專利名稱：可變反射率的圖象顯示器的制作方法
技術領域：
一種顯示器，其中選定的任意規格的“象素”被可控制地從全內反射現象造成的高反射狀態轉換成全內反射現象受到破壞的低反射率狀態。
背景技術：
隅角反射器(又被稱為“三面直角棱鏡”)是公知的反射器。如
圖1所示，入射在一隅角反射器上的光線，在構成該隅角的三個垂直相對的面上以總共三次單獨反射的方式受到全內反射，其最后結果是光沿與入射光線方向相反的方向從此隅角反射器中向后反射。
許多微型透明的隅角反射器的組合，其中所有的反射器均呈現上述全內反射現象的，通常被發現在象3M Diamond GradeTM的反射薄片之類的薄片狀反射材料中。假如此全內反射現象對于一組一或多個隅角反射器能夠在開與關之間轉換，那么這組隅角反射器可起到圖象“象素”的作用。于是這些象素的陣列可以被組合起來，以構成能夠顯示文本或圖象的顯示器。本發明就在于要達到這一目的。
現有技術業已研究出各種各樣的反射式圖象顯示器。其實例包括象通常使用在計算器中的非背面照明的液晶顯示器(“LCD”)面板，以及使用在某些顯示路線信息的總線中類型的“翻轉”標記(flip sign)。然而這些器件具有各種各樣的缺點。例如，LCD面板通常具有最大不超過50％的反射率，由于需要前起偏器。翻轉標記在機械上是復雜的，并且難以使象素微型化。本發明并不具備同樣的缺點。
發明概述本發明提供一種多象素的圖象顯示器。每個象素至少有一個元件，該元件具有一入射光受到全內反射的反射狀態和一全內反射被防止的非反射狀態。
這種全內反射的防止，優選通過改變與全內反射關聯的損耗波來實現。例如一種可鄰近該元件設置并且可在第一和第二種位置之間變形的構件。在第一種位置時該構件與元件之間留有間隙，以使該損耗波對于全內反射具有通常的特性，如光學文獻中充分證明的那樣。在第二種位置時該構件與元件光學接觸(就是說該間隙的厚度小于光學波長)，實際上對該損耗波產生干預，因而可防止全內反射。
當在第二種位置時，優選該構件并不與該元件進行原子接觸。不然的話，在將兩者分開方面可能會遇到實質性的困難。因此，該構件與元件之間分開的距離實質上應小于一個波長(約為0.5微米)，并且實質上應大于兩者原子之間的間隙(約為10-4微米)。
在一個實施例中，每個象素為一些后向反射元件如隅角反射器的組合。一種彈性材料被鄰近每一組合提供。如果該組合與彈性材料之間的間隙得以保留，則該組合繼續呈現全內反射。但是，如果彈性材料與該組合光學接觸，則此損耗波被散射和/或被吸收，因而全內反射被防止，從而可防止入射光被反射。因此，由隅角反射器組合構成的“象素”，如與彈性材料光學接觸則被“斷開”，如保留兩者之間的間隙則被“接通”。
本發明便于構成黑白和彩色兩種顯示。在彩色顯示時，例如每個圖象的象素可以是一有三個小平面的隅角反射器。通過在第一和第二種位置之間相對于三個平面中相應一個平面使帶色的接觸元件變形，相應地對該面上的損耗波不產生干預及產生干預，便可以控制被反射光的光譜分布。
附圖簡述圖1為現有技術的隅角反射器型后向反射器工作的圖示。
圖2A為由于全內反射現象而呈現高反射率的隅角反射器組合的剖視圖。
圖2B為由于防止了全內反射而呈現低反射率的隅角反射器組合的剖視圖。
圖3A為表示在同隅角反射器的一個平面隔開的鍍銀基片頂上由彩色染料層構成的接觸元件的隅角反射器剖視圖。
圖3B與圖3A類似，但表示該接觸元件同隅角反射器的相鄰平面處于光學接觸，以控制被反射光的光譜分布。
說明圖2A及2B以剖視圖表示許多后向反射元件具體如許多隅角反射器的組合10。只有每個隅角反射器12A，12B，12C等的兩個平面在此剖視圖中能夠看見，但本領域的普通技術人員將能理解，每個隅角反射器均具有三個垂直相對的表面，如圖1所示。隅角反射器組合10可以是由三面直角棱鏡薄膜構成的薄片，例如在3M Diamond GradeTM的反射薄片材料中發現的。將隅角反射器組合10的全內反射能力轉換至開或關，存在著各種可能的途徑。在討論這種轉換技術之前，先回顧一下某些背景原理明是有用的。
眾所周知，光在不同的材料中以不同的速度進行傳播。速度的變化產生折射。兩種材料之間相對的折射率，是由入射光線的速度除以被折射光線的速度給出的。如果相對折射率小于1，則光將向該表面折射，例如光從玻璃塊射入空氣中。在一特定的入射角“i”時折射角“r”變為90°，因為光沿玻璃塊的表面傳播。此臨界角“i”可以計算出來，因為sini＝相對折射率。如果i作到甚至更大，則所有的光均反射回玻璃塊內部而不從玻璃塊逸出。這就是所謂的全內反射。由于折射只發生在光的速度發生變化時，所以入射的輻射在被全內反射之前輕微地射出也許并不意外，因而所謂“損耗波穿透”的輕微的透過(約1微米)界面會發生。通過對損耗波產生干預(即散射和/或吸收)，便可以防止全內反射。
作為背景技術，對組合10為“接通”或“斷開”的情況進行考慮也是有用的。例如，在圖2A中組合10為“接通”，以致于入射的光線14由于全內反射現象而被隅角反射器12D向后反射。因此隅角反射器組合10構成一可作到在接通時出現白的單個象素(如隨后解釋的那樣)，由于隅角反射器所呈現的是高反射率。在圖2B中隅角反射器組合10為“斷開”，以致于入射的光線16并不被隅角反射器12D反射，由于全內反射現象已被防止，如隨后解釋的那樣。當處在“斷開”狀態時，組合10可以很容易地作到出現黑，由于在斷開狀態下隅角反射器所呈現的是低反射率。每一個都包括許多隅角反射器的單獨組合的這些“象素”的陣列因而可被集合在一起，以形成一能夠顯示文本或圖象的黑白顯示器。
如果隅角反射器組合10在“接通”時顯現白色，那么應將組合10做成稍微有點漫射，或一漫射鍍層應設置于組合10上面。盡管實際上不可能做出“理想的”后向反射器，然而目前可以買到的材料(例如上述3M Diamond GradeTM的反射薄片)具有非常顯著的后向反射能力。于是，這類材料趨向于僅將從并非企圖成為非常亮的區域的觀察者眼睛附近發出的光反射給觀察者的眼睛。在這種情況下該后向反射器基本上不可能出現白色。但是，如果組合10是漫射的，那么被反射的光以與后向反射方向完全不同的方向被散射，如同傳統性白色材料的情況那樣，因而可達到白色外觀而不會顯著地損害該器件的性能。應當指出地是，這種漫射如果太嚴重，則可能引起某些光線以全內反射不會發生的角度傳播。這是不希望的，而且這個問題可以通過審慎地選擇構成組合10材料的漫射水平和折射率來減少。
將隅角反射器組合10的全內反射能力轉換到接通或斷開的一種方法，是鄰近隅角反射器組合10的后表面裝一片彈性薄膜材料18，如圖2A和2B中看到的那樣。在圖2A中，包括隅角反射器組合10和彈性片18在內的片狀薄膜材料的相鄰表面之間留有一小的間隙20。由于間隙20的存在，彈性片18對隅角反射器組合10不起作用。這是由于間隙20比1微米大得多，因而對損耗波不產生干預，故隅角反射器組合10的全內反射能力未被防止。因此，假如間隙20存在，則由隅角反射器組合10形成的“象素”是“接通”的。
然而在圖2B中，控制機構19已被觸發以沿箭頭21的方向移動彈性片18，從而使隅角反射器組合10和彈性片18的相鄰表面彼此“光學接觸”。兩者間的光學接觸使得彈性片18實際上比1微米還小地貼近隅角反射器組合10，從而對隅角反射器組合10附近的損耗波散射和/或吸收，因而可防止隅角反射器組合10對入射光線16的全內反射能力。所以，假如隅角反射器組合10和彈性片18的相鄰表面彼此光學接觸而且其間沒有間隙，則由隅角反射器組合10形成的“象素”被“斷開”。
控制機構19可以是很大的可能性范圍內的機構中的任一種，能夠驅動彈性片18經過一小的位移，以為在彈性片18和隅角反射器組合10間形成間隙20或實現光學接觸所需要。例如，控制機構19可以是液壓或氣動的驅動器，或者是電子的、靜電的、磁性的、磁致伸縮的或壓電的變送器等。
薄片18的彈性特性是重要的。如用不易彎曲的非彈性材料代替薄片18，則隅角反射器組合10和薄片18兩者的表面必須做成約在十分之一波長范圍內為平的以使其能夠相互光學接觸，以便對損耗波產生干預從而防止全內反射。要達到這樣的平坦性是不切實際的昂貴。即便呈現這種平坦性的表面容易獲得而且并不昂貴，然而隅角反射器組合10和薄片18之間外來的細小顆粒的存在，會防止其表面之間實現大面積的光學接觸，因而全內反射依然保留。由于薄片18的彈性特性，故其實質上能同隅角反射器組合10的整個鄰接部分實現光學接觸，而且防止其間光學接觸的細小外來顆粒只在比較不顯著的小區域內。
優選彈性薄片18具有一薄的、比較硬的(即比軟彈性材料硬的)外表面涂層，實質上能夠防止薄片18和隅角反射器組合10之間原子接觸，但不妨礙如上所述兩表面之間光學接觸。如果這種原子接觸產生，那么當需要將該象素從“斷開”轉換到“接通”時，將兩個表面分開可能需要相當大的力和時間。為了使彈性薄片18達到其同隅角反射器組合10光學接觸所需要的變形(特別是如果薄片薄片18的表面未能成形為同隅角反射器組合10相鄰的隅角反射器外形表面匹配時)，形成低彈系數材料的彈性薄片18較為有利，例如通常所謂的“硅膠”之類。
因此將會理解，兩表面間分開的距離實質上必需小于一個波長(約為0.5微米)，以實現兩表面間的光學接觸；而且實質上要大于該材料原子之間的間隙，以防止兩表面間的原子接觸。
也還將能理解，如能采用超小型化技術，則可避免對于彈性薄片18的需要并用某種非彈性材料代替。具體說來，假如隅角反射器組合10中包含的單個的隅角反射器足夠地小，那么材料的大范圍表面平坦性變得不那么重要。
對于每個“象素”來說，可以配備以電子控制的氣壓驅動器(未表示)，以使彈性薄片18在第一和第二種位置間變形，且在第一種位置時隅角反射器組合10和彈性薄片18間留有間隙20，而在第二種位置時兩者光學接觸。
如圖2A和2B中表示的那樣，彈性薄片18的表面被成形為同包括隅角反射器組合10的片狀材料的相鄰隅角反射器輪廓面相匹配。然而這種輪廓匹配并非基本的。假如隅角反射器12A，12B，12C等足夠小，那么彈性薄片18能夠在被施加的靜電壓力下變形，以迫使其同隅角反射器組合10進行所需要的光學接觸，每當隅角反射器組合10準備轉換到“斷開”時。
通過使所施加的靜電壓力略微小于為達到彈性片18和隅角反射器組合10之間光學接觸所需要的靜電壓力，便能使該顯示器適于起“白紙板”的作用。具體地說，彈性片18同隅角反射器組合10之間的光學接觸，只能發生在通過讓一“書寫工具”例如筆尖同隅角反射器組合10向外表面上的予定點接觸而施加額外壓力的區域，從而使被接觸的象素斷開并使其外觀從白轉換成黑。通過除去被用來施加起始的靜電壓力的電壓信號，可以將此“白紙板”擦掉。被筆尖接觸的象素的位置能夠很容易地被檢測，因此額外地還使該顯示器起數字轉換器作用，以將圖象轉換成電子形式。
如上所述，入射在隅角反射器上的光線，通過在構成該隅角反射器的三個垂直相對的面上進行三次獨立的反射而經受全內反射。因此，對于組合10中的每個隅角反射器來說，存在三種分開的防止全內反射的機會。通過獨立地控制光在每個隅角反射器三個相對表面每一表面上的反射，便可以構成全色顯示。
例如，替代采用單一彈性片18，人們可以換一種方式對于每個隅角反射器三個相對表面中的每一個提供不同的接觸元件，這些接觸元件分別在鍍銀基底上構成黃、品、青染料層。圖3A以剖面表示單個隅角反射器24，其帶有與其一個表面29隔開一間隙26的接觸元件28。鄰近表面29的接觸元件28表面，是由一鍍銀的反射基底30上的彩色染料層32構成。為便于說明，僅表示出一個接觸元件，但在實際上單獨的接觸元件同隅角反射器24三表面中每一表面組合。
由于間隙26的存在，隅角反射器24呈現全內反射，結果入射光線22后向反射，如上所述。然而，假如通過把接觸元件28放在與表面29光學接觸而使間隙26消除，如圖3B所示，則此接觸元件28如上所述對損耗波進行干預。在這種情況下，染料層32有選擇地吸收一定波長，其吸收程度取決于該接觸元件28和表面29之間光學接觸的程度(可以通過有控制地將接觸元件28以任何一種選定范圍的光學接觸分位置鄰接表面29定位來達到)。當光通過染料層32到鍍銀的反射基底30時，此光經受基色相減(即黃色染料層吸收蘭光等等)。因此，如上所述，人們可以通過讓相應的接觸元件可控制地分部定位(subpositioning)來控制被反射光線34的光譜分布，以實現全色顯示。
此外，上述彩色顯示可以達到高反射率，其與現有技術的彩色顯示器的最大反射率非常低形成對比。這是由于當任何特定的隅角反射器小平面被“接通”時(即并無接觸元件與其光學接觸時)，該小平面保持全反射，并可按上述同樣方式對于黑白顯示器很容易呈現白色。(相反，具有紅、綠、蘭分色象素的現有技術的彩色顯示器，當該象素未被激活以致賦予該象素以未著色的純凈外觀時，其實質上具有降低的反射率)。按照本發明，假如給定的隅角反射器的所有三個小平面全被“接通”，該隅角反射器顯現白色。如果給定隅角反射器的一或兩個但并非所有三個小平面被“接通”，則該隅角反射器具有著色的外觀，且其顏色取決于接觸元件與其對應的“斷開”的隅角反射器小平面之間光學接觸的程度。
換一種方式，人們可以按照將每一象素分割成紅、蘭、綠部分(segment)的更普通的構成彩色顯示器。通過有選擇地將適當的構件同相應的每一部分光學接觸，人們可以對相應部分上的損耗波干予到足以改變通過其反射的光的光譜分布的程度，從而對所有象素給出任意想望的顏色。然而這種彩色“分割”的方法在未著色狀態下不能產生明亮的白色外觀。
另一種不太完善的彩色技術包括將顏色“A”加到薄片材料10上，和將不同的顏色“B”加到彈性底板(Backing)18上。在這種情況下，“接通”狀態由顏色“A”代表，而且“斷開”狀態由與顏色“A”相減合成的顏色“B”代表。“A”-“B”彩色合成的有用實例包括黃-黑、黃-紅、黃-綠、品紅-黑、品紅-紅、品紅-蘭、青-黑、青-綠、青-蘭、白-黃、白-青、白-品紅、白-紅、白-綠、白-蘭和白-黑。例如白-綠合成對于公路標志是有意義的，其典型的特征是在綠色背景上面寫白字(此“接通”狀態可以以背景或前景表示)。
值得注意的是，整個組合10并不需要微型化。例如，如果需要公路標志或者運動場類型的大規格的顯示器，則由隅角反射器組合10形成的單個“象素”可能要有若干平方英寸甚至更大。除了簡化上述接觸元件的結構之外，也可以簡化為控制由這些象素的大陣列組成的整個標志所需要的電路。例如在某些大規格的現有技術的顯示器中，每個象素必須由比較大量的光源形成，每個這樣的光源要求單獨的電源和控制電路。相形之下，本發明包括的顯示器，其象素并不要求這種與象素尺寸有關的電源或控制電路的按比例增加。因此，本發明便于構成大的、每單位面積象素成本低的、效率高的明亮的顯示器。除了上述公路標志或運動場應用之外，本發明還容易適合構成廣告顯示器、可變信息牌、時鐘以及諸如此類。
如本領域的熟練技術人員將會明白的那樣，按照上述公開，許多變更和改進在本發明的實踐中都可能作出，而不離開其精神或范圍。例如，可以利用顯現全內反射現象的各種結構替代隅角反射器，只要能產生足夠的反射。在本發明的某些應用中，作為象公路標志之類的另一個例子，上述的后向反射性能是重要的(即為了獲得由車輛前燈發出的照明標志的光的定向反射以供車上人員觀察)，但在大多數的其它應用中只有反射效果是想要的，在這種情況下包括隅角反射器組合10的薄片的朝外表面或光學材料應當是略微漫反射的。因此，本發明的范圍擬由下列權利要求書所限定的內容進行解釋。
權利要求
1.一種圖象顯示器(10)，其特征在于一入射光受到全內反射的反射狀態以及一所述全內反射被防止的非反射狀態，并且包括一用于可控制地在上述兩種狀態之間進行轉換的裝置(19)。
2.一種多象素圖象顯示器(10)，其特征在于上述每一象素至少包括一個元件(12A，12B，12C，…)，該元件具有一入射光受到全內反射的反射狀態及一所述全內反射被防止的非反射狀態，上述圖象顯示器進一步包括一可控制地在上述兩種狀態之間開關上述元件用的裝置(19)。
3.如權利要求2限定的圖象顯示器，其中所述的全內反射進一步的特征在于上述元件表面附近的損耗波，上述全內反射的防止包括對上述損耗波產生干預。
4.如權利要求2限定的圖象顯示器，其中所述的全內反射進一步的特征在于上述元件表面附近的損耗波；上述開關裝置進一步包括一鄰近上述元件設置并可在第一和第二兩種位置間變形的構件(18)，且在第一種位置時上述構件和元件之間留有一間隙(20)，而在第二種位置時上述構件與元件光學接觸；并且上述構件在上述第一種位置時不對上述損耗波干預，而在上述第二種位置時對上述損耗波產生干預，從而防止上述全內反射。
5.如權利要求4限定的圖象顯示器，其中所述第二種位置不允許上述構件和元件之間存在實質性的原子接觸。
6.如權利要求4限定的圖象顯示器，其中所述的光學接觸進一步包括上述構件和元件之間分開的距離實質上小于一個波長、實質上大于典型的原子間的間隙和實質上大于上述元件的原子間的間隙。
7.如權利要求4限定的圖象顯示器，其中所述的光學接觸進一步包括上述構件和元件之間分開的距離實質上小于0.5微米，以及實質上大于10-4微米。
8.如權利要求2限定的圖象顯示器，其中所述每一元件為后向反射的，其中所述每一象素進一步包括上述元件的組合。
9.如權利要求8限定的圖象顯示器，其中所述的后向反射元件為隅角反射器。
10.如權利要求8限定的圖象顯示器，其中所述的后向反射元件組合是漫反射的。
11.如權利要求3限定的圖象顯示器，對于上述每一象素，進一步包括一鄰近上述后向反射元件組合的彈性材料(18)，所述彈性材料可在第一與第二種位置之間變形，且在第一種位置時上述后向反射元件組合和彈性材料之間留有間隙(20)，而在第二種位置時上述彈性材料與上述后向反射元件組合光學接觸。
12.如權利要求11限定的圖象顯示器，其中所述的彈性材料具有一薄的比較硬的外表面涂層。
13.如權利要求2限定的圖象顯示器，所述每一象素至少包括一個有三個小平面的隅角反射器(24)，并且對于所述隅角反射器三個面(29)中的每一個來說，所述圖象顯示器進一步包括一帶色的反射接觸元件(28)，而且所述每一接觸元件可在第一和第二種位置之間變形，且在第一種位置時上述一個接觸元件和隅角反射器的對應平面之間留有間隙，而在第二種位置時上述一個接觸元件同上述隅角反射器的對應平面光學接觸。
14.一種圖象顯示方法，其特征在于如下步驟a.形成許多象素，所述每一象素具有一種入射光受到全內反射的反射狀態；以及b.在被選定的上述一些象素上面阻止上述全內反射，以將上述被選定的象素從上述反射狀態轉換到非反射狀態。
15.如權利要求14限定的圖象顯示方法，其中所述全內反射進一步的特征在于上述相應象素表面附近的損耗波，而且上述阻止全內反射的步驟進一步包括對上述被選定象素上的損耗波產生干預。
16.如權利要求14限定的圖象顯示方法，其中所述全內反射進一步的特征在于上述相應象素表面附近的損耗波，而且對于上述每一象素，其中所述阻止全內反射的步驟進一步包括鄰近上述相應象素設置一構件，并使上述構件在第一和第二種位置之間變形，且在第一種位置時上述構件和象素之間留有間隙，而在第二種位置時上述構件與象素光學接觸，并且在上述第一種位置時上述構件不對上述損耗波產生干預，而在上述第二種位置時上述構件對上述損耗波產生干預，從而阻止上述全內反射。
17.如權利要求16限定的圖象顯示方法，其中所述的第二種位置不允許上述構件和象素之間有實質性的原子接觸。
18.如權利要求16限定的圖象顯示方法，其中所述使上述構件變形到第二種位置的步驟，進一步包括將上述構件設置在與上述象素分開的距離實質上小于一個波長、實質上大于典型的原子之間間隙和實質上大于上述象素的原子之間間隙。
19.如權利要求16限定的圖象顯示方法，其中所述使上述構件變形到第二種位置的步驟，進一步包括將上述構件設置在其與上述象素之間分開的距離實質上小于0.5微米，以及實質上大于10-4微米。
20.如權利要求14限定的圖象顯示方法，其中所述全內反射進一步的特征在于上述相應象素表面附近的損耗波，而且對于上述每一被選定的象素來說，上述阻止全內反射的步驟進一步包括使一彈性材料在第一和第二種位置之間變形，于是相應地不對上述被選定象素上的損耗波產生干預和產生干預。
21.如權利要求14限定的圖象顯示方法，其中所述圖象的每一象素包括一三垂直平面的隅角反射器，而且對于上述每一象素，上述阻止全內反射步驟進一步包括使一有色的接觸元件，相對于上述平面中對應一個平面在第一和第二種位置之間變形，于是相應地不對上述對應平面上的損耗波產生干預和產生干預。
22.如權利要求14限定的圖象顯示方法，其中所述每一象素包括紅、蘭、綠三個色塊，對于所述每一色塊，上述阻止全內反射的步驟進一步包括使接觸元件相對于上述色塊中對應一個色塊在第一和第二種位置之間變形，于是相應地不對上述對應色塊上的損耗波產生干預和產生干預。
全文摘要
一種適合于多象素顯示應用的可變反射率顯示器。每個象素至少具有一個元件(10),其具有入射光受到全內反射的反射狀態和全內反射被防止的非反射狀態。這種全內反射的防止是通過對該元件表面附近的損耗波產生干預(散射和/或吸收)實現的。例如一構件(18)可被鄰近該元件設置,并可在第一和第二種位置之間變形。在第一種位置時該構件和元件之間留有間隙(20),以讓該損耗波正常運轉。在第二種位置時該構件與元件光學接觸(但非原子接觸)以使該構件對損耗波干預,從而防止完全內反射。在一個實施例中,每個象素為一些后向反射元件(12A,12B,12C,…)如隅角反射器的組合。一彈性材料(18)鄰近每一組合被提供。如果該組合與彈性材料之間留有間隙(20),助該組合繼續呈現全內反射。但是,如果該彈性材料與該組合光學接觸,則此損耗波將被吸收或散射,因而完全內反射被防止,由此而防止入射光的反射。因此,由隅角反射器組合構成的該“象素”,如與該彈性材料光學接觸則被“斷開”,如兩者之間留有間隙則“接通”。
文檔編號G02F1/167GK1262742SQ98807047
公開日2000年8月9日 申請日期1998年5月8日 優先權日1997年6月10日
發明者羅納·A·威特海德 申請人:不列顛哥倫比亞大學