專利名稱：用于光提取和控制的光學微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及顯示器領(lǐng)域，尤其涉及通過與其表面進行選擇性可控接觸 的裝置從波導中提取光的任何顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明解決了在創(chuàng)建一種以受抑內(nèi)全反射(FTIR)概念而工作的光學顯示系 統(tǒng)或任何設(shè)備時出現(xiàn)的某些改進實施方式，其示例是美國專利5,319,491所揭 示的時間多路復用光學快門(TMOS)顯示器，該美國專利引用在此作為參考。 改進實施方式涉及到FTIR顯示器設(shè)計過程中的三種基本的光學材料。在顯示 器應(yīng)用中，有一些在體系結(jié)構(gòu)中定義好的、按設(shè)計會存在像素的位置。在像素 存在之處，當FTIR出現(xiàn)時(通過使像素可控地切換到"開"狀態(tài)以抑制TIR 條件)，期望來自光波導的光耦合很有效。在不存在像素之處(比如像素之間 不起作用的無源區(qū)域)，期望光耦合效率非常低。為了允許光在期望之時從像 素位置出來，將光學材料從FTIR時效率非常低的位置移動到FTIR時效率相對 更大的位置。在所有像素之間的位置，該材料在FTIR時總是效率很低。
目前解決這種情況的方法涉及到三種基本的材料(1)內(nèi)全反射(TIR) 光波導；(2)包層材料，其折射率比光波導材料要低；以及(3)光耦合材料， 它是有源層。當不期望有來自像素的光時(即局部保持TIR)，光耦合材料處 于恰當?shù)奈恢?，與包層(它可以是空氣)分開，使得很少或沒有光從波導中逃 逸，因為在該像素位置TIR的抑制是無效的。當期望有來自像素的光時(即沒 有局部保持TIR)，使光耦合材料朝著光波導移動(其中它可能接觸光波導， 有可能沒有接觸)，使得TIR條件被破壞，并且因該像素處的FTIR所產(chǎn)生的 物理幾何變化而向觀看者釋放出光。
在TMOS實現(xiàn)的中心，有一個像素，其中存在一個從下面的波導中提取光 的裝置，通常通過有利地施加力，使得外部結(jié)構(gòu)靠近或直接接觸下面的波導并
且提取光，直到相反的關(guān)閉動作被產(chǎn)生。關(guān)于耦合從下面的波導中出來的光， 已識別出用于增強該過程的實施方式。
特別是，為了使觀看者接收到的光達到最大，已識別出若干種改進模式。 第一種模式是更佳地捕獲當像素處于"開"模式中時光以及被反射回光波導 中而非按預(yù)期進入有源層的任何光。另一個改進模式是更佳地捕獲從有源層 頂面反射且返回到光波導從而橫跨包層在相反方向上前進而非按預(yù)期朝著觀 看者從有源層中出射的任何光。 一種用于更佳地將光波轉(zhuǎn)移到有源層中且接下 來朝著觀看者出射的裝置將是有利的。
另一種改進模式考慮到連續(xù)在有源層內(nèi)反射的光，其角度太小以至于無法 被釋放給觀看者。這些模式導致一些光無法到達觀看者。當光離開外表面時， 出現(xiàn)了稍稍不同的改進機會，但是角度太小以至于無法被觀看者很容易地看 到，盡管如果它被釋放出來，它可以更有益于觀看者。 一種用于使這些小角度 (緊靠表面)光波變向為更直接地朝著觀看者的裝置將是有益的。
針對這些類型的設(shè)備(包括TMOS)，另一個改進區(qū)域是更可控地打開且 接下來關(guān)閉顏色周期內(nèi)的任何給定像素，任何延遲都是可預(yù)測的且相對于一個 成分顏色的周期時間都是很短的。在這種時間幀內(nèi)可控地關(guān)閉像素這一方面， 先前的實施方式都呈現(xiàn)出不完美的結(jié)果。特別是，偶爾，在為打開而施加的力 已被除去之后，被打開的像素往往保持打開狀態(tài)，該行為被稱為靜態(tài)阻力 (stiction)。較為有利的是，更佳地控制當像素不應(yīng)該開時它們?nèi)匀皇情_的靜
態(tài)阻力。同樣有益的是，在較短的持續(xù)時間事件(它們不超過整個周期的持續(xù) 時間，但比周期內(nèi)預(yù)期的要長)中，若像素中的一種顏色成分沒有按預(yù)期關(guān)閉， 則該像素的接收到的顏色和/或亮度可以在某種程度上被扭曲，此處顏色是通過 脈沖寬度調(diào)制來定義的，靜態(tài)阻力使脈沖寬度產(chǎn)生非期望的增加，由此扭曲了
被轉(zhuǎn)換的顏色值。盡管并非所有FTIR體系結(jié)構(gòu)都遭遇靜態(tài)阻力這個問題，但 是遭遇該問題的FTIR體系結(jié)構(gòu)將從任何改進中獲益從而限制或消除其影響。
一個相關(guān)的改進領(lǐng)域涉及像素幾何結(jié)構(gòu)，此處包層與有源層相分離。當一 個像素被打開且接下來被再次關(guān)閉時，預(yù)計有非預(yù)期的"串擾"的風險，其中 相鄰像素中的有源層受到相鄰像素變到"開"或"關(guān)"狀態(tài)的影響，并且該材 料相對于下面的包層而移動，由此移動或產(chǎn)生相鄰像素的有源層中的張力變
化。 一種通過阻止包層和有源層之間的相對移動從而減小所述"串擾"風險的 裝置將是有益的。
發(fā)明內(nèi)容
通過在發(fā)生接觸(或靠近)的一個或兩個表面上引入微結(jié)構(gòu)，便可以在本 發(fā)明的一些實施方式中至少部分地解決上文概述的改進實施方式。范圍較寬的 微結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)都是可預(yù)計到的。
這些微結(jié)構(gòu)可以包括半隨機分布的峰和谷，由"粗糙度"的變化程度來刻 畫?；蛘?，在一側(cè)或兩側(cè)之上，可以使用更受控的、選定尺寸和密度的峰和谷 的分布。在更精確受控的條件下，可以使用特定的幾何結(jié)構(gòu)，它們具有緊密指 定的尺寸和分布。
本發(fā)明通過在有源層的一個或兩個表面上引入光學微結(jié)構(gòu)來增強光提取 過程。因為有源層具有輸入和輸出功能，所以用于增強這兩者的裝置是預(yù)想得 到的。到有源層的輸入功能出現(xiàn)在內(nèi)表面上，所以這就是本發(fā)明的實施方式添 加收集器-耦合器之處，收集器-耦合器是一種用于促進光從波導遷移到有源層 中的裝置。不透明的材料可以填隙地被設(shè)置在多個收集器-耦合器之間以提高對 比度。這種不透明的材料可以是導電的，它轉(zhuǎn)而可用于啟動該像素。輸出功能 出現(xiàn)在外表面上，所以在該位置處本發(fā)明的實施方式添加了準直器，準直器是 一種用于增大從有源層中釋放出光波的幾率且還用于通過使光波變向從而使
更多的光到達觀看者進而增大視在強度(apparentintensity)的裝置。通過有利 地選擇材料和幾何結(jié)構(gòu)，像靜態(tài)阻力和像素-像素串擾等問題都得到緩和。
上文概述了本發(fā)明的一個或多個實施方式的特點和技術(shù)優(yōu)點，以便更好地 理解下面關(guān)于本發(fā)明的詳細描述。在下文中將描述本發(fā)明的附加特點和優(yōu)點， 它們將構(gòu)成本發(fā)明的權(quán)利要求書的主題。
當結(jié)合附圖考慮下面的詳細描述時，便可以對本發(fā)明有更佳的理解，其中 圖1示出了本發(fā)明的若干實施方式將要使用的TMOS顯示器的外觀圖，這 是觀看者所看到的樣子；
圖2示出了在TMOS顯示器中"關(guān)"和"開"兩種狀態(tài)下內(nèi)部像素幾何結(jié) 構(gòu)的側(cè)視圖3示出了在TMOS顯示器中兩個相鄰像素的側(cè)視圖， 一個處于"關(guān)"狀 態(tài)，另一個處于"開"狀態(tài)；
圖4示出了 TMOS顯示器中一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖5示出了 TMOS顯示器中一個處于"開"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖， 同時顯示出增強的光波行為；
圖6示出了一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，同時顯示出本 發(fā)明的有益特征；
圖7示出了一個處于"開"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，同時顯示出本 發(fā)明的有益特征以及相應(yīng)的有益行為；
圖8示出了一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，同時顯示出本 發(fā)明的附加雙模式收集器-耦合器有益特征；
圖9示出了一個處于接近"開"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，同時顯示 出本發(fā)明的附加彎曲偏置彈簧狀收集器-耦合器有益特征；
圖IO示出了圖9所示彎曲偏置收集器-耦合器特征的一個單獨示例的側(cè)視 圖，此處處于完全"開"狀態(tài)中且壓縮最大；
圖11示出了一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，具有如圖8 所示的附加雙模式收集器-耦合器有益特征，此處更長的特征的第二類型充當一 種分布式間隙(standoff)，并且一層"彈性"高柔順性材料緊挨在這些表面特 征的下方；
圖12示出了一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素的側(cè)視圖，具有如圖8 所示的附加有益特征，此處間隙特征的類型被顯示成具有高柔順性支撐材料， 它允許這些間隙被充分地壓縮以便平的支撐材料與光波導進行很寬的直接接 觸；以及
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式進行配置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
圖14示出了一個隔離的微透鏡的側(cè)視圖(左)，它被用作處于"關(guān)"狀
態(tài)中的像素的有源層的內(nèi)表面上的收集器-耦合器；還示出了在像素處于"開"
狀態(tài)中時同一微透鏡的側(cè)視圖(右)；
圖15示出了一個隔離的像素的一部分的側(cè)視圖，其中不透明的材料圍繞 著收集器-耦合器特征，該不透明的材料可以是導電的，該像素的"開"和"關(guān)" 狀態(tài)均得到顯示；以及
圖16示出了用于復合微透鏡的若干種幾何形狀。
具體實施例方式
在下面的描述中，闡明了大量的細節(jié)從而對本發(fā)明作透徹的理解。然而， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，本發(fā)明可以在沒有這些細節(jié)的情況下得到 實施。在其它情況下，詳細的物理特征都被理想化以便不以不必要的細節(jié)遮蓋 了本發(fā)明。對于大部分內(nèi)容，定時方面的細節(jié)等都被省略，因為這種細節(jié)對于 完全理解本發(fā)明不是必需的并且處于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員的技能之內(nèi)。
圖2和3簡要地示出了 TMOS的一般概念，就像美國專利5,319,491最初 表達的那樣。在圖2中，示出了一個像素101的側(cè)視圖200，首先處于"關(guān)" 位置211，其次處于"開"位置212。相對于有源層202，顯示了內(nèi)部光波導 201以及其中所含的光波204，"關(guān)"包層203處于這兩者之間的空間中。如 上所述，"關(guān)"211代表TIR和沒有光發(fā)射，"開"212代表FTIR且從有源層 202中釋放出光波206。有源層202的位置朝著光波導201進行機械變化，導 致包層厚度減小到"開"包層213。
圖3示出了兩個相鄰像素的簡化側(cè)視圖300，它更清晰地對比了 "關(guān)"311 幾何結(jié)構(gòu)以及"開"312幾何結(jié)構(gòu)。值得注意的是，此處顯示出"開"包層313 的特殊情況(對應(yīng)于圖2中的213)，此處發(fā)生了接觸且由此包層厚度313是 零。在這種直接接觸的情況下，附加的耦合模式變得可用，由此可以增強光耦 合從而超越鄰近的情況。
圖1示出了 TMOS顯示器100，它被配置成用下文根據(jù)本發(fā)明各實施方式 描述的像素101進行操作。從觀看者的視點，顯示了顯示器100的頂部或平面 圖。為了簡化，僅以矩陣形式顯示出選定數(shù)量的像素101。根據(jù)本發(fā)明的原理， 可以實現(xiàn)任何數(shù)量的像素101。
圖4-7示出了一個像素101的更詳細的側(cè)面圖，以進一步示出本發(fā)明的各 實施方式。圖4示出了像素101的隔離視圖400，就像圖3 "關(guān)"311那樣處于
"關(guān)"幾何結(jié)構(gòu)中，標識了光耦合層404 (相似于圖2的202)的兩個特定的 表面，其一是面對著光波導403 (相似于圖2的201)的內(nèi)表面401，其二是面 對著觀看者(未示出)的外表面402。
在圖5中，像素101的詳細視圖500被顯示成處于"開"位置。關(guān)于使穿 過有源層506 (對應(yīng)于圖4中的404)的光的量和方向達到最佳，示出了三種 機會，每一種機會可以單獨地或組合地改善條件，使得觀看者可以更充分地受 益于可用的光。第一種增強機會出現(xiàn)在有源層506和光波導505 (對應(yīng)于圖4 的403)之間的界面處，其中盡管該幾何結(jié)構(gòu)處于"開"位置，但是光波導中 的光501仍然被從內(nèi)表面507 (對應(yīng)于圖4的401)反射回光波導中，而非按 預(yù)期進入有源層506。第二種增強機會是相似的，光波502被反射回光波導505 中，但是在這種情況下，外表面508 (對應(yīng)于圖4的402)是非有益反射發(fā)生 之處，并且光波502被顯示成重新進入光波導505 (即504)。第三種增強機 會出現(xiàn)在光波已進入有源層中但角度太小并由此在有源層506之內(nèi)連續(xù)反射而 沒有有益地出射之時。
圖6示出了本發(fā)明的各實施方式，其中詳細的模型400具有一些在視圖600 中添加的新特征。收集器-耦合器特征601被添加到內(nèi)表面603 (對應(yīng)于圖4的 401)。收集器-耦合器特征與接近光波導附近和"開"有源層界面的光波相互 作用，由此增大了光波從光波導中出射且進入有源層的幾率，從而有源層的外 表面604 (對應(yīng)于圖4中的402)可利用這些光波釋放給觀看者。通過本發(fā)明 的另一個實施方式，可以進一步增強這種釋放給觀看者的光波。更具體地講， 在外表面604上，可以添加準直器特征602。所述準直器特征602的目的是以 兩種方式產(chǎn)生益處。第一種方式是當光波接近有源層的外表面604和準直器 特征602之間的界面的附近時，與光波交互作用。通過這種交互作用，光波從 外表面604出射并進入準直器特征602的幾率得以增大，由此可被引導至觀看 者的光波的量得以增大。準直器特征602的第二種益處涉及一旦光波已進入準 直器特征602時的引導過程。所述結(jié)構(gòu)602的光學特性被有利地選定，以便使 本來可能以小角度(幾乎平行于表面604)離開表面604的光波變向，使它們 幾乎在觀看者的方向上(即幾乎垂直于表面604)離開準直器特征的外表面。
在有源層上制造本文所揭示的收集器-耦合器601、準直器特征602以及其
它相似特征的一個實施方式包括利用巻到巻處理機器處理未調(diào)節(jié)的有源層，
該機器可從Nanoventions公司(地址1050 Northfield Court, Suite 280， Roswell， Georgia, 30076)買到。通過使用Nanoventions巻到巻處理(這能夠在薄膜聚合 物基板上進行丙烯酸酯納米特征的高速化學光刻)，結(jié)構(gòu)601和602可以被制 造在原始的有源層聚合物板上，它們產(chǎn)生與光學輸出和機械完整性有關(guān)的期望 的性能。利用連續(xù)沉積和單片集成，這些結(jié)構(gòu)也可以通過巻到巻部署而形成， 就像Iowa Thin Films公司所實現(xiàn)的那樣，對于3M、 DuPont和GE Plastics這樣 的工業(yè)巨頭而言，針對大量板狀聚合物制造的相似策略已享受了多年的成功。 結(jié)構(gòu)601和602也可以通過負模具拓樸而形成，這些拓樸被蝕刻到金屬圓柱體 中，該金屬圓柱體被設(shè)計成將期望的幾何結(jié)構(gòu)印入適合交互作用的聚合物(比 如，粘彈性行為足夠低的熱塑性塑料)。
圖7示出了模型600現(xiàn)在處于"開"模式700中。在第一示出的實施方式 中，收集器-耦合器特征707 (對應(yīng)于圖6的601)提高了光波耦合到有源層704 且被發(fā)送給觀看者的幾率。通過有利地選擇這些幾何結(jié)構(gòu)，便實現(xiàn)了增強的耦 合的機構(gòu)，包括但不限于通過相互加強電磁行為的交互作用和光學放大的天 線效應(yīng)；期望的波長處的耳語廊模式諧振和加強；互補表面等離振子效應(yīng)以及 相關(guān)的與先前諧振的加強交互作用；以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的有益機構(gòu)。這 些次要的效應(yīng)是因幾何結(jié)構(gòu)-激活的放大而導致的，并非不像通過仔細設(shè)計天線 而獲得的放大效應(yīng)，不同之處在于波長范圍是可見光的波長范圍。在表面等離 振子諧振的情況下，在該表面上穿行的電磁場以相似的方式經(jīng)受因偽天線類似 效應(yīng)而導致的放大，偽天線類似效應(yīng)源自經(jīng)適當優(yōu)化的策略選擇系統(tǒng)幾何結(jié) 構(gòu)。
所述收集器-耦合器特征的示例是圖14所示的復合微透鏡1400。設(shè)計微透 鏡1400的形狀，使得耦合到孔徑1406的光在接觸到有源層1402的內(nèi)表面之 前，將在足以使光在微透鏡1400之內(nèi)發(fā)生內(nèi)全反射的條件下接觸側(cè)面1401。 然后，該光將以一個足以穿過有源層604的外表面并從顯示器出射的角度被反 射。
圖16示出了復合微透鏡1400的若干種典型形狀。微透鏡1400可以具有 非成像光學器件領(lǐng)域已知的任何期望的形狀，比如金字塔形平截頭臺1601、圓
錐形平截頭臺1602、復合拋物體1603、復合橢圓體、旋轉(zhuǎn)形成實心體的多對 象(polyobject)或任何圓錐截面體。微透鏡末端面對著光波導表面1403那部 分是平的，從而賦予微透鏡平截頭臺的形狀。這種平的表面區(qū)域是孔徑1406， 光透過孔徑1406從光波導1408中耦合出來并且進入微透鏡1400。微透鏡1400 的上部直徑1405、孔徑直徑1406以及微透鏡1400的高度1411之間的關(guān)系由 光波導1408的折射率和構(gòu)成微透鏡1400的材料的折射率來決定。光波導1408 的折射率決定了光波導1408內(nèi)TIR光的臨界角(即可獲得的TIR光的角度范 圍)。當光從光波導1408耦合到微透鏡1400中時，它將根據(jù)微透鏡材料的折 射率而改變角度。構(gòu)造微透鏡1401的側(cè)面的角度，使得從光波導1408中耦合 的光相對于微透鏡1400的側(cè)面1401仍然TIR。確定微透鏡1400的高度1411， 使得所有或幾乎所有耦合到微透鏡1400中的光在到達上表面1405之前先到達 微透鏡1400的側(cè)面1401。例如，折射率為1.52的光波導1408以及折射率為 1.6的微透鏡1400將要求孔徑1406的直徑大約是微透鏡上部直徑1405的一半。 在本示例中，微透鏡1400的高度1411大約是上部直徑1405的60%。在本示 例中，微透鏡1400將使耦合到它之中的光1410中超過96%的光變向從而越過 有源層1402的內(nèi)表面并且從有源層的頂面出來(到達觀看者)。
在外表面702 (對應(yīng)于圖6的604)處添加準直器特征703 (對應(yīng)于圖6的 602)，也可以實現(xiàn)益處。該益處解決了先前討論的增強機會502。通過有利地 選擇準直器特征703，不期望出現(xiàn)的回到光波導706中的反射705 (對應(yīng)于圖5 的502)的幾率得以減小，更多的光穿過表面702。
在添加準直器特征703時可以實現(xiàn)一種益處，選擇這些特征從而使所釋放 的光波701有利地變向成更令人期望的發(fā)射角，所以它更可能為觀看者獲得。 以接近平行于表面702的角度釋放的光波被有利地變向成更垂直于所述表面 702，由此對于觀看者而言更明顯。應(yīng)該注意到，這種改進是除了上述內(nèi)部示 例以外的。
圖14中的微透鏡1400也可以充當準直器?？梢砸砸环N非成像光學器件領(lǐng) 域己知的方式來設(shè)計微透鏡的形狀，使得光以期望的角度從有源層中出射，并 且沒有以幾乎平行于有源層604 (圖6)的外表面的角度出射。
圖8示出了 "關(guān)"側(cè)視圖600的放大圖800，其中包括收集器-耦合器有益
特征802 (對應(yīng)于圖6的601)以及附加的一組特征801。通過添加第二類型的 收集器_耦合器特征801從而產(chǎn)生雙模式類型，便獲得了附加的益處，它解決了 背景技術(shù)中所提到的靜態(tài)阻力問題。該簡化圖示顯示出該附加類型801的特征， 即它比總類型中其它模式802要長。當該表面801接觸光波導806時，較長的 類型801將首先接觸并且接下來當表面803、 807彼此靠得更近時則被壓縮， 直到第一類型也靠得很近或直接接觸。當使用"關(guān)"機構(gòu)并且表面803、 807 打算分開時，壓縮的第二類型801充當壓縮彈簧，從而產(chǎn)生短而強的力以幫助 啟動分離移動。在靜態(tài)阻力處于其最糟之時的那個位置，所述分離力最強。當 然，為了簡化圖示，描述了兩種類型，但是這不應(yīng)該被視為限制本發(fā)明，本發(fā) 明還預(yù)想到多種不同的類型、兩種或多于兩種的模式，它們具有一系列高度從 而有利地實現(xiàn)與克服靜態(tài)阻力有關(guān)的所述益處并且還改善了光耦合。
圖9是像素101的實施方式的側(cè)視圖的放大圖900，幾乎處于700中所示 的"開"位置，但被顯示成剛好處于接觸之前的位置從而更清晰地示出了幾何 結(jié)構(gòu)的細節(jié)，盡管應(yīng)該理解它們被簡化是為了幫助示出本發(fā)明的實施方式。有 角的特征901在光學行為方面相似于收集器-耦合器特征601，并且相應(yīng)地得到 相似的益處，但是該附加細節(jié)產(chǎn)生了益處。當有角的特征901接觸光波導902 時，它們發(fā)生彈性形變以便產(chǎn)生像壓縮彈簧那樣的勢能(參照圖10)。當"開" 周期結(jié)束且"關(guān)"模式啟動時，這些特征901可以有利地以初始分離力為形式 來釋放該勢能，這相似于上述特征801，這可以有益地增大可用于克服靜態(tài)阻 力的力。
圖10示出了圖9所示彎曲偏置收集器-耦合器特征901的一個單獨示例 1000的側(cè)視圖，此處處于完全"開"狀態(tài)中且壓縮程度最大1001。該圖示是 簡化和夸大的以更清晰地顯示出本發(fā)明的實施方式。應(yīng)該理解，所示壓縮本質(zhì) 是彈性的，因此，將提供一個分離方向上的力，由此有益地增大可用于克服靜 態(tài)阻力問題的總的力。
圖11示出了一個處于"關(guān)"狀態(tài)中的隔離的像素101的實施方式的側(cè)視 圖1100，它具有圖8所示的本發(fā)明的附加雙模式收集器-耦合器特征，此處第 二類型的較長的特征1107 (對應(yīng)于圖8的801)充當一種分布式間隔，具有分 布式接觸點1102以及一層"彈性"高柔順性材料1101，該層材料1101緊靠在
表面特征1106 (對應(yīng)于圖8的802)和1107的下方。若干種機構(gòu)被預(yù)想到用 于克服靜態(tài)阻力，包括但不限于有源層自身1104可以具有一些柔順性，該 柔順性能在"開"壓縮之后提供恢復力；同樣，較長的間隔特征1107旨在處 于"開"時被彈性壓縮并且也提供恢復力以克服靜態(tài)阻力；并且選擇高柔順性 層1101以提供柔順性以及恢復力以克服靜態(tài)阻力。
圖12示出了一個隔離的像素101的側(cè)視圖1200，處于"關(guān)"狀態(tài)中，具 有圖8所示的本發(fā)明的附加有益特征；此處顯示出間隔特征1201的類型情況， 具有高柔順性支撐材料1205 (相似于1101)，它允許間隔1201被充分壓縮以 便使平的支撐材料1205寬范圍地直接接觸光波導102。所述高柔順性材料1205 和壓縮間隔1202可以提供恢復力以克服"開"切換成"關(guān)"時的靜態(tài)阻力。
應(yīng)該理解，不僅簡化地顯示出上述幾何結(jié)構(gòu)以示出上述概念，還有可能將 不同的有益實施方式組合起來。例如，多模式類型(就像圖8的801那樣)也 可以包括有角的或其它有利選擇的幾何結(jié)構(gòu)，在不長的類型之內(nèi)它們產(chǎn)生像彈 簧那樣的分離力，以便通過多種方式克服靜態(tài)阻力。
圖15示出了本發(fā)明的附加實施方式。因為用收集器-耦合器特征1503將光 從光波導中耦合出去，所以不透明的材料1504可以被設(shè)置在收集器-耦合器特 征1503之間。不透明的材料1504防止光在不期望的位置進入有源層，從而提 高了顯示器的總的對比度并且減小了像素串擾。不透明的材料1504可以基本 上填滿每一個像素的收集器-耦合器特征1503之間的空隙區(qū)域，或者它可以包 括與這些特征及其之間的空隙空間相符的涂層。每一個收集器-耦合器1503的 孔徑1508 (對應(yīng)于圖14的1406)仍然是未涂敷的，使得光可以被耦合到收集 器-耦合器1503之中。根據(jù)顯示器的預(yù)期使用情況，不透明的材料1504可以是 特定顏色(即黑色)的或反射性的。
對于靜電激活的像素(比如美國專利5,319,491所揭示的那些像素)，不 透明的材料1504 (它是導電的)的沉積充當并聯(lián)平行板電容器的一個板。 一層 透明導電體1505 (比如氧化銦錫(ITO))被設(shè)置在光波導上，從而形成電容 器的其它板。通過在這些導體上設(shè)置電壓差，靜電吸引力將柔性有源層1501 朝著光波導1502拉動，由此將像素置于"開"狀態(tài)中。 一層電介質(zhì)1506可以 被置于透明導體1505的頂部之上以防止這兩個導體層之間的短路。以這種方
式沉積導體，就不再需要在有源層上沉積一層透明導體(在觀看者的光路之 內(nèi))。這提高了顯示器效率，同時相對于不透明導體而言減小了與透明導體相 關(guān)的成本。
圖13描繪了用于實現(xiàn)本發(fā)明的代表性硬件，它示出了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)
處理系統(tǒng)1313的典型硬件配置，其中包括中央處理單元(CPU) 1310，比如常 規(guī)的微處理器；以及大量通過系統(tǒng)總線1312互連的其它單元。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 1313包括隨機存取存儲器(RAM) 1314;只讀存儲器(ROM) 1316;輸入/輸出 (1/0)適配器1318，用于將外圍設(shè)備(比如盤片單元1320和磁帶驅(qū)動器1340) 連接到總線1312;用戶接口適配器1322，用于將鍵盤1324、鼠標1326和/或 其它用戶接口設(shè)備(比如觸摸屏設(shè)備(未示出))連接到總線；通信適配器1334， 用于將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1313連接到數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)；以及顯示器適配器1336，用 于將總線1312連接到顯示器1338。CPU 1310可以包括此處未示出的其它電路， 其中包括在微處理器之內(nèi)通常能發(fā)現(xiàn)的電路，比如執(zhí)行單元、總線接口單元、 運算邏輯單元等。CPU 1310也可以位于一個單獨的集成電路上。
顯示設(shè)備1338可以包括顯示器100和各種實施方式中的任一個、或能夠 利用本發(fā)明各實施方式的任何其它顯示技術(shù)。顯示器適配器1336之內(nèi)的控制 電路在此并未被揭示，其目的是為了簡化。
權(quán)利要求
1.一種像素，包括光波導；有源層；以及在所述有源層的內(nèi)表面上的第一組收集器-耦合器特征，其中所述第一組收集器-耦合器特征被配置成與接近光波導附近的光波交互作用，以便增大光波從所述光波導出射并進入所述有源層的幾率。
2. 如權(quán)利要求1所述的像素，還包括位于所述有源層的內(nèi)表面上且與所述第一組收集器-耦合器特征交替散置在一 起的第二組收集器-耦合器特征，其中所述第二組收集器-耦合器特征中的每一個特 征都比所述第一組收集器-耦合器特征中的每一個特征要長。
3. 如權(quán)利要求2所述的像素，其特征在于，當所述第二組收集器-耦合器特征 中的一個特征的表面接觸到所述光波導時，所述第二組收集器-耦合器特征中的所 述特征的所述表面被壓縮。
4. 如權(quán)利要求2所述的像素，還包括位于所述第一組收集器-耦合器特征下方的高柔順性材料層，其中所述高柔順 性材料層提供恢復力以克服所述第一組收集器-耦合器特征和所述光波導之間的靜 態(tài)阻力。
5. 如權(quán)利要求1所述的像素，其特征在于，所述第一組收集器-耦合器特征是 有斜角的。
6. 如權(quán)利要求5所述的像素，其特征在于，當所述第一組收集器-耦合器特征 接觸到所述光波導時，所述第一組收集器-耦合器特征以一種產(chǎn)生勢能的方式發(fā)生 彈性形變。
7. 如權(quán)利要求6所述的像素，其特征在于，在"開"狀態(tài)完成之后進入"關(guān)" 狀態(tài)時，所述第一組收集器-耦合器特征釋放所述勢能。
8. 如權(quán)利要求1所述的像素，還包括位于所述有源層的外表面上的準直器特征，其中所述準直器特征被配置成與 接近所述有源層的外表面和所述準直器特征之間的界面附近的光波交互作用，以便 增大光波從所述有源層的外表面出射并進入所述準直器特征的幾率。
9. 如權(quán)利要求8所述的像素，其特征在于，選擇所述準直器特征的光學性質(zhì)， 以便使原本會離開所述有源層的外表面的光波變向，從而更接近地在垂直于所述外 表面的方向上離開所述準直器特征的外表面。
10. 如權(quán)利要求1所述的像素，其特征在于，選擇所述第一組收集器-耦合器 特征中的每一個收集器-耦合器的光學性質(zhì)，使得從光波導進入收集器-耦合器的光 將會在足以使光在收集器-耦合器內(nèi)發(fā)生內(nèi)全反射的條件下接觸收集器-耦合器的 側(cè)面邊界，然后所述光才接觸收集器-耦合器和有源層之間的邊界。
11. 如權(quán)利要求l所述的像素，其特征在于， 一種材料被填隙地設(shè)置在所述第 一組收集器-耦合器特征中的各個收集器-耦合器特征之間，并且所述材料是顏色吸 收或反射的。
12. 如權(quán)利要求ll所述的像素，其特征在于，所述材料包括導電體。
13. —種顯示系統(tǒng)，包括位于顯示器上的多個像素，其中所述多個像素中的每一個像素包括光波導；有源層；以及在所述有源層的內(nèi)表面上的第一組收集器-耦合器特征，其中所述第一組收集器-耦合器特征被配置成與接近光波導附近的光波交互作用，以便增大光波從所述 光波導出射并進入所述有源層的幾率。
14. 如權(quán)利要求13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述多個像素中的每一個 像素包括位于所述有源層的內(nèi)表面上且與所述第一組收集器-耦合器特征交替散置在一 起的第二組收集器-耦合器特征，其中所述第二組收集器-耦合器特征中的每一個特 征都比所述第一組收集器-耦合器特征中的每一個特征要長。
15. 如權(quán)利要求14所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，當所述第二組收集器-耦合 器特征中的一個特征的表面接觸到所述光波導時，所述第二組收集器-耦合器特征 中的所述特征的所述表面被壓縮。
16. 如權(quán)利要求14所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述多個像素中的每一個像素包括位于所述第一和所述第二組收集器-耦合器特征下方的高柔順性材料層，其中 所述柔順性材料層提供恢復力以克服靜態(tài)阻力。
17. 如權(quán)利要求13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述第一組收集器-耦合器 特征在其末端是有斜角的。
18. 如權(quán)利要求17所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，當所述第一組收集器-耦合 器特征接觸到所述光波導時，所述第一組收集器-耦合器特征以一種產(chǎn)生勢能的方 式發(fā)生彈性形變。
19. 如權(quán)利要求18所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，在"開"狀態(tài)完成之后進 入"關(guān)"狀態(tài)時，所述第一組收集器-耦合器特征釋放所述勢能。
20. 如權(quán)利要求13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述多個像素中的每一個 像素包括位于所述有源層的外表面上的準直器特征，其中所述準直器特征被配置成與 接近所述有源層的外表面和所述準直器特征之間的界面附近的光波交互作用，以便 增大光波從所述有源層的外表面出射并進入所述準直器特征的幾率。
21. 如權(quán)利要求13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，選擇所述第一組收集器-耦合器特征中的每一個收集器-耦合器的光學性質(zhì)，使得從光波導進入收集器-耦合 器的光將會在足以使光在收集器-耦合器內(nèi)發(fā)生內(nèi)全反射的條件下接觸收集器-耦 合器的側(cè)面邊界，然后所述光才接觸收集器-耦合器和有源層之間的邊界。
22. 如權(quán)利要求21所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于， 一種材料被填隙地設(shè)置在 所述第一組收集器-耦合器特征中的各個收集器-耦合器特征之間，并且所述材料是 顏色吸收或反射的。
23. 如權(quán)利要求22所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述不透明材料包括導電體。
24. —種像素，包括 光波導；有源層；以及在所述有源層的外表面上的準直器特征，其中所述準直器特征被配置成與接 近所述有源層的外表面和所述準直器特征之間的界面附近的光波交互作用，以便增 大光波從所述有源層的外表面出射并進入所述準直器特征的幾率。
25. 如權(quán)利要求24所述的像素，其特征在于，選擇所述準直器特征的光學性 質(zhì)，以便使原本會離開所述有源層的外表面的光波變向，從而更接近地在垂直于所 述外表面的方向上離開所述準直器特征的外表面。
26. —種顯示系統(tǒng)，包括 位于顯示器上的多個像素，其中所述多個像素中的每一個像素包括-光波導；有源層；以及在所述有源層的外表面上的準直器特征，其中所述準直器特征被配置成與接 近所述有源層的外表面和所述準直器特征之間的界面附近的光波交互作用，以便增 大光波從所述有源層的外表面出射并進入所述準直器特征的幾率。
全文摘要
微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了光學顯示系統(tǒng)的觀看者可獲得的光量，以及一顯示器(100)的工作原理是移動一個表面使其直接接觸或緊靠光波導(201，403，505，706，806，902，1201，1408，1502)，通過受抑全內(nèi)反射來提取光。光學微結(jié)構(gòu)被引入到有源層(202，404，506，604，704，1501)的一個或兩個表面上以增強其性能。
文檔編號G02B6/35GK101371177SQ200780002864
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者C·金, D·K·范奧斯特蘭德, G·高伯利 申請人:單方圖素顯示股份有限公司