用于使用散射纳米颗粒的透明显示器的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于使用散射纳米颗粒的透明显示器的方法和设备
[0001] 相关申请案的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C. §119(e)要求于2013年1月2日提交的且标题为"用于 使用散射颗粒的透明显示器的方法和设备"的美国申请号61/748, 228(代理人案卷号 MIT15813P01)的利益，该申请其全文特此以引用的方式并入。
[0003] 本申请还根据35U.S.C. § 119(e)要求于2013年1月2日提交的且标题为"用于 使用上转换颗粒的透明显示器的方法和设备"的美国申请号61/748, 259(代理人案卷号 MIT16097P01)的利益，该申请其全文特此以引用的方式并入。
[0004] 本申请还根据35U.S.C. § 119(e)要求于2013年8月15日提交的且标题为"用 于使用上转换颗粒的透明显示器的方法和设备"的美国申请号61/866, 468 (代理人案卷号 MIT16097P02)的利益，该申请其全文特此以引用的方式并入。
[0005] 本申请还要求于2013年10月30日提交的美国申请号14/067,471的优先权，并 根据35U.S.C. § 119(e)要求以下申请的利益于2013年1月2日提交的且标题为"用于使 用散射颗粒的透明显示器的方法和设备"的美国临时申请号61/748, 228(代理人案卷号 MIT15813P01);于2013年1月2日提交的且标题为"用于使用上转换颗粒的透明显示器的 方法和设备"的美国临时申请号61/748, 259 (代理人案卷号MIT16097P01);以及于2013年 8月15日提交的且标题为"用于使用上转换颗粒的透明显示器的方法和设备"的美国临时 申请号61/866, 468 (代理人案卷号MIT16097P02);这些申请中的每个其全文特此以引用的 方式并入。
[0006] 政府支持
[0007] 根据由国家科学基金会授出的批准号DMR0819762与陆军研究办公室授出的合同 号W911NF-07-D-0004 以及由能源部授出的批准号DE-SC0001299 和DE-FG02-09ER46577，以 政府支持做出本发明。政府对本发明具有一定的权利。
[0008] 背景
[0009] 透明显示器长期受科学家和工程师欢迎。二维（2D)透明显示器可以创建呈现为 漂浮在空气中的图像，与其中图像呈现在可视屏幕上的传统显示器相反。除了创建特殊的 视觉印象，此类显示器可以具有广泛的应用。玻璃窗可以转变成家庭影院屏幕。眼镜可以 成为小型计算机屏幕。车辆的挡风玻璃可以显示信息，诸如地图，而不阻挡驾驶员的视野。 商店的显示窗口不仅可以显示产品还可以显示它们的信息。
[0010] 存在许多透明显示技术，但都没有获得广泛的使用。通过消除背光，液晶显示器 (LCD)可以制成透明的，但它们不是非常透明的（通常透射率可以小于15%)。有机发 光二极管（0LED)也可制成透明的，但生产仍是昂贵的并且透射率也受到限制（通常小于 40%)。0LED显示器可以制成柔性和可折叠的，所以透明柔性显示器也是可行的。电致发 光显示器也被制成透明的，但迄今限于单色。近来，荧光膜已与紫外线（UV)灯组合以制造 透明的多色显示器；然而，由于荧光颗粒的微小发射截面，因此需要强烈的紫外线光源，诸 如超高性能（UHP)灯。
[0011] 概述
[0012] 鉴于前述内容，本文公开的各种发明实施方案大体涉及以潜在的低生产成本实现 清晰显示器，并且可以是将透明显示器带入消费者市场中的实现技术。
[0013] 示例性实施方案包括具有透明基板的显示器、布置在所述透明基板上的至少一个 纳米颗粒，以及与所述纳米颗粒光学上连通的至少一个光源。用来自光源的单色光束照射 纳米颗粒使纳米颗粒在观看者的方向上散射单色光束的至少一部分。
[0014] 其它示例性实施方案包括制造具有散射单色光的一个或多种纳米颗粒的显示器 的方法。此类显示器可以通过在基板上沉积至少一个纳米颗粒来构造，该纳米颗粒具有全 宽度半最大值为约lnm至约70nm的散射截面和约390nm至约760nm的中心波长，该基板具 有约 390_至约 76011111的约60%至约100%(例如，65%、70%、75%、80%、85%、90%或 95% )的透射率。
[0015] 应当理解，前述概念和在下面更详细讨论的附加概念的所有组合（只要这些概念 不互相矛盾）都被认为是本文中公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开末尾的 要求保护的主题的所有组合被认为是本文中公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文 中明确采用的也可出现在通过引用并入的任何公开中的术语应被赋予与本文所公开的特 定概念最一致的含义。
【附图说明】
[0016] 本专利或申请文件包含以彩色绘制的至少一个附图。具有（多个）彩图的本专利 或专利申请公开的副本将在请求并支付必要的费用时由专利局提供。
[0017] 本领域技术人员将理解，附图主要用于说明的目的，而并非旨在限制本文所描述 的发明主题的范围。附图不必按比例绘制；在一些情况下，可以在附图中夸大或放大示出在 本文中所公开的发明主题的各个方面以促进理解不同特征。在附图中，类似的参考字符通 常指的是类似的功能（例如，功能上相似和/或结构上相似的元件）。
[0018] 图1A是透明散射显示器的示意图。
[0019] 图1B是适用于图1A的透明散射显示器的蓝色散射颗粒的散射截面（实线）和吸 收截面（虚线）的曲线图。
[0020] 图1C是图1A所示的透明散射显示器的特写图。
[0021] 图1D示出用于观看三维图像的图1A所示的透明散射显示器的屏幕。
[0022] 图2是具有散射纳米颗粒预定图案的多层透明散射显示器的示意图。
[0023]图3是表示从适用于制造散射颗粒的各种材料的介电函数导出的波长选择散射 性能的曲线图。
[0024] 图4A是强烈散射蓝光并且适用于透明散射显示器的银涂覆二氧化硅纳米颗粒 (插图）的散射截面（实线）和吸收截面（虚线）对波长的曲线图。
[0025] 图4B是强烈散射绿光并且适用于透明散射显示器的银涂覆二氧化硅纳米颗粒 (插图）的散射截面（实线）和吸收截面（虚线）对波长的曲线图。
[0026] 图4C是强烈散射红光并且适用于透明散射显示器的银涂覆二氧化硅纳米颗粒 (插图）的散射截面（实线）和吸收截面（虚线）对波长的曲线图。
[0027] 图5A是强烈散射蓝光并且适用于透明散射显示器的二氧化钛纳米壳（插图）的 散射截面（实线）和吸收截面（虚线）对波长的曲线图。
[0028] 图5B是强烈散射绿光并且适用于透明散射显示器的硅纳米壳（插图）的散射截 面（实线）和吸收截面（虚线）对波长的曲线图。
[0029] 图6是半径r= 115nm的固体硅纳米球的散射截面对波长的曲线图。
[0030] 图7A示出了用于制造透明散射显示器的第一流程。
[0031] 图7B示出了用于制造透明散射显示器的第二流程。
[0032] 图7C示出了用于制造透明散射显示器的第三流程。
[0033] 图8A是浓度为约5yg/mL的PVA中球形银纳米颗粒的溶液的所测量的消光截面 (实线）和理论消光截面（虚线）对波长的曲线图。
[0034] 图8B是浓度为约10yg/mL的聚乙烯醇（PVA)中球形银纳米颗粒的溶液的所测量 的消光截面（实线）和理论消光截面（虚线）对波长的曲线图。
[0035] 图8C是当用沿对准轴线偏振的光照射时，粘在一起的两个银纳米颗粒（例如，如 图9A的插图所示）的理论消光截面对波长的曲线图。
[0036] 图9A是如在透明散射显示器中的PVA膜（插图）中嵌入的直径62nm±4nm的银 纳米颗粒的所测量的透射光谱（实线）和所预测的透射光谱（虚线）的曲线图。
[0037] 图9B是图9A的银纳米颗粒的所测量的消光比（实线）、所预测的消光比（虚线）， 以及来自散射（点划线）和吸收（双点虚线）的所预测贡献的曲线图。
[0038] 图10A是投影到放置在具有麻省理工学院（MIT)标志的三个咖啡杯前面的透明散 射显示器的上部之上的MIT标志的彩色照片。
[0039] 图10B是投影到具有MIT标志的三个咖啡杯前面的一片普通玻璃上的MIT标志的 彩色照片。
[0040] 图11A是投影到具有黑色背衬的透明散射显示器上的MIT标志的彩色照片。
[0041] 图11B是投影到一片白色玻璃上的MIT标志的彩色照片。
[0042] 图12示出其形状支持窄带磁共振的金属纳米颗粒。
[0043] 详细描述
[0044] 在基于光投影的传统显示系统，例如用于演示并在电影院中使用的投影机中一一 屏幕是不透明的，以将投射光的散射最大化，使得观众可以在屏幕上看到的图像。在此类情 况下，屏幕有效地散射光，但不能是透明的。现有透明2D和3D激光显示技术用屏幕将紫外 线（UV)或红外线（IR)光转换为可见光，该屏幕在电磁波谱的可见部分中是透明的，但在电 磁波谱的UV或IR区域中不透明。在屏幕上的荧光或非线性材料将UV或IR光转换成显示 给观察者的可见光。荧光或非线性转换实现了屏幕透明度，但大部分的荧光和非线性材料 并未有效地转变入射光（换句话说，它们遭受低频转变效率）。因此，荧光和非线性显示器 通常采用UV/IR光源的高功率光源。
[0045] 然而，如本文所解释，可能创建既在可见光波长基本上透明，且使用可见照明有效 显示图像的无源屏幕。这听起来是矛盾的，但可以如下解释。阳光和来自通常的室内/室 外照明灯具（例如白炽灯泡、荧光灯等）的光包括宽范围的波长。]然而，在三个或更多个 指定的波长一一例如红、绿和蓝（RGB)的单色光的混合物一一足以产生被人感知的几乎所 有颜色。这使得有可能创造屏幕（显示器），它在可见光谱中是透明的，除了在接近指定波 长的窄带区域处。
[0046] 示例性透明散射显示器使用纳米颗粒，该纳米颗粒在一个或多个特定可见光波长 强烈散射并在所有其他可见光波长透射，以产生大多数人可以容易地感知的彩色图像。例 如，透