an der Verbindungsstelle der Kleeblatt-Träger und Stützstiele ausgebildete Gelenk
ziemlich stark, d. h. dick sein. Da die Federkraft des Gelenks,
welche sich der Ablenkung des Trägers
entgegenstellt, mit der dritten Potenz seiner Dicke größer wird,
müsste
viel mehr Ladung auf den Träger
aufgebracht werden, um eine angemessene Kraft zu erzeugen. Elektronenkanonen,
die genügend
Strom in einer Ein-Pixel-Verweilzeit mit einer geringen Punktgröße liefern
können,
liegen gegenwärtig
jenseits des Stands der Technik.
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Die
anhaltenden Umschnapp-Probleme und das begrenzte Kontrastverhältnis haben
bis heute verhindert, das Mikrospiegel-Lichtmodulatoren ihre immanenten
optischen Leistungsvorteile gegenüber Kathodenstrahl-, Flüssigkristall-
und Technologien auf Basis von reflektiereden Membranen ausnutzen und
den Markt beherrschen. Tatsächlich
ist das Problem so drückend
geworden, dass die Lichtmodulatorindustrie ziemlich viel Zeit und
Geld investiert hat, um eine digitale Betriebsart für diese
auf interessante Art arbeitenden Vorrichtungen und alternative Betätigungstechniken
zu entwickeln.
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Texas
Instruments war Wegbereiter für
die Entwicklung der digital arbeitenden Lichtmodulatoren mit seiner
digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD), die das Einziehproblem
zu ihrem Vorteil nutzt. Die DMD verwendet einen Torsions-Mikrospiegel,
der zwischen binären
Positionen hin und her wippt, wobei die Spitzen des Spiegels nach
unten zu den Basiselektroden gezogen werden. Der "Hafteffekt" wird verringert,
aber nicht beseitigt, indem bloß die
Spitze des Spiegels die Basiselektrode berühren gelassen wird und indem
Antihaftbeschichtungen verwendet werden. Zeitteilungsmultiplexen
(TDM), erzeugt durch schnelles Hin- und Herwippen des Spiegels zwischen
seinen zwei Positionen, wird zur Erzeugung von unterschiedlichen
Graustufen benutzt. Die Elektronik zur Realisierung eines TDM-Adressierschemas
ist aber viel komplizierter und kostspieliger als jene, die für Analogmodulation
erforderlich ist. Weiterhin machen die Antihaftbeschichtungen die Vorrichtung
kompliziert und erhöhen
die Produktionskosten wesentlich.
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Aura
Systems hat ein Mikrospiegel-Lichtventilziel entwickelt, bei dem
elektrostatische Betätigung durch
piezoelektrische Betätigung
ersetzt worden ist. Die Mikrospiegel sind oben auf den piezoelektrischen Sockeln
ausgebildet. An die Sockel werden Gleichspannungen angelegt, was
sie dazu bringt, ihre Form zu ändern
und die Spiegel zu kippen. Piezoelektrische Betätigung vermeidet zwar Einziehen,
der Herstellungsprozess ist aber kompliziert und kostspielig, die Ablenkungswinkel
sind klein, und es sind hohe, mit hohen Frequenzen umgeschaltete
Spannungen erforderlich, um den Sockel zu betätigen.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Im
Hinblick auf die obigen Probleme stellt die vorliegende Erfindung
einen ladungsgesteuerten Spiegel (CCM) mit hoher Auflösung bereit,
der einen vergrößerten Ablenkbereich,
einen verminderten Strahlstrom und verbesserte elektrostatische
Stabilität
aufweist.
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Dies
erreicht man durch Einfügen
einer dünnen
isolierenden Membran in eine Vakuumzelle, die den Elektronenstrahl
von einer auf Bezugspotential gehaltenen Mikrospiegel-Anordnung
entkoppelt. Die Membran ist gerade dick genug, um die auftreffenden Primärelektronen
aufzuhalten, zu den Mikrospiegeln durchzudringen, aber dünn genug,
dass die Streufelder minimiert werden und die Auflösung nicht
beeinträchtigen.
Tatsächlich
ist die Membran so dünn, dass
sie sich nicht selbst gegen das aufgrund des induzierten Ladungsmusters
angelegte elektrische Feld stützen
kann und von einer Anordnung von isolierenden Stielen gestützt werden
muss. Das Entkoppeln der Mikrospiegel vom Strahl erlaubt es, diese dünner zu
machen, was wiederum die Gelenkdicke vermindert, die erforderlich
ist, um angemessene Resonanzfrequenzen aufrechtzuerhalten, was wiederum
den zum Ablenken des Mikrospiegels erforderlichen Strahlstrombetrag
vermindert. Bei hohen Auflösungen
ist die Strahlverweilzeit sehr kurz, so dass der Ladungswirkungsgrad
sehr wichtig ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform schirmt
eine Äquipotentialschicht
unterhalb der Anordnung die Spiegel vor angehäufter statischer Ladung ab
und verhindert, dass irgendeine Anziehungskraft entwickelt wird,
die andernfalls bewirken kann, dass der Spiegel umschnappt und am
Substrat haften bleibt. Außerdem
kann eine Anordnung von Anziehungsflecken auf der Membran ausgebildet werden,
um die Auflösung
des gesamten elektrischen Feldes zu verbessern und die von jedem
Mikrospiegel gesehene Gleichförmigkeit
des Feldes zu verbessern. Weiterhin kann eine komplementäre Anordnung
von Anziehungsflecken auf der Vorderseite der Membran gemustert
werden, um eine Anordnung von Reihenkondensatoren zu definieren.
Auf dem Rückseiten-Flecken
aufgebrachte Ladung erzeugt Spiegelladungen auf dem entgegengesetzten
Vorderseiten-Flecken. Als Folge wird das Ladungsmuster wirksam auf
die Vorderseite der Membran verschoben, wodurch das elektrische
Feld für
einen gegebenen Ladungsbetrag vergrößert wird.
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Der
begrenzte Lichtablenkbereich wird überwunden durch Stützen der
dünnen
Membran auf einer Stielanordnung oberhalb der Mikrospiegel und Definieren
einer Anziehungsflecken-Geometrie, die es erlaubt, bis zu ungefähr 83 %
des Abstands Spiegel-zu-Membran zu nutzen. Umschnappen zur Membran
kann vermieden werden, indem der CCM so vorgespannt wird, dass das
Gitterpotential, welches das maximale Membranpotential bestimmt,
kleiner als das Umschnapp-Schwellenpotential ist. Außerdem können die
Spiegel abwärts
vorgespannt werden, wodurch der Ablenkbereich wirksam vergrößert wird.
Dies kann geschehen durch Ausbilden von kleinen Löchern in
der Äquipotentialschicht
unterhalb der Mikrospiegel und Anlegen eines stark gefilterten Vorspannungspotentials
an eine vergrabene Schicht, um eine sehr stabile Anziehungskraft
zu erzeugen.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann
aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
anhand der begleitenden Zeichnungen, in denen:
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1a bis 1c sind
schematische Darstellungen eines Pixels eines membranbetätigten CCM
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
eines membranbetätigten
CCM mit einer Kleeblatt-Spiegelstruktur und perforierter Membran;
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3 ist
eine Draufsicht auf die Kleeblatt-Spiegelstruktur mit einem gemeinsamen
zentralen Stiel wie in 2 gezeigt;
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4 ist
eine Draufsicht auf die Gestaltung von perforierter Membran und
Anziehungsflecken;
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5a und 5b sind
jeweils Schnittansichten des membranbetätigten CCM in den Betriebsarten
Schreiben und Löschen
in einem Doppelstrahl-Adressierschema;
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6 ist
eine schematische Zeichnung einer Projektionanzeige, die das in 5a und 5b gezeigte
Doppelstrahl-Adressierschema in sich schließt;
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7 ist
eine Schnittansicht eines Einzelstrahl-Adressierschemas für den CCM;
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8 ist
ein Graph der Sekundärelektronen-Emissionskurven
für die
in 7 gezeigten Spiegel- und Steuerfleckenmaterialien;
und
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9 ist
eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines membranbetätigten CCM
mit vergrößertem Ablenkbereich.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine CCM-Gestaltung bereit, die die
Probleme des begrenzten Ablenkbereichs, hohen Strahlstroms, elektrostatischer
Instabilität
und begrenzter Auflösung überwindet,
die mit bekannten elektrostatisch betätigten Mikrospiegel-Zielen
verbunden sind. Dies erreicht man durch Einfügen einer dünnen isolierenden Membran in
die Vakuumzelle, um den Elektronenstrahl von der Mikrospiegel-Anordnung
zu entkoppeln. Das Entkoppeln erlaubt es außerdem, den Spiegel so zu gestalten,
dass das Reflexionsvermögen
optimiert wird, der Spiegel eine höhere Resonanzfrequenz für bessere
Videoleistung zeigt und er gleichzeitig mit den Gelenken hergestellt
werden kann.
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Die
Elektronenstrahlquelle kann eine einzelne Elektronenkanone, ein
Paar Elektronenkanonen oder eine Feststrahlanordnung wie z. B. eine
Feldemitter-Anordnung (FEA), eine Dünn-Kathodenstrahlröhre, eine
Oberflächenleitungselektronen(SCE)-Anordnung oder eine
Metall-Isolator-Metall (MIM)-Kathodenanordnung sein.
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Der
begrenzte Lichtablenkbereich wird überwunden durch Stützen der
dünnen
Membran auf einer Stielanordnung oberhalb der Mikrospiegel und Definieren
einer Anziehungsflecken-Geometrie auf der Membran, die es erlaubt,
bis zu 83 % des Abstands Spiegel-zu-Membran zu nutzen. Umschnappen
kann vermieden werden, indem der CCM so vorgespannt wird, dass das
Gitterpotential, welches das maximale Membranpotential bestimmt,
kleiner als das Umschnapp-Schwellenpotential ist. Das maximale Membranpotential
kann das Gitterpotential etwas übersteigen, wobei
die genaue Differenz von dem Niederenergiespektrum der Sekundärelektronen
und der Geometrie der Anziehungsflecken und des Kollektorgitters
abhängt.
Außerdem
können
die Spiegel abwärts
vorgespannt werden, wodurch der Ablenkbereich wirksam vergrößert wird.
Eine Vorspannung bewirkt, dass der Spiegel in Bezug auf seine Neutralstellung
nach oben und unten ablenkt, was die gewünschte Wirkung hat, zu verhindern,
dass bestimmte Arten von Gelenken aufgrund ihrer kristallinen Kornstruktur
mit der Zeit einen Versatz entwickeln.
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Die
Probleme der elektrostatischen Instabilität werden überwunden durch Ausbilden einer Äquipotentialschicht
unterhalb der Mikrospiegel-Anordnung, die alle Mikrospiegel auf
einem Bezugspotential hält,
geeignet dem Anodenpotential. Da die Äquipotentialschicht auf demselben
Potential wie die Spiegel ist, kann keine Anziehungskraft zwischen den
zweien erzeugt werden. Als Folge schirmt die Äquipotentialschicht die Mikrospiegel
wirksam vor irgendeiner Anhäufung
von statischer Ladung auf dem Substrat ab und leitet irgendwelche
Streuladung auf dem Substrat ab.
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Die
verbesserte Auflösung
und der verminderte Strahlstrom sind in erster Linie der Entkopplung des
Strahls von der Spiegelanordnung zuzuschreiben. Die Membran ist
zwar ziemlich dünn,
sie ist aber dicker als die optimale Spiegeldicke. Als Folge kann man
einen Strahl mit höherer
Energie verwenden. Höherenergetische
Strahlen haben kleinere Punktgrößen, was
die Auflösung
verbessert. Außerdem kann
ein Strahl mit niedrigerem Strom verwendet werden, da die Spiegeldicke
und somit Gelenkdicke vermindert werden können, was den zum Ablenken des
Spiegels nötigen
Ladungsbetrag vermindert. Strahlen mit niedrigerem Strom haben außerdem kleinere
Punktgrößen, was
die Auflösung
ebenfalls verbessert.
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Die
verbesserte Auflösung
ist auch der Gestaltung der Membran zuzuschreiben. Da die Membran
so dünn
ist, ist der Abstand zwischen dem Ladungsmuster auf der Membran
und den Spiegeln ungefähr
der Abstand Spiegel-zu-Membran. Auch für große Ablenkbereiche und kleine
Spiegel ist der Abstand so gering, dass die Streufeldwirkungen auf
die Auflösung
gering sind. Die Auflösung
kann durch geeignete Strahlmodulation in Kombination mit Anziehungsflecken
auf der Membran bis zum Zweifachen erhöht werden. Diese Flecken dienen
außerdem
dazu, ein gleichförmiges
elektrisches Feld für
jeden Spiegel zu erzeugen. Zuletzt kann das Ladungsmuster zur anderen
Seite der Membran verschoben werden, ohne den Ladungsbetrag abzuschwächen, indem
eine Anordnung von komplementären
Anziehungsflecken auf der Vorderseite der Membran ausgebildet wird,
um Reihenkondensatoren zu definieren. Auf die Rückseite aufgebrachte Ladung
wird zur Vorderseite gespiegelt. Dies bewegt nicht nur das Ladungsmuster
näher zur
Membran, sondern bewegt es auch zur anderen Seite der Membran, welche
eine Dielektrizitätskonstante
hat, die ein Mehrfaches von jener von Luft ist.
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Zu
Erläuterungszwecken
wird die Erfindung zuerst im Kontext eines einzelnen Pixels beschrieben,
welches die Geometrie und Funktionalität des membranbetätigten CCM
veranschaulicht. Wie in 1a gezeigt,
enthält
ein CCM 10 eine dünne
isolierende Membran 14, die auf einer Stielanordnung 16 zwischen
einem schwenkbaren Mikrospiegel 18 und einer Quelle 20 von
Primärelektronen
gestützt ist.
Die Stielanordnung 16 und der Mikrospiegel 18 sind
auf einem transparenten Substrat 20 ausgebildet, welches
mit einer Passivierungsschicht 24 bedeckt sein kann. In
manchen Gestaltungen kann es möglich
sein, die Stielanordnung zwischen der Membran und der Quelle auszubilden.
Ist zum Beispiel die Quelle eine feste Emitteranordnung, können der
Stiel und die Membranstruktur oben auf der Anordnung ausgebildet
werden. Jeder Mikrospiegel enthält
einen leitenden Stielbereich oder Flecken 26, einen Stiel 28,
ein Gelenk 30 und ein Spiegelelement 32. Das Gelenk 30 und
das Spiegelelement 32 sind vorzugsweise koplanar und haben
dieselbe Dicke. Der CCM 10 befindet sich vollständig innerhalb
einer Vakuumzelle 34, obwohl das Substrat 22 die
Frontplatte der Zelle bilden kann, wie gezeigt.
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In
der bevorzugten Gestaltung ist ein leitendes Gitter 40,
welches Stielflecken 26 enthält, auf einer sehr dünnen transparenten Äquipotentialschicht 42 von
geeignet 100 Angström
oder weniger eines transparenten leitenden Films oder Oxids (TCF
oder TCO) auf dem Substrat 22 ausgebildet. Die Schicht 42 verhindert,
dass eine Potentialdifferenz zwischen den Spiegeln und dem Substrat
entwickelt wird, die andernfalls Instabilität verursachen könnte. Das
Gitter 40 stellt elektrische Kontinuität zwischen allen Mikrospiegeln
her und hält
sie auf einem Bezugspotential, geeignet dem Anodenpotential. Die
Schicht 42 könnte
beide Funktionen durchführen,
müsste
aber viel dicker sein, um elektrische Kontinuität sicherzustellen, was den
optischen Wirkungsgrad vermindern würde.
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Die
Potentialdifferenz zwischen dem auf ein relativ positives Potential
VG vorgespannten Kollektorgitter 35 und
dem Mikrospiegel 18 schafft ein gleichförmiges elektrisches Feld 38.
Die vom Kollektorgitter auf die Spiegel ausgeübte Anziehungskraft verursacht
aufgrund von deren relativ großem
Abstand eine vernachlässigbare
Spiegelablenkung. Alternativ kann das Kollektorgitter weggelassen
werden und kann die Kollektorelektrode eine vorgespannte leitende
Beschichtung auf der Innenseite der Vakuumzelle 34 sein,
was eine Standard-Kathodenstrahlröhren-Technik ist. Die Membran 14 befindet sich
auf einem schwebenden Potential innerhalb des elektrischen Feldes 38.
In Abwesenheit von irgendwelcher aufgebrachten Ladung stabilisiert
sich das Membranpotential auf ein Potential zwischen dem Bezugspotential
und dem Kollektorgitterpotential, so dass es dem elektrischen Feld
zwischen der Spiegelanordnung und dem Gitter genügt. Der genaue Wert des Membranpotentials
hängt von
der Dielektrizitätskonstante
der Membran und ihrer Dicke ab, und von der Geometrie des Kollektorgitters
und der Spiegelanordnung und deren relativem Abstand zur Membran.
Da die Membran viel näher
an der Spiegelanordnung liegt, wird ihr Anfangspotential nahe am
Bezugspotential liegen. Ungeachtet dessen wird die Membran vorzugsweise
als Teil einer Anlaufsequenz auf ein gewünschtes Löschpotential gebracht, um die
Spiegel in einen Löschzustand
zu bringen.
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Um
ein Ladungsmuster 36 auf den Mikrospiegel 18 zu
schreiben, emittiert die Quelle 20 Primärelektronen, die vom Anodenpotental
VA durch das Kollektorgitter 35 hindurch
beschleunigt werden und die Rückseite
der Membran 14 treffen, was bewirkt, dass Sekundärelektronen
ausgestoßen
und vom Kollektorgitter gesammelt werden. Die Quelle wird bei einer
Strahlenergie betrieben, bei der die Anzahl der ausgestoßenen Sekundärelektronen
von der Anzahl der auftreffenden Primärelektronen verschieden ist.
Geeignet wird die Membran mit einem Sekundäremissionsmaterial wie z. B.
MgO beschichtet, das einen Emissionskoeffizienten zeigt, d. h. das
Verhältnis
von emittierten Sekundärelektronen
zu auftreffenden Primärelektronen,
der viel größer als
Einheit bei der Strahlenergie ist. Dies vermindert den Strahlstrombetrag,
der nötig
ist, um das Ladungsmuster 36 auf die Membran 14 zu
schreiben.
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Das
Aufbringen des Ladungsmusters 36 auf die Membran 14 moduliert
das Potential eines jeden Pixels in Bezug auf das Löschpotential.
Bei der beschichteten Membran zeigt das Ladungsmuster 36 eine
positive Nettoladung, die die lokalen Membranpotentiale in Bezug
auf das Löschzustandspotential der
Spiegelanordnung vergrößert. Dies
wiederum vergrößert das
elektrische Feld 38 zwischen der Membran und dem Mikrospiegel
und erzeigt Anziehungskräfte,
die das Spiegelelement 32 tendenziell nach außen, weg
vom Substrat 22 und in Richtung auf die Membran schwenken
und ablenken. Der Anziehungskraft stellt sich die Federkraft des
Gelenks entgegen, und der Ablenkbetrag wird durch die Kraftwiederausgleichsgleichung
für eine
gegebene Geometrie bestimmt. Die Spiegelablenkung wiederum vermittelt
dem Lichtstrahl eine Modulation.
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Je
mehr aufgebrachte Ladung, desto stärker im Allgemeinen das elektrische
Feld und desto größer die
Ablenkung. Sollte die Potentialdifferenz zwischen der Membran und
dem Mikrospiegel das Umschnapp-Schwellenpotential übersteigen,
welches durch die Spiegelgeometrie und Gelenknachgiebigkeit bestimmt
wird, schnappt der Spiegel um und bleibt an der Membran haften.
Das Umschnappen kann vermieden werden durch Bereitstellung eines relativ
großen
Abstands Spiegel-zu-Membran und Verwendung nur eines Bruchteils
des verfügbaren Ablenkbereichs
oder durch Vorspannen des Kollektorgitterpotentials +VG,
welches eine obere Schranke für
das Membranpotential bestimmt, unter das Schwellenpotential, so
dass VG + VB < Vth. VB stellt eine
Sicherheitsspanne dar, um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass aufgrund
des Niederenergiespektrums der Sekundärelektronen und der Elektrodengeometrie
das Membranpotential +VG ein wenig übersteigen
kann.
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Es
stehen eine Anzahl von Techniken zur Verfügung, um das Ladungsmuster 36 von
der Membran 14 zu löschen.
Wie oben erwähnt,
wird das Membranpotential auf irgendein Löschpotential gebracht, so dass
alle Pixel dasselbe Potential und dieselbe Ablenkung haben. Zum
Beispiel könnte
das Membranpotential auf sein Schwebepotentialgleichgewicht zurückgebracht
wird, indem die Ladung entweichen gelassen wird. Das gesamte Kollektorgitter oder
Segmente davon können
auf Anodenpotential umgeschaltet und abgetastet werden, wodurch
das Membranpotential auf das Anodenpotential getrieben wird. Wird
die Spiegelanordnung auf Anodenpotential gehalten, werden die Spiegel
in ihre Neutralstellung gelöscht.
Umgekehrt, wenn die Spiegelanordnung auf Gitterpotential gehalten
wird, werden die Spiegel in ihren maximal abgelenkten Zustand gelöscht. Weiterhin
kann ein Paar Kanonen, die mit Energien arbeiten, bei denen die
Sekundäremissionskoeffizienten
der beschichteten Membran größer als bzw.
kleiner als Einheit sind, verwendet werden, um zuerst das Membranpotential
auf das Löschpotential zu
treiben, um das Ladungsmuster zu löschen, und dann die Pixelpotentiale
selektiv einzustellen, um ein neues Ladungsmuster neu zu schreiben.
Derselbe Effekt kann realisiert werden durch Ausbilden eines Steuerfleckens
auf jedem Pixel mit der entgegengesetzten Elektronenaffinität und anschließendes Abtasten
der Membran mit einer einzelnen Kanone.
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In
dieser CCM-Gestaltung werden die Dicke des Substrats 22,
der Membran 14 und des Spiegels 18 gewählt, um
verschiedene Funktionen durchzuführen.
Angenommen, das Substrat 22 definiert die Frontplatte der
Zelle, muss seine Dicke genügend Festigkeit
bereitstellen, um den Luftdruck abzuwehren. Eine Dicke von 2-3 mm
ist normal. Da die Spiegel vom Strahl entkoppelt sind, können sie äußerst dünn gemacht
werden, 2000-3000 Angström
dick, und gleichzeitig die Gelenke. Wie vorher erwähnt, kann
dies das Reflexionsvermögen
verbessern und vermindert aufgrund hoher Gelenknachgiebigkeit die zum
Ablenken des Spiegels nötige
Kraft.
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Die
Membran 14 muss mindestens so dick sein, dass sie die einfallenden
Elektronen davon abhält,
die Mikrospiegel zu durchdringen, und elastisch genug, um einem
Abreißen
von der Stielanordnung zu widerstehen. In Betracht kommende Membranmaterialien
benötigen
typischerweise ungefähr
1000 Angström
pro Kilovolt Strahlenergie, um Elektronen zu stoppen, wobei Strahlenergien
von 5-10 KV vernünftig sind.
Wie oben erörtert,
ist jedoch eine dünne Membran
erwünscht,
um den Ladungswirkungsgrad zu verbessern und die Auflösung aufrechtzuerhalten, und
auch aus Kosten- und Fertigungsgründen. Eine Membrandicke von
ein bis zwei Mikrometer scheint einen vernünftigen Ausgleich bereitzustellen,
obwohl man dünnere
Membranen bevorzugen würde.
Man beachte, dass die Membran 14, anders als die CTP von
Warde, so dünn
ist, dass es sich nicht selbst gegen das aufgrund des induzierten
Ladungsmusters angelegte elektrische Feld stützen kann, geschweige denn
den Luftdruck abwehren kann.
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Wie
in 1b gezeigt, kann die Rückseite der Membran 14 mit
einer Anordnung von elektrisch isolierten Anziehungsflecken 44 gemustert
werden, welche verschiedenen Zwecken dienen. Erstens verteilt sich
die aufgebrachte Ladung selbst gleichförmig über die Oberfläche des
Fleckens, wodurch ein gleichförmigeres
elektrisches Feld für
Betätigung
des darunter liegenden Spiegels bereitgestellt wird. Zweitens kann
der Strahl unter Verwendung von in der Kathodenstrahlröhren-Industrie bekannten
Techniken moduliert werden, um eine Auflösung zu erzielen, die feiner
als seine Punktgröße ist.
Zuletzt kann die Fleckengeometrie in Bezug auf die Spiegelgeometrie
so gestaltet werden, dass der nutzbare Ablenkbereich ungefähr 83 %
des Abstands Spiegel-zu-Membran ist.
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Wie
in 1c gezeigt, bildet die Hinzufügung eines unteren Anziehungsfleckens 46 einen Reihenkondensator,
der den Zusatznutzen hat, die auf die Rückseite der Membran aufgebrachte
Ladung wirksam zur Vorderseite der Membran zu transferieren, ohne
den vom Spiegel gesehenen Ladungsbetrag zu vermindern. Das Aufbringen
von Ladung auf den oberen Flecken 44 bewirkt, dass sich
eine gleiche Anzahl von Spiegelladungen auf dem unteren Flecken 46 anhäuft. Obwohl
die Membran 14 sehr dünn
ist, bewegt der Reihenkondensator das Ladungsmuster wirksam um mindestens
20-30 % näher (in
Abhängigkeit
von der Dielektrizitätskonstante
der Membran) für
einen Abstand Spiegel-zu-Membran von 10 Mikrometer und eine Membran
von 1-2 Mikrometer. Da die Kraft auf den Spiegel proportional zum Quadrat
des elektrischen Feldes (Spannung/Abstand) ist, kann dies eine messbare
Auswirkung auf den pro Einheit des Strahlstroms erzielten Betrag
an Spiegelablenkung haben. Der Nutzen ist noch größer, da
die Dielektrizitätskonstante
der Membran aus der Gleichung entfernt wird. Außerdem vermindert die von den
unteren Flecken bereitgestellte Symmetrie die seitlichen Spannungen
auf die dünne
Membran.
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Eine
gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsform
der Mikrospiegel-Anordnung und der Stiel-Membran-Struktur ist in 2, 3 und 4 gezeigt.
In dieser Gestaltung ist die Spiegelschicht in einer Kleeblattanordnung
von vier zentral verbundenen Freiträgern 50a, 50b, 50c und 50d gemustert, die
einen gemeinsamen Stielbereich 52 nutzen. Die Spiegelschicht
ist außerdem
gemustert, um Torsionsbeugegelenke 54a, 54b, 54c und 54d zu
definieren, die die jeweiligen Freiträger mit dem Stielbereich 52 verbinden.
Andere Gelenkgestaltungen sind zwar möglich, das Torsionsgelenk wird
aber bevorzugt, weil es für
einen gegebenen Füllfaktor
höhere
Nachgiebigkeit liefert.
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Die
Stiele 36 und Membranen 14 sind als eine integrale
möwenflügelförmige Struktur 55 ausgebildet,
in der die Stiele 36 auf dem gemeinsamen Stielbereich 52 des
Spiegels angeordnet sind. Die Membran 14 hat eine Anzahl
von Entlüftungslöchern 56,
die im Abstand zwischen Kleeblattanordnungen angeordnet sind und
während
der Bearbeitung benutzt werden, um die Mikrospiegel und Membran gleichzeitig
freizusetzen. Diese Gestaltung ermöglicht es, dass die Stiele
einen relativ großen
Durchmesser mit einem kleineren Längen- und Seitenverhältnis haben,
was aus Fertigungserwägungen
erwünscht
ist, ohne den Füllfaktor
wesentlich zu vermindern. Andere mehrblättrige Gestaltungen liegen sicherlich
im Schutzbereich der Erfindung. Zum Beispiel kann eine Farbanzeige
Dreiblatt-RGB-Strukturen verwenden.
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Obere
Anziehungsflecken 58a, 58b, 58c und 58d und
die unteren Anziehungsflecken 60a, 60b, 60c und 60d sind
auf beiden Seiten der Membran 14 gemustert, so dass sie
direkt über
den jeweiligen Freiträgern 50a, 50b, 50c und 50d liegen.
Wie gezeigt, beträgt
die Diagonale der Anziehungsflecken ungefähr 60 % von jener des darunter
liegenden Freiträgers.
Dies erlaubt es, den Freiträger
ohne Umschnappen über
ungefähr
83 % des Abstands Spiegel-zu-Membran abzulenken. Um den Ladungswirkungsgrad
zu verbessern, werden die oberen Anziehungsflecken mit einem Sekundäremissionsmaterial 62 beschichtet,
das bei der gewünschten
Strahlenergie einen größeren Emissionskoeffizienten
als eins zeigt.
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Wie
dargestellt, sind die vier Anziehungsflecken elektrisch voneinander
getrennt. Als Folge repräsentiert
jede Kleeblatt-Struktur vier getrennte Pixel. In manchen Anwendungen
kann es erwünscht sein,
die Anziehungsflecken miteinander kurzzuschließen und jede Kleeblatt-Struktur
als ein einzelnes Pixel zu behandeln. Dies definiert ein größeres Pixel,
das der Strahl leichter adressieren kann.
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Der
in 2, 3 und 4 dargestellte CCM
wird auf einem Glassubstrat hergestellt, das unter Verwendung eines
Fünf-Masken-Prozesses
mit einer TCO- oder TCF-Schicht
beschichtet wird. Eine Schicht Fotoresist wird unter Verwendung
einer Maske 1, einer Spiegelfreisetz-Maske, gemustert, um die Freisetzschicht
für die
Mikrospiegel-Anordnung auszubilden. Die Freisetzschicht wird dann
mit Aluminium beschichtet und unter Verwendung einer Maske 2, einer
Spiegelmetall-Maske, gemustert, um die Mikrospiegel-Anordnung und
das leitende Gitter auszubilden.
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Eine
zweite, dickere Schicht Fotoresist wird unter Verwendung einer Maske
3, einer Membranfreisetz-Maske, gemustert, um die Freisetzschicht
für die
Stiel-Membran-Struktur
auszubilden. Vor dem Aufbringen der Stiel-Membran-Schicht werden
die unteren Anziehungsflecken unter Verwendung einer Maske 4, einer
Anziehungsflecken-Maske, auf der Freisetzschicht 4 gemustert. Nach
dem Aufbringen wird eine Anziehungs-Maske 4 wiederverwendet, um die
oberen Anziehungsflecken auf der Membran zu mustern. Zuletzt werden
unter Verwendung einer Maske 5, einer Membranentlüftungs-Maske,
die Entlüftungslöcher in
der Membran zwischen den Kleeblatt-Strukturen gemustert. Nach Vollendung
der Bearbeitung und vor dem Freisetzen wird das Substrat in einzelne
Mikrospiegel-Anordnungen vereinzelt. Danach werden die Spiegel-
und Stiel-Membran-Freisetzschichten gleichzeitig freigesetzt, um
die in 2, 3 und 4 gezeigte
freistehende Struktur übrig
zu lassen.
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Wie
vorher erwähnt,
kann ein Ladungsmuster auf eine Anzahl von unterschiedlichen Arten
geschrieben und gelöscht
werden. Ein spezielles Doppelstrahl-Adressierschema ist in 5a und 5b dargestellt.
Obwohl in Verbindung mit einer massiven Membran 14 gezeigt,
die auf getrennten Stielen gestützt
und nicht mit Anziehungsflecken gemustert ist, ist das Adressierschema
allgemein auf membranbetätigte
CCMs anwendbar. Um die Einzelbildzeitnutzung (FTU) zu verbessern,
wird das Kollektorgitter 35 in vier oder mehr elektrisch
getrennte Segmente geteilt. Die FTU ist (n-2)/n, wobei n die Anzahl
der Segmente ist. Ein Paar Abtastelektronenkanonen, welche auf ein
Potential -VA in Bezug auf das Bezugspotential
vorgespannt sind, rasterabtasten die Membran 14 mit dem
Schreibstrahl 64, der dem Löschstrahl 66 um zwei
Segmente nacheilt. Ein Controller 68, der mit den Strahlen
synchronisiert ist, schaltet die Potentiale auf den Gittersegmenten
zwischen Anodenpotential und +VG um.
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In
beiden Fällen
bewirkt der Strahl, dass Sekundärelektronen
aus der Membran 14 ausgestoßen werden. Wenn das Gitterpotential
auf Anodenpotential umgeschaltet wird, werden die Sekundärelektronen
nicht an das Kollektorgitter 35 angezogen und lagern sich
dann wieder über
der Membran 14 ab, wodurch das Ladungsmuster gelöscht wird,
wie in 5b gezeigt. Umgekehrt, wenn
das Gittersegment auf +VG umgeschaltet wird,
werden die Sekundärelektronen
vom +VG-Segment des Kollektorgitters gesammelt,
wodurch ein neues Ladungsmuster 36 geschrieben wird, wie
in 5a gezeigt. Da beide Elektronenkanonen vorzugsweise
zwischen den ersten und zweiten Kreuzungspunkten auf der Sekundäremissionskurve
der Membran arbeiten, kann die Bildauflösung noch mehr verbessert werden,
indem die gesamte Oberfläche
der Membran mit einem Material mit hohem Sekundäremissionskoeffizienten wie
z. B. Magnesiumoxid (MgO) beschichtet wird. Die Beschichtung wirkt
als ein Stromverstärker,
was einen geringeren Strahlstrom für ein gegebenes Ladungsmuster
erlaubt.
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Die
oben beschriebene Technik membranbetätigter Mikrospiegel kann bei
vielen verschiedenen Bildanzeigesystemen verwendet werden, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Projektionssysteme, nichtemittierende Direktbetrachtungssysteme,
d. h. "Weißpapier"- und Flachbildschirm-Emissionssysteme.
Die Weißpapier-
und Flachbildschirmsysteme erfordern möglicherweise modifizierte Spiegelgeometrien
zur Anpassung an Direktbetrachtung.
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Wie
in 6 gezeigt, enthält eine einfarbige Projektionanzeige 70 eine
helle Lichtquelle 72 wie z. B. eine Bogenlampe mit einem
Reflektor und einem Kühlgebläse 74.
Die Bogenlampe erzeugt divergentes Licht, welches von Sammeloptik 76 gebündelt wird,
die so gewählt
ist, dass sie die ultraviolette Komponente des Lichts absorbiert.
Eine Sammellinse 80, welche das gebündelte Licht auf einen Drehspiegel/Schlieren-Stop 82 richtet.
Der Drehspiegel lenkt das jetzt divergierende Licht auf eine Feldlinse 84 um,
welche das Licht neu bündelt
und es auf einen doppelstrahladressierten membranbetätigten Mikrospiegel-Lichtmodulator 86 vom
oben beschriebenen Typ abbildet. Eine Farbanzeige kann man realisieren durch
Anordnen eines RGB-Farbrades 88 zwischen der Sammeloptik 76 und
der Linse 80. Dies wird gewöhnlich als farbsequentiell
bezeichnet.
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In
Reaktion auf ein Videoadressierungssignal vermittelt der Lichtmodulator 86 dem
Licht eine räumliche
Modulation proportional zur Amplitude der Ablenkung der einzelnen
Mikrospiegel. Wie gezeigt, verwirklicht der Lichtmodulator 86 ein
Doppelstrahl-Adressierschema von dem bei 5a und 5b erörterten
Typ. Das räumlich
modulierte Licht läuft
durch die Feldlinse 84 zurück, wo es auf eine Ebene fokussiert
wird, die durch den Drehspiegel/Schlieren-Stop 82 verläuft. Der
Schlieren-Stop wandelt den räumlich
modulierten Strahl in einen intensitätsmodulierten Strahl um, der
dann durch eine Projektionslinse 90 geleitet wird, welche
das intensitätsmodulierte
Licht bündelt
und es auf einen Bildschirm abbildet.
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Wie
in 7 gezeigt, kann der membranbetätigte CCM so modifiziert werden,
dass Adressierung mit einem Einzelstrahl erfolgen kann, wobei die FTU
100 % erreicht und ohne das Kollektorgitter zu segmentieren oder
sein Potential umzuschalten. Dies erreicht man, indem man die Anziehungsflecken 58a-58d nur
teilweise mit einem Sekundäremissionsmaterial
beschichtet, um Steuerflecken 92 zu definieren. Eine Quelle,
die um -VA in Bezug auf die Referenz vorgespannt
ist, emittiert einen Teilpixelauflösungsstrahl 94, der
den Steuerflecken 92 und den Anziehungsflecken 58 eines
jeden Pixels selektiv adressiert, um ein Ladungsmuster auf den Anziehungsflecken
zu schreiben. Obwohl in Verbindung mit der in 1 gezeigten
massiven Membranstruktur beschrieben, ist diese Modifizierung gleichermaßen auf
die in 2 und 3 gezeigte integrierte Möwenflügelstruktur
anwendbar.
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Die
Sekundärelektronen-Emissionskurven, 96 und 98,
für typische
Anziehungs- bzw.
Steuerflecken-Materialien, sind in 8 gezeigt.
Die Kurve stellt das Verhältnis δ von emittierten
Sekundärelektronen
zu auftreffenden Primärelektronen
gegen die Landeenergie der Primärelektronen
dar. Bei Landeenergien zwischen ersten und zweiten Kreuzungspunkten
(δ = 1)
hat das Steuerflecken-Material, geeignet entgastes MgO, einen größeren Koeffizienten als
eins. Außerhalb
dieses Bereichs zeigt das Material einen kleineren Koeffizienten
als eins. Das Anziehungsflecken-Material, geeignet entgaster Aluminiumfilm,
hat einen Koeffizienten, der stets kleiner als eins ist. Als Folge,
bei geeigneter Wahl der Anziehungs- und Steuerflecken-Materialien
und einer Strahlenergie 100, umfasst jedes Pixel einen
ersten Teil, der für
eine vorbestimmte Strahlenergie einen Emissionskoeffizienten größer als
eins hat, und einen zweiten Teil, der für dieselbe Strahlenergie einen Emissionskoeffizienten
kleiner als eins hat.
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Gegenwärtig werden
zwei verschiedene Arten erwogen, das Ladungsmuster auf die mit Pixeln versehene
Membran zu schreiben; eine differentielle Schreibbetriebsart und
eine Lösch-/Schreibbetriebsart.
In der differentiellen Schreibbetriebsart wird der gegenwärtige Pixelwert
in einem Speicher gespeichert, und der nächste Pixelwert wird geschrieben, indem
entweder der Anziehungsflecken oder der Steuerflecken adressiert
wird. In der Lösch-/Schreibbetriebsart
wird der Strahl zuerst entweder auf den Anziehungsflecken oder den
Steuerflecken gerichtet, um das Pixelpotential auf ein gewünschtes
Löschpotential,
d. h. in den Löschzustand,
zu treiben. Der Strahl wird dann auf den anderen Flecken gerichtet, um
das Pixelpotential vom Löschpotential
weg einzustellen, d. h. in den Schreibzustand. In beiden Fällen kommt
die FTU 100 % nahe.
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In
einem speziellen Beispiel der Lösch-/Schreibbetriebsart
wird der Strahl zuerst auf den Steuerflecken, δ > 1, gerichtet, so dass das Pixelpotential
ansteigt, bis es gleich dem Gitterpotential ist, wo es ein Gleichgewicht
erreicht. Dies ist der Löschzustand,
welcher einer maximalen Spiegelablenkung entspricht, wenn die Spiegel
auf Anodenpotential gehalten werden. Unmittelbar danach wird der Strahl
auf den Anziehungsflecken, δ < 1, gerichtet, so dass
das Pixelpotential vermindert wird, bis es und der Ablenkwinkel
den gewünschten
Wert erreichen. Die Ladung wird dann bis zum nächsten Einzelbild auf dem Pixel
gehalten.
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Wie
in 9 gezeigt, kann der grundlegende membranbetätigte CCM
außerdem
modifiziert werden, um den Ablenkbereich wesentlich zu vergrößern. Dies
erreicht man, indem man zuerst den Abstand Spiegel-zu-Membran vergrößert, indem
man die Höhe
der Stiele 16 vergrößert, und
die Spiegelstiele 28 so verlängert, dass die Spiegel 18 ungefähr auf halbem
Wege zwischen dem Substrat und der Membran 14 liegen. Dies
stellt dem Spiegel genug Raum bereit, abzulenken, ohne Umschnappen
zu einem Substrat der Membran zu erfahren. Obwohl in Verbindung
mit der in 1 gezeigten massiven Membranstruktur
beschrieben, ist diese Modifizierung gleichermaßen auf die in 2 und 3 gezeigte
integrierte Möwenflügelstruktur
anwendbar.
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Eine
vergrabene leitende Schicht 102 und eine Abstandshalterschicht 104 werden
auf dem Substrat 22 unterhalb der Schicht 42 ausgebildet.
Ein Vorspannungspotential 106 wird zwischen der vergrabenen
Schicht 102 und der TCF- oder TCO-Schicht 42 angelegt, so dass
das Potential auf der vergrabenen Schicht 102 kleiner als
das Bezugspotential auf der Schicht 42 und der Mikrospiegel-Anordnung
ist. Damit die einzelnen Spiegel dieses konstante elektrische Feld "sehen", wird die Schicht 42 mit
einer Anordnung von Löchern 108 unterhalb
der Mikrospiegel gemustert. Um die Geometrie der Anziehungsflecken
nachzuahmen, werden die Löcher 108 vorzugsweise
rückwärts von
der Spitze des Spiegels beabstandet.
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Das
durch die Löcher 108 wirkende
elektrische Feld übt
eine Kraft auf die Spiegel aus, die sie in Richtung auf das Substrat
anzieht. In Abwesenheit irgendeiner Anziehungskraft von der Membran
werden alle Mikrospiegel mit einer Vorspannungsablenkung niedergehalten.
Da das Vorspannungspotential 106 konstant ist, kann es
stark gefiltert werden, um zu verhindern, dass irgendwelches Rauschen
eine vorübergehende
Kraft erzeugt, die Umschnappen verursachen würde. Wird Ladung auf die Membran geschrieben,
erfährt
die Membran eine entgegengesetzte Anziehungskraft, die den Spiegel
tendenziell nach oben in Richtung auf die Membran ablenkt. Zusätzlich zu
dem erweiterten Ablenkbereich vermindert das Ablenken des Spiegels
in beiden Richtungen in Bezug auf seine natürliche mechanische Ruhestellung
den Betrag der asymmetrischen Spannung auf das Gelenk und kann die
Leistung und Lebensdauer der Gelenke vergrößern.
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Obwohl
mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, werden dem Fachmann
zahlreiche Varianten und alternative Ausführungsformen einfallen. Zum
Beispiel kann man an Stelle der Abtastelektronenkanone eine Feldemitter-Anordnung
verwenden, um den membranbetätigten
CCM zu adressieren. Solche Varianten und alternative Ausführungsformen
werden in Betracht gezogen und können
realisiert werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie in
den beigefügten
Ansprüchen
definiert, zu verlassen.