CN1308720C - 干涉调制器和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的干涉调制器包括一个透明基板(折射率：n₀)12，一个提供在透明基板12上的光学薄膜(复数折射率：N₁＝n₁-i·k₁)，和一个与光学薄膜13相对的吸收体层(复数折射率：N_s＝n_s-i·k_s)14，其到光学薄膜13的间隙的距离是变化的，其中满足关系n₁＞n₀，k₁≌0和n_s＞n₀。

Description

干涉调制器和显示装置

技术领域

本发明涉及一种干涉调制器和一种具有该干涉调制器的显示装置，和更具体地涉及一种适合反射型显示装置使用的干涉调制器。

背景技术

通常，反射型显示装置使用环境光，并且对于移动用途特别有用。

目前，典型的反射型显示装置在使用液晶的双折射或旋光强度的TN(扭曲向列)模式或STN(超级扭曲向列)模式中使用。

然而，在这些显示模式中，要求使用一个起偏振片，其中起偏振片的光损耗约60％，这样显示较暗。

另一方面，推荐一种把二色性染料添加到液晶中的客-主方法，和一种由动态散射模式代表的透射/散射方法作为液晶显示方法，而不使用起偏振片。然而，这些显示方法具有较低的对比度，并且不实用。虽然推荐溶液中色彩颗粒的电泳方法、二色性旋转颗粒(螺旋球(twisted ball))方法，和调色剂显示方法作为不使用液晶的显示方法，但由于驱动电压、对比度、响应速度、稳定性和寿命的问题，还没有推行到实际使用中。

近些年来，一种不使用起偏振片的新显示方法，称做iMod^TM方法在美国专利5,835,255和日本特公表2000-500245号公报(JapaneseNational Phase Publication No.2000-500245)中被公开，其中入射光的干涉通过一个微型机器(微电子机械系统：MEMS)的驱动而被调制。该方法是一种反射型显示系统，通过静电改变空腔(干涉调制器空腔)的间隔来调制环境光的干涉，该空腔具有两个壁，一个是反射器(金属)，另一个是感应吸收体(夹在电介质之间的金属吸收体)。在该系统中，可转换具有红(R)、绿(G)或蓝(B)的单色显示和黑色显示。也就是说，在反射器和感应吸收体以一个指定光程分隔开的状态中，对应于光程的一个波长的光基于法布里-珀罗干涉原理反射给观察者，并以单色来显示。此外，通过调节这个光程，阻止(吸收)了可见光辐射区中的入射光的反射，并以黑色来显示。

该系统具有这样一个优点，由于通过干涉的单色显示，CF是不必要的。此外，还有一些优点，如高对比率、低电力消耗和MEMS的高速响应。而且，该系统使得通过有效利用MEMS的滞后现象来省略TFT成为可能。

然而，由于利用iMod^TM方法的亮显示是使用光干涉的“单色显示”，所以对入射角有很大依赖性，造成依赖于观测角的色差。为了降低或消除该色差，需要辅助前照明(front lighting)和光学补偿机构。此外，色彩显示具有以一个特定波长作为中心的类似激光的色调。另一方面，白色显示被每个颜色的干涉反射的带宽(例如，FWHM)限制，因为每个像素的RGB通过加色混合来实现，由此白色显示的Y值很难增加。这在对于白/黑显示的电子书籍的有关应用中很少推荐。另外，构造一个对每个显示颜色具有不同结构的像素是必要的。此外，利用该iMod^TM方法，做出明和暗的二元显示，同时，半调显示只能通过使用基于脉冲宽度调制的空间抖动(面积梯度(area gradation)方法)，从而导致大的负荷。

发明内容

本发明根据上述问题而的实现，并且本发明的一个目标是提供能够适合用于一个反射型显示装置的干涉调制器。

根据本发明的第一方面，提供了一种干涉调制器，它包括一个透明基板(折射率：n₀)，一个提供在透明基板上的光学薄膜(复数折射率：N₁＝n₁-i·k₁)，和一个与光学薄膜相对的吸收体层(复数折射率：N_s＝n_s-i·k_s)，其到光学薄膜的间隙的距离是变化的，其中满足关系n₁＞n₀，k₁≌0和n_s＞n₀。n₁最好大于2.0。

在一实施例中，满足下列表达式(1)，

$n_1\≅{(n_0{n}_s+\frac{n_0{k_s}^2}{n_s-n_0})}^{1/2}\·\·\·\left(1\right)$

在另一实施例中，对于可见光辐射区域中的波长λ，光学薄膜的物理膜厚度d₁满足下列表达式(2)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＞0时，

$d_1\≅\frac{\mathrm{\λ}}{{2n}_1}\{j-\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-2n_1{k}_s}{{n_1}^2-{n_s}^2-{k_s}^2}\right)\}$ j：整数  (2)

或满足下列表达式(3)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＜0时，

$d_1\≅\frac{\mathrm{\λ}}{2n_1}\{(j+\frac{1}{2})-\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-2n_1{k}_s}{{n_1}^2-n_s^2-k_s^2}\right)\}$ j：整数  (3)

在另一实施例中，d₁是满足表达式(2)或(3)的最小值。

在另一实施例中，填充形成在光学薄膜与吸收体层之间的间隙的介质的折射率n_v小于光学薄膜的折射率n₁，并且假定间隙的物理距离是d_v，对于可见光辐射区域中的波长λ，满足下列表达式(4)，

$d_v\≅\frac{(2m+1)\mathrm{\λ}}{4\·n_v}$ m：整数          (4)

在另一实施例中，光学薄膜由等效多层薄膜构成。

根据本发明的第二方面，提供了一种干涉调制器，它包括一个透明基板(折射率：n₀)，一个提供于透明基板上的叠层膜，和一个与叠层膜相对的吸收体层(复数折射率：η_s＝n_s-i·k_s)，到叠层膜的间隙的距离是变化的，其中假定叠层膜具有三个或更多透明薄膜层，两个相邻的透明薄膜层的复数折射率互不相同，距离透明基板最近一侧的第j个薄膜层的复数折射率是η_j＝η_j-i·k_j，相位膜(phase film)厚度是δ_j，且B和C由下列表达式(5)给出，

$\left(\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_j& i\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_j\right)/{\mathrm{\η}}_j\\ i{\·\mathrm{\η}}_j\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_s\end{array}\right)\·\·\·\left(5\right)$

$k_j\≅0,$ 并且在一个可见光波长区域中(380nm＜λ＜780nm)，满足下列表达式(6)，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right)}^{*}<\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

                               (^*复共轭)

在另一实施例中，假定填充形成在叠层膜与吸收体层之间的间隙的介质的折射率是η_v，间隙的物理距离是δ_v，且D和E由下列表达式(7)给出，

$\left(\begin{array}{c}D\\ E\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\&delta;}}_j& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)/{\mathrm{\&eta;}}_j\\ i{\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}}_j\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_v& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)/{\mathrm{\&eta;}}_v\\ i{\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}}_v\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\&eta;}}_s\end{array}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

在宽带的可见光波长区域中(380nm＜λ＜780nm)，满足下列表达式(8)，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right)}^{*}>\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

                                    (^*复共轭)

在另一实施例中，叠层膜具有一个交替的叠层膜，其中具有互不相同的复数折射率的第一透明薄膜层和第二透明薄膜层被交替地堆叠，且在交替叠层膜上提供第三透明薄膜层并与吸收体层相对的。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙的距离在干涉范围内改变。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙的距离变化到没有干涉发生的光学距离。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙逐步改变。

在另一实施例中，干涉调制器进一步包括一个驱动元件，用于改变形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙的距离。

在另一实施例中，驱动元件包括一个压电元件。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙是真空或用气体填充。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙用液体填充。

在另一实施例中，干涉调制器进一步包括一个滤色器，用来通过具有特定波长的光。

在另一实施例中，干涉调制器进一步包括一个光散射层。

在另一实施例中，光学薄膜或叠层膜包括至少一个透明导电层。

在另一实施例中，形成在光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙的距离根据施加到至少一个透明导电层的电压而改变。

本发明的一个显示装置具有多个像素，每个像素包括根据任何一个上述实施例的干涉调制器。

在另一实施例中，多个像素包括第一像素和第二像素，其中提供给第一像素和第二像素的干涉调制器在光学薄膜、叠层膜或吸收体层的构造上相互不同。

在本发明的干涉调制器中，通过调节提供在透明基板上的光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙长度来控制来自透明基板一侧的入射光的反射系数。根据本发明的第一方面的干涉调制器的一个基本设计概念是采用一种光学薄膜，用作对于可见光波长区域中的波长(例如，550nm)最有效的抗反射膜(即，反射降低膜)和/或反射增强膜。另一方面，根据本发明的第二方面的干涉调制器的一个基本设计概念是采用能够在可见光波长区域中的任何波长，即宽带中实现抗反射膜和/或反射增强膜的光学薄膜。在任一情形下，构造为在接触吸收体层时变为抗反射膜的光学薄膜或叠层膜，通过形成到吸收体层的一个预定距离(例如，空气层)，来用作反射增强膜。因此，本发明的干涉调制器提供比基于法布里-珀罗干涉的iMod^TM方法的常规干涉调制器更高的反射系数和更高的对比率。还有，通过采用本发明的干涉调制器，产生具有高亮度和高对比率的反射型显示装置。

附图说明

图1是一个示意图，用以解释根据本发明一个实施例的一个干涉调制器的基本结构和操作原理。

图2A是表示在图1中(b)所示的基本结构中反射系数R₁如何依据折射率n₁和相位膜厚度δ₁而变化的图，且图2B是表示在图1中(c)所示的基本结构中反射系数R₂如何依据折射系数比n₂/n₁和相位膜厚度δ₂而变化的图。

图3是表示根据本发明的实施例1的一个反射型显示装置10的结构示意图。

图4是表示一个吸收体(金属、半导体)的复数折射率的图表。

图5是表示反射型显示装置10的黑色显示特征和白色显示特征的图表。

图6A和6B是表示当间隙距离在反射型显示装置10中从0nm到280nm变化时光谱反射系数特征的图表，其中图6A在第一最小条件下，图6B在第二最小条件下。

图7是显示根据本发明实施例2的反射型显示装置30的结构的示意图。

图8A和8B是表示当间隙距离在反射型显示装置30中从0nm到280nm变化时光谱反射系数特征的图表，其中图8A在第一最小条件下，图8B在第二最小条件下。

图9是显示根据本发明的实施例3的反射型显示装置50的结构的示意图。

图10A和10B是表示当间隙距离在反射型显示装置50中从0nm到280nm变化时光谱反射系数特征的图表，其中图10A在第一最小条件下，图10B在第二最小条件下。

图11是表示根据本发明的实施例4的反射型显示装置70的结构的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图描述根据本发明的实施例的干涉调制器的结构和操作。然而，该发明并不限于这些实施例。

参考图1，将首先描述根据本发明的第一实施例的干涉调制器的基本结构和操作原理。

本发明的干涉调制器包括一个透明基板(折射率：n₀)，一个提供在透明基板上的光学薄膜(复数折射率：N₁＝n₁-i·k₁)，和一个与光学薄膜相对的吸收体层(复数折射率：N_s＝n_s-i·k_s)，其到光学薄膜的间隙的距离是变化的，其中满足关系n₁＞n₀， $k_1\&cong;0$ 和n_s＞n₀。该光学薄膜表现为根据到吸收体层的间隙的距离而减小(阻止)或增加反射。例如，当光学薄膜接触吸收体层时，它充当抗反射膜，并且当具有到吸收体层的预定距离的空气层形成时，它充当反射增强膜。

通常，已知的是，膜厚度小于光的波长的薄膜具有除了光反射和折射之外的薄膜所特有的各种属性。光学薄膜的各种属性应用在所谓光学多层膜的涂层中，如玻璃表面上的抗反射膜(无反射涂层)、用于分光器或反射器的高反射膜，和各类滤光器。此外，它们应用于各种领域的薄膜光学电路元件，如光波导，和利用半导体薄膜的光接收/发射元件。

各种薄膜材料在这些光学应用中被采用，但光学上大致分为透明体(波长大于吸收端的绝缘体和半导体)和光吸收体(波长小于吸收端的金属(包括合金)、半导体)。材料的种类被分为电介质、金属和半导体。这些薄膜材料的光学属性通常唯一地由其光学常数N＝n-i·k(复数折射率：折射率n，消光系数k)和物理膜厚度d或相位膜厚度δ＝2π·N·d·cosθ/λ(θ是入射角，λ是入射光的波长)来表示，由此具有堆叠的光学薄膜的光学多层膜的属性由组成光学多层膜的多层的每个光学常数和每个膜厚度来决定。因此，作为表明薄膜的光学属性的一个量，光学常数(复数折射率)N＝n-i·k特别重要。

例如，如图1中的(a)所示，当环境光从折射率为n₀的透明介质(入射介质)1垂直入射到由复数折射率为N_s＝n_s-i·k的吸收体构成的基板4上时，环境光的折射率(入射光2对反射光3的强度比)R₀由下列表达式(1-1)来表示。

$R_0={\left|\frac{n_0-(n_s-i\&CenterDot;k_s)}{n_0+(n_s-i\&CenterDot;k_s)}\right|}^2...(1-1)$

在此，在透明介质1是空气(n₀＝1)和吸收体基板4是钨W(n_s＝3.5，k_s＝2.73，λ＝551nm)的情形下，R₀等于49.46％。

然后，如图1中的(b)所示，如果具有折射率n₁和物理膜厚度d₁的第一透明体薄膜5形成在吸收体基板4上，假定相位膜厚度在垂直入射中是δ₁＝2πn₁d₁/λ，则反射系数R₁由下列表达式(1-2)来表示。

$R_1={\left|\frac{n_0-\frac{i\&CenterDot;n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)+\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_x)}{\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)+i\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}(n_s-i\&CenterDot;k_s)}}{n_0+\frac{i\&CenterDot;n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)+\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_s)}{\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)+i\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}(n_s-i\&CenterDot;k_s)}}\right|}^2...(1-2)$

这时，如图2A所示，反射系数R₁的变化取决于折射率n₁和相位膜厚度δ₁，由此对于在波长λ＝551nm的特定折射率n₁和相位膜厚度δ₁实现完全阻止反射。当利用用于透明基板的透明薄膜形成抗反射膜时，由于相关反射系数+透光率＝1，所以意味着增加的透光率。然而，当利用用于诸如金属的吸收体的透明薄膜形成抗反射膜时，意味着吸收体的光吸收比率的增加。

如图1中的(c)所示，当折射率为n₂和相位膜厚度为δ₂的第二透明体薄膜6提供在吸收体基板4与第一透明体薄膜5之间时，反射系数R₂由下列表达式(1-3)来表示。

$R_2={\left|\frac{n_0-\frac{i\&CenterDot;n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+i\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;n_2\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+(-n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)}{n_2}+\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right))\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_s)}{\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)-\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}\&CenterDot;n_2\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+(i\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)}{n_2}+i\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right))\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_s)}}{n_0+\frac{i\&CenterDot;n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+i\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;n_2\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+(-n_1\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)}{n_2}+\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right))\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_s)}{\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)-\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}\&CenterDot;n_2\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)+(i\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right)}{n_2}+i\&CenterDot;\frac{\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_1\right)}{n_1}\&CenterDot;\cos \left({\mathrm{\&delta;}}_2\right))\&CenterDot;(n_s-i\&CenterDot;k_s)}}\right|}^2$

                                            (1-3)

这时，如图2B所示，反射系数R₂的变化取决于第二透明体薄膜6的折射率n₂和相位膜厚度δ₂。图2B表示第一透明体薄膜5满足上述反射阻止条件(表达式(1-2))的情形。如果第二透明体薄膜6的折射率n₂小于第一透明体薄膜5的折射率n₁，且第二透明体薄膜6的相位膜厚度δ₂在一个特定范围内，则反射系数大于只有吸收体基板4的情况(图1中的(a))(R₂＞R₀)。

从图2B将看到，当折射率比n₁/n₂较大时，反射增加效应就更显著。因此，为了获得最大反射系数，最好是第一透明体薄膜5具有尽可能高的折射率(n₁)，且第二透明体薄膜6具有尽可能低的折射率(n₂)。第一透明体薄膜5的折射率(n₁)最好为2.0或更大。还有，如图2B所示，反射系数(即，反射光的强度)可通过改变第二透明体薄膜6的相位膜厚度δ₂来调整。

根据本发明的第二方面的干涉调制器采用一个叠层膜，它被构造为在可见光波长区域中(380nm＜λ＜780nm)具有反射降低效应和/或反射增加效应，而不是构造为作为对特定波长的光的抗反射膜和/或反射增强膜的光学薄膜。

反射增加效应是由于光学干涉引起的反射上的增加。然而，当厚膜包含在光学系统中时，通过使用多重反射获得比吸收体单质更高的反射的效应，也被称作为反射增加效应。

表达式(1-1)到(1-3)在薄膜光学领域中已知，且本说明书中所给定的其它表达式(1)到(8)可以由本领域技术人员容易地推导出来，由此这些表达式在这里不做推导。为了得出这些表达式，例如，可以参照Sadashi Yoshida等人的“Thin-film Optical Device(薄膜光学设备)”，Tokyo University Shuppankai。

根据本发明的实施例的干涉调制器是基于上述原理的。

下面将描述利用干涉调制器的反射型显示装置的优选实施例，但是本发明的干涉调制器可应用于除了反射型显示装置的其它用途。

(实施例1)

图3是表示根据本发明的第一实施例的一个反射型显示装置10的结构示意图。反射型显示装置10具有多个排列为矩阵状的干涉调制器，例如，其中每个干涉调制器构造一个像素。图3表示反射型显示装置的两个像素，即，两个干涉调制器，其中左干涉调制器处于黑色显示状态(具有最小反射系数的状态)，并且右干涉调制器处于白色显示状态(具有最大反射系数的状态)。

组成反射型显示装置10的每个干涉调制器包括一个透明基板12，一个提供在透明基板12上的光学薄膜13，和一个具有到光学薄膜13距离可变的间隙的吸收体层14。

吸收体层14形成于提供在基板20上的驱动元件15之上。基板20和透明基板12(在此，光学薄膜13形成在透明基板12上)分开预定间隔，并由隔离壁17来固定。隔离壁17包围填充形成在吸收体层14与光学薄膜13之间的间隙的介质19。尽管每个像素(干涉调制器)被这里的隔离壁17分开，但是，例如，可提供隔离壁17以包围多个像素。当在相邻像素之间引起串音现象时，如当吸收体层14由响应外部场合的吸收体粉末组成时(实施例4)，最好提供隔离壁17以分离每个像素。

作为用来改变吸收体层14与光学薄膜13之间的间隙的距离的驱动元件15，在这里使用压电元件15。压电元件15根据施加给电极18的电压产生一个体积变化，这样吸收体层14与光学薄膜13之间的间隙的距离(分离距离)被改变。于此，当吸收体层14和光学薄膜13接触时，间隙的距离(分离距离)被表示为0nm。

驱动元件15不限于压电元件，而可以是任何其它元件，只要能响应电场、磁场、压力、声波、电磁波(光)和热中的至少一个的外部场合而改变吸收体层14与光学薄膜13之间的分离距离。然而，可在电场下被电控制的驱动元件容易制造，并且在显示质量、成本和消耗能量方面非常有利。还有，在驱动元件具有在停止施加电压后保持状态的存储属性的情形下，不需要保持电压的有源元件，并且可采用一个简单矩阵结构。因此，降低了制造成本。此外，当采用没有存储属性的吸收体层时，需要保存像素的有源元件，其中最好采用一个有源矩阵结构。

如图3中的左侧像素所示，当吸收体层14和光学薄膜13接触时，光学薄膜13用作吸收体层14的抗反射膜，这样入射光11被吸收到吸收体层14中。另一方面，当吸收体层14和光学薄膜13形成一个具有预定距离的间隙时，大多数入射光由于反射增加效应而被反射，如图3中的右侧像素所示(反射光16)。

首先，获得如图3中左侧所示的黑色显示状态的条件将在下面描述。在此，假定透明基板12的折射率是n₀，光学薄膜13的复数折射率N₁是n₁-i·k₁，且吸收体层14的复数折射率N_s是n_s-i·k_s。

现在参考图4，下面将描述吸收体层14的光学特性。图4显示了对于可见光辐射区域的光的各种吸收体(金属和半导体)的折射率n_s和消光因子k_s。标绘的波长区域随元件不同，但可从约400nm到800nm。还有，图4的半圆形曲线代表对光学薄膜13的折射率n₁的完全无反射的吸收体层的折射率n_s和消光因子k_s(n₁＝2到3.5)。在此，折射率1.52的玻璃用作折射率n₀的透明基板12，而光学薄膜13是具有值n₁的单膜。光学薄膜13最好是透明的，并且 $k_1\&cong;0.$

首先，注意图4的半圆形曲线。半圆上升处的值n_s等于透明基板12的折射率n₀的值。因此，如果吸收体层14的折射率n_s不满足条件n_s＞n₀，则不能有效地做到反射的阻止。还有，当光学薄膜13的折射率n₁更大时，圆形的直径就更大。因此，当光学薄膜13的折射率n₁更大时，获得反射降低效应的条件更可能被满足。也就是说，选择吸收体层14的材料有一个更大的范围，和/或由于波长色散造成的影响较小。如果光学薄膜13的折射率n₁不满足条件n₁＞n₀，则不执行有效反射阻止。n₁最好大于2.0，且更好地是，n₁大于2.5。图4中透明基板12是玻璃(n₀＝1.52)，其中当透明基板12的折射率n₀较小时，半圆形的直径就较大，扩展了提供上述优点的范围。因此，更适宜的是，使用具有比玻璃低的折射率的塑料基板作为透明基板12。

从图4中的各种材料的描绘将看出，具有低于1的折射率n_s的铝或银不满足条件n_s＞n₀，且不能用作吸收体层14的材料。这与铝或银适宜用作采用iMod^TM方法的干涉调制器的反射器的情况形成对比。由此，应该理解的是根据本发明的干涉调制器的干涉不同于法布里-珀罗干涉。

根据本发明的干涉调制器的吸收体层14的材料满足条件n_s＞n₀，且具有较小的波长色散是最适宜的。更特别地，适宜采用钽、铬和钨。尤其是，从显示质量来看，钨是更适宜的，因为波长色散小，并且在可见光辐射区域上满足条件n_s＞n₀。对于钽，尽管在波长区域的一部分(在较长波长侧)n_s低于1.52，但可以选择使用的光波长和/或透明基板材料。由于与光学薄膜的组合，使用铑或镍作为吸收体是不现实的。

光学薄膜13和吸收体层14的材料不限于现有材料，具有任何复数折射率的层可通过混合沉积法，氧化度(oxidation degree)法，或用于改变膜密度的方法来形成。还有，反射降低效应不仅通过优化光学薄膜13的n₁而且通过优化物理膜厚度d₁来增强，这将随后进行说明。

获得中心在反射降低波长λ的较宽频带上的优异的黑色显示(反射降低效应)的一个优选结构将在下面进行描述。

为了获得黑色显示的优异反射降低效应，最好满足下列表达式(1)的关系。

$n_1\&cong;{(n_0{n}_s+\frac{n_0{k_s}^2}{n_s-n_0})}^{1/2}$

此外，对于中心波长λ的反射阻止最适宜的是，光学薄膜13的物理膜厚度d₁满足下列表达式(2)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＞0时，

$d_1\&cong;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{2n}_1}\{j-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-2n_1{k}_s}{{n_1}^2-n_s^2-k_s^2}\right)\}$ j：整数(2)

或满足下列表达式(3)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＜0时，

$d_1\&cong;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2n_1}\{(j+\frac{1}{2})-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-{2n}_1{k}_s}{{n_1}^2-n_s^2-k_s^2}\right)\}$ j：整数(3)

以上表达式(1)到(3)是从表达式(1-2)所表示的R1最小化时的条件得到的。

在表达式(2)和(3)中，如果j增加，每个干涉级的反射降低波长的间隔将更窄，并且中心位于反射降低波长的具有反射降低效应的波长区域将更窄(例如，见图6)。因此，为在中心位于反射降低波长λ的更宽的波段内获得反射降低效应，d₁是满足表达式(2)或(3)的最小值。就是说，最好是在可见光波长区域(从380nm到780nm)中满足关系0＜d₁＜λ/2n₁。

为在白色显示中获得优异反射增加效应，填充间隙的介质折射率n_V(在表达式(1-3)中的n₂)小于光学薄膜13的折射率n₁，并假定吸收体层14与光学薄膜13之间的间隔距离是白色显示中的d_V，对于反射降低波长λ，满足下面表达式(4)，

$d_v\&cong;\frac{(2m+1)\mathrm{\&lambda;}}{4\&CenterDot;n_v}$ m：整数              (4)

也就是说，光程n_Vd_V最好与(2m+1)λ/4相匹配。表达式(4)在表达式(1-3)中表示的R2最大的条件下得到。

如上所述，为获得优异的反射增加效应，填充间隙的介质折射率n_V必须小于n₁。此外，为获得高反射增加效应，折射率比n_V/n₁(图2B中的n₂/n₁)最好尽可能小。因此，为获得白色显示中的高反射增加效应，填充间隙的介质最好是真空或如具有折射率1的空气等气体。可替代地，可以使用具有低折射率的液体，如水(nv＝1.33)。

本发明的显示装置中的白色显示可在光学多层系统中实现，系统由提供给每个像素的干涉调制器的“光学薄膜/间隙/吸收体层”组成，由此，黑色显示状态转换到白色显示状态出现的吸收体层的移动距离(间隙距离的变化量)可以在光干涉可发生的范围内。当间隙距离是0时，反射系数最低，且当间隙距离在光程中等于(2m+1)λ/4，或在相位膜厚度中等于(2m+1)π/2(m是一个整数)时，反射系数最高。

可替代地，间隙距离的最大值可以是光学干涉将不会发生的距离。如果间隙的距离相对于光波长足够大(如，约100倍于波长或更多)，干涉的多次反射发生在不会产生光学干涉的二者之间的边界。在这一状态下，允许白色显示。利用这一结构，其优点是白色显示的间隙距离易于控制。如果间隙距离大于典型像素尺寸的一侧，观测者会感觉到视差，由此，最好是间隙距离的最大值设定为500微米或更少。

由于本发明的反射型显示装置提供的干涉调制器的反射系数依据间隙距离而变化，所以通过在逐步改变间隙距离的步骤中制作从黑色显示(最小反射系数)到白色显示(最大反射系数)的半色调显示是可能的。因此，不必要利用面积梯度，而不同于iMod^TM方法，由此，高质量的半色调显示可由较少数量的像素来制作。

为增强本发明的反射型显示装置的显示质量，可进一步提供一个光散射层和/或一个滤色器。例如，它们可放置在透明基板12的观测者一边。

光散射层将充足的光强度分配供给显示光，从而实现纸张状的显示。光散射层可以是一个内部光散射膜(如，具有粒子的树脂膜，粒子具有不同于其所分散的树脂的折射率)，一个表面散射膜(如，在表面上的几个微米的一个单元中具有不规则的压纹整理(embossingfinish))，或它们的一个组合。尤其是，在黑色显示的状态下，光散射层最好具有一个前向散射特征，以在观测者一侧降低散射光。因此，内部光散射膜比表面光散射膜更好。

例如，在本发明的反射型显示装置中，对应于每个像素的R、G和B，设定反射降低波长λ，且形成为每个λ优化的干涉调制器(光学薄膜或吸收体层)，以实现色彩的显示。但是，需要时，色彩显示的质量(如，扩大色彩再现范围)可进一步通过提供滤色器来增强。当利用具有小的波长色散的干涉调制器时(如，使用钨W形成吸收体层)，干涉调制器的结构对每个像素是通用的，并使用滤色器来着色。利用这一结构，生产便宜的反射型显示装置。

如图3中所示的反射型显示装置10以下面方式来具体地构建。

厚度为1.1mm的玻璃板(波长λ＝550nm，折射率n₀＝1.52)被用作透明基板12和基板20。基板20不要求透明。光学薄膜13可以是一个厚度为33nm的TiO₂薄膜(波长λ＝550nm，折射率n₁＝2.50，k₁＝0)。TiO₂薄膜通过溅射方法形成在玻璃基板12上。

在基板12和基板20上的光学薄膜13之间的间隔由隔离壁17来限定。例如，这一间隔约15微米。例如，隔离壁17由感光树脂形成。

吸收体层14可以是一个钽Ta薄膜，厚度约200nm(波长λ＝550nm，折射率n_s＝2.47，k_s＝1.84)。吸收体层14的尺寸最好是从约50微米到300微米，与像素的纵向和横向尺寸一致。

压电元件15可以是一个电场响应凝胶(responsive gel)，其中，二甲基亚砜(DMSO)包含在聚乙烯醇(PVA)中。该凝胶具有一个性质，即当施加一个电场时，它在平行于电场的方向上收缩，而在垂直于电场的方向上膨胀，而且具有比陶瓷等压电材料更大的位移量，优良的弹性和对光学薄膜13的优良粘附性。

在反射型显示装置10的干涉调制器中，吸收体层14与光学薄膜13之间的间隙距离通过调节在基板20平行排列的两个电极18之间的电压来改变。就是说，它可以在接触状态和分离状态之间切换。一对电极18以间隔20微米排列，例如，每个电极18具有0.5微米的高度和5微米的宽度。在此，压电元件15的厚度约为10微米。

尽管光学薄膜13和吸收体层14之间的间隙距离是通过在电极18之间施加从0V到约10V的电压而改变，不过，当间隙距离为零时(即，接触状态)，反射型显示装置10的每个像素(即，干涉调制器)是黑色显示，而当间隙距离约为135nm时(最高亮度)时，则为白色显示。

在上述结构中，在表达式(3)中，当波长λ＝550nm，和j＝0(表达式(3)右边＝33.42)时，TiO₂薄膜的膜厚度(d₁)33nm满足d₁，并且在反射系数取最小处d₁是最小值，并满足第一最小条件。

具有以上结构的反射型显示装置10的光学特征是通过模拟得到的，其结果将在下文描述。为了进行模拟，使用SCI公司制造的FilmWizard^TM。

首先，黑色显示状态和白色显示特征的光谱反射特征表示在图5中。表示入射角为0°和30°的黑色显示状态和白色显示状态。0°入射角表示从屏幕正常方向的入射。

如图5所示，黑色显示是微红的，但在中心位于550nm的反射降低波长的宽的波长区域上面获得优异的对比率。同理，入射角为30°的特征几乎等于入射角为0°的特征，由此，可见角的特征比利用iMod^TM方法的传统干涉调制器更优异。就是说，尽管如果可视角改变，使用干扰色的利用iMod^TM方法的调制器就可在色彩上改变，但本实施例的干涉调制器在光谱反射系数上具有更小的变化。

同样，如图6所示，本实施例的干涉调制器可以通过改变光学薄膜13与吸收体层14之间的间隙距离显示半色调。图6A显示了用与图5中所示的同样结构，当间隙距离是从0nm到280nm变化时的光谱反射特征。

如图6A所示，当间隙距离从0nm增加时，反射系数在宽的波长区域上单调增加。当间隙距离从120nm到140nm时，有一个区域，其反射系数与波长相反。当间隙距离接近135nm时，可获得如图5中所示的最好的白色显示。如果间隙距离进一步从140nm增加，反射系数将逐渐降低，但反射系数最小处的波长区域变窄，而且中心波长更显著地移动。因此，当间隙距离逐步变化来表示半色调时，间隙距离最好控制在从0nm(接触状态)到反射系数首次最大化的值(在此约135nm)的范围内。

图6B表示在上述结构中当光学薄膜13的厚度约为143nm(第二最小条件)时的光谱反射系数特征。从图6A和图6B之间的对比中显而易见的是，图6B中的反射系数具有比设定为满足上述表达式(2)(或表达式(3))(图6A)的最小值的光学薄膜13的厚度更大的波长色散。因此，为抑制反射系数的波长色散，光学薄膜13的厚度最好设定为满足以上表达式(2)(或表达式(3))(首次最小条件)的最小值。

尽管在本实施例中，反射降低波长设定为550nm(绿色)，但在其它波长中可以看到上述趋势。同样，尽管在以上解释中没有利用显示的滤色器，但是，当使用滤色器时，减轻了对反射系数的波长色散的需要。因此，可以考虑反射系数的绝对值和对比率来构造干涉调制器，以在所需的波长区域中充分抑制波长色散。

压电元件15的结构不限于上述实施例，但可使用各种广为人知的压电元件。例如，压电材料可以是石英、罗谢尔盐、或单晶陶瓷，如KPD，BaTiO₃，ZnO，PT，PZT，PLZT，LiNbO₃，和LiTzO₃。同样，它可以是作为有机压电材料的聚偏二氟乙烯、PVDF与三氟乙烯(TFE)或氟化乙烯(FV)的共聚物，或由PVDF，氟橡胶或环氧树脂与诸如BaTiO₃或PZF的无机铁电材料组成的合成材料。

同样，具有电气响应特性的高分子凝胶的示例可包括作为离子高分子凝胶的naphyon，作为导电高分子的聚苯胺和聚吡咯，作为非离子高分子凝胶的聚氨酯弹性体。具有电气响应特性的一些液晶弹性体包含高分子，它们在侧链具有液晶类似结构，其中，低分子液晶膨胀，由此，在电场下低分子液晶取向中的改变可以作为一个移动传递到高分子侧链以引起一个大的变形。例如，广为人知的是氰基联苯基团(cyano biphenyl group)的丙烯酸单体与n交联剂进行自由共聚，并在低分子液晶中膨胀。另外，可以使用典型的蜡、脂肪酸、脂肪酸派生物和芳族氨基化合物(aromatic amide)。

此外，压电效果包括一个纵向效果和一个横向效果，其中在纵向效果中基板在与电轴平行的方向上扩展或收缩，而在横向效果中，基板在与电轴垂直的方向上扩展或收缩。可以选择各种结构，如单板型、叠层型、双晶型、门尼(Mooney)型和铙钹(cymbal)型。同样，当使用陶瓷材料时，空隙可放在真空中。电极的形状和排列方法可以依据压电元件的种类进行选择。同样，当吸收体层自身由对外部场合响应的吸收体组成时，驱动元件可以省略。

(实施例2)

图7是表示根据本发明的第一个方面的实施例2的反射型显示装置30的结构的示意图。

组成反射型显示装置30的每个干涉调制器包括一个透明基板32，在透明基板32上提供的光学薄膜33，和具有到光学薄膜33的可变距离的间隙的吸收体层34。

吸收体层34形成在基板40上提供的驱动元件35之上。基板40和透明基板32(在此是在透明基板32上形成的光学薄膜33)以一预定的间距分隔，并由隔离壁37固定。隔离壁37围绕介质39，介质39填充吸收体层34和光学薄膜33之间形成的间隙。压电元件35由一对电极38控制。

当吸收体层34与光学薄膜33接触时，光学薄膜33作用是作为吸收体层34的抗反射膜，这样，如在图7中的左侧像素所表示的，入射光31被吸收到吸收体层34中。另一方面，当吸收体层34与光学薄膜33以预定的距离形成一个间隙时，大部分的入射光由于反射增加效应而被反射，如在图7中右侧像素所表示的(反射光36)。

尽管实施例1的反射型显示装置10中的光学薄膜13是一个单膜，反射型显示装置30具有由一个等效多层膜组成的光学薄膜33。其它的结构与反射型显示装置10相同，在此省略详细的解释。

通常，具有一定折射率的光学薄膜可等效地由一个多层膜替代，该多层膜由具有比光学薄膜的折射率更大的折射率的一层(高折射率层)，和具有比光学薄膜的折射率更小的折射率的一层(低折射率层)组成。该多层膜被称为一个等效的多层膜，并且具有单一复数折射率的特征。等效的多层膜例如可以是具有对该膜的中心平面对称放置的层的多层膜，或是层厚度足够小的两层膜。构成多层膜的高折射率层和低折射率层的每一个并不限于一种，具有不同折射率的三种或多种层可以相对中心平面对称地层叠。

通过利用等效多层膜33，反射降低效应比使用单层的光学薄膜13有所提高。

如上所述，为使光学薄膜13像抗反射膜一样起作用，需要满足预定的条件(复数折射率和膜厚度)。然而，可实际用作光学薄膜13的材料的选择是有限的。一般地，具有期望的复数折射率的光学薄膜13不能由单个材料形成，其中，期望的复数折射率使对应于吸收体层14的复数折射率的反射系数为零。相反，使用等效多层膜，具有中间复数折射率的光学薄膜33是由高折射率层与低折射率层的组合所形成，因此满足(或几乎满足)反射阻止的条件。

此外，在构成光学薄膜33的多个层中，位于与吸收体层34最近的层提供了最小折射率，因此进一步降低黑色显示状态的反射。更好的是，位于与吸收体层34最近的层是由与填充间隙的介质的折射率相同的材料组成。如果吸收体层34与光学薄膜33之间的接触不充分，由于黑色显示发生在吸收体层34与光学薄膜33接触的情况下，所以减少了反射降低效应。在这一情况下，如果位于与吸收体层34最近的层的折射率在光学薄膜33中是最低的，那么与填充间隙的介质的折射率的差异就小于具有单层结构的光学薄膜13，由此，抑制了较低的反射降低效应。另外，如果位于与吸收体层34最近的层是由与填充间隙的介质相同的材料制成的，其优点在于即使光学薄膜33的表面被吸收体层34与光学薄膜33之间的接触所损坏，反射降低效应也不太可能被降低。

图7中所示的反射型显示装置30是以下面的方式具体构建的。

具有厚度为1.1mm(波长λ＝550nm，折射率n₀＝1.52)的玻璃板被用作透明基板32和基板40。在基板32上的光学薄膜33和基板40之间的间隔由隔离壁37设定为约15μm。

如吸收体层34，使用具有厚度约为200nm厚度(波长λ＝550nm，折射率n_s＝3.17，k_s＝3.33)的铬Cr薄膜。

作为用于在波长λ＝550nm对铬的吸收体层34的全部反射阻止的理想光学薄膜(折射率n₁＝3.88，物理膜厚度d₁＝20.35nm)的等效多层膜33，光学薄膜33是具有17.17nm的膜厚度的单晶硅薄膜和具有2.37nm的膜厚度的二氧化硅薄膜以从与玻璃基板32接触的一侧的顺序形成的。单晶硅通常被作为用于红外线的透明材料，但是也可适用于本发明实施例的干涉调制器的光学薄膜，因为折射率n在可见光辐射区域中高达3.6到5.5，而消光系数k低至0.2到0.6。同样，二氧化硅薄膜可利用硅薄膜的天然氧化物膜。

作为压电元件35，可以使用与实施例1相同的厚度约为10μm的电场响应凝胶。其它结构与实施例1的反射型显示装置10是相同的。

反射型显示装置30的每个像素(即，干涉调制器)可以通过与反射型显示装置10相同的方式横跨电极38施加0V到约10V的电压得到梯度显示。

从图8A中所示的光谱反射系数特征看，当光学薄膜33与吸收体层34之间的间隙距离为零(即，接触状态)时，获得黑色显示，而当间隙距离约为140nm时，则获得白色显示(最高亮度)。从图8A与图6A的比较可明显看出，本实施例的反射型显示装置30在550nm的反射降低波长的黑色显示中有较低的反射系数，且在白色显示中有较高的反射系数。以该方式使用等效多层膜，可以得到更优良的反射降低效应。

尽管图8A中比在图6A中具有更大的波长相关性，不过，例如，当实现色彩显示时，反射降低波长为每种色彩设置，且如需要，可进一步使用滤色器，由此，等效多层膜具有更多优点。

图8B表示光谱反射特征，其中光学薄膜33由具有83.45nm的膜厚度的单晶硅薄膜和具有4.37nm的膜厚度的二氧化硅薄膜以从与玻璃基板32接触的一侧排列而形成(第二个最小条件)。从图8A和图8B的比较可以看出，反射系数的波长色散在图8B中要大于光学薄膜(等效多层膜)33的等效膜厚度被设定为满足表达式(2)(或表达式(3))的最小值处的情况(图8A)。因此，为抑制反射系数的波长色散，光学薄膜33的厚度最好设定为满足表达式(2)(或表达式(3))的最小值(第一最小条件)。

(实施例3)

图9是一个示意图，表示根据本发明的第二方面的实施例3的反射型显示装置50的结构。

构成反射型显示装置50的每个干涉调制器包括一个透明基板52、透明基板52上提供的叠层膜53，和具有到叠层膜53可变距离的间隙的吸收体层54。叠层膜53具有三个或更多透明薄膜层，两个邻近透明薄膜层的复数折射率相互不同。这里所示的叠层膜53具有一个交替的叠层膜，其中，具有较大折射率的第一透明薄膜层53a与具有较小折射率的第二透明薄膜层53b可以交替地堆叠，以及第三透明薄膜层53c与提供在交替的叠层膜上的吸收体层54相对。利用该交替的叠层膜，叠层膜53可以相对便宜地来制造。

吸收体层54形成在基板60上提供的驱动元件55上面。基板60和透明基板52(这里在透明基板52上形成叠层膜53)以预定的间距分隔，并由隔离壁57固定。隔离壁57围绕一个介质59，介质59填充在吸收体层54和叠层膜53之间形成的间隙。压电元件55由一对电极58控制。

当吸收体层54与叠层膜53接触时，叠层膜53用作为吸收体层54的抗反射膜，这样，如图9中的左侧像素所表示的，入射光51被吸收到吸收体层54中。另一方面，当吸收体层54与叠层膜53以预定的距离形成一个间隙时，如在图9中右像素所表示的，大部分的入射光由于反射增加的效果而被反射(反射光56)。

反射型显示装置50具有叠层膜53，代替实施例1的反射型显示装置10中的光学薄膜13，由此，在更宽的频带有优异的反射降低效应。反射系数为零的全部反射阻止仅发生在单层膜情况下的单个波长(中心波长)。一般地，物质的光学常数随波长而变化，并具有波长色散，这样，反射系数在除中心波长之外的波长处不恰好为零，需要多层膜以用于在更宽的波长区域上进行反射阻止。如图9中所示的反射型显示装置50具有每层厚度可变的叠层膜53，由此，反射降低面积被扩大，并改善了视角相关性。

下面将描述在可见光辐射区域中宽带上的叠层膜53与吸收体层54的结合展示出反射降低效应(黑色显示)和反射增加效应(白色显示)的条件。

一般地，多层膜的光学特征使用一个多层膜系统的特征矩阵来表示(该系统包括叠层膜53和吸收体54)，其中，多层膜的特征矩阵被界定为每层的特征矩阵的结果。反射系数在具有光学导纳(折射率)η₀的入射介质和具有特定光学导纳的多层膜系统之间的边界平面上获得。因此，当两个光学导纳匹配时，可以获得反射降低效应，而当二者有极大的不同时，可以获得反射增加效果。

因此，其中堆叠M层(M是等于或大于3的正整数)的叠层膜53中，假定透明基板52的折射率是η₀，吸收体层54的复数折射率是η_s＝n_s-i·k_s，从靠近透明基板52的一侧的第j层(53a，53b或53c)的复数折射率是η_j＝n_j-i·k_j，且相位膜厚度是δ_j，白色显示中得到高反射系数的条件需要 $k_j\&cong;0,$ 其中每层是透明的。

进一步，为获得黑色显示中优异的反射降低效应，如果在下面表达式(5)中给定B和C，

$\left(\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_j& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)/{\mathrm{\&eta;}}_j\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_j\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\&eta;}}_s\end{array}\right)...\left(5\right)$

在可见光波长区域(380nm＜λ＜780nm)中，最好满足下面关系式(6)，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right)}^{*}<\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}...\left(6\right)$

                                     (^*复共轭)

同样，为了填充间隙59的物质和吸收体层54、叠层膜53和间隙的组合在可见光辐射区域的宽带上得到反射增加效应(白色显示)，最好满足下列表达式。

假定在叠层膜53与吸收体层54之间形成的间隙所填充的介质的折射率是η_V，间隙的物理距离是δ_V，且由下面的表达式(7)给定D和E，

$\left(\begin{array}{c}D\\ E\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_j& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)/{\mathrm{\&eta;}}_j\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_j\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_v& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)/{\mathrm{\&eta;}}_v\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_v\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\&eta;}}_s\end{array}\right)...\left(7\right)$

在宽带的可见光波长区域(380nm＜λ＜780nm)，下面的表达式(8)最好满足，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right)}^{*}>\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}...\left(8\right)$

                                        (^*复共轭)

具体地，为得到优异的白色显示，折射率η_V最好尽可能低，且物理膜厚度δ_V在有反射降低效应的波长区域中的特定波长为(2m+1)π/2(m是一个整数)。

图9中所示的反射型显示装置50是以下面的方式具体构建的。

具有厚度为1.1mm(波长λ＝550nm，折射率n₀＝1.52)的玻璃板用作透明基板52和基板60。在基板52上的叠层膜53与光学薄膜13和基板60之间的间隔由隔离壁57设定为约15μm。

如吸收体层54一样，使用具有厚度约为200nm的钨W薄膜。

叠层膜53可以是交替的叠层膜，其由厚度为14.56nm的Ta₂O₅(第一透明薄膜层53a)、厚度为33.58nm的SiO₂(第二透明薄膜层53b)、厚度为138.88nm的Ta₂O₅、厚度为35.53nm的SiO₂、厚度为33.44nm的Ta₂O₅、厚度为27.09nm的SiO₂、厚度为89.09nm的Ta₂O₅、厚度为25.7nm的SiO₂、厚度为13.52nm的Ta₂O₅、厚度为106.2nm的SiO₂，和厚度为6.93nm的Ta₂O₅以从与观测者一侧上的玻璃基板52接触的一侧顺序形成。在交替的叠层膜的吸收体层54一侧提供的第三透明薄膜层53c可以是厚度为31.24nm的TiO₂膜。Ta₂O₅薄膜和SiO₂薄膜通过真空沉积形成，且TiO₂薄膜通过溅射形成。

反射型显示装置50的每个像素(即，干涉调制器)可以通过横跨电极58施加0V到约10V的电压以与反射型显示装置10的相同方式实现梯度显示。

从图10A中所示的光谱反射系数特征看，当叠层膜53与吸收体层54之间的间隙距离为零(即，接触状态)时，得到黑色显示，而当间隙距离为约140nm时，则得到白色显示(最高亮度)。从图10A与图6A之间比较可明显看出，本实施例的反射型显示装置50在550nm的反射降低波长的黑色显示中具有较高的反射系数，但在更宽的区域上具有较低的反射系数。同样，反射型显示装置50在较宽的区域上的白色显示中具有较高的反射系数。黑色和白色显示中的的Y值是5.2和82.5，对比率是约16。

图10B表示光谱反射特征，其中第三透明薄膜53c由具有142.61nm的膜厚度的TiO₂膜形成(第二最小条件)。从图10A和图10B之间的比较可以明显看出，反射系数的波长色散在图10B中要大于在叠层膜53中的第三透明薄膜53c的厚度被设定为最小值(图10A)时的情况。因此，为抑制反射系数的波长色散，第三透明薄膜53c的厚度最好设定为最小值(第一最小条件)。

尽管在以上实施例1到3中，玻璃基板被用作透明基板，但本发明并不限于此。只要可见光辐射透射度很高，透明基板的种类可以是塑料。形成透明塑料基板的聚合物的示例包括纤维素脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚砜树脂、聚醚砜(polyetersulfone)、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺(polyeter imide)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酮(polyeter ketone)。由于作为光入射介质的透明基板的折射率n₀，是决定光学薄膜和吸收体层的结构的一个因素，因此，最好是低折射率。透明基板的厚度并没有限制，除了膜的厚度足以不引起光干涉，但可以根据使用目的适当选择。

光学薄膜材料的示例包括具有高折射率的TiO₂、ZrO₂、ZnS，HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、In₂O₃、Nd₂O₃、Sb₂O₃、CeO₂、ZnSe、CdS、Sb₂S₃、Si、Ge和PbTe，具有中间折射率的Al₂O₃、CeF₃、MgO、LaF₃、CeF₃、ThO₂、La₂O₃、SiO，及具有低折射率的MgF₂、SiO₂、CaF₂、NaF、Na₃AlF₆和LiF。透明导电膜的示例包括ITO、ZnO(Al，In，Si)、CdO-SnO₂(CTO:CdSnO₄)、ZnO-SnO₂(Zn₂SnO₄)、CdIn₂O₄，它们根据计划的光学特性而使用。

同样，这些薄膜的形成方法包括使用诸如蒸发的真空沉积方法和惰性气体离子的溅射方法的物理蒸气沉积(PVD)，使用化学反应的化学气相沉积(CVD)，使用从液相生长的电化学电镀方法，和喷雾方法(spray method)。

(实施例4)

尽管在以上实施例1到3中，光学薄膜或叠层膜与吸收体层之间的间隙可以控制(利用干涉)，以形成白色显示，但是这里没有用干涉形成白色显示。实施例3的改变可以作为示例，但实施例1和2同样也可以改变。

如图9中所示，实施例4的反射型显示装置70具有由厚度为1.1mm的玻璃制成的一对上、下透明基板72和80，其通过隔离壁78固定约为50μm的间隔。空气被充入间隙79。

同样，具有厚度为200nm的ITO电极77提供在观测者一侧的观测者侧基板72上，且叠层膜73供应在吸收体层74上。叠层膜73同实施例3的反射型显示装置50的叠层膜53一样。

ITO电极76供应在下玻璃基板80上，且其上形成厚度为5μm的正电孔(positive hole)传输层75。正电孔传输层75是通过涂覆溶液来形成，溶液是由作为正电孔传输材料的4-二乙氨基-2-甲基苯甲醛-1(4-dietylamino-2-methylbenzaldehyde-1)、1-联苯-腙(1-diphenyl-hydrazone)，和聚碳酸酯在ITO电极76上通过旋镀(spincoating)方法以1∶1的重量比混合而构成的。

吸收体层74由钨(W)的板状粉末组成，尺寸为3μm，厚度约为280nm。该板状粉末是通过在基板上涂覆正光阻剂(S1813，Shipley)作为牺牲层，通过溅涂方法在其上形成厚度为280nm的W膜，通过石印术(lithography)将其制成3平方微米，并以乙醇作为溶剂溶解牺牲层而形成的。

组成吸收体层74的板状粉末通过在电极76和77之间施加一个电压(0V到约100V)的静电力来驱动，并在与叠层膜73(图11中的左边)接触的状态与完全分离的状态(图11中的右边)之间切换。

在吸收体层74接触叠层膜73时的状态下实现黑色显示，并在吸收体层74完全与叠层膜73(沉积在正电孔传输层75上：间隙距离约500微米)分开的状态下实现白色显示。分开状态下的距离可足够长以不引起光学干涉，且不需要控制电压，由此用于驱动的结构较简单。

尽管ITO电极77形成在如图11所示的示例中的观察者一侧上的观察者侧的玻璃基板72上，不过，当诸如ITO的透明导电膜提供在与吸收体层74(第三透明薄膜层73c)最近的叠层膜73的一侧上时，透明导电膜可用作上电极。采用该结构，优点是构造被简化。具体地，简单矩阵型的显示装置可在结构中简化。采用该透明导电膜的简化结构也可应用到根据实施例1到3的反射型显示装置上。

利用本发明，可生产具有高反射系数和高对比率的干涉调制器。采用该干涉调制器，可生产具有高亮度和高对比率的反射型显示装置。尽管本发明的反射型显示装置适合用于各种电子设备，但还适于以户外使用的移动目的的电子书为代表的便携式电子设备中字符信息和图象信息(包括移动图象信息)的显示。

本发明的干涉调制器不限于直视型的反射型显示装置，也可应用到投影型显示装置，以及如空间光调制元件、光通信交换元件和光快门(light shutter)的光调制元件。

Claims (37)

1.一种干涉调制器包括：

一个透明基板，折射率：n₀；

一个提供在所述透明基板上的光学薄膜，复数折射率：N₁＝n₁-i·k₁；和

一个与所述光学薄膜相对的吸收体层，复数折射率：N_s＝n_s-i·k_s，其到所述光学薄膜的间隙的距离是变化的；

其中满足下列关系，

n₁＞n₀， $k_1\&cong;0$ 和n_s＞n₀。

2.如权利要求1所述的干涉调制器，其中满足表达式(1)的下列关系，

$n_1\&cong;{(n_0{n}_s+\frac{n_0{k_s}^2}{n_s-n_0})}^{1/2}---\left(1\right).$

3.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，对于可见光辐射区域中的波长λ，所述光学薄膜的物理膜厚度d₁满足下列表达式(2)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＞0时，

$d_1\&cong;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{2n}_1}\{j-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{{-2n}_1{k}_s}{{n_1}^2-n_s^2-k_s^2}\right)\}$ j：整数(2)

或满足下列表达式(3)，当n₁ ²-n_s ²-k_s ²＜0， $d_1\&cong;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{2n}_1}\{(j+\frac{1}{2})-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{{-2n}_1{k}_s}{{n_1}^2-n_s^2-k_s^2}\right)\}$ j：整数(3)。

4.如权利要求3所述的干涉调制器，其中d₁是满足表达式(2)或(3)的最小值。

5.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，填充形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的间隙的介质的折射率n_v小于所述光学薄膜的折射率n₁，并假定所述间隙的物理距离是d_v，对于可见光辐射区域中的波长λ，满足下列表达式(4)，

$d_v\&cong;\frac{(2m+1)\mathrm{\&lambda;}}{4{\&CenterDot;n}_v}$ m：整数(4)。

6.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，所述光学薄膜由等效的多层膜组成。

7.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离在干涉范围内改变。

8.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离变化到没有干涉发生处的光学距离。

9.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙逐步改变。

10.如权利要求1所述的干涉调制器，进一步包括一个驱动元件，用于改变形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离。

11.如权利要求10所述的干涉调制器，其中，所述驱动元件包括一个压电元件。

12.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙是真空的或用气体填充。

13.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙用液体填充。

14.如权利要求1所述的干涉调制器，进一步包括一个滤色器，用来通过具有特定波长的光。

15.如权利要求1所述的干涉调制器，进一步包括一个光散射层。

16.如权利要求1所述的干涉调制器，其中，所述光学薄膜包括至少一个透明导电层。

17.如权利要求16所述的干涉调制器，其中，形成在所述光学薄膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离根据施加给所述至少一个透明导电层的电压而改变。

18.一种具有多个像素的显示装置，其中每个像素包括根据权利要求1的干涉调制器。

19.如权利要求18所述的显示装置，其中所述多个像素包括第一像素和第二像素，其中，提供给所述第一像素和所述第二像素的所述干涉调制器在所述光学薄膜、或所述吸收体层的结构上互不相同。

20.一种包括根据权利要求19的显示装置的电子装置。

21.一种干涉调制器，包括：

一个透明基板，折射率：η₀；

一个提供在所述透明基板上的叠层膜；和

一个与所述叠层膜相对的吸收体层，复折射率：η_s＝n_s-i·k_s，其到所述叠层膜的间隙的距离是变化的；

其中，假定所述叠层膜具有三个或更多透明薄膜层，两个相邻的透明薄膜层的复数折射率互不相同，距离所述透明基板最近一侧的所述第j个薄膜层的复数折射率是η_j＝n_j-i·k_j，相位膜厚度是δ_j，且B和C由下列表达式(5)给出，

$\left(\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_j& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)/{\mathrm{\&eta;}}_j\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_j\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\&eta;}}_s\end{array}\right)---\left(5\right)$

$k_j\&cong;0,$ 并且在可见光波长区域中，即380nm＜λ＜780nm，满足下列表达式(6)，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B-C}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;B+C}\right)}^{*}<\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}---\left(6\right)$

^*复共轭。

22.如权利要求21所述的干涉调制器，其中，假定填充形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙的介质的折射率是η_v，所述间隙的物理距离是δ_v，以及D和E由下列表达式(7)给出，

$\left(\begin{array}{c}D\\ E\end{array}\right)=\left\{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_j& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)/{\mathrm{\&eta;}}_j\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_j\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)\end{array}\right)\right\}\left(\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\&delta;}}_v& i\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)/{\mathrm{\&eta;}}_v\\ i\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_v\&CenterDot;\sin \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)& \cos \left({\mathrm{\&delta;}}_v\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\&eta;}}_s\end{array}\right)---\left(7\right)$

在可见光波长区域中，即380nm＜λ＜780nm，满足下列表达式(8)，

$\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D-E}{{\mathrm{\&eta;}}_0\&CenterDot;D+E}\right)}^{*}>\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right){\left(\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0-{\mathrm{\&eta;}}_s}{{\mathrm{\&eta;}}_0+{\mathrm{\&eta;}}_s}\right)}^{*}---\left(8\right)$

^*复共轭。

23.如权利要求21所述的干涉调制器，其中，所述叠层膜具有一个交替的叠层膜，其中具有互不相同的复数折射率的第一透明薄膜层和第二透明薄膜层交替地堆叠，和一个提供在所述交替叠层膜上并与所述吸收体层相对的第三透明薄膜层。

24.如权利要求21所述的干涉调制器，其中，形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离在干涉范围内改变。

25.如权利要求21所述的干涉调制器，其中，形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离变化到没有干涉发生处的光学距离。

26.如权利要求21所述的干涉调制器，其中，形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙逐步改变。

27.如权利要求21所述的干涉调制器，进一步包括一个驱动元件，用于改变形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离。

28.如权利要求27所述的干涉调制器，其中所述驱动元件包括一个压电元件。

29.如权利要求21所述的干涉调制器，其中形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙是真空的或用气体填充。

30.如权利要求21所述的干涉调制器，其中形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙用液体填充。

31.如权利要求21所述的干涉调制器，进一步包括一个滤色器，用来通过具有特定波长的光。

32.如权利要求21所述的干涉调制器，进一步包括一个光散射层。

33.如权利要求21所述的干涉调制器，其中所述叠层膜包括至少一个透明导电层。

34.如权利要求33所述的干涉调制器，其中形成在所述叠层膜与所述吸收体层之间的所述间隙的距离根据施加给所述至少一个透明导电层的电压而改变。

35.一种具有多个像素的显示装置，其中每个像素包括根据权利要求21的干涉调制器。

36.如权利要求35所述的显示装置，其中所述多个像素包括第一像素和第二像素，其中提供给所述第一像素和所述第二像素的所述干涉调制器在所述叠层膜或所述吸收体层的结构上互不相同。

37.一种包括根据权利要求35所述的显示装置的电子设备。

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