全内反射开关平板显示器的制作方法

专利名称：全内反射开关平板显示器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及一种光显示装置，且更具体地是平板显示器，在该平板显示器中通过启用和停用全内反射(TIR)来切换光，并且通过光学器件来引导经切换的光。
背景技术：
许多产品需要平板显示器来显示视频、计算机或其它数据。液晶显示器、IXD已成为在平板显示器中使用的主要技术。用于平板显示器的另一种不太常用的技术是等离子技术。用于较厚的平板显示器的其它已知的显示技术是背投类型的。对于非常大的显示器， LED的离散阵列是主要技术。这些显示技术用于许多类型产品中，包括蜂窝电话、膝上型计算机、计算机显示器、电视机、大型商用显示器和广告牌。即使更新技术的性能并不显著好于CRT，但曾经是主要技术的CRT类型的显示器已几乎消失。某些目前类型的IXD显示器还不能匹配CRT的刷新速率。基于LCD技术的显示器已发展了几十年。关于对基本技术的改进已提交了上千专利。但这些显示器的性能还是在许多方面欠缺。IXD显示器技术的第一个缺陷在于高能耗。65"对角HDTV(高清电视)的IXD电视机通常消耗约半千瓦。这是由技术的较低效率造成的。LCD需要偏振光来起作用。然而，由背光产生的约一半光在形成偏振光时被吸收。许多发明已建议减少这种损失。事实上，由于其它性能参数方面的降低或成本问题，制造商已实现的真正的改进很少。设计成循环利用不具有正确偏振的光的一种产品被称为ADBEF"并由明尼苏达州的明尼阿波利斯的 3M制造。促使IXD显示器效率低的另一因素是暗着的像素吸收光，而不是将光反射到另一
亮着的像素。IXD显示器的另一缺陷是它们在与滤色片一起使用时的限制。通常，红、绿和蓝滤色片用于产生颜色。这些滤色片不反射未使用的光，而是吸收这些光。例如红色滤色片吸收绿光和蓝光，同时只让红光通过。理论上，完美的蓝色滤色片将让33%的光通过。事实上，滤光片材料实现远小于理论的33%。光被吸收的另一地方是在滤色片之间的矩阵中。 用于控制像素的晶体管和电路需要矩阵区域。需要的区域相当大，这是因为一个像素需要三个晶体管，三种颜色中的每一种颜色都需要一个晶体管。同样，需要附加电路以驱动晶体管。滤色片之间的矩阵区域可吸收全部可见光的大约一半。当将所有这些和其它损失，诸如反射和材料吸收，考虑在内时，当所有像素都亮时，LCD板的效率可能仅为8%。通常，当产生图像时，图像的约一半像素是亮着的，且由于暗着的一半像素吸收而不是反射，所得的 IXD效率仅在4%范围内。这种较低效率需要与IXD显示器一起使用的背光较大且较强。用于显示器的主要灯技术是荧光型灯。这些灯相当有效但需要汞。汞产生处置问题。在许多情况下，汞终结于我们的食物链中。IXD技术的另一不足是刷新速率。只有在最近，IXD才能够等于CRT显示器的刷新速率。对于诸如移动视频的观看之类要求较高的应用场合，LCD的较低的刷新速率是明显的。LCD的其它问题是较差的对比率。当从离开垂直于显示器表面的位置观看时，这种对比问题加剧。LCD显示器的颜色质量受到由光源发出的光的波长和用于显示器的滤色片的特性所限制。这两个因素都导致显示器不能精确再现自然中感受到的颜色。IXD技术的另一不足是其受限的环境操作范围。液晶材料在高温和低温下都不能良好运行。用于极端环境的显示器经常被冷却或加热以使它们保持在适中的操作范围内。 在非优化环境中使用LCD的另一问题是当暴露于高湿度时LCD显示器所需的偏振膜劣化。 必须采取措施以减少这种特性的作用。在用于极端环境的显示器中，显示器和它们的偏振膜包装在玻璃窗中。等离子薄板显示器技术是用于大屏幕电视机的典型技术选择。等离子显示器也消耗相当大的电量。等离子电视机并不与LCD电视机持续一样久并经历“老化”。当亮的像素保持长时间亮着时，发生老化。这些像素失去其强度并随着时间变褪色。等离子技术的另一问题是成本。在电视机应用场合中，投影仪经常配置在背面投影构造中。对于使用投影显示的计算机显示器来说，更常使用正面投影模式。多数背面投影显示器和正面投影显示器使用MEMS镜阵列。在美国专利 4，566，935,4, 596，992,4, 615，595,4, 662，746,4, 710，732,4, 956，619 以及 5，028，939 中公开了 MEMS镜阵列，这些专利的发明人都是德克萨斯州的Larry Hornbeck，并且这些专利都转让给德克萨斯州的德克萨斯仪器公司(Texas Instruments (Tl))。TI技术使用改变它们相对于光路径的入射角的MEMS镜的阵列以将光从切断位置切换到导通位置。当镜子处于导通位置时，镜通过光路反射光。当镜处于切断位置时，光被反射到落在投影光学器件之外的路径。这实际上将光阀转换到切断状态。这种技术有许多不足之处。一个不足是透光率小于70%。为了允许改变镜子的角度定向，必须在相邻各镜之间有相当大的空间。所需要的间隙使许多光被浪费。此外，经反射的光被吸收到光阀中。吸收的能量使得让使用这种技术的开关装置进行冷却变成了一个挑战。在加利福尼亚州的橡木城的发明人Martin Selbrede的美国专利5，319，491中公开了另一平板显示器技术。该专利公开了改变弹性膜的形状以使光从光导中逃逸的方法。 较难控制弹性体的形状，因此较难控制光从像素的输出。光从像素的输出取决于光撞击膜的角度。光离开板的角度也偏离法线。通常，垂直于屏幕的光是你想要最大输出的定向。对比率受到弹性膜技术的限制。这种限制是由于光中的任何缺陷或光学器件让光逃逸。极小的缺陷会产生足够的光泄漏以导致当显示器主要为黑色时对比度较差。在较高的环境光条件下，对比度因另一因素而降低。这种因素是变形的弹性体将在一些情况下将环境光反射给观看者。在马萨诸塞州的波士顿的发明人Mark Miles的美国专利6，040, 937,6, 674，562、 6，867，896和7，124，216中公开了另一平板显示器技术。该发明控制光学元件之间的距离以控制像素的干扰特性。该技术只在反射模式下有效，并因此不适用于大多数的显示器的应用场合。为了产生红色、绿色和蓝色，需要三个光学开关。不仅需要三色的光学开关，还必须包括用于驱动开关的电子装置。最近，在美国公开20050M8827和20060070379中公开了另一显示器发明，这两个公开的发明人都是华盛顿州的Gary Starkweather并转让给了也是华盛顿州的微软公司。 这种技术类似于Hornbrook技术，因为它通过弯曲或移动镜来切换光。这种技术由于其较高的复杂度及因此高成本而受到影响。这种技术的优点是理论效率比大多数其它技术好。 但实际上，该技术需要经准直的背光源。这种类型的光源是低效率且高成本的。具有这种技术的显示器的成本将较高并且效率还是较差。此外，产生经准直的背光源需要显示器有相当大的深度。这种深度是消费者不期望的，且因此减少这种技术的市场。本发明采用微光学部件。与该领域相关的一些现有技术也应作讨论。日本的Akira Yamaguchi的并转让给富士胶片(Fuji Film)的美国专利6，421，103公开了用于IXD板的背光。该专利公开了光源、衬底、孔(不用作光导)和衬底上的反射区。光由反射面反射或穿过孔。穿过孔的光由透镜捕获并用于控制光的方向。Yamaguchi的文献示教了光的受限角度以将更多光直接聚集在LCD型显示器的观看者处。新泽西州的普林斯顿的Karl Beeson的美国专利5，396，350公开了具有用于从光导提取光的光学元件的光导。光学元件在板的观看者一侧，并具有控制光的方向的有限能力。该发明意在结合LCD型板以将光朝观看者集中。

发明内容
本发明是用于较薄平板显示器的光阀。平板显示器用于蜂窝电话、膝上型计算机、 计算机监测器、电视机和商用显示器中。本发明的光阀提取光或者允许光经TIR过程在光导中向上传播。光最初从光导的边缘射入光导中。然后，光通过在光导内表面反射而在光导中向上传播。如果光到达光导顶部，反射材料将光反射回光导底部。当光在光导中上下传播时，光将通常找到TIR开关的元件处于打开位置并且与光导接触的点。当开关元件与光导接触时，光从光导中被提取并照向使光重新照向观看者的光学系统。不与光导表面接触的开关元件不提取光。接触开关形成“亮的”像素，而不与光导接触的开关将形成“暗的”像素。附加的光学器件和掩模可添加到给定系统以提高对比率、视角和对于显示器的观看者来说重要的其它参数。通过连续用交替的光的颜色来切换像素，可用最小数目的开关来产生全色显示器。当全色域被馈送到光导中时，按顺序的切换允许颜色无过滤地呈现给观看者。本发明的一优点是它能够使平板显示器具有比现有技术的装置高得多的分辨率。
本发明的另一优点是该技术易于在平板显示器中制造。本发明的另一优点在于该装置比现有技术切换快得多，这是因为它需要光学器件的非常小的运动以完成切换。本发明的还有一个优点是它提供具有更高对比率的更好的颜色复制。本发明的又一优点是显示器在不理想的环境中可良好地工作。介于如在文中所述和在附图中所示对实施本发明的最佳已知模式的说明，本发明的这些和其它目标和优点将对于本领域的技术人员来说变得显而易见。


图1示出具有TIR开关技术的薄平板显示器的立体图。图2是图1中所示显示器的分解图。图3是从垂直方向转动到水平方向的图1中所示的显示器的左下角的放大剖面图。图4是TIR显示器的电子底板部件的俯视立体图。图5是图4中所示的底板部件的仰视立体图。图6是图3中所示的TIR显示器的膜部件的详图。图7示出组装有电子底板部件的膜部件。图8是与电子底板部件间隔开的膜部件的放大侧视图。图9是平板显示器的侧视图。为了清楚起见，显示器的一些部件并未示出。图10是包括若干光线迹线的显示器的侧视图。图11是包括若干光线迹线且TIR光阀关闭的显示器的侧视图。图12是光导、LED和光导反射器的压缩截断剖视图。图13是带有所有所述显示器部件的平板显示器的侧视图。图14是一小部分黑色掩模的立体图。图15是TIR开关膜部件和组装在一起的电子底板部件的放大侧视图。图16是颜色排序所需的控制电子装置的示意图。图17示出使用压电或电弹性体元件的平板显示器。图18示出带有固定反射器的平板显示器。
图19示出带有中空的固定反射器的平板显示器。图20示出技术的实施例。图21示出技术的实施例。图22A示出打开的窗。图22B示出关闭的窗。
具体实施例方式首先参见图1，本发明的IlR开关的较薄平板显示器1包括板区2。板区2具有沿下边缘设置的绿色LED3、蓝色LED4和红色LED5。LED3、4、5的数目和它们所在侧的数目取决于期望显示的尺寸、形状和用途。如果特定的应用场合需要，则LED3、4、5可以位于多于一条边缘上。LED3、4、5需要驱动电子装置以适当的时序和适当的电平来驱动它们。LED驱动电子领域的技术人员可设计许多不同的电路来完成该任务。在图1中所示的实施例中， 示出沿底边大体等间隔的27个LED3、4、5。由于IlR技术中固有的高效率，具有如此大量 LED的显示器将意在用于具有较高环境光的户外用途。意在用于较弱环境光的显示器将需要较少的LED3、4、5。图2是包括四个主要部件的板区2的分解图。掩模和扩散组件6形成板区2的前层。在掩模和扩散组件6后面是光导7。在光导7后面是TIR开关膜8。电子底板10位于开关膜8后面。所有四个主要部件6、7、8、10都具有与像素区11相同的面积。所需像素的数目取决于显示分辨率。图2中分解示出的四个主要部件6、7、8、10将如图1中所示在使用中彼此匹配。在图3中放大示出经匹配的组件的一个小角落的横截面。在图3中，示出绿色、蓝色和红色LED3、4、5与光导7的实际关系。端部反射板9 覆盖与LED3、4、5覆盖光导7相同的边。(在图12中更详细地示出反射板9，且下面将讨论其功能。)主要部件6、7、8、10的相对厚度可在图12中看到。对于给定显示器的不同尺寸和间距将改变主要部件6、7、8、10的相对厚度。现参见图4，电子底板10以与其在图3中相同的方向示出。用于电子底板10的衬底材料应当是绝缘材料。对于较大的显示器，玻璃纤维增强的PCB材料等作为衬底是期望的。对于较小的显示器，绝缘衬底材料可以是玻璃、硅或塑料。衬底材料并不必是光学透明的，因此有材料的多种选择。电子部件可位于电子底板10的平面表面21上。为了清楚起见，不在图4中示出那些部件。环形环22位于像素区的中心线附近。环形环22可由导电材料构成且一般较薄。 环形环凹穴23是用于与光学部件(下面讨论的)间隔开的凹陷区。环形环凹穴23也可由导电材料构成且较薄。如果任何电子装置位于电子底板10的背面，则需要至少一个馈通孔 24。馈通孔M示出成与环形环22同心，但并不要求同心度。馈通孔对可位于电子底板10 上的任何地方。馈通孔M具有一薄层的导电材料，其使环形环22连接到存在于电子平面 10的背面上的任何电子装置。应当予以注意，本显示用途所需的诸如晶体管、电容器或电阻器的任何电子部件可位于环形环22之间或在电子底板10的表面下方。现参见图5，在电子底板10的背面上可看见馈通孔对。底面的环形环25由一薄层的导电材料构成，以使馈通孔M具有导电性。导电迹线沈用于使底面环形环25连接到板的背面上的其它位置的电路。替代地，环形环25可连接到电连接器，该电连接器使环形环25与远处的PCB上的其它电子部件连通。电子布局和制造领域的技术人员可容易地限定电子装置的合适位置和类型，以减少整个系统的成本同时提高性能。在图6中示出IlR开关膜8。IlR开关膜8由透明的柔性型材料构成，诸如聚碳酸酯、聚酯、丙烯等。IlR开关膜8的顶面31紧邻光导7 (未在图6中示出)的表面，但在开关膜8的顶面31和光导7的表面之间有较窄间隙。接触拱顶32理想地位于像素区的中心。 (在图8中可更详细地看到接触拱顶32。)接触拱顶32较佳地在顶面上具有较浅的锥部和平坦区。平坦区的形状可与光导的对应部分匹配(即，匹配到光导的对应部分)。对于非常短的接触拱顶32，接触拱顶32根本不会有任何锥部。(没有锥部的接触拱顶具有能够用平板工艺形成的优点。具有锥形侧面的拱顶将最好用模制工艺来形成。)每个接触拱顶32 都包括反射器周界33。反射器周界33定位在开关膜8的背面上，但在图6中可见，这是因为TIR开关膜8是透明的。IlR开关膜8非常薄以使其可易于挠曲。开关膜8的厚度比反射器周界33的直径的十分之一小。间隔柱(spacer post) 34是TIR开关膜8的另一主要元件。间隔柱34位于各接触拱顶32之间。间隔柱34保持开关膜8和光导7之间的较窄间隙60(图15中可见)。间隔柱34在图6至8中示出为正方形，但也可采用其它形状。间隔柱34向下延伸穿过开关膜8并伸出底面以形成底部间隔柱34’。在图8中可最为容易地看到底部间隔柱34’。图7示出组装到电子底板10的TIR开关膜8。可以通过透明的TIR开关膜8看见电子底板10上的环形环22。电子底板10和TIR开关膜8的像素特征的中心线一般是对齐的。图8示出电子底板10和IlR开关膜8的分解侧面剖视图。在图8中，环形环凹穴 23示出为球形。环形环凹穴23的形状可以是矩形、梯形或不规则形状。环凹穴23的形状对本发明的光学功能没有作用。反射器35容纳于环凹穴23中。反射器35的形状被描述成大体为球形，这是对于许多应用场合都可接受的反射器形状。然而，在大多数显示器的应用场合中，反射器35的理想形状可以是非球形的。反射器35的特定最优非球形的形状与拱顶的直径、拱顶的锥度、拱顶相对于非球形反射器的位置、各种部件的折射率以及反射器 35的直径有关。此外，反射器35的制造方法会对为反射器35选择的形状有实际作用。反射器的设计领域的技术人员可设计满足给定总显示器的具体设计目标的反射器形状。底部间隔柱34’由间隔柱34的下端形成。底部间隔柱34’的底面与电子底板10 的平面表面21接触并与其粘结。间隔柱34的顶面粘结到光导7。用于这种粘结的粘合剂应具有较低的折射率。如果粘合剂的折射率太高，则光导7的匹配面将需要涂敷有低折射率的材料。图9示出粘结到光导7的TIR开关膜8。接触拱顶32与光导7接触。在光导7 涂敷有低折射率的材料的那些情况下，接触拱顶32与光导7接触的区域必须没有低折射率的材料。下面参见图10，光线41源自绿色LED3。光线41在光导7的膜侧表面42反射。光线41的这种反射是全内反射、I1R。当从垂直于膜侧表面42到光线方向的角度，角度ΑΑ@， 比与光导表面相邻的材料的折射率ANs 与光导材料的折射率ANIg"之商的反正弦小时， 发生TIR。对于光导由丙烯酸制成且相邻材料是空气的情况，角度A将会是角度A = arcsine(l/l. 5) = 41. 8°，对于 Ns = 1 且 NIg = 1. 5如果内角A小于41.8°，则光线在内表面反射。如果角度A大于41.8°，则光线经过表面并折射成不同的角度。有三种不同材料彼此相邻的情况，且角度A对于所有三种情况都是不同的，这三种情况是情况1是当光导(折射率1. 5)与空气(折射率1)相邻时，情况2是当光导(折射率1. 5)与接触拱顶(折射率1. 5)相邻时，情况3是当光导(折射率1. 5)与低折射率材料(折射率1. 35)相邻时，计算这三种情况的角度A :A = arcsine(Ns/NIg)情况1，对于 Ns = 1，NIg = 1. 50 A = arcsine(l/l. 50) = 41. 8°，情况2，对于 Ns = 1. 50，NIg = 1. 50 A = arcsine(l. 50/1. 50) = 90°，
情况3，对于 Ns = 1. 35，NIg = 1. 50 A = arcsine(l. 35/1. 50) = 64. 2°。从这三个计算中可看到，当光线41的进入角小于偏离垂直于光导7表面62. 5° 时，光将继续在光导7向下反射。情况1和情况3是光将TIR的状况。在情况2下，光并不 TIR(全内反射)。光穿过光导7的表面，并沿其初始路径穿过接触拱顶32。应当予以注意，光导7和接触拱顶32可以不具有相同的折射率。如果折射率不相等，将在光导7和接触拱顶32的界面处发生一定折射。材料之间的折射率之差决定折射量。 较佳地，接触拱顶32的折射率大于光导7的折射率。如果接触拱顶32的折射率小于光导 7的折射率，则以垂直于光导7表面的较大角度传播的一些光将IlR且不穿到接触拱顶32。为了使三类角度A与图10相关联使用空气折射率从膜侧表面42的反射是光线 41的第一 TIR反射。这种反射将受情况1的等式所限制。低折射率的IlR反射44是第二光线43的IlR反射，并受情况3的等式所限制。第三内部光线45到达匹配折射率的点46 且不经历TIR。光线45穿过光导7和接触拱顶32材料而不反射，假设当光线45照射到该点上时，接触拱顶32与光导7接触。应当注意，接合必须没有间隙。即使较小的空气间隙也将破坏光的传导。较小的间隙可由表面加工时的较小变化或甚至由较小的外部颗粒产生。 在接触拱顶32的表面或光导7的表面上添加较薄一层透明弹性材料确保中断不会发生并且光将如期望地进行传导。光线45继续超出接触拱顶32并从反射器35的表面反射。反射器35较佳地涂敷有高反射率材料，诸如铝、银或电介质涂层。反射器35表面的轮廓确定经反射的光48的方向。如上讨论地，有一定轮廓的反射器35较佳地呈非球形。图11示出与图10中所示相同的元件，但在图11中，接触拱顶32不与光导7接触。 当接触拱顶32不与光导7的表面接触时，光导7表面处的折射率是空气的折射率。在这些条件下(情况1)，光在光导7的表面TIR。光线49继续沿光导7的表面TIR，直到光线49 照射到与光导7接触的接触拱顶32上为止。总而言之，当与一特定像素相关联的接触拱顶 32与光导7的表面接触时，该像素处于亮的状态。当接触拱顶32不与光导7接触时，像素是暗的。图12以侧面放大图示出光导7、LED3和端部反射器9和9’。端部反射器9、9’较佳地由具有高反射率的材料构成。端部反射器9、9’可以是干扰型或金属反射器，或者端部反射器9、9’可以是带角度的后向型反射器。光将经常从LED3在光导7的长度上传播，并且不碰到处于打开位置的接触拱顶 32。因此，光将TIR并将不从光导7中被提取。在这种情况下，光继续沿光导7的全长传播直到光到达光导7的远端，并从端部反射器9 =反射。这种反射使光沿相反方向经过光导 7再反射回。然后，光沿光导7的长度返回传播，并假定光碰到未激活的接触拱顶32，光将返回到光导7的第一端，LED3、4、5位于该第一端的端部上。在第一端处，光将碰到LED3、4、5之间的区域或光将碰到LED3、4、5。当光碰到 LED3、4、5之间的区域时，光将被端部反射器9反射。如果IlR平板显示器1仅具有少数 LED3、4、5，则光将几乎总是从高反射率的端部反射器9反射出。在一些情况下，光将从 LED3、4、5反射出。LED3、4、5将吸收一部分光，且剩余的光将被反射。在光被接触拱顶32 提取前，光可在光导7中多次上下传播。这将是当仅有少数接触拱顶32打开并提取光时的情况。如果许多接触拱顶32打开且与光导7接触，则光产生多于一条或两条沿光导7的通路的可能性较小。即使有大量反射且光产生多条沿光导7的通路，光的损失也较小。端部反射器9、9’可具有98%或更好的反射效率，且良好质量的光导材料吸收非常少的光。现参见图13，掩模和扩散组件6安装在板区2之上。掩模和扩散组件6是多层组件，其包括低折射率层51、间隔板52、掩模板53、第一扩散件55、第二间隔件56和第二扩散件57。低折射率层51较薄且具有较低折射率。空气间隙或真空层可用作低折射率层51， 但由较低折射率的固体材料来形成低折射率层51经常有益于装置的组装。低折射率层51 将通常是将间隔板52固定到光导7的粘合剂。在要求极薄显示器的应用场合中，低折射率层51和间隔板52可组合成一个元件，即较厚的低折射率层51。然而，对于较大的显示器， 使用两种不同材料来形成低折射率层51和间隔板52更有益处。两薄层，即掩模板53和第一扩散件55定位在间隔板52和第二间隔件56之间。掩模板53包含多个隙孔54(见图15)以允许经反射的光48穿过掩模板53。掩模板53的其余区域较佳地是高吸收的黑色材料。黑色铬、炭黑或有机材料是将用作掩模板53的合适材料的三种材料类型。当有环境光时，掩模板53增加显示器的对比率。掩模板53吸收否则将从TIR开关膜8或其任何部件反射的光。对于成本比质量重要的不昂贵的显示器，可以除去掩模板53。当显示器仅用于低环境光照条件时，也可除去掩模板53。弱环境光的环境的例子将是电影院。第一扩散件55是用于使来自反射器35的光发散的选配扩散件。对于较小的显示器，可以不需要第一扩散件阳，但对于具有较大像素的显示器，应当包括第一扩散件阳。还应当予以注意，掩模53和第一扩散件55的位置可以反过来，而不影响显示器的功能。第二间隔件56允许从反射器35射出的光开始发散出去。第二扩散件57用于使光发散到更远，因而，观看者可处于远离垂直于显示器的某一位置并且还可看见来自反射器35的光。对于不同类型的显示器，包含到第二扩散件57中的扩散的量和方向将变化。例如，较小的蜂窝电话显示器通常具有沿垂向和水平方向的较小的观看角度。电视机通常具有沿水平方向较大的观看角度，但沿垂向的观看角度并不大。现参见图15，IlR开关膜8组装到电子底板10。在开关膜8和电子底板10之间有由间隔柱34保持的较小的空气间隙60。电子底板10的环形环22紧邻TIR开关膜8的底面36。底面36涂敷有导电层62。为了便于制造，导电层62可以是反射器35的表面的延续。当导电层62和环形环22带有电荷时，产生静电力。当电荷极性相同时，这些表面彼此排斥。当电荷极性相反时，这些表面彼此吸引。因此，通过控制这些表面(导电层62和环形环2 的相对电荷，接触拱顶32可被驱动抵靠光导7的表面或不与其接触(未在图15 中所示)。为了保持两个带电荷的表面不短路，两个带电荷的表面的任一个或两个表面涂敷有绝缘层。应当予以注意，静电力并不是可用于控制接触拱顶32与光导7的表面接触的唯一手段。另一种方法将是使用压电材料。另一个方法将是使用磁力学。致动装置领域的技术人员可设计多种方式来改变接触拱顶32的位置。此外，有可设计用于驱动致动器的无数种电子电路。图16示出用于在像素处产生颜色的电路的示意图。为了在像素n，m处为观看者产生绿色图像，像素n，m的开关运动到使接触拱顶32与光导7接触的状态，且用于绿色LED3的驱动器是导通的。蓝色和红色LED4、5并不导通。(这种情况的一个例外是如果显示器仅产生黑白图像。则所有三个LED3、4、5将同时导通。替代地，可使用白色LED。)与像素n， m相关的接触拱顶32保持与光导7接触合适的时间段，以允许期望的光量离开像素，从而产生对于观看者来说期望的强度。为了产生蓝色的显示内容，当蓝色LED4导通时，接触拱顶 32被置于与光导7接触。接触拱顶32在产生观看者所需的特定强度所需的时间内保持接触。以类似方式产生红色。为了产生次级颜色或白色，当LED3、4、5的两个或三个导通时， 接触拱顶32被置于与光导接触两个或更多个周期。例如，为了在像素处产生黄色图像，当红色LED3导通时，则接触拱顶32将提取来自光导7的光。在红色LED3熄灭后，蓝色LED4被导通。接触拱顶32在蓝色LED4导通的过程中不提取光。绿色LED5将在蓝色LED4熄灭后导通。当绿色LED5导通时，接触拱顶32 又将使光可以到达观看者。这将每秒上百次地发生在人类眼睛内，从而将红色和绿色集成为黄色。接触拱顶32使光到达观看者的时间长度决定亮度。通过改变红色和绿色的各个周期，可控制黄色的色调。可添加某些蓝光以降低黄色的饱和度。应当予以注意，LED通常不发射较大范围的光的波长。高质量的显示器可包括带有在主要RGB的LED之间的波长的LED。例如，橙色、青色和黄色。通过加入这些额外的波长，可使TIR显示器的光谱输出匹配于观看者在真实世界中看到的内容。需要非常少的附加电路来增加这种改善的性能。还应当予以注意，需要电子装置来控制本发明LED和开关。还需要电子装置使光学元件的操作关联到计算机、电视机或其它类型的视频信号。为通过多路复用颜色而及时产生颜色的显示系统而产生这种类型的控制电子装置。本领域的技术人员将能够设计许多方式来完成该任务。本发明的创新部分是光学开关和光学器件，并不是电子部件的构造。图17示出使用压电材料70作为致动机构的装置。本实施例示出附连于反射器表面35的致动材料70。借助于与用于驱动静电力开关机构相同类型的电子底板10来驱动压电材料70。通过改变压电材料70的高度，反射器表面35及因此接触拱顶32可打开或关闭。在图18中示出装置的另一构造，其示出安装在弹性开关膜8上的带角度锥体80 上的接触拱顶32。当反射器尺寸较大时，这种构造是较佳的。反射器将是固定的，且具有略微大于安装在开关膜8上的带角度锥体80的带角度锥体凹入区82 (relieved area) 0凹入区82为带角度锥体80和接触拱顶32提供间隙，以移动到与光导7接触并远离光导。图19示出反射器区35’没有材料且将是空气或真空的装置的一种构造。反射器区35’还将用于反射光。图20示出一种实施例。光2000可经光导2010传输。光导2010可具有第一折射率并可包括光导2010和具有第二折射率的另一介质(例如，固体、液体、空气或甚至真空) 之间的一个或多个表面。这些表面可以是大体平面的、弯曲的、拉长的(例如，具有比另一尺寸大得多的尺寸，诸如10倍大或甚至100倍大)和其它形状。光导2010可包括构造成接收来自光源(未示出)的光的第一表面1020、第二表面2030(例如，光可从该表面离开光导2010)以及与各种光控装置相关联的第三表面2040，光控装置诸如是通到接触拱顶的窗。光导2010可包括一个或多个第四表面2050。在一些情况下，第四表面2050可接收来自光源的光。在一些情况下，第四表面2050可以是至少部分镜像的。在某些实施例中，第四表面2050可包括全反射镜，该全反射镜可使从光导2010内入射到第四表面上的光反射回光导2010中。光导2010的特征在于一个或多个长度，诸如长度2012和厚度2014。可根据各种应用说明来选择长度(例如，蜂窝电话屏幕、家用照明形状因素、电视机尺寸等)。可以根据各种材料特性来选择长度(例如，可根据光导2010的折射率、光导2010内与IlR相关的角度、离开光导2010的光的质量的说明(例如，光在垂直于第二表面2030的几度之内的要求)等来选择厚度2014)。来自光源的光可以经第一表面2020传输到光导2010中。第一表面2020可以是至少部分地反射的(例如，半反射镜)，且可以构造成将从光导2010内到达第一表面2020 的光反射回到光导2010中。第一表面2020可以是平的、弯曲的或其它形状的。第一表面 2020可以相对于光导2010的一个或多个其它表面成角度2022而设置。角度2022可在 45°到135°之间、在70°到110°之间和/或在80°到100°之间。在一些情况下，可根据在光导2010中内反射的各种预测角度来选择角度2022。来自光源的光可以经第四表面2050传输到光导2010中。第四表面2050可以是至少部分地反射的(例如，半反射镜)且可以构造成将从光导2010内到达第四表面2050 的光反射回到光导2010中。第四表面2050可以是平的、弯曲的或其它形状的。第四表面 2050可以相对于光导2010的一个或多个其它表面成角度2052而设置。角度2052可以在 45°到135°之间、在70°到110°之间和/或在80°到100°之间。在一些情况下，可根据在光导2010中内反射的各种预测角度来选择角度2052。一些表面(例如，第一表面2020和/或第四表面2050)可构造成将(从光导2010 内入射到该表面上的)光以一种或多种较佳的方向反射回光导2010中。在一些情况下，表面可以如下方式反射光，即，使经反射的光不期望地传输到光导2010外的情况最少化。在某些情况下，光可以比与从另一表面(诸如，第二表面2030和/或第三表面2040) TIR相关的入射角小的角度进行反射。一些表面(例如，第三表面2040和/或选择性地第二表面2030)可包括“镜子”， 这些镜子的反射率取决于(例如，从光导2010内)入射光的入射角。可以通过控制表面的任一侧上的折射率来产生反射率的角度依存性。还可通过其它方法来产生反射率的角度依存性，诸如表面的纳米结构、使用表面涂敷等。在一些情况下，表面设计成入射光以较低的入射角(例如，低于45°、低于30°、低于20°或者甚至低于10° )被反射。在一些情况下，表面设计成入射光可以较高的入射角(例如，垂直于表面，垂直于表面的2°内、垂直于表面的10°内和/或垂直于表面的20°内)穿过表面。光导2010的表面可包括一个或多个窗2060，这些窗可经由各种致动机构打开或闭合。诸如，窗2060可用作光阀。在图10中所示的例子中，窗2060设置在第三表面2040 内，且光经由第二表面2030离开光导2010。一些实施方式包括数十个、数百个、数千个、数百万个或即使数十亿个窗2060。某些实施方式包括一个、两个、三个、五个或十个窗2060。 窗2060的特征在于一个或多个尺寸2062，诸如长度、宽度、半径和/或表征窗2060的各个方面的其它尺寸。窗2060的特征可以是对基本上所有入射光都是“透明的”，并且可允许将光从光导2010的“本体”内传输到其它结构(诸如，接触拱顶、反射器等)。可以通过使接触拱顶与一表面接触来形成窗。打开的窗可允许光穿入接触拱顶，光可在接触拱顶处被反CN 102395922 A
说明书
11/12 页
射器反射。移除接触拱顶(产生间隙)可“关闭”使光穿入的窗。反射器可以呈多种形状(抛物线的、椭圆形的、直的、弯曲的、平的和其它形状)。 窗可具有与入射光的不同定向相关联的不同的反射器。例如，可以根据从与第一表面2020 相关的方向入射的光的优选接收来选择反射器2070的形状。为了使光穿过窗到达一个或多个反射器而设置窗2060。在图20中所示的例子中，反射器2070设置在反射入射光的位置。反射器一般是全反射镜(例如，呈完全和/或镜面反射)。反射器的特征可以是一个或多个尺寸。在图20中所示的例子中，反射器的特征可以在于尺寸2074和2078，并且可选择性地是(例如，垂直于页面的)其它尺寸。在图20中所示的例子中，第三表面2040通过由表面的任一侧上的不同折射率引起的反射率起到与角度相关的镜子的作用。这种实施方式可以包括设置在由与光导2010 相同材料制成的接触拱顶2080上的反射器2070。接触拱顶可由致动器(未示出)致动以沿方向2090运动，从而通过沿方向2090致动接触拱顶2080来提供打开(接触光导2010) 和关闭(不接触光导2010)。第三表面2040的反射部分可包括空气间隙，且窗2060可在接触拱顶2080和光导 2010的“本体”之间包括光学透明的接触件，其包括使用平滑、平面的匹配表面。在第三表面2040上具有较浅的入射角(即，相对于表面法线具有比A大的角度)的光可从第三表面 2040反射。穿过打开的窗2060的光(例如，光2000)可被反射器(例如，反射器2070)朝表面(例如，第三表面2040)反射回。这种反射可导致经反射的光2000相对于第三表面2040 和/或第二表面2030具有较大的入射角，这会导致光从光导2010中穿出(例如，经由第二表面2030)。在图20中，通过相对于表面法线比TIR角A小的角度来示意地示出这些角度。可根据应用要求来选择各种尺寸(例如，2062、2070、2074、2014等)。例如，当圆形窗2060的半径2062减小时，穿过窗2060的光会越来越表现得好像从“点源”到达反射器2070，这可提供反射器2070的特定几何形状的利用(例如，抛物线形)，这种几何形状导致光以基本上垂直于第二表面2030的角度经由第二表面1030离开光导2010。图21示出一个实施例。光2100可由光导2110引导。光导2110可包括表面2130 和表面2140。表面2140可以是至少部分反射的，且可反射以比与IlR相关的角度A浅(相对于表面)或大(相对于表面法线)的入射角到达的入射光。在一些情况下，表面2140由空气间隙来界定。表面2140可包括窗2160，该窗可以与可安装到接触拱顶的反射器2170光学连通。 致动接触拱顶可打开窗2160，从而允许光从光导2110穿到反射器2170，光可在反射器处被反射并返回穿过光导2110。反射器2170的特征可在于尺寸2172。在一些实施例中，尺寸 2172可以约等于构造成显示由光导2110引导的光的显示装置的像素尺寸(例如，在像素尺寸的lO^j^d^或甚至的范围内)。在一些实施例中，光源提供由光导2110引导的光。在某些情况下，与显示装置相关的每个像素都可与窗2160和/或反射器2170相关联。表面2130可包括“透镜”或与光经表面2130的传输相关的其它形状。在一些情况下，该透镜的形状可选择成修改光从表面2130的透射角。例如，中度发散的光可修改成变得和与光导2010相关的平面平行和/或垂直。图22A和22B示出打开和关闭的窗。在图22A中，接触拱顶2080与光导2010接触，从而允许光2000经由打开的窗2060穿入接触拱顶2080。然后，光2000以使经反射的光穿过光导2010传输的入射角被反射器2070反射回到光导2010中，从而经由表面2030 离开光导2010。在图22B中，接触拱顶2080并不与光导2010接触，且窗2061对于至少低角度的光通过是“关闭”的。结果，可能已穿过(打开的)窗的光2000可以在光导2010中进行内部反射，且可以不离开光导2010(例如，在如图22k中所示的表面2030处)。图22B还示出与接触拱顶2080相关的匹配面2222。在一些实施例中，匹配面可以与光导表面(诸如表面2040)的至少一部分互补(即，匹配)。两本体之间的匹配面可形成光学透明的窗，该窗基本上允许光以任何入射角通过。打开匹配面2222和对应的表面 2040之间的间隙(例如，通过致动接触拱顶2080)在对应表面2040处会打开空气间隙，这会导致该区域变成反射性的(例如，引起入射于该区域上的光进行TIR)。上述公开并不意为限制性的。本领域的技术人员将容易地观察到在保留本发明的讲授内容的同时对本装置作出的多种修改和变化。因此，上述公开应被理解为仅由所附权利要求书的限定内容来限定。
权利要求
1.一种系统，包括光导2010，所述光导包括第一表面2020，所述第一表面构造成接收来自光源的光2000 ；第二表面2030 ；以及第三表面2040 ；接触拱顶2080，所述接触拱顶包括匹配面2222，所述匹配面构造成与第三表面2040的至少一部分匹配，从而当所述匹配面与所述第三表面匹配时，所述匹配面形成光学透明的窗2060 ；与所述匹配面2222光学连通的反射器2070，所述反射器2070具有构造成以如下角度反射从窗2060入射到所述反射器2070上的光2000的至少一部分的形状，所述角度导致经反射的光2000的至少一部分穿过所述第二表面2030传输；以及致动器，所述致动器附连于所述接触拱顶2080和光导2010中的任一个，所述致动器构造成使所述匹配面2222与第三表面2040接触，并使所述匹配面2222移离第三表面2040。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一表面2020和第三表面2040中的任一个表面反射以如下入射角从光导2010内到达的光，所述入射角比与光通过所述表面在光导 2010内的全内反射相关的角度小。
3.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，当所述匹配面2222与第三表面2040接触时，打开的窗2060对于从任何角度到达所述窗的光来说是透明的。
4.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，第一尺寸2012比第二尺寸 2014大100倍以上。
5.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，与窗2060相关的第一尺寸比与窗2060相关的第二尺寸大10倍以上。
6.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，与反射器2070相关的第一尺寸比与反射器2070相关的第二尺寸大10倍以上。
7.如权利要求5和6中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一尺寸比对应的第二尺寸大100倍以上。
8.如权利要求1至5中的任一项所述的系统，其特征在于，所述窗2060是圆的。
9.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，反射器2070的曲率的至少一部分的特征为抛物线的。
10.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，反射器2070的曲率的至少一部分的特征为椭圆形的。
11.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，反射器2070的曲率的至少一部分的特征为平面的。
12.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述致动器包括一个或多个环形环。
13.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述致动器包括压电致动ο
14.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述接触拱顶2080设置在 TIR开关膜8上。
15.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述IlR开关膜8和所述接触拱顶2080由相同材料制成。
16.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述接触拱顶2080具有比所述光导2010大的折射率。
17.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述接触拱顶2080和所述光导2010的折射率之差小于10%。
18.如权利要求中1至15中任一项所述的系统，其特征在于，所述接触拱顶具有与所述光导2010相同的折射率。
19.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，经由第二表面2030传输的所述光以第二表面2030的法线的20°范围内的角度传输。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述角度在法线的5°范围内。
21.如前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，与所述接触拱顶2080和匹配面2222中的任一个相关的尺寸选择成与和包含光导2010的显示屏相关的像素尺寸大致相等。
22.—种显示部件，包括 光源；以及根据前述权利要求中的任一项所述的系统，所述系统构造成控制来自所述光源的光的发射。
23.一种包括根据权利要求1至21中任一项所述的系统的显示装置。
24.一种对光阀进行操作的方法，包括使用根据权利要求1至21中任一项所述的系统。
25.—种显示装置，包括 光源，光导，以及允许从所述光导选择性地提取光的多个光学元件；其中， 从所述光源投射出的光通过全内反射经所述光导传播，当经所述光导传播的光与处于打开位置的一个所述光学元件接触时，光经由所述光学元件从所述光导中被提取，所述光经由所述显示装置照向观看者，以及当经所述光导传播的光与处于关闭位置的一个所述光学元件接触时，所述光通过全内反射继续经所述光导传播。
26.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于所述光学元件通过所述光学元件与所述光导的物理接触而被置于所述打开位置，以及所述光学元件通过在所述光导表面附近保持较低折射率而被置于所述关闭位置，所述光导的所述表面由此保持全内反射。
27.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于所述光学元件通过所述光学元件与所述光导的物理接触而被置于所述打开位置，至少一个所述光学元件与所述光导的接触点产生使所述光导内的全内反射终止的材料的中断。
28.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于所述光学元件通过静电力在所述打开位置和所述关闭位置之间运动。
29.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于所述光学元件与所述光导的物理接触发生在与所述光导的输出侧相对的一侧上。
30.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于所述光学元件与所述光导的物理接触发生在与所述光导的输出侧相对的一侧上。
31.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于所述光的选择性提取发生在所述光导和控制电子板的界面处。
32.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于所述光的选择性提取发生在所述光导和控制电子板的界面处。
33.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于所述光的选择性提取发生在所述光导和控制电子板的界面处。
34.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色和蓝色光。
35.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色和蓝色光。
36.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色和蓝色光。
37.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色、蓝色、黄色和青色光。
38.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色、蓝色、黄色和青色光。
39.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色、蓝色、黄色和青色光。
40.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生白色光。
41.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生白色光。
42.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生白色光。
43.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于由吸光材料制成的掩模板定位在所述光导和所述显示装置的输出之间，所述掩模板包括允许光穿过所述掩模板的多个孔，所述掩模板由此增大所述显示装置的所述输出的对比率。
44.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于由吸光材料制成的掩模板定位在所述光导和所述显示装置的输出之间，所述掩模板包括允许光穿过所述掩模板的多个孔，所述掩模板由此增大所述显示装置的所述输出的对比率。
45.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于由吸光材料制成的掩模板定位在所述光导和所述显示装置的输出之间，所述掩模板包括允许光穿过所述掩模板的多个孔，所述掩模板由此增大所述显示装置的所述输出的对比
46.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于至少一层扩散层定位在所述光导与所述显示装置的输出之间，所述扩散层使所述显示装置的所述输出发散，以提高所述输出从垂直于所述输出移位的角度的可视性。
47.如权利要求沈所述的显示装置，其特征在于至少一层扩散层定位在所述光导与所述显示装置的输出之间，所述扩散层使所述显示装置的所述输出发散，以提高所述输出从垂直于所述输出移位的角度的可视性。
48.如权利要求27所述的显示装置，其特征在于至少一层扩散层定位在所述光导与所述显示装置的输出之间，所述扩散层使所述显示装置的所述输出发散，以提高所述输出从垂直于所述输出移位的角度的可视性。
49.一种显示装置，包括 光源，光导，以及允许从所述光导选择性提取的光的多个光学元件；其中， 从所述光源投射出的光通过全内反射经所述光导传播，以及每个所述光学元件包括反射区，所述反射区将来自所述光导的光指向所述显示装置的输出侧上的观看者。
50.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于当经所述光导传播的光与处于打开位置的一个所述光学元件接触时，光经由所述光学元件从所述光导被提取，所述光通过所述显示装置指向观看者，以及当经所述光导传播的光与处于关闭位置的一个所述光学元件接触时，所述光通过全内反射经所述光导传播；以及每个所述光学元件通过所述光学元件与所述光导的物理接触而被置于所述打开位置， 所述光学元件与所述光导的接触点产生使所述光导内的全内反射终止的材料的中断。
51.如权利要求50所述的显示装置，其特征在于所述光学元件通过静电力在所述打开位置和所述关闭位置之间运动。
52.如权利要求51所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色和蓝色光。
53.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色和蓝色光。
54.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色、蓝色、黄色和青色光。
55.如权利要求50所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生红色、绿色、蓝色、黄色和青色光。
56.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生白色光。
57.如权利要求50所述的显示装置，其特征在于 所述光源产生白色光。
58.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于由吸光材料制成的掩模板定位在所述光导和所述显示装置的输出之间，所述掩模板包括允许光穿过所述掩模板的多个孔，所述掩模板由此增大所述显示装置的所述输出的对比率。
59.如权利要求50所述的显示装置，其特征在于由吸光材料制成的掩模板定位在所述光导和所述显示装置的输出之间，所述掩模板包括允许光穿过所述掩模板的多个孔，所述掩模板由此增大所述显示装置的所述输出的对比率。
60.如权利要求49所述的显示装置，其特征在于至少一层扩散层定位在所述光导与所述显示装置的输出之间，所述扩散层使所述显示装置的所述输出发散，以提高所述输出从垂直于所述输出移位的角度的可视性。
61.如权利要求50所述的显示装置，其特征在于至少一层扩散层定位在所述光导与所述显示装置的输出之间，所述扩散层使所述显示装置的所述输出发散，以提高所述输出从垂直于所述输出移位的角度的可视性。
全文摘要
平板显示器使用通过启用和停用光导(2010)的全内反射(TIR)来开和关像素(2060)。反射面(2070)使经切换的光照向观看者。选择性掩模可用于在较低和较高的环境光条件下提供极其高的对比率。启用TIR的元件(2080)可由于它们的较小尺寸和重量被快速启用，从而使开关速度非常快。快速的开关速度使颜色可以连续方式产生和显示。
文档编号G09G3/34GK102395922SQ200980156272
公开日2012年3月28日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年1月2日
发明者布莱恩·爱德华·理查德森 申请人:拉姆伯国际有限公司