DE60020414T2

DE60020414T2 - Lichtmodulationsvorrichtung, Ansteurungsverfahren davon, und flache Anzeigetafel

Info

Publication number: DE60020414T2
Application number: DE60020414T
Authority: DE
Inventors: Koichi Fujinomiya-shi Kimura
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: DE60020414D1; EP1022598A2; JP3912760B2; EP1022598B1; US6650309B1; EP1022598A3; JP2000214394A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Lichtmodulationselement gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1; dieses wird zum Beispiel dazu verwendet, die Stellung einer Nadel durch eine elektrostatische Spannung zum Ausführen einer Lichtmodulation zu ändern. Ein Element dieser Art ist aus der US 5 062 689 bekannt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Lichtmodulationselement dient zum Steuern der Amplitude (der Stärke), der Phase, der Laufrichtung etc. von einfallendem Licht zur Verarbeitung und zur Anzeige eines Bilds, von Musterdaten etc. Eines der Lichtmodulationselemente ist ein Flüssigkristall-Lichtmodulationselement unter Ausnutzung des elektrooptischen Effekts von Flüssigkristallmaterial. Das Flüssigkristall-Lichtmodulationselement wird vorzugsweise bei einer Flüssigkristallanzeige einer dünnen Flachschirmanzeigeeinheit verwendet. Die Flüssigkristallanzeige hat einen Aufbau, bei der ein orientierter Flüssigkristall zwischen Substrate, die ein Paar leitender transparenter Schichten bilden und zwischen orthogonalen Ablenkplatten eingefaßt sind, eingegeben und zwischen den Substraten abgedichtet gehalten wird. Die Flüssigkristallanzeige erbringt eine Anzeige durch Anlegen einer Spannung an die leitende transparente Schicht, um die Flüssigkristallmoleküle in der Längsachsenrichtung rechtwinklig zum Substrat zu orientieren und den Transmissionsfaktor von Licht in Form von Hintergrundlicht zu ändern.
Nebenbei bemerkt kann in der Flüssigkristallanzeige das Hintergrundlicht durch mehrere Schichten von Ablenkplatten, transparenten Elektroden und Farbfiltern laufen, was den Licht-Nutzungswirkungsgrad senkt. Die hochqualitative Flüssigkristallanzeige erfordert TFTs, und das Flüssigkristallmaterial muß zwischen den beiden Substraten eingeschlossen und orientiert werden, so daß es schwierig ist, einen großen Bildschirm zu erhalten. Dies ist ein Nachteil der Flüssigkristallanzeige. Da außerdem Licht zwischen den orientierten Flüssigkristallmolekülen hindurchgelangen kann, wird der Sehwinkel schmal. Dies ist ein weiterer Nachteil der Flüssigkristallanzeige.
Um diese Nachteile zu überwinden, wird ein elektrostatisch angesteuertes Lichtmodulationselement vorgeschlagen. Dieses Lichtmodulationselement enthält ein alternierendes Muster aus einem ersten Abschirmabschnitt mit mehreren Treiberelektroden, die isoliert voneinander mit einem vorbestimmten Abstand in einer vorbestimmten Richtung angeordnet sind, außerdem ist ein zweiter Abschirmteil vorgesehen, der mit positiven und negativen Ladungen, die elektrostatisch induziert werden, bewegbar ist, wobei der erste und der zweite Abschirmteil auf einem transparenten Substrat angeordnet sind. Die an die Treiberelektrode angelegte Spannung wird geändert, wodurch die relative Lage zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung durch elektrostatische Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmteil geändert wird, mithin also der Transmissionsfaktor für Durchgangslicht zwecks Ausführung einer Lichtmodulation geändert wird.
Bei dem elektrostatisch angesteuerten Lichtmodulationselement kann von einer Lichtquelle stammendes Licht nur durch das transparente Substrat gelangen, so daß man den Licht-Wirkungsgrad anheben und die Lichtmodulationselemente leicht in einem Feld oder Array durch Photolithographie und Ätzen ausbilden kann, so daß kein Flüssigkristallmaterial gegossen oder orientiert werden muß, demzufolge sich die Fertigungskosten reduzieren lassen und man in einfacher Weise eine große Fläche erhalten kann.
Allerdings zeigt bei dem elektrostatisch angesteuerten Lichtmodulationselement im oben beschriebenen Stand der Technik die Verlagerungsbeziehung zwischen der angelegten Spannung und der relativen Lage zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmteil eine Hysteresekennlinie, so daß grundsätzlich die an die Treiberelektrode angelegte Spannung binär geändert wird. Aus diesem Grund wird das Treiberverfahren oder Ansteuerver fahren zu einer sogenannten einfachen Matrixansteuerung, bei der Abtast-Signalelektroden und Bildsignalelektroden an den ersten Abschirmteil und den zweiten Abschirmteil angeschlossen werden, die Abtastsignalelektroden sequentiell angesteuert werden und Signalspannungen entsprechend den angesteuerten Abtastsignalelektroden an die Bildsignalelektroden gelegt werden. Bei einer einfachen Matrixansteuerung allerdings hängt der Zustand der an die Abtastsignalelektroden und die Bildsignalelektroden angelegten Spannungen von der Hysteresekennlinie ab und ist beschränkt. Um die Bildqualität durch Kontrast etc. zu verbessern, ist es notwendig, die Bauelementstruktur zu optimieren und die Hysteresekennlinie an die Ansteuerungsbedingung anzupassen.
Für eine binäre einfache Matrixansteuerung ist als Mittel zur Erzeugung von Gradation ein Verfahren bekannt, bei dem eine Bildanzeige in Felder unterteilt wird, eine Abtastung erfolgt und die Anzeigezeit geändert wird. Selbst wenn in diesem Fall ein Ansteuerverfahren mit Wichtung von Abtastintervallen innerhalb der Felder zur Verringerung der Anzahl von Abtastvorgängen eingesetzt wird, wird die Schreib-Abtastzeit kurz, und es ergibt sich eine Beschränkung für den Entwurf dahingehend, daß das Lichtmodulationselement in angemessener Weise anspricht.
Im Gegensatz dazu machen einige Flüssigkristallanzeigen von der Aktivmatrixansteuerung durch Hinzufügung von aktiven Bauelementen (TFT etc.) an den Kreuzungsstellen einer XY-Matrix und dem Anlegen von Spannung an Flüssigkristallmaterial über die aktiven Elemente Gebrauch. Bei der Aktivmatrixansteuerung wird eine Abtastspannung an Abtastsignalelektroden sequentiell angelegt, und die damit verbundenen TFTs werden im Einklang damit eingeschaltet. Gleichzeitig wird von Bildsignalelektroden ein Signal angelegt, und in der Kapazität jedes Pixels werden über die TFTs Ladungen angesammelt. Am Ende der Abtastung einer Zeile werden die TFTs ausgeschaltet, und die in der Pixelkapazität angesammelten Ladungen werden in Takt gehalten (gespeichert). Bei der Aktivmatrixansteuerung läßt sich die angelegte Spannung in einem beliebigen großen Bereich einstellen, und man kann vergleichsweise rasche Ansprechgeschwindigkeit oder starken Kontrast erzielen, so daß insbesondere für bewegte Bilder eine hohe Bildqualität erzielt werden kann.
Die Entwicklung von Lichtmodulationselementen mit Speichereigenschaft wird mit den damit verbundenen Vorteilen unter Ermöglichung einer Aktivmatrixansteuerung auch für die elektrostatisch angesteuerten Lichtmodulationselemente erwünscht.
Die US 5 062 689 , die die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, zeigt ein Lichtmodulationselement, bei dem die Richtung der ersten elektromechanischen Kraft der Richtung der zweiten elektromechanischen Kraft entgegengesetzt ist. Insbesondere ist die erste elektromechanische Kraft eine Betätigungskraft, die zweite elektromechanische Kraft ist eine Rückstellkraft.
Die WO 98/19201 zeigt ein Lichtmodulationselement, welches ebenfalls die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Insbesondere sind mehrere Lichtschalter auf einer Unterseite einer Rückplatte angeordnet, die einem Lichtwellenleiter gegenüberliegt. Der Lichtschalter enthält ein regelmäßiges Lichtablenkmuster und läßt sich von der Rückplatte auf die gegenüberliegende Fläche des Wellenleiters bewegen, um dadurch Licht aus dem Wellenleiter abzuziehen und das Licht aus dem Wellenleiter abzulenken. Aufgrund dieses Mechanismus wird das aus dem Wellenleiter abgelenkte Licht von außen her sichtbar.
Es existiert weiterer Stand der Technik in Verbindung mit Lichtmodulationselementen ( US 5 519 240 und US 5 781 331 ). Gemäß diesem Stand der Technik werden elektromechanische Kräfte mit Hilfe von Elektrodenpaaren erzeugt. Nach der US'240 ist ein Lichtverschluß mittels dünner Arme gehaltert. Durch elektromechanische Kräfte werden die das Lichtverschlußelement tragenden Arme abgelenkt zwischen einer Lichtsperrstellung und einer Lichtdurchlaßstellung.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Ziel der Erfindung, ein Lichtmodulationselement mit Speichereigenschaft mit einem einfachen und billigen Aufbau zur Ermöglichung der Matrixansteuerung zu schaf fen, welches sich für den Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und zur Schaffung einer Anzeige mit hohem Kontrast eignet.
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Lichtmodulationselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
In dem Lichtmodulationselement erfolgt der Lichtmodulationsvorgang durch die erste elektromechanische Kraft, und der Verlagerungs- oder Versetzungszustand der Nadel läßt sich ansprechend auf die von der Treibereinrichtung erzeugte zweite elektromechanische Kraft halten oder aufheben. Damit läßt sich eine Speichereigenschaft für den Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements erzielen, und man kann eine Bauelementstruktur erhalten, die eine Aktivmatrixansteuerung gestattet.
Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
In dem erfindungsgemäßen Lichtmodulationselement sind die Richtungen der ersten und der zweiten elektromechanischen Kraft zueinander orthogonal.
Durch diese Konfiguration verringert sich die Störung zwischen den elektromechanischen Kräften, und es wird eine exakte Treibersteuerung möglich.
Vorzugsweise verläuft in dem Lichtmodulationselement die Richtung der ersten elektromechanischen Kraft im wesentlichen horizontal, die Richtung der zweiten elektromechanischen Kraft verläuft im wesentlichen vertikal.
In dem Lichtmodulationselement wird die Nadel im wesentlichen in horizontaler Richtung aufgrund der ersten elektromechanischen Kraft bewegt, während Lichtmodulation vorgenommen werden kann, und die Nadel wird im wesentlichen vertikal angesaugt oder angezogen, um den Versetzungszustand der Nadel zu halten, oder die elektromechanische Kraft wird aufgehoben, und mithin auch der Versetzungszustand selbst.
Vorzugsweise wird in dem Lichtmodulationselement die Richtung der ersten elektromechanischen Kraft im wesentlichen vertikal und die Richtung der zweiten elektromechanischen Kraft im wesentlichen horizontal angelegt.
In dem Lichtmodulationselement wird die Nadel im wesentlichen in vertikaler Richtung durch die erste elektromechanische Kraft bewegt, wodurch die Lichtmodulation ausgeführt werden kann, und die Nadel wird im wesentlichen horizontal zum Halten des Versetzungszustands der Nadel angesaugt oder angezogen, oder die elektromechanische Kraft wird aufgehoben und damit auch der Versetzungszustand.
Vorzugsweise enthält das Lichtmodulationselement eine Nadel, die teilweise auf der Seite eines Substrats gehaltert ist und elektrische Leitfähigkeit besitzt, während eine erste fixe Elektrode und eine zweite fixe Elektrode gegenüber der Nadel angeordnet sind, wodurch die Nadel im wesentlichen horizontal gegenüber dem Substrat aufgrund einer Potentialdifferenz verlagert wird, die verursacht wird durch Anlegen durch Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel, um dadurch den Lichttransmissionsfaktor zu ändern, wobei der Verlagerungszustand der Nadel durch Anlegen von Spannung zwischen die zweite fixe Elektrode und die Nadel entweder gehalten oder aufgehoben wird.
In dem Lichtmodulationselement kann die Nadel im wesentlichen in horizontaler Richtung ansprechend auf die Potentialdifferenz bewegt werden, welche elektrostatische Kraft in horizontaler Richtung bewirkt, erzeugt durch das Anlegen von Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel, um so den Lichttransmissionsfaktor zu ändern, und die Nadel kann im wesentlichen in vertikaler Richtung durch die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung angesaugt oder angezogen werden, die durch Anlegen von Spannung an die zweite fixe Elektrode und die Nadel hervorgerufen wird, um dadurch den Versetzungszustand der Nadel zu halten, oder aber die elektrostatische Kraft wird aufgehoben, und mithin auch der Versetzungszustand.
Das Lichtmodulationselement enthält vorzugsweise eine Nadel, die teilweise auf der Seite eines Substrats gehaltert ist und elektrische Leitfähigkeit besitzt, außerdem eine erste fixe Elektrode und eine zweite fixe Elektrode, die gegenüber der Nadel plaziert sind, wodurch die Nadel im wesentlichen vertikal bezüglich des Substrats aufgrund einer Potentialdifferenz verlagert wird, die hervorgerufen wird durch Anlegen einer Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel, um dadurch den Lichtmodulationsfaktor zu ändern, wobei der Versetzungszustand der Nadel durch Anlegen von Spannung zwischen die zweite fixe Elektrode und die Nadel gehalten oder aufgehoben wird.
In dem Lichtmodulationselement kann die Nadel im wesentlichen in vertikaler Richtung aufgrund der Potentialdifferenz bewegt werden durch die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung, erzeugt durch Anlegen von Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel, um dadurch den Lichttransmissionsfaktor zu ändern, und die Nadel kann im wesentlichen in horizontaler Richtung angesaugt oder angezogen werden durch die elektrostatische Kraft in horizontaler Richtung, erzeugt durch Anlegen von Spannung zwischen die zweite fixe Elektrode und die Nadel, um dadurch den Verlagerungszustand der Nadel zu ändern, oder die elektrostatische Kraft wird aufgehoben, und damit auch der Versetzungszustand.
In dem Lichtmodulationselement besitzt die Nadel vorzugsweise eine Lichtabschirmeigenschaft und befindet sich an einem Zwischenpunkt des Lichtwegs, wobei das Ausmaß der Lichtabschirmung innerhalb des Lichtwegs durch Versetzung der Nadel geändert wird.
Innerhalb des Lichtmodulationselements wird die numerische Apertur des Lichtwegs ansprechend auf den Versetzungshub der Nadel mit Abschirmeigenschaft geändert, wobei die Nadel sich dann in einem Zwischenpunkt innerhalb des Lichtwegs befindet, so daß das Ausmaß der Lichtabschirmung geändert werden kann.
In dem Lichtmodulationselement wird vorzugsweise der Lichttransmissionsfaktor des Elements basierend auf dem Interferenzeffekt, dem optischen Nahfeldeffekt, dem Beugungseffekt oder dem Lichtablenkeffekt beim Versatz der Nadel geändert.
In dem Lichtmodulationselement wird die Nadel verlagert oder versetzt, wodurch der Lichttransmissionsfaktor geändert werden kann, um mit Hilfe des Interferenzeffekts, beispielsweise der Fabry-Perot-Interferenz, des optischen Nahfeldeffekts, Lichtmodulation zu bewirken, so daß eine Nadel sich in die Nähe eines Substrats bewegt, wo Licht totalreflektiert und geführt wird, das Licht gekoppelt wird, weiterhin unter Nutzung des Beugungseffekts mit Bragg-Beugung etc. Lichtmodulation erfolgt, außerdem durch den Effekt der Lichtablenkung, der Lichtbrechung oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Lichtmodulationselement enthält eine Nadel, die teilweise auf einem für zu modulierendes Licht transparenten Substrat gehaltert ist und Lichtabschirmeigenschaften sowie elektrische Leitfähigkeit besitzt, eine erste feste oder fixe Elektrode gegenüber einer ersten Richtung der Nadel und wie eine Wand in einer Ebene rechtwinklig zu dem transparenten Substrat angeordnet, eine zweite feste Elektrode gegenüber einer zweiten Richtung der Nadel und angeordnet in einer Ebene parallel zu dem transparenten Substrat, und eine Abschirmungsfolie, die mit einer Öffnung ausgebildet ist, die als Lichtmodulationsfläche fungiert, wobei die Nadel in der ersten Richtung durch eine elektrostatische Kraft bewegt wird, erzeugt durch Anlegen von Spannung an die Nadel und die erste feste Elektrode, um dadurch eine Lichtmodulation auszuführen, während die Nadel in der zweiten Richtung durch Anlegen einer Spannung zwischen Nadel und zweite feste Elektrode angesaugt oder angezogen wird, um den Versetzungszustand der Nadel zu halten oder die elektrostatische Kraft zum Aufheben des Versetzungszustands zu beseitigen.
In dem Lichtmodulationselement wird Spannung an die an dem transparenten Substrat gehalterte Nadel und die der ersten Richtung der Nadel gegenüberliegende erste feste Elektrode gelegt, wodurch die Nadel zur Ausführung einer Lichtmodulation in der ersten Richtung versetzt werden kann, und es wird Spannung an die der zweiten Richtung der Nadel gegenüberliegende zweite feste Elektrode und die Nadel selbst gelegt, wodurch die Nadel in der zweiten Richtung angesaugt oder angezogen werden kann, um den Versetzungszustand der Nadel zu halten oder die elektrostatische Kraft und mithin den Versetzungszustand zu beseitigen.
In dem erfindungsgemäßen Lichtmodulationselement sind mehrere Nadeln und mehrere erste feste Elektroden in Form einer gitterähnlichen Anordnung plaziert.
In dem Lichtmodulationselement sind mehrere Nadeln und mehrere erste feste Elektroden ähnlich einem Gitter angeordnet, wodurch eine Pixelfläche gebildet wird durch mehrere Nadeln und mehrere erste feste Elektroden; wenn es bei irgendeiner Nadel zu einer Betriebsstörung kommt, so hat dies keine große Auswirkung auf die Lichtmodulation insgesamt innerhalb einer Pixelfläche aufgrund des Vorhandenseins einer anderen Nadel, und man kann eine stabile Lichtmodulation erzielen. Die Nadeln und die ersten festen Elektroden sind ähnlich einem Gitter angeordnet, wodurch der Aufbau des Lichtmodulationselements in hohem Maße platzsparend ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtmodulationselements gemäß der Erfindung mit teilweise weggebrochenen Teilen;
2 ist eine Draufsicht auf ein Lichtmodulationselement vom Array-Typ aus Lichtmodulationselementen gemäß 1, die ähnlich einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind;
3A und 3B sind Draufsichten zur Darstellung einer Pixelfläche des in 1 gezeigten Lichtmodulationselements;
4A bis 4C sind schematische Darstellungen für den Betrieb des Lichtmodulationselements der ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Treiber-Sequenz-Beispiels für das Lichtmodulationselement der ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Skizze zur Darstellung einer Treibersequenz einer Mehrfachton-Anzeige des Lichtmodulationselements unter Verwendung einer Analogspannung;
7 zeigt eine Lichttransmissionsfaktor-Kennlinie, abhängig von der Versetzungs-Ansprechgeschwindigkeit einer Nadel;
8A und 8B sind Schnittansichten des Hauptteils zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Lichtmodulationselements eines ersten modifizierten Beispiels der ersten Ausführungsform;
9 ist eine Schnittansicht des Hauptteils zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Lichtmodulationselements eines zweiten modifizierten Beispiels der ersten Ausführungsform;
10 ist eine Schnittansicht des Hauptteils zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Lichtmodulationselements eines dritten modifizierten Beispiels der ersten Ausführungsform;
11 ist eine Draufsicht auf ein Lichtmodulationselement vom Array-Typ aus Lichtmodulationselementen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, angeordnet wie eine Matrix;
12A und 12B sind Draufsichten zur Veranschaulichung einer Pixelfläche des in 11 gezeigten Lichtmodulationselements;
13A bis 13C sind schematische Darstellungen für den Vertrieb des in den 12A und 12B gezeigten Lichtmodulationselements;
14A bis 14C sind schematische Darstellungen des Betriebs des in den 12A und 12B gezeigten Lichtmodulationselements;
15 ist eine Darstellung eines Treibersequenz-Beispiels für eine Halbtonanzeige mittels PWM des Lichtmodulationselements vom Array-Typ nach 11;
16A und 16B sind Darstellungen für die Lichttransmissionsfaktor-Änderung in Abhängigkeit der verstrichenen Zeit nach der Freigabe einer Nadel;
17 ist eine graphische Darstellung der Zeitansprechkennlinie eines Lichttransmissionsfaktors abhängig von der Verzögerungszeit tx nach dem Schreibperioden-Beginn bis hin zur Beendigung als Parameter;
18 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Verzögerungszeit tx und dem Lichttransmissionsfaktor zur Verriegelungszeit in 17;
19A bis 19C sind schematische Darstellungen für den Betrieb eines Lichtmodulationselements einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
20 ist eine Schnittansicht des Hauptbestandteils eines Lichtmodulationselements, um ein modifiziertes Beispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung zu veranschaulichen; und
21 ist eine Schnittansicht des Hauptbestandteils einer Flachbildanzeigeeinheit einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr auf die begleitenden Zeichnungen bezugnehmend, werden bevorzugte Ausführungsformen von Lichtmodulationselementen, Lichtmodulationselementen vom Array-Typ, deren Treiberverfahren sowie Flachbildschirmanzeigen gemäß der Erfindung dargestellt.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtmodulationselements mit teilweise weggebrochenen Teilen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und 2 ist eine Draufsicht auf ein Lichtmodulationselement vom Array-Typ mit den in 1 dargestellten Lichtmodulationselementen, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Als erstes soll der Aufbau des Lichtmodulationselements diskutiert werden. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Gitterkörper 2 auf einem für Licht mit einer Isoliereigenschaft für die Modulation transparenten Substrat 1 angeordnet. Der Gitterkörper 2 wird gebildet durch mehrere Gitterwände 5, die voneinander in gegebenen Intervallen beabstandet ist, außerdem durch einen gürtelförmigen elektrischen Leiter (die erste fixe Elektrode) 8 im Inneren der Gitterwand 5. Außerdem ist der elektrische Leiter 8 auf der Oberfläche mit einem Isolator 9 bedeckt und ist gegenüber einem benachbarten Bereich isoliert. Die Gitterwand 5 ist an einer oberen Stirnfläche mit einem Abschirmungsfilm 11 versehen, um zu verhindern, daß von unterhalb des Substrats 1 einstreuendes Licht von der oberen Stirnfläche der Gitterwand 5 abgestrahlt wird. Um die Lichtmodulationselemente in Verbindung mit einer Anzeigeeinheit verwenden zu können, können die Gitterwände 5 als schwarze Matrix zur Verbesserung des Kontrastverhältnisses eingesetzt werden.
Die Gitterwände 5, die jeweils mit einem Abschirmungseigenschaften aufweisenden leitenden Film 3 (der zweiten fixen Elektrode) benachbart zu der Gitterwand 5 auf der transparenten Elektrode 1 auf der linken und der rechten Seite der Gitterwand 5 ausgebildet sind, und jene, die nichts auf ihren beiden Seiten aufweisen, sind abwechselnd angeordnet. Bei dem Abschirmungseigenschaften aufweisenden leitenden Film 3 handelt es sich um einen Film- oder Schichtkörper mit Abschirmungseigenschaft sowie elektrischer Leitfähigkeit.
Der Bereich, in welchem der leitende Abschirmungsfilm 3 nicht zwischen den benachbarten Gitterwänden 5 ausgebildet ist, wird zu einer Lichtmodulationsfläche 13, und von unterhalb des transparenten Substrats 10 eingeleitetes Licht gelangt durch die Lichtmodulationsfläche 13 und wird auf der Oberseite des transparenten Substrats 1 emittiert.
Oberhalb der Lichtmodulationsfläche 13 befindet sich eine Nadel 15. Sie enthält einen schmalen Teil 16 mit einer Querschnittsfläche, die an beiden Enden in Längsrichtung der Nadel einen verringerten Querschnitt aufweisen, wobei die schmalen Teile 16 mit dem Gitterkörper 2 verbunden sind. Auf diese Weise werden die schmalen Teile 16 zu Schwächungsteilen und werden verformt, wodurch die Nadel 15 in paralleler und vertikaler Richtung gegenüber dem Substrat 1 bewegt werden kann. Die Nadel 15 ist mit einem gürtelähnlichen elektrischen Leiter (aufgeladenen Körper) 18 und einem Abschirmungsfilm 19 versehen. Der elektrische Leiter 18 und der Abschirmungsfilm 19 können aus einem leitenden Abschirmungsfilm einstückig ausgebildet werden.
Im neutralen Zustand (wenn die elektrischen Leiter gleiches Potential haben) befindet sich die Nadel 15 oberhalb der Lichtmodulationsfläche 13, um zu verhindern, daß durch die Lichtmodulationsfläche 13 gelangendes Licht an der Oberseite des Lichtmodulationselements 20 emittiert wird.
Die beschriebenen Lichtmodulationselemente 20 können für ein Lichtmodulationselement vom Array-Typ, 23, verwendet werden. Dieses „Array-Lichtmodulationselement" 23 enthält eine Mehrzahl von Abtastsignalelektroden 25, die parallel angeordnet sind, außerdem mehrere Bildsignalelektroden 29, die parallel und orthogonal zu den Abtastsignalelektroden 25 angeordnet sind, wobei die Lichtmodulationselemente 20 sich an den Schnittstellen der Abtastsignalelektroden 25 und der Bildsignalelektroden 29 befinden. Darüber hinaus gibt es eine gemeinsame Elektrode, die allerdings in 2 nicht dargestellt ist.
3A und 3B sind Draufsichten zur Darstellung einer Pixelfläche des Lichtmodulationselements; 3A zeigt eine Pixelfläche in einem neutralen Zustand (Abschirmungszustand), und 3B zeigt eine Pixelfläche in einer Schreib-Abtastzeit (Lichtdurchlaßzustand). Wie hier dargestellt, sind die leitenden Abschirmungsfilme 3 auf dem transparenten Substrat mit der Abtastsignalelektrode 25 verbunden, die Gitterwände (die fixen Elektroden) 5a, die beabstandet von den Nadeln 15 im neutralen Zustand plaziert sind, sind mit der Bildsignalelektrode 29 verbunden, und die Gitterwände (die fixen Elektro den) 5b in der Nähe der Nadeln 15 beim neutralen Zustand und die Nadeln 15 selbst sind mit der gemeinsamen Elektrode 27 verbunden.
Im neutralen Zustand (Abschirmzustand) gemäß 3A haben die Elektroden gleiches Potential. Wenn beispielsweise sämtliche Potentiale auf 0 [V] sind, gelangt das Lichtmodulationselement in den Abschirmzustand.
Zur Schreib-Abtastzeit gemäß 3B wird eine Spannung Va [V] nur an die Bildsignalelektrode 29 gelegt, und jede Nadel 25 wird in horizontaler Richtung zu der gegenüberliegenden Gitterwand 5 gesaugt und bewegt, und es erscheint die Öffnung in der Lichtmodulationsfläche 13. Zu diesem Zeitpunkt wird keine elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung (vertikal bezüglich der Zeichnungsebene der 3) erzeugt.
Als nächstes soll anhand der 4A bis 4C ein spezifisches Betriebsprinzip des Lichtmodulationselements 20 diskutiert werden, wobei die Zeichnungen Schnittansichten des Hauptbestandteils des in 4A gezeigten Lichtmodulationselements 20 sind.
Zunächst ist der in 4A dargestellte Zustand der Anfangszustand (neutraler Zustand), in welchem Licht von dem transparenten Substrat nicht durchgelassen wird (Abschirmzustand), und die Spannungen an sämtlichen Elektroden 0[V] betragen.
Sodann ist der in 4B gezeigte Zustand der Schreib-Abtastzeit, in welchem die Spannung Va [V] abhängig von der Bildinformation an die Bildsignalelektrode 29 gelegt wird, um in einen erwünschten Lichtdurchgangszustand zu gelangen, wobei eine elektrostatische Kraft (erste elektromechanische Kraft) an den Nadeln 15 wirksam wird und die Nadeln 15 in horizontaler Richtung angezogen oder angesaugt und bewegt werden. In diesem Zustand wird eine Spannung von 0 [V] angelegt, um eine Abtastsignalspannung Vg zu erhalten, und die Potentialdifferenz von der gemeinsamen Elektrode 27 wird auf Null gesetzt, um die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung (die zweite elektromechanische Kraft) zu beseitigen.
Wenn zum Beispiel die Bildsignalspannung Vd den Wert 0 [V] hat, werden die Nadeln 15 in den neutralen Zustand zurückgestellt, um den Abschirmzustand einzunehmen, und wenn die Spannung Vd ansteigt (Vd = Va[v]), bewegen sich die Nadeln 15 horizontal in Richtung der Gitterwände 5, die an die Bildsignalelektrode 29 angeschlossen sind, und es erscheinen die Öffnungen der Lichtmodulationsflächen 13.
Anschließend wird eine Spannung V1 [V] gemäß 4C an die Abtastsignalelektrode 25 gelegt. Dann wirkt eine elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung als Sperr- oder Verriegelungskraft, und die Nadeln 15 werden gegen die leitenden Abschirmfilme 3 gezogen. Die Sperrkraft wird größer aufgrund der Reibungskraft der Anziehung, wenn aber eine ausreichende Sperrkraft bereitgestellt wird, ist keine Anziehung erforderlich, und es reicht eine einfache Anziehungskraft aus. Der Pegel der Spannung V1 [V] ist so eingestellt, daß die Sperrkraft ausreichend größer wird als die elektrostatische Kraft in horizontaler Richtung, die erzeugt wird durch die Spannung, welche an die Bildsignalelektrode 29 gelegt wird, zuzüglich der elastischen Kraft der Nadeln 15 in horizontaler Richtung. Die Spannung V1 [V] bestimmt sich abhängig vom Material, der Gestalt, der Lücke etc. für jede Elektrode. Wenn die Spannung V1 niedrig ist, wird vorzugsweise eine starke elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung dadurch erzeugt, daß die Fläche der Bodenseite deutlich vergrößert wird oder der Spalt gegenüber dem transparenten Substrat 1 verkleinert wird, demzufolge die elektrostatische Kraft hauptsächlich in vertikaler Richtung der Nadeln 15 wirksam wird.
Auf diese Weise wird ein gewünschter Lichtdurchgangszustand auf das Lichtmodulationselement gehalten (gesperrt, verriegelt) am Ende des Abtastschreibvorgangs. Wenn außerdem anschließend die Abtastleitung eine Nichtauswahlperiode (schreibfreie Periode) erhält, läßt sich der verriegelte Lichtdurchgangszustand ohne Änderung halten, unabhängig von der Bildsignalspannung. Wird erneut eine Schreibabtastung (selektive Abtastung) ausgeführt, so wird an die Abtastsignalelektrode 25 eine Spannung 0 [V] angelegt, und die Verriegelungskraft wird auf Null gesetzt.
Als nächstes soll ein Treiberverfahren für eine binäre Anzeige mit den in 1 dargestellten Lichtmodulationselementen diskutiert werden. 5 zeigt eine beispielhafte Ansteuersequenz für eine binäre Anzeige mit Lichtmodulationselementen.
Hier dargestellt ist ein Beispiel zum Schreiben eines binären Lichttransmissionsfaktorzustands in jedes Pixel des Array-Lichtmodulationselements, bestehend aus den Lichtmodulationselementen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind, und zwar folgendermaßen:
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 1) → Tein (Durchlaß)
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 2) → Taus (Abschirmung)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 1) → Taus (Abschirmung)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 2) → Tein (Durchlaß)
Bei der Schreibabtastung wird die Abtastsignalspannung Vg der Abtastreihe auf 0 [V] zwecks Entriegelung gesetzt, anschließend wird die Bildsignalspannung Vd an die entsprechende Spalte gelegt. Speziell wird eine Spannung Vas [V], die für die Nadeln 15 ausreicht, um sie horizontal zu bewegen, an das Pixel gelegt, damit es Licht durchläßt, und es wird 0 [V] an das Pixel gelegt, um dort Licht abzuschirmen, indem die Nadeln 15 in den neutralen Zustand gebracht werden. Die Abtastsignalspannung Vg wird auf V1 [V] mit ausreichender Elementenansprechzeit eingestellt, und es wird der Zustand der Nadel 15 (der Lichtdurchgangszustand) für die Reihe festgehalten. Diese Zeitspanne wird zur Einreihen-Schreibabtastung (selektive Abtastung), und in ähnlicher Weise wird für die nächste Zeile eine Abtastung durchgeführt. Wenn die Abtastung für sämtliche Reihen nacheinander durchgeführt ist, ist ein Bildschirm beschrieben.
Dementsprechend wird für die nicht ausgewählte Reihe der Lichtdurchgangszustand unabhängig von der Bildsignalspannung Vd gehalten, und man kann eine stabile Matrixansteuerung unabhängig von der Hystereseeigenschaft durchführen, die dem Aufbau des Elements innewohnt. Auf diese Weise wird ein Fortschritt bei der Flexibilität der Bauelement-Ausgestaltung erreicht, und außerdem werden die Bildqualität in Form des Kontrasts, die Dämpfung des Nebensprechens zwischen benachbarten Pixeln etc. verbessert.
Im folgenden wird ein Gradationsanzeigeverfahren diskutiert.
Wenn beispielsweise eine Spannung mit vorbestimmtem Pegelwert als Bildsignalspannung Vd gemäß 4 angelegt wird, ändert sich die Bewegungsgeschwindigkeit (die Versetzungs-Ansprechgeschwindigkeit) jeder Nadel 15 abhängig vom Pegel der angelegten Spannung Vd, und folglich ändert sich der Bewegungshub. Auf diese Weise wird der Pegel der angelegten Spannung eingestellt, wodurch die Stärke der entstehenden elektrostatischen Anziehungskraft gesteuert wird, es wird der Bewegungshub der Nadel geändert, es wird der Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements geändert, und man kann eine Gradationsansteuerung ausführen.
Die elektrostatische Ansaug- oder Anziehungskraft f wird dargestellt durch f = DE/2 (1)wobei f die Ansaugkraft [N/mm²], D die dielektrische Flußdichte [C/m²] und E die elektrische Feldstärke [V/m] ist. Die dielektrische Flußdichte D hat folgende Beziehung: D = εE = εV/L (2)und läßt sich gemäß folgender Gleichung (3) darstellen: f = εV2/(2L2) (3)wobei ε eine dielektrische Konstante [F/m], V eine Spannung zwischen den Elektroden [V] und L der Abstand zwischen den Elektroden [m] ist. Das heißt: man erkennt, daß die elektrostatische Anziehungskraft proportional ist zu dem Quadrat der zwischen Polplatten angelegten Spannung.
Auf diese Weise wird die angelegte Spannung gesteuert, wodurch der Bewegungshub der Nadel 15 sich ändern läßt und entsprechend das von dem Lichtmodulationselement abge gebene Licht nach Wunsch geändert werden kann. In diesem Fall kann die Modulationsspannung eine Frequenzmodulation zum Ändern der Impulslänge sein, der Anzahl von Impulsen sowie der Amplitudenmodulation sein. Selbst bei einem solchen Ansteuerungsverfahren wie es oben angesprochen wurde, wird eine Verriegelungsspannung angelegt, nachdem sich die Nadel 15 vollständig in der Sollposition befindet, und an dieser Stelle wird die Nadel 15 gehalten.
Das Treiberverfahren macht es möglich, eine analoge Ansteuerung zum Bewegen der Nadel 15 zu einer beliebigen Stelle vorzunehmen. Hieraus folgt, daß eine Mehrtonansteuerung durch analoges Ändern des modulierten Lichts von dem Lichtmodulationselement 23 möglich ist. Wenn die Verriegelungsspannung an der Stelle angelegt wird, zu der hin die Nadle 15 bewegt wurde, läßt sich die eingestellte Gradation mit Speichereigenschaft bereitstellen.
6 ist eine Darstellung, welche die Treibersequenz einer Mehrfachtonanzeige des Lichtmodulationselements unter Verwendung einer analogen Spannung beschreibt. Ein Beispiel zum Schreiben der folgenden beliebigen Lichttransmissionsfaktorzustände in ein zweidimensionales Array-Lichtmodulationselement gemäß 2 wird anhand der 6 erläutert.
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 1) → (Lichttransmissionsfaktor: T1)
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 2) → (Lichttransmissionsfaktor: T2)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 1) → (Lichttransmissionsfaktor: T3)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 2) → (Lichttransmissionsfaktor: T4)
mit T1 < T2 < T3 < T4.
Die Schreibabtastperiode (selektive Abtastung) über jede Reihe besteht aus zwei Zeiten t1 und t2. Bei t1 wird die Abtastsignalspannung Vg auf 0 [V] gesetzt, und die Sperre wird aufgehoben. Dann wird die Bildsignalspannung Vd auf 0 [V] gesetzt, und die Nadel 15 wird einmal in den neutralen Zustand (Abschirmzustand) gebracht.
Bei t2 wird irgendeine Spannung als Bildsignalspannung Vd angelegt. Zu dieser Zeit schwankt die Versetzungs-Ansprechgeschwindigkeit der Nadel mit dem angelegten Spannungspegel. Wenn die Abtastsignalspannung Vg auf V1 [V] gesetzt wird und der Zustand zu einer gegebenen Zeit festgehalten wird, wird der Lichttransmissionsfaktor zu dieser Festhaltezeit zu einem anderen Wert, wie durch die Lichttransmissionsfaktor-Kennlinie in 7 gezeigt ist, abhängig von der Versetzungs-Ansprechgeschwindigkeit der Nadel. Mit Hilfe dieser Lichttransmissionsfaktor-Kennlinie werden folgende Spannungen als die Bildsignalspannung Vd an jedes Pixel gelegt:
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 1) → Va1
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 2) → Va2
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 1) → Va3
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 2) → Va4
Damit werden die Pixel auf die Soll-Lichttransmissionsfaktoren T1 bis T4 eingestellt. Damit läßt sich jeder beliebige gewünschte Lichttransmissionsfaktorzustand mit Hilfe einer Analogspannung schreiben, und mithin läßt sich der Lichttransmissionsfaktor für jedes Pixel auf einen beliebigen Wert bringen.
Wenn die Nadel 15 einmal bei t1 in den neutralen Zustand gebracht ist, wird sie ansprechend auf irgendeine Bildsignalspannung zurückgestellt, so daß jede Nadel eine analoge Gradation mit guter Reproduzierbarkeit hervorrufen kann, unabhängig von dem unmittelbar vorausgehenden Zustand.
Als nächstes wird ein erstes modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform anhand der 8A und 8B diskutiert, bei denen es sich um Schnittansichten des Hauptbestandteils handelt, um die Konfiguration eines Lichtmodulationselements 30 in dem ersten modifizierten Beispiel zu veranschaulichen.
Das in den 4A bis 4C gezeigte Lichtmodulationselement umfaßt ein alternierendes Plazierungsmuster der Nadeln 15 und der Gitterwände 5. Allerdings sind bei dem er sten modifizierten Beispiel gemäß den 8A und 8B nur Gitterwände 5, die von den Nadeln 15 in der neutralen Stellung abgerückt sind, plaziert, während die Gitterwand zwischen den nahen Nadeln 15 weggelassen sind und statt dessen Abschirmungsfilme 3a auf dem transparenten Substrat 1 gebildet sind.
Die Arbeitsweise des Lichtmodulationselements ist ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform. Eine Abtastsignalspannung Vg wird auf 0 [V] gesetzt, um den Sperrzustand aufzuheben, und als Bildsignalspannung Vd wird Va [V] angelegt, um die Nadel 15 zur Seite der Gitterwand 5 zu bewegen. Die Signalspannung Vg wird dann auf V1 [V] gesetzt, und die Nadel 15 wird an der Stelle gesperrt oder eingefroren, zu der sie hinbewegt wurde.
Durch Weglassen einiger Gitterwände läßt sich die numerische Apertur verbessern. Da die Nadeln stets auf gleichem Potential liegen, können sie so nahe zusammengebracht werden, wie dies bei der Herstellung der Elemente möglich ist.
Als nächstes wird ein zweites modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform anhand der 9 diskutiert, bei der es sich um eine Schnittansicht des Hauptbestandteils handelt, um den Aufbau eines Lichtmodulationselements des zweiten modifizierten Beispiels zu veranschaulichen.
Bei der ersten Ausführungsform besitzt der Abschirmungsfilm 3 elektrische Leitfähigkeit, und der Film ist an die Abtastsignalelektrode 25 angeschlossen. Wie allerdings in 9 gezeigt ist; kann ein transparenter leitender Film 7 aus ITO etc. auf dem transparenten Substrat ganzflächig dort ausgebildet werden, wo eine Nadel 15 bewegt wird, und ein Abschirmungsfilm 3b kann teilweise auf dem transparenten leitenden Film 7 ausgebildet sein.
Bei diesem Aufbau ist die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung in gehaltenem Zustand der Nadel 15 konstant und groß unabhängig von der Lage der Nadel, und man kann mit geringer Spannung die Nadel stabil festhalten.
Als nächstes wird ein drittes modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform anhand der 10 erläutert, bei der es sich um eine Schnittansicht des Hauptbestandteils handelt, um die Arbeitsweise des Lichtmodulationselements des dritten modifizierten Beispiels zu veranschaulichen.
Bei der ersten Ausführungsform wird der neutrale Zustand (Anfangszustand) der Abschirmzustand. Wie allerdings in 10 gezeigt ist, können eine Nadel 15 und ein Abschirmfilm 3 auf einem transparenten Substrat derart plaziert werden, daß ein Lichtdurchgangszustand mit einer im neutralen Zustand gebildeten Öffnung (im Anfangszustand) erreicht wird. Bei diesem Aufbau wird die Nadel 15 in Abschirmungsrichtung bewegt, wenn Spannung zwischen eine Gitterwand 5 und die Nadel 15 gelegt wird.
Auf diese Weise wird ein Bildsignal direkt eingegeben, wodurch Bildinformation negativ dargestellt werden kann und ein anderer Anzeigemodus ansprechend auf die Anwendung des Lichtmodulationselements gebildet werden kann. Um das Lichtmodulationselement für eine Anwendung einsetzen zu können, bei der die Frequenz, mit der das Lichtmodulationselement in einen Lichtdurchlaßzustand gebracht wird, groß ist, läßt sich die Leistungsaufnahme für die Treiberanordnung unterdrücken, mithin Treiberleistung verringern.
Bei der ersten Ausführungsform und den dazugehörigen modifizierten Beispielen ist der elektrische Leiter 8 der Gitterwand 5 mit der Bildsignalelektrode 29 verbunden, und der leitende Abschirmfilm 3 parallel zu der Substratoberfläche an dem transparenten Substrat 1 ist mit der Abtastsignalelektrode 25 gekoppelt. Allerdings läßt sich die Verbindungsanordnung umkehren, nämlich so, daß der elektrische Leiter 8 mit der Abtastsignalelektrode 25 und der leitende Film 3 mit der Bildsignalelektrode 29 verbunden wird. In diesem Fall wird ein Aufbau notwendig, bei dem der Lichttransmissionsfaktor sich ändert, wenn sich die Nadel 15 vertikal gegenüber dem transparenten Substrat 1 bewegt. Als Beispiel für diesen Aufbau kann der Interferenzeffekt, beispielsweise in Form der Fabry-Perot-Interferenz genutzt werden, das heißt es kann eine Lichtmodulation ausgeführt werden in der Weise, daß die Lücke zwischen dem transparenten Substrat und der Nadel sich ändert, wenn sich die Nadel vertikal bewegt. Für die bei vertikaler Bewegung der Nadel ausgeführte Lichtmodulation läßt sich das Sperren und das Entsperren anhand der horizontalen Bewegung auch unter Einsatz der Abtastsignalelektrode steuern.
Außerdem kann eine Lichtmodulation unter Ausnutzung des optischen Nahfeldeffekts ausgeführt werden, bei dem sich die Nadel in die Nähe des in einem transparenten Substrat totalreflektierten und geleiteten Lichts bewegt und das Licht zu der Seite der Nadel hin gekoppelt wird. In ähnlicher Weise kann eine weitere Lichtmodulation unter Ausnutzung des Beugungseffekts der Bragg-Beugung etc. durchgeführt werden, außerdem unter Ausnutzung des Lichtablenkeffekts bei der Lichtbrechung oder dergleichen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist als Beispiel der elektromechanische Betrieb unter Nutzung der elektrostatischen Kraft dargestellt, die durch ein elektrisches Feld hervorgerufen wird. Darüber hinaus jedoch kann die Nadel 15 auch von einer elektromagnetischen Kraft eines Elektromagneten oder dergleichen angetrieben werden, oder von einer Kraft, die durch den Elektrostriktions-Spannungseffekt eines Piezoelements oder dergleichen hervorgerufen wird.
Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform des Lichtmodulationselements gemäß der Erfindung anhand der 11 bis 18 diskutiert.
11 ist eine Draufsicht auf ein Array-Lichtmodulationselement 37, bestehend aus Lichtmodulationselementen 35 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die als zweidimensionale Matrix angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird der neutrale Zustand zu einem Lichtdurchlaßzustand, die Abtastsignalelektroden 25 und die Sperrsignalelektroden 28 sind in einer Eins-zu-Eins-Korrespondenz mit den Reihen angeordnet, es sind Bildsignalelektroden in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Spalten vorhanden, und die Lichtmodulationselemente 35 befinden sich an den Schnittstellen, um das Array-Lichtmodulationselement 37 zu bilden.
12A und 12B sind Draufsichten auf eine Pixelfläche des in 11 gezeigten Lichtmodulationselements 37. In den 12A und 12B sind jede Gitterwand 5b in der Nähe einer Nadel 15 im neutralen Zustand und die Nadeln 15 an die Abtastsignalelektrode 25 angeschlossen. Transparente leitende Filme 7 auf einem transparenten Substrat 1 sind mit der Sperrsignalelektrode 28 gekoppelt. Jede Gitterwand 5a, die von der Nadel 15 im neutralen Zustand abgerückt ist, ist mit der Bildsignalelektrode 29 gekoppelt. Die Beziehung zwischen den transparenten leitenden Filmen 7 auf dem transparenten Substrat 1 und den leitenden Abschirmfilmen 3 ist ähnlich, wie es in Verbindung mit 9 erläutert wurde.
Im neutralen Zustand nach 12A befinden sich die Elektroden auf dem gleichen Potential (0 [V]). In diesem Zustand gelangt das Lichtmodulationselement dieser Ausführungsform in den Zustand maximaler Lichtdurchlässigkeit.
Zur Schreib-Abtastzeit, die in 12B dargestellt ist, und bei dem die Abtastsignalelektrode 25 und die Sperrsignalelektrode 28 zur Beseitigung der elektrostatischen Kraft in vertikaler Richtung auf gleichem Potential liegen und zum Beispiel eine beliebige Spannung zwischen die Abtastsignalelektrode 25 und die Bildsignalelektrode 29 gelegt ist, wird die Nadel 15 in Richtung der von der Nadel 15 abgerückten Gitterwand 5 horizontal bewegt, um die Öffnungsfläche einer Lichtmodulationsfläche 13 zu verringern und schließlich in einen Abschirmzustand zu gelangen.
Im folgenden wird ein spezielles Betriebsbeispiel für das Lichtmodulationselement 35 anhand der 13A bis 13C erläutert, bei denen es sich um Schnittansichten des Hauptbestandteils des in den 12A und 12B gezeigten Lichtmodulationselements handelt.
Der in 13A gezeigte Zustand ist der neutrale Zustand, in welchem die drei Elektroden auf gleichem Potential liegen. Um ein Beispiel zu geben: es werden sämtliche Potentiale auf 0 [V] gesetzt. Zu dieser Zeit gelangt das Lichtmodulationselement in den Zustand maximaler Lichtdurchlässigkeit.
13B zeigt einen Abschirmungszustand, erreicht durch Bewegen jeder Nadel 15 zu der der Nadel 15 gegenüberliegenden Gitterwand 5. Zu dieser Zeit wird die Nadel 15 elastisch durch die schmalen Teile 16 gespannt, und auf die Nadel wirkt eine Kraft ein, die versucht, die Nadel in die neutrale Stellung zurückzustellen.
Wenn gemäß Darstellung eine Potentialdifferenz Vr [V] beispielsweise zwischen der Abtastsignalelektrode 25 und der Bildsignalelektrode 29 vorhanden ist, wirkt eine elektrostatische Anziehungs- oder Ansaugkraft über die elastische Kraft der Nadel 15 hinaus, und die Nadel 15 wird horizontal zu der gegenüberliegenden Gitterwand 5 bewegt, wodurch das Lichtmodulationselement den Abschirmzustand einnimmt. Zu dieser Zeit sind die Abtastsignalelektrode 25 und die Sperrsignalelektrode 28 auf gleiches Potential gebracht, um zu verhindern, daß es zu einer elektrostatischen Kraft in vertikaler Richtung kommt.
Bei der eigentlichen Matrixansteuerung wird der Zustand derjenige der „Vorrückstellabtastung", ausgeführt vor der Schreibabtastung. Tatsächlich hängt die Bildsignalspannung Vd von der Schreibspannung einer anderen Reihe ab, so daß eine Spannung im Bereich von 0 [V] bis Vr [V] an die Bildsignalelektrode 29 gelegt wird, um dadurch zu verhindern, daß die Nadel 15 in einer Nicht-Auswahl-Zeit zufällig freigesetzt wird. Damit wird, um den Abschirmzustand unabhängig von der Bildsignalspannung Vd in einer Schreibsequenz für die Spannung Vr [V] eine Spannung von 2 Vr [V] an die Abtastsignalelektrode 25 gelegt. Gleichzeitig wird eine Spannung 2 Vr [V] angelegt, um die Sperrsignalelektrode 28 auf gleiches Potential zu bringen.
13C zeigt einen Zustand zur Startzeit der Schreibabtastung, zu welchem Zeitpunkt die Spannung von 0 [V] an die Bildsignalelektrode 29 und eine Spannung Vr [V] an die Abtastsignalelektrode 25 und die Sperrsignalelektrode 28 gelegt wird, so daß letztere beiden Elektroden gleiches Potential haben und die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung nicht auf die Nadel 15 einwirkt, wobei die Spannungsdifferenz von Vr [V] nur zwischen der Abtastsignalelektrode 25 und der Bildsignalelektrode 29 wirkt, so daß der gleiche Zustand wie in 13B, nämlich der Abschirmungszustand, aufrechterhalten wird.
14A zeigt einen Zustand zur Schreib-Abtastzeit, in welchem die Spannung Vd der Bildsignalelektrode 29 von 0 [V] auf Vr [V] in der Nadelfreigabeverzögerungszeit tx nach dem in 13C gezeigten Zustand zu Schreibabtast-Startzeit geändert wird, wodurch sämtliche Elektroden auf gleiches Potential kommen, die Nadel 15 von der Gitterwand 5 freikommt und elastisch in Richtung des neutralen Zustands zurückgelangt, und der Öffnungsbereich der Lichtmodulationsfläche 13 während der Bewegung der Nadel 15 allmählich größer wird.
14B zeigt einen Zustand am Ende der Schreibabtastung, in welchem eine Sperrsignalspannung V1a [V] an die Sperrsignalelektrode 28 gelegt wird und an die Abtastsignalelektrode 25 und die Bildsignalelektrode 29 zum Erreichen des Sperrzustands 0[V] gelegt wird. Zu dieser Zeit wird die Spannung V1a [V] zwischen die Nadel 15 an der Abtastsignalelektrode 25 und den transparenten leitenden Film 7 an dem transparenten Substrat 1 gelegt, die mit der Sperrsignalelektrode 28 verbunden ist. Die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung, erzeugt von der Spannung V1a, ist ausreichend größer als die elastische Rückstellkraft der Nadel 15, und die Nadel 15 wird gegen den transparenten leitenden Film 7 gezogen und gesperrt. In diesem Moment wird der Lichtdurchlässigkeitsfaktor des Lichtmodulationselements festgelegt. Dementsprechend wird, wenn die Freigabeverzögerungszeit tx länger ist, die Freigabe der Nadel 15 verzögert und dementsprechend verringert sich der Lichttransmissionsfaktor nach dem Sperrzustand.
14C zeigt einen Zustand der auswahlfreien Abtastzeit, in welchem eine Spannung, die zwischen 0 [V] bis Vr [V] reicht, an die Bildsignalelektrode 29 gelegt wird, abhängig von der Schreibsignalspannung einer anderen Reihe. Eine Spannung von 0 [V] wird an die Abtastsignalelektrode 25 und eine Spannung V1a [V] wird an die Sperrsignalelektrode 28 gelegt. Zu dieser Zeit wird die Spannung V1a [V] zwischen die Nadel 15 an der Abtastsignalelektrode 25 und den transparenten leitenden Film 7 an dem transparenten Substrat 1, die mit der Sperrsignalelektrode 28 verbunden ist, gelegt. Wenn die elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung, hervorgerufen durch die Spannung V1a, ausreichend größer ist als die elastische Rückstellkraft der Nadel 15 oder die elektrostatische Zugkraft gegen die Gitterwand 5, so hält die Nadel 15 den Zustand zur Schreibzeit unabhängig von dem Wert der Bildsignalspannung Vd (0 bis Vr [V]).
Wenn die Vorrückstellzeitspanne, innerhalb der die Nadel 15 an der Stelle gehalten wird, an der die Nadel 15 zwangsweise bewegt wird, so eingestellt wird, daß sie die Schreibzeit einer anderen Reihe überlappt, so kann selbst ein Lichtmodulationselement mit geringer Ansprechgeschwindigkeit ohne Zeitverschwendung mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden.
Als nächstes wird anhand der 15 die Treibersequenz des Lichtmodulationselements 35 diskutiert.
15 zeigt ein Beispiel für eine Treibersequenz einer Halbtonanzeige mittels PWM (Pulsweitenmodulation) des in 11 gezeigten Array-Lichtmodulationselements. Ein Beispiel für das Schreiben der folgenden binären Lichttransmissionsfaktor-Zustände in Pixel wird im folgenden diskutiert:
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 1) → (Lichttransmissionsfaktor: T1)
Pixel in Reihe (i + 1) Spalte (h + 2) → (Lichttransmissionsfaktor: T2)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 1) → (Lichttransmissionsfaktor: T3)
Pixel in Reihe (i + 2) Spalte (h + 2) → (Lichttransmissionsfaktor: T4)
wobei T1 < T2 < T3 < T4.
Als nächstes wird in bezug auf die (i + 1)-te Reihe in der Vorrückstell-Abtastperiode die Spannung 2 Vr [V] an die Abtastsignalelektrode 25 und die Sperrsignalelektrode 28 gelegt, und unabhängig von der Bildsignalspannung Vd (0 bis Vr [V]) wird der Rückstellzustand (Abschirmung) erreicht.
Während der Vorrückstell-Abtastperiode vollzieht die Nadel 15 einen Übergang in den Abschirmungszustand unabhängig von dem unmittelbar vorausgehenden Zustand. Vor zugsweise überlappt gemäß 15 die Vorrückstellzeitspanne die Schreibabtastzeitspanne einer anderen Reihe, wodurch redundante Zeit beseitigt und rasches Schreiben ermöglicht wird.
Als nächstes wird in der Schreibabtastperiode die Spannung Vr [V] als Abtastsignalspannung Vg sowie die Sperrsignalspannung V1 angelegt, und gleichzeitig wird als Bildsignalspannung Vd 0 [V] angelegt. Zu dieser Zeit bleibt das Lichtmodulationselement im Abschirmungszustand.
Dann wird das Bildsignal Vd von 0 [V] auf Vr [V] für Spalte (h + 1) nach Ablauf der Freigabeverzögerungszeit t1 und an die Spalte (h + 2) nach Verstreichen von t2 gelegt, wodurch die Nadeln 15 sich von den Gitterwänden 5 mit der gebildeten Zeitdifferenz lösen, um eine Horizontalbewegung in Richtung des neutralen Zustands zu beginnen.
Zur Schreibendezeit wird die Spannung V1a [V] als Sperrsignalspannung V1 angelegt, und 0 [V] wird als Abtastsignalspannung Vg sowie als Bildsignalspannung Vd zum Sperren der Nadel 15 angelegt. Zu dieser Zeit wird der Lichttransmissionsfaktor für jedes Pixel bestimmt. In 15 wird der Lichttransmissionsfaktor des Pixels in der Spalte (h + 1) T1 und derjenige des Pixels in der Spalte (h + 2) wird T2.
Als nächstes wird in der Nichtauswahlzeitspanne lediglich die Bildsignalspannung Vd von 0 auf Vr [V] geändert, allerdings wird der Zustand der Nadel 15 in der (i + 1)-ten Reihe gehalten.
In der auswahlfreien Zeitspanne erfolgt eine ähnliche Ansteuerung für die (i + 2)-te Reihe mit eine Verzögerung von lediglich einer Schreibzeitspanne. Innerhalb der Schreibzeitspanne wird die Freigabeverzögerungszeit tx der Nadel in der Spalte (h + 1) diejenige für die Nadel in der Spalte (h + 2) auf t3 bzw. t4 eingestellt, wodurch die Lichttransmissionsfaktoren nach der Sperrung auf T3 und T4 eingestellt werden.
Die Halbtonansteuerung unter Verwendung von PWM wird im folgenden anhand der 16 bis 18 detailliert erläutert.
16 bis 18 zeigen die Beziehung zwischen der Nadelablöse-Verzögerungszeit und der Schreibabtastzeit, tx (die Zeit vom Beginn der Schreibabtastperiode bis zur Nadelablösung), und dem Lichttransmissionsfaktor in der Sperrzeit.
16A zeigt die verstreichende Zeit, wenn eine Nadel aus einer Rückstell-(Abschirmungs-)Stellung gelöst wird und zurückgestellt wird in eine neutrale Stellung, gegenüber der Versetzung aus der Rückstellposition, und 16B zeigt das zeitliche Ansprechverhalten des Lichttransmissionsfaktors. Nach den 16A und 16B beginnt die Versetzung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Nadel abgelöst wird, und der Lichttransmissionsfaktor steigt mit der Versetzung allmählich an.
17 zeigt das zeitliche Ansprechverhalten des Lichttransmissionsfaktors abhängig von der Verzögerungszeit tx nach Beginn der Schreibabtastzeitspanne bis hin zum Ablösevorgang als Parameter. Für eine lange Verzögerungszeit t1 wird der Anstieg des Lichttransmissionsfaktors verzögert, und der Lichttransmissionsfaktor wird bei der Sperrzeit klein. Andererseits wird bei einer kurzen Verzögerung t4 der Lichttransmissionsfaktor zu der Sperrzeit groß.
18 zeigt die Beziehung zwischen der Verzögerungszeit tx und dem Lichttransmissionsfaktor zur Spenzeit gemäß 17. Die Ablöse-Verzögerungszeiten (t1 bis t4) entsprechend den angestrebten Lichttransmissionsfaktoren (T1 bis T4) werden eingestellt und es erfolgt eine PWM-Steuerung, so daß eine Halbtongradationsanzeige möglich wird.
Bei dem aktuellen Antriebsvorgang wird die Nadel einmal zurückgesetzt, dann freigegeben, so daß die Reproduzierbarkeit des oben beschriebenen Verhaltens gut ist und man eine stabile Anzeige erhalten kann.
Bei der ersten Ausführungsform wird zur Rückstellzeit in den Abschirmungszustand eingetreten, bei der zweiten Ausführungsform hingegen wird Licht zur Vorrückstellzeit abgeschirmt, so daß der Kontrast etwas geringer wird. Abgesehen davon kann zur Rückstellzeit in den Lichtdurchlaßzustand eingetreten werden. Da zur Vorrückstellzeit in den Lichtdurchlaßzustand eingetreten wird, verringert sich der Kontrast, aber wenn die Anzahl von Abtastzeilen 500 oder mehr beträgt, wird die Lichtstreuung, die durch die Vorrückstellung verursacht wird, zu 1/500 oder weniger, und die Kontrastverringerung wird gering.
Oben wurde das Beispiel beschrieben, bei dem die Vorrückstellzeitspanne und die Schreibzeitspanne gleich groß eingestellt sind, allerdings kann die Vorrückstellzeitspanne außerdem verlängert werden (zum Beispiel auf ein ganzzahliges Vielfaches der Schreibabtastperiode), so daß der Rückstellvorgang innerhalb der Vorrückstellzeitspanne abgeschlossen ist und die Möglichkeit besteht, auch dann eine Ansteuerung mit hoher Geschwindigkeit vorzunehmen, wenn das Lichtmodulationselement eine lange Betriebszeitkonstante besitzt, ohne dabei Zeit zu verlieren.
Obschon die Nadeln 15 und die Gitterwände 5 abwechselnd plaziert sind, lassen sich die Gitterwände 5, welche mit der gemeinsamen Elektrode gekoppelt sind, weglassen, wie dies in den 8A und 8B gezeigt ist, so daß sich die numerische Apertur vergrößern läßt. In einem derartigen Fall haben die Nadeln gleiches Potential und lassen sich dadurch eng zueinander führen, soweit dies die Fertigung des Elements zuläßt.
Das System zum Anlegen von Spannung an jede Signalelektrode etc. kann ein beliebiges System sein, wenn der Lehre der Erfindung gefolgt wird.
Wie oben beschrieben, kann bei dem Lichtmodulationselement 35 dieser Ausführungsform jeder beliebige Lichttransmissionsfaktor bei jedem beliebigen Pixel schnell und stabil eingerichtet werden. In der auswahlfreien Zeitspanne ist es möglich, den Zustand des Lichttransmissionsfaktors zur Schreibzeit unabhängig vom Schreibinhalt einer anderen Reihe stabil zu halten.
Hierdurch wird die Nadel-Ansprechgeschwindigkeit gesteigert, wodurch die Anzahl von Abtastzeilen, das heißt die Anzahl von Anzeigezeilen erhöht werden kann und die Möglichkeit besteht, einen großen Bildschirm herzustellen und eine Anzeige mit starkem Kontrast ohne Nachbarpixelstörung zu erhalten.
Bei dem herkömmlichen einfachen Matrixaufbau wird der Speichereffekt abhängig von den für das Element typischen Hystereseeigenschaften genutzt, um eine Matrixansteuerung vorzunehmen, allerdings wird die Entwurfsflexibilität für das Element mit diesem Aufbau geschmälert. Durch den Aufbau dieser Ausführungsform hingegen läßt sich eine stabile binäre Matrixansteuerung durchführen, und man kann eine zuvor kaum mögliche Halbtondarstellung in einfacher Weise durch Spannungsamplitudenänderung oder PWM erreichen.
Bei einem Array-Lichtmodulationselement mit 1000 Abtastzeilen beispielsweise beläuft sich die Zeit für eine Schreibabtastung Tw bei einer binären Anzeige und analogen Halbtondarstellung auf Tw = 1/1000 × 60 = 16,7 [μs]falls die Bildwechselfrequenz 60 Hz beträgt, wobei jede Nadel innerhalb der Zeit Tw reagieren kann. Dies ist ein ausreichender Bereich mit einem Spielraum, der durch Auswahl von Material und Form des Elements und passend angelegte Spannung erhalten wird.
Um andererseits eine einfache Matrix aus einem herkömmlichen zweidimensionalen Array-Lichtmodulationselement zu erhalten, welches im wesentlichen lediglich zwei binäre stabile Zustände besitzt, wird als Einrichtung zur Bildung von Mehrfachtönen eine Mehrfachtonansteuerung mit Unterteilung einer Bildwechselzeitspanne in mehrere gewichtete Teilbilder zum Abtasten vorgeschlagen. Verglichen mit diesem Fall beispielsweise ist die zur Schaffung von 256 (2⁸) Graustufen erforderliche Zeit für die Schreibabtastung Tw Tw = 1/1000 × 60 × 8 = 2,1 [μs] wenn die Anzahl von Abtastzeilen 1000 und die Bildwechselfrequenz 60 Hz beträgt, und es besteht die Notwendigkeit, die Ansprechgeschwindigkeit jeder Nadel zu beschleunigen. Dies bedeutet, daß die Flexibilität beim Entwurf des Bauelements sinkt.
Verglichen mit einer Aktivmatrixkonfiguration unter Verwendung von Halbleiterschaltern in Form von TFTs etc. sind Bauelementaufbau und Fertigungsverfahren bei der Ausführungsform einfacher, so daß sich die Kosten verringern lassen.
Als nächstes wird anhand der 19 und 20 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtmodulationselements diskutiert. 19A bis 19C sind schematische Darstellungen des Betriebs des Lichtmodulationselements 40 der dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird eine Nadel 15a, deren Aufbau sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet, in vertikaler Richtung eines Substrats 1 nach 19 bewegt, um den Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements zu ändern, und wird in horizontaler Richtung bewegt und gehalten (gesperrt).
Als solche Lichtmodulation mit Bewegung der Nadel in vertikaler Richtung kann beispielsweise ein Lichtmodulationssystem unter Nutzung von Fabry-Perot-Interferenz verwendet werden. Das bedeutet: wenn eine Nadel in vertikaler Richtung bewegt wird, ändert sich die Lücke zwischen einem transparenten Substrat und der Nadel, und die Lichtmodulation wird abhängig von der Änderung der Lückengröße ausgeführt.
19A bis 19C zeigen ein Beispiel für das Lichtmodulationselement 40 unter Nutzung des Fabry-Perot-Interferenzeffekts. Nach den 19A bis 19C wird ein transparentes Substrat 1 gebildet mit einem transparenten leitenden Film 41 und einer Nadel 15a, die nach oben und nach unten sowie seitlich beweglich gelagert ist mittels schmaler (nicht dargestellter) Teile oberhalb des transparenten leitenden Films 41. Die Nadel 15a wird gebildet durch einen transparenten leitenden Film 43, der einen transparenten Isolator 42 umgibt und ausgebildet ist auf einer Seite des transparenten Substrats 1 mit einem dielektrischen Spiegel 44a. Der transparente leitende Film 41 ist auf der Oberseite gegenüber dem dielektrischen Spiegel 44b ausgebildet. Ein elektrischer Leiter 46, der von einem Isolierfilm 45 bedeckt ist, befindet sich als Gitterwand 47 auf dem Substrat 1.
Der elektrische Leiter 46 der Gitterwand 47 ist mit einer Abtastsignalwelle 25 verbunden, der transparente leitende Film 41 auf dem transparenten Substrat 1 ist mit einer Bildsignalelektrode 29 verbunden, und der transparente Isolator 42 der Nadel 15a ist mit einer gemeinsamen Elektrode 27 verbunden.
Bei diesem beschriebenen Lichtmodulationselement 40 wird ein einem neutralen Zustand (Abschirmungszustand), der in 19A dargestellt ist, der Abstand oder die Lücke d_off für einfallendes Licht der Wellenlänge λ [nm] auf 3 λ/4 eingestellt, so daß das einfallende Licht reflektiert wird.
In dem Zustand während der Schreibzeit, dargestellt in 19B, wird die Nadel 15a elektrostatisch in vertikaler Richtung angesaugt oder angezogen, so daß die Lücke d_on zu λ/2 [nm] wird, so daß einfallendes Licht durchgelassen wird. Bei einem Zwischenwert für die Lücke ändert sich der Lichttransmissionsfaktor kontinuierlich in Abhängigkeit der Lückengröße.
Bei dieser Ausführungsform befindet sich ein (nicht dargestelltes) Distanzstück auf dem transparenten Substrat 1, so daß die Lücke d nicht kleiner als λ/2 [nm] wird.
An die Abtastsignalelektrode 25, die mit dem elektrischen Leiter 46 der Gitterwand 47 gekoppelt ist, wird im Sperrzustand gemäß 19C eine Spannung V1 [V] gelegt, wodurch die Nadel 15a elektrostatisch an die Gitterwand 47 gezogen wird und gehalten oder gesperrt werden kann.
Der Betriebsablauf ist ähnlich demjenigen der ersten Ausführungsform, nur daß die Arbeitsrichtung der Nadel 15a zwischen vertikaler und horizontaler Richtung entgegengesetzt ist, und das Ansteuerverfahren ist ähnlich demjenigen nach 5 und 6. Auf diese Weise läßt sich eine binäre Anzeige und eine analoge Halbtonanzeige mittels PWM etc. in ähnlicher Weise erhalten, wie dies oben beschrieben wurde.
Weiterhin kann die Lücke d im neutralen Zustand auf λ [nm] eingestellt werden, um einen Lichtdurchlaßzustand zu erreichen, und die Lücke d bei Anlegung einer Spannung zwischen die Nadel 15a und den transparenten leitenden Film 41 kann auf λ bis 3 λ/4 [nm] eingestellt werden, um einen Abschirmungszustand zu erreichen und so einen Zustand des Durchlassens von Licht bis hin zu dessen Abschirmung zu erreichen.
20 ist eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Lichtmodulationselements 49 als modifiziertes Beispiel der Ausführungsform. In diesem Fall wird im neutralen Zustand in den Zustand maximaler Lichtdurchlässigkeit eingetreten, im Gegensatz zu dem Fall nach den 19A und 19C. Ein elektrischer Leiter 42 einer Nadel 15a ist mit einer Abtastsignalelektrode 25 verbunden, ein elektrischer Leiter 46 einer Gitterwand 47 ist mit einer Sperrsignalelektrode 28 verbunden, und ein leitender transparenter Film 41 ist mit einer Bildsignalelektrode 29 verbunden.
Wenn zwischen die Abtastsignalelektrode 25 und die Bildsignalelektrode 29 eine Spannung gelegt wird, ändert sich die Lücke d von λ [nm] auf 3 λ/4 [nm], und der Zustand ändert sich kontinuierlich von maximalem Durchlaß bis zur Abschirmung.
Die Arbeitsweise und das Ansteuerverfahren des Aufbaus des modifizierten Beispiels sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform, nur daß die Bewegungsrichtung der Nadeln zwischen vertikaler und horizontaler Richtung ausgetauscht ist, so daß dieser Vorgang hier nicht näher diskutiert wird. Im vorliegenden Fall läßt sich auch jede beliebige Halbtonanzeige mittels PWM etc. in ähnlicher Weise erreichen, wie dies oben beschrieben wurde.
Der Aufbau der Ausführungsform kann auch ähnliche Vorteile aufweisen wie die erste und die zweite Ausführungsform. Die Ansprechzeit der Nadel Tw beträgt 16,7 [μs], wobei ein Spielraum vorhanden ist, der Halbton ist stabil im Vergleich zu dem Halbton bei Gewichtung der Bildwechselperiode einer einfachen Matrix im Stand der Technik, und die aktive Matrixansteuerung zur Ermöglichung einer sehr schnellen hochdefinierten Anzeige läßt sich bei einfachem Aufbau ohne den Einsatz von TFTs etc. erreichen.
Zusätzlich dazu, daß das Lichtmodulationselement 49 von Lichtinterferenz Gebrauch macht, kann man Gebrauch machen von einer Lichtmodulation unter Verwendung des optischen Nahfeldeffekts, bei dem sich eine Nadel zu totalreflektiertem Licht hin bewegt, welches auf einem transparenten Substrat geleitet wird, das Licht zu der Seite der Nadel hin gekoppelt wird, und man kann auch Gebrauch machen von einem Lichtmodulationselement, welches vom Beugungseffekt Gebrauch macht.
Selbst bei irgendeinem optischen Effekt ist es möglich, das Sperren und Lösen zu steuern als horizontale Bewegung der Nadel mittels einer Abtastsignalelektrode für Lichtmodulation und vertikale Bewegung der Nadel.
Darüber hinaus kann jegliche Struktur eingesetzt werden, falls es sich um eine Struktur handelt, die von der Lehre der Erfindung Gebrauch macht, gemäß der jede Nadel getrennt in mindestens zwei verschiedene Richtungen bewegt wird. Die Abtastsignalelektrode, die Sperrsignalelektrode, die Bildsignalelektrode, die gemeinsame Elektrode etc. und Strukturteile des Bauelements können in beliebiger Kombination gekoppelt werden. An die Elektroden angelegte Spannungen können in jeder beliebigen Kombination genutzt werden, wenn der Lehre der Erfindung gefolgt wird.
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform einer Flachbildschirmanzeige unter Verwendung der oben beschriebenen Lichtmodulationselemente diskutiert.
21 ist eine Schnittansicht des Hauptteils einer Flachbildanzeigeeinheit 50 dieser Ausführungsform. Als Lichtmodulationselemente der Ausführungsform werden beispielhaft die Lichtmodulationselemente 20 der ersten Ausführungsform verwendet.
Als Ultraviolett-Ausgabeteil wird eine Ultraviolett-Oberflächenlichtquelle 51 auf dem transparenten Substrat 1 der Lichtmodulationselemente 20 angeordnet. Eine Fronttafel 52 wird über den Lichtmodulationselementen 20 angeordnet, und fluoreszierendes Material 53a, 53b, ... wird in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Lichtmodulationselementen auf der Seite der Lichtmodulationselemente der Frontplatte 52 angebracht. Zwischen dem fluoreszierenden Material befindet sich eine schwarze Matrix 54, was den Kontrast des angezeigten Bilds verbessert.
Gemäß dem beschriebenen Aufbau der Flachbildschirmanzeige 50 wird Licht aus der Ultraviolett-Oberflächenlichtquelle 51 in das transparente Substrat 1 eingeleitet und wird zu dessen Oberseite hin geleitet, wenn die Lichtmodulationselemente 20 sich im Lichtdurchlaßmodus befinden. Das Licht von den Lichtmodulationselementen 20 gelangt auf das fluoreszierende Material 53a, 53b, ..., so daß dieses zur Emission von Licht angeregt wird, so daß ein beliebiges Bild erzeugt werden kann.
Als fluoreszierendes Material kann solches für die drei Primärfarben (zum Beispiel R, G und B) eingesetzt werden, um eine Farbbildanzeige zu erhalten, oder es kann auch nur ein farbiges fluoreszierendes Material eingesetzt werden, wenn ein monochromes Bild erwünscht ist. Die Frontplatte besteht aus Glas oder dergleichen, kann aber auch ein faserähnliches Substrat oder ein Diffusionsfilm sein.
Die Lichtmodulationselemente 20 der Flachbildanzeigeeinheit 50 lassen sich stabilisieren durch Beseitigen von Luft aus dem Raum zwischen dem transparenten Substrat 1 und der Frontplatte 52, um anschließend Edelgas einzufüllen, um die gesamte Anordnung vor Störungseinflüssen zu schützen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der beschriebenen Flachbildschirmanzeige diskutiert.
Wenn die Abtastsignalelektrode 25 und die Bildsignalelektrode 29 gleiches Potential haben, befindet sich die Nadel 15 in einem Zustand der Überlappung oberhalb der Lichtmodulationsfläche (des Öffnungsbereichs) 13, und Licht von der flächigen Lichtquelle wird von der Nadel 15 und dem abschirmenden leitenden Film 3 gesperrt, so daß das Licht nicht zur Oberseite des transparenten Substrats 1 gelangt.
Wenn an die Bildsignalelektrode 29 zur Abtastzeit eine Bildsignalspannung gelegt wird, erscheinen an dem leitenden Film 18 heteropolare Ladungen entsprechend der Bildsignalelektrode 29, wodurch die Nadel 15 durch elektrostatische Anziehungskraft, die auf die Y Bildsignalelektrode 29 und den leitenden Film 18 einwirkt, gegen die Gitterwand 5 bewegt wird. Hieraus ergibt sich, daß das Sperren von Licht durch die Nadel 15 aufgehoben wird und Licht, welches durch das transparente Substrat gelangt, von der Lichtmodulationsfläche 13 abgestrahlt wird. Das emittierte Licht regt das zugehörige fluoreszierende Material an, und es kommt zu einer Anzeige eines Bilds entsprechend der Bildinformation.
An die Sperrsignalelektrode 28 wird am Ende der Abtastung eine Sperr- oder Haltespannung gelegt, wodurch die Nadel 15 an dem leitenden Abschirmungsfilm 3 aufgrund elektrostatischer Anziehungskraft gehalten wird. Wenn also das Pixel nicht ausgewählt wird und eine Spannung an ein anderes Pixel gelegt wird, bleibt der Lichttransmissionsfaktor des Pixels intakt, und es ist eine aktive Matrixansteuerung möglich.
Bei der Flachbildanzeige 50 dieser Ausführungsform wird also das von dem transparenten Substrat 1 abgegebene Licht direkt zu dem fluoreszierenden Material gleitet, um dieses anzuregen, so daß sich der Licht-Nutzungsgrad verbessern läßt. Da das fluoreszierende Material Streulicht emittiert, läßt sich der Betrachtungswinkel vergrößern im Vergleich zu einer Flüssigkristallanzeige, so daß das Licht mittels Orientierungssteuerung für die Flüssigkristallmoleküle steuern läßt. Außerdem kann das fluoreszierende Material mühelos in Form eines Arrays angeordnet werden, so daß sich die Fertigungskosten verringern lassen. Da die Nadel 15 durch elektromechanische Vorgänge antreibbar ist, kann die Treiberspannung im Vergleich zu einer Plasmaanzeige oder dergleichen gesenkt werden. Die Treiberspannung kann auch durch Einsatz eines schwach elastischen Materials gesenkt werden, beispielsweise durch Einsatz eines hohen Polymers in Form von Polyimid etc. als Material für die Nadel 15, oder durch Optimieren der Form der Nadel 15.
Als Lichtmodulationselemente dieser Ausführungsform werden beispielhaft die Lichtmodulationselemente 20 der ersten Ausführungsform verwendet. Allerdings sind die Lichtmodulationselemente für die Flachbildanzeigeeinheit 50 der vierten Ausführungsform nicht auf diese Lichtmodulationselemente 20 beschränkt. Es können ebenso die Lichtmodulationselemente 30, 35 und 40 der zweiten und der dritten Ausführungsform für die Flachbildanzeigeeinheit 50 der vierten Ausführungsform verwendet werden.
Wie oben beschrieben, erfolgt mit dem Lichtmodulationselement und dem Array-Lichtmodulationselement gemäß der Erfindung die Lichtmodulation durch die erste elektromechanische Kraft, und der Versetzungszustand der Nadel kann ansprechend auf die von der Treibereinrichtung erzeugte zweite elektromechanische Kraft gehalten oder aufgehoben werden. Hierdurch wird eine Speichereigenschaft für den Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements erreicht, und es ist ein Aufbau des Elements für eine aktive Matrixansteuerung möglich.
Das Array-Lichtmodulationselement enthält eine Mehrzahl von parallelen Abtastsignalelektroden, eine Mehrzahl von Bildsignalelektroden, die orthogonal zu den Abtastsignalelektroden verlaufen, und Lichtmodulationselemente, die sich an den Kreuzungspunkten von Abtast- und Bildsignalelektroden befinden, so daß der Versetzungszustand jeder Nadel durch das Signal auf der Abtastsignalelektrode gehalten oder aufgehoben wird und der Versetzungszustand jeder Nadel durch das Signal auf der Bildsignalelektrode geändert wird. Außerdem sind Sperrsignalelektroden vorhanden, so daß der Versetzungszustand jeder Nadel gehalten oder aufgehoben wird durch das Signal auf der Sperrsignalelektrode, so daß eine in hohem Maße effiziente und stabile Ansteuerung möglich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren für ein Array-Lichtmodulationselement wird die angelegte Spannung oder die zeitliche Lage beim Anlegen einer Spannung gesteuert, so daß der Bewegungshub der Nadel geändert werden kann und der Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements wunschgemäß geändert werden kann. Auf diese Weise kann das modulierte Licht durch das Lichtmodulationselement geändert werden in Form einer binären Gradation oder auf analoge Weise, um mehrere Graustufen zu erreichen. Der Bewegungszustand der Nadel wird gehalten, so daß die Gradation mit Speichereigenschaft möglich ist und man eine aktive Matrixansteuerung durchführen kann.
Da die Flachbildanzeigeeinheit die elektrostatisch angesteuerten Lichtmodulationselemente verwendet, läßt sich der Licht-Nutzungsgrad verbessern, und der Betrachtungswinkel wird vergrößert im Vergleich zu einer Flüssigkristallanzeige. Darüber hinaus lassen sich die Lichtmodulationselemente einfach in Form eines Arrays anordnen, so daß die Fertigungskosten geringer werden. Da die Nadel durch elektromechanische Ansteuerung bewegt werden kann, kann man die Treiberspannung senken. Darüber hinaus ist eine effiziente Matrixansteuerung möglich, so daß auch eine hohe Bildqualität erzielt werden kann bei bewegten Bildern, wobei außerdem eine Matrixansteuerung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann, so daß eine Anzeige mit hohem Kontrast möglich ist.

Claims

Lichtmodulationselement mit einem Substrat (1), welches eine Lichtmodulationsfläche (13), eine vertikal oberhalb der Lichtmodulationsfläche (13) angeordnete Nadel (15) und eine Treibereinrichtung zum Ausführen einer elektromechanischen Operation des Erzeugens einer ersten elektromechanischen Kraft für die Nadel (15), um die Nadel (15) in eine erste Richtung zu versetzen, aufweist, um dadurch einen Transmissionfaktor für Licht zu ändern, welches durch die Lichtmodulationsfläche hindurchtritt, umfassend: eine weitere Treibereinrichtung zum Erzeugen oder zum Löschen einer zweiten elektromechanischen Kraft für die Nadel (15) in eine Richtung, die verschieden ist von derjenigen der ersten elektromechanischen Kraft, um den Versetzungszustand der Nadel (15) zu halten oder aufzuheben, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der ersten und der zweiten elektromechanischen Kraft im wesentlichen orthogonal zueinander orientiert sind.
Element nach Anspruch 1, bei dem die elektromechanische Kraft eine elektrostatische Kraft ist, die durch ein elektrisches Feld erzeugt wird.
Element nach Anspruch 1, bei dem die elektromechanische Kraft eine elektromagnetische Kraft ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem die elektromagnetische Kraft durch einen Elektrostriktionseffekt hervorgerufen wird.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Richtung der ersten elektromechanischen Kraft im wesentlichen horizontal ist und die Richtung der zweiten elektromechanischen Kraft im wesentlichen vertikal ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Richtung der ersten mechanischen Kraft im wesentlichen vertikal und die Richtung der zweiten elektromechanischen Kraft im wesentlichen horizontal ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Nadel teilweise an der Seite des Substrats gehaltert ist und elektrische Leitfähigkeit aufweist, und eine erste fixe Elektrode und eine zweite fixe Elektrode gegenüber der Nadel angeordnet sind, wobei die Nadel im wesentlichen horizontal gegenüber dem Substrat aufgrund einer Potentialdifferenz verlagert wird, die durch Anlegen von Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel hervorgerufen wird, um dadurch den Lichttransmissionsfaktor zu ändern, und der Versetzungszustand der Nadel durch Anlegen von Spannung an die zweite fixe Elektrode und die Nadel gehalten oder aufgehoben wird.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Nadel teilweise an der Seite eines Substrats gehaltert ist und elektrische Leitfähigkeit aufweist, und eine erste fixe Elektrode und eine zweite fixe Elektrode gegenüber der Nadel angeordnet sind, wobei die Nadel im wesentlichen vertikal gegenüber dem Substrat aufgrund einer Potentialdifferenz verlagert wird, welche hervorgerufen wird durch Anlegen von Spannung an die erste fixe Elektrode und die Nadel, um dadurch den Lichtmodulationsfaktor zu ändern, wobei der Verlagerungszustand der Nadel durch Anlegen von Spannung an die zweite fixe Elektrode und die Nadel gehalten oder aufgehoben wird.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Nadel eine Abschirmungseigenschaft besitzt und an einem Zwischenpunkt eines Lichtwegs plaziert ist, wobei das Ausmaß der Lichtabschirmung innerhalb des Lichtwegs durch Verlagern der Nadel geändert wird.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Lichttransmissionsfaktor des Lichtmodulationselements basierend auf dem Interferenzeffekt, dem optischen Nahfeldeffekt, dem Beugungseffekt oder dem Lichtablenkeftekt, hervorgerufen, wenn die Nadel verlagert wird, geändert wird.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Merkmale: die Nadel ist teilweise an einem für zu modulierendes Licht transparentem Substrat gehaltert und besitzt eine Lichtabschirmeigenschaft sowie elektrische Leitfähigkeit; eine erste fixe Elektrode ist gegenüber einer ersten Richtung der Nadel angeordnet und ähnlich einer Wand in einer Ebene rechtwinklig zu dem transparenten Substrat vorgesehen; eine zweite fixe Elektrode ist gegenüber einer zweiten Richtung der Nadel angeordnet und in einer Ebene parallel zu dem transparente Substrat vorgesehen; und eine Abschirmungsschicht ist mit einer als Lichtmodulationsfläche verbleibenden Öffnung ausgebildet, wobei die Nadel in der ersten Richtung durch eine elektrostatische Kraft bewegt wird, die hervorgerufen wird durch Anlegen von Spannung an die Nadel und die erste fixe Elektrode, um dadurch eine Lichtmodulation zu bewirken, und wobei die Nadel in der zweiten Richtung angesaugt oder angezogen wird durch Anlegen von Spannung an die Nadel und die zweite fixe Elektrode, um den Verla gerungszustand der Nadel zu halten, oder damit die elektrostatische Kraft zum Aufheben des Verlagerungszustands beseitigt wird.
Element nach Anspruch 11, bei dem mehrere Nadeln und mehrere erste fixe Elektroden ähnlich einem Gitter vorgesehen sind.