CN101427179A - 全内反射调制的反射式图像显示器中的离子电泳 - Google Patents

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Abstract

一种反射式显示器，具有多个透明半珠(60)，每个透明半珠均具有一个围绕着非反射区域(82)的反射区域(80)。光吸收的、带静电电荷的离子溶解到保持与这些半珠相邻的电泳介质(20)之中。在该介质上施加的电压将许多离子移入一个与这些半珠相邻的渐逝波区域，在该渐逝波区域中这些离子吸收光，并在反射区域内抑制全内反射。在该渐逝波区域内的离子也吸收未进行全内反射、而不然将穿过该非反射区域的光。在该介质上施加的反向电压将许多离子移离这些半珠，以允许光在该反射区域进行全内反射。可以通过提供一种具有反射区域(108；110和112)的底板电极(48)来增加显示器的亮度，该底板电极用于将穿过该非反射区域到该底板电极的光经过这些半珠反射回去。

Description

全内反射调制的反射式图像显示器中的离子电泳
相关申请的引用
本申请要求提交于2006年4月19日的美国临时专利申请第60/745,106号的权益。
技术领域
本公开内容涉及对在美国专利第5,999,307号、第6,064,784号、第6,215,920号、第6,865,011号、第6,885,496号和第6,891,658号中所描述的类型的宽视角反射式图像显示器实现高亮度，所有上述专利内容均以引用方式纳入本文。
背景技术
图1A示出了在美国专利第6,885,496号和第6,891,658号中所描述的类型的现有技术的反射式(即，前亮式)电泳抑制全内反射(TIR)调制显示器10的一部分。显示器10包括一个透明的向外板12，该向外板通过在一个高折射率(例如η2>～1.75)的聚合材料16的向内表面里部分地嵌入大量高折射率(例如η1>～1.90)的透明的球形或近似球形的珠14而形成，该聚合材料具有平滑的向外观察表面17，其中观察者V在一个有一定角度范围的观察方向Y上来观察该观察表面。“向内”和“向外”方向由双向箭头Z示出。珠14被紧密地堆积在一起以形成一个向内突起的单层18，该单层具有约等于其中一个珠14的直径的厚度。理想地，珠14中的每一个都和与其直接相邻的所有珠相接触。在相邻的珠之间留有最小的间隔缝隙(理想地，无缝隙)。
通过在由下板24所限定的容器22内容纳电泳介质20，将该电泳介质20保持与珠14的从材料16向内突起的部分相邻。一种惰性的、低折射率(即小于约1.35)、低粘性、电绝缘的液体，例如可从明尼苏达州圣保罗市的3M公司获得的FluorinertTM全氟烃液(η3～1.27)，就是一种合适的电泳介质。其他液体或水也可被用作电泳介质20。因此形成了一个珠：液全内反射界面。介质20包括均匀分散的光散射和/或光吸收粒子26的悬浮物，例如颜料，染色的或其他散射的/吸收性的硅土或橡胶粒子等等。板24的光学特性相对并不重要：板24只需要形成一个用于容纳电泳介质20和粒子26的容器，并用作底板电极48的支承。
如所公知，在两种具有不同的折射率的介质之间的全内反射(TIR)界面是以一个临界角θc为其特征的。以小于θc的角度入射到该界面的光线传输穿过该界面。以大于θc的角度入射到该界面的光线在该界面进行全内反射(TIR)。在该全内反射(TIR)界面优选较小的临界角，因为较小的临界角能提供在其内可发生全内反射的大的角度范围。
在没有电泳活动的情况下，如图1A中虚线28的右侧所示，穿过板12和珠14的光线的大部分在珠14的向内侧面进行全内反射。例如，入射光线30和32通过材料16和珠14折射。这些光线在该珠：液全内反射界面处进行两次或更多次全内反射，如在光线30的情况下的点34和36所示；且如在光线32的情况下的点38和40所示。然后，这些被全内反射的光线通过珠14和材料16被折射回去，并分别作为光线42和44射出，实现了在每个反射区域或像素中的“白色”外观。
可以通过电极46和48(以虚线示出)在介质20上施加电压，该电极可以例如由蒸汽喷镀施加到珠14的向内突起的表面部分和板24的向外表面。电极46是透明的，基本是薄的，以最小化其与光线在该珠：液全内反射界面处的干涉。底板电极48不需要是透明的。如果通过激励电压源50在电极46和48之间施加电压来激活电泳介质20，如虚线28左侧所示，则悬浮粒子26被电泳移动到其中渐逝波相对强烈的区域(即，在向内突起的珠14的向内表面的0.25微米之内，或更近)中。当粒子26如前所述作电泳移动时，它散射或吸收光，从而通过修改在珠：液全内反射表面的有效折射率的虚部且可能是实部来抑制或调制全内反射。这是通过光线52和54示出的，当它们照射到该珠：液全内反射表面的薄(～0.5μm)渐逝波区域中的粒子26时，它们被散射和/或吸收，如56和58分别所示，从而实现了在每个全内反射抑制非反射的吸收区域或像素中的“黑色”外观。仅需通过适当地激励电压源50将粒子26移出该薄渐逝波区域，便能恢复该珠：液全内反射界面的全内反射能力，并能将每个“黑色”非反射的吸收区域或像素转化成“白色”反射区域或像素。
如上所述，向外板12的纯光学特性可通过控制由电极46和48施加在介质20上的电压来控制。电极可被分段以控制介质20在板12的不同区域或像素的电泳激活，从而形成了图像。
图2以放大的横截面的形式示出了球形珠14之一的向内的半球或“半珠”部分60。半珠60具有一个标准化的半径r＝1和一个折射率η1。光线62在距离半珠60的圆心C一个径向距离a处(穿过材料16)垂直入射到半珠60上，并以相对于径向轴66成角度θ1与半珠60的向内表面相遇。为了进行这种理论上的理想讨论，假设材料16具有与半珠60相同的折射率(也即η1＝η2)，于是光线62穿过材料16进入半珠60而未经折射。光线62在半珠60的向内表面折射，并且作为相对于径向轴66成角度θ2的光线64进入电泳介质20中。
现在考虑入射光线68，其在离半珠60的圆心C的距离为 a c = η 3 η 1 处(穿过材料16)垂直入射到半珠60上。光线68以临界角θc(相对于径向轴70)与半珠60的向内表面相遇，该临界角是发生全内反射的最小必需角度。因此光线68被全内反射为光线72，该光线72再次以临界角θc与半珠60的向内表面相遇。因此光线72被全内反射为光线74，该光线74也以临界角θc与半珠60的向内表面相遇。因此光线74被全内反射为光线76，该光线76垂直穿过半珠60进入珠14的嵌入部分且进入材料16中。因此入射光线68以作为与其大致相反的方向的光线76被反射回来。
所有与半珠60的圆心C距离a≥ac的入射到半珠60上的光线都被向着光源反射回去(但不是精确的回归反射)；这意味着当光源位于观察者的头顶上方稍靠后时反射会被增强，且该反射光具有散射特性，该特性给予该反射光白色的外观，该白色的外观在反射式显示应用中是想要的。图3A、3B和3C示出了半珠60的三种反射模式。这些模式和其他模式共存，但是分别讨论每种模式也是有用的。
在图3A中，以ac≤a≤a1范围内的距离入射的光线进行两次全内反射(2-TIR模式)，且反射光线在一个相对宽的弧φ1内发散，该弧的圆心位于与该入射光线的方向相反的方向。在图3B中，以a1<a≤a2范围内的距离入射的光线进行三次全内反射(3-TIR模式)，且反射光线在一个较窄的弧φ2<φ1内发散，该弧的圆心也位于与该入射光线的方向相反的方向。在图3C中，以a2<a≤a3范围内的距离入射的光线进行四次全内反射(4-TIR模式)，且反射光线在一个更窄的弧φ3<φ2内发散，该弧的圆心还是位于与该入射光线的方向相反的方向。因此半珠60具有“半回归反射”、局部漫反射特性，导致显示器10具有类似于纸的漫射外观。
当主要照明源位于观察者后方并在小角度范围内时，显示器10具有相对较高的视亮度，相当于纸的视亮度。这一点在图1B中示出，图1B示出了宽角度范围α，在该角度范围内观察者V能够观察显示器10，以及角度β，该角度是照明源S相对于观察者V的位置的角偏差。只要β不太大，就可以保持显示器10的高视亮度。在垂直入射的情况下，半珠60的反射比R(即，入射到半珠60上的光线中被TIR反射的比例)由公式(1)给出：
R = 1 - ( &eta; 3 &eta; 1 ) 2 - - - ( 1 )
其中η1是半珠60的折射率，而η3是与半珠60的发生TIR的表面相邻的介质的折射率。因此，如果半珠60是由低折射率的材料例如聚碳酸酯(η1～1.59)构成，且如果该相邻介质是Fluorinert(η3～1.27)，则获得约为36％的反射比，而如果半珠60是由高折射率的纳米合成材料(η1～1.92)构成，则获得约为56％的反射比。当照明源S(图1B)位于观察者V的头部后方时，显示器10的视亮度进一步被前述的“半回归反射”特性所增强。
如图4A-4G所示，半珠60的反射比在较宽的入射角范围上得以保持，从而增强了显示器10的宽角视觉特性和它的视亮度。例如，图4A示出了从垂直入射——即从与垂直方向偏移0°的入射角看到的半珠60。在此情况下，半珠60的a≥ac的部分80以环面出现。该环面被示为白色，对应于该环面是半珠60的由TIR反射的入射光线的区域的事实，如前所述。该环面环绕着被示为黑色的圆形区域82，对应于该圆形区域是半珠60的非反射区域的事实，在该区域中入射光线被吸收而不进行TIR。图4B-4G示出了分别从与垂直方向偏移15°、30°、45°、60°、75°和90°的入射角看到的半珠60。图4B-4G与图4A的对比揭示了半珠60的a≥ac的反射部分80的被观察区域随着入射角的增加而逐渐减少。即便是在几乎掠入射角度(例如图4F)，观察者仍将能看到反射部分80的大部分，从而给予显示器10可在其上保持高视亮度的宽角度的视野范围。
随着时间的流逝，显示器10可以显示出不希望的粒子26的聚集。更具体地，粒子26往往在电泳介质20内部形成松散的附聚，结果电泳介质20的周围区域包含了相对较少的悬浮粒子26。吸收性粒子26这样的聚集会导致显示器10的图像质量和总性能的长期恶化。如下所述，有可能不采用粒子26而在显示器10中电泳抑制TIR，从而降低显示器10对由粒子附聚所导致的缺陷的易感性。
相关技术的前述实例和与其有关的局限性均意为示例性的而非排他性的。在阅读本说明书和研究附图之后，相关技术的其他局限性对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
在附图的参考图中示出了范例性的实施方案。此处公开的实施方案和附图应被认为是示例性的而非限制性的。
图1A是电泳抑制或调制的现有技术的反射式图像显示器的一部分的未按比例地大规模放大了的、片断的横截面的侧视图。
图1B示意性地示出了图1A的显示器的宽角度观察范围α，以及照明源的角度范围β。
图2是图1A中的装置的球形珠之一的半球(“半珠”)部分的大规模放大了的横截面的侧视图。
图3A、3B和3C示出了以逐渐增加的偏离轴距离垂直入射到图2的半珠上的光线的半回归反射，在该半珠该入射光线分别进行2次、3次和4次TIR。
图4A、4B、4C、4D、4E、4F和4G示出了分别从与垂直方向偏移0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的视角看到的图2的半珠。
图5A和5B是电泳抑制(即，调制)的反射式图像显示器的一部分的未按比例地大规模放大了的、片断的横截面的侧视图，该显示器包含光吸收的、带有静电电荷的离子。
图6是电泳抑制(即，调制)的反射式图像显示器的一部分的未按比例地大规模放大的、片断的横截面侧视图，该显示器包括一个纳米结构的或纳米多孔的导电的涂层。
图7是图1A中显示器的一部分的俯视(即，从垂直方向偏移角0度的视角看到的)横截面图，示出了在六方密堆积(HCP)结构中排列的球形珠。
图8A和8B是和图7中的结构一起使用的两种替代性的底板电极图案的以大规模放大的比例的俯视图。
图9A和9B是电泳抑制(即，调制)的反射式图像显示器的一部分的未按比例地大规模放大的、片段的横截面侧视图，该显示器具有图8A底板电极图案并且包含光吸收的、带静电电荷的离子。
具体实施方式
以下说明中阐述了具体细节，以为本领域技术人员提供更加彻底的理解。然而，可能没有示出或详细说明公知元件，以免不必要地使得本公开内容不清楚。因此，应以示例性的而不是限制性的眼光来看待这些说明和附图。
如图5A、5B示意性所示，不可见的、微小的、光吸收的、可溶的分子，例如染料分子，溶解在惰性的、低折射率的(即，小于大约1.35)、低粘性的液体电泳介质20例如水之中。当溶解时，分子分离成带静电的离子。因此介质20包含了大量的光吸收的、带静电电荷的离子，该离子可以通过施加适合的电场，而被电泳地移入或移出在前述珠：液TIR界面的渐逝波区域。
更具体地，当溶解时，分子分离成至少一种带有正静电电荷的离子种类，以及至少一种带有负静电电荷的离子种类，其中正电荷的数量等于负电荷的数量以使得介质20总体上具有静电中性电荷。通常只有一种离子种类是光吸收的，另一种类则是平衡溶解了的分子的整体电荷的抗衡离子。本领域技术人员将能理解分子分离成其离子组成部分并不包含化学反应，因为该组成部分的化学性质并未改变。
当通过激励电压源50以在电极46、48之间施加一个第一电压来激活电泳介质20时，在介质20中溶解的大量光吸收离子电泳地移入并集中在与电极46相邻的区域90之内的紧靠半珠60的向内一侧。同时，在介质20中溶解的光吸收离子从与电极48相邻的区域92电泳地移出。从区域92移出的离子并不移入区域90，但却保留在介质20之中，在区域90和92之间。
图5A示出了非反射状态，其中该区域90是一个“集中区域”，包含了足够大数量的光吸收离子以基本覆盖半珠60的向内表面。本领域技术人员将能理解，区域90的厚度取决于离子的类型以及它们在介质20中的浓度，但区域90通常比渐逝波区域更薄。因此区域90位于渐逝波区域中，所以在区域90中的光吸收离子通过如前所述的抑制或调制TIR来吸收入射在反射环形区域80的光线(例如，光线114)，也吸收未进行TIR的、不然应穿过珠14的光线(例如，光线116)。该光吸收的、带静电电荷的离子，不需要完全覆盖半珠60的向内表面，因为如前文关于图2描述，许多入射光线和每个半珠60互相作用数次，所以主要的覆盖就导致了可接受的光吸收程度。在图5A的非反射状态下，区域92是包含了较少数量的光吸收的、带静电电荷的离子的“耗尽区域”。除了用作光吸收的、带静电电荷的离子的源，该耗尽区域在非反射状态下不具有明显的光学功能。
在图5B示出的反射状态下，激励电压源50以在电极46、48之间施加具有与该第一电压极性相反的第二电压。随后，光吸收的、带静电电荷的离子电泳地移出区域90，该区域在反射状态下变成了包含较少数量的光吸收离子的耗尽区域。同时地，大量的悬浮在介质20之中的光吸收离子电泳地移入并集中在与电极48相邻的区域92之中，该区域在反射状态下变成了集中区域，该集中区域包含足够多数量的光吸收离子以基本覆盖电极48的向外表面。移出区域90的光吸收离子并不移入区域92，但却保留在介质20之中，在区域90和92之间。
图5B的反射状态下，区域90中的较少数量的光吸收离子使得入射到半珠60的反射环形区域80之一上的光线(例如，光线114)进行如前所述的TIR。穿过半珠60的光线(例如，光线116)被区域92中的较多数量的光吸收离子所吸收。
可以通过增加在介质20中溶解的分子的吸收横截面，以在图5A的非反射状态下增加TIR抑制。更具体地，溶解的分子分离成带静电电荷的光吸收的离子，该离子根据公式具有吸收横截面Ac：
I = I 0 e - n A c x
其中I0是沿着长度为x的路径穿过介质20的光的初始强度，n是在该介质中的光吸收离子的数量密度(以m-3为单位)，Ac则是以m-2为单位表达的，而I是作为结果的光强度。因此显然，对于给定路径长度x和给定离子数量密度n，Ac的增加(即，通过选择具有更大Ac特性的分子)降低了作为结果的光强度I。分子的吸收横截面与该分子的大小有关，但不严格地依赖于该分子的大小。从而，较大的染料分子将会通常，但非总是，比较小的染料分子具有更大的吸收横截面。作为一个实例，具有许多单体单元和单个电子电荷的聚合物染料分子可以溶解入介质20。每个这样的分子可以是最高达10nm长，注意，10nm远小于该渐逝波区域的厚度(～0.5μm)。因为分子相对较小，所以它们迅速地且容易地扩散到渐逝波区域内，以抑制TIR——这对于任何TIR调制的设备例如反射式图像显示器来说都是一项有用的特征。
防止在电极46和48的表面发生电解或其他电化学反应是有好处的，因为这样的反应会改变光吸收离子的静电电荷特性，也会导致对电极46和48的不可逆的化学变化。这可以通过在电极46和48的表面覆以一薄(即，<10μm)层的诸如蒸汽沉积氧化物涂层的绝缘材料，或通过调制电压源50以施加一个足够低(即，<1V)的电压以使得电化学反应不发生而实现。
也可以通过增加电极46和48的有效表面面积来在非反射状态下增加TIR抑制；从而增加了电极46和48的电容，因此增加了响应于施加的电场而在电极之间转移的电荷数量。如图6所示，这可以通过将电极46和48覆以透明的、导电的、纳米结构或纳米多孔的材料的薄(即，<250nm)层94和96，例如如Z.Wu等人的“TransparentConductive Carbon Nanotube Film”中描述的碳纳米管薄膜，该文刊登于《科学》杂志第305期5668号1273-1276页，或者覆以由Robbie等人在美国专利第5,866,204号、第6,206,065号和第6,248,422号之中所描述的通过掠角沉积(GLAD)技术制造的多孔的透明导电涂层而实现，上述内容以引用方式纳入本文。
相比于相同大小的非纳米结构的或非纳米多孔的层所产生的有效表面面积，纳米结构的或纳米多孔的层94、96可以产生大几百倍的有效表面面积。纳米结构的或纳米多孔的层94、96的表面特征在于，约1到100nm的大小，这比光的波长(～500nm)小很多。因此，纳米结构的或纳米多孔的层94、96不与光线的TIR发生干涉。虽然纳米结构的或纳米多孔的层94、96是横向导电的(即，在基本垂直于平滑的向外观察表面17的方向)，但是它们不需要具有高的侧向导电率(即，在基本平行于平滑的向外观察表面17的方向)，因为电极46、48具有高的侧向导电率。然而，如果纳米结构的或纳米多孔的层94、96具有足够的侧向导电率，则电极46和48不是必需的。
可以通过将单个半珠的反射比乘以半珠的堆积效率系数f，以获得对半球阵列的反射比的估计，该半球阵列相当于图1A中示出的球形珠14的每一个的向内的“半珠”部分。计算密堆积结构的堆积效率系数f，涉及了对简单几何技术的应用，这对于本领域的技术人员来说是公知的。在图7中示出的六方密堆积(HCP)结构产生的堆积效率为f∝π/(6·tan 30°)～90.7％，假设珠14是统一大小。
尽管六方密堆积结构为半球体产生了最高堆积密度，但是并不必须将半球体以规则排列堆积，也不必须将半珠大小统一。随机分布的、具有在1-50μm范围内的直径的非统一大小的半珠，具有约80％的堆积密度，并具有和HCP排列的统一大小的半珠相似的光学外观。对于某些反射式显示器应用，这样的随机分布的排列生产起来更为实用，鉴于此原因，因不那么紧密的堆积所造成的略微降低的反射比也是可以接受的。然而，为了简便，下列说明集中于图7的HCP排列的统一大小的半珠，并且假定采用反射比η1/η3＝1.5的材料。这些因素不应被理解为限制了本公开内容的范围。
上述“半回归反射”特性在反射式显示器中很重要，因为在其中光源S位于观察者V之上且之后的通常的观察条件下，反射光的大部分向着观察者V返回。这导致视反射比超过了一个约 R = 1 - ( &eta; 3 &eta; 1 ) 2 为1.5的“半回归反射增强系数”(参见Mossman、M.A.等人的“A High Reflectance，Wide Viewing Angle ReflectiveDisplay Using Total Internal Reflection in Micro-Hemispheres”，Society for Information Display，23rd International DisplayResearch Conference，第233-236页，9月15-18号，2003年，Phoenix，AZ)。例如，在折射率比η1/η3＝1.5的系统中，根据公式(1)确定为55％的平均表面反射比，在上述的半回归反射观察条件下被增加到大约85％。
单个的半珠60可以是极小的，在2-50微米直径范围内；如图7所示，它们可被堆积到一个阵列中，以构建一个由于大量微小的相邻的反射的环形区域80而呈现的高反射的显示器表面。在这些区域80中，如果可以发生TIR，则当粒子26(图1A)和光吸收离子(图5A，5B)不与珠14的向内的半球形部分接触时，它们均不会阻止入射光的反射。然而，在区域82和84之中，如果不发生TIR，则粒子26(或光吸收离子)会吸收入射光线——即便这些粒子(或离子)被移出渐逝波区域从而不与珠14的向内的半球形部分光学接触。可增加折射率比η1/η3，以增加每个反射环形区域80的大小且因此降低这样的吸收损耗。非反射区域82、84累积性地减少显示器10的总体表面反射比R。因为显示器10是反射式显示器，显然人们希望最小化这样的减少。
这可以通过使用在图8A或8B中分别示出的图案100或102之一而在板24上形成底板电极48来实现。黑色区域104、106是导电区域，可以是反射的也可以是非反射的。白色区域108、110、112是反射区域，且既可以是导电的也可以是非导电的——倘若在区域108、110、112组成的一方和区域104、106组成的另一方之间不具有导电性。
反射区域108和110均优选地在形状上为圆形，并且其直径大于或等于(优选为等于)半珠60之一的非反射圆形区域82之一的直径。图案100的区域104具有和半珠60的区域80和84的总体大小与形状基本相同的总体大小和形状。
区域104、106的光学属性相对不重要，板24的光学属性也是如此。然而，在板24上提供向外的反射表面并且在该反射表面上形成区域104(或106)，而板24的向外的反射表面的剩余部分组成了区域108(或110、112)，这可以是有利的。
当如下面所述一样使用时，图案化的底板电极100因在区域82的光吸收而降低吸收性损耗，但不会因在缝隙区域84中的光吸收而减少吸收性损耗。作为对比，当如下面所述一样使用时，图案化的底板电极102因在区域82和84中的光吸收而降低吸收性损耗。这可以通过形成图案102来达到，其中每一个反射区域112具有基本相似于缝隙84之一的大小和形状的大小和形状，每个区域112相对于其相邻反射区域110的位置与缝隙84中对应的缝隙相对于该缝隙的相邻区域82的位置相同。
关于单层18定位图案化的底板电极100(或102)，来将每个圆形反射区域108(或110)对准一个相应的圆形非反射区域82；从而也将导电区域104(或106)对准反射区域80。图9A和9B示出了反射式图像显示器，该显示器包括如前所述的对准的图案化的底板电极100并包括光吸收的、带静电电荷的离子。图9A中示出的在非反射状态下的运行，基本相似于先前关于图5A所描述的非反射状态运行，且不需要进一步描述。
在如图9B所示的反射状态下，当激励电压源50以在电极46和104之间施加适合的电压时，光吸收离子电泳地移出区域90，该区域在该反射状态下成为一个包括了相对小数量的光吸收离子的耗尽区域。同时，大量的悬浮在介质20之中的光吸收离子电泳地移入并集中在与图案化的底板电极100的每个导电区域104相邻的区域92之中(或者移动到图案化的底板电极102的导电区域106之中，如果该图案化的底板电极102替换了图案化的底板电极100)。因为区域104对准了半珠60的反射环形区域80，光吸收离子集中地远离了图案化的底板电极100的反射区域108。相对少的光吸收离子保留在区域92之外的介质20之中，显著地降低了介质20之中在半珠60的非反射圆形区域82和图案化的底板电极100的反射区域108之间的光吸收。
入射在半珠60的反射环形区域80之一上的光线(例如图9B中的光线114)，如前所述进行TIR。因为相对少的光吸收离子保留在区域92之外的介质20之中，大多数不进行TIR的光线(例如，在图9B中的光线116)能够穿过介质20到达反射区域108之一，因此那些光线也被反射。
有利地，在图9A所示的非反射状态下，电泳介质20中的光吸收离子的浓度足够高以达到良好的光吸收，而在图9B中所示的反射状态下，电泳介质20中的光吸收离子的浓度足够低以使得介质20中的大多数光吸收离子集中到电极48，以降低在反射状态下由保留在区域92之外的介质20中的离子所吸收的光的总量。
如果半珠单层18置于反射区域108上方的合适距离处，则传输的光线向着环形区域80聚焦，使得光线近似地沿着它们所来的方向返回。这进一步增强了显示器的半回归反射特性，且可以导致察觉到的反射比值超过100％。即便是具有与红绿蓝(RGB)滤色阵列有关的吸收损耗，图案化的底板电极100，102仍然有助于生产具有与白纸上彩墨的亮度相当的亮度的反射式图像显示器。
本领域技术人员将能理解，前面关于图6描述的纳米结构的或纳米多孔层94和96可以应用到图9A和9B中的实施方案中。本领域技术人员也将能理解，宽范围的透镜合聚结构、半回归反射反射体和/或半镜面反射体均可应用到图5A、图5B和图6或图9A和图9B的实施方案中。
用光吸收的、带有静电电荷的离子替代吸收性的粒子26，除前述的降低对粒子凝聚所导致的缺点的易感性之外，还提供了其他优点。例如，包括了光吸收的、带静电电荷的离子的显示器，比起包括了吸收性粒子26的现有技术的显示器，在反射状态和非反射状态之间的切换要快得多，因为离子要比具有大约相同静电电荷的粒子小得多，从而也具有更高的电泳迁移率。包括了光吸收的、带静电电荷的离子的显示器，还比包括了吸收性粒子26的现有技术的显示器具有更低的电压要求。例如，包括了光吸收的、带静电电荷的离子的显示器，可在低于1伏的电压下运行，这对于防止在电极46和48的表面发生电解或其他电化学反应也是有好处的。包括了光吸收的、带静电电荷的离子的显示器也不那么容易产生磁滞响应特性——磁滞响应是包括了吸收性粒子的现有技术的显示器的一个缺点。此外，包括了光吸收的、带静电电荷的离子的显示器比起包括了吸收性粒子的现有技术的显示器具有更高的化学纯度，因为市场上销售的颜料粒子26或其他适合的粒子26因杂质而往往具有可变的化学纯度，这会导致不可预测的和令人不悦的显示行为。
虽然上面已经讨论了多个示例性方面和实施方案，本领域技术人员将能认识到它们的某些修改、置换、增加和子组合。例如，由光吸收的、带静电电荷的离子的电泳移动而进行的TIR抑制不仅可以应用到半珠表面，而且可以应用到任何微米结构或纳米结构的表面，这些表面具有特性：法线入射到微米结构或纳米结构的光线的大部分进行TIR。所有这样的修改、变化、增加和子组合均处于本公开内容的原理和范围之内。因此下文所附权利要求书和后文所引入的权利要求书应解释为包括了在其原理和范围之内的所有这样的修改、置换、增加和子组合。

Claims (22)

1.一种反射式显示器，包括：
多个透明半珠(60)，其从具有向外观察表面(17)的透明板(12)的向内表面向内突起，每个半珠具有围绕着一个非反射区域(82)的一个反射区域(80)；
第二板(24)，其自所述透明板向内留出空间以在该透明板与该第二板之间限定一个容器；
电泳介质(20)，其在所述容器之内；
所述显示器的特征在于：
在该介质中的多个光吸收的、带有静电电荷的离子；和
用于在该半珠和该第二板之间的在该介质上施加电压的电压源(50)。
2.如权利要求1所限定的反射式显示器，还包括：
形成于该透明板(12)的向内一侧的第一电极(46)；
形成于该第二板(24)的向外一侧的第二电极(48)；
在该第一电极上的透明的、导电的纳米结构(94)；和
在该第二电极上的透明的、导电的纳米结构(96)。
3.如权利要求1或2中任一项所限定的反射式显示器，其中该离子还包括至少一个带有静电正电荷的离子和至少一个带有静电负电荷的离子。
4.如权利要求3所限定的反射式显示器，其中该离子在该介质(20)中是可溶的。
5.如权利要求3所限定的反射式显示器，其中该离子具有大吸收横截面。
6.如权利要求3所限定的反射式显示器，其中：
激励该电压源(50)以在该介质(20)上施加一个第一电压，将足够多的该离子移入与该半珠(60)的向内表面相邻的渐逝波区域中，以抑制在该半珠的反射区域(80)处的光线(114)的全内反射，并吸收在该半珠的非反射区域(82)处的光线(116)；并且
激励该电压源以在该介质上施加一个第二电压，将足够多的该离子移离该渐逝波区域，以允许将在该半珠的反射区域的光线全内反射。
7.如权利要求1所限定的反射式显示器，还包括了用于可选地反射来自该第二板(24)的穿过半珠(60)的非反射区域(82)的光线的装置。
8.如权利要求1或2中任一项所限定的反射式显示器，用于可选地反射光线的该装置还包括在该第二板的向外侧上以图案(100，102)形成的一个电极(48)，该图案包括：
(a)导电区域(104，106)；和
(b)第一多个反射区域(108，110)；
在该第二板(24)上的该第一多个反射区域中的每一个，相应于并且对准了该半珠(60)的非反射区域(82)之一。
9.如权利要求8所限定的反射式显示器，其中该第二板(24)的该第一多个反射区域(108，110)中的每一个均具有与该半珠(60)的非反射区域(82)中相应的一个区域的大小和形状基本相似的大小和形状。
10.如权利要求9所限定的反射式显示器，其中该导电区域(104，106)具有与该半珠(60)的反射区域(80)的总体大小和形状基本相似的总体大小和形状。
11.如权利要求10所限定的反射式显示器，其中：
该半珠(60)中的每一个与该半珠(60)中的另一个或多个相邻，该显示器还包括了在该半珠的每一个相邻的一个或多个之间的非反射缝隙(84)；
该图案(102)还包括了在该第二板(24)的向外一侧上的第二多个反射区域(112)；和
该第二多个反射区域(112)中的每一个相应于并且对准了该缝隙(84)中相应的一个。
12.如权利要求11所限定的反射式显示器，其中该第二多个反射区域(112)中的每一个具有与该缝隙(84)中相应的一个的大小和形状基本相似的大小和形状。
13.如权利要求10中所限定的反射式显示器，其中：
该半珠(60)的非反射区域(82)中的每一个具有一个具有第一直径的圆形形状；和
该图案(100，102)的该第一多个反射区域(108，110)中的每一个具有一个具有基本等于该第一直径的第二直径的圆形形状。
14.如权利要求13所限定的反射式显示器，其中该半珠(60)的每一个反射区域(80)具有环形形状。
15.一种用于增加反射式显示器的反射比的方法，该显示器具有：从一个具有向外的观察表面(17)的透明板(12)的向内表面向内突起的多个透明半珠(60)，每个半珠具有一个围绕着一个非反射区域(82)的反射区域(80)，自该透明板向内留出空间以在该透明板和该第二板之间限定一个容器的第二板(24)，在该容器内的电泳介质(20)，该方法的特征在于：
将多个光吸收的、带静电电荷的离子溶解在该介质中；
在该介质上施加第一电压，以将大量该离子移入与该半珠的向内表面相邻的渐逝波区域，以在该半珠的反射区域抑制光线(114)的全内反射，并在该半珠的非反射区域吸收光线(116)；并且
在该介质上施加第二电压，以将大量该离子移离该渐逝波区域，以允许将在该半珠的反射区域的光线全内反射。
16.如权利要求15所限定的方法，还包括：
在该透明板(12)的向内一侧提供第一电极(46)；
在该第二板(24)的向外一侧提供第二电极(48)；
在该第一电极上提供一个透明的、导电的纳米结构(94)；并且
在该第二电极上提供一个透明的、导电的纳米结构(96)。
17.如权利要求16所限定的方法，还包括：
以图案(100，102)提供该第二电极(48)，该图案包括：
(i)非反射区域(104，106)；
(ii)第一多个反射区域(108，110)；并且
将该第一多个反射区域中的每一个与该半珠(60)的非反射区域(82)的相应的一个对准；且
其中，在该介质(20)上施加第二电压，进一步将大量该离子移入一个位置，在该位置中该离子基本覆盖该电极的非反射区域，而不覆盖该第一多个反射区域。
18.如权利要求17所限定的方法，还包括了将该透明板(12)与该第二板(24)间隔开一段距离，选择该距离以使得被该电极(48)的该第一多个反射区域(108，110)反射的入射光线以基本与该入射光线的入射方向相反的方向反射。
19.如权利要求18所限定的方法，还包括了以与该半珠(60)的非反射区域(82)之一的大小和形状基本相似的大小和形状来形成该第一多个反射区域(108，110)。
20.如权利要求18所限定的方法，还包括了以与该半珠(60)的反射区域(80)的总体大小和形状基本相似的总体大小和形状来形成该非反射区域(104，106)
21.如权利要求20所限定的方法，其中：
每一个该半珠(60)均相邻于该半珠(60)中的另一个或多个；
一个非反射缝隙(84)存在于该半珠(60)中的每一个相邻的一个或多个半珠之间；
该图案(102)还包括了第二多个反射区域(112)，该第二多个反射区域中的每一个都具有和该缝隙(84)中的一个的大小和形状基本相似的大小和形状。
22.如权利要求21所限定的方法，其中该半珠(60)中的该非反射区域(82)中的每一个都具有一个具有第一直径的圆形形状，该方法还包括以具有和该第一直径基本相等的第二直径的圆形形状形成该第一多个反射区域(108，110)中的每一个。
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