[發明專利]具有熱切換相變材料的光學器件

在審

• 申請號: 201780009930.5
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN108604022A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 培曼·胡賽尼;哈里什·巴斯卡蘭;本·布勞頓
• 申請（專利權）人: 博德科技有限公司
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 徐川;姚開麗

本發明尤其涉及一種光學器件(1)，該光學器件包括層結構(2)，該層結構具有：導熱的光學反射器(15)；導熱間隔件(14)，該間隔件能夠透射光并且被布置在反射器(15)的上方；以及相變材料(10)或PCM，被布置在間隔件(14)的上方并且具有至少兩個能夠可逆地切換的狀態，在所述至少兩個能夠可逆地切換的狀態中，PCM具有兩個不同的折射率值。反射器(15)、間隔件(14)和PCM(10)沿著層結構的堆疊方向(z)被依次堆疊。光學器件進一步包括：加熱元件(17)，相對于反射器(15)與PCM(10)相對，層結構(2)被配置成使PCM(10)與加熱元件(17)電絕緣，同時該加熱元件(17)經由反射器(15)和間隔件(14)與PCM(10)熱連通；以及控制器(19，19a)，被配置成為加熱元件(17)供能，以加熱PCM(10)并且因而可逆地改變PCM(10)的折射率和/或吸收性。本發明還涉及相關光學器件(特別第，包括一個或多個像素的器件，每個像素由例如如上所述的一組層結構形成)和驅動方法。

背景技術

本發明總體上涉及在各領域中應用的光學器件，從顯示器中的像素到用于建筑和汽車應用中的智能玻璃。

對所謂的相變材料(PCM)技術及其在光電器件中的使用已經進行了大量的研究，例如，在超高分辨率反射顯示器、透視顯示器和力傳感器中的使用。PCM包括可以在多個相之間進行切換的材料。不同的相可以具有不同的光電特性。而且，已知雙穩態的PCM，這是特別有吸引力的，因為在相變完成之后，不必連續地施加功率以使器件維持在新狀態。

然而，只有一小部分材料通常主動地參與到這種材料的電切換循環中，而材料的周圍部分基本上保持不受影響。這種現象是已知的并且通常被稱為“絲狀切換(filamentaryswitching)”。盡管可以有利地將絲狀切換用于一些應用，但是如可以實現的，這種現象將對PCM在不同切換狀態之間的光學特性產生不利影響。

這種現象通常發生在交叉電路(crossbar circuit)配置中。在交叉電路中，將電壓脈沖施加于該交叉電路，以使得電流流過條之間的PCM元件。通過切換過程在電極之間產生局部導電路徑(即，“細絲”)。例如，可以制作一些非光學的電阻器件使其令人滿意地工作，即使僅切換了材料的微小部分。然而，就光學特性而言，由于有源部分太小，所以交叉電路配置中的PCM像素可能不會被切換。因此，絲狀切換阻礙了光學應用，例如，像素在顯示器和智能玻璃中的光學應用。

為了解決該問題并實現更大的切換部分，可以將PCM區域劃分為納米級像素。然而，這導致了像素數量的急劇增加。例如，對于顯示器應用，由于切換機制需要尖銳的(例如，納秒持續時間)電脈沖，因此上述方案需要以非常高的速度依次尋址大量(通常為數百萬)像素。然而，這產生了新的工程挑戰，因為用于尋址像素的電子外圍驅動電路需要的計算量和電功率隨著像素數量的增加而急劇增加。

另外，已知使用熱脈沖來切換PCM。例如，US2015098032公開了PCM顯示器，其中，每個PCM像素由電加熱器元件進行切換，該電加熱器元件與PCM直接接觸。PCM元件產生灰度。附加過濾元件為像素提供顏色。

發明內容

根據第一方面，本發明體現為一種光學器件。該器件包括層結構，該層結構具有：導熱的光學反射器；導熱(光學)間隔件，該間隔件能夠透射光并且被布置在反射器的上方；以及相變材料或PCM，被布置在間隔件的上方并且具有至少兩個能夠可逆地切換的狀態，在所述至少兩個能夠可逆地切換的狀態中，PCM具有兩個不同的折射率值和/或吸收性。反射器、間隔件和PCM沿著層結構的堆疊方向被依次堆疊。光學器件進一步包括加熱元件，該加熱元件相對于反射器與PCM相對。層結構被配置成使PCM與加熱元件電絕緣，同時加熱元件經由反射器和間隔件與PCM熱連通。光學器件還包括控制器，該控制器被配置成為加熱元件供能，以加熱PCM并且因而可逆地改變所述PCM的折射率和/或吸收性。