TW201821879A - 顯示裝置 - Google Patents

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哈里斯 巴斯卡蘭
培曼 侯賽尼
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Abstract

本發明揭示顯示裝置。在一個配置中，一顯示裝置包括一反射層，該反射層包括反射材料。額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上。各堆疊包括一光學可切換層。複數個切換元件經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分。各切換元件係可操作以將加熱施加至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀。該裝置藉由驅動一電流通過該切換元件以在該切換元件中產生焦耳加熱而施加該加熱。該電流在包括該反射層之一部分之一電路中流動。

Description

顯示裝置
本發明係關於一種顯示裝置，特別是用作一微顯示器中之一空間光調變器，其中於一反射層上方提供一光學可切換層，及於該反射層之後方之一積體電路中提供背板切換電子器件。
矽背板微顯示器已發現作為背投影電視、微型投影器、抬頭顯示器(HUD)及頭戴式或近眼式顯示器中之主要光調變元件之廣泛商業用途(Underwood, I.，A review of microdisplay technologies. Digest， Electronic Information Displays Conference，(2000年))。結合矽(通常CMOS)背板使用之若干光學調變技術之最具發展前景的係數位微鏡裝置(DMD)及矽上液晶(LCoS)器件(Nature Photonics 1，第276至277頁(2007年))。其中，LCoS器件已經由投影光學件而發現二維影像顯示器外之應用，此係歸因於其等針對振幅及相位調變兩者之可組態性(Journal of Display Technology，第7卷，第3號，2011年3月)。此允許此等器件在二維及三維全像投影系統、適應性光學件(例如，波前校正)及光子器件(例如光束操縱元件、光學互連件、光學相關器)中之潛在應用。然而，藉由以下事實已限制LCoS器件之效能：在兩個適用的液晶(LC)材料類型中，向列型在各像素處提供連續相位或振幅控制，但切換係緩慢的，而鐵電型提供快速(亞毫秒)切換但僅在兩個二進位狀態之間。另外，實現所要的調變所需之液晶材料之厚度(通常3至5 µm)及LC之彈性性質意謂最小可獨立地定址區域亦係依此尺度的，從而限制可見光波長下之可達成繞射角度，及因此限制投影影像尺寸。
本發明之一目的係提供一種替代的顯示裝置，該顯示裝置可以一小型方式及/或以低成本製造，及/或該顯示裝置能夠至少部分解決上文關於先前技術提及之一或多個問題。 根據本發明之一態樣，提供一種顯示裝置，其包括：一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層；複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以將加熱施加至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀，其中該裝置經組態以藉由驅動一電流通過該切換元件以在該切換元件中產生焦耳加熱而施加該加熱，其中該電流在包括該反射層之一部分之一電路中流動。 因此，提供一種配置，其中該反射層既用作用於將入射光向外朝向一使用者反射回之一鏡，且用作用於可控制地切換界定該顯示裝置之像素之可切換部分之一陣列之一電氣配置之部分。反射層之此雙重用途促進以低成本製造，並允許以小型形式提供該顯示裝置。此方法亦提供可藉由圖案化該反射層而達成之額外優點之依據(即，提供非簡單地係均質組合物之一連續平面層之一反射層)。 在一實施例中，反射層包括不同導熱性之區域之一圖案，該圖案係諸如為了增加對應於一切換元件之該反射層之各區域與對應於一不同切換元件之該反射層之各區域之間之耐熱性。 此熱隔離減小或防止熱經由該反射層之非所要橫向擴散，該熱擴散可能導致不同切換元件之間之串擾。 在一實施例中，圖案化該反射層，使得各切換元件包括形成於該反射層內之高電阻之一局部路徑，該局部路徑係使得由該切換元件提供之該焦耳加熱之至少25%係由該局部路徑內之焦耳加熱提供。 藉由提供經由該反射層內之該局部路徑之該加熱之一大部分、絕大部分或甚至實質上所有，減小或移除對其他分離加熱元件(例如在該反射層之下方)之需求，藉此減小製造成本及/或增加器件小型化。 根據本發明之一替代的態樣，提供一種顯示裝置，其包括：一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層；複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以透過該反射層施加一信號至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀，其中該光學可切換層包括一相變材料，該相變材料係可在複數個穩定狀態之間切換，該等穩定狀態之各者具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率，該相變材料係可藉由施加熱而在該複數個穩定狀態之間切換；該光學可切換層經組態使得該光學可切換層之切換導致該裝置針對一預定頻率範圍內之入射輻射提供下列效應之一者或兩者：i)至少50倍之反射率之一改變；或ii)在nπ/2弧度之5%內之相位之一改變，其中n係一整數。 發明者已意識到，具有基於透過一光學可切換層反射光之此特定架構之顯示裝置可出乎意料有效地提供高對比度窄頻帶效能，尤其是其中光學可切換層包括可藉由在具有相對於其他穩定狀態之各者之不同折射率之複數個穩定狀態之間施加熱而切換之一相變材料。 根據本發明之一替代的態樣，提供一種顯示裝置，其包括：一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層；複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以透過該反射層施加一信號至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀；及一積體電路層，其經形成於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上，該積體電路層包括至少一個積體電路晶片，該積體電路晶片包括下列之一或多者：1)複數個切換元件之各者之所有或一部分；2)用於驅動複數個切換元件之電子器件，其中該光學可切換層包括一相變材料，該相變材料係可在複數個穩定狀態之間切換，該等穩定狀態之各者具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率，其中該相變材料係可藉由施加熱而在該複數個穩定狀態之間切換。 因此，提供一種配置，其可以低成本，例如使用已知用於LCoS器件之矽背板CMOS配置之最小調適而製造。 現將藉由實例之方式參考附圖進一步描述本發明，其中：
貫穿本說明書，使用術語「光學」及「光」，此係因為其等係與電磁輻射相關之技術中之常用術語，但應瞭解，在本說明書之上下文中，其等不限於可見光。設想本發明亦可結合可見光譜外之波長(諸如結合紅外光及紫外光)使用。 本發明之某些實施例係基於例如Nature 511，第206至211頁，2014年；WO2015097468A1中描述之基於新穎相變材料(PCM)之反射式顯示器技術之新認可應用，且其中光學外觀係由次微米級固態層之一堆疊之厚度判定，該等固態層之下層係一反射層(亦稱為一鏡層)。在此等器件中，主動PCM層僅係大約10 nm厚，且經由光學、熱或電氣手段而使其在其非晶狀態與結晶狀態之間切換，顯著地改變波長相依複折射率。此導致兩個明亮、色彩生動的穩定狀態之間之快速(潛在地亞毫秒)、可重複的、可逆的切換，兩個狀態均不需要能量來維持。PCM層之奈米級厚度意謂奈米級空間圖案化係可能的。在歐洲專利申請案EP16000280.4中揭示一種切換基於PCM之光學堆疊之獨立、較大面積(10至100平方微米)區域之方法，其中在反射層之後方及與反射層電隔離之各像素區域中提供微加熱元件。 本發明之實施例係關於一種顯示裝置1，該顯示裝置1之實例係在圖1至圖7中最詳細地描繪。顯示裝置1包括一反射層12。反射層12包括反射材料(諸如一金屬)。已知金屬提供良好反射率(當足夠厚時)，且亦具有高導熱性及導電性。反射層12可具有關於可見光、紅外光及/或紫外光之50%或更大、可選地90%或更大、可選地99%或更大之一反射率。反射層12可包括例如由Au、Ag、Al或Pt組成之一薄金屬膜。若此層將係部分反射的，則可選擇5至15 nm之範圍中之一厚度，否則將層製造成較厚(諸如100 nm)以實質上完全反射。 額外層之一或多個堆疊10提供於反射層12上。各堆疊10包括一光學可切換層16。光學可切換層16係由能夠切換以導致顯示器之一區域改變其外觀的一材料形成之一層。在圖1至圖7中展示之特定實例中，提供一單一堆疊10。在其他實施例中，提供多個堆疊10。各堆疊10可對應於顯示器之一像素或一子像素。 在一實施例中，光學可切換層16包括一相變材料(PCM)。PCM可藉由施加一電信號或熱而在複數個穩定狀態之間切換。各穩定狀態具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率(視情況包含折射率之一不同虛分量，並藉此包含一不同吸收率)。然而，光學可切換層16可以其他方式形成，例如以便實施一LCD或一OLED顯示器。在一實施例中，各堆疊10中之所有層係固態的，且經組態使得該等層之厚度以及折射率及吸收性質組合，使得光學可切換層(例如，PCM)之不同狀態導致不同、明顯相異的反射光譜。在Nature 511，第206至211頁(2014年7月10日)、WO2015/097468A1、WO2015/097469A1、EP16000280.4 及PCT/GB2016/053196中描述此類型之光學器件。 在一實施例中，PCM包括以下之一或多者、基本上由以下之一或多者構成、或由以下之一或多者構成：釩之氧化物(其亦可稱為VOx )；鈮之氧化物(其亦可稱為NbOx )；包括Ge、Sb及Te之一合金或化合物；包括Ge及Te之一合金或化合物；包括Ge及Sb之一合金或化合物；包括Ga及Sb之一合金或化合物；包括Ag、In、Sb及Te之一合金或化合物；包括In及Sb之一合金或化合物；包括In、Sb及Te之一合金或化合物；包括In及Se之一合金或化合物；包括Sb及Te之一合金或化合物；包括Te、Ge、Sb及S之一合金或化合物；包括Ag、Sb及Se之一合金或化合物；包括Sb及Se之一合金或化合物；包括Ge、Sb、Mn及Sn之一合金或化合物；包括Ag、Sb及Te之一合金或化合物；包括Au、Sb及Te之一合金或化合物；及包括Al及Sb之一合金或化合物(包含依任何穩定化學計量之下列化合物/合金)：GeSbTe、VOx 、NbOx 、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe及AlSb)。較佳地，PCM包括Ge2 Sb2 Te5 及Ag3 In4 Sb76 Te17 之一者。此外，上述材料之任一者可包括一或多個摻雜劑(諸如C或N)。可使用其他材料。 已知PCM當在非晶相與結晶相之間切換時，經歷實折射率及虛折射率兩者之一大改變。可例如藉由由適合的電脈衝或由來自一雷射光源之一光脈衝引發之加熱，或如在下文描述之實施例中，藉由由與PCM熱接觸之一切換元件而產生之熱之導熱而達成切換。當材料在非晶相與結晶相之間切換時，存在折射率之一大改變。材料在任一狀態中係穩定的。可執行切換達一有效無限數目次。然而，切換係可逆的並非關鍵。 適用於使用PCM之所有實施例之一進一步增強係PCM不必在一完全結晶狀態與一完全非晶狀態之間簡單地切換。可達成相之一混合(諸如20%結晶、40%結晶等)。材料之所得有效折射率取決於部分結晶化之程度介於完全結晶與完全非晶之兩個極端情況之間的某種情況。可容易達成介於四個與八個之間的相異混合相，其等具有對應數目個不同可偵測反射率，但是在適當控制的情況下，數目可高得多(諸如128個)。 儘管本文中描述之一些實施例提及材料層可在兩個狀態(諸如結晶相及非結晶相)之間切換，但變換可在任何兩個固態相之間，包含但不限於：結晶相至另一結晶相或似結晶相，或反之亦然；非結晶至結晶或似結晶/半規律化，或反之亦然，及之間之所有形式。實施例亦不限於僅兩個狀態。 在一實施例中，PCM包括小於200 nm厚之一層中之Ge2 Sb2 Te5 (GST)。在另一實施例中，PCM包括小於100 nm厚之一層中之GeTe。 在諸如PCM、ITO、SiO2 等等之無機材料層之情況中，可使用濺鍍而沈積形成各堆疊10之額外層，其可在100℃或甚至70℃或更低之相對低溫下執行。可藉由旋塗及固化而形成聚合物層。亦可視需要提供額外層。低溫程序意謂光學裝置1不必與包括光學裝置1之物件同時製造；光學裝置1可經改裝為稍後施加之一表面塗層。 在一實施例中，額外層之一或多個堆疊10進一步包括一間隔層14(其可包括一單一層或複數個不同層)，該間隔層14經提供於反射層12與處於相同於間隔層14之堆疊10中之光學可切換層16之間。選擇形成間隔層14之材料或若干材料之厚度及折射率，以產生一所要的光譜回應(經由干涉)。 另外地或替代地，在各種實施例中，額外層之一或多個堆疊10之各者進一步包括一罩蓋層18(其可包括一單一層或複數個不同層)。各堆疊10中之光學可切換層16經提供於罩蓋層18與反射層12之間。如同間隔層14，選擇形成罩蓋層18之材料或若干材料之厚度及折射率以產生一所要光譜回應(經由干涉及/或吸收)。PCT/GB2016/053196中論述其中間隔層14及/或罩蓋層18各包括具有不同複折射率之不同材料之兩個或更多層，以便擴大可由顯示裝置1產生之色彩及/或其他光學效應之範圍之配置。 可用於形成間隔層14及罩蓋層18之材料可包含(但不限於) ZnO、TiO2 、SiO2 、Si3 N4 、TaO及ITO。 如例如圖1至圖7中所示，提供複數個切換元件20。切換元件20經定位於與一或多個堆疊10相對的反射層12之一側上或形成反射層12之部分。各切換元件20係可操作以將加熱施加至光學可切換層16之一可切換部分，並藉此改變當從顯示裝置1之一觀看側(在圖1至圖7之實例中，從上方)觀看時之可切換部分之一外觀。切換元件20及用於驅動切換元件20之電子器件經提供於反射層12之後方(或部分地與反射層12處於相同層中)。因此，可獨立於切換元件20及用於驅動切換元件20之電子器件而修改由反射層12上方之層判定之裝置1之光學效能。光束路徑中無用於切換所需之電極或像素級電路。 裝置1藉由驅動一電流通過切換元件20以在切換元件20中產生焦耳加熱(電阻加熱)而施加加熱。電流在包括反射層12之一部分之一電路中流動。使用反射層12作為電路之部分避免為此目的提供分離電氣元件(例如，導電軌)之需求。因此，可更廉價並小型地製造裝置1。此外，反射層12可經圖案化以提供如下文所述之額外優點。 在一實施例中，切換元件20包括與用作一返回電流路徑之反射層12之一部分串聯之一電阻組件。此係圖1及圖2之實施例及圖3及圖4之實施例中之情況。在此等實施例中，當從顯示裝置1之觀看側(即，在圖1至圖4之實例中，從上方)觀看時，電阻組件通常將定位於反射層12之後方。在一實施例中，各切換元件20使得當一電流經驅動通過電阻組件以驅動切換元件20時，與電流相關之焦耳加熱在電阻組件中比在反射層中高。此可例如藉由將電阻組件組態為具有一相對高電阻而達成。可例如藉由形成具有一蛇形、蜿蜒及/或鋸齒形路徑(以便相對窄及長)之一電路徑，如圖2中示意性地描繪，及/或藉由自一較高電阻材料形成電阻組件，及/或藉由使電阻組件形成為一非常薄層而提供一高電阻。增加電阻將增加針對一固定施加電流之焦耳加熱量。應注意，儘管圖1及圖2展示佔據背板之電路元件24與反射層12之間之一平面內之一區域之切換元件20，其中導電通路22製作此等元件之間之平面外連接，但此僅為闡釋性目的。切換元件之目的係根據期望的時間熱輪廓(heat profile)可控制地升高對應於切換元件20之光學可切換層16 (PCM)之一可切換部分(其可界定一像素或子像素)之溫度。切換元件20可呈現適於達成此目的之任何形狀或組態。例如，切換元件20本身可提供電路元件24與反射層12之間之平面外通路。 可以各種不同方式提供用於驅動切換元件20之驅動電子器件。通常地，驅動電子器件將經提供於矽(通常為CMOS)中之反射層12之後方，且可因此被稱為一矽背板。一實例組態在圖8中描繪，且在下文進一步詳細描述。因此，裝置1可包括形成於與一或多個堆疊相對的反射層12之一側上之一積體電路層。積體電路層包括至少一個積體電路晶片(一矽背板)，該積體電路晶片包括下列之一或多者：1)複數個切換元件20之各者之所有或一部分；2)用於驅動複數個切換元件20之電子器件。因此，複數個切換元件至少部分實施於一單一積體電路晶片內。 在圖1至圖8之實施例中，驅動電子器件包括電路元件24，且經提供於一支撐基板26上。電路元件24允許切換元件20經個別地定址，從而允許裝置1視需要選擇性地引導一電流通過切換元件20之各者。通路22可用於在裝置1之不同層之間引導電流。 在圖1及圖2之實施例中，反射層12包括反射材料之一連續平面層(具有均質組合物)。此類型之實施例係相對容易製造的。 在其他實施例中，反射層12包括不同導熱性之區域之一圖案，該圖案係諸如為了增加對應於一切換元件20(即，在一特定切換元件20上方或形成一切換元件20之部分)之反射層12之各區域與對應於一不同切換元件之反射層12之各區域之間之耐熱性。此熱隔離減小或防止經由反射層12之非所要橫向熱擴散，該熱擴散可導致不同切換元件20之間之串擾(即，藉由允許由一個切換元件20提供之加熱影響與一不同切換元件20相關聯之光學可切換層16之一可切換部分之一溫度)。 圖3及圖4中展示此一實施例之一實例。在此實例中，反射層12經圖案化，使得對應於一切換元件20之各區域32 (在切換元件20上方，例如藉由提供高電阻之一局部路徑而形成切換元件20之部分，如在下文論述之圖5及圖6之實例中)包括：一內部子區域38 (標記為38之最內虛線方塊之內)，其由一熱絕緣區域40 (標記為40之最外虛線方框與標記為38之最內虛線方框之間)環繞。當從上方(即，在從裝置1之一觀看側之觀察方向上)觀看時，熱絕緣區域40環繞內部子區域38 (且無其他內部子區域38)。形成內部子區域38之材料或若干材料之平均導熱性高於形成熱絕緣區域40之材料或若干材料之平均導熱性。在一實施例中，內部子區域38主要包括一金屬材料，且熱絕緣區域40主要包括具有低於金屬材料之一導熱性之一非金屬材料(例如，包括圖4中之白色區域30中之非金屬材料)。非金屬材料可包括例如氧化矽(SiO2 )或氮化矽(SiNx )。在一實施例中，非金屬材料包括相同於直接在反射層12上方之層(例如間隔層14之一最下層)之材料，例如TiO2 。間隔層14之最下層將為在反射層12之後沈積之層，所以藉由填充內部子區域38與間隔層14之最下層之非金屬材料之間之間隙而形成熱絕緣區域40促進製造。 在一實施例中，各切換元件20包括形成於反射層12內之高電阻之一局部路徑35。局部路徑35使得由切換元件20提供之焦耳加熱之至少25%、視情況至少50%、視情況至少75%，視情況至少90%、視情況至少95%、視情況至少99%係由局部路徑35內之焦耳加熱提供。藉由提供經由反射層12內之局部路徑35之加熱之一大部分、絕大部分或甚至實質上所有，減小或移除對其他分離加熱元件(例如在反射層12之下方)之需求，藉此減小製造成本及/或增加器件小型化。在圖5至圖7中描繪此一實施例之一實例。在此實例中，反射層12經額外地圖案化，使得形成切換元件20之部分之反射層12之各區域(在此情況中藉由包括高電阻之局部路徑35)與反射層12之其他區域部分熱隔離(以類似於圖3及圖4之實施例之內部子區域38之一方式)。在此實施例中，藉由用由具有低於局部路徑35之材料之一導熱性之材料形成之一熱絕緣區域30部分環繞局部路徑35而達成部分熱隔離。僅在圖7中詳細(以例示性形式)展示局部路徑35。使用至局部路徑35之一最右上角(當從上方觀看時，如在圖6及圖7中)之通路22製作至局部路徑35之一連接37。接著，局部路徑35將電流引導至局部路徑35之最左下角，其中局部路徑連接39至提供於介於局部路徑35與部分環繞熱絕緣區域30之間之反射層12之區域中之低電阻返回電流路徑36。 圖8中描繪實例驅動電子器件。可獨立定址切換元件20之一二維陣列(像素區域)經提供於一矽(通常CMOS)背板5中。矽背板5係上文提及之單一積體晶片之一實例。類似於已知LCoS器件之CMOS背板，背板5可含有所有必要電路(諸如時序控制器、列驅動器10及行驅動器12、數位類比轉換器20 (DAC) (接收功率18)、及用於接收輸入影像資料8並在各訊框週期中用正確格式化將此資料中之個別像素定址指令導引至期望的切換元件20 (像素)之像素電路6)。一習知LCoS器件中之各像素區域包括充當一反射電極之一電隔離鏡，該反射電極經充電至用於切換LC之一信號電壓，且在該反射電極之後方定位有用於佈線像素級之電壓所需之電路。在圖8之配置中，修改此配置，使得各像素區域中之一電路元件24連接至提供如上文描述之焦耳加熱(即，一電阻加熱元件)之一切換元件20。切換元件20之另一端經連接至一共同電極15，該共同電極可至少部分藉由反射層12提供，或可至少部分提供於矽背板5內(即，一單一積體電路晶片內)。因此，反射層12既可充當用於驅動切換元件之電路之部分，且可充當針對入射於顯示裝置1上之光之一鏡。 在一實施例中，光學可切換層16經組態使得光學可切換層16之切換導致裝置1針對裝置1上之一預定頻率範圍內之入射輻射提供下列效應之一者或兩者：i)至少50倍、視情況至少100倍、視情況至少250倍、視情況至少500倍、視情況至少1000倍之反射率之一改變；或ii) nπ/2弧度之5%內之相位之一改變，其中n係一整數。 在一實施例中，預定頻率範圍具有小於100 nm、視情況小於50 nm、視情況小於25 nm、視情況小於10 nm、視情況小於5 nm之一頻寬。 在一實施例中，未針對預定頻率範圍外之入射輻射提供效應(i)及效應(ii)。 發明者已認識到，此高對比度、窄頻寬回應行為係可使用PCM尤其有效地達成，儘管存在PCM傳統上僅用於達成寬頻效應(諸如反射的色譜之改變)的事實。行為意謂顯示裝置1可有效地用在其中可期望此高對比度、窄頻寬行為之應用中，諸如在空間光調變器(其可使用窄頻帶源(諸如雷射或LED)照明)，或在安全文件(諸如鈔票或護照)中，其中可使安全特徵僅在用適當頻率之窄頻帶光照明安全文件時出現。 下文參考圖9至圖14及圖21至圖24論述展示其等高對比度窄頻帶行為之例示性結構及圖表。 圖9描繪裝置1之一實例光學前板，其包括一反射層12及一堆疊10，該堆疊10包括一間隔層14、一光學可切換層16及包括兩個罩蓋層子層181及182之一罩蓋層18。前板可經組態以賦予針對入射光波長之一特定窄頻帶之高對比度切換。為達成此，間隔層14及罩蓋層18可為複合層(在所示之特定實例中，僅罩蓋層18係一複合層)，以便增加堆疊10中之內部反射及駐波吸收點之複雜性，導致可操作波長下之反射率及/或相位變化之更大選擇性。針對圖9之實例堆疊設計之所得光譜展示於圖10中(實線展示依據處於一第一穩定狀態中之光學可切換層之波長而變化之反射率，且虛線展示依據處於不同於第一穩定狀態之一第二穩定狀態中之光學可切換層之波長而變化之反射率)。此實例達成在650 nm下之約5 nm之一窄頻寬中之高對比度振幅調變，如由圖11之對比度對波長之圖表所繪示(其在約3000下飽和，但實際上在約650 nm之區域中達成高得多的對比率)。 參考圖9至圖11描述之光學前板及效能僅係例示性的。可藉由使用不同層厚度或材料而改變前板，以在其他波長下或一寬頻範圍內(若需要)達成高對比度調變。圖12至圖14描繪裝置1之一進一步實例光學前板(圖12)、反射率隨波長之對應變動(圖13)及對比率對波長之一圖表(圖14)。在此實施例中，堆疊10包括由一單一層形成之一罩蓋層18及包括三個間隔層子層141、142及143之一間隔層14。高對比度回應經提供為靠近450 nm。 圖21描繪裝置1之一進一步實例光學前板，其包括一反射層12、及一堆疊10，該堆疊10包括一間隔層14、一光學可切換層16及包括不同於間隔層14之一材料之一罩蓋層18。例如，為全像顯示之目的，前板可經組態以最佳化對入射光之反射時之相位變化之控制。為全像顯示之目的，可期望在PCM層之兩個狀態之各者中反射之光具有大致相同振幅，但在π弧度(半波長)之反射時具有一相位變化。為達成此，間隔層14及罩蓋層18可為複合層，及/或個別層之厚度可大於通常用於振幅調變之厚度，此係因為總體反射率重要性降低，且可需要器件內之較長光學路徑長度以賦予所要的相位差。例如，相變材料層16之厚度可高達100 nm，且間隔層14及罩蓋層18之一或多者之厚度可高達1000 nm。圖22中展示圖21之實例堆疊設計之結果反射(振幅)光譜(實線展示依據處於一第一穩定狀態中之光學可切換層16之波長而變化之反射率，且虛線展示依據處於不同於第一穩定狀態之一第二穩定狀態中之光學可切換層16之波長而變化之反射率)。此繪示雖然各狀態中之振幅反射率在可見光波長範圍內(在700 nm下)顯著變化，但第一穩定狀態及第二穩定狀態中之反射率分別地係10%及12%。圖23展示再次在兩個穩定狀態中之入射光之反射時之相位變化。正是兩個相位之間之差異將判定發生於由經狀態於兩個不同中之像素反射之一輸入光束中之繞射量，且此在圖24中展示。可見，差異係180度(π弧度)或半波長，且因此對於700 nm下之繞射效應最佳。此繪示裝置1之前板可經組態以針對一特定窄波長帶賦予合理地高的反射率(＞10%)，大致相等振幅反射率(5%內)及兩個可用狀態之間之精確半波長相位差，且因此為繞射或全像效應提供最佳僅相位控制。替代地，光學前板可經組態以提供兩個穩定狀態之間之一較高(例如，全波長)相位差，及/或如前所述，器件可經組態以切換至除了兩個完全切換條件以外之多個中間狀態，賦予多個中間相位差值，用於繞射效應的進一步控制。 圖9至圖14及圖21至圖24描繪具有一單一堆疊10之前板及其等之對應效能。在光學前板具有多個堆疊10的情況下，可能提供提供不同波長下(即不同色彩區域)之高對比度調變之區域。若不同堆疊10與不同組切換元件對準，則可能經由不同色彩區域之獨立控制而提供一子像素化全彩顯示。 根據各種實施例之顯示裝置1可用作一空間光調變器(SLM)，例如作為用於一投影系統之一微顯示器之部分。在圖15至圖18中展示實例投影系統。在此等實施例中，入射光視情況經由一些光輸入光學配置210而依一經凖直光束自一或多個發射器導引至裝置1。接著，隨後由裝置1反射之光由一輸出光學配置212收集，且在距裝置1一定距離之一影像重播平面214處形成期望的影像，如在一標準投影光學系統中。 根據實施例，如圖15至18中描繪，投影系統具有提供紅色、綠色及藍色照明之三個窄頻帶照明源201至203。若顯示器經組態以提供相干光之受控繞射(例如用於全像影像重現)，則源可為LED發射器或雷射。來自源201至203之光可經由例如透鏡之一輸入光學配置210而調節，以形成均勻地照明顯示裝置1 (SLM)之所有作用區域之一經凖直光束。多個分束器及/或反射元件亦可用於使來自多個源201至203之光共軸以導引至裝置1 (SLM)表面上。在一實施例中，源201至203依序快速連續啟動，使得裝置1 (SLM)可經組態以使用其全空間解析度來依序調變來自各源201至203之光。觀看者將見到此等時間色場之整合結果，賦予一全彩影像。 由裝置1反射之光束在已根據輸入資料而空間調變的情況下，接著視情況由一輸出光學配置212收集，該輸出光學配置212可提供一投影、放大、縮小或傅立葉光學件功能，且期望的影像形成於距裝置1一定距離之一表面214處。圖15展示此類型之一實例光學系統。 在一實施例中，裝置1 (SLM)調變輸入光束之振幅以提供期望影像之一直接表示，且接著輸出光學件212放大此影像並使此影像聚焦於影像平面處之一螢幕上，如一習知投影系統中。以此方式，裝置1 (SLM)中之各像素為輸出影像中之各像素提供調變，且所觀察到之影像係SLM之2D狀態之一直接映射，如圖15中所示。 在一實施例中，裝置1 (SLM)調變來自相干源201至203 (諸如雷射二極體)之輸入光束之振幅，且裝置1 (SLM)之像素現經縮放以繞射輸入光，且輸出光學件212經組態以充當一傅立葉透鏡以導致重播場平面214處之一2D全像影像。以此方式，不存在裝置1 (SLM)中之任何給定像素之狀態至影像平面中之一像素區域處之影像之外觀的直接映射，此係因為裝置1 (SLM)中之所有像素貢獻影像之所有區域之外觀。圖16描繪此類型之一實例。 在一實施例中，裝置1 (SLM)經組態以調變輸入光束之反射時之相位變化，而非調變振幅，且裝置1 (SLM)之像素現再次經縮放以繞射輸入光，且輸出光學件212經組態充當一傅立葉透鏡以導致重播場平面214處之一2D全像影像。藉由使用裝置1 (SLM)來僅調變入射光之相位，裝置1 (SLM)中之吸收被最小化，且變得可能使用輸出影像中之幾乎所有輸入光。 在一實施例中，裝置1 (SLM)再次經組態以經由振幅或相位調變而繞射輸入光束，但強加於裝置1 (SLM)上之圖案(而非經計算以產生一2D全像影像以用於在一螢幕上觀看)經組態以產生具有一體積輸出影像216之一3D全像，以用於從一觀看區域218直接觀看，如圖17中繪示。 在一實施例中，取代將來自三個光源201至203之各者之光導引至裝置1 (SLM)之整個作用區域，並連續操作該等光以提供一彩色序列影像，在輸入光學件210中使用一組遮罩或反射器220以導致來自源201至203之各者之光落於裝置1 (SLM)之像素區域之一不同子集上。接著，此等組之像素區域可經組態為具有一不同光學前板，以便提供由照明各組之源201至203發射之特定窄波長帶之光之最佳調變(振幅或相位)。圖18描繪此類型之一實施例。較佳地，輸入源光束經遮罩以提供匹配裝置1 (SLM)中之像素之一列或行之寬度之寬度之各色彩之一系列交錯條紋，以便如一習知RGB條紋彩色顯示器佈局般操作。 在一實施例中，三個分離裝置1 (SLM)用於調變來自源201至203之各者之光，接著，經調變光束被疊加以形成全彩影像。 在一實施例中，輸入/輸入系統210、212經組態以產生距裝置1 (SLM)不同距離處之一3D全像影像，或2D全像影像之序列。 在一實施例中，圖19中描繪該實施例之一實例，裝置1之光學前板經組態以提供來自一相干源222之輸入光之相位調變，但輸入及/或輸出光學配置現含有一偏振器224，使得由裝置1賦予之相位變化經轉換成一振幅改變。為達成此，輸入光學件可包含一分束器226以將來自相干源222之光分成兩個正交偏振狀態。接著可由一實施例之一裝置1 (SLM)調變此等光之一者或兩者，另一者係在重新組合之前由一鏡(未展示)反射，使得強加於光束之一者上之差分相移導致偏振狀態之一旋轉及/或橢圓率之一改變。為擴大可施加至光束之可用相移之範圍，一實施例之一第二裝置1 (SLM)可取代鏡使用，如圖19之實例中，使得各正交偏振光束可以一空間受控方式獨立地進行相位調變。 在一實施例中，使用裝置1之投影系統形成用於一車輛中之駕駛人資訊之一抬頭顯示器或頭戴式顯示器、擴增實境或虛擬實境頭戴裝置之部分。在圖20中描繪可用於一頭戴式顯示器配置中之一配置之一實例。在此等例項中，處於影像平面之螢幕可由一透明或部分透明螢幕230替代，該透明或部分透明螢幕230上形成可觀看影像，或該透明或部分透明螢幕230重新導引光以便在透明螢幕230之後方形成一虛擬影像232 (可從眼點(eye point) 234觀看)，或其前方之一實像。在透明螢幕係一波導之例項中，繞射特徵可包含於波導中以提供光束擴張及聚焦性質，使得波導可提供依據圖15至圖18之輸出光學件之透鏡功能，從而允許經由透明螢幕230之3D影像能力。 在上述實施例中，一或多個堆疊10各包括僅一單一光學可切換層16 (例如PCM)。此並非必然的。在其他實施例中，可提供複數個光學可切換層。額外光學可切換層或若干層可增強對比度或擴大可由顯示器產生之可能色彩之範圍。複數個光學可切換層可例如包括一可切換衰減器。在提供複數個堆疊10之情況下，不同堆疊中之可切換衰減器層一起提供一像素化可切換衰減器。像素化可切換衰減器可經定位於其他光學可切換層(例如PCM)上方，並與切換元件20配準。 光學前板可具備兩個或兩個以上光學可切換層16，其等各包括PCM，以便允許裝置1中之各像素區域在三個或三個以上不同狀態之間之切換，各賦予輸入光束之一不同反射率或相位變化。例如，可使用兩個PCM層，其等之各者可獨立地切換以賦予對應於各層之兩個狀態之組合之四個不同狀態。替代地，可能無法將層之一者切換成一特定狀態，而不將其他層切換成相同狀態，在此情況中，各像素區域可達三個不同狀態。 顯示裝置1可用於期望使用例如一SLM而提供一輸入光束之一可觀看影像或其他空間受控相位或振幅調變之任何產品。此等產品包含所謂的微型投影器、抬頭顯示器、頭戴式顯示器、擴增實境或虛擬實境頭戴裝置、全像投影器件、光束操縱器、光學互連器及多工器及光學相關器。顯示裝置1亦可用於形成一安全文件之部分。顯示裝置1可用於一主動狀態(例如SLM)或被動(例如安全文件)。
1‧‧‧顯示裝置
5‧‧‧矽背板
6‧‧‧像素電路
8‧‧‧影像資料
10‧‧‧堆疊
10及12‧‧‧列及行驅動器
12‧‧‧反射層
14‧‧‧間隔層
15‧‧‧共同電極
16‧‧‧可切換層
18‧‧‧罩蓋層
20‧‧‧切換元件
20‧‧‧轉換器
22‧‧‧通路
24‧‧‧電路元件
26‧‧‧支撐基板
30‧‧‧白色區域
32‧‧‧區域
35‧‧‧局部路徑
36‧‧‧低電阻返回電流路徑
37‧‧‧連接
38‧‧‧內部子區域
39‧‧‧連接
40‧‧‧熱絕緣區域
141、142及143‧‧‧三個間隔層子層
181及182‧‧‧兩個罩蓋層子層
201至203‧‧‧源
210‧‧‧輸入光學配置
212‧‧‧輸出光學配置
214‧‧‧影像重播平面
216‧‧‧體積輸出影像
218‧‧‧觀看區域
220‧‧‧反射器
222‧‧‧相干源
224‧‧‧偏振器
226‧‧‧分束器
230‧‧‧透明螢幕
232‧‧‧虛擬影像
234‧‧‧眼點
圖1係具有包括反射材料之一連續平面層之一反射層之一顯示裝置之一示意性側截面視圖； 圖2係繪示圖1中展示之類型之一裝置之一部分，並展示反射層之後方之一切換元件之一電阻組件之一示意性透視圖； 圖3係沿著圖4之線A-A之一顯示裝置之一示意性側截面視圖，該顯示裝置包括經圖案化以限制對應於不同切換元件之局部區域之間之熱能之傳導之一反射層； 圖4係圖3之裝置之一俯視圖； 圖5係沿著圖6之線B-B之一顯示裝置之一示意性側截面圖，該顯示裝置包括經圖案化以提供切換元件之各者之上方之反射層內之高電阻之局部路徑； 圖6係圖5之裝置之一俯視圖； 圖7係圖6之切換元件之一者之一放大圖； 圖8描繪用於根據一實施例之一顯示裝置之驅動電子器件之實例； 圖9描繪經組態以用於650 nm之一窄波長帶之高對比度振幅調變之一實例光學前板； 圖10係展示針對具有兩個不同穩定狀態(非晶及結晶)中之光學可切換層之圖9之前板之反射率對波長之一圖表； 圖11係展示在光學可切換層之兩個狀態中由圖9及圖10之裝置反射之可見光波長之光之對比率之一圖表，其展示650 nm之一窄頻帶區域中之最大對比度； 圖12描繪經組態以用於450 nm之一窄波長帶之高對比度振幅調變之一實例光學前板堆疊； 圖13係展示針對具有兩個不同穩定狀態(非晶及結晶)中之光學可切換層之圖12之前板之反射率對波長之一圖表； 圖14係展示在光學可切換層之兩個狀態中由圖12及圖13之裝置反射之可見光波長之光之對比率之一圖表，其展示450 nm之一窄頻帶區域中之最大對比度； 圖15描繪用於2D影像投影之一光學系統； 圖16描繪用於全像2D影像重現之一光學系統； 圖17描繪用於全像3D影像重現之一光學系統； 圖18描繪具有多組像素區域之一光學系統，該多組像素區域具有用於調變輸入光之不同波長帶之不同光學前板組態，且自多個源至像素組之此等波長帶之經圖案化照明經組態以調變該等光學前板組態； 圖19描繪經由一偏振相干源、分束及重組光學件及一出射偏振器而提供由一實施例(SLM)施加之一相位調變至振幅之一轉換之一光學系統； 圖20描繪作為具有一透明螢幕或波導之一頭戴式顯示器之部分而實施之一顯示裝置； 圖21描繪一進一步實例光學前板； 圖22係展示針對具有兩個不同穩定狀態中之光學可切換層之圖21之前板之反射率對波長之一圖表； 圖23係展示針對具有兩個不同穩定狀態中之光學可切換層之圖21之前板之反射相位變化對波長之一圖表；及 圖24係展示依據波長而變化之針對兩個穩定狀態之各者之圖23中展示之相位變化之間之一差異之一圖表。

Claims (30)

  1. 一種顯示裝置，其包括： 一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層； 複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以將加熱施加至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀，其中 該裝置經組態以藉由驅動一電流通過該切換元件以產生該切換元件中之焦耳加熱而施加該加熱，其中該電流在包括該反射層之一部分之一電路中流動。
  2. 如請求項1之裝置，其中各切換元件包括與該反射層之該部分串聯之一電阻組件。
  3. 如請求項2之裝置，其中該電阻組件經定位於當從該顯示裝置之該觀看側觀看時之該反射層之後方。
  4. 如請求項2或3之裝置，其經組態使得當驅動一電流通過該電阻組件以驅動該切換元件時，與該電流相關聯之焦耳加熱在該電阻組件比在該反射層中高。
  5. 2或3之裝置，其中該反射層包括不同導熱性之區域之一圖案，該圖案係諸如為了增加對應於一切換元件之該反射層之各區域與對應於一不同切換元件之該反射層之各區域之間之耐熱性。
  6. 如請求項5之裝置，其中對應於一切換元件之各區域包括由一熱絕緣區域環繞之一內部子區域，該熱絕緣區域僅環繞該內部子區域，其中形成該內部子區域之材料或若干材料之平均導熱性高於形成環繞該內部子區域之該熱絕緣區域之材料或若干材料之平均導熱性。
  7. 如請求項5之裝置，其中該內部子區域主要包括一金屬材料，且該熱絕緣區域主要包括具有低於該金屬材料之一導熱性之一非金屬材料。
  8. 2或3之裝置，其中該反射層經圖案化，使得各切換元件包括形成於該反射層內之高電阻之一局部路徑，該局部路徑係使得由該切換元件提供之該焦耳加熱之至少25%係由該局部路徑內之焦耳加熱提供。
  9. 2或3之裝置，其中該光學可切換層經組態使得該光學可切換層之切換導致該裝置針對一預定頻率範圍內之入射輻射提供下列效應之一者或兩者： i)至少50倍之反射率之一改變；或 ii)在nπ/2弧度之5%內之相位之一改變，其中n係一整數。
  10. 如請求項9之裝置，其中該預定頻率範圍具有小於100 nm之一頻寬。
  11. 如請求項10之裝置，其中未針對該預定頻率範圍外之入射輻射提供該效應(i)及該效應(ii)。
  12. 2或3之裝置，其中該光學可切換層包括一相變材料，該相變材料係可在複數個穩定狀態之間切換，該等穩定裝置之各者具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率。
  13. 如請求項12之裝置，其中該相變材料係可藉由施加熱而在該複數個穩定狀態之間切換。
  14. 2或3之裝置，其進一步包括形成於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上之一積體電路層，該積體電路層包括至少一個積體電路晶片，該至少一個積體電路晶片包括下列之一或多者：1)複數個該等切換元件之各者之所有或一部分；2)用於驅動複數個該等切換元件之電子器件。
  15. 2或3之裝置，其中該反射層係金屬的。
  16. 2或3之裝置，其中額外層之該一或多個堆疊之各者進一步包括一間隔層，各間隔層經提供於該反射層與處於相同於該間隔層之堆疊中之該光學可切換層之間。
  17. 2或3之裝置，其中額外層之該一或多個堆疊之各者進一步包括一罩蓋層，其中各堆疊中之該光學可切換層經提供於該罩蓋層與該反射層之間。
  18. 一種顯示裝置，其包括： 一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層； 複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以透過該反射層施加一信號至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀，其中 該光學可切換層包括一相變材料，該相變材料係可在複數個穩定狀態之間切換，該等穩定狀態之各者具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率，該相變材料係可藉由施加熱而在該複數個穩定狀態之間切換；及 該光學可切換層經組態使得該光學可切換層之該切換導致該裝置以針對一預定頻率範圍內之入射輻射提供下列效應之一者或兩者： i)至少50倍之反射率之一改變；或 ii)在nπ/2弧度之5%內之相位之一改變，其中n係一整數。
  19. 如請求項18之裝置，其中該預定頻率範圍具有小於100 nm之一頻寬。
  20. 如請求項19之裝置，其中未針對該預定頻率範圍外之入射輻射提供該效應(i)及該效應(ii)。
  21. 如請求項18至20中任一項之裝置，其中該相變材料包括下列之一或多者： 釩之氧化物； 鈮之氧化物； 包括Ge、Sb及Te之一合金或化合物； 包括Ge及Te之一合金或化合物； 包括Ge及Sb之一合金或化合物； 包括Ga及Sb之一合金或化合物； 包括Ag、In、Sb及Te之一合金或化合物； 包括In及Sb之一合金或化合物； 包括In、Sb及Te之一合金或化合物； 包括In及Se之一合金或化合物； 包括Sb及Te之一合金或化合物； 包括Te、Ge、Sb及S之一合金或化合物； 包括Ag、Sb及Se之一合金或化合物； 包括Sb及Se之一合金或化合物； 包括Ge、Sb、Mn及Sn之一合金或化合物； 包括Ag、Sb及Te之一合金或化合物； 包括Au、Sb及Te之一合金或化合物；及 包括Al及Sb之一合金或化合物。
  22. 如請求項18至20中任一項之裝置，其中該相變材料包括GeTe、 Ge2 Sb2 Te5 及Ag3 In4 Sb76 Te17 之一者。
  23. 如請求項18、19或20之裝置，其進一步包括形成於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上之一積體電路層，該積體電路層包括至少一個積體電路晶片，該至少一個積體電路晶片包括下列之一或多者：1)複數個該等切換元件之各者之所有或一部分；2)用於驅動複數個該等切換元件之電子器件。
  24. 如請求項18、19或20之裝置，其中該反射層係金屬的。
  25. 如請求項18、19或20之裝置，其中額外層之該一或多個堆疊之各者進一步包括一間隔層，各間隔層經提供於該反射層與處於相同於該間隔層之堆疊中之該光學可切換層之間。
  26. 如請求項18、19或20之裝置，其中額外層之該一或多個堆疊之各者進一步包括一罩蓋層，其中各堆疊中之該光學可切換層經提供於該罩蓋層與該反射層之間。
  27. 一種顯示裝置，其包括： 一反射層，其包括反射材料，且額外層之一或多個堆疊提供於該反射層上，其中各堆疊包括一光學可切換層； 複數個切換元件，其等經定位於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上或形成該反射層之部分，各切換元件係可操作以透過該反射層施加一信號至該光學可切換層之一可切換部分，並藉此改變當從該顯示裝置之一觀看側觀看時之該可切換部分之一外觀；及 一積體電路，其經形成於與該一或多個堆疊相對的該反射層之一側上，該積體電路層包括至少一個積體電路晶片，該至少一個積體電路晶片包括下列之一或多者：1)複數個該等切換元件之各者之所有或一部分；2)用於驅動複數個該等切換元件之電子器件，其中： 該光學可切換層包括一相變材料，該相變材料係可在複數個穩定狀態之間切換，該等穩定狀態之各者具有相對於其他穩定狀態之各者之一不同折射率，其中該相變材料係可藉由施加熱而在該複數個穩定狀態之間切換。
  28. 一種空間光調變器，其包括如請求項1、2、3、18、19、20或27之裝置。
  29. 一種投影系統，其包括如請求項28之空間光調變器。
  30. 一種安全文件，其包括如請求項1、2、3、18、19、20或27中任一項之裝置。
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