专利名称：包括波导、微棱镜和微机械光调制器的显示器的制作方法
包括波导、微棱镜和微机械光调制器的显示器发明背景 发明领域本发明一般涉及显示器。更特别地，本发明涉及包括光波导、光源和多个机电像素(electromechanical picture element)的显不器。现有技术讨论当前液晶显示器占平板显示器(flat panel display)市场的主导地位。典型地， 现有技术液晶显示器包括用于照明的背光组件、光偏振器、彩色和中性滤光片以及具有薄 膜晶体管(thin-film-transistor)背板的有源矩阵(active matrix)液晶层。典型的现 有技术液晶显示器(LCD)的整个光效率低于10%，主要是因为来自背光组件的光必须经过 几层偏振器、彩色和中性密度滤光镜的缘故。LCD的另一问题是显示运动图像时，液晶的缓 慢响应时间导致令人讨厌的可见的运动假象(artifact)。最近，提出了基于光波导的微机械平板显示器作为LCD的可行的替换方案。典型 地，这些显示器由具有平行表面的平面波导构成，在平行表面上构造电驱动的微机械像素 矩阵。来自光源的光从波导的一个或多个面被引导到波导，并通过全内反射被限制在波导 内。光通过与倏逝波耦合的方式或通过使平面波导的表面变形的方式从波导的平面表面引 出，以产生图像。当像素被同时驱动以显示图像时存在固有的光学串扰问题。一个像素的 状态改变了其它像素的亮度。光学串扰问题的一个解决方法是顺序地驱动像素。这需要非 常快的微机械驱动器(micro-mechanical actuator)并导致非常低的光效率。显示彩色或 灰度图像一般是不实际的。另一常见问题涉及使用镜面以使光转向到观察者。同一个镜面 将环境光反射回观察者，由此在环境光亮度高时显著降低了对比度。发明概述本发明的目的是提供一种显示器，其有效地克服在现有技术的基于光波导的显示 器中通常出现的光学串扰问题。在本发明的一种形式中，通过提供包括光源和光波导的显 示器来实现此目的。光波导将光分配给多个光出口。在每个光出口处，像素通过选择性地 将光导向观察者或导向到光吸收器来调制光。本发明的另一目的是提供高对比度显示器，其特征是在亮度高的环境光下工作。 本发明的实施方式通过提供其中观察表面的大部分涂覆有光吸收涂层的显示器来实现此 目的。本发明的另一目的是提供能在光效率、图像质量和成本上与IXD竞争的显示器。 通过提供一种显示器来提供增加的光效率，在这种显示器中，光通过全内反射行经大多数 光路，且光通过对来自高反射的微反射镜的较少的反射来调制。通过提供快且高效的光调 制器来实现改进的图像质量。本发明前述的以及其它目的将通过附图中示出的且在接下来的说明书中描述的 新颖的显示器来实现。
图1是本发明的显示器的总体透视图。图2是沿图1的线2-2的横截面图。图3是图2中指示为3-3的区域的放大图。图4是本发明的显示器的可选择的形式的总体横截面图。图5是图4中指示为5-5的区域的放大图。图6是本发明的显示器的可选择的形式的总体透视图。图7是沿图6的线6-6的横截面图。图8是图7中指示为8-8的区域的放大图。发明详述参考附图特别是图1和2，此处示出了本发明的显示器的一个形式，且一般地由数 字20指示。如在图1中最佳看到的，此处的显示器20包括一般矩形形状的光波导21，其基 本是楔形截面。波导21优选地由丙烯酸树脂或其它光学透明材料构造，波导21具有大约 1. 45和大约1. 6之间的值的折射率nl，且波导21包括平行的第一端面26和第二端面27， 第一端面26和第二端面27由平行的侧面28和29(见图1)接合。波导21还包括主要的 上表面30和与上表面30趋于会聚(converge)的下表面31。下表面31如图1中一般示出 的是平面(flat surface)，并与上表面30形成具有大约0. 1度到大约2.0度之间的值的角 22(图2)。下表面31还可以是与波导21的上表面30形成变化的角的弯曲的表面，或包括 用于控制显示器的光均勻性的多个分段面(st印wise facet) 0多个基本等间距的微棱镜 32在上表面30处构造，并如图1中一般示出的，在侧面28和29之间延伸。微棱镜32可以 由UV硬化聚合物(UV curing polymer)通过模制(mold)或使用光刻来构造，UV硬化聚合 物具有大约1. 45和大约1. 6之间的值的折射率n2。LED光源25接近波导21的宽边缘26 安装，且多个倾斜的微反射镜33构造在微棱镜32之间。在图2中，倾斜的微反射镜的单列 用33a、33b和33c来指示。图1还示出盖组件34的一部分。盖组件34的更多详细的构造 在图3中示出。现在参考附图中的图3，其示出多层光学涂层的更多细节。第一层是在波导 21的上表面30上由金属或多层介质材料构造的光反射层35。光反射层35被图案化 (patterned)以形成多个光反射区域36和光透射区域37。第二层是由具有在大约1. 3和大 约1. 4之间的值的折射率n3的含氟聚合物或其它基本透明的材料形成的光透射层39。光 透射层39只在波导21的上表面30上的如图3中示出的光透射区域37中形成。光透射层 39还可以是在光反射层35和波导21的上表面30之间形成的连续层。第三光学层是光反 射层35上形成的光吸收层40，并被图案化以部分覆盖光反射层35。黑色氧化物层(black oxide layer)可替代光吸收层40在光反射层35的上表面上形成。图3中进一步示出微棱镜32。每个微棱镜32包括光入射面41和光出射面42，光 入射面41经由光透射层39光学耦合到波导21的上表面30，光出射面42相对于波导21的 上表面30偏斜，并形成具有大约45度到大约65度之间的值的角23。反射镜膜沉积在微棱 镜32的第三面43上以形成光反射面47，光反射面47也相对于波导21的上表面30偏斜， 并形成具有大约30度到大约50度之间的值的角24。图3还示出倾斜的微反射镜之一 33b，微反射镜33b代表本发明提出的形式的微反射镜中的每个的典型构造。微反射镜33b包括薄的铝弹性膜，薄的铝弹性膜固定到微棱镜 32的光出射面42的上部部分，并在基本平行于波导21的上表面30的轴50附近处的两个 方向上倾斜。图3中还示出盖组件34，盖组件34固定到微棱镜32的上部小平面。盖组件34包 括由玻璃或其它基本透明材料构成的衬底44。由传导的光吸收膜或包括导体层的多层膜制 造的光吸收层51构造在衬底44的下表面46上。光吸收层51被图案化以形成位于微反射 镜33正上方的多个光吸收区域49并形成显示器光出射区域48。盖组件34还包括形成在 衬底44的上表面45上的光整形扩散器(light shaping diffuser)52。为吸收环境光，黑色氧化物层可以在微反射镜33的上表面上形成，且图案化的光 吸收层51可以被透明导体取代。这将不需要将图案化的光吸收层51与微反射镜33对准。在本发明提出的形式中，倾斜的微反射镜33由静电引力(electrostatic attraction force)操作。传导的光反射层35和传导的光吸收层51用作倾斜的微反射镜 33的固定电极。当在传导的光反射层35和微反射镜33之间施加适当的电压，微反射镜由于静电 引力倾斜向下。当在传导的光吸收层51和微反射镜33之间施加适当的电压时，微反射镜 由于静电引力倾斜向上。为防止微反射镜的静摩擦(stiction)，在微反射镜的边缘和着陆表面(landing surface)之间需要小的间隙58 (图2)。这可通过在着陆表面上构造小的垫片或将微反射 镜沿边缘延伸小的部分来实现，使得微反射镜的整个边缘不接触看陆表面。如在附图的图2中最佳看到的，从波导21的宽边缘26进入的光线55通过全内反 射从上表面30和下表面31反射，并相对于上表面30朝向法线改变角度。当入射角小于临 界角38时，光线55从光透射区域37离开波导21 (图3)，临界角38由波导21的折射率nl 和光透射层39的折射率n3界定。穿过光透射层39的光线从光入射面41进入微棱镜32， 并改变由微棱镜的折射率n2界定的角。光线从光出射面42离开微棱镜。取决于倾斜的微反射镜的位置，光线被吸收或被导向观察者。当倾斜的微反射镜 在向上的位置中时，比如微反射镜33b (图2)，从微棱镜32的光出射面42出射的大部分光 线从微反射镜的下表面反射，并通过从光反射面47反射被导向观察者。当微反射镜倾斜向 下，比如微反射镜33a和33c，从微棱镜32的光出射面42出射的大部分光线从微反射镜的 下表面反射，并在光吸收层40被吸收。为了当微反射镜在从间隙58倾斜向下的位置时防止光泄露，显示器20限制了光 线能从微棱镜32的微出射面42出射的、相对于波导21的上表面30的最小角度。最小角 度由折射率nl、n2、n3和角23界定。现在参考附图的图4，示出了本发明的显示器的其它实施方式的横截面图，并一般 地由数字70指示。该最新的实施方式与在附图的图1和2中示出的某些方面类似，并在图 4中使用相同的数字指示相同的构件。显示器70是全彩色显示器，其中每个像素包括红、绿和蓝色像素，并包括用于从 白光源或从在波导21中混合的RGB光源分离RGB颜色的二向色滤光器。显示器70包括光波导21和LED光源25，LED光源25靠近波导21的宽边缘26安 装。显示器70还包括衬底72，衬底72由基本透明的材料构造，比如具有在大约1. 45和大约1. 6之间的值的折射率π4的玻璃。衬底72的下表面74经由光学层71光学耦合到波导 21的上表面30，光学层71由具有在大约1. 3和大约1. 4之间的值的折射率η3的基本透明 的材料构成。多个等间距微棱镜32构造在衬底72的上表面73处，且倾斜的微反射镜33构造 在微棱镜32之间。类似前述的盖组件34固定到微棱镜32的上部面。现在参考附图的图5，示出多层光学涂层的更多细节。第一光学层是形成在衬底 72的上表面73上的二向色滤光器75。第二光学层是二向色滤光器75上的金属构造的光 反射层35。光反射层35被图案化以形成多个光反射区域36和光透射区域37。第三光学 层是光反射层35上形成的光吸收层40，其被图案化以部分覆盖光反射层35。图5中还示出微棱镜32。每个微棱镜32包括光入射面41，其经由二向色滤光器 75、衬底72和光学层71光学耦合到波导21的上表面30。每个微棱镜32还包括光出射面 42，且反射镜膜被沉积在微棱镜32的第三面43上以形成光反射面47。图5还示出一个微反射镜33和前面图3中描述的盖组件34。如附图的图4中最佳看到的，从波导21的宽边缘26进入的光线55通过全内反射 从上表面30和下表面31反射，并相对于上表面30朝向法线改变角度。当入射角小于临界 角38 (图5)时，光线55从上表面30离开波导21并通过光透射层71进入衬底72，临界角 38由波导21的折射率nl和光透射层71的折射率n3界定。二向色滤光器选择性地让光透 射区域37中的RGB颜色通过而进入微棱镜32。且光从光出射面42离开微棱镜32。如前 面所述的，取决于倾斜的微反射镜的位置，光线被吸收或被导向观察者。现在参考附图的图6、7和8，示出了本发明的显示器的其它实施方式，并一般地由 数字80指示。如前所述，显示器80包括光波导21、光源25和微棱镜32，光源25靠近波导21的 宽边缘26安装，且微棱镜32在上表面30处构造，并如图6中一般示出的，微棱镜32在波导 21的侧面28和29之间延伸。显示器80还包括多个倾斜的微遮光器(micro-shutter) 81， 微遮光器81构造在微棱镜32之间。在图7中，倾斜的微遮光器的单列指示为81a、81b和 81c。图6还示出盖组件84的一部分。盖组件84的更多细节构造在图8中示出。现在参考附图的图8，示出多层光学涂层的更多细节。第一层是在波导21的上表 面30上由金属或多层介质材料构造的光学反射层35。光反射层35被图案化以形成多个光 反射区域36和光透射区域37。第二光学层是光透射层39，光透射层39由具有在大约1. 3 和大约1.4之间的值的折射率n3的含氟聚合物或其它基本透明的材料形成。在如图8中 所示，光透射层39在波导21的上表面30上仅形成在光透射区域37中。光透射层39还可 以是在光反射层35和波导21的上表面30之间形成的连续层。第三光学层是光反射层35 上由介质材料形成的光吸收层82，且第三光学层被图案化以部分地覆盖光反射层35。取代 光吸收层82，黑色氧化物层可以在光反射层35的上表面上形成。光吸收层82还可被光吸 收膜替代，并放置在波导21的下表面31之下。图8中还示出微棱镜32。每个微棱镜32包括光入射面41和光出射面42，光入射 面41经由光透射层39光学耦合到波导21的上表面30，光出射面42关于波导21的上表面 30是偏斜的，并形成具有大约45度到大约65度之间的值的角23。微棱镜32还包括面43 和上部面47，面43与光出射面42对向偏斜，上部面47 —般平行于光入射面41。
图8还示出一个微遮光器81b，微遮光器81b典型代表本发明提出的形式的微遮光器中的每个的构造。微遮光器81b包括固定到微棱镜32b的上部面47的薄的铝合金弹 性膜，且微遮光器81在基本平行于波导21的上表面30的轴85附近处在两个方向上倾斜。 黑色氧化物层或黑色聚合物膜可在微遮光器81的表面上形成用于吸收光。图8中进一步示出了盖组件84，盖组件84以垫片83 (见图7)固定到波导21的上 表面30。盖组件84的构造与以上描述的盖组件34类似。在本发明提出的形式中，倾斜的微遮光器81由静电引力操作。传导的光反射层35 和传导的光吸收层51用作倾斜的微遮光器81的固定电极。当传导的光反射层35和微遮光器81之间施加适当的电压时，微遮光器由于静电 引力作用倾斜向下。当传导的光吸收层51和微遮光器81之间施加适当的电压时，微遮光 器由于静电引力倾斜向上。为防止微遮光器的静摩擦，在微遮光器的边缘和着陆表面之间需要小的间隙。这 可通过在着陆表面上构造低摩擦材料的小垫片或沿边缘将微遮光器延伸小部分来实现，使 得微遮光器的整个边缘不接触着陆表面。此外，微遮光器上的黑色聚合物涂层可由非粘性 材料(non stick material)来形成。如在附图的图7中最佳看到的，从波导21的宽边缘26入射的光线55通过全内反 射从上表面30和下表面31反射，并相对于上表面30朝向法线改变角度。当入射角小于临 界角38时，光线55从光透射区域37 (图8)离开波导21，临界角38由波导21的折射率nl 和光透射层39的折射率n3界定。光线穿过光透射层39从光入射面41进入微棱镜32，并 改变由微棱镜的折射率η2界定的角。光线从光出射面42离开微棱镜。取决于倾斜的微遮光器的位置，光线被吸收或被导向观察者。当倾斜的微遮光器在向上的位置时，比如微遮光器81b (图7)，从微棱镜32的光出 射面42出射的大部分光线在微遮光器81的光吸收器涂层(light absorber coating)中 被吸收。从微遮光器81的下表面反射的任何光将在光吸收层40中被吸收。当微遮光器倾斜向下时，比如微遮光器81a和81c，从微棱镜32的光出射面42出 射的大部分光线从显示器光出射区域48离开显示器80，并导向观察者。上面描述的显示器将与红外光源、可见光源和紫外光源及其组合共同工作。取决于显示器的大小和分辨率，显示器面板中的每个像素将包括几个倾斜的光调 制器。减小单个光调制器的大小有助于减小所需要的静电驱动电压。每个像素的光调制器还可以分组，以当在固定电极和所选择的组的光调制器之间 施加适当的电压时，调制光的不同级别(level)。这减少了显示器寻址约束。例如，每个像 素可包括分组成1个、2个和4个的7个光调制器，并选择性地被选定来调制8个级别的光。 此外，减小了脉冲宽度调制显示器中固有的暂时假象。为增加效率并减小光散射，可在表面施加不同的抗反射涂层，其中处光在两种不 同的材料之间传输。包括用于蓝色的低通滤光器和用于红色的高通滤光器的二向色层可形成为重叠 在光反射区域36中。为简化微反射镜的制造，微棱镜可以分裂为下部部分和上部部分，且在微棱镜的 下部部分形成之后，微反射镜可形成在平面上。
根据专利法的需要，已经详细描述了本发明，本领域技术人员不难进行个别部件 或其相关组件的改变和修正，以满足特殊需要或条件。如随附的权利要求所阐述的，这些改 变和修正将不背离本发明的范围和精神作出。
权利要求
1.一种显示器，包括(a)光源，用于发光；(b)光波导，用于接收并分配所述光，所述光波导具有折射率nl，上表面和与所述上表 面趋于会聚的、空间间隔的下表面；(c)多个空间间隔的微棱镜，每个所述微棱镜包括折射率n2、光入射面和光出射面， 所述光入射面经由具有折射率n3的光学层光学耦合到所述光波导的所述上表面，所述折 射率n3小于所述折射率n2和所述折射率nl且大于1，所述光出射面位于所述光波导的所 述上表面以上，并与所述光波导的所述下表面对向偏斜；以及(d)多个倾斜的光调制器，每个所述倾斜的光调制器具有倾斜轴，所述倾斜轴实质上平 行于所述光波导的所述上表面，且所述倾斜的光调制器位于所述空间间隔的微棱镜之间；其中，当对应的倾斜的光调制器在第一位置处时，从所述微棱镜的所述光出射面中的 每个出射的大部分光线被导向观察者，或当所述对应的倾斜的光调制器在第二位置处时， 从所述微棱镜的所述光出射面中的每个出射的大部分光线被吸收到光吸收器中。
2.如权利要求1所述的显示器，还包括靠近所述光波导的所述上表面布置的光反射 层，所述光反射层由金属构造，所述光反射层具有镜面光反射下表面和光吸收上表面。
3.如权利要求2所述的显示器，其中，所述光学层在所述光反射层和所述光波导的所 述上表面之间形成。
4.如权利要求2或3所述的显示器，其中，每个所述倾斜的光调制器由静电力驱动，且 所述光反射层用作用于所述倾斜的光调制器的固定电极。
5.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，每个所述倾斜的光调制器从 所述倾斜轴在两个方向上倾斜。
6.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，所述多个倾斜的光调制器被 分为多个组，且每个所述组中的光调制器靠静电力同时倾斜。
7.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，还包括盖组件，所述盖组件包括 实质上透明的衬底、光吸收层和在所述实质上透明的衬底上形成的光整形扩散器层。
8.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，每个所述微棱镜的所述光出 射面相对于所述光波导的所述上表面形成大约45度和大约65度之间的角。
9.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，所述折射率nl在大约1.45和 1. 6之间，并且所述折射率n2在大约1. 45和1. 6之间，以及所述折射率n3在大约1. 3和 1.4之间。
10.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，每个所述微棱镜的所述光入 射面经由二向色滤光器光学耦合到所述光波导的所述上表面。
11.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，每个所述倾斜的光调制器固 定在所述微棱镜中的选择的一个微棱镜上。
12.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，所述光学层由含氟聚合物构 造，且每个所述微棱镜由UV硬化聚合物构造。
13.如前面权利要求中任一权利要求所述的显示器，其中，每个所述倾斜的光调制器包 括光吸收表面。
14.如权利要求1-12中任一权利要求所述的显示器，还包括所述微棱镜中的每个的第三表面上形成的光反射面，且每个所述倾斜的光调制器包括镜面光反射下表面和光吸收上表面。
15.如权利要求14所述的显示器，其中，所述微棱镜中的每个的所述第三面相对于所 述光波导的所述上表面形成大约30度和大约50度之间的角。
全文摘要
本发明涉及一种包括波导、微棱镜和微机械光调制器的显示器。一种包括光源、光波导和机电像素矩阵的显示器，光源用于发光，光波导用于接收并通过全内反射在光传播方向上均匀分布光，机电像素矩阵用于调制光以产生图像。
文档编号G02B6/00GK101995656SQ201010255430
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月13日
发明者海克·梅斯罗皮安, 爱德华·帕克奇亚恩, 赛茨·帕克奇亚恩 申请人:爱德华·帕克奇亚恩