一种调光器件及其制备方法和防光反射信号灯与流程

本技术涉及微机电系统（mems）光学器件的，尤其是涉及一种调光器件及其制备方法和防光反射信号灯。

背景技术：

1、目前，在铁路运输系统中，led信号灯被广泛应用于向列车驾驶员传递行车指令，是保障铁路运行安全的关键设备。led信号灯通常安装于轨旁或高处，其前方设有透明前盖，灯腔内部设有发光碗用于反射聚光。在正常工作状态下，led灯珠发出的光线经发光碗反射后通过透明前盖射出，形成清晰可辨的信号指示。

2、然而，在实际运行环境中，当强烈阳光以特定角度照射到led信号灯时，阳光能够穿过透明前盖进入灯腔内部，并经发光碗的反射作用从信号灯前方射出。当信号灯处于熄灭状态时，这种被反射出的环境光会使信号灯表面呈现出类似点亮的光学效果，导致列车驾驶员误判信号灯处于点亮状态，即产生“假亮”现象。该现象严重威胁行车安全，可能引发司机误读信号，进而造成冒进或运行决策错误。

3、相关技术中，针对信号灯假亮问题，主要采用以下几类方案：

4、第一类是被动式光学方案，如在信号灯前方加装遮阳罩或遮光筒，通过限制外部光线的入射角度来减少阳光进入灯腔的可能性，但遮阳罩的尺寸和角度固定，无法适应全天候、全方位的太阳角度变化，在某些特定角度下仍然会出现假亮现象。此外，还有采用哑光防眩玻璃作为信号灯灯盖的方案，通过降低前盖表面的镜面反射率来减弱反射光强度。例如，公告号为cn 218601945u的中国专利，其公开了一种防阳光反射的交通信号灯，在信号灯灯盖内部嵌设哑光防眩玻璃，以降低环境光的干扰。但是，哑光防眩玻璃属于固定式的光学处理，其防眩效果在制造完成后即确定，无法根据外部光照条件的实时变化进行动态调整，在阳光角度和强度持续变化的全天候环境下，仍然存在假亮风险。同时，哑光处理在降低外部反射光的同时，也会对信号灯本身发出的信号光产生散射，降低信号光的亮度和清晰度。

5、第二类是光学滤波方案。例如，在信号灯前盖内侧设置偏振片或窄带滤光片，利用偏振特性或光谱选择性来区分信号光和环境反射光。但偏振片会损失约50%的信号光强度，严重影响信号灯的可视距离和辨识效果。窄带滤光片对宽谱阳光的抑制效果有限，难以有效阻挡与信号光波长相近的环境光成分。此外，偏振片和滤光片等光学元件在长期户外高温、紫外辐射和湿热交替的环境下容易老化变色，导致光学性能逐渐劣化。

6、第三类是电子式调光方案。例如，采用电致变色玻璃或聚合物分散液晶（pdlc）调光器件，通过施加电压改变材料的透光率。但电致变色材料的响应速度较慢，从透明状态切换至不透明状态通常需要数秒到数十秒的时间，无法满足铁路信号灯对快速响应的要求。pdlc调光器件在断电时呈散射态（半透明），无法实现完全遮光，外部强光仍可部分透过，遮光效果不彻底。

7、因此，上述防假亮技术方案在信号灯熄灭状态下均无法彻底、快速且低功耗地阻断外部环境光进入灯腔，仍然存在假亮风险。

技术实现思路

1、为了降低假亮风险，本技术提供一种调光器件及其制备方法和防光反射信号灯。

2、第一方面，本技术提供的一种调光器件，采用如下的技术方案：

3、一种调光器件，包括：

4、透明密封模组，所述透明密封模组内设置有容纳腔；

5、微结构模组，设置有多个，多个所述微结构模组呈阵列排布在所述容纳腔内，所述微结构模组包括调光单元及与所述调光单元连接的维稳单元，所述调光单元的一端转动设置在所述容纳腔内，所述调光单元的另一端为自由端，以使所述调光单元能够翻转而具有透光和遮光位置；

6、当所述调光单元处于透光位置时，相邻所述调光单元之间形成有供光线通过的透光间隙，当所述调光单元处于遮光位置时，相邻所述调光单元的边缘相互搭接重叠，以遮挡通过所述透明密封模组的光线，所述维稳单元具有两个稳态平衡位置，两个稳态平衡位置分别对应透光和遮光位置，以在无供电状态下将所述调光单元锁定于透光或遮光位置。

7、通过采用上述技术方案，多个微结构模组呈阵列排布在容纳腔内并覆盖容纳腔，当调光单元处于透光位置时，相邻调光单元之间形成透光间隙，可使光线顺利通过透明密封模组，保证了调光器件在透光状态下的良好透光性；当调光单元处于遮光位置时，相邻调光单元相互搭接，能有效遮挡通过透明密封模组的光线，避免外界光线干扰，从而消除因环境光干扰导致信号灯出现假亮的现象。同时，维稳单元采用双稳态机构，双稳态机构具有分别对应透光位置和遮光位置的两个稳态位置，使得调光单元在切换到透光或遮光位置后，无需外部能量即可维持当前状态，仅在状态切换时需要施加短暂的驱动脉冲，有效降低了调光器件的功耗。

8、可选的，还包括驱动模组，所述透明密封模组包括透明基底及与所述透明基底密封连接的透明覆盖层，所述容纳腔形成于所述透明基底和所述透明覆盖层之间，所述透明基底靠近所述透明覆盖层的一侧设置有导电层，多个所述调光单元阵列排布在所述导电层上，所述调光单元的一端转动设置在所述导电层；

9、所述导电层包括多个独立的底部电极，所述底部电极与所述调光单元一一对应设置，所述透明覆盖层靠近所述导电层的一侧设置有顶部电极，所述底部电极、所述顶部电极分别与所述驱动模组电连接，所述驱动模组用于向所述底部电极和所述顶部电极之间施加电压脉冲，以驱动所述调光单元在透光和遮光位置之间切换。

10、通过采用上述技术方案，透明密封模组由透明基底和透明覆盖层密封连接构成，在两者之间形成密封的容纳腔，将调光单元和维稳单元封装在密封环境中，减少外部环境中灰尘和水汽对微结构的影响。导电层被图案化为多个独立的底部电极，配合透明覆盖层上的顶部电极，通过驱动模组施加电压脉冲，利用静电力驱动调光单元翻转，实现了调光单元在透光和遮光位置之间的快速切换。底部电极和顶部电极分别设置在调光单元的两侧，可以分别提供向下和向上的静电引力，从而实现调光单元的双向驱动。

11、可选的，所述容纳腔的内壁上设置有两个锚点，所述调光单元分别与两个所述锚点转动连接，所述维稳单元包括屈曲梁及柔性联动臂，所述屈曲梁的两端分别固定在两个所述锚点上，所述屈曲梁的长度大于两个所述锚点之间的直线距离，以使所述屈曲梁处于轴向受压状态而具有向上拱起和向下拱起的两个稳态屈曲方向，所述柔性联动臂的一端设置在所述屈曲梁的中部，所述柔性联动臂的另一端连接于所述调光单元。

12、通过采用上述技术方案，屈曲梁的长度大于两个锚点之间的直线距离，使得屈曲梁在安装后处于轴向受压状态，具有向上拱起和向下拱起两个稳定的屈曲方向，这两个稳态方向分别对应调光单元的透光位置和遮光位置。柔性联动臂将屈曲梁的中部与调光单元的自由端连接，当调光单元在静电力驱动下翻转时，通过柔性联动臂带动屈曲梁从一个稳态屈曲方向跳变到另一个稳态屈曲方向，屈曲梁在新的稳态位置处具有势能最低点，因此无需外力即可保持在当前位置，从而实现了调光单元的无源锁定。

13、可选的，所述容纳腔的内壁上设置有锚点，所述调光单元与所述锚点转动连接，所述维稳单元包括导轨、滑动件及z型铰链，所述导轨设置在所述容纳腔的内壁上，所述导轨的两端分别设置有卡位结构，所述滑动件滑移设置在所述导轨上，当所述滑动件滑移至所述卡位结构处时，所述卡位结构与所述滑动件锁定，所述z型铰链的一端与所述调光单元连接，所述z型铰链的另一端与所述滑动件连接。

14、通过采用上述技术方案，当调光单元在静电力驱动下翻转时，通过z型铰链将翻转运动转化为滑动件沿导轨的直线滑移运动。导轨两端的卡位结构分别对应调光单元的透光位置和遮光位置，当滑动件滑移至卡位结构处时，卡位结构与滑动件锁定，从而将调光单元锁定在当前位置。z型铰链的设置使得调光单元的旋转运动与滑动件的直线运动之间实现运动转换。

15、可选的，多个所述微结构模组沿行方向和列方向呈阵列排布，当所述调光单元处于遮光位置时，同一行中相邻的两个所述调光单元的边缘相互重叠，重叠部分的面积占单个所述调光单元表面积的10%-15%。

16、通过采用上述技术方案，当调光单元处于遮光位置时，同一行中相邻的两个调光单元的边缘相互重叠，重叠部分的面积占单个调光单元表面积的10%-15%，从而有利于确保在遮光状态下相邻调光单元之间不会出现漏光缝隙，提高了调光器件在遮光状态下的遮光效果。同时，10%-15%的重叠比例在保证遮光效果的前提下，减小重叠面积，进而在透光状态下保持较高的透光率。

17、第二方面，本技术提供一种调光器件的制备方法，采用如下的技术方案：

18、一种调光器件的制备方法，包括以下步骤：

19、s1：提供透明基底，在透明基底上沉积透明的导电层，采用光刻和刻蚀工艺将所述导电层图案化，形成呈阵列排布的多个底部电极；

20、s2：在所述导电层上沉积牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部电极，通过光刻和刻蚀工艺在所述牺牲层中形成贯穿所述牺牲层的锚定孔；

21、s3：在所述牺牲层上及所述锚定孔内沉积结构层；

22、s4：通过光刻和刻蚀工艺将所述结构层图案化，形成调光单元图案和维稳单元图案；

23、s5：去除所述牺牲层，使所述调光单元图案和所述维稳单元图案脱离所述牺牲层而释放为悬空状态；

24、s6：提供透明覆盖层，在所述透明覆盖层的一侧表面上沉积顶部电极材料层，通过光刻和刻蚀工艺将所述顶部电极材料层图案化，形成顶部电极，接着，将所述透明覆盖层与所述透明基底密封连接，以使所述顶部电极朝向所述调光单元，并使所述透明覆盖层与所述透明基底之间形成密封的容纳腔，所述调光单元、所述维稳单元、所述底部电极和所述顶部电极均封装于所述容纳腔内。

25、可选的，所述牺牲层的材料为二氧化硅，所述结构层的材料采用掺杂后的多晶硅、非晶硅和氮化硅中的一种，在s5中，采用氢氟酸蒸气刻蚀工艺去除所述牺牲层。

26、通过采用上述技术方案，牺牲层采用二氧化硅材料，结构层采用掺杂后的多晶硅、非晶硅或氮化硅材料，这两类材料之间具有良好的刻蚀选择性。优选采用氢氟酸蒸气刻蚀工艺去除牺牲层，可以避免湿法刻蚀过程中因液体表面张力导致的微结构粘附问题；当采用湿法刻蚀时，需在释放后进行超临界点干燥处理以防止粘附。

27、可选的，还包括步骤s7：将所述透明基底和所述透明覆盖层上的电极引线通过各向异性导电胶热压键合方式连接至柔性电路板，形成电气接口。

28、通过采用上述技术方案，采用各向异性导电胶热压键合方式将电极引线连接至柔性电路板，形成电气接口。各向异性导电胶在热压键合后，仅在厚度方向上导通，而在平面方向上保持绝缘，因此可以实现高密度电极引线的精确连接，避免相邻引线之间的短路。柔性电路板具有可弯折的特性，便于调光器件与外部驱动模组的连接和安装。

29、第三方面，本技术提供一种防光反射信号灯，采用如下的技术方案：

30、一种防光反射信号灯，包括信号灯主体及上述调光器件，所述信号灯主体上开设有出光口，所述调光器件设置在所述出光口处并覆盖所述出光口设置。

31、通过采用上述技术方案，将调光器件设置在信号灯主体的出光口处，当信号灯点亮时，调光器件切换至透光状态，光线可以穿过调光器件从出光口射出；当信号灯熄灭时，调光器件切换至遮光状态，外部环境光照射到调光器件上时被调光单元阵列遮挡，无法进入灯腔内部，从而有效消除了“假亮”现象。

32、可选的，所述信号灯主体包括灯壳、发光碗、灯源及控制电路板，所述出光口开设于所述灯壳的前端，所述发光碗设置在所述灯壳内并朝向所述出光口设置，所述灯源设置在所述发光碗的底部中心，所述控制电路板设置在所述灯壳内并分别与所述灯源和所述调光器件电连接。

33、通过采用上述技术方案，当控制电路板接收到点亮灯源的指令时，先将调光单元切换至透光位置，再点亮灯源，此时灯源发出的光线经发光碗反射聚光后，可顺利穿过调光单元之间形成的透光间隙，从灯壳前端的出光口射出，保证信号灯能正常发光显示信号。而当控制电路板接收到熄灭灯源的指令时，先熄灭灯源，将调光单元切换至遮光位置，相邻调光单元相互搭接遮挡住光线，能有效阻止外界光线如强烈阳光经出光口进入灯壳内部并反射出去，避免出现“假亮”现象，保障了信号灯显示的准确性和行车安全。

34、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

35、1.调光器件采用阵列设置的微结构模组来实现光线的通断控制，配合维稳单元的双稳态锁定功能，仅在状态切换时需要施加短暂的驱动脉冲，在保持状态时无需供电，降低了功耗，同时具有响应速度快、使用寿命长的优点；

36、2.调光器件的制备方法采用标准的mems表面微加工工艺，工艺成熟且可与现有半导体制造设备兼容，便于大规模批量生产，有利于降低生产成本；

37、3.将调光器件应用于防光反射信号灯中，通过控制电路板实现调光器件状态与led灯源状态的自动同步切换，从而有效消除了信号灯的“假亮”现象，提高了交通安全性。