CN102893212A - 通过校准数据调节静电力来保持空腔深度平行关系的反射式显示器 - Google Patents

Abstract

干涉调光器包含一个可动镜面，通过给与其相对的多个电极施加电压来驱动可动镜面从而和在顶部平板的部分反射镜形成光学空腔。空腔深度决定了在空腔内由于内部反射而受调制的光波波段，此反射光线与从顶部平板的部分反射镜面反射的光线发生光学干涉，从而产生一个期望的反射光颜色。制造上的变化和材料的特性都会导致可动镜面相对于部分反射镜面倾斜，从而也降低了调光器的精确度。这种偏差可以通过给多个电极施加不同的电压来加以补偿。电压可以在决制造之后确定，并且存储在闪存存储器中，当调光器在被驱动时得以应用。

Description

通过校准数据调节静电力来保持空腔深度平行关系的反射式显示器

背景技术

用于便携式电器的反光式显示屏比发光式和透光式显示屏有着明显的优势。与发光式和透光式显示器相比它们更轻便，尺寸更小，能效更高，对人的眼睛刺激性小，明亮的光线下效果更好。发光式和透光式显示屏在明亮的环境下，如阳光直射，往往显得模糊。近年来，大量的研发投入到反射显示技术的发展中。

当今在市场上最常见的技术围绕着电泳效应，其工作原理是带电粒子会离开与其电荷极性相同的表面，并被与其电荷极性相反的表面吸引。利用这种效应的显示器件就是熟知的电泳图像显示（EPIDs）。包括美国专利号4655897，4732830，4742345，4746917，4772820，5360689;7259744在内的多项专利描述并说明了制作EPIDs的方法与技术，和EPIDs的设备构成。虽然EPIDs的低功耗是其明显的优势，这些显示器的响应时间很长，速度极慢，使他们不适合用于视频显示。此外，制造彩色EPIDs的高成本是其广泛使用的另一个重大障碍。

其他应用于电湿显示器及胆甾液晶显示器的显示技术，在美国专利号6911132（Pamula等），和美国专利号5570216（Lu等）文献中分别做了描述和说明。电湿技术依靠调整电场修改厌水表面的润湿性。利用这种方法能有效地制成高亮度，高对比度的屏幕。并且其迅捷的电压开关速度在一定程度上克服了电泳技术反应迟缓的问题。

双稳态胆甾液晶显示机制利用光的衍射效应。然而，和电泳屏幕一样，胆甾液晶显示屏也反应太慢，不适合视频显示。

用于反射式显示的技术，采用光的干扰的效应，可能要优于以上提到的其他的技术，因为这类显示器件相对简单。电泳图像显示，电湿技术，胆甾液晶显示，它们每个都依赖于具体的材料的独特性质，往往增加他们的生产成本，因为这些材料往往并不容易得到。此外，这些器件的显示屏需要空间上相间的子像素，这导致在实现全彩显示方面会有更多的困难。相比之下，光学干涉显示模块只依靠材料的机械性能，因此是最有发展前途的显示技术。

美国专利号5835255（Miles）及其随后的一些专利披露陆如何利用调制单元阵列来控制处于可见光谱波段的光来实现显示面板。如图1a和1b（在先发明）所示，每个调光器100包含两个平行的反射镜102和104，两反射镜被一空腔101和透明薄膜105分离。支架108支撑着镜子102和104，使他们相互分开，于是构成了空腔101。每个镜子上都有电极。镜子102是两镜中朝向入射光的一个，它反射部分入射光，并透过其余的入射光。镜子104则反射已通过镜子102的光线。给两个镜子上的电极施加电压后，镜子104被吸引到102，空腔消失，于是调光器从处于自然的“开”状态（如图1a所示）切换到“关”状态（如图1b所示）。切换到关闭状态有效地去除空腔101，并使镜104塌在绝缘的透明薄膜105上。绝缘的透明膜105，有效地防止两个镜子之间电流的流动，并且决定在关闭状态下两个镜子之间的间距。处于关闭状态的调光单元100的光学特性取决于透明薄膜的厚度。通过改变处于开状态的调光单元的两镜面间距可以改变腔内光束的相位，从而在光干涉加强和减弱之间连续变化。因此，控制调光器100从开启到关闭，就能够使显示像素从其显示原色（具体颜色取决于镜子102和104之间的间距）变为黑色。在一个实例中，使用这种技术的彩色显示器至少需要三个子像素，每个子像素代表了彩色像素的三原色中一个。当电压从镜子102和104上去除后，100调光器必须可靠地从开启切换到关闭。这个要求为调光单元的制造提出了挑战，由于微结构在接触部位会表现出静摩擦现象，这被称为“粘连”。防粘连的凸起结构通常用来提高这类微结构接触部位释放的可靠性。一些以往使用系链结构的设计通过使镜104的扭转来释放拉伸或压缩的局部张力，也有助于减少镜子和黏附透明薄膜之间的粘连。

在先前的技术中曾经提出三平行板结构，来实现多态的颜色调制（披露在美国专利号7372613）。在这个设计中，附加电极板加入调光单元结构。因此，活动板可以达到三稳态，并可在三种状态之间切换。

需要考虑将镜面从粘连力释放所需的弹性力和驱动电压之间的平衡。一方面，弹性恢复力对降低粘连是有帮助的，但与此同时，驱动可移动的镜子需要更大的静电作用力（即更高的电压）。适当的平衡很难找到，特别是对于不同颜色，恢复力和驱动力的要求是不同的。

无论有什么优势，上述所有技术都有一个共同的问题–它们需要极其精确的结构，而这又需要即复杂又昂贵的制作工艺。现有的所有技术用空间调色来最大限度地提高显示屏幕的分辨率和色度。不过空间调色需要每一个像素单元包括至少三个子像素调光单元，控制三个或更多子像素颜色的每个调光单元的必须采用独特的步骤来加工制作。每个子像素的驱动也必须通过行线和列线来实现。精度至关重要，因为子像素很小，外部的导电连接结构十分复杂。显而易见，这样的精度实现起来难度大并且需要高昂的代价。

美国专利号7006272公开了一种方法，通过调制光束来实现变色像素，从而试图避免上述问题。这与美国专利号5835255公开的颜色调制的原理是相似的，不过该方法使用三个平行板结构（见前图2A-2C）。底板202和中间板204都反射光线并形成一个空腔。不过中板204是可变形的，其垂直位置由施加电压于板202或顶板206而控制。调整电压就会按照所期望程度移动中间板204，从而改变加强性干涉所产生的反射光的频率。然而，这项专利并没有披露在施加电压驱动时如何实现中间板低曲率的具体方法。理论上讲，中间板204如果厚度均匀，将在施加电压时形成的双曲表面，如图2c所示，除非板变形到足以触摸底板202（镜面104在接触透明薄膜105时被展平，如图1b所示）。因此，一个特定的印有图案的非均匀中间板结构才能保持板的平坦。这种自由移动板已经被尝试，但还没有被证明是成功的。

为确保中间板204能够自由移动，同时保持其平板形状，以往技术中使用了四个拉索（或至少有三个），拉索被安置在可移动中间板的各个角落，用来控制中间板的形变，并在施加电压时能使移动板（例如，见披露的美国专利号5999303）保持平整。另外悬臂梁结构也被应用在以往可调镜面中（例如，参见美国专利号5312513的披露）。通过溅射，平板和拉索/悬臂梁结构被沉积在牺牲层上，然后利用传统的光刻技术形成结构图案。牺牲层蚀刻掉之后留下由支撑点支持的悬空结构。释放之后拉索和悬臂梁通常会由于残余应力的存在而产生形变，从而导致拉索/悬臂梁被收缩或拉伸。此外，由于无法控制的制造偏差，拉索/悬臂梁未必能在每一个制作的器件中保持一致。这些变化可能会导致颜色实现不良或故障。一个显示面板中的几个错误的像素就可能导致整个面板报废-从而大大增加制造成本。

传统显示产品用红，绿，蓝（RGB）原色来形成彩色像素。红色，绿色和蓝色不同成分的比例组合可产生全频谱色彩。另一方面，打印机一般使用减法混色法来产生色彩。成分多少不等的青色，洋红，黄色和黑色（CMYK）油墨一层层的涂在一张白纸。每一层减去一些否则将被白色背景层反射的光，这样层的各种组合可以产生一个特定的颜色。通过使用不同比例的彩色油墨层，可以产生几乎所有的色彩。因此，打印图像时，通过滤掉一定比例的会从白色的背景上反射的不同波长的光，从而得到需要颜色。

通常各种发光式和投射式显示器也使用RGB三原色来产生各种颜色。这似乎是最实际和经济的方法，因为单带宽的光线能够更方便地通过发射光或彩色滤光片来获得。此外，在RGB显示器中，黑色和白色可以实现的黑色背景上，无需添加额外的色彩空间（即第四种颜色）。

不过从用于显示器产品的RGB转化到用于打印机的CMYK，一般会降低色彩保真度。美国专利号7586472（Marcu等）讲述了使用一种颜色的减色法的方案，可以解决光传输设备中的获得全彩显示的难题。

在实践中，因为显示面板需要达到一定的分辨率，像素的数量庞大，面板制造难度很大。任何存在故障的像素会危及整体面板的质量，甚至有一些缺陷像素的面板是无法使用的。太多缺陷的面板导致低成品率，从而增加了制造成本。因此，在合理的成本条件下制作一致性的显示面板仍然是件困难的事。

因此，目前需要一种用反射光调光阵列构成的显示屏，它不仅容易实现，而且反应速度快，耗能低，低成本，易于制作。最好是采用减色法CMYK调色的，不过RGB加色法被采用在其他各种类型的显示器中。对复杂系统加工精度的要求，应转移到显示面板的外部驱动电路，以提高产量和降低成本的过程。

发明内容

依据前面的讨论，本样板干涉调光器有一个可动板，通过驱动来确定空腔厚度。可动板通过自动控制来弥补非平衡的条件，以避免活动板绕至少两个正交轴之一的方向上倾斜。干涉调光器还包括一个固定板，置于可动板对面。可动板和固定板之间的距离确定空腔的厚度，用来调制透射入腔体的光。多个电极对面至少装有一个其他电极。一个或多个电极安置在可动板上。导体结合在多个电极和至少一个其他电极上，并接在一个受控电压源上，使预定的电压可以施加到多个电极的每个电极上。对每个电极施加适当的电压，在静电吸引力的作用下移动可动板，以改变腔的深度，并且补偿不平衡状况，从而极大地消除可动板在至少两个正交轴之一的方向倾斜。

在一些典型实施案例中，多电极包括三个并排的电极，并平行于固定板的平面，但电极与一个坐标轴不对称。三个电极通过静电控制约空腔深度，并消除可动板围绕着两个正交轴的倾斜。

在一些更多的实施案例中，多电极结构包含沿平行于固定板的第一轴安置的两个并排电极。两个附加电极亦安置在沿平行于固定板第二轴，第二轴通常与第一轴正交，实际是平行于一个正交轴。附加电极与多个电极和至少一个其他电极不在一个平面上，并通过导体施加合适的预定电压给每个附加电极。这些附加电极以静电控制可动板使之不产生围绕着两个正交轴的倾斜。

固定板包括一层部分反射层，它使照射在固定板上部分入射光通过并进入空腔，同时反射剩余的入射光。可动板也包括一层部分反射层，将传输到空腔中的光的反射回去。空腔的深度决定了通过空腔调制后经由固定板部分反射层透射的光波段。光线经过在空腔中的调制和透射，与从固定板部分反射层反射的光线发生干涉，从而产生期望颜色的反射光。

可动板上的反射层可以是导电材料，也可以是被涂上导电膜的非导电介质。至少在某些实施案例里，在固定板和可动板之间涂有电绝缘涂层，使可动板与固定板电绝缘。这样可动板在不对多个电极施加电压驱动时可以与固定板接触。

当对多电极施加电压驱动活动板，导致活动板相对固定板移动，至少有一个弹性悬臂梁来支撑可动板使之悬空，从而确定可动板和固定板之间的光学空腔。在一些实施案例里，至少一个弹簧悬臂梁由单弹簧悬臂梁构成，它具有与可动板的强度相匹配的弹性回复力，这样在多个电极上的电压去除之后单弹性悬臂梁就能够有足够的回复力将可动板恢复到原始位置，但又不至于大到在电极上施加电压驱动致使可动板产生变形。在其他的实施案例里，至少一个弹性悬臂梁包括两个沿可移动板相对边缘安置的弹性悬臂梁。还有其他的实施实例里，至少一个弹簧束包括一个弹簧悬臂梁沿可动板的每一个边缘固定。

在一些实施案例里，底板与可移动板的一个边相邻，可移动板则位于固定板的对面。底板也是固定的，其中包括多个电极，或至少一个电极。

这项技术的另一个方面是控制光干涉调光器的可动板，以弥补不平衡造成的可动板倾斜，使得可动板与固定板大致保持平行。对于干涉调光器而言，可动板和顶部的固定板之间的距离确定用于光调制的干涉空腔的深度。该方法的步骤与所有上述部件功能相一致。

任何干涉调光器和上面讨论的方法均可应用于具备多个排成行和列的这种干涉调光器阵列的显示面板。在显示面板的每个干涉调光器上施加合适的电压可以使其反射所需的颜色，并补偿干涉调光器的可动板相对固定板的任何倾斜。由于干涉调光器既可产生所需颜色的反射光，又能补偿可动板相对固定板的任何倾斜，所以这些干涉调光器具有相似电压特性，因此可以把这些干涉调光器按照驱动电压的大小来分组，并把每组的电压表征存储在闪存中，用以驱动显示面板上的干涉调光器，从而产生静止图像或视频图像。

本发明内容部分提供了一些简化的概念，我们将在下面进一步详细描述。然而，这个摘要并不要确定要求保护主题的关键或基本特征，也不打算帮助确定要求保护主题的范围。

附图说明

通过参考以下的详细描述并结合附带的图例，一个或多个典型实施和修改的各个方面和其具备的优点将变得更加容易明白，其中：

图1A和1B（先前发明）是两个平行的反射镜组成的调光单元的侧视图，其中包括一个可动的底镜和一个位于上部的固定的半反射镜，图1A显示镜子的“开”状态，而图1B显示镜子的“关”状态;

图2A，2B，2C（先前发明）是三个平行板组成的调光单元的侧视图，包括上层的透明电极板和下层具有电极的反光板，在上层板（图2B）或底层板上施加电压可造成可动中间板（图2C）移动（和可能的变形）;

图3示意法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer，简称FPI）的两个平行的镜面，两镜面被一个透明空腔相隔，其中第一镜面由非导电介质堆栈而不是由薄的金属涂层构成，从而避免了反射光的相位反转;

图4在270纳米深度的空腔里，改变入射光的波长，反射光和透射光所占的百分比;

图5A是使用两个弹性臂支撑一个可移动反射镜FPI实例的侧面展开示意图，采用有源矩阵寻址，电压施加在三个电极上，以弥补任何机械的不平衡，从而纠正可动镜面相对固定镜面的倾斜;

图5B是使用两个弹性臂支撑一个可移动反射镜FPI实例的侧面展开示意图，采用有源矩阵寻址，电压施加在四个电极上，以弥补任何机械的不平衡，从而纠正可动反射镜面相对固定镜面的倾斜;

图6A所示FPI调光单元的实例采用无源矩阵寻址和一个由两个弹性梁支撑的可动镜，施加于多个电极的电压差以补偿和纠正可动镜面相对固定镜面的倾斜;

图6B所示FPI调光单元实例采用单支撑梁的可动镜，其中支撑梁和可动镜刻制在同一层上，电极上施加电压的极性和大小修正可动镜任何倾斜，同时驱动可动镜以达到所需的腔深度;

图6C所示另一个FPI调光单元实例，采用单独的支撑梁，但在此实施实例中，支撑梁提供弹性恢复力，其大小和可动板刚性相匹配，因此施加电压可移动可动板，并且不会使该板变形;

图6D所示另一个FPI调光单元实例，包括四个支撑梁将可动板悬起，一对电极设置在底板上，另一对电极（与第一对电极正交）安置在可动板上，通过这些电极可以驱动可动板，并使其保持不倾斜;

图7A和7B所示基于反光式FPI原理的调光单元实例，其中包括三个无隔离柱的平板，可动板在不驱动时直接相接触地置于顶层板之下（图7A），当调光单元被驱动，可动板被拉离顶层板，并在顶层板和可动板之间形成空腔（图7B），施加到多个电极板不同电压用以补偿热膨胀，残余应力，和其他制造缺陷的影响;

图8是一个说明可动板在实例图6A-6D中的电压-位移关系;

图9A-9D说明了按照设计利用目前传统的MEMS制作工艺制作FPI调光单元组成显示面板的步骤，为了简便，在图中只示意4个像素单位（即四套可动/固定板，两行和两列电极）;

图10A-10F说明了另一种制作FPI调光单元组成的显示面板的步骤，同样，图中只画出四个显示像素单位以简化说明;

图11A-11F说明了制造单弹性悬臂梁调光单元的步骤，同样，图中只画出四个显示像素单位以简化说明;

图12A-12G说明了在透明材料上制造调光单元各个步骤，图中只画出四个显示像素单位以简化说明;

图13A-13B说明FPI调光单元如何为产生所期望的可见光而工作，两图分别表示了调光单元处在不被驱动（图13A）状态和被驱动（图13B）状态;

图14是一个如何校准显示屏的示意图，用来确定电压和施加于各个像素从而修正不同的反射颜色。显示面板需要用全光谱的白光照射来校准;和

图15是一个实施例的系统框图，用来修正本例各个组里的颜色偏差和可动板的倾斜，并控制FPI调光单元上行和列的电极，使得面板上各个像素都能显示期望的颜色，并补偿可动板由于制作材料和制作加工的差异而产生的任何倾斜。

具体实施方式

图例和披露的实施案例是非限制性的

实施例用图例来说明。实施图例的披露目的在于阐述说明而不是限制性的。对技术和权利保护方面的限制不作用于本文讨论和图例中出现的例子。此外，除非另有注明，任何实例中披露的特性都能够和其他例子的任何一个或多个特点相结合。

颜色的实现

本显示器所用的光干涉调光器本质上是个微型法布里-珀罗（Fabry-Perot）光谐振器。图3为典型的微法布里-珀罗干涉器(FPI)300示意图，其中包括上302下304两个镜面，这对互相平行的镜面被中间夹着的空腔301(或透明的介质)隔开。入射光线305从上面进入FPI，穿过顶部的镜面302，然后在两镜面之间经过多次反射，最终光线306,308分别从上302和下304两镜面射出。根据空腔或介质厚度的不同，从FPI出射的光线将产生相长干涉或相消干涉。通过控制空腔的厚度(比如上302和下304两镜面的距离)来改变调光器的状态。每一个状态都对应着某个特定的反射光颜色。只要以足够快的频率作瞬间改变，就可以显示出多重状态的各种颜色，由于人眼来不及感知到每次产生的特定颜色，从而显示复合颜色。把每个颜色得出射光的持续时间控制在比较少的时间段内，那么像素就可以作出调整并产生大范围的颜色空间。

对于像图3所示的由两个被空腔隔开的镜面组成的FPI调光器300，镜面之间空间301的折射率总是低于镜面涂层介质303。因为金属涂层反射相位角与电介质的反射相位角呈现出很大的不同，故如果镜面是非导电介质而非金属薄膜或涂层的话，上302镜面的初始反射线307就不会经历相位反转。一束光从上302镜面射入后，穿过空腔301，在传播时保持相位不变，当入射到下304镜面时就会分解成透射光306和反射光。这部分反射光线一旦从下镜面304反射就会经历相位反转并重新穿过空腔301，与初始反射光线307叠加。当光波波长等于空腔厚度的2倍时，初始反射线307和二次反射线308的相位角正好相反。另外，所有连续反射线308的相位角都是和初始反射线的相位角307不同。因此，对于特定波长的光波，如果在反射面来回往复传播的光程为波长的整数倍，其将会产生完整的相消干涉。然而对于透射306的那部分来说，则会产生完整的相长干涉。这样以来，上302下304平行的两镜面再配合其中的空腔301，就组成一个光过滤器，使某种特定波长的光波透射而使另外某种特定波长光波反射。

这个理论已经用艾里（Airy）函数在数学上得以论证。对于垂直于FPI入射的光线，其透射率T和反射率R可以用以下(1)和(2)两个公式计算：

$R=\frac{{(\sqrt{R_1}-\sqrt{R_2}V)}^2+4\sqrt{R_1{R}_2}V{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{n\λ}}\right)}{{(1-\sqrt{R_1{R}_2}V)}^2+4\sqrt{R_1{R}_2}V{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{n\λ}}\right)}---\left(4\right)$

$T=\frac{(1-R_1)(1-R_2)V}{{(1-\sqrt{R_1{R}_2}V)}^2+4\sqrt{R_1{R}_2}V{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{n\λ}}\right)}---\left(2\right)$

其中R₁，R₂代表两镜面的光强的反射系数，L为空腔厚度(即两镜面间距)，λ代表光波波长，n和V分别代表两镜面间媒介的折射系数和损耗系数。如果空腔的媒介为空气(即V=1)，则损耗可忽略。当R₁，R₂相等时，共振波长可达到峰值。一般来讲，R₁，R₂越高，透射的带宽越窄。图4展现了一组空腔深度为270nm的透射函数352和354，其中R₁=R₂=70%。

正如图4中的曲线350展示的那样，这种FPI只允许光波等于或近似于空腔厚度偶数倍的光线通过(即，这个例子中波长为540nm的光波)，并且反射光谱中其他波长的光线。透射光的带宽范围取决于R₁，R₂的值。忽略吸收损耗，反射率就和透射率互补，即T+R=1。更具体的说，FPI反射并且实现相位反转的那些光波波长与透射颜色的光波波长基本一致。

例如，假定空腔厚度恰好等于红光波长的一半(即325nm)，那么FPI反射光的颜色为蓝绿色，而透射光的颜色为红色。类似的，当空腔厚度为275nm时，FPI反射光的颜色为品红色，此时透射光为绿色。若空腔厚度等于225nm，则FPI反射光的颜色为黄色，透射光为蓝色。若空腔厚度低于200nm，从前后镜面射来的可见光通过空腔传播的相位延迟是可以忽略不计的。因为从后镜面反射的光有相位反转，大部分可见光都呈现相消干涉，最终结果是没有被反射的可见光，显示为黑态。

以上讨论表明，如果用绝缘介质的镜面，当全光谱可见光入射到此显示器时，FPI显示设备不能反射某种单一带宽或颜色的光，因此就没有RGB色彩的显示。从FPI反射出来的色彩应该是初始入射光除去透射光剩余部分光谱的综合。换句话说，FPI反射出的那些被删减过颜色的初始入射光线，这种方式类似于印刷在一张白纸上的彩色纸。因此，如果镀膜材料或镜面的膜层经过仔细的选择，显示器则会呈现那些被删减过的颜色。

对于给定的空腔，反射光谱取决于两镜面的反射率和锐度（finesse），其中反射率和锐度决定此滤光器的选择性。忽略光损耗，FPI中的两镜面的锐度定义为

$F=\frac{4\sqrt{R_1{R}_2}}{{(1-\sqrt{R_1{R}_2})}^2}---\left(3\right)$

对于给定的空腔，随着这两镜面的的反射率渐渐接近一致，可过滤的带宽将随之逐渐变窄。因此，透射和反射光的带宽可以通过改变这两镜面的反射率来调节。

绝缘镜面通常包含一组透明薄膜，由厚度为四分之一波长的叠层组成，且这些薄膜叠层的折射指数从高到低交替变化。从这组薄膜界面反射的入射光产生相长干涉。对于FPI的上镜面，决定使用金属镜面还是用绝缘的一组薄膜层作为镜面具有重要的后果，因为FPI的光学行为完全依赖于上镜面的特性。如果上镜面是金属的(而非绝缘层)镜面，从上镜面反射出的光将经历相反转。另外，在那种情况下，从两镜面反射出的光会产生相长干涉。因此，也许对于上镜面采用绝缘物质涂层的法布里-珀罗干涉调光器(FPI)的反射显示设备，利用蓝绿-洋红-黄-黑（CYMK）原色不失为更好的选择。

所以，如果FPI调光器的上镜面涂覆有绝缘材料或绝缘薄膜层，蓝绿-洋红-黄就可以作为基于FPI原理的反射显示装置的三原色。各种复杂的颜色可以利用颜色减法规则通过空间或时间合成来实现。对于空间合成，很多子像素调光器被用于每个像素实现色彩显示，位于像素位置的每个子像素调光器用于反射删减颜色中的一种，又由于这些子子像素彼此接近，超出了人眼的分辨率，因而看到的是多种颜色的复合效果。每个子像素在黑色和它们某一特定颜色之间互相切换。每个像素的时间合成用的是单一的FPI调光器，而通过CMYK颜色的依次顺序，依次产生4种颜色，如果足够快的话，人眼融合这些反射的光就可以看到期望的颜色，这些颜色是这4种CMYK颜色的混合。当然，我们可以看到，如果上镜面只是一层简单的金属薄膜(即，不是绝缘层镜面)的话，三原色就是采用色彩加法的RGB模式。

模拟色彩控制

在三维空间中，刚体的位置和方向受6个自由度控制，包括用以定义特定位置并和三个正交轴线相关的坐标，以及关于这些坐标轴的三个旋转自由度。一个光干涉调光器包括2个被可调节厚度的空腔分开的平行的反射镜面。两镜面的位置彼此关联，即空腔的厚度可以调整，以改变被此装置反射出的光线的颜色。控制光干涉调光器反射光颜色只注重于垂直于镜面这一自由度(DOF)的改变。其他5个自由度一般都用机械方法加以限制。可动镜面因而要么保持在未被驱动位置，或者朝向另一镜面或另一固定板塌陷。用此方法最多可以实现多达3个状态。由于两镜面间(以及其它板)完全接触，这种操作受制于微结构的粘连问题。

考虑到可动镜面的自由度，这种新方法寻找根本消除粘连的途径。粘连问题通常出现在用于FPI颜色调光器中的MEMS结构中。这种办法是在显示操作过程中使可动镜面总是保持在悬空状态，当调光器在通过施加电压来驱动移动可动镜面时，有效地消除接触条件。

在消除导致粘连的接触条件同时，这种方法还有另外一个明显的优点。在适当的移动镜面来调整FPI调光器空腔厚度的时候，通过使可动镜面保持悬空状态来实现不同的颜色，进而反射期望颜色的光。因此，通过一个调光器结构，可以有选择的反射(一次一个)所有的三原色。这样一来，在每个显示器像素上实现颜色的任务就转换为对像素的FPI调光器的两镜面距离的控制。因此，反射光颜色的实现就可以简化成为用模拟电压控制来驱动由静电力约束的镜面板位置。如上所述，虽然对于颜色合成来讲，RGB配色方案是一种实用的选择，但是减法CYMK配色方案不失为一种更好的选择。

为了用FPI调光器实现可见光的全光谱的颜色的准确显示，可动镜面就必须在任何时刻都处在平行于固定镜面的位置。正如上面讨论的，可动镜面有6个自由度，包括3个旋转自由度和3个坐标位置。幸运的是，沿着垂直于镜面表面的轴向的旋转以及沿着平行于镜面的两轴的平行位移并不会对用这种调光器实现期望的反射光颜色造成影响。因此，从实用角度看，可动镜面只需要控制其它3个自由度。为了保证干涉调光器的正常运行，允许垂直于镜面表面方向的移动，但要避免沿着平行于镜面的两轴的旋转运动。实际上，存在于拉索或悬臂梁中的任何几何，机械，抑或结构上的细微改变都可能导致这两种转动自由度不良的偏移。如果不加控制，可动镜面就会出现某种程度的倾斜，最终导致颜色不纯甚至调光器的操作失败。

在镜面处在悬空状态下，可动镜面的位置非发生改变，靠当前的MEMS加工技术来控制这两种不良的旋转自由度几乎不可能。为了达到这种目的，对于制造镜面和支撑臂的尺寸，材料，残余应力，和精细程度等方面都需要做严格的控制，特别是对于在纳米尺度下的支撑臂加工。容许误差极其低，即使可能这样做的话，达到制造这种设备的要求的成本也会十分昂贵。

一种保持可动镜面相对于固定镜面悬空的新方法

这里我们提出解决上述问题的一种全新方法，并且可以极大程度上降低制造成本。目的是让处于悬空状态的可动镜面在移动时始终与固定镜面保持平行于，而且在受到驱动时不发生倾斜。通过改变外部控制器作用于可动镜面驱动力以及旋转力矩来控制镜面的位置，而不是强调通过机械控制来保持可动镜面其他两个自由度的移动。既然静电力驱动可动镜面是最常用的方法，因此相对于两个非理想旋转自由度，至少需要两个附加的电压来平衡施加于可动镜面的转动力。因此，需要3个以上分别供电的电极来做驱动。虽然电极不限于具体的形状和尺寸，但是为简化构造起见，电极更合适做成方形或长方形的。

如果通过如上所述的用静电力来控制这两个非理想旋转自由度，依附于可动镜面的悬臂操作就相当简单。这些悬臂梁能够限制垂直于镜面表面法向轴的额外旋转以及沿着平行于镜面的两轴的额外平移，这样就可以避免彼此相邻调光器的可动镜面在运动过程中产生干扰。当驱动电极的电压卸载后，悬臂梁为可动镜面恢复到未驱动的初始状态提供了弹性恢复力。

可以理解，一个显示面板上包含诸多个上述调光器。不过为了更为清楚的解释本方法的构造和功能，下面只讨论了单个调光器的一些典型实例。

本方法减少了机械限制，这样就可能用一个(或多个)弹性臂来保持可动镜面的悬空状态。列举图5A所示的401采用两个弹性臂来悬空可动镜面。两反射镜面405和408之间夹着空腔409形成了FPI调光器400的光学部件。全光谱光线410从上面射入FPI调光器400。可动镜面408置于底部控制板402的上部，402板包含3个分开的电极421,422,和423。位于镜面405和408之间的空腔409主要受位于背板上的电极421,422以及423的控制。两悬臂梁406则固定于支撑柱407位置。当没有驱动时，支撑柱407通过弹簧臂406保持可动镜面408的悬空状态，使其处于某一固定位置。给电极421,422,423加载驱动电压来驱动可动镜面408造成可动镜面朝下运动，从而有效地增加空腔409的厚度。如果两悬臂梁406能够完全平衡，那么当给电极421,422,423施加相同的电压时，可动镜面408就应该和固定镜面405保持平行。任何倾斜都可以通过给电极421,422,423施加不同电压来控制，借以补偿机械方面的不平衡。

三个薄膜晶体管(TFT)425作为有源矩阵寻址来驱动FPI调光器。如图5A所示，位于底部控制板402上的三个电极421,422,423通过三个薄膜晶体管425和三个数据线426以及一个门线相连，以驱动可动镜面408。如果可动镜面408上有与电路相连的公用电极，那么这三个独立的电极就足以在所述的三个自由度上控制可动镜面。

这项技术也在图5B的具体事例400得到体现，这和图5A的FPI调光器401是相同的，所不同的是实例400在底部板上装了4个电极而非三个。附加这个额外的电极424可以作为补充以增强操作的可靠性。任何倾斜都可以通过给电极421,422,423和424施加不同电压来控制，借以补偿机械方面的不平衡性。

在实例400中，四个薄膜晶体管(TFT)425作为有源矩阵寻址来驱动FPI调光器。如图5B所示，在底部控制板402上的四个电极421,422,423和424和一对数据线426以及门线427相连，通过四个薄膜晶体管425就能够驱动一个可动镜面408。

用于驱动可动镜面的四个电极和薄膜晶体管并不一定要安装在底部控制板402上。在其它实例中，它们可以有选择地装置在可动镜面408上或固定镜面405上(或两者的结合)。

如图6A所示，无源矩阵寻址也可应用。反射镜面505和508之间夹着空腔509形成了FPI调光器500的光学部件。全光谱510从上面射入FPI调光器500。可动镜面508置于底部控制板502的上部，402板包含2个分开的电极521,522。位于镜面505和508之间的空腔509厚度主要受背板电极521,522的控制。两个弹性梁506固定于支柱507位置。当没有驱动时，支柱507就通过弹簧臂506为可动镜面508提供支撑，以使其到某一固定位置。当给电极521,522加载驱动电压来驱动可动镜面508时，可动镜面就朝下运动，有效地增加空腔509的厚度。如果两悬臂梁506能够完全平衡，那么当给电极521,522施加相同的电压时，可动镜面508就应该和固定镜面505保持平行。然而，任何由弹性梁(或其他作用于可动镜面的力)的不平衡导致的垂直于电极方向的倾斜都可以通过引进一个有别于电极521,和522的电压来消除，借以补偿机械的不平衡。

同样的，如果考虑在平行于电极521和522方向上可动镜面的机械方面的不平衡，同样可以在两个位于上镜面505的增补电极531和532上施加一个适当的电压来抵偿这种不平衡。在这种结构中，电极521和522由行电极组成，增补电极531和532由列电极组成。施加在这两个位于底部控制板的行电极521和522以及位于顶部板面的列电极531和532的电压应满足这样的控制条件，即，保证可动镜面508在移动时平行于固定镜面505，同时使其不围绕平面上的两个轴线方向倾斜。这些补偿电压可以在调光器已经作为显示器的一部分制作完成后再另行确定，然后可以应用，关于两坐标轴的平行偏移和倾斜偏移不应该随时间而改变。可动镜面位置的调整可以通过改变由两对正交电极(即电极521和522以及增补电极531和532)产生的静电力和由两梁506产生的弹性力的平衡来实现。

图6B显示的另一个可供选择地FPI调光器540的具体实例。与可FPI调光器500类似，但仅仅利用一个弹性支撑梁506’来实现相同的目标。因此，如图6A所示，这里沿用相同的参考数。一个支撑臂可以有效地使可动镜面保持在合适的位置并且对可动镜面加以限制以避免其从期望位置偏移出去。在微米尺寸下，与弹性力和其他小尺寸效应相比，重力作用的影响可以忽略不计。弹性力和静电力是决定平板位置的两个最主要因素。给电极521和522以及增补电极531和532施加补偿电压差，就可以抵偿关于可动镜面的任何偏差，从而防止可动镜面与固定镜面不平行或垂直于平面轴线方向的倾斜。

图6C展示的FPI调光器550是用一个支撑梁506″来达到和FPI调光器500以及540相同的目的。这里把同样的参考数字用于图6A和图6B上的其他的组件。这个弹性梁506″置于可动镜面508的下面，支座位于可动镜面的中间区域。如果给电极选定一定的电压以产生静电力用于补偿偏移，支座也可以偏离中心区域。同时，梁506″需要设计使得弹性梁的弹性恢复力与可动镜面的刚度相配合。很明显，当电压从电极521,522,523和524上卸载后，弹性梁506″应该提供足够的恢复力来使可动镜面恢复到未驱动时的位置。但是其强度不能过大，即当用电极驱动时不能使可动镜面发生弯曲。

理论上讲，控制这三个自由度需要一个公共电极和三个控制电极。如图6A-6C所示，用四个电极来控制可动镜面，这样可以提供一个冗余电极，可以使控制操作更加具有可靠性。在这些典型事例中，可动面板可以方便地用作公共电极。但是，就像前面提到的那样，一对电极可以交互地在可动镜面508上做成图案。

图6D示意FPI调光器560的另一个具体实例，它是用4个支撑梁506″来实现图6A-6C中的实例相同的目的，这里采用同样的参考数字表达图中的各个组件。两个行电极581和582在其可动镜面进行图案设计，而不是像图6A-6C中所示把补充电极531和532做在顶层板上。4个电极中的一对521,522位于底部控制板502上控制列，另一对电极581,582位于可动镜面508上。为了在可动镜面508上形成一对电极，此镜面应该是电绝缘型的，并在其上镀上具有电传导特性和反射特性的膜，以形成这两行电极581和582。

一个典型的基于FPI原理的反射式干涉调光器单元600的实例由3个平板组成。如图7A-7B所示，朝向入射光线611的顶板601是透明的，并且在其底部附有半反射镜涂层603。任何透明且具有一定刚度的材料，例如玻璃，硅，聚合物，聚碳酸酯等，只要没有什么限制，都可以用作上面板601。位于顶板的底部的镜面涂层603，跟与其相邻的中板604，即可动镜面形成一个干涉调光器的阵列。位于顶板601的透明媒介不仅用作调光器600的保护层，而且起着对包含镜面涂层603的顶部镜面的支撑作用。位于顶板的两个并排的电极(图中未标出)用来更正在可动镜面平面内的任何不平行或沿该平面两个正交轴的倾斜误差。镜面的半反射涂层也可以起到所述的电极功能。位于中板604的可动镜面能够反射可见光。中板604可以用合适的弹性材料制成，比如聚合物或薄的金属材料。中板可以由导电材料形成，也可以由涂有导电薄膜的绝缘层构成，这些导电层或是导电薄膜用于静电驱动可动镜面。中板604平行于顶板601，由动平板部分612，弹性臂616，和固定部分614组成，其中614被固定在支柱610上。为中板604可动部分提供支撑的固定部分614是通过粘合剂或真空密封来和顶板601来连接在一起的。顶板应该牢固地压在可动平板604的固定部分之上，其固定部分靠固定支柱610支撑。中间平板应该和顶部平板601之间保持绝缘，这可以通过涂覆一层绝缘层来实现，比如利用原子层沉积（ALD）工艺来生长Al2O3或其他绝缘薄膜(未表明)。当施加一个合适的电压来驱动时，位于顶部平板601上的镜面涂层603，中间平板604的可动的反射镜面，以及位于这两镜面间的空腔602就共同组成了可调FPI干涉调光器的基本光学部分。

在图7A中，在FPI调光器处于未驱动状态时，顶板601和中间平板604是相互接触的，这样就不反射可见光。当被驱动时，如图7B所示，在两镜面之间就形成了空腔602，并且空腔深度决定了FPI调光器能反射光线的波段范围。

FPI光干涉调光器600基本的单元被支撑在位于底部平板605的一系列固定支柱610上。底部平板605可以用任何电绝缘材料或附有绝缘层的导电材料制作而成。因此，通过中间平板604的固定部分614和提供支撑的固定支柱610使顶部平板601锚定在底部平板605上，这样就形成了FPI干涉调光器600的完整结构。当可动板被施加电压的电极驱动时，可动平板604和底部平板605保持平行，并通过空腔606与底部平板隔离开来。空腔606的深度取决于加在电极上的驱动电压608。底部平板605表面镀有朝上的电极607，并且是可以在区域内多电极分布，各自独立提供电压，以实现可动镜面的反倾斜补偿。分布有电极607的区域通常与可动平板604的可动部分对准。

可动镜面604和可动平板部分612被设计在一起，并被支撑在固定支柱610上，从而得以调整可动平板在垂直方向上相对于初始位置(当调光器处于未驱动状态时的位置)的位移。可动平板的可动部件612通常是矩形的，并且依靠一个或多个支撑臂616来保持悬空状态。支撑臂616的另一端则是锚定在中间平板614的固定部件上，中间板是夹在顶部平板601和支柱610之间的。另外一种可选择的设计是布置大量的支撑柱(在图7A中未显现)于顶部平板601和可动平板的固定部分614之间，这样当处于未驱动状态时，可以定义调光器光学腔的深度。但是实现这种构造需要在制造过程中附加一步光刻工艺，这使得这种器件的生产制造更复杂。

在图7A和图7B所示的具体设计中没有隔离柱而使结构简单化。位于顶板601的镜面和/或者可动板涂覆有像二氧化硅或用原子层沉积工艺(ALD)生长的Al2O3薄膜或其他绝缘材料。在显示薄片周围被密封之前，顶部平板就依附于固定支柱610之上。在调光器处于未驱动状态时，顶部平板和可动平板是处于完全接触状态。因此在实际中，需要一个初始操作，即对处于底部平板施加足够的电压，以使可动镜面和顶部平板分离(即，克服静电力)这样在调光器工作时保持可动平板处于悬空状态。

如图7B所示，当给电极607以及其对面可动部分612上施加电压608时，静电力就牵引着可动部分远离镜面涂层603，而朝着底部平板605靠近。平移距离和空腔602的深度相同，空腔深度的改变受制于电压608的大小以及由臂616提供的恢复力。平移距离一般控制在0.325um之内。支撑臂616像弹簧一样来牵引可动部分612以使之在未给电极施加电压时能回到初始位置。

制作过程中产生的热膨胀效应，残余应力，和其他制造缺陷都可以在驱动干涉调光器时，作为外部控制方式通过对多个电极施加一个预先设定的差分电压(未示出)来加以补偿。用以补偿不平行和其他偏移的适当的差分电压可以在器件制造过程中确定并存储下来，并在调光器随后的应用中调用。

图8呈现图6A-6D中的可动镜面508的电压-偏移之间的理论关系700的一个例子。支撑臂顶端的运动在理论上讲是由“L”型支撑梁在受力或扭转的时候其长边和短边产生的偏移决定的。平衡条件如下公式所示。

$\mathrm{k\Δ}=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\ϵA}{V}^2}{2{(h-\mathrm{\Δ})}^2}---\left(4\right)$

这里Δ是位移，A是平板的面积，ε是空气的介电常数，V是电压，h是平板间的初始距离，α是常数。在这种特殊情况下，弹性常数k用下式计算：

$k=\frac{2}{(l^3+L^3)/\left(3\mathrm{EI}\right)+l^{2}L/\left(\mathrm{KG}\right)}---\left(5\right)$

这里E是L型支撑梁的杨氏模量，l是L型梁的长边，L是L型支撑梁的短边，G是L型支撑臂的刚度，K是常数，定义如下：

$K={\mathrm{ba}}^3\{\frac{1}{3}-0.21\frac{a}{b}[1-0.083{\left(\frac{a}{b}\right)}^4\left]\right\}---\left(6\right)$

这里a和b是截面的宽和高。I是截面的转动惯量，可表达成

结合上式可得：

$V=2(h-\mathrm{\Δ})\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\α\ϵA}[(l^3+L^3)/\left(3\mathrm{EI}\right)+l^{2}L/\left(\mathrm{KG}\right)}}---\left(7\right)$

公式(7)表明当制作像素的材料和结构固定下来之后，可动平板的位移和施加的电压有一个确定的关系。其中h是两镜面间的有效距离，两镜面间沉积一层绝缘材料。吸合位移和电压的计算公式分别为和 $V_{\mathrm{pi}}={\left(\frac{4K{h}^3}{\mathrm{\α}27\mathrm{\ϵA}}\right)}^{\frac{1}{2}}.$

公式(7)说明电压和像素颜色间是连续和模拟的关系。调整电压大小就可以直接控制包含有许多这样的调光器的显示器的一个像素单元的颜色。因为当像素被驱动时，无表面接触发生，因此在MEMS中普遍存在的静吸合条件就被消除了。

MEMS加工

传统的光刻技术来加工这种包含一系列颜色调光器的3层板面结构的显示器已经很成熟并且也很方便。通过掩膜，图案转移和刻蚀过程，一系列电极的图案就可以在底部平板上形成。中间的可动平板可以由一层薄的金属层如Al或用一层涂覆具有反光和导电特性的绝缘的弹性薄膜构成。图形转换形成中间的可动平板的结构，并将这种结构经过显影后再从牺牲层上释放。顶部平板是单独备置的，即通过简单地涂覆一金属层来形成一半透明的镜面。如果在每个调光器的底部平板上形成的纵列的三个电极，并且如果相邻调光器的可动平板形成成行的导电连接，就无需在顶部板上制作电极。因此，顶部平板可以是没有电极的简单的绝缘栈。作为一种选择，显示器的每个列排列的一对电极可以安装在顶部平板。在底部平板和中间平板准备妥当后，顶部平板就可以用粘合剂粘在支柱上或简单地用真空封装来实现其依附。平板的周围接下来被封装好后，就完成了显示器的装配。

与以上讨论功能相同的调光器结构800的一个典型实例是通过传统的MEMS光刻工艺来制造的，图9A-9D显示其具体步骤。为了解释的明了，图形只给出两个相邻行和两个相邻列的调光器，总共4个像素。底部平板802有一个绝缘基底或涂有绝缘层(未单独给出)的导电基底。底部平板上附有一列电极804,805,806,808,809,和810，这些电极是沉积金属后通过旋转涂覆一层作为牺牲层的光阻掩膜层刻蚀形成的。如图9A所示，一列调光器单元有3列电极804,805和806，另一列的调光器单元有3列电极808,809,和810。这一列的三个电极沿平板平面内两坐标轴不对称分布。虽然这里给出的电极的形状都是矩形的，但是也可以使用其它形状。电极做好后，一层光刻胶薄膜812涂在底部平板上，其厚度一微米或以上。如图9B所示，光刻胶掩膜层是通过小的矩形孔洞814来形成镜面的支柱。通过溅射或其他方法镀将具有良好光反射特性的金属层(比如像金属铝，银，或适合的金属合金)生长在光刻胶之上。此层也可以用绝缘材料，但是必须有一层导电薄膜。之上接着涂覆另一层光刻胶薄膜，在金属薄膜不要的部分刻蚀掉之前，可动平板816和悬臂梁818和820的图案被形成。可动平板是用这种方式做成的，即在同一行的的每块板形成成行排列的导电板，但要与调光器的其他成行的电极相互电绝缘。剩余的光刻胶清除掉之后就形成图9C所示的结果。顶部平板822也是通过沉积高反射率的金属薄膜形成，像Al，或选择使用绝缘镜面栈来制作顶部平板。如果使用导电薄膜，那么接下来顶部平板就需要涂覆透明的绝缘层，例如二氧化硅或氧化铝，这可以通过直接沉积或原子层沉积(ALD)工艺来实现，这在该图中未显示出来。至此为止备制好的中间平板还可以涂覆一层绝缘层。如图9D所示，顶部平板822就可以连接于位于中间平板的支柱824上。接着此显示面板就可以粘合封装完成装配。

图10A-10F显示另外一种可以直接利用用传统MEMS光刻工艺制造的调光器结构900的具体例子。正如图9A-9D体现的那样，基底902或者是绝缘材料或者是涂有一薄膜绝缘层903的导电材料。如下讨论的那样，平板上附有成列的电极904，906，908，910，以及许多孤立的正方形列阵912，用来安装悬臂梁和支柱。为简单起见，这里只讨论了4个像素单元的情形。

如图10B所示，该平板上再涂覆一层光刻胶掩膜层914，然后支柱916的阵列图案在光胶上形成了。如图10C所示，一层金属或合金层沉积在掩膜上，然后进行图像转移形成弹性梁918和920。如图10D所示，另外一光刻胶在光刻后形成弹性梁支柱922及支柱924。如图10E所示，沉积的一层导电反光层，在中间平板928上形成镜面阵列926。另外通过沉积具有高反光率的金属薄膜材料诸如铝来形成顶板928。薄膜上形成对应于每个调光单元的一对电极行930。通过直接沉积或原子层沉积(ALD)接着在顶部平板涂覆一层如二氧化硅或Al2O3的透明绝缘层932。制备好的中间平板还可以涂覆一层绝缘层。如图10F所示，顶部平板就可以对准并且连接于位于中间平板的支撑柱上。接着此显示面板就可以粘合并封装后完成装配。

如图11A-11F所示，另一种典型实例是仅用一个单独的弹性梁驱动的。同样的，简单列举4个像素。如图11A所示，底部平板1002印有4列电极1004的图案。在弹性梁沉积层之前，平板如图11B所示的那样涂覆一层光刻胶层，并刻印出按阵列排列的支柱1006。如图11C所示，接下来弹性梁1008图形就在此层上转移。如图11D所示，平板涂覆另一层光刻胶掩膜层并在此光刻胶层曝光刻印后于其上沉积一反射导电性层来形成支柱1010和1012以及可动镜面1014。光刻胶掩膜层和梁的厚度设计考虑到当需要在电极施加偏转电压驱动镜面时，镜面的变形最小。沉积结束后，另一层光刻胶层就涂覆上去，镜面的图形就转移上去，并在镜面之间形成缝隙。如图11E所示，镜面间的缝隙刻蚀掉就形成了可动镜面1014。顶部平板1016通过沉积一层具有高反射特性的金属层如Al的来得以单独制备。这层薄膜通过光刻形成对应于每一行调光器的两行顶部电极1018。通过直接沉积或原子层沉积(ALD)就可以接着在顶部平板涂覆一层如二氧化硅或Al2O3的透明绝缘层1020。准备好的中间平板还可以增加涂覆一层绝缘层。如图11F所示，顶部平板就可以对准并且连接在中间平板的支撑柱上。此显示面板就可以粘合并封装完成。

顶层可通过加热或粘合剂粘合在支撑柱上来固定在底层。粘合剂层可以通过图形刻印来和顶部镜面的支撑柱的位置进行匹配对位。为避免可动镜面在粘合过程中无意的依附于顶部镜面，在制造过程中可以通过在电极和可动镜面间施加电压来驱动可动镜面，这样以来，在粘合时只有顶部平板牢牢的依附于支撑柱。

图12A-12G显示一个具体的例子1100，在此例中调光器结构制作在透明介质上。透明平板1102按照朝向入射光线的方向放置。该平板首先要涂覆一层印有行电极1104的半反射的镜面。每行像素单元相应有两个电极行。如图12A所示，支撑柱阵列1106图案也在印制在平板上。如图12B所示，在图案印制镜面和电极层之后，一层光刻胶层旋转涂覆在平板1102上，并将支撑柱1106的图案转移到光胶掩膜层上。一层弹性薄膜就沉积在印制好的这层之上。薄膜应具有反射特性，并且或者由导电材料构成或者是加了导电层的绝缘层。如图12C所示，在薄膜上涂覆另一层光胶掩膜层，并将可动平板1108和限制梁1110的图案转移到薄膜上。接下来，如图12D所示，列电极1114图形印制在基板1112上。如图12F所示，在拼接两板之前，绝缘层1116如图12E所示的那样涂覆在平板上。如图12G所示，两块板适当地对准结合在一起。此显示面板就可以粘合封装后完成装配。在图12G中展现的显示平板的调光器是通过两对正交电极1104和1114控制的。

以类似的方式，图13A和13B给出了调光器600的操作方法。入射光线611从顶部入射到包含调光器600的显示平板。如上提到的，FPI干涉调光器600包括在透明平板601上的半反射涂层603和位于空腔602对面的具有反射特性的可动部分612。半反射涂层上每行调光器也都刻制了一对电极。可动平板置于涂敷在在底部平板605上的绝缘层606上，这包括在此层中单独定义的电极607。显示器的每列调光器都有一对电极。在顶部平板601的一对电极和位于底部平板605的一对电极是相互垂直安置的。如图13A所示，当调光器处于未驱动状态时，可动部分是和绝缘层606接触的。在此状态下，空腔602的深度要远远大于导致光共振的深度。

如图13B所示，调光器首先是通过给位于半反射涂层603上的两对电极施加电压608来驱动可动部分612，使其与底板分离而处于悬空状态。空腔602的深度可以调整达到期望的可见光共振条件。可动镜面612的偏转翘起可以通过调整分别施加在两对电极上的电压608和609来校准。

颜色合成和校对

因为显示平板的每个调光器都是按照不局限于显示单色的条件制作的，每个像素的复合色彩可以由颜色减法(如注标准色样)通过空间的，时序的，或混合式的合成方式来选择，这可以通过一个适合的外部驱动来控制显示板调光器电极电压来完成。

这种非接触式驱动通过暂时的颜色停留来使每个调光器单元作为一个全光谱颜色的像素成为可能。和空间颜色合成相比，这种驱动方式可以降低成本和简化显示平板的制作。空间颜色复合的三原色通过在每个像素位置上紧密排列并相互隔开的调光器提供的。即使不是必要的，传统空间颜色合成仍可以实现。例如，如果需要空间颜色复合，三个相邻的调光器就可以归成一组以形成单个颜色像素，其中每个调光器都在确定的颜色和黑色之间切换。

因为每个调光器都可以是一个全色像素，大范围的可见颜色可以利用时序颜色停留来实现，因此通过快速改变停留时间，调光器按顺序显示原色。调光器产生的每种不同的颜色停留的速度要比人眼的时序感应快得多。人眼不能够区分每种颜色，而是获得所期望的混合色彩的效果。脉冲宽度调制(PWM)在时序颜色合成中有广泛的应用，它可以使每种原色呈现一段极短的时间来产生混合颜色。因为每个调光器都用作为全色像素，显示器的分辨率就非常高。然而，调光器需要一个很高的响应速度，因此所有色彩在1/60秒的全部时间内要组合起来以刺激人眼来获得期望的颜色。

在空间合成像素中，颜色通过合适的调色板里面产生不同原色光的亚像素的扩散来粗略实现。因此需要至少要用三个相邻的调光器作为亚像素通过空间合成方法形成全彩像素。每个亚像素都规定一个特定的颜色并且在黑态和指定颜色间来回翻转。而人眼则感受到这些子像素产生的混合色，并认为是期望的颜色。在空间合成方法中通过利用不同比例的原色可以实现大范围的可见色彩。空间合成型调光器的响应速度要求比时序合成的要低，但是用邻近成组的调光器的空间合成显示器只能得到较低的空间分辨率。

时序合成和空间合成两种方法珠联璧合就可以实现混合色合成。因为每种反射型干涉调光器都可以用于这两种之一的任何合成方法，在保持符合要求的空间分辨率的同时，混合颜色合成显示器可以实现最大的色饱和度。

在相类似的加工精度要求下，时序颜色合成可作为首选，因为和传统的空间颜色合成相比，它具有较高的分辨率。时序颜色合成也利用MEMS调光器中的快速响应速度。调光器可以以一定的刷新速率来控制其在各种原色之间转换从而产生任何想要颜色的。

一个位于底部平板的电极阵列安排在反射单元后面，其目的是控制可动平板的位置。最简单的寻址原理是无源矩阵技术，这需要电极在底部平板上成行的对准，在可动平板或顶部平板上成列对准，反之亦然。另外，在顶部平板的电极给控制可动平板增加额外的灵活性。如果薄膜晶体管(TFT)背板用作底部平板，为施加驱动电压，可动镜面就和TFT平板的电极对准。

尽管仔细控制制造过程的精度，色彩调光器的制作仍然可能不会完全一致和均匀。由于一些不可控因素如材料不均匀或制造不精确，使施加在不同调光器的特定电压可能在调光器中导致不同的空腔深度。控制这些因素的努力可能大大地增加显示器面板制造过程的成本。因此，对于这些不易控制的因素，补偿机制是必要的和有价值的，这样最终的产品可获得合适的颜色均一性。

像素驱动控制的设计不仅要满足颜色合成，同时也要纠正如上所述的三个自由度上的任何不可避免的制造偏差，因此可动平板或镜面的位置就可以精确的控制，并且避免发生相对于固定镜面的倾斜。如下所示，通过施加于电极的模拟电压补偿来实现颜色调制和校对。

在制造完毕后要对显示器进行校对。给调光器施加一系列电压组合以建立电压和调光器反射的颜色之间的关系。有4个可能的电压(例如，用图6A-6D所示的具体实例)可以施加于调光器的两对垂直的电极上，包括在底部平板的两个行电极和在顶部平板或可动平板的两个列电极。选择在可动平板还是顶部平板取决于具体实例(或关于行和列的安排)。每个像素m,n的原色都可以根据电压V加以校对，电压V是由4个分量组成的矢量。每个调光器有四个状态，分别代表蓝绿色，洋红，黄色和黑色(CMYK)(或RGB的红色，绿色，蓝色和黑色)。每个显示器上的每个的调光器还可能需要一个不同的电压关系(即，4个电极的补偿电压)来阻止可动镜面相对于固定镜面的倾斜，但是在具体实施时，一个通用的电压关系可以施加于一组调光器，因为显示器上的各个调光器基本在相同制造条件下完成。具有大约相同的电压关系的调光器可以分在相同的组中。不同组调光器中的电压关系接着就可以在控制器的驱动电路或闪存中存储并编入索引以驱动显示平板。当显示器制作完成后(通常即刻在显示器制造之后)这些用于倾斜校准和颜色实现的电压就被引用。均一性和误差大小问题就可以有效地从显示器制造转移到驱动电路上，这些驱动电路位于调光器之外。制造允许的误差容限就因此可以放松些，这样就显著地降低成本。

由反射均匀而且色彩饱和的FPI调光器阵列组成的显示器需要率定和色彩校对过程。图14显示了一个平板率定的典型原理图1200。一个反射式的显示器1201暴露于全光谱白光下。行导线1202和列导线1203连接可变电压源1204。分光计1207处于显示平板1201上方接收从显示平板像素反射出来的光线1205。通过色饱和度的抽样并加以分析来决定施加于每个像素的4个电极上的电压值，这些电压不仅用于补偿像素调光器的可动镜面相对于固定镜面的倾斜，而且用于获得期望的颜色。在每个具有共同电压关系特点的像素的调光器组上施加的电压也可以分组，并且当显示器运行时，每个不同组的电压关系就存档于存储器中以实现颜色率定和校对过程。

显示平板的率定步骤：

1.扫描像素并获得电压/颜色关系。率定过程可以通过逐步增加基板上电极的电压来实现。在此过程中两互相平行的电极的电压保持相同。列表4种基本颜色相对应的电压。

2.对于任何像素中出现的4种基本颜色中的每一个，都对像素的四个角做光谱分析。其偏差要量化处理，并且对电极的电压做进一步调整以校对色饱和度和补偿倾斜，通过迭代在每个像素上实现均匀的期望颜色。将每个像素的4种基本色对应的电极电压暂时存储。

3.循环操作1和2步骤直到每个像素获得均匀如一的色饱和度。

4.对每个基本颜色的电压集合进行制表后置于闪存，例如只读存储器中(ROM)。

显示平板像素颜色校正步骤：

1.接收视频或图像信号。

2.解析视频或图像信号并放置在对应像素索引图中。

3.从存储于闪存中的率定表中获得颜色/电压的率定集合。

4.按照存储于闪存内率定表中的颜色/电压集和输入的视频/图像信号，对输入的信号进行调制以控制施加于调光器上的每个像素电极的电压值。

5.通过对每个电极给予合适的电压来对显示屏输入经过调试的信号，从而在显示屏上实现视频/图像输出。

校对颜色和倾斜补偿系统实例

图15表明了一个典型的系统1300，在这个系统中，每组FPI调光器的颜色和倾斜误差都类似或相同，并且通过施加电压差在各个电极上来校对和/或补偿倾斜误差，同时驱动可动镜面。对应于视频或图像输入信号1302，控制器1304确定在显示器像素当前帧上产生每个像素的颜色。如上所述，在显示当前帧期间，控制器1304可以利用空间或时序色彩合成技术在像素中产生全光谱可见光的任何期望的颜色。控制器1304可能包含一个硬件逻辑设备，一个包括预先设定的可执行软件程序的处理器，一个专用集成电路，或由任何适合执行如下讨论的控制功能的装置。一个可变电压发生器1306和控制器1304耦合并按照每组调光器定义的一组电压水平由控制器控制，其中每组调光器有着相似的特性，并通过施加于调光器产生各个基本颜色，同时通过施加电压差也能补偿可动镜面的任何倾斜，从而在调光器中驱动可动镜面以达到合适的空腔深度来显示那些基本的颜色。如上解释的那样，施加于沿着某一个坐标轴排列电极上的电压差，可以补偿可动镜面沿着垂直于第一轴的第二轴发生相对于固定镜面的倾斜，其中第二轴位于平行于可动镜面的平面(沿着第一轴)上。因此，当控制器为某共同组中的每个像素选定一种颜色时，电压发生器(或控制器)从颜色校对/倾斜补偿检索表1308中获取电压大小并施加于像素组中每个调光器的电极上，这些像素是在显示器当前视频或图片帧下驱动的。电压发生器接着对显示器1310行/列驱动器施加合适的电压，于是在当前帧下在每个像素上获得期望的颜色。作为一种选择，行和列驱动器可以与显示器分开，但很显然把这些驱动器作为组成部分而集成到显示器中则显得更为经济。控制器1304同时也为行和列驱动器提供信号以激活每行每列的像素，从而显示器上呈现当前帧的视频或图片。

尽管在此披露的概念已经通过首选应用实例及其修改的方式所描述，行业里熟悉工艺技能的人们将会理解通过以下的权利要求范围而产生出的许多变化。因此，以上描述的目的不是限制这些概念的范围，而是需要通过引用来完全决定以下的权利要求。

Claims (42)

1. 所有权被申明的发明定义如下：

   1.一种带有可动平板的光干涉调光器，它通过驱动可动平板而改变一个空腔的深度并且对非平衡条件进行补偿，这种不平衡可以导致可动平板沿两个正交轴中的至少一个倾斜，其中包括：

   (a)一个固定平板位于可动平板的对面，并与可动平板之间构成一个空腔深度，空腔用于调制入射到空腔内的可见光；

   (b)多电极与至少一个单电极处于相对的位置，其中多电极或单电极可位于可动平板上；

   (c)连接多电极和至少一个单电极的导线，这些导线和一个控制电压源连接，可以将预先定义的电压组施加于多电极中的每个电极上，从而产生静电引力来驱动可动平板以改变空腔深度，并且可以补偿不平衡条件，充分地消除可动平板在关于其所在平面内至少一个正交坐标轴上的倾斜。
2. 2.根据权利要求1所述的干涉调光器，其中多电极包含三个沿两个正交坐标轴中至少一个不对称分布的电极。
3. 3.根据权利要求1所述的干涉调光器，其中多电极包含两个沿与固定平板平行的轴并排排列的电极，还包括另外两个沿着平行于固定平板并和第一轴垂直的另一轴并排的补充电极，但位于和多电极和至少一个电极不同的平面上。
4. 4.根据权利要求1所述的干涉调光器，每个固定板和可移动板均包括一层部分反射层，透射部分入射光并且反射其余的入射光，从而发生光干涉并产生期望颜色的可见光。
5. 5.根据权利要求4所述的干涉调光器，其中部分反射层包含导电材料或者涂有有导电薄膜的绝缘材料。
6. 6.根据权利要求1所述的干涉调光器，至少在可动平板或固定平板上包含一层绝缘层使两板绝缘。
7. 7.根据权利要求6所述的干涉调光器，在多个电极没有被施加电压驱动时，可动平板和固定平板完全接触。
8. 8.根据权利要求1所述的干涉调光器，还包含具有至少一个能支撑可动镜面悬空并为可动平板提供恢复力的弹性梁，此恢复力应与可动平板的刚度匹配，这样当电压从这些电极上去掉后，此弹性梁能够提供足够的弹性恢复力将可动平板恢复到未驱动位置，但此恢复力不能过大以至于在给多电极施加电压来驱动可动平板时造成可动板变形。
9. 9.根据权利要求8所述的干涉调光器，其中至少一个弹性梁结构是一个在可动平板边缘按一定间距连接的弹性梁构成的。
10. 10.根据权利要求8所述的干涉调光器，其中至少一个弹性梁结构包含两个连接在可动板相对边缘上的弹性梁。
11. 11.根据权利要求8所述的干涉调光器，其中至少一个弹性梁结构包含一个连接于可动平板不同边缘处的弹性梁。
12. 12.根据权利要求1所述的干涉调光器，还包括一个底板，使得可动板位于固定板和底板之间，底板也是固定的且包括以下两者之一：

    (a)多个电极；或

    (b)至少一个电极。
13. 13.根据权利要求1所述的干涉调光器，其中大量的干涉调光器是以行列阵列形式安排在显示器中，还包括连接并传输驱动电极电压的导线，显示器中每个干涉调光器通过这些电压驱动电极在每个显示像素上产生期望的反射颜色，并且补偿可动平板相对于固定平板的倾斜。
14. 14.一种控制干涉调光器可动镜面的方法，以补偿导致可动镜面倾斜而与顶部固定平板不平行的非平衡条件，而可动平板和固定平板之间的距离确定光学腔的深度，其中包括以下步骤：

    (a)提供多个分布于干涉调光器表面的第一组电极；

    (b)提供至少另一组的电极，其位置在第一组电极的对面；和

    (c)给第一组和第二组电极施加电压，给多个电极施加的电压用于提供恰当的静电引力以补偿非平衡条件，并且使可动平板相对于固定平板运动，从而改变干涉调光器的深度和被其反射出的颜色，同时防止可动平板倾斜而破坏和顶部固定平板的平行关系。
15. 15.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一组电极的步骤包含划分可动平板的区域以定义第一组电极中每个电极的步骤。
16. 16.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一组电极的步骤包含划分顶部固定平板区域以确定第一组电极中每个电极。
17. 17.根据权利要求14所述的方法，其中提供第一组电极的步骤包含划分位于底部与可动平板相对的固定平板区域以定义第一组电极中的每个电极的步骤，可动平板又与顶部固定平板相对。
18. 18.根据权利要求14所述的方法，其中提供分布于干涉调光器表面的第二组电极的步骤，此表面与第一组电极所在表面不同，第一组电极定义一行电极和一列电极，而第二组电极定义不同的行电极和列电极。
19. 19.根据权利要求18所述的方法，其中提供第二组电极的步骤包含在顶部固定平板上划分区域以定义第二组电极中每个电极的步骤。
20. 20.根据权利要求18所述的方法，其中提供第二组电极的步骤包含划分可动平板的区域以定义第二组电极中每个电极的步骤。
21. 21.根据权利要求18所述的方法，其中提供第二组电极的步骤包含划分底部固定平板的区域以定义第二组电极中的每个电极的步骤，其中底部平板和顶部固定平板分别位于可动平板上下两侧。
22. 22.根据权利要求14所述的方法，其中还包含使可动平板和固定平板相互绝缘的步骤。
23. 23.根据权利要求14所述的方法，其中还包含确定施加在第一组电极的每个电极上的电压值的步骤，这些电压可以使干涉调光器产生期望的反射颜色并且补偿任何可动平板相对于顶部固定平板的倾斜。
24. 24.根据权利要求23所述的方法，其中还包含存储检索电压的步骤，电压标示值存贮在闪存器中，当显示器面板正常工作，这个存储器提供适合的电压于自动驱动可动平板，从而实现期望的颜色，并且补偿可动平板任何相对于顶部固定平板的倾斜。
25. 25.根据权利要求24所述的方法，还包含以下几个步骤:

    (a)对于包含众多干涉调光器的显示器中的每个干涉调光器，确定施加给第一组电极中的每个电极的电压值，用以获得期望的颜色，并且补偿动任何移动平板相对于顶部固定平板的倾斜；

    (b)在闪存存储器中存储显示器干涉调光器中每个电极上所需要施加的电压；和

    (c)当使用显示器时，读出闪存中存储的确定的电压值，并将该电压施加于干涉调光器中每个电极，这样显示器中处在一个像素上的可动镜面的干涉调光器被驱动，就能获得在此像素位置的期望颜色。
26. 26.根据权利要求25所述的方法，还包含将显示器中的干涉调光器分组的步骤，每组中的干涉调光器享有通用的电压，用来获得期望的反射颜色并且补偿此组中的每个干涉调光器的可动平板相对顶部固定平板的任何倾斜。
27. 27.一种反射期望波段的反射光干涉调光器，其中包含：

    (a)一个部分反射，接收外部入射光的顶层平板，入射在半反射顶层平板上的一部分光线透射，而剩余的部分则被部分反射顶层反射；

    (b)至少被一个弹性梁支撑而处于悬空状态的部分反射可动平板，此平板可以相对于部分反射顶层平板运动；

    (c)在干涉调光器里的一个表面上沉积第一组电极；

    (d)至少一个其它电极生成在与第一组电极相对应的位置；和

    (e)与第一组电极和至少一个其它电极相耦合的控制电压源，给第一组电极的每个电极施加电压，选择施加的电压高低以使得：

    (i)静电驱动部分反射可动平板相对于部分反射顶层平板运动，从而在两者之间形成空腔，而空腔深度用于调节从部分反射顶层平板进入空腔的透射光线，这样空腔中调制的光和部分反射顶层平板的反射光相干涉，从而获得期望反射光的波长范围；和

    (ii)补偿部分反射可动平板相对于顶部平板的任何倾斜，保持部分反射可动平板和部分反射顶层平板的基本平行。
28. 28.根据权利要求27所述的干涉调光器，还包含位于部分反射可动平板下面的底部平板，其中第一组电极生成在如下表面之一：

    (a)部分反射顶部平板；

    (b)部分反射可动平板；和

    (c)底部平板。
29. 29.根据权利要求27所述的干涉调光器，还包含位于部分反射可动平板上的下面的底部平板，其中至少一个其他电极在以下之一上：

    (a)部分反射顶部平板；

    (b)部分反射可动平板；和

    (c)底部平板。
30. 30.根据权利要求27所述的干涉调光器，还包含位于与第一组电极不同表面的第二组电极，其中第一组电极包含一组行电极和一组列电极，第二组电极包含其他组的行电极和其他组的列电极。
31. 31.根据权利要求30所述的干涉调光器，还包含位于部分反射可动平板下面的底部平板，第二组电极沉积在以下之一上：

    (a)部分反射顶部平板；

    (b)部分反射可动平板；和

    (c)底部平板。
32. 32.根据权利要求27所述的干涉调光器，其中部分反射可动平板靠一个单独的弹性梁支撑，当电压没有施加在第一组电极上时，此弹性梁提供一个足够的恢复力以使部分反射可动平板恢复到其平衡位置，但恢复力不能过大而使得施加电压驱动部分反射可动平板时导致部分反射可动平板产生变形。
33. 33.根据权利要求27所述的干涉调光器，其中部分反射可动平板受多弹性梁支撑，每个弹性梁都生成在部分反射可动平板的相邻的但不同的边缘上。
34. 34.根据权利要求27所述的干涉调光器，其中部分反射顶部平板和部分反射可动平板均涂覆有从以下组分中选择的成分：

    (a)一层绝缘层；和

    (b)一层金属导电层。
35. 35.根据权利要求27所述的干涉调光器，还包含沉积于部分反射顶部平板和部分反射可动平板之间的绝缘层。
36. 36.根据权利要求27所述的干涉调光器，还包含存储于闪存器中的索引，包含施加于第一组电极上驱动可动反射平板运动的电压，用以获得对应于各种颜色的空腔深度，并补偿部分反射可动平板相对于部分反射顶部平板的任何倾斜。
37. 37.一种补偿调光器中部分反射可动平面倾斜力的方法，可使得部分反射可动平板平行于相邻的部分反射固定平板，从而形成光学空腔，这样期望的颜色就从干涉调光器反射出来，具体包含如下步骤：

    (a)在干涉调光器内部表面制成第一组电极；

    (b)在第一组电极所在表面相对应的其他表面沉积至少一个电极；

    (c)给第一组电极施加电压，通过下述方法控制施加于第一组电极中每个电极上的电压：

    (i)驱动部分反射可动平板使其相对于部分反射固定平板运动，控制部分反射固定平板和部分反射可动平板之间的空腔，此空腔深度通过调制通过部分反射固定平板透射到空腔的光线和部分反射固定平板反射的光线产生光干涉，从干涉调光器上反射出期望的光波段，和

    (ii)补偿部分反射可动平板相对于部分反射固定平板的任何倾斜从而保证部分反射可动平板和部分反射固定平板的平行。
38. 38.根据权利要求37所述的方法，其中提供第一组电极的步骤包含提供在部分反射可动平板或部分反射固定平板上生成第一组电极的步骤。
39. 39.根据权利要求37所述的方法，其中还包含提供一个在部分反射可动平板之下置放底部平板的步骤，其中提供第一组电极的步骤包含在部分反射可动平板，部分反射固定平板，或底部平板三者之一上提供第一组电极的步骤。
40. 40.根据权利要求39所述的方法，还包含提供位于部分反射可动平板，部分反射固定平板，或者底部平板三者之一的第二组电极的步骤，第一组电极包含一组行电极和一组列电极，而第二组电极包括其它一组行电极和其它一组列电极。
41. 41.根据权利要求37所述的方法，还包含以下步骤：

    (a)确定应用于第一组电极上的电压大小以从干涉调光器获得期望的反射颜色并且补偿部分反射可动平板的任何倾斜；

    (b)在闪存存储器中存储电压的标示；并且

    (c)访问在闪存存储器中存储的电压值索引并且利用相应的电压来产生期望的反射颜色并补偿部分反射可动平板的任何倾斜。
42. 42.根据权利要求37所述的方法，还包含下列步骤：

    (a)制作一个包含成行成列排列的多个干涉调光器的显示器屏；和

    (b)给每个干涉调光器的电极施加合适的电压，以在显示器中的一行一列的位置上产生各种期望的颜色，并且补偿在每个调光器中部分反射的可动平板相对于部分反射的固定平板的任何倾斜。

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