基于TIR的图像显示器的驱动方法与流程

相关申请的交叉引用

本说明书要求2017年5月16日提交的美国临时申请序列号62/506,773的优先权。本申请还要求2017年2月21日提交的申请序列号为15/438,639的申请的优先权，后者要求2013年9月30日提交的临时申请号为61/884,854的优先权。本申请还要求2016年5月2日提交的序列号15/143,708的申请的优先权，后者是2016年1月8日提交的序列号14/903,547(“547申请”)的申请的部分延续(cip)；“547申请”是pct申请序列号pct/us2013/049606(2013年7月8日提交)的国家阶段申请前述申请中的每一个的说明书都全文并入本文。

所公开的实施例通常涉及用于基于全内反射的图像显示器的驱动方法和图像保持方法。在一个实施例中，可以通过脉冲宽度调制(“pwm”)来驱动基于全内反射(“基于tir”)的图像显示器。在另一个实施例中，可以通过电压调制(“vm”)来驱动基于tir的图像显示器。在又一实施例中，可以通过脉冲宽度调制和电压调制的组合来驱动基于tir的图像显示器。在再一示例性实施例中，驱动方法可能是dc平衡的。

背景技术：

常规的基于全内反射(tir)的显示器(尤其)包括与低折射率流体接触的透明高折射率前片。前片和流体可以具有不同的折射指数，折射指数可以由临界角θc表征。临界角表征透明前片(折射率为η1)的表面和低折射率流体(折射率为η3)之间的界面。以小于θc的角度入射到界面上的光线可能透射穿过界面。以大于θc的角度入射到界面上的光线可能在界面处发生tir。在tir界面处优选小临界角(例如，小于约50°)，因为这提供了较大的可发生tir的角度范围。可以使用具有尽可能小的折射率(η3)的流体介质。也可以使用优选由具有尽可能大的折射率(η1)的材料构成的透明前片。临界角θc由下式计算(eq.1)：

常规的基于tir的反射图像显示器还包括电泳移动的吸光粒子。电泳移动粒子响应于两个相对电极之间的偏压而移动。当电压偏压源使粒子移动到前片的表面附近时，它们可能会进入消逝波区域(深度高达约1微米)并抑制tir。消逝波区域的深度可能因入射光的波长、入射光的角度以及前片和介质的折射指数而变化。入射光可能会被电泳移动的粒子吸收，从而产生观察者观察到的暗态。在这类情况下，显示器表面可能向观察者显示深色或黑色。当使粒子移动离开消逝波区域(例如，通过反向偏压)时，光可能以tir方式反射。这会在一个或多个像素处产生观察者可以观察到的白色态或亮态。像素电极阵列可用于驱动粒子进入或离开消逝波区域，以形成白色态和黑色态的组合。这可用于产生图像或向观察者传达信息。

基于tir的显示器的现有技术中的前片可以包括在朝向较低折射率介质和电泳移动粒子的内侧上的多个较高折射率的密集的凸出的结构或突起(即，朝向远离观察者的前片的表面)。凸出的突起可以是半球形。可以使用其他形状。凸出的突起可以具有圆形对称性。

图1示出了传统的基于tir的显示器100。图示显示器100具有透明前片102，透明前片102的外表面104朝向观察者106。显示器100还包括有单独的半球突起110的多个108、后支撑片112、该多个半球突起108表面上的透明前电极114以及后电极116的层。后电极116可包括电极的无源矩阵阵列、薄膜晶体管(tft)阵列或电极的直接驱动阵列。电极的后阵列可以形成在像素阵列中，其中每个像素可以由tft驱动。图1还示出了低折射率流体118，该低折射率流体118设置在突起108的表面和后支撑片112之间形成的空腔或间隙120内。流体118包含多个吸光的电泳移动粒子122。显示器100还可包括能够在空腔120上产生偏压的电压源124。显示器100还可包括在前电极114上或后电极116上或前电极和后电极两者上的一个或多个介电层126、128，以及滤色层130。滤色层130也可以位于片102和突起110之间。在一些情况下，显示器100还可包括位于片102的外表面或层130上的定向前灯系统(可选)。当使粒子122向前电极114电泳移动并进入消逝波区域时，粒子可能抑制tir。这显示在虚线132的右侧并且通过被粒子114吸收的入射光线134和136示出。显示器的该区域(例如在像素处)可向观察者106显示暗态。

当使粒子向后电极116(如虚线132的左侧所示)移动远离前片102和消逝波区域时，入射光线可在半球形阵列108上的电极126的表面和介质118的界面处完全内部反射。这通过入射光线138体现，入射光线138完全内部反射，并作为反射光线140朝向观察者106离开显示器。显示器像素向观察者显示白色或亮色。

传统的基于tir的图像显示器100还可以包括横壁142。横壁142可包括介电层144。传统的基于tir的图像显示器100还可包括前灯系统146。前灯系统146可包括光源148和波导150。

基于tir的图像显示器中的光学状态可以通过电泳移动粒子进入和离开在高折射率的凸出的突起和低折射率介质的界面处的消逝波区域的移动来调制。可通过采用脉冲宽度调制、电压调制或其组合的驱动方法来控制粒子的移动。这些驱动方法也可用于保持图像状态。

附图说明

本公开的这些和其他实施例将参考以下示例性和非限制性示图来讨论，其中相同的元件编号相同，并且其中：

图1示意性地示出了传统的基于tir的显示器的横截面；

图2是基于pwm的波形的示例；

图3a示意性地示出了利用电压调制来驱动基于tir的图像显示器的波形的示例；

图3b示意性地示出了利用电压调制来驱动基于tir的图像显示器的波形的示例；

图4以图形方式示出了不同幅度和脉冲宽度的驱动波形；以及

图5示出了根据本公开一个实施例的可与tir显示器一起使用的示例性控制器。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了具体细节，以便向本领域技术人员提供更透彻的理解。但是，众所周知的元件可能没有详细地示出或描述，以免不必要地混淆本公开。因此，说明书和附图应视为说明性的，而不是限制性的或排他性的。

本公开通常涉及基于tir的图像显示器中的改进性能。根据本公开的某些实施例，可以用脉冲宽度调制(pwm)方法来施加适当的波形。在示例性实施例中，可以使用电压调制(vm)来施加适当的波形。在其它实施例中，可以使用pwm和vm的组合来驱动基于tir的图像显示器。在示例性实施例中，波形可以大致为直流(dc)平衡的(应该知道，直流平衡显示器在波形中平均幅度约为零。直流平衡显示器基本防止在显示器内的位置上积聚电荷)。在某些实施例中，所施加的波形包括特定持续时间内的至少一个电压。所施加电压的大小和持续时间可设计为在驱动波形的持续时间内移动一定量的电荷并保持该电荷的位置。本文所描述的方法可应用于控制在基于tir的图像显示器中的电泳移动粒子进入和离开消逝波区域的移动，以形成暗态、白色态或中间灰色态。

pwm是一种数字信号。pwm包括固定频率，其中电压可为“开启”或“关闭”。在示例性实施例中，该频率可以远大于电泳移动粒子的响应时间。反射式显示器的pwm通常包括两个电压(例如+v或–v)。例如，如果成像像素(或可能是单元)上的驱动电压脉冲为+10v，则可以使用的另一个电压为-10v。施加电压脉冲的时间可以周期性地变化。图2是基于pwm的波形的示例。图2中的x轴是时间(秒)，y轴是驱动电压(v)。图2中驱动基于tir的图像显示器的示例波形的频率为25hz，其中该波形由40毫秒(ms)的周期(应该知道，可以使用其他时间周期，本文中使用的示例仅用于说明目的)组成。举例来说，每个脉冲宽度间隔包括+7v或-7v的驱动电压和大约0v的静止电压。当施加驱动电压时，这视为“开启”时间。当不施加驱动电压时，这被视为“关闭”时间。在单个40ms的周期内，如果驱动电压施加的时间为20ms，而静止的时间为20ms，则认为是50％的占空比。占空比通常以每个周期中开启时间所占的百分比来衡量。

在一些其它实施例中，可以通过使用pwm方法的波形驱动基于tir的图像显示器，其中驱动电压可在大约-20v到大约+20v的范围内。在一些实施例中，驱动电压可以在大约-15v到大约+15v的范围内。在另一些实施例中，驱动电压可以在大约-10v到大约+10v的范围内。在示例性实施例中，驱动电压可以在大约-7v到大约+7v的范围内。在又其他实施例中，驱动电压可以在大约-5v到大约+5v的范围内。在一些实施例中，用于驱动基于tir的图像显示器的pwm频率可以在约1000hz(周期为1ms)到约1hz(周期为1s)的范围内。在其它实施例中，pwm频率可在约1000hz(周期为1ms)到约10hz(周期为100ms)的范围内。在又其它实施例中，pwm频率可在约1000hz(周期为1ms)到约20hz(周期为50ms)的范围内。在示例性实施例中，pwm频率可在约200hz(周期为5ms)到约20hz(周期为50ms)的范围内。在一些实施例中，基于tir的图像显示器可由占空比在约0-100％范围内的至少一个周期驱动。在示例性实施例中，本文描述的用于驱动基于tir的图像显示器的pwm驱动方法可以大致为直流(dc)平衡的。直流平衡的显示器基本防止显示器内的电荷积聚，这可进一步防止显示器组件的退化。

在一些实施例中，可以通过电压调制来驱动基于tir的图像显示器。电压调制(vm)也可称为幅度调制。图3a示意性地示出了利用电压调制来驱动基于tir的图像显示器的波形的示例。vm的驱动方法利用变幅的电压脉冲来驱动显示器。脉冲宽度(即施加电压的持续时间)是恒定的。图3a中的示例示出了驱动本文先前描述的基于tir的显示器的示例。图3a所示的数据示出了在一段时间(毫秒)内驱动电压(v)与反射率(％)的函数关系。在本例中，电泳移动粒子包含正电荷极性。用于施加包括在图3a的图左侧的主y轴上显示的±7v驱动电压的波形的驱动电极是后电极。在一些实施例中，驱动电极可以是前电极。驱动电压用虚线(---)表示。每个电压施加大约一秒钟。当施加正电压时，带正电的粒子沿着从后电极向前透明电极的方向移动，并进入高折射率突起110和低折射率介质118的界面附近的消逝波区域。在该位置，粒子可抑制tir并吸收入射光，从而导致显示器中像素处的暗态。这通过图1中的入射光线134、136来说明。其结果是，如在图3a的图右侧的第二y轴上所示，反射率(％)降低。反射率(％)用实线表示，并覆盖在驱动电压(虚线)上。

当施加负电压(例如图3a中的图所示的-7v)时，带正电的粒子朝向后驱动电极离开消逝波区域。当粒子离开消逝波区域时，允许入射光在显示器中的像素处完全内部反射(如图1中的光线138、140所示)。其结果是，如图3a的图右侧的第二y轴所示，反射率(％)增加到约43-44％。在示例性实施例中，在驱动波形之后，pwm还可用于保持光学状态。

图3b示意性地示出了利用电压调制来驱动基于tir的图像显示器以实现包括基本黑色、基本白色和各种灰度/状态的不同光学状态的波形的示例。图3b所示的数据示出了在一段时间内作为驱动电压(虚线)的函数的反射率(％)(实线)。在本例中，反射率(％)在电压以0.1v为增量从0v循环到1.5v和从0v循环到-1.5v时被调制。每个电压施加大约一秒钟。当在0v到-1.5v的范围内施加电压时，带正电的粒子朝向后驱动电极移动并离开消逝波区域。这会导致具有43％的反射率的亮态。当施加电压为0v至+1.5v范围内时，带正电的粒子朝向前透明电极移动远离后驱动电极并进入消逝波区域。这会导致tir的抑制和显示器像素处的暗态。如在图3b的图中可进一步得知，当施加的电压在1秒的脉冲宽度下从0v以增量方式增加到1.5v时，相应的反射率(％)的值以增量方式减小。当驱动电压从0v降低到约-1.5v时，暗态反射率从43％下降到约19％。

在一些实施例中，vm驱动显示器中的驱动电压可以是0v。在其他实施例中，vm驱动的基于tir的显示器中的驱动电压可以在大约-15v到大约+15v的范围内。在又其他实施例中，vm驱动的基于tir的显示器中的驱动电压可以在大约-10v到大约+10v的范围内。在示例性实施例中，vm驱动的基于tir的显示器中的驱动电压可以在大约-8v到大约+8v的范围内。在示例性实施例中，vm驱动的基于tir的显示器中的驱动电压可以在大约-5v到大约+5v的范围内。在一些实施例中，使用vm的施加电压可以以大约0.001v或更大的增量施加。在其他实施例中，使用vm的施加电压可以以在大约±0.001-15v范围内的增量施加。在又其他实施例中，使用vm的施加电压可以以在大约±1-10v范围内的增量施加。在一些实施例中，在vm驱动的基于tir的图像显示器中从一个电压切换到另一个电压的速度可以在大约0.001秒或更大的范围内。在其他实施例中，在vm驱动的基于tir的图像显示器中从一个电压切换到另一个电压的速度可以在大约0.001-10秒范围内。在又其他实施例中，在vm驱动的基于tir的图像显示器中从一个电压切换到另一个电压的速度可以在大约0.001-0.1秒范围内。在示例性实施例中，本文描述的用于驱动基于tir的图像显示器的vm驱动方法可以是大致dc平衡的。在示例性实施例中，在驱动波形之后，vm还可用于保持图像。

图4以图形方式示出了不同振幅和脉冲宽度的驱动波形。图4中的图所示的驱动基于tir的图像显示器的方法是一种混合式方法，该方法包括pwm和vm的元件。图4中的示例波形最初包括一系列脉冲宽度约为10毫秒的-7v脉冲。在大约20.04s标记处，施加+10v电压脉冲约40毫秒的时间。接着是一系列持续约10毫秒的+7v脉冲。如图所示，波形可以包括一个或多个不同的电压幅度以及一个或多个不同的脉冲宽度。在示例性实施例中，基于tir的图像显示可由pwm和vm的组合驱动，以使电泳移动粒子移动进入或离开消逝波区域，以在一个或多个像素处调制光学状态。在示例性实施例中，在驱动波形之后，pwm和vm的方法还可用于将粒子保持在某个位置。在示例性实施例中，包含本文中描述的用于驱动基于tir的图像显示器的pwm和vm驱动方法的元件的混合式方法可以大致是dc平衡的。

在本文描述的示例性显示器实施例中，它们可用于物联网(iot)设备中。物联网设备可包括本地无线或有线通信接口，以与一个或多个物联网集线器(iothub)或客户端设备建立本地无线或有线通信链路。物联网设备还可以包括使用本地无线或有线通信链路与互联网上的物联网服务通信的安全通信信道。包括本文所述的一个或多个显示器设备的iot设备还可以包括传感器。传感器可以包括温度、湿度、光、声、运动、振动、接近度、气体或热传感器中的一个或多个。包括本文所述的一个或多个显示器设备的物联网设备可以与家用电器(诸如冰箱、冷柜、电视(tv)、闭路电视(cctv)、立体声系统、供暖、通风、空调(hvac)系统、吸尘机器人(roboticvacuum)、空气净化器、照明系统、洗衣机、烘干机、烤箱、火警警报器、家庭安全系统、游泳池设备、除湿器或洗碗机)交互。包括本文所述的一个或多个显示器设备的iot设备可以与健康监测系统(诸如心脏监测、糖尿病监测、温度监测、生物芯片转发器或计步器)交互。包括本文所述的一个或多个显示设备的iot设备可以与交通监控系统(诸如在汽车、摩托车、自行车、踏板车、海上运输工具、公共汽车或飞机中的系统)交互。

在本文描述的示例性显示器实施例中，它们可用于iot和非iot应用，例如(但不限于)，电子图书阅读器、便携式计算机、平板电脑、蜂窝电话、智能卡、标志、手表、可穿戴设备、军用显示应用、汽车显示器、汽车牌照、货架标签、闪存盘和户外广告牌或包括显示器的户外标志。显示器可以由电池、太阳能电池、风、发电机、电源插座、交流电源、直流电源或其他装置中的一个或多个供电。

本公开的示例性实施例涉及一种用于控制入射光线通过tir显示器的反射的设备和系统。图5示出了这样一个示例性实施例。具体地，图5示出了根据本公开的一个实施例的可在tir显示器中使用或与tir显示器一起使用的控制器500。控制器500可以包括与存储器520通信的处理器510。处理器510可包括硬件、软件或硬件和软件的组合。存储器520可包括硬件、软件或硬件和软件的组合。存储器510可包括可由处理器510执行以使显示器提供图像或者提供部分或完全内部反射的指令。指令可以包括可在处理器上实现或执行的非临时指令。在某些实施例中，存储器520与处理器510通信以使处理器510在tir处实现完全或部分内部反射。例如，存储器510可包括使处理器520实现以下步骤的指令：施加第一驱动电压以使电泳移动粒子在第一持续时间内从前电极向后电极移动；在第二持续时间内保持第一驱动电压；施加第二驱动电压以使电泳移动粒子在第三持续时间内从后电极向前电极移动；在第四持续时间内保持第三驱动。前电极可类似于上述(例如，包括多个半球形突起的)电极。处理器可施加第一驱动电压和第二驱动电压以在基于tir的显示器中使电泳移动粒子移动离开消逝波区域。

以下示例性和非限制性说明本发明的不同实施例。示例1涉及一种控制电泳移动粒子在tir显示器的前电极和后电极之间的介质中的移动的方法，前电极具有多个半球形突起，该方法包括：施加第一驱动电压使所述电泳移动粒子在第一持续时间内从所述前电极向所述后电极移动；在第二持续时间内保持第一驱动电压；施加第二驱动电压以使电泳移动粒子在第三持续时间内从后电极向前电极移动；在第四持续时间内保持第三驱动电压；其中，施加第一驱动电压和第二驱动电压的步骤使得电泳移动粒子在基于tir的显示器中移动进入和离开消逝波区域。

示例2涉及示例1的方法，其中，第一驱动电压在大约-15v至15v的范围内，并且其中第二电压在大约15v至-15v的范围内。

示例3涉及示例1的方法，其中，第二持续时间大致长于第四持续时间。

示例4涉及示例1的方法，其中，第二持续时间大致等于第四持续时间。

示例5涉及示例1的方法，其中，第二持续时间大致短于第四持续时间。

示例6涉及示例1的方法，其中，消逝波区域限定了邻近多个凸出的突起的区域。

示例7涉及示例1的方法，其中，施加第二驱动电压的步骤还包括：使电泳移动粒子从后电极向前电极移动，并且通过电泳移动粒子基本吸收消逝波区域处的入射光线。

示例8涉及示例1的方法，其中，施加第一驱动电压的步骤还包括使电泳移动粒子从前电极向后电极移动，并且使入射光线在消逝波区域处基本被反射。

示例9涉及示例8的方法，其中，入射光线在相应的凸出的突起处基本被反射。

示例10涉及示例1的方法，其中，驱动电压在像素处由至少一个tft控制。

示例11涉及一种控制电泳移动粒子在tir显示器的前电极和后电极之间插入的介质中移动的装置控制器，该控制器包括：处理器；与处理器通信的存储器，该存储器包括使处理器进行以下的指令：施加第一驱动电压使电泳移动粒子在第一持续时间内从前电极向后电极移动；在第二持续时间内保持第一驱动电压；施加第二驱动电压以使电泳移动粒子在第三持续时间内从后电极向前电极移动；在第四持续时间内保持第三驱动；其中，前电极包括多个凸出的突起，以及其中，处理器施加第一驱动电压和第二驱动电压以在基于tir的显示器中使电泳移动粒子移动离开消逝波区域。

示例12涉及示例11的装置，其中，第二持续时间大致长于第四持续时间。

示例13涉及示例11的装置，其中，第二持续时间大致等于第四持续时间。

示例14涉及示例11的装置，其中，第二持续时间大致短于第四持续时间。

示例15涉及示例11的装置，其中，消逝波区域限定了邻近多个凸出的突起的区域。

示例16涉及示例11的装置，其中，施加第二驱动电压的步骤还包括：使电泳移动粒子从后电极向前电极移动，并且通过电泳移动粒子基本吸收消逝波区域处的入射光线。

示例17涉及示例11的装置，其中，施加第一驱动电压的步骤还包括使电泳移动粒子从前电极向后电极移动，并且使入射光线在消逝波区域处基本被反射。

示例18涉及示例17的装置，其中，入射光线在相应的凸出的突起处基本被反射。

虽然本公开的原理已经相对于本文所示的示例性实施例进行了说明，但本公开的原理不限于此，并且包括其任何修改、变化或排列。