CN101014895A - 反射式电润湿透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种反射式电润湿装置(200)，其包括流体腔室，该流体腔室包含被弯月面(208)分隔的两种不混溶的流体(205，206)；该流体腔室还包括电极(203，204)和润湿表面(207)，该润湿表面(207)对于该两种不混溶的流体(205，206)具有不同的润湿性能；通过疏液力和静电力的相互作用提供的电润湿力被利用，以控制该弯月面(208)，从而使得照射该弯月面的光(210，212)在该弯月面上被全反射地反射。本发明还提供了这种反射式电润湿装置的系统和阵列。
Description
技术领域
本发明涉及反射式光阀。
背景技术
反射式光阀在许多不同应用中使用，以用于操纵和控制光波的方向。这种应用的实例包括投影系统、投影显示器和照明系统。
最普通类型的反射式光阀由旋转镜构成，该旋转镜根据其角位置沿理想方向反射入射光波。这种布置是公知的，且目前用于不同结构中。旋转镜结构的一个实例在US 4,934,781中给出。然而，这种配置明显包括移动部件，该移动部件随着时间的流逝将显著磨损，由此导致性能下降。采用旋转镜的其它缺陷包括噪音和振动。
因此，需要提出改进的反射式光阀。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供可以减少上述问题的改进的反射式光阀。
该目的通过后附权利要求1中限定的呈反射式电润湿装置(reflectiveelectrowetting device)形式的反射式光阀、权利要求7中限定的反射系统、以及权利要求8中限定的阵列实现。本发明的有利实施例在附加的从属权利要求中限定。本发明还提供一种使用反射式电润湿装置的方式。
因此，根据本发明的一个方面，提供一种反射式电润湿装置。该反射式电润湿装置限定出用于光波的光路，并且包括流体腔室、至少两个电极、润湿表面以及电润湿流体系统，该电润湿流体系统包含在所述流体腔室中并包括正面流体和背面流体。正面流体和背面流体具有不同的电学性能，并对于润湿表面具有不同的润湿性能，且通过弯月面(meniscus)分隔，该弯月面的形状可通过施加于电极上的电场控制。该正面流体形成该光路的一部分，并且其折射率高于背面流体的折射率，从而使得通过弯月面以一定的反射角在光路中提供全反射，该反射角取决于弯月面的形状和正面流体与背面流体的折射率之间的比值。因此，光路中的反射角可通过所述电场控制。
因此，本发明提供一种反射式电润湿装置。其与最近给予更多关注的透射式电润湿装置(例如透镜)相对。透射式电润湿透镜例如在WO03/069380中描述。在透射式电润湿透镜中，弯月面典型地用于偏转透过弯月面的光波。相反，在根据本发明的反射式电润湿装置中，弯月面用于偏转光波，以使得其被反射。换言之，在透射透镜中，光波通过弯月面传播，而在反射装置中，光波被弯月面反射，并由此保持在弯月面的初始侧。
照射弯月面的光的反射通过正面流体调节，该正面流体具有比背面流体更高的折射率，其中该正面流体为光通过其照射弯月面的流体，该背面流体留在弯月面的另一侧。绝对垂直照射弯月面的光将始终透过弯月面。然而，根据折射率之间的比值大小，以足够角度照射弯月面的光将被全反射或部分反射。折射率的差值越小，必须用于确保光的全反射的角度越大。
下面给出在折射率为ui的第一材料和折射率为ut的第二材料之间的界面上传播的光的偏转的一般公式
uisinθi＝utsinθt (1)
其中θi和θt分别为入射角和出射角，θ＝0°对应于光垂直照射界面，并且θ＝90°对应于光与界面平行地传播。因此，θt＞90°对应于光的全反射，意味着偏转光被界面反射，并由此通过第一材料继续传播。对于θt求解公式(1)得出
θt＝arcsine(ui/utsinθi) (2)
因此，对于某些角度θi＜90°，假设ui＞ut，光将以角度θt＞90°全反射。全反射的角度θi的范围从θi＝90°开始，并根据ui/ut的大小包括一组较小的角度。例如，ui/ut＝3/2导致入射角在θi＝90°和θi＝45°之间的光的全反射(因为sin45°＝2/3)。
根据上述公式(2)，反射光的角度(这里表示为反射角)取决于折射率的比值(ui/ut)以及入射角(θi)。然而，折射率的比值通常为一静态参数(第一和第二材料的折射率在合理的操作环境下基本不变)。因此，反射角为入射角的直接函数。反过来，入射角取决于光波在反射装置中的入射角以及弯月面的形状。因此，通过利用电润湿力改变弯月面的形状可以控制反射角。
根据本发明，已认识到，这种效果可以被利用，以提供可控制的反射式电润湿装置。与透射式电润湿透镜相比，这种反射式电润湿装置的不同之处在于，光路受透镜腔室中的两种流体之一的限制，并且这种特定流体必须具有比另一(背面)流体更高的折射率。
尽管反射式电润湿装置的操作在概念上与透射式电润湿透镜的操作不同，但是在两种概念之间具有明显的相似性。因此，当涉及材料和流体等的选择时，针对透射式电润湿透镜的教导也可应用于反射式电润湿透镜中。
然而，在透射式电润湿透镜中，透镜的光路典型地布置成基本上垂直于弯月面的延长线。相反，在反射式电润湿透镜中，优选相对于弯月面以一定角度布置透镜的光路。这是由于仅仅对于以足够角度照射弯月面的光才产生在弯月面处的光的全反射的缘故。
本发明对于弯月面的形状提供了很大的自由度。根据一个实施例，弯月面具有大致矩形形状，并且润湿表面被分隔成沿弯月面的周边的两个面对边缘布置的两个区域。因此，弯月面的形状可以被控制，以仅仅沿平行于电润湿表面区域的方向弯曲。这种配置的一个实例在下面参照图5给出。
根据另一实施例，润湿表面沿流体腔室的周边包围整个弯月面，从而使得弯月面的形状可以被控制，以沿两个垂直方向弯曲。例如，弯月面可以呈圆形，并且弯月面可在凸起形和凹入形之间控制。
根据又一实施例，附加电极沿弯月面的周边布置，从而使得弯月面的形状可通过施加于不同电极对之间的不同电场控制。这样，可以在更大数量的一组形状之间控制弯月面。此外，通过向各电极施加适宜的电势，可以提供基本平坦的弯月面，其可根据在各电极处所施加的电势倾斜。
因此，根据又一实施例，流体腔室、润湿表面以及电极这样布置，以使得弯月面的形状基本上是平坦的并可倾斜。
如上所述，光必须以足以产生全反射的角度照射弯月面(所需角度取决于流体的折射率之间的比值)。然而，以太小角度照射的一(小)部分的光也将被反射，而其余部分的光将透过弯月面。事实上，当接近所需的入射角时，被反射的一部分光将增加。这种现象可被利用，以提供部分透射和部分反射装置或在一种状态下反射全部光、而在另一种状态下透射大部分光的装置。
因此，根据一个实施例，弯月面可以被控制成具有这样的形状，以使得其中在光路中传播的第一部分光在弯月面处被反射，并且在光路中传播的第二部分光透过弯月面。
根据本发明的反射式电润湿装置也可以被组合成反射装置的系统。因此，本发明的另一方面提供一种包括至少两个上述反射式电润湿装置并具有互连光路的反射系统。因此，可以提供更为复杂的光路。例如，第一反射式电润湿装置可以便于沿一个方向进行控制，并且将光传送到便于沿第二方向控制光的第二反射式电润湿装置。
本发明的又一方面提供一种反射式电润湿装置的阵列。该阵列包括至少两个上述反射式电润湿装置，该两个反射式电润湿装置一起形成一复合光路，每个反射式电润湿装置构成所述复合光路的一分离可控制子部。这种阵列例如可用于显示装置中，其中每个反射装置可对应于一图像元素(像素)。
本发明的又一方面提供上述反射式电润湿装置的用途，用于根据弯月面的形状沿一方向反射照射所述弯月面的光波。
附图说明
现在参照附加的示例性附图进一步描述本发明，其中：
图1示出了一反射式电润湿装置的横截面图，其中弯月面分别处于第一状态(左)和第二状态(右)，并且光路通过流体腔室的侧壁布置。
图2示出了一电润湿装置的横截面图，其中光路通过流体腔室的顶面布置。
图3示出了一反射式电润湿装置的阵列的透视图，其中每个装置提供一复合光路的分离可控制子部。
图4示出了一圆形反射式电润湿装置的横截面图(左)和俯视图(右)，该圆形反射式电润湿装置具有沿弯月面的周边布置的多个电极。
图5示出了一矩形反射式电润湿装置的透视图，其中弯月面可控制，以基本上仅沿一个方向弯曲。
图6示出了具有互连光路的两个反射式电润湿装置的系统。
具体实施方式
为清楚起见，首先描述电润湿装置的基本机理。总的构思在于采用两种力、即疏液力和静电力的结合。
疏液力为通过溶剂排斥表面对溶剂产生的力。对于水基溶剂而言，该机理通常被称作是疏水的。例如，上过蜡的表面一般是斥水的，并因此是疏水的。
静电力为由相互吸引或排斥的电荷所产生的力。
电润湿装置的总构思是形成由两种不混溶(或不相溶)的流体构成的流体系统，该两种不混溶的流体具有不同的静电性能，并且相对于疏液表面表现出不同的行为。在一基本结构中，该装置包括流体腔室，该流体腔室包含流体系统并具有布置在其内表面处的疏液部分。疏液部分被这样布置，以使得流体系统具有一独特的静止位置，并因此具有分隔流体的独特弯月面形状。该流体例如可为油和水，并且于是疏液部分优选地是疏水的。例如，流体腔室的一半内表面可以是疏水的，其余的内表面可以相对于该两种流体是中性的。因此，水将位于腔室的中性部分中，并且油将位于腔室的疏水部分中。
流体的不同静电特性使得一种流体是导电的并因而被电场吸引，而另一种流体是不导电的(或者至少基本上不导电)并因而不受电场影响。
除了疏液表面部分之外，在腔室中布置有电极。电极被布置成使得在导电流体上施加电势。这种场的施加将朝着电极吸引导电流体，因此在流体系统中产生将改变流体的位置以及变弯月面的形状的附加力。因此，通过简单地施加电场而不使用任何移动部件，可以移动流体以及改变弯月面的形状。
图1示出了根据本发明的反射式电润湿装置100的一实施例的示意性横截面图。该反射式电润湿装置100包括含有两种不混溶的流体、即正面流体106和背面流体105的圆柱形流体腔室。该流体腔室具有圆柱形壁102、上侧壁111和下侧壁101。该圆柱形壁带有圆柱形电极103和围绕其周边的润湿表面107。润湿表面107面对圆柱体的内部并对于两种不混溶的流体105、106具有不同的润湿性能。
正面流体106和背面流体105通过弯月面108分隔(或分离)。正面流体106的折射率高于背面流体105的折射率。此外，该不混溶的流体中的一种流体是导电的，而另一种流体基本上不导电。另外，该不混溶的流体对于润湿表面107具有不同的润湿性能。两种不混溶的流体例如可由硅油和盐水(溶解有NaCl的水)形成。根据所选择的特定硅油和水的盐度，具有最高折射率的流体应当为正面流体。
两种不混溶的流体和流体腔室的配置可以被设计为非常类似于透射式电润湿透镜中已知的配置。
图1所示的左手侧横截面图表示具有分隔两种流体的凸起形弯月面108的反射式电润湿装置。根据在弯月面上的入射点，光线在相对大和相对小的反射角之间散射。图中的虚线箭头110示出了以相对小的角度反射的一特定光线，因为它几乎垂直照射弯月面，虚线箭头111示出了以陡得多的角度反射的平行入射光线，因为其在不同位置照射弯月面。
图1所示的反射式电润湿装置限定出穿过圆柱形壁102、圆柱形电极103和润湿表面107的光路。因此，这种设计要求这些元件具有一定的光学性能(即，在装置的寿命期间是透明的)。这对于一些应用而言可能是不利的。
图2示出了一种替换反射式电润湿装置，其中光路改为通过顶壁111照射。因此，仅仅要求顶壁111具有一定的光学性能，并且侧壁可以不考虑光学性能而由任何材料制造。在图2中，与图1中公开的内容相同的特征和元件的附图标记增加100(即，101由201表示等)。
很显然，也可以将光路布置成穿过部分顶壁111以及部分圆柱形壁102。
采用如图2所示的装置，通过使其光路仅仅穿过顶壁，可以很容易布置地可独立控制的反射器阵列，如图3所示，其中三个分离反射器301布置在一反射器阵列300中。
从上面可以看出，根据正面和背面流体的折射率的比值，对于在一定角度内照射弯月面的光可以实现全反射。由于该比值不可能无穷大，总会有以0°(垂直于弯月面)为中心的角度范围，在该角度范围内不能实现全反射。折射率之间的比值越小，该组角度将越大(因此，要求入射光以更平行于弯月面的角度照射弯月面)。
然而，为了产生全反射以太小的入射角照射弯月面的光无论如何通常总在某种程度上被反射。因此，即使在为全反射而提供的角度范围外，也可以控制反射角，应当记住，只是小部分光将被反射。根据背面流体的光学特性，其余的光将透过背面流体或在背面流体中被吸收。
在期望反射一些光并透射一些光的应用中，可以利用部分反射。在这种应用中，如在普通透射式电润湿透镜中那样，透射光通常被弯月面偏转。
以适宜的方式布置流体腔室、润湿表面和电极可提供不同弯月面形状的大空间。图4示出了利用该事实的一实施例的俯视图(右)和侧视图(左)。如图4所示，圆柱形流体腔室401可以安装多个周边电极402。因此，可以以很大的自由度改变弯月面的形状。例如，弯月面可以以任意角度倾斜，同时保持表面的平整度几乎不受影响。因此，可以相对于x和y方向沿任意方向反射光而不散射光。在图4中，示出了三种不同的弯月面设定形式(A、B和C)。
图5示出了又一替换弯月面形状，其中流体腔室501呈矩形，且润湿表面502仅仅布置在两个相对侧壁处。因此，可以沿与润湿表面平行的轴线(图5中的x轴)使弯月面弯曲。在图5中，示出了两种不同的弯月面状态(A和B)。这样，有助于操纵以线的形式、而非点的形式照射到装置上的光。结果，入射光可沿一个方向(图5中的y方向)散射，但在另一方向(图5中的x方向)上不受影响。
此外，参照图6，可以布置相互关联的反射装置的系统。在图6中，布置两个反射装置，第一反射器601被布置成沿第一方向(这里为x方向)操纵光，第二反射器602被布置成沿第二方向(这里为y方向)操纵光。第一反射器601可以为图1或2所示类型的反射器，第二反射器602可以为图5所示类型的反射器。因此，可以利用更简单的元件实现二维精确操纵。当然，也可以利用如图3所示的反射器进行二维操纵。但是，图3所示的配置比仅具有两个电极的配置制造起来更复杂。(对于图1、2和4所示的配置而言，两个电极已经足够。)
该反射式电润湿装置可以用于许多应用中。例如，传统上使用旋转镜的许多应用可以受益于本发明提供的优点。例如，该反射式电润湿装置可以用于(条形码)扫描器、显示器(投影装置)、通信装置和照明装置。
总之，本发明提供一种反射式电润湿装置200，其包括流体腔室，该流体腔室含有被弯月面208分隔的两种不混溶的流体205、206。该流体腔室还包括电极203、204和对于两种不混溶的流体205、206具有不同润湿性能的润湿表面207。通过疏液力和静电力的相互作用提供的电润湿力被利用，以控制弯月面208，从而使得照射弯月面的光210、212在弯月面处被全反射地反射。此外，本发明还提供了这种反射式电润湿装置的系统和阵列。
Claims (9)
1.反射式电润湿装置(100；200)，其限定出用于光波(110，112；210，212)的光路，并包括流体腔室、至少两个电极(103，104；203，204)、润湿表面(107；207)、以及电润湿流体系统，该电润湿流体系统包含在所述流体腔室中并包括正面流体(106；206)和背面流体(105；205)，所述正面流体(106；206)和背面流体(105；105)具有不同的电学性能，并对于该润湿表面(107；207)具有不同的润湿性能，且通过该弯月面(108；208)分隔，该弯月面(108；208)的形状可通过施加于所述电极(103，104；203，204)上的电场控制，所述正面流体(106；206)形成所述光路的一部分，并且其折射率高于所述背面流体(105；205)的折射率，从而使得通过该弯月面(108；208)以一定的反射角在该光路中提供全反射，该反射角取决于该弯月面(108；208)的形状以及该正面和背面流体(106，105；206，205)的折射率之间的比值，由此该光路中的反射角可通过所述电场控制。
2.根据权利要求1所述的反射式电润湿装置，其特征在于，该弯月面具有大致矩形形状，并且该润湿表面(502)被分隔成沿该弯月面的周边的两个面对边缘布置的两个区域，从而使得该弯月面的形状可被控制为仅沿平行于该润湿表面区域的方向弯曲(A，B)。
3.根据权利要求1所述的反射式电润湿装置(100；200)，其特征在于，该润湿表面(107；207)沿该流体腔室的周边包围整个弯月面(108；208)，从而使得该弯月面(108；208)的形状可被控制为沿两个垂直方向弯曲。
4.根据权利要求1所述的反射式电润湿装置，其特征在于，包括沿该弯月面的周边布置的附加电极(402)，从而使得该弯月面的形状可被施加于不同电极对之间的不同电场控制。
5.根据权利要求1所述的反射式电润湿装置，其特征在于，该流体腔室(401)、该润湿表面、以及该电极(402)被布置成使得该弯月面的形状基本上是平坦的并可倾斜(A、B、C)。
6.根据权利要求1所述的反射式电润湿装置(100；200)，其特征在于，该弯月面(108；208)可被控制成具有这样的形状，以使得其中在该光路中传播的第一部分光在该弯月面处被反射，并且在该光路中传播的第二部分光透过该弯月面。
7.反射系统(60)，其包括至少两个如权利要求1所述的反射式电润湿装置(601，602)并具有互连光路。
8.反射式电润湿装置的阵列(300)，其包括至少两个如权利要求1所述的反射式电润湿装置(310)，该至少两个反射式电润湿装置(310)共同形成一复合光路，其中每个电润湿装置构成所述复合光路的一分离可控制子部。
9.如权利要求1所述的反射式电润湿装置的用途，用于根据弯月面的形状沿一方向反射照射所述弯月面的光波。
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