可控光导的制作方法

专利名称：可控光导的制作方法
技术领域：
本发明涉及可控光导、包括这样的可控光导的照明设备和显示设备。
背景技术：
目前，各种类型的平板显示器被广泛用在各种应用中，从移动电 话显示器到大屏幕电视机。尽管一些类型的平板显示器(例如等离子 体显示器)包括发光像素阵列，但是大多数平板显示器具有可以在状 态之间切换却不能独立发光的像素阵列。这样的平板显示器包括普遍
存在的LCD显示器。为了使得这样的平板显示器能够将图像显示给用 户，像素阵列必须被背光照亮(在透射型像素阵列的情况下)或者被 环境光或前光照亮(在反射型像素阵列的情况下)。
传统背光(和前光)包括平面光导，光从光源被耦合进该光导中。 平面光导的一面典型地通过构造或修改而被修改(例如表面粗糙化)， 以便允许光通过该面耦合输出(outcouple)。然后耦合输出的光经过 像素阵列中处于透射状态下的像素，并且相应的图像变为对观察者可 见。
然而，当仅有一小部分的像素是亮的(处于它们的透射状态)时， 正如通常情况，由背光发射的相应大部分光被阻止到达观察者，因而 宝贵的能量被浪费了。
为了克服该问题，已经提出了具有光的空间可控耦合输出的背光。 例如，WO 2004079437公开了一种照明系统，其包括光波导和矩阵可寻 址光管理构件。可以通过在透明状态和散射状态之间调制一部分光管 理构件来控制光从光波导的耦合输出。
尽管在W0 2004079437中公开的照明系统提供了例如液晶面板的 可控照明，但是耦合输出效率受到了限制，因为光管理构件仅对一种 偏振状态敏感。
因而，需要改进的可控光导，从而实现光的更高能效的耦合输出。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的可控光导。
本发明的另一个目的是提供平板显示器中像素阵列的能量有效的 可控照明。
根据本发明，通过一种可控光导来实现这些和其它目的，该可控
光导包括光导，其被配置为容纳被耦合到该光导中的光并且沿着该 光导的主延伸体通过光在光导的导向边界上的反射来引导光，该光导 在该导向边界处具有第一折射率；和至少一个光修改构件
(light-modifying member )，其设置为与光导的导向边界相邻，该光 修改构件包括具有笫二折射率的流体；和具有不同于第二折射率的 第三折射率的多个粒子，该多个粒子分布在该流体中，其中该光修改 构件在至少第一状态和第二状态之间是可控的，该第一状态具有使得 光修改构件的至少一部分具有第一复合折射率的第一粒子分布，该第 二状态具有使得该光修改构件的该部分具有第二复合折射率的第二粒 子分布，至少该第二复合折射率相对于第一折射率足够高从而允许光 通过光导的导向边界的相应部分至少部分耦合输出。 该光导可以是例如平面光波导或光纤。
如果该光导是平面光波导，则其可以由例如单一介电材料或介电 材料的组合的片(slab)构成。合适的介电材料包括不同的透明材料， 例如各种类型的玻璃、聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)等。这样的平面波 导可以是平的或弯曲的。片型平面波导典型地依赖于全内反射(TIR), 以便于容纳耦合到波导中的光。
在本申请中，"流体，，被理解为是这样的物质其响应于任何力
而改变其形状并且趋向于流动或者与可容纳该流体的腔的外形一致。 因而，术语"流体"包括气体、液体、蒸汽以及固体和液体的混合物 (当这些混合物能够流动时)。
术语"粒子"不限于固体粒子，也包括液滴和填充流体的嚢。 本发明是基于这样的认识光从光导的耦合输出可以通过改变位 于邻近光导的导向边界的光修改构件的折射率而被修改，并且折射率 的这种改变可以通过控制具有某一折射率的粒子在具有不同折射率的 流体中的分布来实现。由于根据本发明的可控光导主要依赖于由折射引起的耦合输出， 因此这确保了意在用于耦合输出的几乎所有光实际上被允许离开光 导，而不管偏振状态如何。
分布在流体中的粒子优选地足够小以将散射限制到这样的水平 即，粒子-流体悬浮液主要充当具有可变折射率的流体。
适当使用具有大约lOOnm或更小的中值直径和不太宽的尺寸分布 的粒子，因为当粒子明显大于100nm时，即它们的尺寸是可见光的波 长级别或者更大时，(后)散射变得占优势。
的。在提到的第一种情况下，光修改构件可以用作光开关，以局部地 允许或阻止光从光导的耦合输出，而在提到的后一种情况下，光导中 的光可以被部分耦合输出，在这种情况下可以实现灰度级。于是，哪 些光被耦合输出以及哪些光留在光导中取决于在导向边界处的入射 角，其中具有小入射角的光线被耦合输出，而具有大入射角的光线被 全反射。
有利地，该第一复合折射率可以足够低以允许在光导的导向边界 处的全内反射，从而阻止光通过导向边界的相应部分耦合输出。
为了使光导全内反射以所有角度进入光导的光，与光导的边界相 邻的任何元件的折射率应当满足下述关系
其中n,g是光导在光导的导向边界处的折射率，且r^表示相邻元件的折 射率，所述相邻元件可以是例如被配置为覆盖光导芯或中心片部分的 涂覆层、空气、和/或可控光修改构件(如在本发明的情况下)。
例如，如果光导具有1.67的折射率，则第一复合折射率可以小于 1.34，以便实现对所有角度的耦合进入的光的全内反射(TIR)。
这样，有效防止了耦合到光导中的光通过与处于其第一状态的相 邻光修改构件的一部分对应的导向边界的一部分从光导耦合输出。
第二折射率(流体)可以低于第三折射率(粒子)。
在这种情况下，对于包含具有粒子的基本均匀分布的流体的光修 改构件的给定部分来说，粒子的浓度越高意味着该部分的复合折射率 越高。因此，可以在光修改构件的该部分中以低的粒子浓度实现TIR， 并且可以以较高的粒子浓度获得耦合输出。可替代地，第三折射率可以低于第二折射率，在这种情况下，很 明显，粒子的浓度越高导致在光修改构件的上述给定部分中的复合折 射率越低。
根据本发明的一个实施例，粒子可以易受电场的影响，并且可以 通过改变光修改构件的上述部分中的电场来使光修改构件在至少第一 和第二状态之间是可控的，从而控制粒子的分布。
在本实施例中，粒子可以是或可以不是带电的。对于不带电的粒
子，响应于通过介电泳施加的电场而使得粒子移动，这在1978年剑桥 大学出版社出版的H. A. Pohl的"Dielectrophoresis'， the behaviour of neutral matter in non-uniform electric fields" 中有详细的 描迷。
在带电粒子的情况下，大多数粒子有利地具有相同符号的电荷， 以便防止带相反电荷的粒子聚集(相反电荷的离子的存在确保了流体 的电中性)。
通过根据本发明的该实施例的配置，粒子可以在没有电场的情况 下被基本均匀分布。当施加电场时，粒子可以被再分布。或者粒子移 动直到电场被去掉，或者进入这样的状态其中，在通过粒子自身的 电荷(在电泳的情况下)或偶极子(在介电泳的情况下)施加到粒子 上的力与所施加的电场之间达到平衡。对于电泳的更详细的描述，请 参考下列文献
"Principles of Col loid and Surf ace Chemistry" ， P. C. Hiemenz 和R. Rajagopalan，第3版，Marcel Dekker公司，纽约，1997，第 534-574页。
根据另一个实施例，粒子易受磁场的影响，并且可以通过在光修 改构件的上述部分中施加磁场而使光修改构件在至少第一和第二状态 之间是可控的，从而控制粒子(磁泳)的分布。
在该实施例中，粒子可以是例如磁性的并且具有这样的特性在 粒子中可以诱发磁偶极子。于是，通过施加磁场能够控制粒子分布。
作为对本发明的上述两个实施例的替代或补充，在流体中粒子的 分布也可以由机械装置(如在MEMS器件中)来控制，其可以导致流体 的空间变化的密度，并且因此导致流体-粒子悬浮液中的粒子的变化的 浓度。为了实现根据例如上述机制中任何一个的粒子分布的控制，该可 控光导可以进一步包括控制装置。
这些控制装置可以例如以图案(pattern)的形式提供(例如电极 图案、线團图案或机械致动器)，其可以位于与光修改构件相邻的位 置，或者在可控光导中的其他地方。为了防止耦合输出的光被不必要 地阻挡，可以根据图案的位置通过使用一种或几种透明材料(例如ITO (铟锡氧化物)或类似的公知材料)来有利地形成这些图案.在耦合输 出应当被阻止的位置，有利地使用反射光的电极(例如由铝或银制成)。
控制装置可以被设置在光修改构件的相对侧，在这种情况下，通 过使得粒子有选择地向光修改构件的任一侧移动(在基本垂直于光导 的方向上)来控制粒子分布。
可替代地，控制装置可以被设置成实现所谓的"面内切换 (in-plane switching)"。在这种情况下，通过使得粒子有选择地在 光修改构件中横向移动来控制粒子分布。面内和垂直切换的组合也是 可能的。
作为可控光导中所包括的控制装置的替代，可以在可控光导的外 部产生电场和/或磁场。
根据本发明的可控光导可以有利地包括多个光修改构件，每一个 光修改构件是单独可控的。
因而可以形成可控光导的耦合输出和光容纳部分的不同复杂程度 的图案。
根据另一个实施例，可控光导可以进一步包括光改变构件(light -altering member)，其被布置为在光修改构件相对于光导较远的一侧 与光修改构件相邻，并且适于改变至少部分耦合输出的光的至少一个 特性。
光改变构件可以是例如在光修改构件的光出射面上被加入到可控 光导的层，并且该光改变构件可以改变例如耦合输出的光的角分布、 空间分布和偏振状态中的至少一个。
为了向可控光导的耦合输出表面的法线方向引导耦合输出的光， 可以使用以层的形式设置的光改变构件，所述层的折射率比光修改构 件的折射率高。
此外，光改变构件可以具有耦合输出结构以便增强引导效果。这样的耦合输出结构可以被单独提供或与上述较高的折射率结合提供。 这些耦合输出结构可以有利地由基本平行的槽形成。 为了耦合输出偏振光，光改变构件可以由双折射材料构成。 具体来说，光改变构件可以是双折射的并且具有基本平行的槽。
这些槽可以按照这样的方式被提供双折射光改变构件的折射率分量 垂直于槽。该折射率分量可以基本等于具有低浓度的悬浮粒子的流体 的折射率，或者可替代地，基本等于具有高浓度的悬浮粒子的流体的 折射率。
此外，根据本发明的可控光导可以有利地包括在可控照明设备中， 该照明设备进一步包括光源，光源被配置为使得由光源发出的光耦合 输入到该可控光导中。
上述可控照明设备可以有利地包括在显示设备中，该显示设备进 一步包括具有至少部分可控透射率的成像构件，其中该可控照明设备 相对于观察者来说位于成像构件的后面，并且被配置为照亮该成像构 件以充当可控背光。
可替代地，该可控照明设备可以包括在显示设备中，该显示设备 进一步包括具有至少部分可控反射率的成像构件，其中该可控照明设 备相对于观察者来说位于该成像构件的前面，并且被配置为照亮该成 像构件以充当可控前光。


现在将参照附图更详细地描述本发明的这些和其它方面，附图示 出了本发明的当前优选实施例，其中
图la-c示意性地示出了根据本发明的处于三种不同的状态下的 可控光导的一部分；
图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的可控光导的一部
分；
图3示意性地示出了根据本发明的第二实施例的可控光导的一部 分，其包括与光修改构件相邻放置的光改变构件；
图4a-b示意性地示出了根据本发明的显示设备的示例。
具体实施例方式
10下面将主要参照平面可控光导来描述本发明，该平面可控光导包 括光导和光修改构件，该光修改构件具有悬浮在流体中的多个带正电 的粒子，流体的折射率低于光导的折射率以及粒子的折射率。应当注 意，这绝不会限制本发明的范围，其可以同样适用于其它配置的可控 光导，例如光纤和弯曲平面光导。此外，悬浮在流体中的粒子可以带 负电，不带电、磁性的或非磁性的。当然，流体的折射率可以高于光 导和粒子的折射率。另外，示出了根据本发明的可控光导的实施例的 应用示例，其中可控光导包括在用于透射型平板显示器的背光中。在 该文中，应当注意，包括根据本发明的可控光导的照明设备同样可以
净皮用作环境产生(ambience-creating)照明设备或作为各种类型的反 射型显示器(例如反射型液晶显示器、电润湿显示器、电泳显示器或 电致变色显示器)的前光。
图la-c示出了可控光导101的一部分，其包括被布置为与光导 103相邻的光修改构件102。这里光修改构件102以隔间(compartment) 的形式被提供，该隔间包含流体104和多个粒子，这些粒子一起由附 图标记105来表示。在这种情况下，光导103具有单一折射率nlg,流 体104具有折射率11 ，其低于光导103的折射率r^，并且粒子105具 有折射率rip，其高于光导103的折射率1118。在图la-c的每一个图中， 示出了光修改构件102的一部分106，其中流体104中的粒子105的浓 度在图la-c示出的三个示例状态之间变化。光由适当定位的光源(未 示出)耦合到光导中。
图la示出了具有处于第一状态的光修改构件102的可控光导101， 其中粒子105被分布在流体104中，以使得在光修改构件102的中央 部分106中的粒子的浓度非常低。这导致中央部分106中存在流体-粒 子悬浮液的低的复合折射率nEl。在示出的示例中，第一状态下的复合 折射率n^足够低以满足由光线107指示的光导中全内反射(TIR)的 需要。
注意到，光修改构件102的中央部分106优选地尽可能大(在当 前可用的技术中，中央部分106可以占据例如光修改构件102的表面 的90%以上)。为了使得光导103尽可能高效，光修改构件102的中 央部分106之外的区域优选地被制成反射性的，这可以通过利用镜子 覆盖该区域来实现。可替代地，可以使用在被密集地聚集时为反射性
ii的粒子。
图lb示出了具有处于第二状态下的光修改构件102的可控光导 101，其中粒子105基本均匀分布在流体104中。这导致中央部分106 的高复合折射率n。2。在示出的示例中，复合折射率n。2近似等于光导的 折射率，这导致光导中的光通过部分106基本完全耦合输出，如光线 108所示。图lb的状态优选地为零功率状态。
图lc示出了具有处于第三状态下的光修改构件102的可控光导 101，第三状态是第一和第二状态的中间状态。在该第三状态下，粒子 105被分布在流体104中从而使得中央部分106中的粒子105的浓度高 于第一状态的情况且低于第二状态的情况。这导致中央部分106的居 中的复合折射率n。3。在示出的示例中，复合折射率n^允许入射到光导 103和光修改构件102之间的导向边界109上的光的一部分被耦合输 出，如分别由透射和反射的光线110a和110b所示。
图2示意性地示出了根据本发明的可控光导的第一实施例，其中 示出了两个光修改构件201和202，光修改构件之一 (即201)处于非 耦合输出状态，而另一个光修改构件(即202 )处于耦合输出状态。
所示的每个光修改构件201、 202由包含基本绝缘的流体203和多 个带电粒子204的隔间形成。在本示例中，粒子保持带正电荷。每个 光修改构件201、 202进一步分别包括三个电极207a - c和208a - c, 至少一些电极优选地由光学透明导电材料形成，例如ITO或等效材料。 外围电极207a、 c和208a、 c可以有利地是反射性的，以^便防止光通 过处于非耦合输出状态的密集地聚集的粒子(如图2中的光修改构件 201所示)而耦合输出。为了限制耦合输出的光的角扩展，每个光修改 构件201、 202进一步具有结构化的耦合输出面205、 206。
如图2所示，通过将负电压施加于两个外围电极207a、 c且将正 电压施加到中央电极207b，来将光修改构件201控制到第一、非耦合 输出状态。通过选择合适的电压，粒子204被集中在外围电极207a、 c 附近，而光修改构件201的中央部分209中的粒子的浓度变得非常低。 因此该部分209中的复合折射率变得足够低以防止光耦合输出，如参 照图la所描述的。
又如图2所示，通过不施加任何电压或者将所有的三个电极208a - c连接到相同的电势，将光修改构件202控制到第二、耦合输出状态，在这种情况下，带电粒子通过形成基本均匀的悬浮液而将系统中的能
量最小化。因而光修改构件202的中央部分210中的粒子的浓度变高 并且允许耦合输出，如耦合输出的光线211所示。
应当强调的是，图2是示意图，其中，为了简便，没有包括防止 相邻光修改构件之间的串扰的措施。防止或至少减小串扰的措施包括 隔开相邻的填充流体-粒子的隔间和/或在相邻光修改构件之间引入屏 蔽电极。
图3示意性地示出了根据本发明的可控光导的第二实施例。这里， 控制电极301a-c和302a-c已被分别形成在两个相邻的光修改构件 303和304上。此外，结构化的层的形式的光改变构件305已被加入到 光《务改构件303、 304的背向(facing away from)光导103的一侧上。
图3所示的可控光导的操作与上面参照图2所述的相同，所示出 的两个实施例之间的主要差别在于，借助光修改构件304从光导103 耦合输出的光的各种特性是可以通过光改变构件305而改变的。在示 出的示例中，光改变构件305是结构化的层，其折射率高于耦合输出 的光修改构件304的复合折射率。如耦合输出的光线306所示，耦合 输出的光已向着光导103的法线被引导。
图4a-b示意性地示出了根据本发明的可控光导的实施例的应用 示例，其形式为平板显示器401，该平板显示器包括可控透射像素403a -i的3 x 3像素阵列402和背光404。
在图4a中，从平板显示器的观察者的视角来看，背光4(M位于像 素阵列402之后。在本示例中，像素阵列402中的像素中的一个403e 处于其透射状态，而剩余像素403a-d、 403f - i处于它们的非透射状 态。
图4b示出了未被像素阵列402遮掩的背光404。如图所示，背光 包括可控光导405 ，光从该可控光导的耦合输出在三个部分 (segment) 406、 407和408中是可控的。背光404进一步包括至少一个 光源(未示出)，其被布置以实现光耦合进入到可控光导405中。
为了允许能量使用更有效和/或实现透射像素403e的局部高照明， 部分406和408被控制到非耦合输出状态，而对应于透射像素403e的 部分407被控制到耦合输出状态，如图4b中的光线409、 410所示。
通过将电压施加到分别包括在光修改构件414、 415和416中的电
13极411a — c、 412a - c和413a - c，来控制各部分406 — 408的耦合输出 状态。通过将电压施加到这些电极，以参照图2和3的以上所述的方 式来控制光修改构件414-416中的粒子分布并且因而控制复合折射率。
本发明绝不局限于此前描述的优选实施例，这对于本领域技术人 员来说是很显然的。例如，除了此前描述的那些之外，电极或控制装 置的许多配置都是可行的，例如电极或其它控制装置被形成在相邻光 修改构件之间的边界处和/或突出到光修改构件中。此外，任何电极或 其它控制装置可以由非透明材料制成，特别是如果它们的延展与光修 改构件的其余部分相比^^小。
权利要求
1、一种可控光导(101；405)，包括-光导(103)，其配置为容纳被耦合到所述光导中的光，并且通过所述光在所述光导(103)的导向边界(109)上的反射来沿着所述光导的主延伸体引导所述光，所述光导在所述导向边界(109)处具有第一折射率；和-至少一个光修改构件(102；201-202；303-304；414-416)，其设置为与所述光导(103)的所述导向边界(109)相邻，所述光修改构件包括-具有第二折射率的流体(104)；和-多个粒子(105)，其具有不同于所述第二折射率的第三折射率，所述多个粒子分布在所述流体中，其中所述光修改构件(102；201，202；303-304；414-416)在至少第一状态和第二状态之间是可控的，所述第一状态具有使得所述光修改构件(102；201-202；303-304；414-416)的至少一部分(106；209，210)具有第一复合折射率(nc1)的第一粒子分布，所述第二状态具有使得所述光修改构件的所述部分(106；209，210)具有第二复合折射率(nc2)的第二粒子分布，至少所述第二复合折射率相对于所述第一折射率足够高从而允许光通过所述光导(103)的所述导向边界(109)的相应部分至少部分耦合输出。
2、 根据权利要求1所述的可控光导(101; 405 )，其中，所述第 一复合折射率(n。J足够低以允许在所述光导(103)的所述导向边界 (109)处的全内反射，从而防止光通过所述导向边界的所述相应部分 耦合输出。
3、 根据权利要求1或2所述的可控光导(101; 405 )，其中，所 述第三折射率高于所述第二折射率。
4、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 )， 其中-所述粒子(105)易受电场的影响；并且-通过改变所述光修改构件的所述部分(106; 209， 210)中的电 场而使所述光修改构件(102; 201-202; 303-304; 414-416)在所述至少第一和第二状态之间是可控的，从而控制所述粒子的分布。
5、 根据权利要求1到3中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 )，其中-所述粒子易受磁场的影响；并且-通过在所述光修改构件的所述部分(106; 209， 210)中施加磁 场，而^吏所述光^"改构件(102; 201-202; 303-304; 414-416)在所述 至少第一和第二状态之间是可控的，从而控制所述粒子的分布。
6、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 )， 进一步包括控制装置 (207a-c， 208a-c; 301a_c， 302a-c; 411a-c， 412a-c， 413a_c )，用于控制所述流体(104 )中的粒子(105 ) 的所述分布。
7、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 )， 包括多个所述光修改构件(201-202; 303-3(M; 414-416),每一个光 修改构件是单独可控的。
8、 根据前述权利要求中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 )， 进一步包括光改变构件(305 )，其设置为在所述光修改构件相对于所 述光导(103)较远的一侧与所述光修改构件(303-304 )相邻，并且 适于改变所述至少部分耦合输出的光的至少一个特性。
9、 根据权利要求8所述的可控光导(101; 405 ),其中，所述光 改变构件(305 )是结构化的元件，其折射率高于所述第一折射率。
10、 根据权利要求8或9所述的可控光导(101; 405 )，其中， 所述光改变构件(305 )是双折射的，由此经过所述光改变构件的所述 耦合输出的光变为偏振的。
11、 一种可控照明设备，包括-根据前述权利要求中任一权利要求所述的可控光导(101; 405 );和-光源，其设置为允许由所述光源发出的光耦合进入到所述可控 光导(101; 405 )中。
12、 一种显示设备(401),包括 -具有至少部分可控透射率的成像构件(402 );和 -根据权利要求11所述的可控照明设备(404 ),所述可控照明设备相对于观察者而言位于所述成像构件之后，并且配置为照亮所述成像构件以充当可控背光.
13、 一种显示设备，包括-具有至少部分可控反射率的成像构件；和-根据权利要求11所述的可控照明设备，所迷可控照明设备相对 于观察者而言位于所述成像构件之前，并且配置为照亮所述成像构件 以充当可控前光。
全文摘要
一种可控光导(101；405)，包括光导(103)，其被配置为通过被耦合进所述光导的光在所述光导(103)的导向边界(109)上的反射来引导所述耦合进光导的光；和至少一个光修改构件(102；201-202；303-304；414-416)，其被布置为与所述光导(103)的导向边界(109)相邻。所述光修改构件(102；201-202；303-304；414-416)包括流体(104)和分布在所述流体中的多个粒子(105)。所述光修改构件在至少第一状态和第二状态之间是可控的，该第一状态具有使得所述光修改构件(102；201-202；303-304；414-416)的至少一部分(106；209，210)具有第一复合折射率(n_c1)的第一粒子分布，所述第二状态具有使得所述光修改构件的所述部分(106；209，210)具有第二复合折射率(n_c2)的第二粒子分布。至少该第二复合折射率(n_c2)相对于所述光导(103)在所述导向边界(109)处的折射率足够高，从而允许光通过所述光导的导向边界的相应部分至少部分耦合输出。
文档编号G02F1/19GK101517466SQ200780033818
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月7日 优先权日2006年9月12日
发明者D·K·G·德博尔, H·J·科内利森, M·T·约翰逊, P·J·比斯朱, S·J·鲁森达尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司