專利名稱：提高了有效折射系數(shù)的全內(nèi)反射圖像顯示器的制作方法
技術(shù)領域：
一種顯示裝置和方法，其中，相互垂直排列的棱柱表面(prismaticsurfaces)提高了顯示器的有效折射系數(shù)，并且通過受控阻止全內(nèi)反射現(xiàn)象(“TIR”)來增強顯示器顯示信息的能力。
背景技術(shù)：
眾所周知，光線在不同介質(zhì)中以不同的速度進行傳播。速度的改變會導致發(fā)生折射現(xiàn)象。Snell定律表征了光線從一種介質(zhì)進入到另外一種其折射系數(shù)與第一種介質(zhì)不同的介質(zhì)內(nèi)的行為。具體來說n1sinθ1＝n2sinθ2(1)其中，正如在圖1中所示出的那樣，n1是第一種介質(zhì)的折射系數(shù)，n2是第二種介質(zhì)的折射系數(shù)，θ1是第一種介質(zhì)內(nèi)光線與兩種介質(zhì)交界面的法向向量之間的入射角(或者折射角)，而θ2是第二種介質(zhì)內(nèi)光線與法線之間的入射角(或者折射角)。
正如在圖1中所示出的那樣，當光線10從一種諸如玻璃這樣的較高折射系數(shù)介質(zhì)入射到一種諸如空氣這樣的較低折射系數(shù)介質(zhì)中時，光線10會遠離法線12而折射。相反，如果光線10的方向相反，從而使得光線從較低折射系數(shù)介質(zhì)進入到較高折射系數(shù)介質(zhì)中，那么光線會朝向法線12折射。
因此，當光線10從玻璃入射到空氣中時，光線10的折射部分會彎離法線12。光線10的入射部分越遠離法線12，光線10的折射部分就會越遠離法線。Snell定律可以如下求解，以確定出從玻璃入射到空氣中的光線10的折射部分角度θ2θ2=arcsin(n1n2sinθ1)]]>sinθ1隨著光線10在玻璃內(nèi)的入射部分遠離法線12而增大。反正弦函數(shù)自變量中的n1/n2部分大于1(即，對于玻璃來說n1≈1.5；對于空氣來說，n2≈1；因此n1/n2≈1.5)。但是正弦函數(shù)的最大值為1，因此反正弦函數(shù)不會獲得大于1的實際自變量值。因此，如果n1/n2sinθ1≥1，那么將無法求得折射角度θ2的解。實際上，在這種情況下，如果n1/n2sinθ1≥1，那么將發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象(TIR)，并且入射光線會反射回玻璃內(nèi)。隨著光線10的折射部分遠離法線12，第一次發(fā)生TIR現(xiàn)象的角度被稱作臨界角θc，該臨界角θc這樣求出θc＝arcsin(n1/n2)(3)公式(3)表示，臨界角的大小與兩個折射系數(shù)n1和n2之比有關(guān)。如果兩個折射系數(shù)的比率較大，那么臨界角將較小(即更為靠近法線)，反之亦然。對于本發(fā)明來說，臨界角越小越好(從而兩個折射系數(shù)的比率更大)，因為它們提供了一個能夠發(fā)生TIR現(xiàn)象的較大角度范圍。這就意味著可以反射更多的入射光線，并且因此可以提供一種具有較大視角范圍和/或更亮潔顯示效果的顯示裝置，較大的視角范圍和更亮潔的顯示效果均是所希望的特性。因此，n1最好盡可能地大，而n2最好盡可能地小。
眾所周知，經(jīng)歷TIR現(xiàn)象的光線入射部分會略微地穿透發(fā)生TIR現(xiàn)象的界面。這種所謂的“隱失波穿透現(xiàn)象(evanescent wave penetration)”是由大約0.25微米量級的可見光產(chǎn)生的。由于與隱失波發(fā)生干涉(即散射和/或吸收)而可防止或者“阻止”發(fā)生TIR現(xiàn)象。具體來說，改變隱失波周圍的折射系數(shù)可以阻止TIR。這可以通過將一種光吸收材料引入到隱失波中來實現(xiàn)；或者通過將一種具有不均勻折射系數(shù)的非光吸收材料引入到隱失波中來實現(xiàn)。對于非吸收性材料而言，不均勻性非常重要。例如，將一種均勻的微細彌散顆粒型非吸收材料引入到隱失波中，可以略微改變折射系數(shù)，達到一個與相對介質(zhì)相等的值。這不僅無法防止TIR現(xiàn)象，而且僅會形成一個相鄰邊界層，在該相鄰邊界層中將會發(fā)生TIR。
正如在2000年5月16日授權(quán)的美國專利No.6064784中所描述的那樣，可以利用一種電泳介質(zhì)來在采用棱柱形反射表面的圖像顯示裝置中可控地阻止TIR?！半娪尽笔且环N公知現(xiàn)象，其中，在所施加的電場作用下，帶電物質(zhì)(即微粒、離子或者分子)會移動穿過介質(zhì)。對于本發(fā)明來說，優(yōu)選的電泳介質(zhì)是由ST.PUAL，MN的3M公司生產(chǎn)的FluorinertTMElectronic LiquidFC-72(n≈1.25)或者FC-75(n≈1.27)傳熱介質(zhì)。但是，需要明白的是，即使這種較低的折射系數(shù)(即與諸如乙腈這樣的普通有機溶劑電泳介質(zhì)的n≈1.33相比)，也不足以相對于具有1.5至1.7范圍內(nèi)的折射系數(shù)的普通塑料介質(zhì)(比如聚碳酸酯，n≈1.59)獲得較大的折射系數(shù)比率。尤其是，在這種情況下系數(shù)比率為n2/n1＝1.59/1.27≈1.25，其對應于一個較大的臨界角53度，該角度是在這樣的一個界面處獲得TIR現(xiàn)象所需要的。
為了獲得與一種FluorinertTM電泳介質(zhì)相關(guān)的所需的高臨界角，相鄰材料(假設為一種形成有等腰直角棱柱的棱柱形材料)必須具有這樣一個折射系數(shù)，該折射系數(shù)至少為n1＝21/2·n2＝21/2·1.27≈1.8，該折射系數(shù)無法利用廉價的塑料材料獲得。實際上，相鄰材料的折射系數(shù)最好大約為2.0，以有利于入射到圖像顯示器表面上的光線發(fā)生TIR現(xiàn)象，所述入射光線位于一個接近垂直于顯示器表面的角度范圍內(nèi)，但并非精確地垂直于顯示器的表面。某些陶瓷材料的折射系數(shù)基本上大于1.8。但是，在這些材料上精密復制棱柱形表面是困難而昂貴的。
本發(fā)明克服了前述難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種供沿著一最佳觀看方向觀看圖像的圖像顯示器。這種顯示器具有平行、宏觀上平整、帶有構(gòu)造面(structured surface)、非光吸收性光折射和反射部分，它們沿著相互垂直的方向縱向?qū)ΨQ，并且都垂直于最佳觀看方向。一種包含大量可移動組元(優(yōu)選地是懸浮在介質(zhì)中的微粒)的液體(優(yōu)選地是一種電泳介質(zhì))與光反射部分接觸。一個控制器施加電磁力以選擇性地(優(yōu)選地電泳性地)使得所述組元移動到一個與光反射部分相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)，來阻止光線在光反射部分上的選定部位處發(fā)生TIR。位于光折射部分上的構(gòu)造面，通過使得沿著最佳觀看方向入射的光線具有一個沿著光反射部分的縱向?qū)ΨQ方向的方向分量，使所述光線朝光反射部分偏斜。位于光反射部分上的構(gòu)造面，在除了TIR受阻的所選定位置之外的位置處將折射的光線向光折射部分全內(nèi)反射。隨后，光折射部分上的構(gòu)造面再次折射全內(nèi)反射的光線，消除其上的方向分量，以便折射后的全內(nèi)反射光線沿著一個基本上平行于最佳觀看方向的方向從顯示器中射出。
所述構(gòu)造面優(yōu)選地為棱柱表面。在第一實施例中，光折射部分是一個薄板的外向表面，其上承載有相互平行延伸的大量第一棱柱；并且，光反射部分是所述薄板上承載有大量第二棱柱的內(nèi)向表面，所述第二棱柱相互平行地延伸并且基本上垂直于大量的第一棱柱進行延伸。該薄板由一種折射系數(shù)大于或者等于1.6的材料制成，優(yōu)選地由一種折射系數(shù)大約為1.73的復合聚合物材料制成。有利的是，電泳介質(zhì)具有大約1.27的折射系數(shù)，比如FluorinertTMElectronic Liquid。
在第二實施例中，光折射部分是(i)一第一薄板，其具有一個承載有相互平行延伸的大量第一棱柱的外向表面，并具有一個相對立的平整內(nèi)向表面，(ii)一個基本上平行于第一薄板的第二薄板的外向表面，該第二薄板的外向表面承載有相互平行延伸的大量第二棱柱，這些第二棱柱平行于大量的第一棱柱而延伸，和(iii)一個位于第一薄板與第二薄板之間的氣隙。該第二實施例的光反射部分是位于所述第二薄板的內(nèi)向表面上的大量第三棱柱，這些大量的第三棱柱相互平行地延伸、并且基本上垂直于大量的第一和第二棱柱而延伸。
在第三實施例中，光折射部分是(i)一個第一薄板，其具有一個平整的外向表面、并具有一個相對立的內(nèi)向表面，該內(nèi)表面承載有相互平行延伸的大量第一棱柱，(ii)一個基本上平行于第一薄板的第二薄板的平整外向表面，和(iii)一個位于第一薄板與第二薄板之間的間隙，其中容置有一種低折射系數(shù)介質(zhì)。該第三實施例中的光反射部分是位于所述第二薄板的內(nèi)向表面上的大量第二棱柱，這些大量的第二棱柱相互平行地延伸并且基本上垂直于大量的第一棱柱進行延伸。
在第四實施例中，光折射部分是一個第一薄板，該第一薄板具有一個平整的外向表面和一個相對立的內(nèi)向表面，該內(nèi)向表面承載有相互平行延伸的大量第一棱柱；并且，光反射部分是一個第二薄板，該第二薄板具有一個基本上平行于第一薄板的平整內(nèi)向表面，并且具有一個相對立的外向表面，該外向表面承載有大量的第二棱柱，這些第二棱柱相互平行地延伸并且基本上垂直于大量的第一棱柱進行延伸。該第四實施例的光折射部分包括一個位于第一薄板與第二薄板之間的間隙，其中容置有一種低折射系數(shù)介質(zhì)。
在第二、第三或者第四實施例中，所述薄板可以由一種折射系數(shù)大于或者等于約1.6的材料制成，而電泳介質(zhì)仍然具有大約1.27的折射系數(shù)，比如FluorinertTMElectronic Liquid。
在第一實施例中，大量的第一棱柱優(yōu)選地是60度角的等腰棱柱，而大量的第二棱柱優(yōu)選地是直角等腰棱柱。在第二實施例中，大量的第一棱柱優(yōu)選地是頂點對應角度θ的等腰棱柱，所述角θ作為第一薄板折射系數(shù)的函數(shù)而變化，且大量的第二和第三棱柱優(yōu)選地是直角等腰棱柱。在第三實施例中，大量的第一棱柱優(yōu)選地為60度等腰棱柱，且大量的第二棱柱優(yōu)選地是直角等腰棱柱。在第四實施例中，大量的第一和第二棱柱優(yōu)選地為60度等腰棱柱。
在第三或者第四實施例中，低折射系數(shù)介質(zhì)優(yōu)選地具有低于或者等于約1.27的折射系數(shù)，比如FluorinertTMElectronic Liquid。


圖1示意性示出了在玻璃空氣界面處發(fā)生折射的光線；圖2是根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示器的一部分的放大視圖，在該圖像顯示器中結(jié)合有一個反射性材料薄板，在該反射性材料薄板的相對側(cè)面上帶有相互垂直延伸的棱柱，并且示出了與一種電泳介質(zhì)接觸的下部棱柱表面，以在下部棱柱表面與電泳介質(zhì)之間的“TIR界面”處實現(xiàn)全內(nèi)反射(“TIR”)的可控阻止；圖3A、3B和3C分別為圖2裝置的放大的正向剖視圖、側(cè)向剖視圖以及俯視平面圖，其示出了發(fā)生TIR的光線；圖4類似于圖3A，示出了微粒穿過圖2裝置中的電泳介質(zhì)的電泳運動，以改變所述裝置在TIR界面處的光學性能。圖4的左側(cè)示出的是未發(fā)生電泳活動，從而入射到TIR界面上的光線發(fā)生TIR現(xiàn)象。圖4的右側(cè)示出了電泳移動到TIR界面處的微粒，阻止了TIR現(xiàn)象，使得入射到TIR界面上的光線不發(fā)生TIR現(xiàn)象；圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明的一可選實施例的圖像顯示器的一部分的放大側(cè)向剖視圖和端部正視圖，該圖像顯示器具有一個光折射部分，該光折射部分在兩個指向外側(cè)的平行棱柱形表面之間具有氣隙，并且具有一個互補的光反射部分，該光反射部分在指向內(nèi)側(cè)的棱柱表面與一種電泳介質(zhì)之間具有TIR界面；圖6是一個放大的正向剖視圖，描繪了一種用于圖5A-5B所示裝置的上部棱柱表面的優(yōu)選棱柱結(jié)構(gòu)；
圖7是一個曲線圖，繪出了圖6中所示等腰棱柱角度的優(yōu)選值θ與材料的折射系數(shù)n的函數(shù)關(guān)系，所述材料用于制取圖5A-5B所示裝置的上部棱柱表面；圖8A和8B分別是根據(jù)本發(fā)明又一可選實施例的圖像顯示器一部分的放大側(cè)向剖視圖和端部正視圖，該圖像顯示器具有一個光折射部分，該光折射部分在相對的棱柱表面之間帶有一種低折射系數(shù)介質(zhì)，并且具有一個互補的光反射部分，該光反射部分在內(nèi)側(cè)棱柱表面與電泳介質(zhì)之間具有TIR界面；以及圖9A、9B、9C和9D均類似于圖8B，示出了分別具有直角等腰棱柱(圖9A)、梯形棱柱(圖9B)、拋物線形棱柱(圖9C)以及60度的等腰棱柱(圖9D)形狀的光反射結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
圖2和3A-3C描繪了一個反射材料薄板10，其折射系數(shù)優(yōu)選地大于1.65，更優(yōu)選地是大于或者等于1.73。盡管這是一個遠高于諸如n≈1.59的聚碳酸酯的普通塑料的折射系數(shù)的適當高的折射系數(shù)，但是其也能夠通過使用一種較高折射系數(shù)的復合聚合物材料來達到，比如亞光學尺寸(sub-optical size)的氧化鋯微粒在一種透明聚合物中的懸浮體，其在實驗中達到了n≈1.73。尤其是，如Mohammadi在Colloidal RefractometryMeaning andMeasurement of Refractive Index for Dispersions；The Science That TimeForgot，Advances in Colloid and Interface Science 62(1995)17-29中所論述的那樣，公知的是，亞光學尺寸的高折射系數(shù)微粒在低折射系數(shù)介質(zhì)中的彌散在光學上類似于一種中等折射系數(shù)的均質(zhì)介質(zhì)，隨著高折射系數(shù)微粒濃度的提高，折射系數(shù)增加量增大。
薄板10形成了一個具有內(nèi)表面12和外表面14的圖像顯示器。觀看者16沿著一個基本上垂直于表面12、14的優(yōu)選觀看方向通過外表面14觀看顯示內(nèi)容。內(nèi)表面12上具有大量的棱柱18，這些棱柱18沿著第一縱向20相互平行地延伸。外表面14上也有大量的棱柱22，這些棱柱22沿著第二縱向24相互平行地延伸，第二縱向24基本上垂直于第一縱向20。內(nèi)表面棱柱18優(yōu)選地為直角等腰棱柱。也就是說，各個內(nèi)表面棱柱18的內(nèi)面頂點對著90度角，正如在圖2中示出的那樣。各個內(nèi)表面棱柱18的各個面因此相對于一個沿著第三方向26延伸的向量傾斜45度，所述第三方向26垂直于第一縱向20和第二縱向24兩者。外表面棱柱22也優(yōu)選地為等腰棱柱，但是并非直角等腰棱柱。相反，各個外表面棱柱22的外面頂點優(yōu)選地對著60度角，正如在圖2中示出的那樣。
棱柱18、22可以通過對一個原本平整的薄板進行微機械加工形成棱柱而成形在薄板10的相對表面上；或者，通過任何一種公知的精確模制技術(shù)而成形在薄板10的相對表面上，同時，模具本身被微機械加工成所需的負片形狀。所述棱柱要足夠大，以具有相當高的光學質(zhì)量(即各個棱柱的底寬于約10微米)，但是又要足夠小，以便肉眼基本上看不見(即各個棱柱的底只有約250微米寬)。薄板10因此在宏觀上基本上是平整的，但是在微觀上呈棱柱形狀。
通過將一種電泳介質(zhì)28容置在由下部薄板32限定而成的容器30中，保持電泳介質(zhì)28與內(nèi)棱柱表面12接觸。電泳介質(zhì)28優(yōu)選地是一種低折射系數(shù)、低粘度、電絕緣的液體，比如由St.Pual，MN的3M公司生產(chǎn)的FluorinertTMElectronic Liquid FC-72(n≈1.25)或者FC-75(n≈1.27)傳熱介質(zhì)。假設利用一種高折射系數(shù)的復合聚合物材料制取薄板10，從而在棱柱18與介質(zhì)28之間形成一個復合聚合物Fluorinert的“TIR界面”。介質(zhì)28中含有光散射和/或光吸收微粒34的微細彌散懸浮體(圖4)，比如染過色的或者其它的散射/吸收性氧化硅微粒(n≈1.44)、染過色的或者其它的散射/吸收性乳膠微粒(n≈1.5)等等。薄板32的光學特性相對來說不太重要；薄板32僅用于制取一個用于容置電泳介質(zhì)28和微粒34的容器。
正如前面所解釋的那樣，優(yōu)選地在TIR界面處存在有一個小的臨界角，因為這將提供一個能夠發(fā)生TIR現(xiàn)象的較大角度范圍。一種高折射系數(shù)復合聚合物材料的折射系數(shù)(n≈1.79)與Fluorinert的折射系數(shù)的比形成一個約47度的臨界角，該角度并非足夠小到使入射到形成于復合聚合物Fluorinert界面上的直角等腰棱柱上的光線發(fā)生TIR現(xiàn)象。但是，正如下面將要描述的那樣，本發(fā)明能夠在復合聚合物Fluorinert界面處實現(xiàn)TIR。
尤其是，正如在圖3A-3C和4中的42處所示出的那樣，入射光線40以約60度的入射角遇到由外棱柱22中的一個的小平面(facet)形成的空氣復合聚合物界面，并且被該棱柱向內(nèi)棱柱表面12折射。對于折射系數(shù)比為1∶1.73的空氣復合聚合物界面來說，折射角度大約為30度。在發(fā)生前述的折射之前，光線40基本上在第一縱向20上不存在分量。前述折射現(xiàn)象通過使該光線具有一個第一縱向20上的行進分量來使之偏轉(zhuǎn)。眾所周知(參見L.A.Whitehead，Simplified Ray Tracing in Cylindrical Systems，AppliedOptics，Vol.21，No.19，pp.3536-3538，1982年10月1日)，這種折射提高了薄板10的有效折射系數(shù)(平移對稱系統(tǒng)(a translationally symmetricalsystem)內(nèi)縱向上的一個行進分量的增加相對于光線的平移運動來說增大了有效折射系數(shù))。尤其是，如果入射光線40偏離入射法線方向30度，如圖3A所示，則如果薄板10相對于電泳介質(zhì)28的折射系數(shù)比為1.64，那么將在復合聚合物Fluorinert界面處發(fā)生TIR，正如前面所解釋的那樣，比率1.64遠小于其它情況下所需的值1.8。折射光線42因此以一個角度在TIR界面遭遇到一個內(nèi)棱柱18的第一表面，如44處所示，所述角度明顯超過了TIR界面的47度臨界角，并且被全內(nèi)反射成光線46。如圖3C中清楚示出的那樣，光線46以相對于兩個縱向20和24的一個角度反射。反射光線46隨后遭遇到一個相鄰內(nèi)棱柱18上的與第一棱柱表面相對的第二表面，如48處所示，并且再次在第二棱柱表面發(fā)生TIR，因為其入射角度明顯大于TIR界面的47度臨界角。在如前所述那樣在回反射(retro-reflective)內(nèi)棱柱表面12處發(fā)生兩次TIR之后，回反射光線50將穿過復合聚合物空氣界面折射，并且如51處所示，沿著一個近乎180度相反于原始入射光線40的方向(即在一個基本上平行于最佳觀看方向的方向上)射出，從而使得反射光線具有“亮潔”的顯示效果。
可以看出，圖2的裝置具有互補的光折射和光反射特性。外棱柱22構(gòu)成了顯示器的“光折射”部分；并且，內(nèi)棱柱18與介質(zhì)28之間的TIR界面構(gòu)成了顯示器的“光反射”部分，其中，微粒34如下所述那樣相對于該界面電泳移動?！肮庹凵洹辈糠终凵鋷缀醮怪比肷涞墓饩€，以便該光線獲得一個沿一“縱向?qū)ΨQ”方向的前行分量。如果一個物體的在一個垂直于一特定方向的平面內(nèi)的剖面形狀在該方向平移不變，那么該物體沿著所述特定方向縱向?qū)ΨQ。在一個縱向?qū)ΨQ物體的任何表面上的任何位置處，該表面的法線向量均垂直于物體的縱向?qū)ΨQ方向。如在Whitehead的surpra中所描述的那樣，通過對形成縱向?qū)ΨQ物體的各種材料賦予一個有效折射系數(shù)(取決于縱向上的運動程度)，可以具有數(shù)學地精度模擬光線在縱向?qū)ΨQ物體橫剖面內(nèi)的傳播，說明光線在該縱向上的運動。因此，內(nèi)棱柱18沿著第一縱向20縱向?qū)ΨQ，而外棱柱22沿著第二縱向24縱向?qū)ΨQ。棱柱22首先將近乎垂直的入射光線40朝向第一縱向20偏轉(zhuǎn)(即如圖3C所示那樣，折射光線42具有平行于第一縱向20的一個方向分量)，所述第一縱向20是棱柱18的縱向?qū)ΨQ方向。如前所述這增大了棱柱18的有效折射系數(shù)，使得如前所述那樣更易于在位置44、46處獲得TIR。在如前所述那樣發(fā)生兩次TIR之后，回反射光線50再次由棱柱22沿著棱柱18的縱向?qū)ΨQ方向進行折射，精確地消除或者去除了初始折射的影響，并且允許光線51沿著近乎180度相反于原始入射光線40的方向的方向射出。
如圖4所示，可以經(jīng)由電極52、54橫跨電泳介質(zhì)28施加一個電壓，所述電極52、54分別設置于表面12和32上。電極52是透明的并且相當薄，以便其不會干擾TIR界面處的入射光線。電極54無需是透明的。如果通過啟動電壓源56以橫跨介質(zhì)28施加一個電壓來作用于電泳介質(zhì)28，正如在圖4中所描繪的右半部分介質(zhì)28那樣，懸浮微粒34電泳移動到約0.25微米TIR界面內(nèi)(即內(nèi)棱柱表面12附近的隱失波區(qū)(evanescent wave region))。在如前所述那樣發(fā)生電泳移動時，微粒34散射或者吸收光，從而防止棱柱18表面處的TIR。這由圖4中的光線58示出，該光線隨著其在TIR界面處的隱失波區(qū)內(nèi)撞擊微粒34而被散射和/或吸收，如59處所示，從而在非反射性的散射/吸收區(qū)域內(nèi)獲得一個“暗”的顯示效果。顛倒所加電壓的極性使得微粒34電泳移動到隱失波區(qū)域之外，從而恢復“亮潔”的顯示效果。
通過對經(jīng)由電極52、54橫跨介質(zhì)28施加的電壓進行轉(zhuǎn)換控制，可以控制內(nèi)棱柱表面12的光學特性。例如，可以對電極52、54進行劃分，以控制電泳微粒進入到與表面12上的不同點相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)?？梢詥与姌O52、54上用于表面12的選定位置的特定區(qū)段，來使得微粒34移動到在這些位置處與表面12相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)，或者從其中移出，同時，各個位置因此而構(gòu)成一個可切換的“像素”，并且所有的像素集合起來形成一個顯示器。
除了具有所需的低折射系數(shù)之外，F(xiàn)luorinerts還非常適合于使用在根據(jù)本發(fā)明制成的顯示器中，因為它們是優(yōu)質(zhì)的電絕緣體，并且是惰性的。Fluorinerts也具有低粘度和高密度，所以懸浮在Fluorinerts中的微粒可以相對容易地發(fā)生電泳移動。正如前面所指出的那樣，高折射系數(shù)復合聚合物材料是一種優(yōu)選的適用于制取薄板10的高折射系數(shù)材料。薄板10優(yōu)選地是光學潔凈的，并且具有高的折射系數(shù)，該折射系數(shù)優(yōu)選地在可見光波長范圍內(nèi)大于或者等于1.6?！肮鈱W潔凈”是指垂直入射到所述材料上的光線的大部分將穿過所述材料的特定厚度，同時這些光線僅有一小部分被所述材料散射和/或吸收掉。隨著光線穿過所述材料，這種散射和/或吸收現(xiàn)象(通常是兩種現(xiàn)象都有)導致光學透明度降低。薄板10的厚度僅需要10微米左右。對于本發(fā)明目的來說，如果10微米厚的這樣的材料僅散射和/或吸收垂直入射光的一小部分，那么在塊狀形式下“不透明”的材料仍然是“光學潔凈”的。高折射系數(shù)復合聚合物材料也非常適用于根據(jù)本發(fā)明制成的顯示器，因為其具有低的吸收/散射特性，并且因此在前述波長范圍內(nèi)具有高的光學透明度。此外，可以對高折射系數(shù)復合聚合物材料進行模制，以獲得如前所述的所需回反射微結(jié)構(gòu)。
借助于電極52、54和電壓源56橫跨介質(zhì)28施加一個電壓，就向微粒34施加一個靜電力，使得它們?nèi)缜八瞿菢右苿拥诫[失波區(qū)域內(nèi)。當微粒34移動到隱失波區(qū)域內(nèi)時，它們必須能夠通過散射和/或吸收所述隱失波而阻止TIR界面處的TIR。盡管微粒34的直徑可以大至1微米，但是微粒的直徑優(yōu)選地明顯地為亞光學的(即小于1微米的量級，通常為100納米的直徑)，使得TIR界面處的微粒單層完全填充隱失波區(qū)域。如果微粒34的直徑大約為1微米，那么獲得有用的結(jié)果，但是顯示器的對比度會減低，因為微粒34在TIR界面處緊密堆積在一起的能力受到了其直徑的限制。尤其是，在臨界角附近，隱失波會在介質(zhì)28中延伸得更遠，從而直徑大約為1微米的微粒能散射和/或吸收所述波，從而阻止TIR。但是，隨著入射光線撞擊TIR界面的角度相對于臨界角不斷增大，隱失波區(qū)域的深度會明顯減少。直徑相對較大(即1微米)的微粒無法盡可能緊密地堆積在這個小厚度區(qū)域內(nèi)，從而這些微粒無法以所需程度阻止TIR。但是，直徑較小(即100納米)的微?？梢跃o密地擠壓在這個小厚度區(qū)域內(nèi)，從而這些微粒能夠阻止入射光線的TIR，其中，所述入射光線以超過臨界角的角度撞擊TIR界面。
對TIR的機械阻止(即，如1999年9月28日授權(quán)的美國專利No.5959777中所公開的那樣，使一個彈性薄板移動到隱失波區(qū)域內(nèi)或者從隱失波區(qū)域內(nèi)移出)優(yōu)選地在一個平整的表面實現(xiàn)，因為在一個平整的表面上更易于實現(xiàn)光學接觸。在棱柱表面上相對難以機械阻止TIR，因為在棱柱表面與所述部件之間難以獲得所需的對齊精度，所述部件將機械移動到與棱柱表面發(fā)生接觸和脫離與棱柱表面發(fā)生接觸。但是，電泳介質(zhì)28易于流動而圍繞回反射性內(nèi)棱柱表面12，從而消除對齊困難，并且能夠在實際中使用棱柱形微觀構(gòu)造面作為TIR界面。
如在圖3A中所示的那樣，與薄板10的1.73折射系數(shù)相結(jié)合，外棱柱22的60度角的一個重要特征在于，入射光線40由棱柱22中的一個的小平面22A中的一個折射，以便折射光線42基本上平行于相對成角度的棱柱小平面22B。因此，由于與相對成角度的棱柱小平面22B的相互作用，會損失非常少量的由折射光線42代表的光線。還有，通過回反射光線50的后續(xù)折射，避免或者消除了折射光線42的任何彌散。另一優(yōu)點在于，發(fā)生了兩次TIR反射(即，如前所述那樣在44和48處)，這減少了在棱柱18的小平面處每次反射所需要的光線吸收量，以達到所需的對比度。
總體而言，本發(fā)明提供了一種光折射光學系統(tǒng)和一種光反射光學系統(tǒng)，所述光折射光學系統(tǒng)沿著一個方向縱向?qū)ΨQ，而所述光反射光學系統(tǒng)沿著一個垂直方向縱向?qū)ΨQ。兩個縱向?qū)ΨQ方向相互垂直于最佳觀看的第三方向，該第三方向本身垂直于構(gòu)成所述兩個光學系統(tǒng)的宏觀平整、微觀上帶有結(jié)構(gòu)表面、平行、薄的材料。但是，圖2-4中的實施例是符合本發(fā)明前述一般特性的諸多可能實施例中的一個特殊示例。圖2-4中所示實施例可以在較高的光效率條件下進行工作，并且在反射系統(tǒng)中獲得TIR，這種TIR現(xiàn)象服從于電泳或者其它合適的電磁控制，但是這些所需特性均不是本發(fā)明大多數(shù)通用形式的關(guān)鍵之處。為了進一步圖示出本發(fā)明的通用性，有用的是考慮多個替換實施例，這些實施例相對于圖2-4中所示實施例具有不同的優(yōu)點和缺點。
圖5A和5B描繪了本發(fā)明的一個這樣的實施例，其中，內(nèi)聚合物薄板10A和外聚合物薄板10B由一個氣隙11分隔開，以形成一個供觀看者16觀看的圖像顯示器。內(nèi)部或者“第一”薄板10A的內(nèi)向表面12A上具有大量指向內(nèi)側(cè)的棱柱18A，這些棱柱18A沿著第一縱向20A相互平行延伸。內(nèi)薄板10A的相對的、外向表面上承載有大量指向外側(cè)的棱柱22A，這些棱柱22A沿著第二方向24A相互平行延伸，并且基本上垂直于第一縱向20A。棱柱18A和棱柱22A優(yōu)選地為直角等腰棱柱。也就是說，各個棱柱18A的內(nèi)向面頂點對著90度角，并且各個棱柱22A的外向面頂點也對著90度角。各個棱柱18A的各個面因此相對于一個沿著第三縱向26A延伸的向量傾斜45度角，所述第三縱向26A垂直于第一縱向20A和第二縱向24A；并且，各個棱柱22A的各個表面也相對于同一向量傾斜45度。
外部或者“第二”薄板10B的外向表面14A上承載有大量指向外側(cè)的棱柱23，這些棱柱23沿著第二縱向24A相互平行延伸，并且基本上平行于棱柱22A。薄板10B的內(nèi)向表面14B是平整的。棱柱23優(yōu)選地為等腰棱柱，但并非是直角等腰棱柱。相反，各個棱柱23的外向面頂點優(yōu)選地對著角θ，正如下面參照圖6和7所描述的那樣。正如前面所描述的那樣，所有的棱柱必須足夠大，以具有相當高的光學質(zhì)量(即，各個棱柱的底寬于約10微米)，但是又要足夠小，以便肉眼基本上難以分辨(即各個棱柱的底僅約250微米寬)。一種電泳介質(zhì)保持與內(nèi)向棱柱表面12A接觸，該電泳介質(zhì)中含有微細彌散的光散射和/或吸收微粒的懸浮體(在圖5A-5B中未示出)。如同前面參照圖4所描述的那樣，設置有電極(未示出)和一個電壓源(未示出)，以在電泳介質(zhì)內(nèi)可控地電泳移動所述微粒，來選擇性地阻止在電泳介質(zhì)與棱柱表面12A之間的界面處發(fā)生TIR現(xiàn)象。
盡管圖5A-5B中所示實施例比圖2-4中所示實施例更為復雜，并且甚至更易于受到內(nèi)部界面處的所不希望的局部反射的影響，但是圖5A-5B中所示實施例的優(yōu)點在于，其可以利用低折射系數(shù)的聚合物材料(即n≈1.6)構(gòu)造。具體地說，圖5A-5B中所示實施例相對于圖2-4中所示實施例來說具有更大的有效折射系數(shù)的增加。通過考慮一個典型光線的路徑可以明白這一點。入射光線62以約62度的角遭遇到由棱柱23中的一個的一個小平面形成的空氣聚合物界面，并且朝向平整的內(nèi)向表面14B折射，從而折射光線64基本上平行于棱柱23的相對成角度的小平面。因此，由于與棱柱23的相對成角度的小平面的相互作用，損失非常少量的由折射光線64代表的光線。通過穿過表面14B而出射到氣隙11內(nèi)，光線64再次以約45度的角度發(fā)生折射，成為光線66，從而，進一步折射的光線66基本上垂直于棱柱22A的左向小平面(如同在圖5A中所看到的那樣)，并且基本上平行于棱柱22A的相對成角度的小平面(即如同在圖5A中看到的那樣，朝向右側(cè))。因此，光線66基本上垂直地撞擊到棱柱22A的一個小平面上，并且從而最低限度地在氣隙11與薄板10A之間的空氣聚合物界面處折射，作為光線68穿入薄板10A，該光線68基本上平行于棱柱22A的相對成角度的小平面。光線68具有一個沿著棱柱18A的縱向?qū)ΨQ方向20A的基本分量，從而如前所述那樣提高薄板10A的有效折射系數(shù)。需要注意的是，光線68僅偏離方向20A45度，而在圖2-4所示實施例中的等效角度為60度，因此，在這種情況下的折射系數(shù)增大效果更為明顯，這允許薄板10A、10B由一種(非復合的)聚合物材料制成，這種材料具有低至1.6的折射系數(shù)。也就是說，如果薄板10A相對于電泳介質(zhì)的折射系數(shù)比率為1.6，那么將會在內(nèi)向表面12A處的聚合物Fluorinert界面處發(fā)生TIR現(xiàn)象，正如前面所描述的那樣，1.6的折射系數(shù)比率明顯低于以其它方式所需的值1.7。折射光線68從而會在TIR界面處以一個角度遭遇到一個內(nèi)向棱柱18A的第一表面，正如在70處所示出的那樣，所述角度超過了TIR界面的臨界角(對于一種折射系數(shù)為1.59的聚合物和折射系數(shù)為1.27的FluorinertTMElectronic Liquid FC-75來說，為53度)，并且正如在72處所示出的那樣發(fā)生全內(nèi)反射。隨后，反射光線72會遭遇到一個相鄰內(nèi)向棱柱18A的第二表面，該第二表面與第一棱柱表面相對，正如在74處所示出的那樣，并且再次在該第二棱柱表面處發(fā)生TIR現(xiàn)象，因為反射光線72遭遇到第二棱柱表面之處的角度超過了TIR界面的53度臨界角。在如前所述那樣在回反射內(nèi)向棱柱表面12A處發(fā)生兩次TIR之后，回反射光線76基本上垂直于棱柱22A的右向小平面(正如在圖5A中所看到的那樣)，并且基本上平行于棱柱22A的相對成角的小平面(即正如在圖5A中所看到的那樣，朝向左側(cè))。因此，光線76基本上垂直地撞擊棱柱22A的一個小平面，從而最低限度地在薄板10A與氣隙11之間的聚合物空氣界面處發(fā)生折射，作為光線78穿過氣隙11。
光線78以約45度的角度在平整表面14B處遭遇到空氣聚合物界面，并且朝向棱柱23發(fā)生折射，從而折射光線80基本上平行于棱柱23的左向小平面(正如在圖5A中所看到的那樣)，并且基本上垂直于棱柱23的相對成角的小平面(即正如在圖5A中所看到的那樣，朝向右側(cè))。因此，由于與棱柱23的相對成角的小平面相互作用，損失非常少量的由折射光線80代表的光線。光線80穿過聚合物空氣界面再次射出，并且正如在82處所示出的那樣，在一個幾乎180度相反于原始入射光線62的方向的方向上射出，從而使得反射光線具有“亮潔”的顯示效果。
圖5A-5B中所示裝置，類似于圖2-4中所示裝置，具有互補的光折射和光反射特性。棱柱23、內(nèi)向表面14B、以及棱柱22A共同構(gòu)成顯示器的“光折射”部分；并且，內(nèi)向棱柱表面12A和電泳介質(zhì)之間的TIR界面構(gòu)成了顯示器的“光反射”部分。光折射部分對近乎垂直入射的光線進行折射，從而使得它們獲得一個沿著顯示器上反射部分的縱向?qū)ΨQ方向的基本方向分量。更具體地說，棱柱23、內(nèi)向表面14B、以及棱柱22A的共同作用是使得近乎垂直入射的光線朝向棱柱18A的縱向?qū)ΨQ方向發(fā)生偏斜，以提高薄板10A的有效折射系數(shù)，并且使得更易于在位置70、74處獲得TIR。在如前所述那樣發(fā)生了兩次TIR之后，回反射光線76再次被棱柱22A和23沿著棱柱18A的縱向?qū)ΨQ方向折射，精確地消除或者去除初始折射的影響，并且允許光線82沿著一個幾乎180度相反于原始入射光線62的方向的方向射出。
正如在圖6中所示出的那樣，各個棱柱23的外向面頂點對著相對成角度的棱柱小平面84、86之間的角度θ。θ作為制取薄板10B的材料的折射系數(shù)的函數(shù)而加以選擇，從而撞擊一個小平面84的垂直或者近乎垂直的入射光線62基本上平行于相對成角度的小平面86而折射(即作為光線64)。因此，由于與相對成角度的小平面86的相互作用，所以損失了非常少量的由折射光線64代表的光線。圖7示出了θ與折射系數(shù)的關(guān)系曲線。例如，如果薄板10B由一種折射系數(shù)n≈1.73的復合聚合物材料制成，那么θ優(yōu)選地大約為60度。但是如果薄板10B由一種折射系數(shù)n≈1.59的非復合聚合物材料制成，那么θ優(yōu)選地大約為56度。
圖8A-8B描繪出了本發(fā)明的再一個可選實施例，其中，內(nèi)向非復合聚合物薄板10C和外向非復合聚合物薄板10D由一個流體間隙11A分隔開，以形成一個供觀看者16觀看的圖像顯示器。內(nèi)向或者“第一”薄板10C的內(nèi)向表面12C上承載有大量指向內(nèi)側(cè)的棱柱18B，這些棱柱18B沿著第一縱向20B相互平行延伸。內(nèi)向薄板10C的相對的外向表面12D是平整的。外向或者“第二”薄板10D的內(nèi)向表面14D承載有大量指向內(nèi)側(cè)的棱柱23B，這些棱柱23B沿著第二縱向24B相互平行延伸，并且垂直于棱柱18B。薄板10D的相對的外向表面14C是平整的。一種諸如FluorinertTMElectronic Liquid(n≈1.27)的低折射系數(shù)介質(zhì)被留置于棱柱表面12D與14D之間的間隙11內(nèi)。在間隙11A中容置一種低折射系數(shù)介質(zhì)減小了進入內(nèi)向薄板10C的光線發(fā)生折射的范圍，從而保持內(nèi)向薄板10C具有一個高的有效折射系數(shù)。
棱柱18B優(yōu)選地是直角等腰棱柱。也就是說，各個棱柱18B的內(nèi)向面頂點對著90度角。各個棱柱18B的各個表面因此相對于一個沿著第三縱向26B延伸的向量傾斜45度，所述第三縱向26B垂直于第一縱向20B和第二縱向24B兩者。棱柱23B優(yōu)選地為60度等腰棱柱。也就是說，各個棱柱23B的內(nèi)向面頂點優(yōu)選地對著60度角。各個棱柱23B的各個表面因此相對于前述沿著第三縱向26B延伸的向量傾斜30度。正如前面所描述的那樣，所有棱柱均需足夠大，以具有相當高的光線質(zhì)量(即各個棱柱的底寬于10微米)，但是又要足夠小，以便肉眼基本上無法分辨(即各個棱柱的底僅250微米寬)。
一種諸如FluorinertTMElectronic Liquid(n≈1.27)的電泳介質(zhì)保持與內(nèi)向棱柱表面12C接觸，該電泳介質(zhì)中含有一種微細彌散的光散射和/或吸收微粒(在圖8A-8B中未示出)。如同前面參照圖4所描述的那樣，設置有電極(未示出)和一個電壓源(未示出)，以在電泳介質(zhì)內(nèi)可控地電泳移動該微粒，以選擇性地阻止電泳介質(zhì)與棱柱表面12C之間的界面處的TIR。
圖8A-8B中所示實施例也比圖2-4中所示實施例更為復雜，并且更易于受到內(nèi)部界面處的局部內(nèi)反射的影響。但是，類似于圖5A-5B中所示實施例，圖8A-8B中所示實施例的優(yōu)點在于，其可以由非復合的低折射系數(shù)聚合物材料(即n≈1.59)構(gòu)造而成，因為圖8A-8B中所示實施例相對于圖2-4中所示實施例具有一個更大的有效折射系數(shù)的增加?？紤]一條典型的光線的路徑可以明白這一點。入射光線62A穿過外向薄板10D的平整外向表面14C，在由一個棱柱23B的一個小平面形成的聚合物Fluorinert界面處發(fā)生TIR，并且作為光線64A基本上垂直于棱柱的相對成角度的小平面發(fā)生折射。因此，光線64A最低限定地在薄板10D與流體間隙11A之間的聚合物Fluorinert界面處發(fā)生折射，作為光線66A穿入間隙11A。光線66A具有一個沿著棱柱18B的縱向?qū)ΨQ方向20B的基本分量，從而如前所述那樣提高薄板10C的有效折射系數(shù)。
光線66A穿過流體間隙11A，以大約60度的角度遭遇到薄板10C的平整外向表面12D，并且作為光線68A進入薄板10C內(nèi)，同時發(fā)生某種程度的折射。需要注意的是，光線68A僅偏離方向20B 43度，而在圖2-4中所示實施例中的等效角度為60度，從而在這種情況下折射系數(shù)的增大效果更為明顯，這允許薄板10C和10D由一種折射系數(shù)低至1.6的(非復合)聚合物材料制成。也就是說，如果薄板10C相對于間隙11A中流體的折射系數(shù)比率為1.6，那么將會在內(nèi)向表面12C處的F1uorinert聚合物界面處發(fā)生TIR現(xiàn)象，1.6的折射系數(shù)比率明顯低于其它情況下所需的1.7的值，正如前面所描述的那樣。光線68A因此以一個角度在TIR界面處遭遇到一個內(nèi)向棱柱18B上的第一表面，正如在70A處所示出的那樣，所述角度超過了TIR界面的臨界角(對于一種折射系數(shù)為1.59的聚合物相對于折射系數(shù)為1.27的FluorinertTMElectronicLiquid FC-75來說，為53度)，并且如同在72A處所示出的那樣發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象。反射光線72A隨后遭遇到一個相鄰內(nèi)向棱柱18B上的與第一棱柱表面相對的第二表面，正如在74A處所示出的那樣，并且再次在第二棱柱表面處發(fā)生TIR，因為反射光線72A遭遇到第二棱柱表面的角度超過了TIR界面的53度臨界角。在如前所述那樣在回反射內(nèi)向棱柱表面12C處發(fā)生兩次TIR之后，回反射光線76A以大約43度的角遭遇到薄板10C的平整外向表面，并且作為光線78A進入流體間隙11A內(nèi)，同時發(fā)生某種程度的折射。光線78A因此基本上垂直于棱柱23B的左向小平面(正如在圖8A中所看到的那樣)。因此，光線78A基本上垂直地撞擊一個棱柱23B的一個小平面，并且因此最低程度地在間隙11A與薄板10D之間的Fluorinert聚合物界面處發(fā)生折射，作為光線80A進入到薄板10D內(nèi)。光線80A隨后在棱柱23B的相對成角度的小平面(即正如在圖8A中所看到的那樣，右側(cè)處)處發(fā)生TIR現(xiàn)象，在這里如同在82A處所示出的那樣進一步反射，并且隨后以大約90度角遭遇到薄板10C的平整外向表面，從而在沒有進一步折射的情況下作為光線84A從薄板10C中射出，并且其方向在幾乎180度相反于原始入射光線62A的方向的方向上，從而使得反射光線具有“亮潔”的顯示效果。
圖8A-8B中所示裝置類似于圖2-4和圖5A-5B中所示裝置，具有互補的光折射和光反射特性。外向薄板10D的平整外向表面14C、棱柱23B、流體間隙11A以及內(nèi)向薄板10C的平整外向表面12D共同構(gòu)成了顯示器上的“光折射”部分；并且，流體間隙11A與棱柱18B之間的TIR界面構(gòu)成了顯示器上的“光反射”部分。光折射部分對近乎垂直入射的光線進行折射，從而使得它們具有一個沿著顯示器反射部分的縱向?qū)ΨQ方向的基本分量。具體地說，表面14C、棱柱23B、流體間隙11A以及表面12D的共同作用是使得近乎垂直的入射光線朝向棱柱18B的縱向?qū)ΨQ方向偏轉(zhuǎn)，提高了薄板10C的有效折射系數(shù)，并且使得更易于在位置70A、74A處獲得TIR。在如前所述那樣發(fā)生兩次TIR之后，回反射光線76A再次被棱柱23B沿著棱柱18B的縱向?qū)ΨQ方向進行折射，精確地消除或者去除初始折射的影響，并且允許光線84A沿一個幾乎180度相反于原始入射光線62A的方向的方向射出。
圖8A-8B中所示實施例通過使用60度的棱柱23B獲得了高的光效率，其中，所有的光線均如前所述那樣發(fā)生了TIR，但卻不會遭遇到將會導致所述光線偏離前述最佳路徑的表面。另外一個優(yōu)點在于，與圖2-4和圖5A-5B所示實施例中的棱柱外向表面14或者14A相比，圖8A-8B所示實施例中的平整外向表面14C更易于維護。圖8A-8B中所示實施例的缺點在于，其需要兩個由較低折射系數(shù)材料制成的獨立薄板10C和10D，目前，所述材料僅能夠以液態(tài)形式提供。盡管如此，與圖2-4中所示實施例相比，圖8A-8B中所示實施例仍舊能夠利用較低折射系數(shù)材料在寬角度范圍內(nèi)獲得TIR。
圖9A-9D示了這樣一個事實，即用于實施本發(fā)明的圖像顯示器的光反射部分無需采用直角等腰棱柱，而是可以引入縱向?qū)ΨQ的其它形狀。這種顯示器的反射部分僅需要借助于TIR將大部分光線返回到顯示器的光折射部分即可，同時，這種TIR現(xiàn)象是可以控制的，比如，如前所述那樣利用電泳。為了便于比較，圖9A描繪了一個具有光反射部分的圖像顯示器，所述光反射部分如同前面參照圖8A-8B所描述的那樣結(jié)合有直角等腰棱柱88，并且示出了在一個棱柱88處兩次發(fā)生TIR的光線90。圖9B描繪了一個類似于圖8A-8B中所示的圖像顯示器，但是具有一個光反射部分，在該光反射部分中結(jié)合有取代直角等腰棱柱的梯形結(jié)構(gòu)92，并且示出了在一個結(jié)構(gòu)92處三次經(jīng)歷了TIR的光線94。圖9C描繪了一個類似于圖8A-8B中所示的圖像顯示器，但是具有一個光反射部分，在該光反射部分中結(jié)合有取代直角等腰棱柱的拋物線形結(jié)構(gòu)96，并且示出了在一個結(jié)構(gòu)96處兩次經(jīng)歷了TIR的光線98。圖9B所示顯示器中的梯形結(jié)構(gòu)92的缺點在于，初始遭遇到結(jié)構(gòu)92的水平平整最下方表面(正如在圖9B中所看到的那樣)的光線，會直接穿過其中，而不會發(fā)生反射以及由此而產(chǎn)生“損失”。圖9C所示顯示器中的拋物線形結(jié)構(gòu)96的優(yōu)點在于，某些兩次經(jīng)歷了TIR現(xiàn)象的光線，比如光線100，不會返回到垂直入射方向(如同光線98那樣)，而是返回到一個呈鏡反射(mirror reflection)特性的方向，這在不希望發(fā)生回反射現(xiàn)象的情況下是有益的。圖9D描繪了一個類似于圖8A-8B中所示的圖像顯示器，但是具有一個帶有外向60度的等腰棱柱102的光反射部分，所述外向60度的等腰棱柱將光線104折射到足夠的程度，以便在平整的內(nèi)向表面106處發(fā)生TIR。在這種TIR之后，外向棱柱102再次對光線進行折射，基本上沿著入射方向?qū)⑵浞祷?正如分別在圖9A、9B、9C中所示出的那樣，光線90、94和98的情形也這樣)。圖9D中所示實施例的優(yōu)點在于，內(nèi)向表面106和外向表面108均為平整的，這可簡化制造。但是，在圖9D的實施例中TIR僅發(fā)生一次，而不是兩次；因此，在圖9D所示的實施例中必須更為徹底地阻止TIR，以達到所需的對比度。因此本領域技術(shù)人員將明白，顯示器的光反射部分可以包括許多種不同的(甚至是隨機的)基本上縱向?qū)ΨQ的橫截面形狀，其優(yōu)點在于比如制造成本較低、外形更為美觀等等，但是，相對于直角等腰棱柱來說，也許會降低光效率。
正如本領域技術(shù)人員在前述內(nèi)容的啟示下將會明白的那樣，在不脫離本發(fā)明范圍的條件下可以替換和改進本發(fā)明的實施方式。例如，TIR的電泳受控阻止不是本發(fā)明的關(guān)鍵之處。取代電泳介質(zhì)28和微粒34，人們可以使用一種含有大量可移動組元的液體，并且通過向所述組元施加合適的電磁和/或機械力來控制這些組元移動到與光反射光學系統(tǒng)相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)，或者從隱失波區(qū)域內(nèi)移出。所述組元不必呈微粒狀，而可以具有任何常規(guī)形狀，比如細長的平板狀。所述組元不必“懸浮”在液體中，而可以以某種方式加以約束。
作為另一個示例，對于由出射光線51(圖3A，3B)代表的反射光線來說，有利的是僅具有半反射特性(semi-specular appearance)，以便顯示器表面顯得亮潔，并且不反射出觀看者或他/她的周圍物體的圖像。這可以通過改進所述表面，或者通過向用于制取薄板10的材料賦予一種略微漫射的性能來實現(xiàn)，比如，通過將兩個單側(cè)棱柱薄板粘結(jié)在一起。在這種情況下，漫射作用可以僅在一個薄板中產(chǎn)生?？蛇x擇地，如果粘結(jié)材料的折射系數(shù)略微有些不匹配，那么平整的內(nèi)側(cè)表面可以略微帶有紋理，或者粘結(jié)材料本身將具有輕微的漫射。
作為又一個示例，在某些情況下所希望的是對顯示器的光折射和/或光反射部分中的棱柱結(jié)構(gòu)進行改變，使得反射光線相對于垂直的觀看方向(即通常的優(yōu)選觀看方向)略微偏離。這是有用的，比如，假如用于觀看顯示器的光源位于觀看者頭部的上方。在這種情況下，所希望的是從光源方向接收光線，并且基本上朝向觀看者的眼睛反射所述光線。在前述情況下，入射方向與出射方向之間的反射角的約10度至20度的偏離可以是有利的。這可以通過適當?shù)馗淖兝庵慕嵌忍匦詠韺崿F(xiàn)。例如，在所有前述的實施例中，環(huán)繞一條平行于顯示器的光反射部分的縱向?qū)ΨQ方向的軸，顯示器的光折射部分中棱柱表面的小程度旋轉(zhuǎn)足以以所需方式折射該光線。
作為再一個示例，在圖8A-8B或者9A-9D所示實施例中保留于間隙11A內(nèi)的所述“低折射系數(shù)介質(zhì)”不必是一種“流體”或者一種“液體”。一種折射系數(shù)大約為1.27的固態(tài)透明材料也可以工作。具有較高折射系數(shù)的材料也可以工作，只要形成光折射和反射系統(tǒng)的相鄰材料的折射系數(shù)成比例地增大，使得折射系數(shù)的比率大于或者等于約1.25即可。本發(fā)明的范圍根據(jù)下述權(quán)利要求所限定的主旨來形成。
權(quán)利要求
1.一種具有一最佳觀看方向(26)的圖像顯示器(10)，所述圖像顯示器的特征在于(a)一個宏觀上基本平整的光折射部分，該光折射部分在一個基本上垂直于所述最佳觀看方向的第一方向(24)上縱向?qū)ΨQ；(b)一個宏觀上基本平整的光反射部分，該光反射部分在一個第二方向(20)上縱向?qū)ΨQ，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向并且基本上垂直于所述最佳觀看方向，所述光反射部分基本上平行于所述光折射部分；(c)一種與所述光反射部分接觸的液體(28)；(d)位于所述液體中的大量可移動組元(34)；(e)一個用于向所述組元施加電磁力的控制器(56)，以選擇性地使所述組元移動到一個與所述光反射部分相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)，從而阻止光線在所述光反射部分上的選定位置處的全內(nèi)反射；其中(i)所述光折射部分基本上不吸收光線，并且具有構(gòu)造面(22)，這些構(gòu)造面通過向沿著所述最佳觀看方向入射到所述顯示器上的光線(40)引入一個沿著所述第二方向的方向分量，來使得所述入射光線朝所述光反射部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)(42)；(ii)所述光反射部分基本上不吸收光線，并且具有構(gòu)造面(18)，這些構(gòu)造面(18)在除了所述選定位置之外的位置處將所述折射光線向所述光折射部分全內(nèi)反射(44，48)；并且(iii)所述光折射部分構(gòu)造面通過消除所述全內(nèi)反射光線的所述方向分量來折射(50)所述全內(nèi)反射光線，從而所述被折射的全內(nèi)反射光線在一個基本上平行于所述最佳觀看方向的方向上從所述圖像顯示器中射出(51)。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中(a)所述構(gòu)造面為棱柱表面；(b)所述光折射部分還包括一個外向薄板表面(14)，其具有相互平行延伸的大量第一棱柱(22)；并且(c)所述光反射部分還包括所述薄板的一個內(nèi)向表面(12)，其具有大量的第二棱柱(18)，這些第二棱柱相互平行地延伸、并且基本上垂直于所述大量的第一棱柱而延伸。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中(a)所述構(gòu)造面為棱柱表面；(b)所述光折射部分還包括(i)一個第一薄板(10B)，其具有一個外向表面(14A)并具有一個相對立的平整內(nèi)向表面(14B)，所述外向表面具有相互平行延伸的大量第一棱柱(23)；(ii)一個基本上平行于所述第一薄板的第二薄板(10A)的外向表面，所述第二薄板外向表面具有大量的第二棱柱(22A)，這些第二棱柱相互平行地延伸、并且平行于所述大量的第一棱柱而延伸；(iii)一個位于所述第一薄板與第二薄板之間的氣隙(11)；以及(c)所述光反射部分還包括所述第二薄板的內(nèi)向表面(12A)上的大量第三棱柱(18A)，所述大量第三棱柱相互平行地延伸、并且基本上垂直于所述大量的第一和第二棱柱而延伸。
4.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中(a)所述構(gòu)造面為棱柱表面；(b)所述光折射部分還包括(i)一個第一薄板(10D)，其具有一個平整的外向表面(14C)并具有一個相對立的內(nèi)向表面(14D)，該內(nèi)向表面具有相互平行地延伸的大量第一棱柱(23B)；(ii)一個基本上平行于所述第一薄板的第二薄板(10C)的平整外向表面(12D)；(iii)一個位于所述第一與第二薄板之間的間隙(11A)，其中容置有一種低折射系數(shù)介質(zhì)；以及(c)所述光反射部分還包括所述第二薄板的內(nèi)向表面(12C)上的大量的第二棱柱(18B)，所述大量第二棱柱相互平行地延伸、并且基本上垂直于所述大量的第一棱柱延伸。
5.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中(a)所述構(gòu)造面為棱柱表面；(b)所述光折射部分還包括一個第一薄板，該第一薄板具有一個平整的外向表面(108)并具有一個相對立的內(nèi)向表面，該內(nèi)向表面具有相互平行地延伸的大量第一棱柱(23B)；(c)所述光反射部分還包括一個第二薄板，其具有基本上平行于所述第一薄板的平整的內(nèi)向表面(106)、并具有一個相對立的外向表面，該外向表面具有大量的第二棱柱(102)，這些第二棱柱相互平行地延伸、并且基本上垂直于所述大量的第一棱柱而延伸；以及(d)所述光折射部分還包括所述第一與第二薄板之間的間隙(11A)，其中包含有一種低折射系數(shù)介質(zhì)。
6.如權(quán)利要求2所述的圖像顯示器，其中，所述薄板由一種折射系數(shù)大于約1.65的材料制成。
7.如權(quán)利要求2所述的圖像顯示器，其中，所述薄板由一種折射系數(shù)約為1.73的復合聚合物材料制成。
8.如權(quán)利要求3所述的圖像顯示器，其中，所述薄板由一種折射系數(shù)大于或者等于約1.6的材料制成。
9.如權(quán)利要求4所述的圖像顯示器，其中，所述薄板由一種折射系數(shù)大于或者等于約1.6的材料制成。
10.如權(quán)利要求5所述的圖像顯示器，其中，所述薄板由一種折射系數(shù)大于或者等于約1.6的材料制成。
11.如權(quán)利要求6所述的圖像顯示器，其中，所述液體是一種折射系數(shù)大約為1.27的電泳介質(zhì)。
12.如權(quán)利要求7所述的圖像顯示器，其中，所述液體是一種折射系數(shù)大約為1.27的電泳介質(zhì)，并且所述可移動組元是懸浮于所述電泳介質(zhì)內(nèi)的微粒。
13.如權(quán)利要求8所述的圖像顯示器，其中，所述液體是一種折射系數(shù)大約為1.27的電泳介質(zhì)，并且所述可移動組元是懸浮于所述電泳介質(zhì)內(nèi)的微粒。
14.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示器，其中，所述液體是一種折射系數(shù)大約為1.27的電泳介質(zhì)，并且所述可移動組元是懸浮于所述電泳介質(zhì)內(nèi)的微粒。
15.如權(quán)利要求10所述的圖像顯示器，其中，所述液體是一種折射系數(shù)大約為1.27的電泳介質(zhì)，并且所述可移動組元是懸浮于所述電泳介質(zhì)內(nèi)的微粒。
16.如權(quán)利要求6所述的圖像顯示器，其中，所述液體是FluorinertTMElectronic Liquid，并且所述可移動組元為懸浮于所述液體中的微粒。
17.如權(quán)利要求7所述的圖像顯示器，其中，所述液體是FluorinertTMElectronic Liquid，并且所述可移動組元為懸浮于所述液體中的微粒。
18.如權(quán)利要求8所述的圖像顯示器，其中，所述液體是FluorinertTMElectronic Liquid，并且所述可移動組元為懸浮于所述液體中的微粒。
19.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示器，其中，所述液體是FluorinertTMElectronic Liquid，并且所述可移動組元為懸浮于所述液體中的微粒。
20.如權(quán)利要求10所述的圖像顯示器，其中，所述液體是FluorinertTMElectronic Liquid，并且所述可移動組元為懸浮于所述液體中的微粒。
21.如權(quán)利要求2所述的圖像顯示器，其中，所述大量的第一棱柱為60度角的等腰棱柱，且所述大量的第二棱柱為直角等腰棱柱。
22.如權(quán)利要求3所述的圖像顯示器，其中，(a)所述大量的第一棱柱是頂點對應角度θ的等腰棱柱，所述角度作為所述第一薄板的折射系數(shù)的函數(shù)而變化；以及(b)所述大量的第二和第三棱柱為直角的等腰棱柱。
23.如權(quán)利要求4所述的圖像顯示器，其中，所述大量的第一棱柱為60度等腰棱柱，而所述大量的第二棱柱為直角等腰棱柱。
24.如權(quán)利要求5所述的圖像顯示器，其中，所述大量的第一和第二棱柱為60度等腰棱柱。
25.如權(quán)利要求4所述的圖像顯示器，其中，所述低折射系數(shù)介質(zhì)的折射系數(shù)大約為1.27。
26.如權(quán)利要求5所述的圖像顯示器，其中，所述低折射系數(shù)介質(zhì)的折射系數(shù)大約為1.27。
27.如權(quán)利要求4所述的圖像顯示器，其中，所述低折射系數(shù)介質(zhì)為FluorinertTMElectronic Liquid。
28.如權(quán)利要求5所述的圖像顯示器，其中，所述低折射系數(shù)介質(zhì)為FluorinertTMElectronic Liquid。
29.如權(quán)利要求6所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑小于或者等于約1微米的微粒。
30.如權(quán)利要求7所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑小于或者等于約1微米的微粒。
31.如權(quán)利要求8所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑小于或者等于約1微米的微粒。
32.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑小于或者等于約1微米的微粒。
33.如權(quán)利要求10所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑小于或者等于約1微米的微粒。
34.如權(quán)利要求6所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑大約為100納米的微粒。
35.如權(quán)利要求7所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑大約為100納米的微粒。
36.如權(quán)利要求8所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑大約為100納米的微粒。
37.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑大約為100納米的微粒。
38.如權(quán)利要求10所述的圖像顯示器，其中，所述可移動組元是顆粒直徑大約為100納米的微粒。
39.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中，所述構(gòu)造面為梯形表面。
40.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中，所述構(gòu)造面為拋物線形表面。
41.如權(quán)利要求1所述的圖像顯示器，其中，所述光折射部分的構(gòu)造面是繞平行于所述第二方向的軸旋轉(zhuǎn)的棱柱表面，以使所述折射光線相對于所述最佳觀看方向偏離約10度至20度。
42.一種顯示圖像的方法，用于在一個最佳觀看方向觀看所述圖像，所述方法的特征在于(a)通過對一個沿著所述最佳觀看方向入射的光線引入一個沿著一縱向?qū)ΨQ反射體的縱向?qū)ΨQ方向的方向分量，利用一個縱向?qū)ΨQ折射體將所述光線朝所述反射體折射；(b)在所述反射體上的選定位置處阻止所述折射光線的全內(nèi)反射；(c)在所述反射體上在除了所述選定位置之外的位置處，全內(nèi)反射所述折射光線；(d)通過利用所述折射體折射所述全內(nèi)反射光線來消除所述全內(nèi)反射光線的所述方向分量，使得所述折射后的全內(nèi)反射光線基本上平行于所述最佳觀看方向；其中(i)所述折射體的縱向?qū)ΨQ方向基本上垂直于所述反射體的所述縱向?qū)ΨQ方向；并且(ii)所述縱向?qū)ΨQ方向基本上相互垂直于所述最佳觀看方向。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中，所述的阻止全內(nèi)反射還包括，使大量的微粒電泳移動到一個隱失波區(qū)域內(nèi)，所述隱失波區(qū)域與所述反射體上的所述選定位置相鄰。
全文摘要
一種用于在最佳方向(26)上觀看圖像的顯示器。平行、宏觀平整、帶有構(gòu)造面的非光吸收光折射和反射部分在垂直于方向(26)的相互垂直的方向(24，20)上縱向?qū)ΨQ。一含組元(34)的液體(28)接觸該反射部分。一控制器(56)施加一電磁力來選擇性地將該組元移動到一個與該反射部分相鄰的隱失波區(qū)域內(nèi)，在反射部分上的選定位置處阻止TIR。該折射部分的構(gòu)造面通過對方向(26)上入射的光線(40)引入一個該反射部分的縱向?qū)ΨQ方向上的方向分量，將該光線朝該反射部分折射(42)。該反射部分的構(gòu)造面在TIR未被阻止的位置上將折射的光線向該折射部分全內(nèi)反射(44，48)。該折射部分的構(gòu)造面折射(50)TIR光線，消除了該方向分量，使得折射后的TIR光線基本上平行于方向(26)射出(51)。
文檔編號G02F1/17GK1454327SQ01813710
公開日2003年11月5日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者洛恩·A·懷特黑德 申請人:英屬可倫比亞大學