ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ
DIFFRACTION GRATINGS WITH ADJUSTABLE EFFICIENCY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение имеет в целом отношение к электронным устройствам и, более определенно, к модуляции оптической интенсивности и/или перенаправлением оптического пути посредством электрического управляющего сигнала, используя в электронных устройствах дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует много способов, которые могут быть использованы для интенсивности света, модуляции направления, фазовой модуляции, оптического переключения, оптической логики и т.д., которые могут включать (но не ограничены этим): электрооптические методы, жидкие кристаллы, акустооптику, методы нелинейной оптики, магнитооптику и т.д. Существует много технологий, подходящих для использования в приложениях панели визуального вывода, например, самые обычные, ЖКД (жидкокристаллические дисплеи). В патенте США №5659330, озаглавленном «Слой Электрокапиллярного Цветного Дисплея» Шеридон (N.К.Sheridon) описывает другой способ для дисплеев, который использует электросмачивание, чтобы управлять формой окрашенных жидких капелек, которые помещены в капиллярном листе. В дисплее требуется создание большого количества отдельных жидких капелек и их строгое поддержание в формировании массива, которое вряд ли возможно в практических приложениях. Кроме того, для механизма модуляции света в вышеупомянутой ссылке (№5659330) требуется, чтобы форма капелек была различима в макроскопическом масштабе, что ограничивает достижимую частоту регенерации дисплея.
В другой заявке на патенте США №2004/0109234, озаглавленной «Электрически Перестраиваемый Элемент Дифракционной Решетки» Левола (Т.Levola) описывает деформируемую структуру дифракционной решетки, в которой предварительно сформированный основной поверхностный рельеф решетки состоит из диэлектрика и деформируемого вязкоупругого материала, форма которого может быть электрически перестроена, чтобы скорректировать дифракционные свойства решетки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения оптическое устройство содержит: дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, при этом коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом, что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле.
Дополнительно к первому аспекту изобретения электрическое поле или заранее заданное электрическое поле могут быть созданы путем приложения напряжения между однородным жидким слоем и электродным слоем.
Далее, согласно первому аспекту изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать: дополнительный электродный слой электрически проводящего материала, выполненного на однородном жидком слое, причем электрическое поле или заранее заданное электрическое поле создают путем приложения напряжения между дополнительным электродным слой и электродным слоем.
Также согласно первому аспекту изобретения параметры оптического устройства могут включать: период структуры d, поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое и смачиваемость гидрофобного материала.
Далее, соответственно первому аспекту изобретения периодические штрихи дифракционной решетки могут иметь прямоугольный, наклонный профиль или плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения электродный слой может быть прозрачным по отношению к оптическому лучу.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения однородный жидкий слой может быть окрашен заранее заданным оптическим цветом, или же перед однородным жидким слоем может быть использован цветной фильтр так, чтобы дифракционная решетка пропускала только оптический луч с заранее заданным цветом.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения параметры дифракционной решетки могут быть выбраны таким образом, что дифракционная решетка поддерживает только первый и нулевой порядки дифракции пропущенного оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку, причем пропущенный нулевой порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, задерживается, а пропущенный первый порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, направляется к пользователю оптического устройства. Кроме того, оптическая интенсивность пропущенного первого порядка дифракции, являющегося компонентой пропущенного оптического луча, может быть изменена путем изменения эффективности дифракции дифракционной решетки электрическим полем.
Все еще согласно первому аспекту изобретения оптический луч может быть принят первой поверхностью дифракционной решетки.
Все еще согласно первому аспекту изобретения воздух уходит из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть полностью заполнена однородным жидким слоем, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, превышает пороговое электрическое поле.
Все еще согласно первому аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, меньше, чем пороговое электрическое поле, причем периодические штрихи дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения воздух в области воздушного кармана возможно не является удаляемым из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, больше, чем пороговое электрическое поле, причем заранее заданная величина определена условием равновесия с использованием давления, обусловленного воздухом в воздушном кармане.
Согласно второму аспекту изобретения оптическая интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него в электронном устройстве, включает этапы: приема оптического луча оптическим устройством, которое содержит: дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и изменение заранее заданного электрического поля, дополнительно изменяя, тем самым, заранее заданную величину, на которую однородный жидкий слой входит в область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, изменяя, таким образом, оптическую интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него.
Далее, согласно второму аспекту изобретения электрическое поле или заранее заданное электрическое поле могут быть созданы путем приложения напряжения между однородным жидким слоем и электродным слоем.
Далее, согласно второму аспекту изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать: дополнительный электродный слой из электрически проводящего материала, выполненный на однородном жидком слое, причем электрическое поле или заранее заданное электрическое поле может быть создано, прикладывая напряжение между дополнительным электродным слоем и электродным слоем.
Все еще согласно второму аспекту изобретения параметры оптического устройства могут включать: период структуры d, поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое и смачиваемость гидрофобного материала.
В соответствии со вторым аспектом изобретения периодические штрихи дифракционной решетки могут иметь прямоугольный, наклонный профиль или плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.
Все еще в соответствии со вторым аспектом изобретения электродный слой может быть прозрачным по отношению к оптическому лучу.
Далее, согласно все еще второму аспекту изобретения однородный жидкий слой может быть окрашен заранее заданным оптическим цветом, или же перед однородным жидким слоем может быть использован цветной фильтр так, чтобы дифракционная решетка пропускала только оптический луч с заранее заданным цветом.
В соответствии со все еще вторым аспектом изобретения параметры дифракционной решетки могут быть выбраны таким образом, что дифракционная решетка поддерживает только первый и нулевой порядки дифракции пропущенного оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку, причем пропущенный нулевой порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, задерживается, а пропущенный первый порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, направляется к пользователю оптического устройства. Кроме того, оптическая интенсивность пропущенного первого порядка дифракции, являющегося компонентой пропущенного оптического луча, может быть изменена путем изменения эффективности дифракции дифракционной решетки электрическим полем.
Все еще согласно второму аспекту изобретения оптический луч может быть принят первой поверхностью дифракционной решетки.
Все еще согласно второму аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть полностью заполнена однородным жидким слоем, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, превышает пороговое электрическое поле, причем указанные периодические штрихи указанной дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.
Все еще согласно второму аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, меньше, чем пороговое электрическое поле, причем периодические штрихи дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.
В соответствии со все еще вторым аспектом изобретения воздух в области воздушного кармана возможно не может быть удален из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, может быть больше, чем пороговое электрическое поле, причем заранее заданная величина может быть определена условием равновесия с использованием давления, обусловленного воздухом в воздушном кармане.
Согласно третьему аспекту изобретения компьютерный программный продукт содержит: машиночитаемая структура памяти, включающая код компьютерной программы для выполнения процессором компьютера с кодом компьютерной программы, отличающийся тем, что указанный компьютерный программный продукт содержит команды для выполнения этапов второго аспекта изобретения, как выполняемого любым компонентом электронного устройства.
Согласно четвертому аспекту изобретения электронное устройство содержит: по меньшей мере одно оптическое устройство, содержащее дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и имеющую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и элемент, содержащий указанное по меньшей мере одно оптическое устройство; и по меньшей мере один генератор напряжения, чувствительный к сигналу выбора/модуляции интенсивности, для подачи управляющего сигнала электросмачивания на оптическое устройство в указанном компоненте, чтобы обеспечить электрическое поле, приложенное между однородным жидким слоем и электродным слоем, изменяя, тем самым, заранее заданное электрическое поле и также изменяя заранее заданную величину, на которую однородный жидкий слой входит в область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, изменяя, таким образом, оптическую интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него, для обеспечения необходимого уровня оптической интенсивности.
В соответствии также с четвертым аспектом изобретения элемент может быть дисплеем, оптическое устройство может быть пикселем дисплея, а оптический сигнал модуляции интенсивности может быть видео сигналом.
Далее, согласно четвертому аспекту изобретения элемент может быть проекционным дисплеем, дисплеем с передней подсветкой, дисплеем с последовательным формированием полей или автостереоскопическим дисплеем.
Все еще согласно четвертому аспекту изобретения электронное устройство может дополнительно содержать: оптический селектор/переключатель интенсивности, чувствительный к оптическому сигналу модуляции/команды интенсивности, для того, чтобы обеспечить сигнал выбора интенсивности в ответ на оптический сигнал команды модуляции интенсивности, причем сигнал выбора интенсивности указывает необходимый уровень оптической интенсивности отраженной от дифракционной решетки или прошедшей через нее.
В соответствии также с четвертым аспектом изобретения оптический селектор/переключатель интенсивности и по меньшей мере один генератор напряжения могут быть объединены в одном блоке.
Преимущества различных вариантов выполнения настоящего изобретения, использующих дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС), включают (но не ограничены):
- быстрое время отклика;
- однородный жидкий слой, не нужны никакие специальные операции для создания отдельных капелек;
- перестраиваемая интенсивность пикселя; и
- высокая эффективность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1а и 1b схематически изображают поверхностное натяжение и капиллярный эффект в отношении смачиваемости поверхности.
Фиг.2а и 2b схематически изображают оптическое устройство с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью при: а) нулевом управляющем напряжении на фиг.2а; b) изменяемым ненулевым управляющем напряжении на фиг.2b, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.3 схематически изображает оптическое устройство с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью для дифракционной структуры, использующей переменный угол боковой стенки, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4 схематически изображает одну возможную реализацию пикселя в дисплее прямого формирования изображения с задней подсветкой, используя дифракционную решетку с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.5 схематически изображает реализацию схемы пикселя цветного дисплея, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.6а-6с схематически изображают различные схемы выполнения цветных дисплеев без линзовой решетки (фиг.6а) и с линзовой решеткой (фиг.6b-6с), в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения; и
Фиг.7 является блок-схемой электронного устройства для обеспечения модуляции интенсивности света с помощью электрического управляющего сигнала, используя дифракционную решетку с электросмачиванием (ЭС) в элементе (например, дисплее) электронного устройства, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Новые способ, устройство и программный продукт представлены для модуляции оптической интенсивности, используя дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС) в электронных устройствах с электрическим управляющим сигналом. Дифракционные решетки ЭС могут быть компонентами элемента (например, дисплея) электронного устройства. Варианты выполнения настоящего изобретения обеспечивают техническое решение, чтобы использовать электросмачивание (ЭС) для реализации дифракционных решеток с изменяемой эффективностью.
Например, одним решением является цветной дисплей прямого формирования изображения с непрерывно перестраиваемыми интенсивностями пикселя, например, используя дифракционные решетки ЭС как цветной пиксель, который обеспечивает быстрое время отклика и частоту регенерации, как описано ниже. Другими применениями могут быть проекционные дисплеи, дисплеи с передней подсветкой, дисплеи с последовательным формированием полей или автостереоскопический дисплей и т.д. Также возможны применения в других областях техники, помимо дисплеев, которые могут включать (но не быть ограничены этим) области, в которых используется оптическое разделение луча и/или его перенаправление. Одно из таких применений могут быть оптические средства дистанционной связи, в которых можно было использовать эффект переключения света между, например, волноводами в многоканальных применениях.
Фиг.1а и 1b являются схематическими представлениями, изображающими поверхностное натяжение и капиллярный эффект в отношении смачиваемости поверхности. Смачиваемость поверхности описывается так называемым контактным углом (ϕ). Для гидрофильньных поверхностей контактный угол меньше 90 градусов, что означает, что адгезионная сила между жидкостью и поверхностью больше, чем когезионная сила жидкости. Капля 1а воды в таком случае распространяется по поверхности благодаря адгезии, пока когезионная сила не станет достаточно сильной, из-за увеличенной площади поверхности, чтобы предотвратить далее распространение жидкости. Также, в этом же случае, жидкость входит в капилляр и заполняет его, если другой конец капилляра открыт (см. фиг.1а с углом (меньше, чем 90 градусов).
1
С другой стороны, если поверхность является водоотталкивающей, то контактный угол больше 90 градусов (угол ϕ на фиг.1b). В этом случае когезионная сила жидкости больше, чем поверхностная адгезия и формируется маленькая капелька 1b. Кроме того, капиллярный эффект также работает в обратном направлении и вызывает «капиллярное давление», направленное наружу в жидкость, которое препятствует заполнению полости жидкостью.
Принцип работы решетки с электросмачиванием (ЭС) может быть понятен из фиг.2а и 2b, показывающих пример, среди других схематических представлений, оптического устройства 20 с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью в случае: а) нулевого управляющего напряжения на фиг.2а; и b) изменяемого ненулевого управляющего напряжения на фиг.2b, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Оптическое устройство 20 содержит дифракционную решетку 12, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и имеющую первую поверхность 21 со структурой 23, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность 22. Первая поверхность 21 покрыта гидрофобным материалом 13, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки 12 для заранее выбранных жидкостей. Электродный слой 11 из электрического проводящего материала выполнен на второй поверхности 22. Электродный слой 11 может быть выполнен из оптически прозрачного или отражающего (например, металл) материала. Наконец, однородный жидкий слой 14 (при необходимости электрически проводящий), с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, расположен на первой поверхности 21 дифракционной решетки 12, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, т.е. k выбран так, чтобы почти соответствовать коэффициенту преломления дифракционной решетки 12. Одной возможной комбинацией жидкость/материал, в которой коэффициенты соответствуют друг другу, является вода и тефлон. Оба вещества имеют коэффициент преломления приблизительно 1,3, при этом контактный угол воды на тефлоне больше 90 градусов (обычно около 108 градусов). Другая возможность состоит в том, чтобы использовать диэлектрический материал с соответствующим коэффициентом преломления, который обычно не является гидрофобным по отношению к заранее выбранной жидкости, и покрыть его подходящим несмачивающим агентом. Возможные агенты обработки поверхности включают (но не ограничены ими), например, органосилановые соединения или фторсодержащие полимеры.
Когда электрическое поле не приложено между однородным жидким слоем 14 и электродным слоем 11, как показано на фиг.2а, однородный жидкий слой 14 не входит в область воздушного кармана 10, образованного ниже верха структуры 23. Это обеспечивается соответствующим выбором параметров оптического устройства 20. Например, правильный выбор и согласование: а) постоянной d дифракционной решетки 12, b) поверхностного натяжения жидкости в однородном жидком слое 14 и с) соответствующего уменьшения смачиваемости благодаря антиадгезионной обработке (первая поверхность 21 покрыта гидрофобным материалом 13) предотвращает вход жидкости однородного жидкого слоя 14 в область воздушного кармана 10, как показано на фиг.1а. На практике критическое поверхностное натяжение первой поверхности 21 должно быть меньше, чем поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое 14, чтобы обеспечить отталкивающее капиллярное давление, действующее на жидкость. В этом случае падающий оптический луч 17, который проходит через решетку, испытает фазовую модуляцию из-за различия между коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12 и коэффициентом преломления области воздушного кармана 10, который равен единице. Это приводит к разделению оптического луча 17 на несколько дифракционных порядков, которые распространяются в различных направлениях как для отраженного оптического луча 18, так и для прошедшего оптического луча 19.
Оптическая интенсивность в конкретном дифракционном порядке зависит от формы дифракционной решетки 12 и от высоты h области модуляции (структуры 23). Кроме того, число разрешенных дифракционных порядков зависит от постоянной d дифракционной решетки 12 и может быть выбрано таким образом, чтобы только нулевой дифракционный порядок (непосредственно отраженный или прошедший оптический луч) и первый дифракционный порядок были разрешены. Кроме того, для правильного выбора дифракционного профиля дифракционной решетки 12 (например, используя прямоугольные или наклонные структуры, изменяя высоту h структуры, и т.д.), возможно направить большую часть оптического луча только в первый дифракционный порядок, эффективно отключая, тем самым, зеркально отраженный или непосредственно прошедший оптический луч.
Перестраиваемость эффективности дифракции, т.е. количество оптического луча, направленного к конкретному дифракционному порядку, происходит из использования электросмачивания (или электростатического давления) для изменения высоты поверхности жидкости в области воздушного кармана 10. Принцип электросмачивания хорошо известен и используется, например, для перемещения жидких капелек по поверхностям или в капиллярных пространствах (см., например, патент США №5659330, озаглавленный «Слой Электрокапиллярного Цветного Дисплея», автор Шеридон (N.K.Sheridon)).
В соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения генератор 16 напряжения соединен со слоем электропроводящей жидкости 14 и электродным слоем 11, который может быть либо оптически прозрачным, либо отражающим, в зависимости от применения. Например, когда имеется заранее заданное электрическое поле, приложенное между однородным жидким слоем 14 и указанным электродным слоем 11 с использованием генератора 16 напряжения, как показано на фиг.2b, однородный жидкий слой 14 входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана 10, как показано на фиг.2b, благодаря капиллярному эффекту и увеличенной смачиваемости первой поверхности 21, вызванной приложением заранее заданного электрического поля. Это изменяет эффективность дифракции дифракционной решетки 12 и, как следствие, меняет оптическую интенсивность прошедшего оптического луча 19а и/или отраженного оптического луча 18а.
Когда приложено достаточно высокое напряжение (т.е. электрическое поле, созданное генератором 16 напряжения), как показано на фиг.2b, такое, что электростатическое давление, действующее на однородный жидкий слой 14 посредством статического электрического поля, превышает отталкивающее капиллярное давление, или же контактный угол между жидкостью и первой поверхностью уменьшился до величины ниже 90 градусов благодаря электросмачиванию, жидкость будет проходить глубже в воздушный карман 10. Если воздух в области воздушного кармана 10 может уйти из структуры, то тогда жидкость, перемещающаяся в область воздушного кармана из однородного жидкого слоя, полностью заполняет структуру решетки. Напряжение, необходимое для заполнения воздушного кармана 10 указанной жидкостью, зависит от постоянной d дифракционной решетки 12, расстояния между нижним электродом 11 и верхним электродом 14 (в случае проводящей жидкости), поверхностного натяжения жидкости в однородном жидком слое 14 и критического поверхностного натяжения первой поверхности 21, а также может быть изменено путем перестройки вышеуказанных параметров.
Поскольку коэффициент преломления k жидкости хорошо согласуется с коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12, структура становится оптически однородной, эффективно разрушая, таким образом, фазовую модуляцию света, полученную с помощью незаполненных решеток. Последующее уменьшение напряжения ниже критического напряжения, при котором капиллярное давление превышает электростатическое давление, или же контактный угол между жидкостью и первой поверхностью 21 становится больше, чем 90 градусов, приводит к тому, что на жидкость действует результирующая отталкивающая сила, что приводит к удалению жидкости из области воздушного кармана, облегчая, тем самым, переключение дифракционной решетки между дифрагирующим и недифрагирующим (однородным) состояниями. Время отклика, для того чтобы переключить дифракционную решетку, мало, поскольку требуется лишь очень маленькая модуляция высоты поверхности. Для решеток с высотой структуры 1 мкм и скоростью фронта жидкости, равной 10 см/с, соответствующее время отклика равно приблизительно 10 мкс.
Непрерывно перестраиваемая эффективность дифракции может быть получена путем выбора структуры решетки, в которой воздух в области воздушного кармана 10 в структуре захвачен. Воздушный карман в этом случае действует как пружина, которая предотвращает жидкость от полного заполнения структуры решетки и, таким образом, позволяет управлять уровнем жидкости в области воздушного кармана 10, изменяя приложенное напряжение с помощью генератора 16 напряжения. Поскольку коэффициент преломления k жидкого слоя 14 хорошо согласуется с коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12, изменение высоты жидкости непосредственно изменяет величину фазовой модуляции оптического луча 17 после прохождения (пропускания или отражения) через оптическое устройство 20. Это, в свою очередь, приводит к изменению эффективности дифракции дифракционной решетки 12 и позволяет изменять интенсивность оптического луча, который входит в конкретный дифракционный порядок.
Другая возможность получения непрерывной перестраиваемости эффективности дифракции, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения состоит в том, что выбирают структуру решетки с углом боковой стенки, изменяющимся относительно нормали к поверхности однородного жидкого слоя 14 (например, см. фиг.3). В этом случае жидкий слой проникает в область воздушного кармана 10 на глубину, на которой угол между тангенсом поверхности 13 структуры и однородным жидким слоем равняется контактному углу, определяемому поверхностным натяжением жидкости и критическим поверхностным натяжением материала, используемого в структуре 12 и/или его поверхностной обработкой. Глубина проникновения и, тем самым, эффективность дифракции могут тогда быть настроены путем приложения напряжения между электродом 11 и однородным жидким слоем 14, что вызывает изменение в эффективном контактном угле из-за электросмачивания.
Примеры, показанные на фиг.2а и 2b, используют электропроводящий однородный жидкий слой 14. Однако в соответствии с дальнейшим вариантом выполнения настоящего изобретения также можно использовать непроводящие жидкости. В этом случае жидкий слой может быть покрыт другим электродом (например, в качестве альтернативы, оптически прозрачным), чтобы сформировать конденсатор с параллельными пластинами. Когда к пластинам приложено напряжение, на жидкость действует сила, потому что полная энергия системы разная для заполненных и незаполненных штрихов решетки. Это тот же самый эффект, который использован в патенте США №4701021, озаглавленном «Оптический Модулятор» авторов Песант (Pesant) и др., чтобы переместить жидкую каплю между двумя параллельными пластинами в конденсаторе. В этом случае сила зависит от диэлектрической проницаемости жидкости, так что, если в ЕС дифракционных решетках используются непроводящие жидкости, выбор жидкости с максимально высокой диэлектрической проницаемостью может иметь преимущество.
Следует заметить, что многослойная структура может использовать многочисленные ЕС структуры дифракционной решетки с электросмачиванием (например, подобно дифракционным решеткам 12) с одним (например, используя структуры решетки и электроды как на верхней, так и на нижней подложке) или многочисленные жидкие слои (как 14) между ними для модуляции оптической интенсивности и/или перенаправления оптического луча. Кроме того, в качестве альтернативы вместо воздуха в области воздушного кармана 10 могут быть использованы некоторые другие жидкости.
Ниже описаны несколько практических случаев в соответствии с дальнейшим вариантом выполнения настоящего изобретения.
Сначала предположим, что воздух может уйти из области воздушного кармана, например, в сторону в направлении штрихов решетки. В этом случае решетка будет выключена (полностью заполнена), когда внешнее напряжение превысит пороговое значение (которое эквивалентно пороговому электрическому полю), при котором эффект электросмачивания (или электростатического давления, вызванного электрическим полем), заставляет контактный угол уменьшиться ниже 90 градусов.
Во-вторых, предположим, что воздух может уйти из области воздушного кармана, и внешнее напряжение V меньше, чем пороговое значение (или пороговое электрическое поле). Тогда может быть получена переменная эффективность дифракции, используя структуру решетки с переменным углом боковой стенки (согласно заранее заданному алгоритму), как показано на фиг.3. При заданном конкретном напряжении уровень воды проникнет на глубину, на которой угол между тангенсом поверхности и тангенсом фронта воды равняется контактному углу, установленному электросмачиванием.
В-третьих, предположим, что воздух не может уйти из области воздушного кармана и внешнее напряжение V меньше, чем пороговое значение (или пороговое электрическое поле). В этом случае глубина проникновения будет установлена условием равновесия между внутренним электростатическим давлением, направленным наружу капиллярным давлением и направленным наружу давлением воздуха в воздушном кармане (например, см. пример на фиг.2b).
На фиг.4, среди прочих, показан один пример схематического представления для возможного выполнения пикселя (например, шкалы серого цвета) 24 в дисплее прямого формирования изображения с задней подсветкой, используя оптическое устройство 20 с дифракционной решеткой 12 с электросмачиванием (ЭС) и изменяемой эффективностью, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Здесь падающий оптический луч 17 (например, освещающий свет), который проходит через ЕС решетку, разделяется между нулевым (луч 28) и первым (луч 27) дифракционными порядками. Прямо прошедший свет 28 задерживается гасителем 26, который предотвращает попадание этого света в поле зрения пользователя. С другой стороны, дифрагированный свет первого порядка (луч 27) направлен к пользователю и может наблюдаться. Интенсивность пикселя может быть настроена путем изменения эффективности дифракции для первого дифракционного порядка, используя перестраиваемось ЕС дифракционной решетки 12, как описано выше, используя варианты выполнения настоящего изобретения, или путем использования нескольких параллелей подпикселей, которые могут быть переключены между вкл./выкл. независимо.
Непосредственное развитие варианта выполнения, описанного в связи с фиг.4, является, среди прочих, примером цветного дисплея, как изображено на фиг.5, в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения. Здесь жидкость, используемая в ЕС дифракционных решетках соответствующих оптических устройств 20r, 20g и 20b, в соответствующих пикселях 24r, 24g и 24b, окрашена соответствующим цветом (например, красным, зеленым и синим) так, чтобы каждое из устройств 20r, 20g и 20b пропускало только одну полосу длины волны, что позволяет отображать различные цвета, используя, например, соответствующие пропущенные оптические лучи 34r, 34g и 34b. В качестве альтернативы, для выбора требуемых цветов могут быть использованы цветные фильтры.
Фиг.6а-6с показывают, среди прочих, дальнейшие примеры схем для различных реализации цветных дисплеев без линзовой решетки (фиг.6а) и с линзовой решеткой (фиг.6b-6с), используя решетки с электросмачиванием в применениях дисплея прямого формирования изображения, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.
На фиг.6а изображена схема расположения, подобная тем, что показаны на фиг.2а, 2b, 3 и 4. На фиг.6а положения гасителей (или задерживающих поглотителей) выбраны по-другому, по сравнению с фиг.4 и 5, чтобы обеспечить лучшую технологичность для показанного падающего оптического луча 17. Для разделения цветов, как показано, использованы цветные фильтры 50r (красный), 50g (зеленый) и 50b (синий) в трех последовательных пикселях. Также, чтобы обеспечить электрический контакт, использован оптически прозрачный электрод 11.
На фиг.6b и 6с показано использование дополнительной линзовой решетки. В этих приложениях возможно использовать решетки с большей постоянной решетки и со многими разрешенными дифракционными порядками (вместо только одного, как в предыдущем случае, представленном на фиг.6а). Это вместе с фокусирующим действием делает их более нечувствительными к параметрам падения освещающего света (например, угол падения света). В случае, изображенном на фиг.6b, решетка может иметь двойной профиль, который симметрично разделяет свет на положительный и отрицательный дифракционные порядки (главным образом, +1 и -1). Таким образом, пиксель включен, когда нет никакого приложенного напряжения, и выключен, когда напряжение приложено. На фиг.6с показана обратная ситуация. На обоих чертежах, фиг.6b и фиг.6с, вместе с оптически прозрачным электродом 11 используют цветные фильтры 50r (красный), 50g (зеленый) и 50b (синий), а также оптически прозрачные оптические окна 52.
Фиг.7 представляет собой, среди прочих, пример блок-схемы электронного устройства 40 для того, чтобы обеспечить модуляцию интенсивности света с помощью электрического управляющего сигнала, используя ЕС дифракционные решетки с электросмачиванием в элементе (например, дисплее) 48 электронного устройства 40, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Оптический сигнал 50 модуляции интенсивности, содержащий информацию о мгновенном требуемом значении интенсивности света для отдельных пикселей дисплея 48, передается селектору 42 оптической интенсивности. В качестве альтернативы, пользователь 41 может задать оптический управляющий сигнал 50а, содержащий требуемое значение для интенсивности света всех пикселей (например, требуемый средний уровень интенсивности) дисплея 48, обеспечивая, тем самым, требуемое смещение.
В ответ на сигналы 50 и/или 50а селектор 42 оптической интенсивности выдает сигнал 52 выбора интенсивности, указывающий на требуемый уровень оптической интенсивности, отраженной от каждого пикселя дисплея 48, или прошедший через каждый пиксель дисплея 48, на генератор 44 напряжения. Кроме того, в ответ на сигнал 52, генератор 44 напряжения выдает управляющий сигнал 54 электросмачивания отдельно к каждому из пикселей (оптические устройства, описанные выше вариантами выполнения настоящего изобретения), включенные в дисплей 48 для обеспечения электрического поля, приложенного между однородным жидким слоем (например, 14 на фиг.2b) и электродным слоем 11 в указанных оптических устройствах для дальнейшего обеспечения требуемого уровня оптической интенсивности.
Кроме того, сигнал 56 на фиг.7 изображен как сигнал обратной связи пользователю 41 для того, чтобы убедиться, что требуемый средний уровень интенсивности является удовлетворительным. Надо отметить, что задерживающие поглотители 42 и 44 могут быть объединены в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Кроме того, может быть предусмотрено несколько генераторов напряжения, например, чтобы по отдельности обеспечить сигнал модуляции и смещающий сигнал.
Как показано выше, изобретение предусматривает как способ, так и соответствующее оборудование, состоящее из различных модулей, обеспечивающих функциональные возможности для выполнения этапов этого способа. Модули могут быть выполнены как аппаратные средства или могут быть выполнены как программное обеспечение или программируемое оборудование для выполнения процессором компьютера. В частности, в случае программируемого оборудования или программного обеспечения, изобретение может быть выполнено как компьютерный программный продукт, включая считываемую структуру памяти компьютера, содержащую код компьютерной программы (то есть, программное обеспечение или программируемое оборудование) для выполнения процессором компьютера.
Следует понимать, что вышеописанные схемы расположения являются только иллюстрирующими принципы настоящего изобретения. Многочисленные модификации и альтернативные схемы расположения могут быть разработаны специалистами без отхода от объема настоящего изобретения, а приложенная формула изобретения предназначена для охраны таких модификаций и схем расположения.