ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ДИСПЛЕЕВ С ЭЛЕКТРОМИКРОМЕХАНИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ ПИКСЕЛАМИ

Полезная модель относится к области видеоэлектроники и может быть практически реализована в качестве средства воспроизведения изображений в многофункциональных отражательных дисплеях различных электронных видеоустройств.
Из уровня техники известна система для формирования изображения в отражательном дисплее с электромикромеханическим управлением пикселами, которая конструктивно представляет собой следующее.
Структурная компоновка системы организована в виде множества элементарных ячеек - пикселей, образующих пространственную матрицу. Каждый пиксел содержит три цветовых субпиксела с индивидуальным возбуждением посредством независимого электрического канала, образованного микроэлектронной разводкой, обеспечивающей коммутацию с автономным источником питания. При этом каждый субпиксел выполнен в виде многослойной структуры, включающей: электропроводящий отражающий слой и динамически активный под воздействием управляющего электрического импульса функциональный слой, организованный с возможностью независимой модуляции определенной оптической характеристики падающего на данный оптический компонент - субпиксел, потока светового излучения (RU, 2389051, C2, 10.04.2007 г. или Интернет, http://obana.at.ua.publ/bitva_za_chernila_prodolzhenie/6-1-0-2886).
Таким образом, каждый оптический компонент (субпиксел) IMOD-экрапа (мирасол-дисплея) - это отдельно изготовленная микроэлектромеханическая система с зазором между слоями строго определенной величины. Его верхняя часть - это прозрачная пленка, а нижняя - подвижная металлическая зеркальная мембрана. Для каждого базового «цвета» зазор соответствует своей длине волны 780 нм для красного (R), 550 им для зеленого (G), 380 им для синего (В). Поскольку площадь каждого оптического компонента (субпиксела) каждого пиксела очень мала, для достижения большей яркости отраженного света каждый «цветной» субпиксел может представлять собой набор из нескольких однотипных оптических субкомпонент (ячеек).
Такая ячеистая структура субпиксела дает возможность увеличить число градаций цвета, ибо каждая оптическая компонента (ячейка) по своей природе не может иметь промежуточных состояний, а только два - включено и выключено. Обратим внимание, слово «цвет» для характеристики каждого из субпикселей - R, G и B - взято в кавычки.
Объясняется это следующим.
Для формирования цвета дисплею мирасол не нужны накладные цветные фильтры. Глубина каждой ячейки выбрана такой, что отраженный от зеркальной мембраны на дне ячейки свет усиливает строго одну составляющую (определенной длины волны) в потоке белого света, отраженного от верхней прозрачной поверхности ячейки. Наблюдается эффект конструктивной интерференции. «Красные» ячейки усиливают в отраженном от экрана свете красную составляющую, тогда, как синее и зеленое излучения подавляются (волны соответствующих длин, отраженные от дна и верха ячейки находятся в противофазе и гасят друг друга). Аналогичным образом ведут себя «зеленые» и «синие» ячейки - усиливают свой цвет и гасят остальные. Таким образом, дисплеи мирасол не страдают от потерь света в цветных светофильтрах - этих потерь просто нет. В теории IMOD-экраны способны демонстрировать отражательную способность свыше 60% с уровнем контрастности 15:1.
Как указывалось выше, элементарная ячейка экрана мирасол состоит из верхней прозрачной пленки и подвижной металлической зеркальной мебраны. По умолчанию мембрана опущена. В таком положении она находится в состоянии «включено» - заданный размерами ячейки цвет отражается в полном объеме, питание не требуется. Подав на ячейку короткий электрический импульс, мы заставляем мембрану притянуться к верхней пленке. Зазор сокращается настолько, что интерференция усиливает лишь ультрафиолетовое излучение, а видимый диапазон гасится. Мы видим черную точку. После снятия с ячейки напряжения, вступившие в дело электростатические силы продолжают удерживать мембрану в новом положении - «включено». Для возврата зеркальной мембраны в исходное состояние требуется подать импульс с отрицательным фронтом, тогда мембрана отлипает и опускается на дно ячейки, снова показывая цветную точку. Таким образом, система является бистабильной без потребления энергии в положениях «включено» или «выключено».
Принцип запоминания картинки в экранах мирасол, таким образом, не требует активной матричной подложки и, как следствие, экраны обходятся дешевле в производстве и заметно надежнее среди своих конкурентов на активных подложках, например, ЖК-панелей. Для управления пикселями IMOD-экрана достаточно структуры строка-столбец - намного проще чем у экранов E-Ink с тысячами транзисторов на подложке. В процессе работы зеркальная мембрана многократно деформируется, в случае анимации с частотой 50 Гц и выше. Однако, механические свойства мембран допускают 12 миллиардов деформаций.
Главный минус IMOD-экрана - сложность с выводом полутонов и градаций серого. Как уже было отмечено, элементарная ячейка IMOD-экрана не может иметь промежуточных состояний. Чтобы отразить полутона, используется пространственное или временное псевдосмешение (размывание) цветов или комбинация обоих подходов. Наиболее прост-пространственный метод псевдосмешения. Для организации пространственною псевдосмешения цветов достаточно ввести для управления пикселем дополнительные строки. Теперь каждая из строк управления пикселем отвечает за свою зону субпикселя. Площади зон разные, поэтому в итоговой картинке каждая из них имеет уникальное весовое участие. Комбинация трех зон дает 8 градаций, что с учетом трех базовых цветов приводит, в итоге, к 512 опенкам.
Временное (с ударением на «о») псевдосмешение цветов действует иначе. Каждый пиксель управляется одной строкой, соответственно, субпиксель «загорается» только целиком. Дозируя за равные промежутки времени число всполохов субпикселя, мы определяем его суммарное весовое значение в результирующей картинке. Поскольку частота переключений превышает 50 Гц, глаз человека увидит не мерцание, а цвет определенного тона. Разбив стандартный управляющий сигнал строки на восемь временных отрезков - подав команду «просемафорить» каждым субпикселем от 1 до 8 раз - получаем на выходе 64 K для каждого цвета или 256 K результирующей картинки.
На практике целесообразно комбинировать оба метода размывания цветов, поскольку каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Так, плюс пространственного метода заключается в максимальной экономии электроэнергии, тогда как временное разделение требует в разы повышать частоту обновления экрана (грубо говоря - порядка 50 раз в секунду для каждого разряда). Полпоцвет для экрана мирасол. таким образом, совсем не синоним энергосбережения, особенно в режиме показа анимации. Зато в режиме временного разделения площадь субпикселя используется полностью, что упрощает адресацию пикселя, к которому не надо подводить несколько строк (экономия при производстве).
Опираясь на вышеизложенное, к недостаткам экранов мирасол, кроме пастельных цветов и металлического характера красок, можно добавить либо повышение расхода электроэнергии, либо усложнение процесса производства экрана с ростом числа градаций цвета. Экраны мирасол можно использовать в разных режимах в зависимости от того, что в данный момент требуется отобразить: отключение временного псевдосмешения цветов позволит читать книги, не беспокоясь о заряде аккумулятора, а его включение - просмотреть на том же устройстве иллюстрацию или видеоролик.
Таким образом, мирасол-дисплеи опираются на технологию интерферометрической модуляции - IMOD, в основе которой лежит идея формирования цветного изображения методом обеспечения интерференции отраженных световых волн, по аналогии с тем, как это происходит в природе, например, в крыльях бабочки.
Каждый пиксель IMOD-матрицы состоит из двух элементов: полупрозрачной пленки (миниатюрных интерферометров Фабри-Перо) на стеклянной подложке и расположенной под ней отражающей зеркальной мембраны. В зависимости от электрического напряжения мембрана меняет свое положение, и между ней и пленкой образуется зазор, от размеров которого зависит цвет. Управление интерферометрами осуществляется с помощью микроэлектромеханических систем (MEMS) - крошечных, микрометровых размеров механических элементов, так называемых микромашин.
На основании вышеизложенного, к недостаткам данных известных из уровня техники решений можно отнести следующее:
- высокая трудоемкость изготовления - низкая технологичность (достаточно сложно осуществлять позиционирование подвижной отражательной мембраны в пределах долей мкм, в соответствии с длиной волны соответствующего спектра излучения);
- неестественная цветовая гамма изображения (цвета па IMOD-экране имеют явно выраженный металлический оттенок, а цветовая гамма смещена в зону пастельных тонов):
- относительно невысокие оптические показатели по яркости и контрастности изображения, так как отраженный поток является только частью падающего потока используется только часть падаю;
- недостаточно короткое время отклика оптической системы на внешний электрический сигнал.
- значительная зависимость цвета изображения от угла наблюдения.
В основу заявленного технического решения была положена задача обеспечения многофункциональности отражательной оптической системы при обеспечении высокой технологичности изготовления.
Технический результат упрощение конструкции и повышение технологичности конструкции, при повышении таких оптических характеристик, как яркость, контрастность, отражательная способность, оптический отклик, естественная цветовая гамма воспроизводимого изображения.
Поставленный технический результат достигается посредством того, что в оптической системе для отражательных дисплеев с электромикромеханическим управлением пикселами, структурная компоновка которой организована в виде множества элементарных ячеек -пикселей, образующих пространственную матрицу; каждый пиксел содержит три цветовых субпиксела с индивидуальным возбуждением посредством независимого электрического канала, образованного микроэлектронной разводкой, обеспечивающей коммутацию с автономным источником питания; при этом каждый субпиксел выполнен в виде многослойной структуры, включающей: электропроводящий отражающий слой и динамически активный под воздействием управляющего электрического импульса функциональный слой, организованный с возможностью независимой модуляции определенной оптической характеристики падающего на данный оптический компонент - субпиксел, потока светового излучения, согласно полезной модели, электропроводящий отражающий слой каждого субпиксела сформирован в виде оптически прозрачного отражательного пирамидального диэлектрического элемента, обладающего эффектом полного внутреннего отражения по отношению к падающему со стороны его вершины потоку светового излучения, на основание которого нанесен оптически прозрачный электропроводящий слой покрытия; динамически активный функциональный слой расположен со стороны основания пирамидального диэлектрического элемента и закреплен с возможностью его деформирования под воздействием упомянутого управляющего электрического импульса в соразмерной ему по площади выемке электропроводящей подложки, герметично сопряженной с электропроводящим отражательным слоем; данный функциональный слой выполнен из упругого и/или эластичного материала и физически представляет собой электрет с объемным монозарядом, пигментированный материалом с высоким коэффициентом поглощения: причем толщина электрета меньше глубины выемки электропроводящей подложки, в которой он установлен, а его площадь и конфигурация соизмеримы с площадью и конфигурацией основания вышеупомянутого пирамидального диэлектрического элемента.
Вес электреты каждого пиксела могут быть пигментированы материалом одного черного, цвета.
Каждый электрет каждого пиксела может быть пигментирован материалом разного цвета, например, красного, зеленого и синего.
Оптически прозрачный электропроводящий слой покрытия, нанесенного на основание пирамидального элемента, может быть сформирован из оксида индия-олова или графена.
Целесообразно поверх оптически прозрачного электропроводящего слоя покрытия, нанесенного на основание пирамидального элемента, наносить слой покрытия из диэлектрического, оптически прозрачного материала.
Разумно на светопропускающие боковые грани пирамидальных элементов наносить антиотражающий слой покрытия.
Оптимально, чтобы показатель преломления материала пирамидальных элементов превышал 1,76.
Целесообразно между взаимообращенными поверхностями электропроводящего отражающего слоя и функционального слоя размещать иммерсионную жидкость.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
Фиг. 1 - структура отдельного пиксела (с тремя субпикселами) отражательной оптической системы (в левом субпикселе электрет находится в деформированном, возбужденном /включенном/ состоянии и пространственно расположен в конечном /из всех возможных/ положении; в среднем субпикселе электрет находится в деформированном, возбуженном /включенном/ состоянии, и пространственно расположен в одном из возможных промежуточных положений; в правом субпикселе электрет показан в недеформированном, невозбужденном /выключенном/ положении) - продольный разрез.
Фиг. 2 - оптимальная форма пирамидального элемента с эффектом полного внутреннего отражения (при наличия контакта электрета с основанием пирамидального элемента).
Фиг. 3 - оптимальная форма пирамидального элемента с эффектом полного внутреннего отражения (при отсутствии контакта электрета с основанием пирамидального элемента).
Далее по тексту структурные составляющие отдельного пиксела отражательной оптической системы обозначены следующими позициями.
1 - пиксел (отдельный оптической системы);
2 - субпиксел;
3 - субпиксел;
4 - субпиксел;
5 - источник (автономный электропитания);
6 - слой (электропроводящий отражающий многослойной структуры субпиксела 2):
7 - слой (электропроводящий отражающий многослойной структуры субпиксела 3);
8 - слой (электропроводящий отражающий многослойной структуры субпиксела 4):
9 - слой (динамически активный /под воздействием электрического импульса/ функциональный слой субпиксела 2):
10 - слой (динамически активный /под воздействием электрического импульса/ функциональный слой субпиксела 3);
11 - слой (динамически активный /под воздействием электрического импульса/ функциональный слой субпиксел 4 4);
12 - элемент (оптически прозрачный, пирамидальный диэлектрический электропроводящего отражающего слоя 6 субпикселя 2);
13 - элемент (оптически прозрачный, пирамидальный диэлектрический электропроводящего отражающего слоя 7 субпиксела 3);
14 - элемент (оптически прозрачный, пирамидальный диэлектрический электропроводящего отражающего слоя 8 субпиксела 4);
15 - слой (оптически прозрачный электропроводящий пирамидального элемента 12 субпиксела 2);
16 - слой (оптически прозрачный электропроводящий пирамидального элемента 13 субпиксела 3);
17 - слой (оптически прозрачный электропроводящий пирамидального элемента 14 субпиксела 4):
18 - подложка (электропроводящая);
Отражательная оптическая система для отражательного дисплея с электромикромеханическим управлением пикселами для формирования изображения конструктивно сформирована следующим образом.
Структурная компоновка данной системы организована в виде множества элементарных ячеек-пикселей 1, образующих пространственную матрицу. Каждый пиксел содержит три цветовых субпиксела 2, 3, 4 с индивидуальным возбуждением посредством независимого электрического капала, образованного микроэлектронной разводкой, обеспечивающей коммутацию с автономным источником 5 питания. При этом каждый субпиксел 2, 3, 4 выполнен в виде многослойной структуры, включающей: электропроводящий отражающий слой 6, 7, 8 и динамически активный под воздействием электрического импульса функциональный слой 9, 10, 11, организованный с возможностью независимой модуляции определенной оптической характеристики падающего на данный оптический компонент - субпиксел 2, 3, 4, потока светового излучения.
Электропроводящий отражающий слой 6, 7, 8 каждого субпиксела 2, 3, 4 сформировал в виде оптически прозрачного отражательного пирамидального диэлектрического элемента 12, 13, 14, обладающего эффектом полного внутреннего отражения по отношению к падающему (со стороны его вершины) потоку светового излучения. На основание элемента 12, 13, 14 нанесен оптически прозрачный электропроводящий слой 6, 7, 8, покрытия.
Динамически активный функциональный слой 9, 10, 11 расположен со стороны основания пирамидального диэлектрического элемента 12, 13, 14 и закреплен с возможностью его деформирования под воздействием упомянутого управляющего электрического импульса в соразмерной ему по площади выемке сопряженной с электропроводящим отражательным слоем электропроводящей подложки 18, герметично сопряженной с электропропроводящим отражательным слоем 6, 7, 8, Данный функциональный слой 9, 10, 11 выполнен из упругого и/или эластичного материала и физически представляет собой электрет с объемным монозарядом, пигментированный материалом с высоким коэффициентом поглощения. Причем толщина электрета меньше глубины выемки электропроводящей подложки 18, в которой он установлен, а его площадь и конфигурация соизмеримы с площадью и конфигурацией основания вышеупомянутого пирамидального диэлектрического элемента 12, 13, 14.
Все электреты каждого пиксела 1 могут быть пигментированы матери атом одного - черного, цвета.
Каждый электрет каждою пиксела 1 может быть пигментирован материалом ратного цвета, например, красного, зеленого и синего.
Оптически прозрачный электропроводящий слой 15, 16, 17 покрытия, нанесенного на основание пирамидального элемента 12, 13, 14, может быть сформирован из оксида индия-олова или графена.
Целесообразно поверх оптически прозрачного электропроводящего слоя 15, 16, 17 покрытия, нанесенного на основание пирамидального элемента 12, 13, 14, наносить слой покрытия из диэлектрического, оптически прозрачного материала.
Разумно на светопропускающие боковые грани пирамидальных элементов 12, 13, 14 наносить антиотражающий слой покрытия.
Оптимально, чтобы показатель преломления материала пирамидальных элементов 12, 13, 14 превышат 1,76.
Целесообразно между взаимообращеиными поверхностями электропроводящего отражающего слоя 6, 7, 8 и функциональною слоя 9, 10, 11 размещать иммерсионную жидкость.
Пигментирование электретов каждого пикселя материалом разных цветов позволяет получать цветное свечение пикселя без использования специальных светофиьтров, что повышает яркость и контрастность формируемого изображения.
Нанесение поверх оптически прозрачного электропроводящего слоя 15, 16, 17 покрытия (нанесенного на основание отражательного пирамидального элемента) слоя покрытия из диэлектрического, оптически прозрачного материала (в графических материалах условно не показан), позволяет исключить самопроизвольное стекание заряда с электрета в электропроводящий слой 15, 16, 17, что повышает срок эксплуатации отражательной оптической системы.
Нанесение на светопропускающие боковые грани отражательного пирамидального элемента 12, 13, 14 антиотражающего покрытия, позволяет максимально использовать энергоэффективность падающего потока на осуществление подсветки, что также повышает контрастность и яркость заявленной отражательной оптической системы.
С физической точки зрения работа заявленного технического решения заключается в следующем.
Формируют структурную компоновку отражательной оптической системы в виде множества элементарных ячеек - пикселей 1 с тремя цветовыми субпикселами 2, 3, 4, образующих пространственную матрицу. При этом обеспечивают возможность индивидуального возбуждения каждого субпиксела 2, 3, 4 посредством управляющего электрического импульса. Каждый субпиксел 2, 3, 4 формируют в виде многослойной структуры, в которую включают: электропроводящий отражающий слой 6, 7, 8 и динамически активный под воздействием управляющего электрического импульса функциональный слой 9, 10, 11. Функциональный слой 9, 10, 11 организован с возможностью независимой модуляции определенной оптической характеристики падающего на данный субпиксел 2, 3, 4 потока светового излучения. Электропроводящий отражающий слой 6, 7, 8 каждого субпиксела 2, 3, 4 формируют в виде оптически прозрачного отражательного пирамидального диэлектрического элемента 12, 13, 14, обладающего эффектом полного внутреннего отражения по отношению к падающему со стороны его вершины потоку светового излучения. На основание пирамидального диэлектрического элемента 12, 13, 14 наносят оптически прозрачный электропроводящий слой 15, 16, 17 покрытия. В качестве динамически активного функционального слоя 9, 10, 11 используют электрет с монозарядом, пигментированный материалом с высоким коэффициентом поглощения, который в динамике пространственно размещают относительно основания упомянутого пирамидального элемента 12, 13, 14 с возможностью изменения интенсивности поглощения - отражения оптическим компонентом - субпикселом 2, 3, 4 в целом, падающего светового потока и, соответственно, амплитудной модуляции этого потока. При этом динамику пространственного размещения электрета обеспечивают посредством упомянутого управляющего электрического импульса, который подают на электропроводящие элементы оптической системы, функционально являющиеся обкладками конденсатора, между которыми размещают подвижный динамически активный электрет с возможностью изменения зазора между его поверхностью и обращенным к ней основанием оптически прозрачного отражательного пирамидального элемента 12, 13, 14 в пределах от максимума до нуля.
Таким образом, физический принцип формирования изображения основан на эффектах полного внутреннего отражения (ПВО) и нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в отражательных пирамидальных элементах (см. Большой энциклопедический словарь, «Физика», под ред. А.М. Прохорова, 4-е репринтное издание «Физического энциклопедического словаря» 1983 г., научное издательство «Большая Российская энциклопедия», М., 1998 г., стр. 446 и 562). Согласно этих эффектов световое поле во вторую (менее плотную среду) проникает лишь на характерное расстояние порядка нескольких длин волны, а его амплитуда экспоненциально затухает по мере удаления от границы раздела. Нарушение полного внутреннего отражения заключается в том, что коэффициент отражения света от границы раздела двух сред становится меньше единицы, вследствие поглощения света в слое, в который проникает волна в отражающую среду. Степень ослабления отраженной волны зависит от поляризации падающей волны и пропорциональна показателю поглощения второй среды, а спектр НПВО подобен спектру поглощения этой среды. Следовательно, при наличии зазора между поверхность пигментированного электрета и основанием отражательного пирамидального элемента 12, 13, 14 весь падающий поток света полностью возвращается в исходную среду (субпиксел является белой точкой), а при отсутствии данного зазора весь падающий поток поглощается пигментированным электретом (субпиксел является темной /в частности, черной или цветной, в зависимости от цвета электрета/ точкой). Принцип перемещения электрета в упомянутом зазоре с физической точки зрения аналогичен прототипу и более подробного описания не требует. Следовательно, и условие бистабильности системы без потребления энергии также присуще заявленному устройству.
В заявленной отражательной оптической системе не исключается возможность варьирования полутонами пиксела в целом по аналогии с прототипом. То есть, обеспечивать псевдосмешение цветов пространственным и/или временным (с ударением на «ы») методом.
Таким образом, заявленное техническое решение может быть практически реализовано в качестве средства воспроизведения изображений в многофункциональных отражательных дисплеях различных электронных видеоустройств.
Более конкретно, предполагается, что полезную модель можно воплотить в совокупности электронных устройств, например (но не в ограничительном смысле), таких как: мобильные телефоны, радиоустройства, персональные цифровые секретари (ПЦС), карманные или портативные компьютеры, приемники и/или навигаторы Глобальной системы позиционирования (ГСП), съемочные камеры, плееры стандарта МР3, видеомагнитофонные камеры, игровые консоли, наручные часы, будильники, калькуляторы, телевизионные мониторы, дисплеи с плоскими экранами, мониторы компьютеров, автомобильные дисплеи (например, дисплеи счетчиков пройденного пути и т.д.), органы управления и/или дисплеи кабин пилотов, дисплей кадров съемочной камеры (например, дисплей съемочной камеры заднего обзора в транспортном средстве), электронные фотоаппараты, электронные рекламные щиты или дорожные знаки, проекционные аппараты, архитектурные сооружения, средства достижения эстетических впечатлений (например, отображения изображений на ювелирном изделии).
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, предназначен для использования в качестве средства и методов качественного отображения информации (изображения), включая режим анимации;
- для заявленного объекта в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованию условия патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость».