Tir调制宽视角显示器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本披露涉及在美国专利号 6,885,496、6,891，658、7,286,280、7,760,417和8,040， 591中所描述类型的高亮度宽视角显示器中的TIR抑制，所有这些专利通过引用结合在此。
【背景技术】
[0002] 图 1A 描绘了在美国专利号 6,885,496、6,891，658、7,286,280、7,760,417和8,040， 591中所描述类型的现有技术反射式(即前光)受抑全内反射(TIR)调制显示器10。这些专利 描述了先前在美国专利号 5,959,777、5,999,307、6,064,784、6,215,920、6,304,365、6， 384，979、6，437，921、6，452，734和6，574，025中所描述的向外薄片的一种全新设计，其包括 例如各种空间上均匀的棱柱体结构、电介质光纤、平行的和垂直的以及交错的结构。由于首 先在专利'496'与'658'中所描述的新的紧密堆积的高折射率球形或半球形的带有焊珠的 向外薄片设计，受抑TIR或其他反射式显示方法的实际角度观看范围得到了增加。新设计提 供了半后向反射增益，由此，入射到带有半球形焊珠的表面的光线被朝向光源反射回来(但 并非完全后向反射）；这意味着当光源在观看者头顶之上且稍微靠后时反射被增强，并且反 射光具有使其产生白色外观的漫射特性，这种白色外观在反射式显示器应用中是令人期望 的。
[0003] 显示器10包括透明向外薄片12,该透明向外薄片是通过将大量高折射率(例如，m >~1.90)的透明球形或近似球形的焊珠(注意，所述球形或近似球形的焊珠在此还可以被 称为"半球形焊珠 (hemispherical bead)"或"半焊珠(hemi-bead)"或"焊珠(bead)"）14部 分地埋入高折射率(例如，Π 2 ? ηι)聚合物材料16的向内表面中而形成的，该聚合物材料具有 平坦的向外观看表面17,观看者V通过观看方向Y的角度范围来观察该向外观看表面。"向 内"和"向外"的方向由双头箭头Z指示。焊珠14被紧密地堆积在一起以形成向内突出的单层 18,该向内突出的单层具有约等于一个焊珠14的直径的厚度。理想地，每一个焊珠14接触所 有与那一个焊珠直接相邻的焊珠。最小的间质间隙(理想地，无间隙)保持在相邻焊珠之间。
[0004] 通过将介质20包含在由下部薄片24限定的容器22之中而使电活性TIR抑制介质20 保持与焊珠14从材料16向内突起的这些部分相邻。可从明尼苏达州圣保罗市的3M公司获得 的惰性的、低折射率(即，小于大约1.35)的、低粘度的、电绝缘的液体(如Fluorinert全氟化 碳氢化合物液体(?~1.27))是一种适用于介质20的流体。其他液体(如同样可从3M公司获 得的Novec?)也可以用作介质20的流体。因此形成焊珠:液体的TIR界面。介质20包含光散射 粒子和/或光吸收粒子26(如，颜料、染料、染色的或以其他方式散射/吸收的二氧化硅或乳 胶粒子等）的精细分散悬浮。薄片24的光学特性相对地不重要:薄片24仅需形成用于容纳电 活性TIR抑制介质20和粒子26的容器，并且充当背板电极48的支撑件。
[0005] 如众所周知的，具有不同折射率的两种介质之间的TIR界面由临界角Θ。表征。以小 于Θ。的角度入射到该界面上的光线透射通过该界面。以大于Θ。的角度入射到该界面上的光 线在该界面处经历TIR。在TIR界面处优先选取较小的临界角，因为这提供了可以发生TIR的 较大角度范围。
[0006] 如图1A中虚线28的右侧所展示的，在缺乏TIR抑制活动的情况中，穿过薄片12和焊 珠14的大部分光线在焊珠14的向内侧处经历TIR。例如，入射光线30、32折射通过材料16和 焊珠14。如在光线30的情况中在点34、36处所指示的以及在光线32的情况中在点38、40处所 指示的，这些光线在焊珠:液体TIR界面处经历两次或更多次TIR。全内反射的光线然后折射 返回通过焊珠14和材料16并且分别出射为光线42、44,在每个反射区域或像素中实现"白 色"外观。
[0007] 可以经由电极46、48(示出为虚线)将电压施加于介质20两端，例如，通过对焊珠14 的向内突出的表面部分以及对薄片24的向外表面的气相沉积来施加电压。电极46是透明且 基本上较薄的以使其在焊珠:液体TIR界面处对光线的干扰最小。背板电极48不需要是透明 的。如虚线28左侧所展示的，如果通过启动电压源50来激活TIR抑制介质20以便在电极46、 48之间施加电压，那么悬浮粒子26电泳地移动到隐失波相对密集的区域中（即，在向内突出 的焊珠14的这些向内表面的0.25微米之内，或者更近）。当如上所述被电泳地移动时，粒子 26通过修改焊珠:液体TIR界面处的有效折射率的虚数成分以及可能实数成分而散射或者 吸收光，因此抑制或调制TIR。这由光线52、54所展示，当其撞击焊珠:液体TIR界面处的较薄 (~0.5μπι)隐失波区域(如分别在56、58处所指不的）中的粒子26时，光线52和54被散射和/ 或被吸收，因此在每个TIR受抑非反射吸收区域或像素中实现"黑色"外观。仅需通过适当地 启动电压源50在较薄隐失波区域外侧移动粒子26，以便恢复焊珠:液体TIR界面的ΤIR性能 并且将每个"黑色"非反射吸收区域或像素转换成"白色"反射区域或像素。
[0008] 如以上所描述的，可以通过经由电极46、48控制施加于介质20两端的电压来控制 向外薄片12的纯光学特性。这些电极可以被分段以跨薄片12的多个分开的区域或像素来电 泳地控制在TIR抑制低折射率介质20中悬浮的粒子，从而形成图像。
[0009]图2在放大的横截面中描绘了 一个球形焊珠14的向内半球形或半焊珠部分60。半 焊珠60具有归一化的半径r=l和折射率m。在距半焊珠60的中心C径向距离α处垂直入射 (通过材料16)到半焊珠60上的光线62相对于径向轴线66以角度0:与半焊珠60的向内表面 相交会。为了这种理论上理想的讨论的目的，假设材料16具有与半焊珠60相同的折射率 (即， ηι = η2)，因此光线62无折射地从材料16穿过进入半焊珠60。光线62在半焊珠60的向内 表面处折射并且相对于径向轴线66作为光线64以角度θ 2进入TIR抑制介质20。
[0010] 现在考虑在与半焊珠60的中心C距离一段距离
[0012]处垂直入射(通过材料16)到半焊珠60上的入射光线68。光线68(相对于径向轴线 70)以临界角0。(111?发生所要求的最小角度)与半焊珠60的向内表面相交会。光线68因此被 全内反射为光线72,光线72再次以临界角Θ。与半焊珠60的向内表面相交会。光线72因此被 全内反射为光线74,光线74同样以临界角0 C与半焊珠60的向内表面相交会。光线74因此被 全内反射为光线76,光线76垂直地穿过半焊珠60进入焊珠14的掩埋部分中并且进入材料16 中。光线68因此在与入射光线68的方向大致相反的方向上作为光线76被反射回来。
[0013]在与半焊珠60的中心C距离a 2 ac处入射到半焊珠60上的所有光线朝光源反射回 来(但并非完全后向反射）；这意味着当光源在观看者头顶之上且稍微靠后时反射被增强， 并且反射光具有使其产生白色外观的漫射特性，这种白色外观在反射式显示器应用中是令 人期望的。图3A、图3B和图3C描绘了三种半焊珠60的反射模式。这些模式与其他模式共存， 但分别地讨论每个模式是有用的。
[0014]在图3A中，在距离范围ac〈a < &1内入射的光线经历两次TIR(2-TIR模式），并且反射 光线在以与入射光线的方向相反的方向为中心的比较宽的弧度Φ?内发散。在图3B中，在距 离范围aKa < a2内入射的光线经历三次TIR(3-TIR模式），并且反射光线在再次以与入射光 线的方向相反的方向为中心的较窄的弧度Φ2 < Φ4内发散。在图3C中，在距离范围a2〈a < a3 内入射的光线经历四次TIR(4-TIR模式），并且反射光线在同样以与入射光线的方向相反的 方向为中心的更窄的弧度φ3 < Φ2内发散。半焊珠60从而具有"半后向反射"的部分地漫射 反射特性，导致显示器10具有与纸的外观类似的漫射外观。
[0015]当主照明源在观看者之后的小角度范围内时，相比于纸的表观亮度，显示器10具 有相对高的表观亮度。图1B对此进行了展示，该图描绘了宽角度范围α和角度β，观看者V通 过该宽角度范围α能够观看显示器10,该角度β是照明源S相对于观看者V的位置的角度偏 差。只要β不是太大，显示器10的高表观亮度就得以维持。在法线入射处，半焊珠60的反射系 数R(即，入射到半焊珠60上由TIR反射的光线的分数）由公式(1)给出：
[0017] 其中，ηι是半焊珠60的折射率而Π3是与半焊珠60的发生TIR的表面相邻的介质的折 射率。从而，如果半焊珠60由较低折射率材料(如聚碳酸酯(ru~1.59))形成，并且如果相邻 介质是Flu 〇rinert(n3~1.27)，则获得大约36%的反射系数R，而如果半焊珠60由高折射率 纳米复合材料(m~1.92)形成，则获得大约56%的反射系数R。当照明源S(图1B)放置在观 看者V的头部之后时，显示器10的表观亮度根据上述的半后向反射特性被进一步增强。
[0018] 如在图4A至图4G中所示的，半焊珠60的反射系数维持在较宽的入射角度范围之 上，因此增强显示器10的宽角度观看特性以及其表观亮度。例如，图4A示出了从垂直入 射一一也就是，从偏离垂线〇°的入射角度所看到的半焊珠60。在这种情况下，半焊珠60的a 2 ac的部分80呈现为环形域。该环形域被描绘成白色，对应于以下事实:此环形域是如上所 述半焊珠60的通过TIR对入射光线进行反射的区域。该环形域包围被描绘成黑色的圆形区 域82,对应于以下事实:此圆形区域是半焊珠60的非反射区域，在该非反射区域中入射光线 被吸收且不经历TIR。图4B至图4G示出了从分别为偏离垂线15°、30°、45°、60°、75°和90°的 入射角度所看到的半焊珠60。对图4B-4G与图4A的比较揭示了 ：随着入射角度增大，半焊珠 60的a 2 ac的反射部分80的观察区仅逐渐地减小。即使在接近掠入射角度处（例如，图4F)， 观察者仍将看到反射部分80的大部分，从而给予显示器10-个维持高表观亮度的宽角度观 看范围。
[0019] 显示器10随着时间推移会展现出不期望的粒子聚团26。更具体地，粒子26倾向于 在TIR抑制介质20内形成松团聚体，其中，TIR抑制介质20的周围区域含有相对少的悬浮粒 子26。对吸收性粒子26的这种聚团会造成显示器10的图像质量和整体性能的长期劣化。本 发明涉及对显示器10设计的各种改进和修改，如：
[0020] a)在系统的暗状态下TIR抑制电泳地迀移的粒子在半球形焊珠的表面上进行非均 勾分布；
[0021 ] b)对TIR抑制粒子进行沉淀和聚团；
[0022] c)电场在电极之间的非均匀性;并且
[0023] 本发明还提供了一种经修改的系统，而暗状态取决于在悬浮流体内TIR抑制粒子 的光散射或吸收性质而不是取决于TIR抑制。
[0024] 相关技术的上述示例以及与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读 本说明书和研究这些附图之后，相关领域的其他限制将对本领域的技术人员变得显而易 见。
【附图说明】
[0025] 示例性实施例在