CN102323699A - 基于电泳粒子系统的可切换光栅 - Google Patents

Abstract

可切换光学部件（10）包括形成腔体（14）的衬底（18）。该衬底（18）配置有与该腔体相邻的结构化表面（24，26），并且该衬底具有第一折射率。流体（16）与该结构化表面接触。粒子（12）可选择性地分散在所述流体中，从而该流体中的粒子的第一浓度使得所述结构化表面能够提供光学效应，并且该流体中的粒子的第二浓度禁止该光学效应。

Description

基于电泳粒子系统的可切换光栅

本申请是申请日为2007年11月6日、申请号为200780043198.X、发明名称为“基于电泳粒子系统的可切换光栅”的专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及可切换光学设备，并且更特别地涉及采用电泳粒子以选择性地改变折射率的可切换光栅设备。

背景技术

电泳系统作为用于显示设备的可切换光层已经得到广泛的应用。电泳系统的实例包括由Philips^®和E-Ink^®在Sony^® Libried电子阅读器中制造的黑白电子纸显示设备，和针对标志应用的平面内可切换电泳显示器。在所有情况下，电泳系统中的粒子用于吸收光闸（optical shutter）配置中（反射或透射配置中）的（部分）光。

发明内容

根据本发明的原理，电泳系统的被很少利用的光学特性在于电泳粒子作为可切换衍射光学部件而工作的能力。在大多数情况下，这个性质因电泳系统的吸收、反射或散射性质而黯然失色。然而，如吸收一样，这些粒子由具有不同于用于悬浮或携带粒子的溶剂的折射率的材料构成。因此，可以通过局部地集中粒子来产生流体的有效折射率的局部变化。

为了说明折射光学是可能发生的，本发明人已经建立了实验系统，其中利用了粒子的折射性质以创建可切换光学设备，在一个实例中，该可切换光学设备是可切换光栅。在该实例中，为了研究折射性质，排除了吸收。举例来说，选择具有含已知吸收区域的吸收光谱的品红粒子，从而使得该吸收区域可以被避免。通过采用小尺寸的品红粒子（~100nm）来避免散射。还提供了光路的足够变化（例如d×Δn，其中Δn是折射率差）。厚层的浓悬浮液为大的光程差提供了潜力。

在一个说明性实施例中，可切换光学部件包括形成腔体的衬底。该衬底配置有与所述腔体相邻的结构化表面，并且该衬底具有第一折射率。流体与结构化表面接触。粒子可选择性地分散在流体中，从而流体中的粒子的第一浓度使得结构化表面能够提供光学效应，并且流体中的粒子的第二浓度禁止该光学效应。

在另一个实施例中，用于操作可切换光学部件的方法包括：提供具有形成腔体的衬底的平面内电泳设备，其中该衬底配置有与该腔体相邻的光栅面形（grating profile）并且该衬底具有第一折射率；使得该光栅面形与流体接触；以及选择性地将粒子分散在流体中，从而流体中的粒子的第一浓度使得光栅面形能够提供光学效应并且粒子的第二浓度禁止该光学效应。

附图说明

根据下面对结合附图阅读的本公开的说明性实施例的详细描述，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得清楚明白。

本公开下面将参照附图来详细地呈现优选实施例的描述，其中：

图1A是根据一个实施例的具有平面内切换电泳机构的可切换衍射光学设备的截面视图，所述电泳机构使用在腔体的同一侧上的电极来分散粒子并且提供折射率差以允许衍射；

图1B是根据该实施例的图1A的可切换衍射光学设备的截面视图，其示出在网格（grid）面形区域之外横向聚集的粒子；

图2A是根据另一个实施例的具有平面内切换电泳机构的另一个可切换衍射光学设备的截面视图，所述电泳机构使用在腔体的相对侧上的电极来分散粒子并且提供折射率差以允许衍射；

图2B是根据该实施例的图2A的可切换衍射光学设备的截面视图，其示出在均匀层中通过网格面形区域聚集的粒子；

图3A是根据另一个实施例的具有平面内切换电泳机构的另一个可切换衍射光学设备的截面视图，所述电泳机构使用在腔体的相对侧上的电极来分散粒子以便填充网格面形中的空间，从而提供折射率差以允许衍射；

图3B是根据该实施例的图3A的可切换衍射光学设备的截面视图，其示出在层中通过网格面形区域聚集的粒子；

图4A是在发明人所进行的实验中使用的可切换衍射光学设备的截面视图，其示出由于电极间隔引起的衍射图样；

图4B是根据另一个实施例的图4A的设备的截面视图，其中交替的电极具有非零电压以在流体中建立无粒子区域，从而产生折射率差以允许衍射；以及

图5是示出根据本发明原理的用于操作可切换光学部件的说明性方法的流程图。

具体实施方式

应当理解的是，将针对电泳显示设备来描述本发明；然而，本发明的教导要宽泛得多并且适用于可采用可调节折射率以提供光学效应的任何部件，比如衍射光栅或其他可切换折射率的设备。这里所描述的实施例优选地使用平版印刷（lithography）来定位和处理，并且因此根据所选的光刻工艺的适用的精度来定位。应当指出的是，照相平版印刷（photolithographic）处理是优选的但仅仅是说明性的。还可以采用其他处理技术。

还应当理解的是，可切换衍射光栅的说明性实例可以适于包括附加的电子部件，这些电子部件可以采用由这些光栅衍射的光或可以辅助选择这些光栅的操作模式。这些部件可以与衬底形成整体，或者安装在衬底上，或者在其他部件中或其他部件上提供。衍射光栅可以与其他未与该衍射光栅形成整体的设备一起使用。附图中所描绘的元件可以在硬件的各种组合中实现并且提供可以在单个元件或多个元件中结合的功能。

根据特别有用的实施例，可以基于电泳粒子系统和预制的腔体来提供明确限定的可切换光栅。光栅的操作基于具有不同于流体（液体或气体）的折射率的粒子的运动，其中粒子悬浮在该流体中。所述粒子优选地是电泳的并且因此依赖于电压或其他运动诱发机制而被吸引或排斥。在一种配置中，所述流体和形成腔体的材料具有相同的或基本相同的折射率（例如在大约2%之内），从而当移除粒子时，该设备不会像光栅一样工作。通过将粒子移动到所述腔体中的流体内，流体与相邻于该腔体的材料具有不同的折射率并且该设备像光栅一样工作。这种可切换光栅的一些应用包括光学存储、光束重定向、光学内/外耦合、分光/照明(将白色光分离为其组成颜色)等等。这种可切换光栅的一个优点是，它不依赖于偏振光（对于现有技术可切换液晶（LC）光栅来说，情况就是这样）并且因此光效高得多。

现在参照附图（其中相同的附图标记代表相同的或相似的元件）并且首先参照图1A和图1B，其示出根据一个说明性实施例的可切换光栅10。光栅10从图1B中的明确限定的第一状态（例如非光栅状态）切换到图1A中的明确限定的第二光栅强度状态。该光栅设备10基于电泳粒子系统，其中粒子12出现在预制的腔体14中。光栅10基于流体（液体或气体）16中的粒子12的运动而运行，其中粒子14和流体16具有不同的折射率。优选地，设备10在两种明确限定的状态或配置下运行以基于横向粒子运动而形成衍射光栅。这里所公开的实施例通过改变流体16中的粒子浓度来局部地改变折射率。在实际应用中，粒子12的浓度可以从0重量百分比变化到大约60重量百分比（或更多），并且这可以给出非常大的折射率变化。应当理解的是，根据设计和应用，具有平衡粒子浓度的流体的折射率可以是与周围材料匹配的折射率以提供第一状态，而非平衡粒子浓度提供第二状态（反之亦然）。

通过在电极20或设备上聚集所有粒子并且从电极22排斥粒子来获得低粒子浓度。以此方式，腔体14中其他地方的浓度可以低至0。例如，在第一状态下（图1B），实际上在腔体14中的流体16中不存在粒子（例如，大约0重量百分比）。流体16和形成腔体14的周围材料18可以具有相同的折射率，从而使得在没有粒子12的情况下，设备10不像光栅一样运行。在聚集电极20处或其附近可以获得高的粒子浓度。

在第二状态下（图1A），通过移动粒子14或者允许粒子以均匀的方式达到平衡而进入腔体14中的流体16中，腔体14中的流体16和粒子12实现不同于材料18的折射率，并且设备10像光栅一样运行。

可替代地，应当理解的是，如果流体16中所得到的粒子浓度使得在具有粒子的流体与周围材料18之间具有基本相同的折射率，则图1A所示的平衡状态可以充当非光栅状态。类似地，在该可替代实施例中，由于流体16和周围材料18可以具有不同的折射率，所以图1B中的配置可以充当光栅。也可以考虑其他的实施例和配置（比如腔体形状、粒子的尺寸和类型以及不同的流体类型）。

流体16内的粒子12的分布可以以多种方式来实现。在一个实施例中，电极20和22形成在衬底15上（随同电路（未示出））以激活并控制电极20、22。可以给电极20通电以吸引或排斥粒子12从而将粒子12从光栅区域移除（图1B）。在运行期间，给光栅电极22通电以吸引粒子进入光栅区域。随后，交替地给电极20和22通电以将粒子分散在流体16中。可替代地，可以允许通过自然方式（比如布朗运动）或其他强制方式（例如通过振动、温度变化或其他机械力）来分配（disburse）粒子。

材料18优选地形成在结构化表面内，该结构化表面比如具有突起24和凹槽26的光栅面形。结构化表面还可以包括棱镜或其他光学元件。突起24和凹槽26被配置成具有与被衍射的光的波长相关联的预定间距。在一个实施例中，流体16的折射率可以与衬底或材料18的折射率基本相同，其中凹槽26形成于该衬底或材料18中。随后，可以将粒子12引入到流体16中以修改折射率。在图1A和图1B的实施例中，粒子12以通过改变在多个横向分离的电极20和22中的一个或多个上的电压而诱导的横向运动行进。该横向运动的特征通常在于箭头“A”的方向。当然，粒子12也在垂直于箭头“A”的方向上运动，但是为了便于参照，对于该实施例，粒子12将被描述为横向地或沿着衬底15的主轴移动。

所述平面内电场将粒子移动到腔体14内。可以在布朗运动的影响下或可替代地通过将小AC信号施加到电极以混合粒子，来将粒子12分布在腔体的各处。在该实施例中，对具有第一折射率的粒子在不同折射率的流体中的布置进行重新分布，使用了在横向方向上沿着设备10的主轴的粒子运动。腔体14具有光栅的形式，这是因为腔体14包括突起24和凹槽26（例如具有明确限定的横向间隔）。由于突起24和凹槽26引起的具有不同高度的区域导致通过设备10的不同的光程（以及因此衍射度），同时它们的横向间隔限定了衍射光束将从光栅中出射的角度。可选地，根据本发明原理的一种设备可以包括多个彼此横向地相邻设置的这样的腔体14，比如阵列形式的腔体。可替代地，多个腔体可以堆叠在彼此上面。这些腔体/设备可以单独地或共同地切换。

根据本发明原理的可切换光栅可以用于光学存储、衍射、光束重定向、光学内/外耦合、分光/照明（将白色光分离为其组成颜色）或任何其他应用。有利地，可切换光栅10不依赖于偏振光以提供衍射并且因此光效高得多。

参照图2A和图2B，其说明性地示出了具有垂直的粒子运动的光栅100。在该实施例中，通过对具有第一折射率的粒子12在预制腔体14中的不同折射率的流体16中的布置进行重新分布，来形成可切换光栅100。粒子的运动通常是在垂直于衬底15的主轴的方向上。通常，该垂直运动的特征在于箭头“B”的方向。当然，粒子12也可以在垂直于箭头“B”的方向上运动，但是为了便于参照，对于该实施例，粒子12将被描述为垂直地运动。

腔体14具有光栅的形式并且包括具有明确限定的横向间隔的突起24和凹槽26。衬底18上具有不同高度的区域导致通过所述设备的不同的光程（以及因此衍射度），同时它们的横向间隔限定了衍射光束将从光栅中出射的角度。可选地，根据本发明原理的一个设备可以包括多个彼此横向地相邻设置的这样的腔体，比如阵列形式的腔体。可替代地，多个腔体可以堆叠在彼此上面。这些腔体可以单独地或共同地切换。

在一个实施例中，流体16的折射率与衬底18的折射率基本相同，在图2B中腔体14形成在该衬底18上。在这种情况下，分布的粒子12沿着腔体14的底面设置，从而导致流体中粒子的低的浓度。在该实例中，由此实现没有衍射光栅的光学设备，如图2B所示。为了实现运行的衍射光栅，将粒子12分布在流体16中，由此修改折射率并且建立如图2A所示的光栅。

如图2B所示，粒子12位于底电极102上或其附近以形成均匀层105，该均匀层105优选地形成在衬底15的平坦表面上。在所示的这个实例中，在腔体14的所述平坦的（底）表面上粒子形成均匀厚度的层105，由此流体16保持具有不同于衬底18的折射率的光栅形式。这可以通过调节或设置底电极102或顶电极104的电压从而将粒子驱动到底电极102来实现。当希望将所述设备切换到衍射光栅时，通过改变垂直分离的电极102和/或104中的一个或两个上的电压来诱导粒子运动。可以切换或交替改变电压以提供粒子12在腔体14中的随机化分布并且导致入射光的衍射。

可替代地，如上所述，应当理解的是，如果低粒子浓度流体16与衬底18不匹配，并且具有粒子12的高粒子浓度流体16（图2A）与衬底18匹配，则可以在图2B的状态下实现光栅。

参照图3A和图3B，衍射光栅200包括具有流体16和粒子12的腔体14。在一个实施例中，当粒子12在腔体14的平坦（底）表面上形成均匀厚度的层205时，在图3B中实现了衍射光栅。通过将电压施加到底电极102和/或顶电极104来控制粒子12。为了改变或移除光栅，将粒子12分布在流体16中以修改折射率分布并且改变光栅的强度。在图3A的实例中，粒子12被移动到形成在衬底18中的结构化上表面，通过改变垂直分离的电极的电极102和104中的一个或两个上的电压来诱导粒子12的运动。在图3A所示的实例中，粒子12在腔体14的结构化（上）表面上形成层202。例如，如果在流体16中的致密粒子12的平均折射率与衬底18的折射率相似，并且粒子12填充光栅结构（例如突起24和凹槽26）之间的间隔并且有效地平面化该表面，则光栅的作用将减少或被移除。

可替代地，应当理解的是，如果至少粒子12（以及可能还有流体16）的折射率与衬底18不匹配，则在图3A的状态下可以实现光栅。如果图3B中的流体16与衬底18匹配，则可以实现非光栅配置。

在本发明的实施例中，关于匹配的或不匹配的折射率流体和具有粒子浓度的流体的不同的改变是可能的。例如可以调节流体、衬底和粒子的折射率以实现所希望的光学效应。在一些实施例中，可以考虑其中粒子的折射率超过流体的折射率的系统。例如，可以在油中使用折射率大约为2.70（Retile）或2.55（Anastasia）的小的、非散射的氧化钛粒子，所述油比如折射率为1.42的十二烷。可替代地，可以采用其中粒子的折射率小于流体的折射率的系统。例如，可以在油中使用小型中空的、填充空气的具有大约1.1-1.2的折射率的粒子，所述油比如折射率为1.42的十二烷、联苯（n=1.59）、苯基萘（n=1.67）、溴苯（n=1.56）、氯代萘（choloronaphthalene）（n=1.63）、溴代萘（n=1.64）、甲氧基萘（n=1.69）、多溴芳烃（polybromoaromatics）、多溴烷烃（probromoalkanes）等等。此外，不必使用基于油的液体粒子系统。也可以考虑（与适当的粒子结合的）水、像水一样的流体或其他流体。如上所述，可以通过多种不同的机制传输粒子。

虽然可以使用电压，但是除了电学机制或者取代电学机制的是，也可以使用其他传输机制。例如，粒子的传输机制可以包括介电电泳、电动流体力学、电渗等等。当粒子基于诱导的偶极移动到或远离具有高场强的区域时，发生介电电泳。电极设计可以适于提供粒子的所希望的运动，并且可以采用所施加的场的频率以使粒子到处移动。电动流体力学是覆盖由电场引起的流体中所有种类的粒子运动的一般术语，并且电渗是由电场引起的极性液体通过膜的运动。

还应当理解的是，要被衍射的单色光或其他光可以从顶部到底部或从底部到顶部（在图1-3中）地通过设备。衬底15和/或18和所附电极需要提供透明度和适当的折射率以促进有效的运行。

在图4A和图4B示意性描绘的实验中，发明人演示了本发明的原理。所述实验表明，可以使用非偏振光学来提供有效的电泳光学部件。参照图4A，使用红色激光器来产生690nm的光302。光302通过衬底318和填充液体的腔体314，该腔体314填充了十二烷和品红粒子（~100nm的尺寸）。流体中的品红粒子包括高折射率（n2），其大于没有粒子的单独的流体的折射率（n1）。交叉指型（inter-digitated）电极305均匀地分散在第二衬底315上。衍射图样330作为电极305的图样的结果而被实现。

参照图4B，当交替变化的零电压-非零电压模式施加到电极305时，从非零正电压电极（用“+”标记指定）周围的体积移除粒子，从而导致折射率的差异。在衍射图样332中附加的衍射光斑是可见的，因此表明无粒子区域322造成这些额外的衍射光斑。

所述实验表明，虽然光栅的快速切换是可实现的（例如，大约1-10秒），但是额外的衍射光斑的强度的改变作为干涉的最大值和最小值而产生（作为通过整数数量的波长而增加的延迟）。

参照图5，其说明性地示出了用于操作可切换光学部件的方法。在方框402中，提供具有平面内电泳设备（或其他粒子分散系统）的光学部件。在一个实施例中，所述设备包括形成腔体的衬底。该衬底配置有与该腔体相邻的光栅面形或结构化表面，并且该衬底具有第一折射率。在方框406中，光栅面形与其中具有粒子的流体接触。这可以作为设备的制造/组装的结果，或者可以在设备的运行期间控制流体水平。在任何情况下，流体都与结构化表面的光栅面形接触。

在方框410中，将粒子选择性地分散在流体中。所述流体和粒子具有至少两种状态（附加的状态也是可能的）。一种状态包括与衬底的第一折射率相同或基本相同的折射率，而另一种状态包括对应流体和粒子的与第一折射率不同的折射率。当粒子处于所述状态之一时，光栅面形衍射入射光，而处于另一种状态时，光栅面形不产生衍射。根据具体的情况，这些不同的折射率可能更高或更低。

当流体和粒子处于第一配置（第一浓度）时，光栅面形衍射入射光或者对入射光造成光学效应，并且在第二配置（第二浓度）中，没有光衍射或不提供光学效应。所述粒子可以包括电泳粒子。由于流体附近的电压变化或通过其他方式，可以选择性地分散粒子。在方框412中，可以使用与所述腔体相邻设置的电极实现电压的变化，其中通过改变电极上的电压和/或使用其他机制（例如布朗运动）实现分散，来在流体中分散所述粒子。电极可以设置在腔体的同一侧上或腔体的相对侧上。在一种配置中，可以分散粒子以在腔体中与光栅面形相对的位置形成粒子的均匀层或者在光栅面形区域外部横向地聚集粒子。也可以在光栅面形的部分中聚集粒子。有利的是，在方框414中，入射光不需要被偏振以被衍射。可以使用光栅面形来衍射非偏振光。

在解释所附权利要求时，应当理解：

a）措词“包括”不排除存在给定的权利要求中列出的元件或动作之外的其他元件或动作；

b）在元件之前的措词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件；

c）权利要求中的任何附图标记都没有限制它们的范围；

d）若干“装置”可以由相同的项目或硬件或软件实现的结构或功能来表示；以及

e）除非特别指出，不要求动作的特定顺序。

已经描述了基于电泳粒子系统的可切换光栅的有利实施例（其预期是说明性的而非限制性的），应当注意的是，本领域技术人员可以根据上述教导进行修改和变化。因此，应当理解的是，可以在由所附权利要求概述的这里所公开的实施例的范围和精神内，对所公开的本公开的特定实施例进行改变。这样描述了专利法所要求的细节和特殊性之后，在所附权利要求中阐述了要求保护的和希望通过专利证书保护的内容。

Claims (10)

1. 一种可切换光学部件，包括：

第一衬底（18）和第二衬底（15），其间形成腔体（14），其中所述第一衬底的第一表面是包括与所述腔体相邻的突起和凹槽的结构化表面（24，26），所述第一衬底和所述突起具有第一折射率；

流体（16），其与所述结构化表面接触；以及

粒子（12），其选择性地分散在所述流体中，从而该流体中的粒子的第一配置使得所述结构化表面能够提供光学效应并且该流体中的粒子的第二配置禁止该光学效应。

2. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其中在第一配置和第二配置之一下，在所述腔体中与所述结构化表面相对的位置形成粒子的均匀层（105）。

3. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其中在第一配置和第二配置之一下，粒子（12）在所述结构化表面的区域之外横向聚集。

4. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其中在第一配置和第二配置之一下，粒子（12）在所述结构化表面的凹槽中聚集。

5. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其中突起（24）和凹槽（26）是矩形的。

6. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其中突起（24）和凹槽（26）之间的横向间隔被选择为提供衍射光束从所述结构化表面出射的期望角度。

7. 如权利要求1所述的可切换光学部件，其为可切换衍射光栅，还包括与所述腔体相邻设置的多个电极（20，22，或102，104），

其中通过改变所述电极上的电压将所述粒子分散在所述流体中；以及

其中所述结构化表面的突起和凹槽形成用于对非偏振入射光进行衍射的光栅面形，所述突起（24）具有第一光栅表面并且所述凹槽（26）具有第二光栅表面，所述第一光栅表面和第二光栅表面平行于与第一衬底（18）的第一表面相对的第一衬底（18）的第二表面。

8. 如权利要求7所述的可切换光学部件，其中在粒子的第一和第二配置之一下，这些粒子（12）在凹槽（26）中聚集并且基本上填满所述凹槽（26）。

9. 如权利要求7所述的可切换光学部件，其中所述光栅面形包括在光栅的阵列中。

10. 如权利要求7所述的可切换光学部件，其中所述光栅面形包括在光栅的叠层中。

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