(57)【要約】  この発明は、導波路と、内部にＴＩＲ光を含む導波路の上面に隣接して展開される１つ以上の画素とを含む装置を提供する。各々の画素は、第１の導体を有する変形可能な活性層と、第２の導体を有するドライバ電子機器層とを含む。ドライバ電子機器層は、活性層に対して間隔を空けた配置関係で、導波路の反対側に展開される。画素の静止状態では、活性層は、ＦＴＩＲを介して外部で光を光学的に結合する（すなわち画素のＯＮ状態）ように導波路の上面と接触またはほぼ接触している。画素を作動させるために、電子機器層は、第２の導体に選択的に電位差を印加し、これにより活性層を上面から遠ざけて、導波路外への光の光学的結合（すなわち画素のＯＦＦ状態）を防ぐ。
2012500999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
注入された光の全内部反射率を示すスラブ導波路と、
スラブ導波路に隣接する画素とを含み、前記画素は、
活性層を含み、前記活性層は、活性層が上面から第１の選択された距離内にある場合、注入された光の全内部反射を減衰させ、これにより、注入された光の一部が画素を通ってスラブ導波路を出る、すなわち「ＯＮ状態」になる、ことを可能にし、前記画素はさらに、
活性層に隣接しスラブ導波路の反対側に展開されるドライバ電子機器層を含み、前記ドライバ電子機器層は、第１の選択された距離を上回る距離だけスラブ導波路から離れるよう活性層を推し進める電圧を印加して、画素を「ＯＦＦ状態」に駆動するよう構成される、装置。
【請求項２】
画素は、画素の周囲を規定するために活性層とドライバ電子機器層との間に少なくとも１つの隔離碍子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ドライバ電子機器層が電圧を印加すると、活性層が最大で間隙の寸法までの距離だけスラブ導波路から隔てられ、間隙の寸法は、光がスラブ導波路から活性層に透過するのを阻止するのに十分に広い、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
活性層のうち画素の周囲内の部分は、ドライバ電子機器層によって電圧が印加されない場合、第１の選択された距離未満だけスラブ導波路から隔てられ、第１の選択された距離は、スラブ導波路の上面における全内部反射を減衰させて、前記注入された光が前記少なくとも１つの画素の周囲内の領域からスラブ導波路を出ることを可能にするのに十分に短い、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの反射層をさらに含み、前記少なくとも１つの反射層は前記少なくとも１つの隔離碍子と並んで活性層内または活性層上に形成され、これにより、前記少なくとも１つの反射層は、隔離碍子付近のスラブ導波路を出てスラブ導波路に戻る光を再利用することができる、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
活性層は複数の光学微細構造を含み、前記複数の光学微細構造は活性層の下面に形成され、これにより、前記光学微細構造は、上面から第１の選択された距離内にある場合にスラブ導波路の上面において全内部反射を減衰させる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ドライバ電子機器層は、
活性層の上面に配置された第１の導電層と、
第１の導電層の上方に配置され、第２の選択された距離だけ第１の導電層から隔てられた第２の導電層と、
電子要素とを含み、前記電子要素は、前記電子要素に供給される信号に応じて第１の導電層と第２の導電層との間に印加電圧を生成するよう構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
減衰全内部反射ディスプレイであって、
注入された光の全内部反射率を示すスラブ導波路と、
スラブ導波路に光を注入することのできる光源と、
スラブ導波路の上面に隣接して展開される複数の画素とを含み、各々の画素は、
活性層を含み、前記活性層は、上面から第１の選択された距離内にある場合に上面において前記注入された光の全内部反射を減衰させ、これにより、注入された光の一部が、前記少なくとも１つの画素を通ってスラブ導波路を出るのを可能にし、各々の画素はさらに、
活性層に隣接しスラブ導波路の反対側に展開されるドライバ電子機器層を含み、前記ドライバ電子機器層は、スラブ導波路の上面から離れるよう活性層を推し進める電圧を印加するよう構成され、各々の画素はさらに、
コントローラを含み、前記コントローラはドライバ電子機器層に信号を供給するよう構成されており、これにより、スラブ導波路の上面のうち画素に隣接する部分からの全内部反射を制御可能に減衰させることによって、選択された画像を生成するよう画素の動作が調整される、減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１１】
各々の画素が、画素の周囲を規定するよう活性層とドライバ電子機器層との間に展開される複数の隔離碍子を含む、請求項１０に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１２】
ドライバ電子機器層が電圧を印加すると、隔離碍子により、最大で間隙の寸法までの距離だけドライバ電子機器層から活性層が隔てられ、間隙の寸法は、光がスラブ導波路から活性層に透過するのを阻止するのに十分に広い、請求項１１に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１３】
コントローラはドライバ電子機器層に可変信号を供給することができ、ドライバ電子機器層は、可変信号に応じて可変電圧を印加することができ、印加された電圧が大きくなると各々の画素における間隙の寸法が大きくなる、請求項１２に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１４】
活性層のうち画素の周囲内の部分は、ドライバ電子機器層によって画素に電圧が印加されない場合、第１の選択された距離未満だけスラブ導波路から隔てられ、第１の選択された距離は、スラブ導波路の上面における全内部反射を減衰させるのに十分に短く、これにより、前記注入された光が画素の周囲内の領域からスラブ導波路を出ることを可能にする、請求項１２に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１５】
反射層を含み、前記反射層は、前記反射層が、隔離碍子に入ってスラブ導波路に戻る光を再利用することができるように、各々の隔離碍子と並んで活性層内または活性層上に形成される、請求項１２に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１６】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
各画素の周囲を規定する隔離碍子によって囲まれる活性層の部分は複数の光学微細構造を含み、前記複数の光学微細構造は活性層の下面に形成され、これにより、光学微細構造が上面から第１の選択された距離内にある場合に、光学微細構造がスラブ導波路の上面において全内部反射を減衰させる、請求項１２に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１９】
各々の画素のドライバ電子機器層は、
各画素における活性層の一部の上面に配置された第１の導電層と、
第１の導電層の上方に配置され、第２の選択された距離だけ第１の導電層から隔てられた第２の導電層と、
電子要素とを含み、前記電子要素は、コントローラによって供給される信号に応じて第１の導電層と第２の導電層との間に印加電圧を生成するよう構成される、請求項１２に記載の減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項２０】
減衰全内部反射ディスプレイのための反転した画素アーキテクチャであって、
スラブ導波路に注入された光の全内部反射率を示すスラブ導波路と、
スラブ導波路において前記注入された光の全内部反射を選択的に減衰させることができる活性層と、
活性層を静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動することができるドライバ電子機器層とを含む、反転した画素アーキテクチャ。
【請求項２１】
前記活性層は、スラブ導波路から第１の選択された距離内にある場合に前記注入された光の全内部反射を減衰させて、前記注入された光の一部が、ＯＮ状態の画素を通ってスラブ導波路を出ることを可能にし、
ドライバ電子機器層は、第１の選択された距離を上回る距離だけ活性層をスラブ導波路から遠ざけるよう推し進める電圧を印加して、画素を非静止のＯＦＦ状態に駆動する、請求項２０に記載の反転した画素アーキテクチャ。
【請求項２２】
反射層は少なくとも１つの反射層を含み、前記少なくとも１つの反射層は、隔離碍子に入りスラブ導波路に戻る光を前記反射層が選択的に再利用することができるように、各々の隔離碍子と並んでいる、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は隔離碍子と並んで形成され、これにより、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐことができる、請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
活性層は複数の光学微細構造を含み、前記複数の光学微細構造は、スラブ導波路に面するその第１の表面に形成され、これにより、光学微細構造は、第１の選択された距離内にある場合にスラブ導波路の全内部反射を減衰させる、請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
ドライバ電子機器層は、
活性層の上面に配置された第１の導電層と、 
第１の導電層の上方に配置され、第２の選択された距離だけ第１の導電層から隔てられた第２の導電層と、
複数の電子要素とを含み、前記複数の電子要素は、前記電子要素に供給される信号に応じて第１の導電層と第２の導電層との間に印加電圧を生成するよう構成される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
減衰全内部反射ディスプレイを動作させるのに用いられる方法であって、反転した画素アーキテクチャを静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動するステップを含む、方法。
【請求項２８】
スラブ導波路が、スラブ導波路に注入される光の全内部反射率を示すステップと、
活性層が、スラブ導波路において前記注入された光の全内部反射を選択的に減衰させ得るステップと、
ドライバ電子機器層が、活性層を静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動し得るステップと、
反転した画素アーキテクチャを静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動するステップとを含み、前記駆動するステップは、第１の選択された距離を上回る距離だけスラブ導波路から離れるよう活性層を推し進める電圧を印加して、画素を静止したＯＮ状態から非静止のＯＦＦ状態に駆動するステップを含み、活性層は、前記注入された光の全内部反射を減衰させて、前記注入された光の一部がスラブ導波路を出ることを可能にする、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
２００８年８月２２日に提出された米国仮出願連続番号第６１／０９１，１７６号の先の有効出願日を米国特許法第１１９条に基づいてここで主張する。この仮出願は、この明細書中に逐語的に述べられているとおり、すべての目的で引用によりこの明細書中に援用されている。
【０００２】
１．発明の分野
この発明は概してディスプレイの分野に関し、より特定的には、ディスプレイ面上で画像変調を実行する画素シャッタ機構に光を与えるために透過的なスラブ導波路を利用する透過型ディプレイの視機能を向上させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
この段落は、以下に記載されるおよび／または添付の特許請求の範囲に規定されるこの発明の局面に関連し得る技術のさまざまな局面を読者に紹介することを意図したものである。この説明は、この発明をより理解し易くするために読者に背景情報を提供するのに有用であると考えられる。したがって、これらの記述はこの点に鑑みて読まれるべきであり、先行技術を容認するものとして読まれるべきではないと理解されなければならない。
【０００４】
最も一般的に使用されるディスプレイは、印加される電圧または電流に応じて光を生成する画素のアレイと称される電気光学素子のアレイを含む。たとえば、液晶ディスプレイ、または「ＬＣＤディスプレイ」は、２つの透明電極間に展開された分子層から形成される画素のアレイを含む。電圧が２つの透明電極の両端に印加されると、分子層が点灯する。別の例の場合、プラズマディスプレイは、ガラスパネル間に含まれる不活性ガスを含む画素のアレイを含む。不活性ガスに電界を印加することによってこれをプラズマに変えて、光を放出させる。これらのディスプレイにおける画素アレイは等しい数の赤、緑および青い色の画素を含んでおり、これらは、適切な制御信号が画素に与えられるとカラー画像を生成する。
【０００５】
上述の従来のディスプレイの代替案として、導波管内部を移動する光を抽出するために全内部反射の減衰（「ＦＴＩＲ」（Frustration of Total Internal Reflection ））を利用するフラットパネルディスプレイが挙げられる。典型的なＦＴＩＲディスプレイシステムは、上に被さっている画素のアレイのための光源として作用する透過的な長方形のスラブ導波路を含む。動作時には、注入された光が導波路の表面に全内部反射されるように、光（通常、単色光）が、選択された角度で導波管にエッジ注入される。場合によっては、導波路は、導波路内を移動する全内部反射（「ＴＩＲ」（total internal reflectance））光線が通過する数を増やすために、スラブ導波路の側端面のうち１つ以上が鏡張りされている。次いで、導波路内を移動する光は、導波路内に閉じ込められた光の全内部反射を減衰させることにより、各々の画素位置で局所的、選択的かつ制御可能に抽出することができる。
【０００６】
さまざまなフラットパネルＦＴＩＲベースのディスプレイシステムが過去数十年にわたって開発されてきた。その中には、Martin G. Selbredeによる米国特許証５，３１９，４９１（以下、 「Ｓｅｌｂｒｅｄｅ’４９１」と称する）に開示された時分割光シャッタ（ＴＭＯＳ：Time Multiplexed Optical Shutter）があり、その全体が引用によりこの明細書中に援用されている。さらには、たとえば、全体が引用によりこの明細書中に援用されている米国特許第７，０９２，１４２号、第７，０４２，６１８号、第７，０５７，７９０号、第７，２１８，４３７号、第７，４８６，８５４号および第７，４５０，７９９号に開示される変形例が挙げられる。
【０００７】
Ｓｅｌｂｒｅｄｅ’４９１および他の上述の特許に記載されるＦＴＩＲベースの光学ディスプレイの一例として、平面のスラブ導波路にわたって分散される複数の画素を含むフラットパネルディスプレイが挙げられる。このようなディスプレイの一例を図１Ａおよび図１Ｂに示す。図１Ａは、ディスプレイにおける２つの隣接する画素１００および１０５の基本的な概略断面図である。スラブ導波路１３０は、２の平方根、すなわち１．４１４６、よりも高い屈折率を有する材料から形成されており、光源注入エッジ１３２から最も遠く離れたスラブエッジ上に反射コーティング（図示せず）を有する。電子機器層１１２を導波路１３０の上面１３３に配置して、個々の画素の各々を選択的に制御および作動させる電子機器を設けることもできる。電子機器層１１２はドライバ電子機器、たとえば（以下により詳細に説明される）ＴＦＴ  １１４および導電性相互接続部１１６、ならびに、各々の画素を選択的に作動させるために各画素位置にある電子機器層画素導体１１５、１５０などを含む。以下に単に「画素導体」と称される電子機器層画素導体１１５、１５０は、好ましくは、インジウムスズ酸化物などの透明な導体材料から形成される。活性層１１８は、電子機器層１１２の上面１２５上に配置される複数のスペーサ１１０によって導波路１３０に対して並列に支持され、導波路１３０から間隔を空けて配置されている。活性層１１８は、高分子材料（たとえばエラストマ）からなる薄板１２０、ディスプレイ上に配置される任意の数の画素にわたる共通の導体１２２、および非伝導性光結合層１２３を含み得る。高分子材料からなる薄板１２０は、弾力的に変形可能であり、好ましくは、ＦＴＩＲを介して光を抽出する際に光の結合を最大限活用するよう選択された高屈折率を有する透明なエラストマ材料の薄板（または膜）を含む。共通の導体１２２は、好ましくは、インジウムスズ酸化物などの透明な導体材料から形成される。複数のスペーサ１１０は、電子機器層１１２の上面１２５に対して間隔を空けた配置関係で活性層１１８を位置決めし、これにより、その間に微小間隙１３５（たとえば真空またはガスで満たされた間隙）を形成する。スペーサ１１０は、活性層１１８が各々の画素位置を囲むスペーサ１１０によってつながれるように、個々の画素形状の周囲において電子機器層１１２の上面１２５の両端に分散されている。一例においては、スペーサ１１０は、電子機器層１１２の上面１２５上に配置されたアルミニウムからなる正方形の格子で形成されており、これにより、格子の各正方形が単一画素１００および１０５の位置を囲んでいる。このため、各々の画素１００および１０５は、ディスプレイの離散的な小区分を表わしており、各々の画素１００および１０５は、各々の画素位置を囲むスペーサ１１０によって輪郭が定められた活性層１１８の一部と電子機器層１１２の一部とを含む。
【０００８】
動作時には、（たとえば、赤、緑および青などの原色光を連続して点灯する）フィールドシーケンシャルカラー光が、スラブ導波路１３０にエッジ注入され、導波路１３０と、その上に配置され同様の屈折率を有する層（たとえば電子機器層１１２）との内部で全内部反射（「ＴＩＲ」）される。エッジ注入された光は、空隙１３５によって形成される低屈折率被覆層と導波路の底面１３４を囲む空気との界面においてＴＩＲされ、これにより、導波路１３０およびその上に配置された層の内部にＴＩＲ光波１４５を閉じ込める。たとえば、図１Ａに図示のとおり、ＴＩＲ光波１４５は、電子機器層１１２の上面１２５と導波路１３０の底面１３４との空気界面によって抑制される。これは、上面１２５に隣接する低屈折率の空気充填間隙１３５（すなわち、被覆層）と、底面１３４を囲む空気とが存在することに起因している。
【０００９】
図１Ｂは、互いに隣接して位置し、１つ以上のスペーサ１１０によって隔てられている２つの画素１００、１０５のそれぞれのＯＦＦ状態およびＯＮ状態を概念的に示している。画素１００は、非活性状態または静止状態とも称される非作動位置にある単一画素を示す。静止状態では、活性層１１８のうち画素１００に関連付けられるスペーサ１１０間の部分が、電子機器層１１２の上面１２５と平行に位置しており、画素位置において光が発せられない（すなわち、画素１００がＯＦＦ状態になる）ように微小間隙１３５によって上面１２５から隔てられている。たとえば、活性層１１８の底面１４０は、好ましくは、約２００ナノメートル（たとえば約２００ｎｍから６０００ｎｍ以上の高さ）よりも大きな間隙高さ（ｈ）（すなわち、距離）だけ上面１２５から隔てられており、これにより、本質的に、間隙１３５にわたる導波路１３０から活性層１１８へのＴＩＲ光波１４５の結合が確実に起こらないようにする。
【００１０】
画素１０５は、活性状態またはＯＮ状態位置とも称される作動状態にある単一画素を示す。図１において導体１５０の平行線模様で示されるように、画素導体１５０を帯電させることによって画素１０５がＯＮ状態に切替えられ、これにより、共通の導体１２２と電子機器層画素導体１５０との間に十分な電位差および付随する電界を生成して、共通の導体１２２およびそれに取付けられたエラストマ層１２０（すなわち、変形可能な活性層）を変形させて、電子機器層導体１５０の方に移動させる。こうして、活性層１１８が移動して電子機器層の上面１２５と接触（またはほぼ接触）し、これにより、導波路内のＴＩＲ光を減衰させる。このように電子機器層導体１５０を活性化させると、変形可能な活性層１１８を微小間隙１３５にわたって局所的に推し進めて電子機器層１１２の上面１２５と接触（またはほぼ接触）させることにより周囲のスペーサ１１０によって輪郭が定められる画素１０５の区域において活性層１１８の一部が選択的に制御され作動させられる。これにより、ＴＩＲ光波１４５を減衰させ、放出された光波１５５が導波路１３０から出るよう方向付けられ、作動した画素位置において活性層１１８から解放される。
【００１１】
電子機器層１１２は、典型的には、アクティブマトリクス薄膜トランジスタ（「ＡＭ−ＴＦＴ」）構造などの薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）１１４、および金属の電気トレースなどの導電性相互接続部１１６を含むドライバ電子機器を備える。ドライバ電子機器は、個々の画素１００および１０５をＯＮ状態とＯＦＦ状態との間で電子的に切替えるのに用いられる。たとえば、各々の画素１００および１０５はＡＭ−ＴＦＴ装置１１４を含み得る。このＡＭ−ＴＦＴ装置１１４は、画素導体１１５および１５０に適切な電圧を印加して、間隙１３５にわたって（すなわち、画素導体１１５、１５０と共通の導体１２２との間に）十分な電位差（ΔＶ）をもたらすことにより電界を生成して、活性層１１８の変形および導波路１３０に向かっての高速運動を引起こす。これは、画素１０５に関して先に説明したとおりである。画素の状態をＯＦＦに切替えるために、ＡＭ−ＴＦＴ装置１１４は、画素導体１１５、１５０に印加される電圧を適切な電圧に切替えて、画素導体１１５、１５０と共通の導体１２２との間の電位差を十分に低減させる（たとえば、ΔＶ＝０）。これにより、変形した活性層１１８が、（画素１００に関して先に説明した）画素の静止ＯＦＦ状態で、変形していない平行な向きに弾性的に戻ることが可能となる。
【００１２】
ＦＴＩＲディスプレイにおける複数の画素１００および１０５は、静電的に制御された微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）構造であり、微小間隙１３５にわたって活性層１１８を制御可能に変形させて推し進めて、電子機器層１１２の上面１２５と接触またはほぼ接触させる。このため、直接的な接触伝播によって、および／またはエバネッセント結合により、光が導波路１３０から活性層１１８まで通過する。したがって、各々の画素１００および１０５は、活性層１１８の電気機械的な変形および／またはポンデロモーティブ（ponderomotive）による変形によって微小間隙１３５にわたって活性層１１８を推し進めることによってＯＮ位置にまで動かすことができる。スラブ導波路１３５に関連付けられる画素導体１１５、１５０と活性層１１８に関連付けられる共通の導体１２２との間の間隙１３５にわたって適切な電位を印加することにより、活性層１１８を変形させて導波路１３０の方に高速運動させる。活性層１１８の作動は、ＦＴＩＲを介してＴＩＲ光１４５を導波路１３０外に結合することができるように活性層１１８が上面１２５と物理的に接触（またはほぼ接触）するときに完了すると考えられる。抽出され放出された光１５５の強度は、印加電圧のパルス幅変調（ＰＷＭ：pulse width modulation）（すなわちデジタルグレイスケール）によって、または印加電圧の大きさ（すなわちアナロググレイスケール）を変えることによって制御することができる。さらに、ビデオフレームレートでいくつかの原色（たとえばフィールドシーケンシャルカラー光）のための十分なグレースケールレベルを生成することを可能にするために、そして、滑らかな映像生成を維持しつつ過剰な動きおよび色割れした生成物を避けるために、接触／ほぼ接触させる動作は極めて高速で行なうことができる。
【００１３】
上述のとおり、Ｓｅｌｂｒｅｄｅ’４９１および上述の特許出願に記載される画素動作モードが関与する画素アーキテクチャにおいては、画素の機械的に静止した（すなわち、非作動）位置が画素のＯＦＦ状態位置（たとえば、図１Ｂにおける静止画素１００、および図１Ａに示されるような両方の画素）に該当し、そして、画素の作動位置は、画素のＯＮ状態位置（たとえば、図１Ｂにおいては作動した画素１０５）に該当する。静止位置においては、画素１００は光学的に非活性である。というのも、間隙１３５にわたる光結合（たとえばエバネッセント結合）がさほど重要でなくなるように、活性層１１８がスラブ導波路１３０に対して間隔を空けた配置関係にあるからである。作動位置においては、画素１０５は光学的に活性である。というのも、活性層１２０の電気機械的な変形またはポンデロモーティブによる変形により活性層１１８が間隙１３５にわたって物理的に導かれ、スラブ導波路１３０または電子機器層１１２と接触またはほぼ接触し、これにより、ＦＴＩＲに、作動した画素領域１０５から光を放出させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、導波路１３０にわたって配置されるように電子機器層１１２内にドライバ電子機器を配置することで、有害な光学効果がもたらされる可能性がある。特に、電子機器層１１２内にアクティブマトリクスコンテキスト（ＡＭ−ＴＦＴ駆動機構）においてＴＦＴに基づいてドライバ電子機器を展開させることにより、それぞれ散乱光１６０および反射光１６５として示される光散乱および／または光強度減衰が引き起こされる可能性があり、このようなディスプレイのコントラスト比および／または光学効率を低下させてしまう。たとえば、概して、トランジスタの適切な動作を確実にするのに適したいくつかの異なる材料からなる一連の誘電体層がＡＭ−ＴＦＴ構造に含まれているので、光学効率が損なわれる可能性がある。これらの層の数は１ダース以上であってもよく、各々の層は、原料となる材料に基づいて明確に異なる屈折率を有していてもよい。結果として、特定の層厚さで屈折率を特別に順序付けることにより、層のうちの１つ（以上）に入射する光のいくらかが、不所望にも、導波路１３０に反射し返され（たとえば反射光１６５）、吸収され、および／または非ＴＩＲ光（たとえば散乱光１６０）として散乱してしまう可能性がある。これらの層は、光（たとえば反射光１６５）の多くを導波路の方に反射し返すことで光減衰を引き起こし、これにより、このような光が画素作動中に視聴者に向かって放出されるの防ぎ得る。加えて、スラブ導波路面１３３と、その面に対する（直交する）垂線とに対して傾斜面を有した可能性のある導電性相互接続部１１６およびＴＦＴ  １１４のさまざまな層は、このような領域から不所望な散乱を引き起こし、これにより、ノイズフロアを上げ、ディスプレイシステムの有効な信号対雑音比（およびこれによりコントラスト比）を低減させることができる。こうして、ドライバ電子機器（たとえば、相互接続部、ＴＦＴ）が概してスラブ導波路１３０の表面および／またはその上に配置された層（たとえば電子機器層１１２）内に配置され、これにより導波路１３０の内部を移動するＴＩＲ光１４５の経路に永久的に位置することとなるいくつかのディスプレイアーキテクチャでは、システムノイズフロアを上昇させる過剰な散乱を引き起こすかまたは光出力を劣化させることによって有害な光学効果が生じる可能性がある。
【００１５】
光学ノイズの別の源として、スペーサ１１０から散乱する光が挙げられる。この光の散乱は、ＴＩＲ光１４５が電子機器層１１２および導波路１３０内を移動する際に上面１２５から延在して生成されるエバネッセント場が存在することに起因している。エバネッセント場（すなわちエバネッセント波）が上面１２５上に載っているスペーサ１１０に遭遇すると、スペーサが不連続な境界条件を引起こして、エバネッセント波を、可視スペクトルではあるが典型的には非ＴＩＲ角度で伝播波に変形させる（すなわち、散乱光）。これにより、ノイズフロアを上げてディスプレイシステムの有効な信号対雑音比（これによりコントラスト比）を低減させることにより、有害な光学効果がもたらされる。
【００１６】
開示された主題は、上述の問題のうちの１つ以上の効果に対処することに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
発明の概要
開示された主題のいくつかの局面の基本的理解を与えるために、開示された主題の簡略な概要を以下に述べる。この概要は開示された主題を網羅的にまとめたものではない。また、開示された主題の基幹もしくは重要な要素を識別するかまたは開示された主題の範囲を線引きするように意図されたものでもない。その唯一の目的は、以降に説明するより詳細な説明の前置きとして単純な形でいくつかの概念を提示することである。
【００１８】
一実施例においては、スラブ導波路と、スラブ導波路の上面に隣接して展開される１つ以上の画素とを含む装置が提供される。一実施例においては、スラブ導波路は、注入された光がスラブ導波路の上面および底面において全内部反射されるように構成される。各々の画素は、変形可能な活性層およびドライバ電子機器層を含む。静止画素状態では、活性層が、導波路の上面に隣接し、当該上面と平行に位置決めされる。ドライバ電子機器層は、活性層に対して間隔を空けた配置関係で、スラブ導波路の反対側に展開される。画素のＯＮ状態では、活性層がスラブ導波路の上面から第１の選択された距離内にある場合、活性層が、注入された光の全内部反射を減衰させ、これにより、注入された光の一部が当該画素を通ってスラブ導波路を出ることを可能にする。画素のＯＦＦ状態では、ドライバ電子機器層は、電子機器層と活性層との間に電位差を与えて、活性層をスラブ導波路の上面から遠ざけるよう推し進め、これにより、注入された光が当該画素を通ってスラブ導波路を出るのを防止するよう構成されている。
【００１９】
開示された主題は、添付の図面に関連付けられる以下の説明を参照することによって理解され得る。添付の図面においては、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】活性層とスラブ導波路との間に展開される従来の電子機器層を用いて活性化させることのできる隣接して位置する２つの画素を概念的に示す図である。
【図１Ｂ】活性層とスラブ導波路との間に展開される従来の電子機器層を用いて活性化させることのできる隣接して位置する２つの画素を概念的に示す図である。
【図２】この発明の実施例に従った、電子機器層とスラブ導波路との間に活性層を展開させる反転したアーキテクチャを用いて活性化させることができ、隣接して位置する２つの画素を概念的に示す図である。
【図３Ａ】たとえば図１Ａおよび図１Ｂに図示のとおり、従来の画素層スタックの一部を表わし得るモデルの３層スタックにおける光を概念的に示す図である。
【図３Ｂ】０°から９０°の入射角および二酸化ケイ素（「ＳｉＯ２」）層の可変厚さ（ｄ）についての、図３Ａに示されるモデルの３層スタックを通る光の透過率を示す図である。
【図３Ｃ】ＳｉＯ2層の厚さの関数として２つの代表的な入射角、すなわち、従来の画素層スタックにおけるＳｉＯ2層（すなわち電子機器層）に入射する光の入射角（たとえば、０度がＳｉＯ2層の面に対して垂直である場合、７５度）と、反転した画素層スタックにおけるＳｉＯ2層（すなわち電子機器層）に入射する光の入射角（たとえば５度）とについての、図３Ａに示されるモデルの３層スタックを通る光の透過率の比較を示す図である。
【図４Ａ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第１の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図４Ｂ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第１の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図４Ｃ】画素の周囲から光が漏れるのを防ぐために、隔離碍子に入って導波路に戻る光を再利用する手段を示すための、隔離碍子を囲むディスプレイの切断部分を概略的に示す図である。
【図４Ｄ】画素の周囲から光が漏れるのを防ぐために、隔離碍子付近にあるスラブ導波路から光が出るのを防ぐ手段を示すための、隔離碍子を囲むディスプレイの切断部分を概略的に示す図である。
【図４Ｅ】画素の周囲から光が漏れるのを防ぐために、隔離碍子付近にあるスラブ導波路から光が出るのを防ぐ手段を示すための、隔離碍子を囲むディスプレイの切断部分を概略的に示す図である。
【図４Ｆ】画素の周囲から光が漏れるのを防ぐために光を消す手段を示すための、隔離碍子を囲むディスプレイの切断部分を概略的に示す図である。
【図５Ａ】光学微細構造の具体的な実施例のさまざまな形状を示す図である。
【図５Ｂ】光学微細構造の具体的な実施例のさまざまな形状を示す図である。
【図５Ｃ】光学微細構造の具体的な実施例のさまざまな形状を示す図である。
【図６】単一画素についての光学微細構造の例示的な分布を概略的に示すための、活性層の下面を示す概略的な上面図である。
【図７】図６に示される活性層の下面の表面トポグラフィ（topography）を示すＳＥＭ写真である。
【図８】単一画素についての光学微細構造の別の具体的な分布を概念的に示すための、活性層の下面を示す概略的な上面図である。
【図９Ａ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第２の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図９Ｂ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第２の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図１０Ａ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第３の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図１０Ｂ】静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素の第３の具体的な実施例を概念的に示す図である。
【図１１】図１０Ａおよび図１０Ｂに示される実施例に従った、単一画素についての光学微細構造の別の具体的な分布を概念的に示すための、活性層の下面を示す上面図である。
【図１２】減衰全内部反射（「ＦＴＩＲ」）ディスプレイシステムを概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
開示された主題はさまざまな変形例および代替的な形状にすることができ、その具体的な実施例が図面において例示として図示され、この明細書中に詳細に記載される。しかしながら、具体的な実施例についてのこの明細書中の説明が、開示された主題を開示された特定の形態に限定するように意図されたものではないことが理解されるはずである。むしろ、添付の特許請求の範囲内に収まるすべての変更例、同等例、組合せおよび代替例を包含するよう意図されている。
【００２２】
具体的な実施例の詳細な説明
以下の説明においては、この発明の理解を助けるために具体的な実施例が記載される。しかしながら、明瞭にするために、実際の実現例のすべての特徴がこの明細書に記載されるわけではない。このような実際の実施例の開発時にも、開発者の特定の目的、たとえば実現例ごとに異なるであろうシステム関連およびビジネス関連の制約条件の遵守などを達成するために、実現例特有の多数の決定がなされる必要があることが当然ながら認識されるだろう。さらに、このような開発努力が複雑で時間のかかるものになるかもしれないが、この開示の利益を有する当業者が負うべき慣例の手順になるであろうことが認識されるだろう。
ここでは、添付の図面に関連付けて開示された主題を説明する。さまざまな構造、システムおよび装置は、説明のみを目的として、当業者に周知の詳細でもってこの発明を不明瞭にすることを避けるために図面においては概略的に示されている。それでも、開示された主題の具体例を記載および説明するために添付の図面が含まれている。
【００２３】
一般に、この明細書中に記載される技術の実施例では、光学ディスプレイの光学性能（たとえば信号対雑音比、発光の均一性）を高めるさまざまな画素ドライバアーキテクチャが提供される。実施例の各々においては、個々の画素についての機械的に静止した（すなわち、非作動）位置は、画素が「ＯＮ位置」（すなわち「ＯＮ」状態）にある箇所に相当する。画素のＯＮ位置は、光を発し、好ましくは視聴者に光を向ける光学的に活性の画素を指している。これにより、画素は、画素を作動させるような時までそのＯＮ位置にある。画素を「ＯＦＦ位置」（すなわち「ＯＦＦ」状態）に切替えるために、画素を作動させて光学的に非活性にしなければならない。
【００２４】
図２は、隣接して位置して１つ以上のスペーサ２１０によって隔てられている２つの画素２００、２０５のそれぞれのＯＦＦ状態およびＯＮ状態を概念的に示している。図２に示される画素２００および２０５は、画素を制御するためのＴＦＴベースの装置を維持しつつ視機能を高める、この発明の一実施例に従った反転した画素アーキテクチャを実現する。視機能を高める反転した画素アーキテクチャの注目すべき一局面は、ドライバ電子機器層２１５が導波路２２５内を移動するＴＩＲ光の経路に位置することのないように、ドライバ電子機器層２１５が導波路２２５の上方に位置し、導波路２２５から間隔を空けて配置されていることである。さらに、反転した画素アーキテクチャでは、この明細書中に説明されるように、画素を作動させるのに必要なパワーが有利にはより少なくなり得る。
【００２５】
反転したアーキテクチャにおいては、画素２００および２０５は、導波路２２５に隣接して配置される活性層２１８に対して間隔を空けた配置関係で上方にドライバ電子機器層２１５を展開させることによって、形成される。ドライバ電子機器層２１５は、間に第１の間隙２３４が形成される複数のスペーサ２１０によって活性層２１８の上面２２４の上方で支持される。活性層２１８は、高分子材料（たとえばエラストマ）でできた薄板２２０と、画素２００、２０５（またはディスプレイ上に配置される任意の数の画素）上にわたって延在する共通の導体２２２とを含む。高分子材料でできた薄板２２０は、弾性的に変形可能であり、好ましくは、ＦＴＩＲを介して光を抽出する際に光の結合を最大限活用するよう選択された高屈折率を有する透明なエラストマ材料を含む。好適な高分子材料は、アクリレート（acrylate）、ポリエチレンテレフタレート（「ＰＥＴ」）、ウレタン、および弾力性を呈する他の高分子材料を含む。共通の導体２２２は、好ましくは、インジウムスズ酸化物（「ＩＴＯ」）などの透明な導体材料から形成される。活性層２１８が各々の画素位置を囲むスペーサ２１０によってつながれるように、スペーサ２１０は、個々の画素形状の周囲において活性層２１８の上面２２４にわたって分散される。スペーサ２１０を作製するのに適した材料はアルミニウムおよびフォトレジストを含むが、広範囲の透明または不透明なパターン化可能な材料（たとえば、金属、ポリマー、ガラス、セラミックなど）からスペーサ２１０が作製可能であることに留意されたい。一例においては、スペーサ２１０は活性層の上面２２４上に配置されたアルミニウムからなる正方形の格子から形成されており、このため、格子の正方形が単一画素２００および２０５の位置を囲んでいる。ドライバ電子機器層２１５は、各々の画素を選択的に作動させるために画素位置の各々において、電子機器層画素導体２４５および２５５を含む。以下に単に「画素導体」と称される電子機器層画素導体２４５、２５５の各々は、好ましくは、インジウムスズ酸化物などの透明な導体材料を含む。ドライバ電子機器層２１５は、また、電子装置２４６（たとえばＴＦＴ）と、個々の画素２００および２０５をＯＮ状態とＯＦＦ状態との間で選択的に切替えるための導電性相互接続部２４８（たとえば電気トレース）とを含み得る。
【００２６】
ＴＩＲ光波２４０によって示されるように、導波路２２５に入る光が導波路２２５の上面２４２および下面２４３に全内部反射されるように、光源２３５は、光注入面２４１を介して導波路２２５に光を注入する。図２に図示のとおり、導波路２２５はスラブ導波路であってもよく、このスラブ導波路は反射エッジ面２４４を有しており、この反射エッジ面２４４は鏡張りされているため、注入されたＴＩＲ光２４０を反射させて導波路２２５に戻し、内部を通るＴＩＲ光が通過する数を増やす。図示しないいくつかの実施例には鏡張りされたエッジ面２４４が省かれている可能性があることに留意されたい。導波路２２５は、可撓性のあるプラスチック（すなわち、可撓導波路基板）を含む、光学グレードのガラスまたはプラスチックなどの好適な如何なる導波路材料から作製されてもよい。さらに、導波路２２５の形状が平面（たとえば平面の長方形スラブ）または湾曲した導波路基板などの非平面であってもよいことに留意されたい。
【００２７】
反転したアーキテクチャは、静止状態で活性層２１８を導波路２２５の上面２４２に接触（または、ほぼ接触）させることを可能にする点で（先に述べた）従来のアーキテクチャとは異なっている。したがって、画素２００および２０５は、機械的に静止している（すなわち、作動されていない）場合、ＯＮ状態または活性状態（すなわち、光学的に活性）である。図２に図示のとおり、画素２０５は、ＯＮ状態にある非作動の単一画素を示す。画素導体２４５が（平行線が引かれた箱２４５によって示されるように）電気的にオンにされないというのは、画素を作動させるのに十分に電界または電位が画素２０５に印加されず、このため、画素２０５が作動されるまで静止した画素２０５がＯＮ状態のままになるという点においてである。静止状態では、活性層２１８のうち画素２０５に関連する部分が、画素２０５の領域内の導波路２２５の表面２４２に当たるＴＩＲ光２４０の全内部反射を減衰させるために、上面２４２に十分に近接して位置決めされる。こうして、導波路の上面２４２に対して活性層２１８を近接させることにより、ＦＴＩＲを介して導波路２２５外にＴＩＲ光２４０が結合され、ＴＩＲ光２４０が出射光２５０として視聴者の方に向けられる。
【００２８】
この開示の利益を有する当業者であれば、ＴＩＲ光を減衰させるのに必要な活性層２１８と導波路２２５との間の分離が、活性層２１８および／または導波路２２５、さらには、導波路の上面２４２に隣接して形成され得る他のいずれかの層を作製するのに用いられる特定の材料に依存することを認識するだろう。さらに、出射光２５０の強度は、活性層２１８と導波路２２５との間の距離を変えることによって（たとえば、印加された電位および／もしくは電界を変えることによって）、または、画素がたとえばパルス幅変調を介して単一ビデオフレームまたはサブフレーム内でＯＮ状態になる時間とＯＦＦ状態になる時間との割合を変えることによって変更することができる。ビデオフレームレートで複数の原色（たとえばフィールドシーケンシャルカラー光）のための十分なグレースケールレベルを生成することを可能にするために、かつ、滑らかな映像生成を維持しつつ過剰な動きおよび色割れした産物を避けるために、接触させる／ほぼ接触させる動作を非常に高速で行なうことができる。
【００２９】
単一画素を作動させるために、印加電圧により、共通の導体２２２と画素導体２４５、２５５との間に電位差がもたらされ、これにより、画素の位置（すなわち画素のＯＦＦ状態）で導波路２２５外へのＴＩＲ光の結合を防止するために変形可能な活性層２１８が導波路の上面２４２から引き離される。たとえば、画素２００は、ＯＦＦ状態である作動した単一画素を示す。画素２００をＯＦＦ状態に切替えるために、図２において導体２５５の平行線模様によって示されるように画素導体２５５を帯電させる。画素の電子装置２４６（たとえばＴＦＴ）を活性化させることにより、画素導体２５５において電圧または電荷が制御される。この画素導体２５５は、共通の導体２２２と組合されると電荷差（ΔＶ）を生成し、これにより、変形可能な活性層２１８を導波路２２５の上面２４２から離して画素導体２５５（すなわちドライバ電子機器層２１５）の方に局所的に推し進めて、活性層２１８と導波路２２５との間に第２の間隙２６０を形成することにより、周囲のスペーサ２１０によって輪郭が定められた画素２００の区域における活性層２１８の対応する部分を選択的に作動させる。間隙２６０の高さはスペーサ２１０の高さにほぼ相当するものであり、画素の位置の領域においてＴＩＲ光２４０が導波路２２５から漏れ出たり活性層２１８に結合したりするのを実質的に防ぐのに十分に大きくなるよう選択されている。なお、この開示の利益を有する当業者であれば、この文脈において用いられる「実質的に」という語が、漏れ出る光の強度がいずれも選択された許容差を下回っていることを示すよう意図されたものであることを認識するはずである。特に、いくらか許容可能な量の光が、依然としてスラブ導波路２２５から漏れ出る可能性があるのは、たとえば、さまざまな層における欠陥からの散乱および／または反射に起因しており、そして、導波路（たとえば装着ブラケット）などの表面上の金属物体に遭遇するＴＩＲ光２４０によって形成される再構成されたエバネッセント波の放出に起因するものである。当業者であれば、選択された許容差が、所望のコントラスト比、スラブ導波路２２５の極めて平坦かつ平行な表面を実現するための費用、光が漏れ出るのを抑制するためのスラブ導波路２２５の光学的品質などの要因に依存した実現例特有のものになるであろうことを認識するだろう。
【００３０】
ドライバ電子機器層２１５を導波路２２５から離して間隔を空けて配置することにより、反転したアーキテクチャが、上述のとおり、従来のアーキテクチャに伴う光損失および光散乱を減らすことによって画素２０５の視機能／光学性能を向上させる。一局面においては、出射光２５０がドライバ電子機器層２１５に当たってこれを横切る角度にして、その内部の電子装置２４６（たとえばＴＦＴ）および導電性相互接続部２４８と遭遇して相互作用する機会を激減させた結果、光損失および光散乱が抑制される。特に、出射光２５０は、ドライバ電子機器層２１５の下面２６１に対して垂直な角度に近い角度θでドライバ電子機器層２１５に入射する。換言すれば、ほぼすべての出射光２５０が、臨界角θｃ（たとえば、θｃはガラスと空気との境界面については４２度である）を下回る角度θで、すなわちθｃと０°との間の非ＴＩＲ角度で、下面２６１に当たってこれを横切る。この場合、以下に記載される図３Ａに概略的に示されるように、下面２６１に対して垂直な垂直角は０°に等しい。いずれかの２つの層の境界における臨界角も各々の層の屈折率によって決定されることに留意されたい。たとえば、臨界角は、空気界面に対するガラス媒体におけるＴＩＲ光については４２°である。従来のアーキテクチャにおいては、ＴＩＲ光１４５は、図１に図示のとおり、電子機器層１１２の下面１２６に対してより平行なＴＩＲ角度で電子機器層１１２に当たる。より具体的には、導波路１３０において移動するＴＩＲ光１４５はほぼすべて、臨界角θｃを上回る角度θで、すなわち（図３Ａに示される）θｃと９０°との間のＴＩＲ角度で、電子機器層１１２に当たる。こうして、スラブ導波路１３０におけるＴＩＲ光１４５が、そこに配置される電子機器層１１２に結合し、その内部（すなわちＴＩＲ光経路内）の電子装置１１４および導体１１６に遭遇する可能性が高くなり、これにより、電子機器層１１２内への光の不所望な散乱および／または閉じ込め（すなわち、光学ノイズおよび／または光損失）がもたらされる。対照的に、反転したアーキテクチャにおいて活性層２１８を介して導波路２２５から漏れ出た出射光２５０は、表面２６１に対して垂直により近い角度でドライバ電子機器層２１５に当たり、こうして、この出射光２５０は、ドライバ電子機器層２１５をより直接的に横切ることによって優先的に通される。この場合、出射光２５０が電子装置２４６（たとえばＴＦＴ）および導電性相互接続部２４８に遭遇し、これと相互作用して光の損失、散乱および反射を引き起こす可能性が比較的小さくなる。加えて、ほとんどの出射光２５０は、電子装置２４６および導電性相互接続部２４８から離れた区域においてドライバ電子機器層２１５に当たることにより、このような電子機器に遭遇する機会をさらに減らして、光学ディスプレイシステムにおける光損失および光学ノイズをさらに低減させる。
【００３１】
ＴＩＲ角度に対して非ＴＩＲ角度で移動する層（たとえば電子機器層）に対する入射光を優先的に透過させるという一般的な概念を図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示す。図３Ａは、モデルの３層スタック３０２のガラス層において移動する光３００を概念的に示す。３層スタック３０２は、（屈折率、ＲＩ＝１．５２を有する）ガラス層３０５、二酸化ケイ素（「ＳｉＯ2」）層３１０（ＲＩ＝１．４６）、およびアクリレート層３１５（ＲＩ＝１．５８）を含む。このモデルの場合、層３０５、３１０、３１５は互いに密に接触している。３つの層３０５、３１０、３１５は、以下のａ）〜ｃ）に起因して選択された。すなわち、ａ）ガラスは導波路を表わす。というのも、ＦＴＩＲディスプレイにおいては、導波路は通常ガラスであり、光が、従来のアーキテクチャおよび反転したアーキテクチャのどちらにおいてもこの層に注入されるからである。ｂ）ＳｉＯ2は電子機器層を表す。というのも、ＳｉＯ2は、電子機器層内において低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）ＴＦＴアクティブマトリクス装置を製造するのに用いられる誘電体層の最低屈折率を有するからである。ｃ）アクリレートは活性層を表わす。というのも、アクリレートは、（以下にさらに詳細に記載するように）導波路から光を抽出するためのＦＴＩＲディスプレイにおいて活性層を作製するのに用いられる共通の材料であるからである。したがって、３層スタック３０２は、図１Ｂの作動した画素１０５によって先に示されるような従来の画素層スタック、または、図２の静止画素２０５によって示されるような反転した画素層スタックにおいて実現され得る電子機器層１１２および２１５にわたる光透過を単純に表している。モデル３層スタック３０２についてマクスウェル方程式（Maxwell's equations）を解くことにより、ＳｉＯ2層の入射角３２０および厚さ３２５の関数としてＳｉＯ2層に入射する（ガラス層３０５における）光３００の透過率が決定される。
【００３２】
ＳｉＯ2層３１０に入射する光３００の透過率は、ＳｉＯ2層３１０の３つの異なる厚さ（ナノメートルで「ｄ」）に関して０°〜９０°の入射角３２０の関数として図３Ｂにおいてグラフ化される。図３Ａを参照すると、０°の入射角３２０を有する光３００はＳｉＯ2層３１０の表面に対して垂直であり、９０°の入射角３２０を有する光３００はその表面に対して平行である。たとえば、ガラスについての臨界角がＲＩ＝１．０（たとえば空気）を有する境界層に対して４２°である場合、図３Ｂは、臨界角を下回る角度で移動する光の反射（すなわち、被覆（cladding））がほとんどないことを示している。ＴＩＲが起こる場合には臨界角を上回っているのに対して、光の透過は、ＳｉＯ2層３１０の厚さ３２５および入射角３２０に非常に依存している。
【００３３】
図３Ｃはまた、ＳｉＯ2層３１０の厚さ３２５の関数として２つの代表的な入射角を有する光３００についてのＳｉＯ2層３１０を通る光の透過率を示す。５度の入射角３２０を有する破線３３０は、反転したアーキテクチャにおいて電子機器層２１５に当たる光２５０の典型的な入射角であり、７５度の入射角３２０を有する実線３３５は、従来のアーキテクチャにおいて電子機器層１１２に当たる平均的なＴＩＲ光１４５の典型的な入射角である。図３Ｃはさらに、５度の入射角を有する光、すなわち臨界角を下回る角度で移動する光の場合、光が通過するＳｉＯ2層３１０の厚さとは無関係に光の反射（すなわち、被覆）がほとんどないことを証明している。しかしながら、７５度の入射角を有する光、すなわち、ＴＩＲが起こる場合に臨界角を上回る角度で移動する光、光の透過、およびその反射（すなわち被覆）は、ＳｉＯ2層３１０の入射角３２０および厚さ３２５に極めて依存している。そのため、著しい光損失が起こり、ＳｉＯ2層が厚くなるにつれてその損失が大きくなる。このモデルによって示される透過率によって容易に理解されることとして、ドライバ電子機器層２１５（またはＴＦＴアレイ）に当たるほとんどの光２５０の入射角３２０が非ＴＩＲ角度（たとえば、ガラスと空気との境界面に関する臨界角４２度を下回る角度）をなしている反転したアーキテクチャにおいては、光反射（すなわち被覆）が最小限にされ、或る程度まで無視できるものであり、さらには、図２に示されるドライバ電子機器層２１５の厚さとは無関係であることが挙げられる。電子機器層１１２（またはＴＦＴアレイ）がスラブ導波路１３０上に作製されている図１に示される従来のアーキテクチャにおいては、スラブ導波路１３０内にあり電子機器層１１２に入射するすべての光（すなわちＴＩＲ光１４５）が臨界角を上回るＴＩＲ角度３２０で移動しており、大部分のＴＩＲ光は約６０度よりも大きい角度３２０で移動する。このため、従来のアーキテクチャにおいては、光反射（すなわち被覆）は、約７５度よりも大きな入射角を有する光については実質的にまたほぼ１００％の光損失となる可能性がある（すなわち、画素から抽出することができない）。
【００３４】
以下の具体的な実施例では、図２に示される画素アーキテクチャに関する上述の説明が組み込まれており、この発明のさまざまな実施例に従った画素アーキテクチャの付加的な詳細および特徴がさらに記載されている。図４Ａおよび図４Ｂは、静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態にある画素４００の第１の具体的な実施例をそれぞれ概念的に示す。画素４００は、導波路４０２、活性層４０８、およびドライバ電子機器層４３０を含む。ドライバ電子機器層４３０は、図２に関して先に記載されたように、画素４００の周囲に位置して間に第１の間隙４３４を形成する複数のスペーサ４３２によって活性層４０８の上面４１６に対して間隔を空けた配置関係で位置決めされている。導波路（すなわち光ガイド）４０２は、光が導波路４０２の上面４０５、下面４０７および複数のエッジ面（図示せず）に全内部反射されるように適切な角度（すなわち、特定のガラスと空気との境界面に対してθｃよりも大きな角度）で導波路４０２に注入される光を含むよう構成されている。導波路４０２は、エッジ面のうちの１つ以上に隣接する光源（図示せず）によって照らされるエッジであってもよい。たとえば、導波路４０２は、典型的には光注入エッジと称される導波路４０２のエッジ面のうちの１つに光を注入する発光ダイオードによって照らされるエッジであり得る。エッジ注入された光は導波路４０２内で全内部反射され、これにより、ＴＩＲ光４０４の例示的な光経路によって示されるように、ＴＩＲ光４０４が閉じ込められる。先に述べたように、導波路４０２は、特定の用途に応じて剛性の導波路または可撓性のある導波路を設けるために、透明なガラスおよび可撓性または剛性のプラスチック材料から作製されてもよい。
【００３５】
図４Ａは、画素の静止位置（すなわち、非作動）またはＯＮ状態にある画素４００を示す。この場合、画素は、図２に関して先に記載したように、視聴者に向けて光を発するように光学的に活性である。活性層４０８は、導波路４０２の上面４０５と接触またはほぼ接触しており、これにより、活性層４０８は、画素４００の位置で導波路４０２内の光４０４の全内部反射を減衰させることにより導波路４０２から光を抽出する。活性層４０８は、好ましくはＦＴＩＲを介して光を抽出する際に光の結合を最大限活用するよう選択された屈折率を有する高分子材料（たとえばエラストマ）の薄板で作製され得る可撓性のある膜４０６を含む。好適な高分子材料は、ＰＥＴ、ウレタン、アクリレートおよびその組合せなどの光学的に透明であるかまたは透過的な高分子材料を含む。活性層４０８は、膜４０６の上面４１５上に配置された共通の導体４２９を含む。共通の導体４２９の特定の位置が、先に示したように活性層上に配置され得るか、または図２において共通の導体２２２によって先に示されたように活性層４０８内に配置され得ることに留意されたい。共通の導体４２９は、好ましくは透明な導電性材料（たとえばＩＴＯ）から作製された導電層である。
【００３６】
活性層４０８はまた、活性層４０８の下面４１４（すなわち導波路に面する表面）に配置された複数の光学微細構造４１０（たとえば、微細小型レンズアレイ）および複数の隔離碍子４１２を含む。光学微細構造４１０は、導波路４０２からの光抽出を容易にし、視野角を最適化する。隔離碍子４１２は活性層４０８を支持し、かつ個々の画素の形状の範囲を定めるのに必要な構造上の完全性を提供する。光学微細構造４１０および隔離碍子４１２は、当業者に公知の本質的に好適な如何なる処理技術によっても活性層４０８の下面４１４に形成され得る。たとえば、活性層４０８を成型するか、熱形成するか、エンボス加工するか、エッチングするかまたは幾つかの高分子加工技術で処理して、微細構造４１０および隔離碍子４１２を形成してもよい。各々の光学微細構造４２９の下面はアパーチャ４１６と称される。というのも、導波路４０２から抽出された光がこの面を通過し、導波路４０２の上面４０５と接触して導波路４０２内でＴＩＲ光４０４を減衰させ、これにより、導波路４０２からの光４０４を出射光４１８として局所的に抽出し、出射光４１８の例示的な光経路によって示されるように出射光４１８を視聴者に方向付けるからである。たとえば、コントラスト比を向上させ、光学ノイズ（ディスプレイ表面から漏れ出る過剰で不所望な光）を減らすことにより光学性能をさらに高めるために、図４Ａに示されるように、不透明層４２０（たとえば、導電性または非導電性の光吸収物質）をさまざまな光学微細構造のまわりに配置して、輝度を高め、光学ノイズを減衰させることもできる。光学微細構造を利用する利点が、共有される米国特許７，４８６，８５４号により十分に記載されている。
【００３７】
不透明層４２０は、活性層４０８の下面４１４上で光学微細構造４１０間に配置される。ディスプレイの基本操作に不透明層４２０の存在は不要である。しかしながら、不透明層４２０が存在することで、ディスプレイの全体的なコントラスト比が向上する。一実施例においては、光が主としてアパーチャ４１６を通ってまたはアパーチャ４１６だけを通って移動するはずであり、活性層４０８の下面４１４の残りの部分を通る光の量はわずかになるかまたは全くなくなるはずである。これにより、好ましくは、不透明層４２０は、光学微細構造４１０間の隙間区域４２２を実質的に満たして、光が隙間区域４２２を通って出て行くのを防ぐのを容易にする。不透明層４２０は、隙間区域４２２に配置され光学微細構造４１０の側面４２４の一部上に延在する相似被覆（conformal coating）（図示せず）を含み得る。これにより、間隔４２６によって導波路４０２の上面４０５から不透明層４２０が隔てられる。しかしながら、任意の不透明層が存在していない場合、間隔４２６により、導波路の上面４０５から活性層の下面４１４が隔てられることに留意されたい。光学微細構造のアパーチャ４１６および導波路の上面４０５が接触しているかまたはほぼ接触している場合、間隔４２６は最小限にされる。不透明層４２０を製造するための不透明材料は、活性層４０８を横断した後に視聴者によって見られる光だけが最初に光学微細構造４１０を通過することを確実にするために、光を吸収する。不透明層４２０は、当該技術において公知の多種多様な好適な不透明材料、たとえば、黒いフォトレジストなどの着色材料、フォトパターン可能な黒いポリマー、黒い超微細泡などを含み得る。任意には、不透明材料は、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａおよび図１０Ｂに関して以下に説明するように、導電性であってもよい。
【００３８】
画素４００のための駆動機構は、活性層４０８の共通の導体４２９と、第１の間隙４３４によって活性層から隔てられたドライバ電子機器４３０とを含む。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、スペーサ４３２が共通の導体４２９上に直接配置される場合、画素４００の作動中に共通の導体４２９に電荷が印加される際の帯電を防ぐために、スペーサは好ましくは非導電性材料（たとえば透明または不透明なフォトレジスト）から製造される。一例においては、スペーサ４３２は、ドライバ電子機器層４３０の下面４３６上に格子状のパターンで処理されて、正方形のフォトレジスト材料が各々の画素位置の周囲を囲んで範囲を規定するようにフォトレジスト材料を堆積させることによって作製されている。共通の導体４２９は、画素４００を作動させることのできる電界を生成するのに使用可能なコンデンサのプレートを形成する透明な導電性材料（たとえばＩＴＯ）を含む。
【００３９】
ドライバ電子機器層４３０は、図２に関連付けて先に述べたように、電子機器層画素導体４４０、電子装置４４６（たとえばＴＦＴ）および導電性相互接続部４４８を含む。画素導体４４０はまた、画素４００を作動させることのできる電界を選択的に生成するのに用いられるコンデンサのプレートを形成する透明な導電性材料（たとえばＩＴＯ）の層である。電子装置４４６および相互接続部４４８は、必要な電荷（すなわち電位差）を画素導体４４０に選択的に与えることにより、先に説明したように、画素４００をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切替えたり、画素４００をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切替えたりする。加えて、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、ドライバ電子機器層４３０は、出射光４１８に対して実質的に透過的である誘電体層４３８、中間層４４２および基板４４４を含み得る。誘電体層４３８は、共通の導体４２９と画素導体４４０との間の電気的短絡およびアーク放電を防ぐ。中間層４４２は、典型的には電子装置４４６（たとえば、さまざまな屈折率を有する一連の導体、半導体および誘電体層によって形成されるＴＦＴ）ならびに／または相互接続部４４８の形成中に堆積した一連の層（図示せず）を含み得る。ドライバ電子機器層４３０内において導波路４０２の表面から離して電子機器４４６および４４８を配置することで、かつては従来の画素アーキテクチャにおける導波路上にそれらの層が存在することに関連付けられていた有害な光学効果が緩和される。
【００４０】
動作中に、画素４００への電気信号が画素４００をＯＮ状態からＯＦＦ状態に切替えた場合、機械的に静止した（すなわちＯＮ位置にある）画素を駆動するかまたは作動させると、ＦＴＩＲを防止するために、活性層４０８を局所的に変形させて導波路４０２から引き離すのに十分に導体４２９と４４０との間に選択的に電位差を与えることが必要となる。換言すれば、図２に関連付けて先に記載したように、画素４００がＯＦＦ状態に切替えられると、ドライバ電子機器が、（この明細書中では第１の導体とも称される）共通の導体４２９と（この明細書中では第２の導体とも称される）画素導体４４０との間に電位差をもたらす。十分な電位差が画素導体４４０と共通の導体４２９との間に形成されると、クーロン（または静電気）引力により、図４Ｂに図示のとおり、複数の光学微細構造４１０がそれ以上導波路４０２外に光を結合することができなくなるように、活性層４０８の少なくとも一部が十分な間隔を空けて導波路４０２の上面４０５から引き離される。特に、複数の光学微細構造４１０は、導波路４０２の上面４０５から物理的に除去され、導波路４０２の上面４０５に対して間隔を空けた配置関係で再度位置決めされ、これにより、その間に第２の間隙４５０を形成して、付随的に第１の間隙４３４を狭くする。
【００４１】
第２の間隙４５０は、光学微細構造４１０のアパーチャ４１６と導波路４０２の上面４０５との間に十分な高さ（すなわち距離）を有しており、これにより、間隙４５０にわたってＴＩＲ光波４０４の結合が無視できるほどになるかまたは全くなくなることが確実にされる。間隙高さは約２００ｎｍよりも大きくてもよく、たとえば、約２００ｎｍから約６０００ｎｍ以上の高さであるか、好ましくは、約５００ｎｍから約７００ｎｍの高さであってもよい。こうして、画素４００を作動させるかまたは駆動することにより、画素を光学的に非活性にするために周囲の隔離碍子４１２間に位置する活性層４０８の少なくとも一部を導波路の上面４０５から十分な間隔を空けて物理的に推し進めることが必要となる。図４Ｂに示される作動した画素４００は、そのＯＦＦ状態またはＯＦＦ位置にあるものとみなされる。
【００４２】
さらに、動作中に、画素４００に対する電気信号によって画素４００がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切替えられると、導体４２９と４４０との間の電位が等しくなり、これにより、活性層４０８がその静止した通常のＯＮ位置まで後退するように活性層４０８が解放されることとなる。電位差を（十分な電位差を下回る値にまで）下げるか、または電位差（ΔＶ＝０）を完全になくすことにより、図４Ｂに示される変形したエラストマ活性層４０８に蓄えられたポテンシャルエネルギ（すなわち、蓄えられた機械エネルギ）が解放される。ポテンシャルエネルギがこのように解放されることにより、エラストマ活性層４０８が駆動されて通常の静止したＯＮ位置にまで戻され、ここで、光学微細構造４１０が図４Ａに示されるように導波路４０２の上面４０５と接触する。
【００４３】
こうして、この明細書中に記載される画素の実施例により、ＦＴＩＲベースのディスプレイシステムの反転したアーキテクチャが提供される。この場合、ドライバ電子機器（たとえば相互接続部、ＡＭ−ＴＦＴ）は、導波路４０２の表面に対して間隔を空けた配置関係で（すなわち空隙の反対側に）位置するドライバ電子機器層４３０内に配置される。導波路４０２内部を移動するＴＩＲ光の経路において永続的にではなく画素の作動中に放出されている光の経路にのみ存在するようにドライバ電子機器に関連付けられる層を導波路４０２から遠ざけて配置することにより、この明細書中に記載されるように、重要かつ有益な光学上の結果（たとえば光散乱の低減、発光均一性の向上など）が得られる。
【００４４】
各々の画素位置の周囲における複数の隔離碍子４１２（すなわち、活性層４０８のうちスペーサ４３２と導波路の上面４０５との間につながれた部分）により、画素４００の作動状態中および非作動状態中に導波路４０２の上面４０５との接触が維持される。これにより、隔離碍子４１２によって（すなわちＦＴＩＲを介して）導波路４０２から抽出された光４０４が、この明細書中では「光漏れ（light leakage）」と称される各画素の周囲における不所望な発光をもたらして、グローを視覚的に生じさせる可能性がある。隔離碍子４１２を介する光漏れおよび／またはスペーサ４３２による光散乱を最小限にするために、画素４００は、（ＦＴＩＲを介して）隔離碍子４１２に入って導波路４０２に戻っていく光を再利用する目的で各画素の周囲において隔離碍子構造４１２の上方かつスペーサ４３２の下方に位置する反射層４５２を任意に含み得る。反射層４５２の特定の位置は重要ではないが、反射層４５２は、活性層４０８の上または活性層４０８内に、隔離碍子構造４１２の上方で垂直に並んでまたは中心に配置されてもよい。図４Ａおよび図４Ｂにおいては、反射層４５２は、活性層の可撓膜４０６内に配置され、隔離碍子４１２の上で垂直に中心に配置されている。（導波路４０２から）隔離碍子構造４１２に入るＴＩＲ光４０４は、反射層４５２の反射面４５３に反射し、反射した光線４５４の経路によって示されるように導波路４０２の内部に戻る。別の例においては、図４Ｃは、任意の反射層の代替位置を示す。図４Ｃは、隔離碍子４１２を囲む画素４００の破断領域を示す。この例においては、反射層４５２は活性層４０８に配置され、この場合、反射層４５２が共通の導体４２９上に堆積している。隔離碍子４１２に入るＴＩＲ光４０４は、反射した光線４５６の経路によって示されるように、反射層４５２の反射面４５３に反射し、導波路４０２の内部に戻る。
【００４５】
図４Ｄおよび図４Ｅは、光が導波路４２０を出て、ＦＴＩＲを介して隔離碍子４１２に入るのを防ぐことにより、隔離碍子４１２を介する光漏れを最小限にする代替的な手段を示す。図４Ｄに示される一例においては、隔離碍子は被覆隔離碍子４５８であり、これは、被覆特性を与えるよう低屈折率または負屈折率の材料を含んでいる。図４Ｄは、被覆隔離碍子４５８を囲む画素４００の破断領域を示す。低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子４５８は活性層の下面４１４上に形成されてもよい。そのため、導波路の上面４０５と接触する低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子４５８は、光４０４が被覆隔離碍子４５８付近の導波路４０２を出ていくのを防ぐ。図４Ｅに示される別の例においては、光が隔離碍子４１２付近の導波路４０２を出るのを防ぐために、被覆層４６０が導波路の上面４０５に配置されている。被覆層４６０は、被覆特性を与えるために低屈折率または負屈折率の材料を含む。被覆層４６０は、光が隔離碍子４１２に入るのを防ぐために、各画素の周囲において隔離碍子構造４１２の下方に位置してもよい。被覆層４６０を特定の位置に置くことは重要ではないが、被覆層４６０は、導波路４０２の上にわたって（すなわち、導波路４０２上、または導波路の上面４０５と密に接触しているいずれかの層の上で）、隔離碍子構造４１２の下方で垂直に並んでまたは中心に配置されてもよい。図４Ｅに示されるように、被覆層４６０は導波路の上面４０５に配置され、隔離碍子４１２の下方で垂直に中心に配置される。そのため、低屈折率または負屈折率の被覆層４６０に当たるＴＩＲ光４０４は、導波路４０２に全内部反射し返され、これにより、光が隔離碍子４１２に入るのを防ぐ。
【００４６】
図４Ｆは、各画素の周囲において隔離碍子４１２を介する、および／またはスペーサ４３２を介する、もしくスペーサ４３２周りにおける光漏れを最小限にする別の代替的手段をさらに示す。画素４００は、隔離碍子４１２を通過するＦＴＩＲ光を取り込む（すなわち、吸収する）ために各画素の周囲において隔離碍子構造４１２の上方に位置する吸収層４６２を任意に含み得る。吸収層４６２を特定の位置に置くことは重要ではないが、吸収層４６２は、隔離碍子構造４１２の上方で活性層４０８の上または活性層４０８内に配置されてもよい。代替的には、スペーサ４３２が透明材料または半透明材料から作製される場合、吸収層４６２は、スペーサ４３２の上方に、たとえばドライバ電子機器層４３０の上またはドライバ電子機器層４３０内に配置されてもよい。吸収層４６２は、隔離碍子構造４１２および／またはスペーサ４３２の上方で垂直に並んで、または中心に配置されてもよい。図４Ｆに示されるように、吸収層４６２は電子機器層４３０内に配置され、透明なスペーサ４３２上にわたって垂直に中心に配置される。これにより、スペーサ構造４３２を通過するかまたはスペーサ構造４３２の周りを移動する出射光線４１８が、出射光線４１８の経路によって示されるように、吸収層４６２によって取り込まれて消滅する。吸収層４６２は光吸収物質を含んでおり、たとえば、１つの好適な材料として黒いフォトレジストが挙げられる。画素周囲における光漏れを減らすための、図４Ａ／図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄ、図４Ｅおよび図４Ｆに示される手段のうち１つ以上が、この明細書中に記載される画素の実施例のいずれかにおいて使用可能であることに留意されたい。たとえば、（以下に記載される）図９Ａおよび図９Ｂに示される画素の実施例は、透明なスペーサ構造を通って移動する光を消滅させるために吸収層を展開させる。また、（以下に記載される）図１０Ａおよび図１０Ｂに示される画素の実施例は、光が隔離碍子構造に入るのを防ぐために低屈折率または負屈折率の層を利用する。
【００４７】
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、光学微細構造４１０のさまざまな形状を示す。光学微細構造４１０は、角錐台４１０ａ（図５Ａ）、円錐台４１０ｂ（図５Ｂ）および複合放物線４１０ｃ（図５Ｃ）、複合楕円形、ポリオブジェクト（polyobject）、または回転されて立体を形成する任意の円錐部を有し得る。好ましくは、光学微細構造４１０は角錐台形状４１０ａを有する。角錐台形状４１０ａが有する側面４２４は概して平坦面であり、たとえば図５Ａに示されるように、互いに隣接し、光学微細構造４１０の円周囲にある６つの平坦な側面４２４である。アパーチャ４１６（すなわち、角錐台の光学微細構造の底面）は、概して、多角形状、たとえば図５Ａに示されるような６角形状のアパーチャ４１６、を有する平坦面であり、導波路の上面４０５と平行な向きを有している。角錐台４１０ａの平坦面は如何なる特定の数にも限定されず、他の形状（たとえば、対応する三角形または正方形のアパーチャを備えた３つまたは４つの平坦な側面を有する角錐台）が用いられてもよいことが留意されなければならない。
【００４８】
図６は、画素４００の第１の具体的な実施例において展開され得る例示的な活性層４０８の下面４１４の上面図を示す。図示のとおり、光学微細構造４１０ｄは、４つの平坦な側面４２４と正方形のアパーチャ４１６とを有する角錐台４１０ａの形状を有する。活性層４０８の下面４１４にわたる光学微細構造４１０ｄの分布は、光学ディスプレイにおける個々の画素の光学性能および効率を最適化するよう変化し得る。たとえば、光学微細構造４１０ｄおよび隔離碍子４１２は、光学微細構造４１０ｄが好ましくは中心領域６００に配置されるのに対して、隔離碍子４１２が画素の外側領域（すなわち周囲）６０２に配置されるように、画素４００内に分散される。画素４００の中間領域６０４に光学微細構造４１０が存在していないことにより、画素４００をＯＦＦ位置に作動させた場合に光が導波路４０２外に結合されないことが確実にされる。換言すれば、すべての光学微細構造４１０を中心領域６００内に含め得る。これにより、画素をＯＦＦ位置（たとえば図４Ｂおよび図９Ｂ）に作動させた場合に、光学微細構造４１０が導波路４０２の上面４０５から十分な距離を空けて位置する。こうして、ＦＴＩＲを介する導波路４０２外へのＴＩＲ光４０４の結合が排除される。そうでない場合、ＯＦＦ位置では、中間領域６０４内に光学微細構造４１０が存在していることで導波路４０２の上面４０５からの変動距離がわずかになり、結果として、いずれの光学微細構造も上面４０５からの距離が不十分となり、エバネッセント結合によって光がＦＴＩＲを介して導波路外に不所望に結合されることとなる。このため、個々の画素の中間領域６０４においては光学微細構造４１０をなくすことが好ましい。
【００４９】
隔離碍子４１２は、この明細書中に記載されるさまざまな光学微細構造のいずれの形状とも同様の形状を含む多種多様な形状で作製され得る。たとえば、図６に示される隔離碍子４１２は、複数の光学微細構造４１０と同じ形状であるが、サイズはより大きくなっている。図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに関連付けて先に述べたように画素４００の実施例内における反射層４５２の支援とともに、隔離碍子４１２の形状としてさまざまな光学微細構造形状のうちの１つを実現することは、隔離碍子４１２に入る光線４１８が入射角と本質的に等しいＴＩＲ角度で導波路４０２に再度差し込まれて、ＴＩＲ光をうまく再利用する可能性を高めるのに有利となり得る。隔離碍子４１２の特定の形状（たとえば、隔離碍子が有する角度付き側面の向きまたは角度）および寸法は、所与の光学ディスプレイに対して最適化され得る。しかしながら、図４Ｄ、図４Ｅおよび図４Ｆに示される被覆隔離碍子、被覆層または吸収体層を使用することで、光学微細構造形状の隔離碍子の利点が不要になることにも留意されたい。
【００５０】
別の図においては、図７は、図６に示されるのと同様の光学微細構造および隔離碍子の分布を有する活性層４０８の下面４１４を示す上面図の顕微鏡写真を示している。この場合、視野が約４５度だけ回転され、単一画素についての幅および長さ寸法（ｘ）はともに約２５０ミクロンとなる。アクリレートを含む活性層は、複数の光学微細構造４１０と、当該光学微細構造４１０が中心領域６００に閉じ込められ、光学微細構造が存在していない中間領域６０４によって囲まれるように活性層の下面４１４上に形成された複数の隔離碍子４１２とを有する。画素４００の周囲における隔離碍子構造４１２は、中間領域６０４を囲む外側領域６０２に位置する。図示のとおり、単一画素の周囲における隔離碍子４１２は隣接する画素によって共有されてもよい。
【００５１】
図８は、画素４００の第２の具体的な実施例において展開され得る別の例示的な活性層４０８の下面４１４の上面図を示す。図示のとおり、画素４００の外側領域６０２（すなわち画素の周囲）に配置される複数の隔離碍子４１２はまた、中心領域６００に配置された光学微細構造４１０と同じ寸法を有していてもよい。図８に示されるように、たとえば光学微細構造４２９と同じ寸法および形状を有する比較的小さな隔離碍子４１２を用いることで、画素の特定の実施例において活性層４０８を支持するための十分な構造上の完全性を与えるために、より多くのまたはより高い密度の隔離碍子構造４１２が必要となる可能性がある。光学微細構造形状の隔離碍子がより小さいことの利点は、図６に関連付けて先に記載したように、画素４００の実施例内において反射層４５２と共に展開された場合にＴＩＲ角度で導波路に反射し返される可能性の高い角度で（導波路から）４１２に入るＦＴＩＲ光をすべて方向付けるよう、より小さな隔離碍子がより良く適合され得ることである。加えて、より小さな光学微細構造形状の隔離碍子は典型的にはより小さなアパーチャを有していてもよく、これにより、複数の隔離碍子によって抽出される光の量を減らして、システム内の光学ノイズを低減させ得る。
【００５２】
図９Ａおよび図９Ｂは、静止したＯＮ状態および作動したＯＦＦ状態での画素９００の第２の具体的な実施例をそれぞれ概念的に示す。この実施例においては、画素９００は、画素９００をＯＮ状態とＯＦＦ状態との間で切替えるための４つの導体を含む。この実施例は、この明細書中において第１の導体４２９とも称される共通の導体４２９と、この明細書中において第２の導体４４０とも称される電子機器層画素導体４４０とを用いて、図４Ａおよび図４Ｂにおいて画素４００に関して先に記載したように、画素９００をＯＮ位置からＯＦＦ位置へと作動させる。しかしながら、この実施例は、画素９００をそのＯＦＦ位置からそのＯＮ位置へと作動させるのを支援するために、第３の導体９０２および第４の導体９０４が画素のアーキテクチャに導入され得ることを例示している。誘電体層９０８は、画素９００を作動させて静止したＯＮ位置に戻す際に第３の導体９０２と第４の導体９０４との間に電気的短絡およびアーク放電を防ぐために、第４の導体９０４上にわたって配置されてもよい。
【００５３】
第３の導体９０２は活性層４０８の下面４１４上に配置される。第３の導体９０２は、ＩＴＯ、銅などの多種多様な透明または不透明な導電性材料を含み得る。任意には、第３の導体９０２はまた、図４Ａおよび図４Ｂに示される不透明層４２０に関して先に記載したように、光学微細構造４１０間の隙間区域４２２に配置された場合にディスプレイのコントラスト比を高めるために光吸収特性を有していてよい。第４の導体９０４は導波路４０２の上面４０５上に配置される。第４の導体９０４は、好ましくは、ＩＴＯなどの透明な導体材料から形成された導電層である。第４の導体９０４上に配置された誘電体層９０８は、好ましくは、導波路４０２の屈折率と同様の屈折率を有する誘電材料を含む。
【００５４】
図９Ａおよび図９Ｂに示される例においては、第３の導体９０２は、導電性および光吸収特性を有する材料から作製される導電性の不透明層である。好適な導電性不透明材料は金属化層、銅被覆超微細泡、および多層導電性組成物を含むが、これらに限定されない。第３の導体９０２は、不透明な導体として、光が隙間区域に４２２を通って出ていくことを防ぐのを支援するために光学微細構造４１０間の隙間区域４２２を実質的に満たすように配置される。第３の導体９０２は、隙間区域４２２に配置されて光学微細構造４１０の側面４２４の一部上に延在する相似被覆（図示せず）を含み得る。このため、間隔４２６により、導波路４０２の上面９１０およびその上に配置されるいずれの層（たとえば誘電体層９０８）からも不透明層４２０が隔てたれている。そのため、光吸収物質を含む第３の導体９０２が存在することで、活性層４０８を横断した後に視聴者によって見られる光だけが最初に光学微細構造４１０を通過することが確実にされる。
【００５５】
第３の導体９０２および第４の導体９０４は、活性層４０８をそのＯＦＦ位置から静止したＯＮ位置へと電気的に駆動して、画素９００をＯＦＦ位置からＯＮ位置へと作動させるのにかかる時間を少なくすることにより、全体的な画素速度を速めるという付加的な利点を提供する。動作中に、画素９００に対する電気信号により画素９００がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切替えられると、電位差が第３の導体９０２および第４の導体９０４にわたって選択的に印加されて、エラストマ活性層４０８が駆動されてその静止したＯＮ位置まで戻され得る。第３の導体９０２および第４の導体９０４にわたって印加される電位差により電界（クーロン引力）が生成されて、第３の導体９０２およびそれに取付けられた可撓膜４０６（活性層）を第４の導体９０４の方に物理的に移動させ（推し進め）、これにより、活性層４０８を移動させて誘電体層９０８の上面９１０と接触（またはほぼ接触）させるのを支援する。これは、図９Ａにおいて示されるとおりである。
【００５６】
こうして、動作中に、画素９００がそのＯＦＦ状態からそのＯＮ状態に切替えられると、２つの力が作用して活性層４０８をその静止したＯＮ位置に戻す。図４Ｂに関連付けて先に説明した第１の力は、図９Ｂに示される変形したエラストマ活性層４０８に蓄えられたポテンシャルエネルギ（すなわち、蓄えられた機械エネルギ）が解放されることにより活性層４０８が後退するように活性層４０８を解放するために、第２の導体４４０と第１の導体４２９との電位差（ΔＶ1）が等しくなる（すなわちΔＶ1＝０）（または、活性層４０８をＯＦＦ状態に保持するのに必要な十分な電位差よりも低減させる）と、作用する。ポテンシャルエネルギをこのように解放することにより、エラストマ活性層４０８を駆動して（すなわち、受動的に駆動して）その通常の静止したＯＮ位置に戻す。加えて、第２の力は、電位差（ΔＶ2）を第３の導体９０２および第４の導体９０４にわたって印加して活性層４０８を電気的に駆動してその静止したＯＮ位置に戻すと、作用する。こうして、弾性的に変形した活性層４０８に蓄えられたポテンシャルエネルギと、第３の導体９０２および第４の導体９０４にわたって印加された電位差によって生成されたクーロン引力による力とが、エラストマ活性層４０８を駆動して、図９Ａに示されるその静止したＯＮ位置へと戻す。
【００５７】
別の局面においては、図９Ａおよび図９Ｂは、図８に関連付けて先に記載されたように、隔離碍子４１２としての光学微細構造の使用を示す。複数の隔離碍子４１２は、画素９００の外側領域６０２内（すなわち画素の周囲）に分散され、光学微細構造４１０は中心領域６００に配置されている。図示のとおり、小さな隔離碍子４１２は、光学微細構造４１０と同じ寸法および形状を有している。画素の周囲における光漏れを最小限にするために、画素の外側領域６０２に位置する光学微細構造上にわたって延在する吸収層４６２が、画素アーキテクチャに導入される。吸収層４６２は、図４Ｆに関連付けて先に記載したように、電子機器層４３０内に配置され、隔離碍子構造４１２および透明なスペーサ４３２の上方において垂直に並んで位置決めされて中心に配置され得る。これにより、スペーサ構造４３２を通って移動する出射光線９１６は、出射光線９１６の経路によって示されるように吸収層４６２によって取り込まれて消滅し得る。
【００５８】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、静止したＯＮ状態および作動させたＯＦＦ状態にある画素の第３の具体的な実施例をそれぞれ概念的に示す。この実施例においては、画素１０００は活性層１００６を含んでおり、活性層１００６の下面１００７に沿って光学微細構造１０１０が均一に分散されている。図１１は、図１０Ａおよび図１０Ｂに示された活性層１００６の下面の上面図を示す。
【００５９】
先に記載した実施例とは対照的に、この実施例は、活性層１００６の下面１００７に沿って光学微細構造が備わっていない中間領域を有しておらず、これにより、上述したように、画素１０００をＯＦＦ位置に作動させる際に導波路４０２外への光の不所望な結合が確実に起こらないようにする。こうして、図１０Ｂに図示のとおり、画素１０００をＯＦＦ位置に作動させる場合、活性層１００６の中心領域１００２内の光学微細構造１０１０は、ＦＴＩＲを介する導波路４０２外へのＴＩＲ光４０４の結合をなくすために誘電体層９０８の上面９１０から十分な距離（一定の距離）が空けられている。
【００６０】
しかしながら、外部領域１００４に位置し誘電体層９０８の上面９１０からの変動距離がわずかである光学微細構造１０１０外に不所望に結合し得るいずれの光をも消すために、外部領域１００４に位置する光学微細構造１０１０の下に延在する（図４Ｅに関連付けて記載された）被覆層４６０が画素アーキテクチャに導入される。図示のとおり、被覆層４６０は、第４の導体９０４の上面９０５に配置され、画素の周囲において隔離碍子として展開された光学微細構造１０１０の下方に位置しており、これにより、光４０４がこれらの光学微細構造１０１０に入るのを防ぐ。被覆層４６０は、これにぶつかる光線４０４が導波路４０２を出るのを防ぐことのできる本質的に低屈折率または負屈折率の如何なる材料をも含み得る。
【００６１】
この明細書中に説明されたすべての実施例においては、フッ素ベース成分などの反静止摩擦（anti-stiction）手段（図示せず）が活性層の底面上にコーティングされ得るかもしくは活性層に組込まれ、および／または、導波路の上面上にコーティングされ得るかもしくは導波路の上面層に組込まれ得る。これにより、活性層を導波路から引き離して画素をオフにするのを防ぐよう企図された活性層と導波路との境界面に存在し得るファンデルワールス力、トリボチャージング（tribocharging）効果および他の力に打ち勝つことができる。
【００６２】
図１２は、減衰全内部反射（「ＦＴＩＲ」）ディスプレイシステム１２００を概念的に示す。図示される実施例においては、システム１２００は、この明細書中に記載された反転した画素アーキテクチャ実施例のうちの１つ以上を実現する画素１２１５のアレイ１２１０を利用するディスプレイ１２０５を含む。各々の画素１２１５に含まれる活性層は、この明細書中に記載されるようにスラブ導波路と接触（またはほぼ接触）しており、これにより、スラブ導波路内を移動する光の全内部反射が減衰され、画素が静止した状態である場合に光が画素１２１５を通って漏れ出ることが可能となる。
【００６３】
図示される実施例においては、ディスプレイ１２０５は、画素１２１５を作動させる信号および／または画素１２１５が静止状態に戻ることを可能にする信号を与えるコントローラ１２２に通信可能に結合されている。これらの信号を生成し、ディスプレイ１２０５内の画素位置に与えるための技術は、当該技術においては公知である。明確にするために、制御信号を生成し、これら制御信号を画素位置に供給するという、本願に記載される主題に関連する局面だけをこの明細書中に説明することとする。
【００６４】
一実施例においては、コントローラ１２２０は、データ記憶要素１２３０に記憶された情報にアクセスすることができる中央処理装置（「ＣＰＵ」）１２２５を含む。データ記憶要素１２３０は、たとえば、コンピュータ読取可能記憶媒体上で符号化されたデータ構造（図示せず）を含んでいてもよい。記憶媒体は光学または磁気によるものであってもよい。例示的なデータ記憶要素１２３０は、内部ハードディスクドライブ、外部ハードディスクドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、デジタルテープなどを含み得る。
【００６５】
ＣＰＵ  １２２５は、この情報を用いて、ディスプレイ１２０５における画素アレイ１２１０を制御することができる。たとえば、ＣＰＵ  １２２５は、デジタルビデオディスク上で符号化された情報を用いて、ディスプレイ１２０５（さらには適切な光源および／または他の電子機器）において画素１２１５をオンおよび／またはオフにする制御信号を生成して供給することにより、デジタルビデオディスクに含まれる情報によって表わされる画像をディスプレイ１２０５上に出現させる。コントローラ１２２０はまた、図１２におけるアンテナ１２３５などの外部源から信号を受信してもよい。これらの信号を用いて、制御信号を生成してディスプレイ１２０５に供給することもできる。
【００６６】
ディスプレイ１２０５による電力消費は、この明細書中に記載される反転した画素アーキテクチャを実現することによって従来のディスプレイと相対的に著しく低減させることもできる。電力消費が低減される１つの理由として、反転した画素がより低い電圧で作用可能であることが挙げられる。活性層を置換するのに必要な電圧は、画素コンデンサの導電性プレート間の距離の２乗にほぼ比例している。従来のアーキテクチャの場合、画素における導電性プレート間の距離は２μｍ以上であり得るのに対して、反転したアーキテクチャの実施例では、約６００ｎｍ以下の導体間の距離を用いることができる。結果として、従来のディスプレイにおいて用いられる電圧は、反転した画素アーキテクチャを実現するディスプレイ１２０５によって用いられる電圧より少なくとも９倍大きくなり得る。電力消費が低減される別の理由として、従来の画素アーキテクチャにおいて画素を作動させるのに用いられる「コンデンサ」プレート（すなわち導電層）に比べて、反転したアーキテクチャを有する画素の「コンデンサ」プレート間の間隔がより小さいので、反転した画素における電界（および結果として得られる静電力）が（同じ印加された電圧に対して）従来の画素アーキテクチャにおける対応する電界よりも大きくなり得ることが挙げられる。
【００６７】
これで詳細な説明を終える。開示された主題がこの明細書中の教示の利点を有する当業者にとって明らかとなる、相違するが均等の態様で変更および実施され得るので、上に開示された特定の実施例は単に例示的なものに過ぎない。さらに、添付の特許請求の範囲に記載される以外の、この明細書中に図示される構造または設計の詳細に限定されるように意図されるものではない。したがって、上に開示した特定の実施例が変形または変更される可能性があり、このようなすべての変更例が開示された主題の範囲内にあると解釈されることは明らかである。したがって、この明細書中において求められる保護は添付の特許請求の範囲に規定されるとおりである。
【図１Ａ】
2012500999.tif 000003
【図１Ｂ】
2012500999.tif 000004
【図２】
2012500999.tif 000005
【図３Ａ】
2012500999.tif 000006
【図３Ｂ】
2012500999.tif 000007
【図３Ｃ】
2012500999.tif 000008
【図４Ａ】
2012500999.tif 000009
【図４Ｂ】
2012500999.tif 000010
【図４Ｃ】
2012500999.tif 000011
【図４Ｄ】
2012500999.tif 000012
【図４Ｅ】
2012500999.tif 000013
【図４Ｆ】
2012500999.tif 000014
【図５Ａ】
2012500999.tif 000015
【図５Ｂ】
2012500999.tif 000016
2012500999.tif 000017
【図５Ｃ】
2012500999.tif 000018
【図６】
2012500999.tif 000019
【図７】
2012500999.tif 000020
【図８】
2012500999.tif 000021
【図９Ａ】
2012500999.tif 000022
【図９Ｂ】
2012500999.tif 000023
【図１０Ａ】
2012500999.tif 000024
【図１０Ｂ】
2012500999.tif 000025
【図１１】
2012500999.tif 000026
【図１２】
2012500999.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月26日(2011.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
注入された光の全内部反射率を示すスラブ導波路と、
スラブ導波路の表面に隣接する画素とを含み、前記画素は、
前記スラブ導波路の表面に隣接して配置される活性層を含み、前記活性層は、活性層が導波路の表面から第１の選択された距離内にある場合、注入された光の全内部反射を減衰させ、これにより、注入された光の一部が「ＯＮ状態」の画素を通ってスラブ導波路を出ることを可能にするよう構成され、前記画素はさらに、
活性層に隣接しスラブ導波路の反対側に配置されるドライバ電子機器層を含み、前記ドライバ電子機器層は、第１の選択された距離を上回る距離だけスラブ導波路の表面から離れるよう活性層を推し進める電位差を印加して、画素を「ＯＦＦ状態」に駆動するよう構成される、装置。
【請求項２】
画素は、画素の周囲を規定するために活性層とドライバ電子機器層との間に少なくとも１つの隔離碍子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ドライバ電子機器層が電圧を印加すると、活性層が最大で間隙の寸法までの距離だけスラブ導波路から隔てられ、間隙の寸法は、光がスラブ導波路から活性層に透過するのを阻止するのに十分に広い、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
活性層のうち画素の周囲内の部分は、ドライバ電子機器層によって電圧が印加されない場合、第１の選択された距離未満だけスラブ導波路から隔てられ、第１の選択された距離は、スラブ導波路の表面における全内部反射を減衰させて、前記注入された光が前記画素の周囲内の領域からスラブ導波路を出ることを可能にするのに十分に短い、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの反射層をさらに含み、前記少なくとも１つの反射層は、隔離碍子付近のスラブ導波路を出てスラブ導波路に戻る光を再利用するために前記少なくとも１つの隔離碍子と並んで活性層内または活性層上に形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆隔離碍子は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐために隔離碍子と並んで形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層をさらに含み、前記少なくとも１つの低屈折率または負屈折率の被覆層は、光が隔離碍子付近にあるスラブ導波路を出るのを防ぐために隔離碍子と並んで形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
活性層は複数の光学微細構造を含み、前記複数の光学微細構造は、スラブ導波路に面する活性層の第１の表面に形成され、これにより、前記光学微細構造は、表面から第１の選択された距離内にある場合にスラブ導波路の表面において全内部反射を減衰させる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ドライバ電子機器層は、
スラブ導波路の反対側で活性層の第２の表面に配置された第１の導電層と、
第１の導電層の第２の表面に隣接して配置され、第２の選択された距離だけ第１の導電層から隔てられた第２の導電層と、
電子要素とを含み、前記電子要素は、前記電子要素に供給される信号に応じて第１の導電層と第２の導電層との間に印加電圧を生成するよう構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
減衰全内部反射ディスプレイであって、
請求項１に記載の装置と、
スラブ導波路に光を注入することのできる光源と、
スラブ導波路の表面に隣接する複数の画素と、
コントローラとを含み、前記コントローラはドライバ電子機器層に信号を供給するよう構成されており、これにより、スラブ導波路の表面のうち画素に隣接する部分からの全内部反射を制御可能に減衰させることによって、選択された画像を生成するよう画素の動作が調整される、減衰全内部反射ディスプレイ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の減衰全内部反射ディスプレイを動作させるのに用いられる方法であって、反転した画素アーキテクチャを静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動するステップを含む、方法。
【請求項１２】
反転した画素アーキテクチャを静止したＯＮ状態と非静止のＯＦＦ状態との間で駆動するステップは、第１の選択された距離を上回る距離だけスラブ導波路から離れるよう活性層を推し進める電圧を印加して、画素を静止したＯＮ状態から非静止のＯＦＦ状態に駆動するステップを含み、活性層は、前記注入された光の全内部反射を減衰させて、前記注入された光の一部がスラブ導波路を出ることを可能にする、請求項１１に記載の方法。
【国際調査報告】
2012500999.tif 000028
2012500999.tif 000029