CN102540454B - 光开关以及mems显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光开关以及MEMS显示器，所述光开关包括：基底；弹性悬臂，所述弹性悬臂具有固定于基底的固定端以及悬浮的自由端；活动反射镜，所述活动反射镜位于所述弹性悬臂的自由端上；所述弹性悬臂在驱动电场的作用下弯曲，使得活动反射镜移位，将入射光束反射至出射方向。本发明所述光开关结构简单，控制方便，易于生产制造；所述MEMS显示器采用光开关作为像素单元构成光开关阵列，背光源产生的光束经由透明基板以及光开关阵列透射成像，具有响应灵敏，成像快速的特点。

Description

光开关以及MEMS显示器

技术领域

本发明涉及微机械机电系统（MEMS）领域，特别涉及一种基于MEMS技术的光开关以及使用所述光开关实现图像显示的MEMS显示器。

背景技术

液晶电视以及其他平板显示器，已经成为社会生活中常见的电子消费产品。如何进一步的减小平板显示器的尺寸，减薄其面板厚度，是平板显示器的发展方向之一。由于液晶显示装置的光源必须设置于面板的背面或嵌入于面板中，才能获得较好的亮度以及灰度的均匀性，因此上述光源的设置对减薄面板的厚度带来了较大的困难。

采用机械结构的光路切换开关制作平板显示器是液晶显示器的可供选择的替代方案。机械的光路切换开关能够快速地路由光源的光束，使其在所需的像素区域显示，从而获得良好的视角和大范围的色彩、灰度显示图像内容。所述光源可以独立于像素阵列区，而设置于面板的任意位置，因而有利于缩小显示器的面板厚度。更多关于利用机械结构的光路切换开关，制作MEMS显示器的内容可以参见专利号为US2006006448的美国专利。

虽然采用MEMS技术的光开关在投影显示应用中已获得成功，然而在平板显示装置中缺乏实质性的突破。制作灵敏可靠的光开关，并将其应用至MEMS显示器中，成为MEMS显示器的主要研究方向。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种光开关以及应用所述光开关的MEMS显示器，具有控制机构简单，易于生产制造的特点。

本发明提供的光开关，包括：基底；弹性悬臂，所述弹性悬臂具有固定于基底的固定端以及悬浮的自由端；活动反射镜，所述活动反射镜位于所述弹性悬臂的自由端上；所述弹性悬臂在驱动电场的作用下弯曲，使得活动反射镜移位，将入射光束反射至出射方向。

可选的，还包括固定于基底的固定反射镜，所述固定反射镜的反射面与弹性悬臂弯曲时活动反射镜的反射面相对；所述入射光束从所述基底的背面入射，并投射于固定反射镜的反射面上。

可选的，所述基底为透明基底。所述固定反射镜的反射面与活动反射镜的反射面平行。

可选的，所述弹性悬臂为片状金属。

可选的，所述光开关还包括设置于基底位于弹性悬臂自由端下方的诱导电极，所述诱导电极用于形成所述驱动电场。所述诱导电极设置于所述基底内，且与基底表面具有间距。

可选的，所述光开关还包括设置于基底的支撑结构，所述弹性悬臂通过所述支撑结构固定于基底，还通过所述支撑结构与基底电连接。

可选的，所述活动反射镜的反射面具有偏振分光镜。

基于上述关开关，本发明还提供了MEMS显示器，包括透明基板，设置于透明基板表面的光开关阵列，以及位于所述透明基板背面的背光源；所述背光源产生的光束经由所述透明基板以及光开关阵列透射成像。

可选的，所述背光源为RGB三原色或CMY三原色光源。

可选的，所述背光源为3D偏振光源。所述光开关分为P偏振光开关以及S偏振光开关；所述P偏振光开关的活动反射镜的反射面具有P偏振分光镜，所述S偏振光开关的活动反射镜的反射面具有S偏振分光镜；所述P偏振光开关以及S偏振光开关在光开关阵列中间隔交替排列。

本发明所述光开关结构简单，控制方便，易于生产制造；所述MEMS显示器采用光开关作为像素单元构成光开关阵列，背光源产生的光束经由透明基板以及光开关阵列透射成像，具有响应灵敏，成像快速的特点。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

图1是本发明所述光开关第一实施例的剖面示意图；

图2至图4是本发明所述光开关的工作状态示意图；

图5是本发明所述MEMS显示器第一实施例的剖面示意图；

图6是本发明所述MEMS显示器第二实施例的剖面示意图；

图7是本发明所述MEMS显示器第三实施例的剖面示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种光开关，包括：基底；弹性悬臂，所述弹性悬臂具有固定于基底的固定端以及悬浮的自由端；活动反射镜，所述活动反射镜位于所述弹性悬臂的自由端上；所述弹性悬臂在驱动电场的作用下弯曲，使得活动反射镜移位，将入射光束反射至出射方向。

进一步的，所述基底为透明基底，所述入射光束从所述基底的背面入射，透过基底照射于光开关的弹性悬臂上。

通常为了使得所述光束具有良好的入射角度，还可以在基底上设置固定的反射镜，将所述入射光束先进行一次反射。并且使得，所述弹性悬臂弯曲时，上述经过一次反射的入射光束能够直接照射于活动反射镜的反射面上。从而再经由活动反射镜反射至出射方向。经过上述两次反射后，所述光束的出射方向可以与入射方向一致。以下结合具体的实施例，对本发明所述光开关进一步介绍。

图1是本发明光开关具体实施例的剖面示意图，如图1所示，所述光开关的基本结构包括：透明基底10；设置于所述透明基底10上的弹性悬臂20，所述弹性悬臂20具有固定于透明基底10上的固定端21以及悬浮的自由端22；活动反射镜30，设置于弹性悬臂20的自由端22上；固定反射镜40，设置于所述透明基底10。

其中，透明基底10可以为玻璃基底，当入射光束从透明基底10的背面入射时，可以直接透过所述透明基底10，而照射于光开关上。

为了使得弹性悬臂20的自由端22为悬浮状态，也即使得所述自由端22与透明基底10之间具有高度差，还可以在透明基底10上形成支撑结构11。上述支撑结构11突出于透明基底10表面，用于与弹性悬臂20的固定端21连接。此外还可以在所述支撑结构11内制作接触孔，使得弹性悬臂20通过支撑结构11与透明基底10电连接；具体的，与透明基底10内用于控制光开关的控制电路电连接。

在所述透明基底10上，位于弹性悬臂20的下方还设置有诱导电极12，所述诱导电极12用于产生驱动电场。通常为了避免弹性悬臂20弯曲后与诱导电极12发生直接接触，所述诱导电极12可以设置于透明基底10内，并与透明基底10的表面具有一定间距。

所述弹性悬臂20可以为片状金属，可以采用铜、铝、金等材质。所述弹性悬臂20在未弯曲时可以与透明基底10表面平行。当向所述弹性悬臂20以及诱导电极12通电时，在所述弹性悬臂20与诱导电极12之间形成驱动电场，即可以使得弹性悬臂20受到驱动电场的作用而弯曲。具体的，在本实施例中，向所述诱导电极12以及弹性悬臂20与不同电位的电极连接，所述诱导电极12与弹性悬臂20具有电势差，两者之间便形成所述驱动电场，所述弹性悬臂20受到电场力作用而弯曲，其自由端22朝向透明基底10偏移，使得位于其上的活动反射镜30产生移位。且所述电势差越大，弹性悬臂20所受的电场力作用也越强，弯曲程度也越大。

当活动反射镜30移位后，所述固定反射镜40应当能够将透明基底10背面入射的光束反射至移位后的活动反射镜30，从而使得入射光束产生二次反射，从光开关出射。为了使得出射方向与入射方向一致，此时固定反射镜40的反射面应当与活动反射镜30的反射面平行。

为进一步说明上述光开关的工作原理，图2以及图3还提供了本实施例光开关的工作示意图。

如图2所示，当光开关中弹性悬臂20未发生弯曲时，所述弹性悬臂20与透明基底10表面平行。此时从透明基底10背面入射的光束在透射透明基底10后，或直接照射于所述弹性悬臂20，或经过固定反射镜40一次反射而照射于光开关的其他位置例如支撑结构11上，均无法从光开关中出射。此时片状金属的弹性悬臂20在透光方向上起到遮光的作用。光开关可以视为关闭状态。

如图3所示，将所述诱导电极12与负电极连接，而将弹性悬臂20与正电极连接，从而在两者之间形成电势差；所述电势差使得诱导电极12上注入负电荷，而弹性悬臂20注入正电荷，上述异种电荷之间产生电场力，作用于弹性悬臂20上，导致弹性悬臂20发生弯曲，并且其自由端22向透明基底10偏移。假设所述电场力足够强，弹性悬臂20的自由端22部分将紧贴于透明基底10的表面。由于诱导电极12与所述透明基底10的表面具有间距，因此所述诱导电极12并不会与弹性悬臂20发生直接的接触，两者之间的电场力将保持，弹性悬臂20也维持在弯曲状态。

在上述弯曲状态下，位于弹性悬臂20的自由端22上的活动反射器30相对于初始状态已发生了位移。假设此时存在从透明基底10的背面入射的光束，除了直接照射于弹性悬臂20而被遮挡的部分外，还有一部分光束经由固定反射镜40反射而照射于活动反射镜30上。该部分照射于活动反射镜30上的光束将再次反射，并从出射方向出射。且由于此时固定反射镜40与活动反射镜30的反射面平行，因此经过两次反射后，光束的出射方向依然与入射方向保持一致。光开关可以视为导通状态。

进一步的如图4所示，假设弹性悬臂20与诱导电极12之间的电场力作用不够强，所述弹性悬臂20的弯曲度有限，其自由端22未能紧贴于透明基底10的表面，所述活动反射镜30的位移不足。

此时从透明基底10背面入射的光束，依然有一部分能够经由固定反射镜40反射至活动反射镜30上，而从出射方向出射。但与图3中活动反射镜30具有最大位移量的情况相比，上述能够出射的光束的光量明显减弱。综上所述，仅需通过控制弹性悬臂20以及诱导电极12中导入的电荷量，也即控制弹性悬臂20与诱导电极12之间的电势差，便能够控制所述光开关的透光度，起到对出射光强进行调节的作用。

将上述光开关在透明基底上形成阵列排布后，每个光开关可以视为一个像素点，通过控制各像素点的透光度，便能形成图像的显示。

因此基于上述光开关，本发明还提供了一种MEMS显示器，基本结构包括：透明基板，设置于透明基板表面的光开关阵列，以及位于所述透明基板背面的背光源；所述背光源产生的光束经由所述透明基板以及光开关阵列透射成像。其中所述透明基板通常采用玻璃基板。

根据光源类型的不同，上述MEMS显示器的工作机制也不尽相同，下面结合具体的实施例，对本发明所述MEMS显示器作进一步介绍。

第一实施例

本发明第一实施例的MEMS显示器，所述光开关阵列采用图1所示光开关，所述背光源采用三原色光源，例如RGB三原色（红、绿、蓝三色）光源或CMY三原色（青、品红、黄三色）光源。图5为所述第一实施例的MEMS显示器的剖面示意图，包括玻璃基板100，设置于玻璃基板100背面的背光源200以及设置于玻璃基板100表面的光开关阵列300。所述光开关阵列仅示意出两个光开关。

如图6所示，本实施例的MEMS显示器，光开关阵列300中每一个光开关代表一个像素单元。各像素单元的透光量可以通过调节光开关中弹性悬臂的弯曲度进行精确控制。

所述背光源200所产生的三原色光采用分时输入，以RGB三原色光为例，具体包括：间隔时间为T，周期性输入红光L1、蓝光L2以及绿光L3。上述间隔时间T应当小于人眼的视觉暂留时间。

对各像素单元进行分别控制，使得所述像素单元在特定时间段内透过相应种类以及光强的原色光。当人眼观察所述MEMS显示器时，由于视觉暂留，可以形成多个像素显示相叠加的图像。而不同种类以及光强的原色光相叠加，在视觉上便能形成不同色彩，从而使得本实施例的MEMS显示器显示出彩色的图形。

第二实施例

图6为本发明第二实施例的MEMS显示器的剖面示意图。本实施例中，光开关阵列300以及玻璃基板100的结构与第一实施例完全相同，所述背光源200可以采用3D偏振光源，包括P偏振光以及S偏振光。

如图6所示，所述MEMS显示器的光开关阵列300中每一个光开关也代表一个像素单元。各像素单元的透光量同样通过调节光开关中弹性悬臂的弯曲度进行精确控制。

所述背光源200所产生的3D偏振光同样采用分时输入，具体包括：间隔时间T’，周期性输入P偏振光Lp以及S偏振光Ls。上述间隔时间T’也小于人眼的视觉暂留时间。

对各像素单元进行分别控制，使得所述像素单元在特定时间段内透过相应种类以及光强的偏振光。当人眼观察所述MEMS显示器时，由于视觉暂留所带来的叠加效果，上述P偏振光Lp与S偏振光Ls能够形成3D图像，从而使得本实施例的MEMS显示器显示出三维立体图形。

第三实施例

以上实施例利用了人眼的视觉暂留，背光源均采用分时输入机制。对于普通的RGB三原色或CMY三原色光源效果尚可；但对于3D偏振光源，P偏振光与S偏振光的视觉暂留叠加产生的3D效果并不理想，在光源的时序控制上较为困难。为解决上述问题，本发明还提供了第三实施例的MEMS显示器。

如图7所示，在本实施例中，所述光开关阵列300的光开关上还设置有偏振分光镜。所述偏振分光镜可以用于对叠加的3D偏振光进行分光，例如P偏振分光镜仅透射P偏振光，而S偏振分光镜仅透射S偏振光。具体的，上述偏振分光镜可以设置于光开关的活动反射镜的反射面上。

进一步的，本实施例的光开关阵列300中，光开关分为P偏振光开关301以及S偏振光开关302，上述两种光开关在光开关阵列300中交替设置，相邻的P偏振光开关301以及S偏振光开关302构成一个像素组。

所述背光源200同时产生P偏振光以及S偏振光。当包含上述两种偏振光的入射光束透过玻璃基板100照射于光开关阵列300后，各像素组的P偏振光开关301以及S偏振光开关302对上述入射光束分光，并调节出射的偏振光的光强。

当人眼观察上述MEMS显示器时，可以同时接受两种偏振光，在视觉上形成叠加效果。各像素组所产生的不同强度的偏振光相组合，便能够形成3D图形，从而使得本实施例的MEMS显示器显示出更为逼真的三维立体图形。

以上三实施例中，背光源仅起到产生入射光束的作用，而决定MEMS显示器显示图像的，是通过对各像素单元的光开关进行控制，调节出射光束的光强。因此，所述玻璃基板内还形成有控制电路。具体的，各像素单元还包括相应的薄膜晶体管用于控制相应的关开关。可以将各光开关的诱导电极连接于固定电极，例如接地；而将弹性悬臂通过所述薄膜晶体管与电源连接；通过控制所述薄膜晶体管的导通或关闭，向所述弹性悬臂注入电荷，从而在弹性悬臂与诱导电极之间形成驱动电场，进而控制所述光开关的开闭状态。在所述像素阵列区中，阵列排布的各像素单元出射不同光强、颜色的光束，在视觉效果上便能够叠加形成所需显示的图像。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种光开关，其特征在于，包括：基底；弹性悬臂，所述弹性悬臂具有固定于基底的固定端以及悬浮的自由端；活动反射镜，所述活动反射镜位于所述弹性悬臂的自由端上；所述弹性悬臂在驱动电场的作用下弯曲，使得活动反射镜移位，将入射光束反射至出射方向；

此外，所述光开关还包括固定于基底的固定反射镜，所述固定反射镜的反射面与弹性悬臂弯曲时活动反射镜的反射面相对；所述入射光束从所述基底的背面入射，并投射于固定反射镜的反射面上。

2.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述基底为透明基底。

3.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述固定反射镜的反射面与活动反射镜的反射面平行。

4.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述弹性悬臂为片状金属。

5.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，还包括设置于基底位于弹性悬臂自由端下方的诱导电极，所述诱导电极用于形成所述驱动电场。

6.如权利要求5所述的光开关，其特征在于，所述诱导电极设置于所述基底内，且与基底表面具有间距。

7.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，还包括设置于基底的支撑结构，所述弹性悬臂通过所述支撑结构固定于基底，还通过所述支撑结构与基底电连接。

8.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述活动反射镜的反射面具有偏振分光镜。

9.一种应用了权利要求1所述光开关的MEMS显示器，包括透明基板，设置于透明基板表面的光开关阵列，以及位于所述透明基板背面的背光源；所述背光源产生的光束经由所述透明基板以及光开关阵列透射成像。

10.如权利要求9所述的MEMS显示器，其特征在于，所述背光源为RGB三原色或CMY三原色光源。

11.如权利要求9所述的MEMS显示器，其特征在于，所述背光源为3D偏振光源。

12.如权利要求11所述的MEMS显示器，其特征在于，所述光开关分为P偏振光开关以及S偏振光开关；所述P偏振光开关的活动反射镜的反射面具有P偏振分光镜，所述S偏振光开关的活动反射镜的反射面具有S偏振分光镜；所述P偏振光开关以及S偏振光开关在光开关阵列中间隔交替排列。

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