CN1165879C - 多色扭转球显示器 - Google Patents

Abstract

一种可寻址显示装置包括有许多支撑于其中的球体的光透明体。每一个球体都具有电偶极矩和磁偶极矩。设置一种寻址电路，用来在透明体的选定部分施加电场和磁场，用以令给定球体定位。所述给定的球体最好是多色的，并包括不同颜色的经线范围。一个经线范围内的给定颜色可以包括多个彩度随纬度而变化的区域。

Description

多色扭转球显示器

本发明一般地涉及可寻址、可再用扭转球显示器。

扭转球显示器，亦称gyricon，是一种由许多光学各向异性的球体组成的可寻址显示器，其中的每个球体都能选择性地旋转，以便向观看者呈现所需要的一面。例如，一个这样的显示器包括球体，每一个都有两个独特的半球，一个黑，另一个白，每一个半球具有独特的电特性(例如，相对于绝缘液体的Z-电位)，使得这些球体在电学上和在光学上都是各向异性的。这些球体嵌入诸如内含许多球形穴并被诸如塑化剂等透明绝缘液体渗透的弹性体层等光学上透明的材料制成的薄片内。填充了液体的空穴容纳球体，每个空穴一个球体，以防止球体在该薄片内移动。球体在其填充了液体的空穴内可以通过例如施加电场使其选择性地转动，从而将其黑的或白的半球呈现给观看该薄片表面的观看者。这样，通过施加一种可二维寻址(如通过矩阵寻址技术)的电场，即可使球体的黑面或白面以所显示的图像的像元(例如，象素或子象素)的形式呈现出来。

上述扭转球板显示器最先是在Sheridon的美国专利No.4,126,854中描述的。原来由黑白球体构造的技术无法提供多色图像。结果，在最近的几十年中，对原设计有过多次改进。这样，例如，美国专利No.5,344,594和No.5,708,525描述了一种可用来产生彩色显示的多段球体。在这些专利中，代表性的gyricon球体具有采取任意的彩色组合的多达2N个段。可以单独地或结合地使用黑、白或其它颜色的颜料或染料，令各段具有不同的颜色和浓淡。该专利还教导可以利用不加颜料、不加染料的塑性液体而使各段呈无色，而且可以令不同的段做成不同的宽度。

在先有技术中，正如美国专利No.5,708,525的图3C-3D中所举例说明的，多色球体的彩色段是围绕球体的垂直轴线对称的。之所以要求这种对称是因为电场寻址技术在经线方向上不具有为球定位的能力。结果，任何给定的一个球只包括数量较少的颜色。这明显地限制整个显示器的灵活性。产生彩色显示的一种替代途径是每个象素利用几个球体来形成给定颜色，诸如美国专利No.5,767,826所举例说明的。但是，后一种途径降低了分辨率并使制造复杂化，因为，各球体必须单独安置。

先有技术中仍有改进扭转球显示技术、以便提供等级更全的彩色显示的必要，更具体地说，增强对各个球体元件的控制。

本发明的一个目的是提供一种由多色球体制成的电和磁的扭转球显示装置。

本发明的另一个更特殊的目的是利用电场和磁场来控制扭转球显示器中给定球体的个体位置。球体既有电偶极子，又有磁偶极子。

本发明的另一个目的是提供一种对扭转球显示器的球体既在纬线方向又在经线方向进行选择性定位的机制。

本发明的再一个目的是构造一种彩色球体显示板，其中每一个球体都既是驻极体又是磁体。这使得可以应用电场和磁场的组合来使球体的给定表面朝向要求的方向。

更一般的目的是提供一种高分辨率的彩色扭转球显示器。

本发明的另一个目的是提供一种带有可各自寻址的驻极体和磁性球体的电纸张。

本发明的再一个目的是提供纸张状的数字可寻址介质，它具有各种用途，包括，但不限于，彩色显示器、电纸张、覆盖式幻灯片(overlaytransparency)或建筑屏幕。

本发明的另一个目的是提供一种纸张状数字可寻址片材，它在掉电后仍旧保留所显示的图像。

这些和其它目的是在一种可寻址显示装置中实现的，后者包括：有许多支撑于其中的球体光透明体；以及寻址装置，用来选择性地在透明体的选定部分施加电场和/或磁场，用以令给定球体相对于观看方向定位。给定的球体最好是多色的，在一个实施例中，在第一经线范围内包括至少一种第一颜色，并在第二经线范围内包括第二颜色。位于给定经线范围内的颜色可以在整个范围内具有不同的彩度。这样，例如，第一经线范围在其第一纬线范围内包括红色，而在第二纬线范围内包括粉红色。

一个给定的球体具有提供电偶极矩的各向异性和提供单独的磁偶极矩的各向异性。电偶极矩使球体能作出这样的电响应，使得当该球体受到电场作用时，球体旋转到使电偶极矩与电场成一直线的取向。类似地，磁偶极矩使球体能作出这样的磁响应，使得当球体受到磁场作用时，球体旋转到使磁偶极矩与磁场成一直线的取向。以这样的方式选择性地或顺序地施加电场和/或磁场，用来使球体的给定区域以特定取向定位。给定区域通常包括一种颜色。工作时，球体可以选择性地在透明体内旋转，以便使给定颜色相对于观看者或光调制源定位。

在一个最佳实施例中，寻址装置包括电导体的阵列，阵列中每一个位置都与一个球体相联系。例如，电导体包括一组第一、第二和第三导体。在一个实施例中，第一导体沿着第一方向定位在光透明体的第一表面上，并包括由此伸展的用以产生磁场的线圈部分。第二和第三导体沿着与所述第一方向垂直的第二方向定位在光透明体的第二表面(与第一表面相对)。这些导体产生电场。一对二极管把所述线圈连接到第二和第三导体，而球体最好处在所述线圈的范围内。球体在经线上和纬线上的特定取向两者都由加在第一、第二和第三电导体上的给定信号确定。

上述概括了本发明某些比较切题的目的和特征。之所以提出这些目的仅仅是要举例说明本发明比较突出的特征和用途。正如将要描述的，以不同的方式应用所公开的发明或修改本发明，可以得到其它许多有益的结果。因而，参照以下对最佳实施例的详细描述，可以得出其它目的，并对本发明有更全面的理解。

为了更完全地理解本发明及其优点。请参见以下结合附图所作的详细描述。附图中：

图1是先有技术已知的扭转球显示器的结构；

图2是图1的先有技术显示器结构的分解透视图，举例说明所述显示器如何制成；

图3是图1的先有技术显示器的部分放大图；

图4是先有技术的有代表性的多色球体，举例说明围绕该球体的一系列加有颜料的带子；

图5是一个有代表性的球体，其中支撑一个四面体，以便举例说明本发明给定的球体任何提供多种颜色；

图6是本发明的一个有代表性的多色球体；

图7是本发明扭转球显示器的简化表示；以及

图8是按照本发明控制多色球体的寻址阵列的简化表示。

图1-2举例说明已知的扭转球显示器，它包括被夹在基片5和8之间的显示板4。显示板4和基片6之间是平行电导体10’的第一网格10。包括平行电导体12’的第二网格12的取向与显示板4和基片8之间的第一网格10垂直。基片6和8中至少一个和至少与该基片相邻的网格的导体是光透明的，使得环境光可以入射在显示板4上，并且使得可以看见显示板4的显示。具体地说，基片6和导体10’是光透明的，使得入射在显示器上的环境光为观看者提供可见的图像。

显示板包括分布的光各向异性的微小颗粒，后者最好呈圆球体。现再参见图3，每一个球体被透明的绝缘液体包围，后者由于颗粒的光各向异性和Z-电位(由于用来达到光各向异性的涂层)的差异而使具有所述球体电各向异性。显示板4包括光透明的固体支撑材料15，它允许球体具有旋转自由度。

在基本方案中，球体呈圆球形，一般0.05-0.5mm，带有不同Z-电位的半球形涂层。可以通过把呈光吸收特性的涂层涂敷在一个半球14a上，而把呈光反射特性的涂层涂敷在另一个半球14b上来实现所述电位上的差异。两个半球光反射和光吸收特性之间的差异提供了要求的光各向异性。在美国专利No.4,126,854的说明性的实施例中，例如，球体包括带有溅镀在半球14b上的氧化钛等光反射材料的黑色聚乙烯。

工作时，电源19(见图1)连接在网格10的各电极10’中的一个和网格12的各电极12’中的一个的两端。这个电位使带正电的半球14a被吸引到比较负的电极12’，并且在被激励的电极10’和12’形成的电场内，所述球体将旋转，使得它们的光反射半球14b朝向观看者。这样，在黑背景下提供一个光点。利用传统的矩阵寻址，电源依次地和选择性地连接到电极10’和12’的矩阵中的给定点，以产生图像。

在先有技术中还已知双色或多色球体。这里，在图4中举例说明美国专利No.5,708,525所描述的有代表性的多色球体。它包括6个平行的段20，22，24，26，28和30，其中每一个都可以着色。这些段一般都通过借助特殊的喷嘴让加有颜料的分开的液流流过而形成。正如可以看到的，每一个段都是连续的围绕球体的中心轴。若把这个轴考虑为沿着北-南方向取向，则一个普通技术人员都会认识到，在每一个带内各给定的经线位置是单色的，亦即具有相同的颜色。这样，这种结构是十分受限制的，因为在球体的表面上仅仅可以设置较少数目的颜色。

本发明通过利用电场和磁场的组合以便可旋转地定位给定球体，从而解决这个问题。这样，球体可以既看成驻极体，又可以看成磁体。具体地说，本发明的给定的球体具有用以提供电偶极矩的各向异性和用以提供单独的磁偶极矩的各向异性。电偶极矩使球体发生这样的电响应，使得当该球体受到电场作用时，该球体旋转至使得电偶极矩与电场成一直线的取向。同样，磁偶极矩使球体产生这样的磁响应，使得当球体受到磁场作用时，球体旋转到使磁偶极矩与磁场成一直线的取向。这样，选择性地或顺序地施加电场和/或磁场，用来把球体给定的区域定位到特定的取向。通过对球体旋转更精确的控制，单个球体可以包括数量上比先有技术大得多的颜色。结果与先有技术相比显示分辨率好得多，显示特性也得到改进。

图5是一个简化的示意图，举例说明本发明多色球体的样板。假定熟悉球体几何。只是为方便起见，在球体34内示出四面体32。以与球体的表面相交的形式示出四面体的四个顶点(标为N，S，+和-)。(N，S)偶极子代表球体的磁偶极子，而(+，-)偶极子代表球体的电偶极子。磁偶极子可以在球体的制造期间形成，方法是把磁性材料细粉(例如，永久磁铁或永磁陶瓷)混入基本材料中，然后在成形之后所述球体成纵列降落(is droppod down a colum)时在给定方向施加磁场(最好，在冷却之前)。通过在另一个给定方向施加电场(最好也是在冷却之前)来形成电偶极子(大概在相同时间)。适当在塑料材料可以用作基本材料。它们包括，例如，聚乙烯、聚酯、carnuba蜡、海狸蜡、环氧树脂等。

在一个举例说明的实施例中，球体包括多达10个可以相对于观看区定位的不同的表面区域。具体地说，如图5所举例说明的，四面体的每一边沿着其长度由一点对分。如图所示，磁偶极子的两点(N，S)用号码1和7标示，而点(+，-)用3和5标示。正如举例说明的，点2基本上位于点N和+之间的中途。类似地，点4位于点+和-(分别用3和5标示)之间的中途，点6位于点-和S(分别用5和7标示)之间的中途，点8位于点S和N(分别用7和1标示)之间的中途，点9位于点S和+(分别用7和3标示)之间的中途，而点10位于点-和N(分别用5和1标示)之间的中途。

正如将要看到的，可以使10个单独的点进入给定的位置。这样按照本发明球体环绕给定点的表面区域可以设置给定的颜料，以产生多色球体。“染色的”的表面区域的实际尺寸可以随球体着色区域的数目和/或用来建立一个显示象素(或子象素)的球体个数而变。

不像先有技术那样，本发明的球体不限于围绕球体中心轴的单色的段。具体地说，球体表面上给定的经线范围具有不同的颜色，并且给定的经线范围内不同纬线范围具有不同的彩度。图6举例说明本发明的有代表性的球体50。球体几何限定了一组经线范围和一组对分的纬线范围。为了举例说明的目的，球体50的颜色从第一极52的白色到对面极54上的黑色分成等级，而同时围绕赤道有一个多色圆。每一种颜色或色彩处于给定的经线范围内，而每一种颜色在该经线范围的不同纬线范围内具有可变的彩度。这样，在举例说明的例子中，一个经线范围56包括浅红(北半球)、红(赤道上)和深红(南半球)。类似地，另一个经线范围58包括浅绿(北半球)、绿(赤道上)和深绿(南半球)。后侧(看不见)可以包括另一个经线范围，包含浅兰(北半球)、兰(赤道上)和深兰(南半球)。当然，这种着色方案只是举例说明而已，不应看作是一种限制。在指定的球体的制造过程中，可以用喷墨方法把一种指定的颜色涂在表面区域。或者，可以通过把一组球体中的每一个逼到给定位置、然后同时涂上颜色，来给这组球体着色。

图6的上述实施例并不意味着限制本发明。给定的球体表面部分可以是黑的；白的；无色(亦即，基本上透明而且无色)；一种透明色(例如，关于某种加色用途的透明红、透明兰或透明绿；关于某种减色用途的透明兰绿色、透明洋红或透明黄)；任意色调、彩度和亮度的不透明色；任何灰度，不论是不透明的还是透明的；等等。

图7是本发明有代表性的扭转球显示器。该显示器包括光透明体或基片60，其中球体支持在充满液体的空穴中。寻址阵列62在光透明体选定的部分施加电场和磁场，使得包含于其中的球体旋转，以提供显示。电源64驱动寻址阵列。若有必要，电源64可以受计算机66控制。各个球体用的相同或类似的弹性体材料可以用于光透明体，而板中充满液体的空穴用诸如硅油等绝缘液体塑化剂形成。最好每个空穴一个球体，并且寻址阵列的每一个交叉点控制一个球体。这不是对本发明的限制，因为阵列的给定交叉点中可以有多于一个球体。

图8举例说明用来把球体可旋转地定位在10个不同位置中的每一个的有代表性的寻址阵列。本专业的普通技术人员都会看到，采取一个下面将要描述的控制命令子集，相同的寻址阵列可以用来定位一个带有少于10种颜色的球体。

所述阵列包括第一、第二和第三导体网格70，72和74。第一导体网格70包括沿着第一方向在该光透明体的第一侧的伸展的一组第一导体xn，xn-1，...。正如将会看到的，每一个第一导体xn包括线圈部分76，用来产生磁场。线圈部分终结于端部78。第二导体网格72包括沿着第二方向(与第一方向垂直)在该光透明体的相对的(第二)侧伸的展一组第二导体ym，ym-1，...。第三导体网格74包括沿着第二方向在该光透明体的相对的(第二)侧伸展的一组第二导体y’m，y’m-1，...。正如可以看到的，第二和第三导体网格基本上是平行的。

如上所述，在该阵列的每一个交叉点上至少支持一个球体50。基本上如同所显示的，光透明体内的球体50最好位于第二和第三导体以上，并在包络线圈部分76范围内。也正如可以看到的，一对二极管80和82设置在该阵列中的每一个交叉点上。第一二极管80连接在线圈76的一端78和第二导体ym之间，第二二极管82连接在第三导体y’m和另一端78之间。正如将会看到的，设置这些二极管是用来控制由第一、第二和第三导体产生的电场和磁场，从而控制该球体的最终位置。尽管并不要求，但这些二极管被支撑在基片中其第一和第二侧之间。或者，阵列70和72处于光透明体的同一侧，在这种情况下，这些二极管不必通过光透明体。在后一种情况下，施加电荷力的阵列74仍旧处于相对的一侧。

寻址阵列对给定球体的旋转位置提供选择性的控制。作为简单的背景介绍，假定可以给该阵列中的给定导体施加电信号(不是正就是负)，或者不向给定导体施加信号。利用这三个导体，可以产生各种控制力。具体地说，用+表示施加正电压。用-表示施加负电压。用x就表示高阻抗，或不施加驱动电压。在第一、第二和第三电导体的阵列中，可以把一组4个力施加在给定球体上，如下：

力	xn	ym	y’m
				磁性N	+	-	x
磁性S	-	x	+
				静电+	-	+	x
静电-	+	x	-

利用第一和第二驱动步骤的组合，如图6所举例说明的，一个给定球体会被驱动到10个不同位置之一。大体表示如下：

		步骤1			步骤2
							取向至位置	xn	ym	y’m	xn	ym	y’m
1	+	-	x	x	x	x
							2	+	-	x	-	+	x
3	-	+	x	x	x	x
							4	-	+	x	+	x	-
5	+	x	-	x	x	x
							6	+	x	-	-	x	+
7	-	x	+	x	x	x
							8	-	x	+	+	-	x
9	-	x	+	-	+	x
							10	+	-	x	+	x	-

如上所述，上述步骤最好利用计算机完成。

本发明不限于所举例说明的10位置球体。有代表性的几何形状包括12位置球体(它可以把一个十二面体放入球体内实现)、20位置球体(它可以把一个二十面体放入球体内实现)等等。当要求更多的旋转位置时(采用这些比较复杂的几何形状的情况)，或者通过增加脉冲步骤，或者通过增加脉冲长度的间隔数(further granularity)来获得这些位置。

这样，按照本发明，球体既做成驻极体，又做成磁体。这使得可以施加电场和磁场的组合来确定球体的取向。利用在这里公开的可寻址阵列，通过对所施加的信号定时和控制其振幅，每一个球体可以以小于180度的增量来旋转。若有必要，可以提供附加的大充电信号(charge signal)来使球体停止旋转。按照所举例说明的实施例，利用阵列中每一个交叉点上的印刷线圈在每一个球体上施加磁场，但是，本专业的普通技术人员都会看到，可以用大的平面场来代替。若使用平面场，则当每一个球体在磁场旋转轴上适当取向时，可以对它们施加强电场。然后，减弱电场一段适当的时间，以便让球体绕电场旋转轴旋转。

与先有技术相比，本发明使得可以显示分辨率较高的彩色图像。另外，本专业的普通技术人员还会看到，通过对每一个彩色球体的旋转位置提供增强的控制，与先有技术复杂的制造技术相比，球体可以以简单得多的方式着色。如上所述，不必逐个安置单独的着色球体，而是可以把球体均匀地封装再一个平面上，然后在适当的位置上涂敷。

本发明有许多用途，其中许多在先有技术中已经描述过了。这样，除了刚性或固定的平板显示器或柔性显示薄片的用途外，透明扭转球显示装置可以用作电纸张，作为建筑屏(例如，作为电子窗帘或分隔板)或任何其它光调制用途。

这样描述了我的发明之后，在以下权利要求书中提出我想作为新的请求并且要求受到专利权保护的内容。

Claims (20)

1.一种可寻址显示装置，包括：

一个有许多支撑于其中的球体的光透明体；

其特征在于还包括：

寻址装置，用来把电场和磁场加在所述透明体的选定的部分上，以便通过旋转给定球体而确定其显示方向，该寻址装置包括电导体阵列，所述阵列中的每个交叉点与一个球体相联系，对于所述阵列中的每个交叉点，所述电导体包括：

第一导体，它沿着第一方向定位在所述光透明体的第一表面上，用来产生磁场；和

第二和第三导体，它们沿着与所述第一方向垂直的第二方向定位在所述光透明体的第二表面，用以产生电场。

2.如权利要求1所述的可寻址显示装置，其特征在于：所述给定的球体是多色的。

3.如权利要求2所述的可寻址显示装置，其特征在于：所述给定的球体在第一经线范围内是第一颜色，而在第二经线范围内是第二颜色。

4.如权利要求3所述的可寻址显示装置，其特征在于：所述第一颜色在第一纬线范围内具有第一彩度，而在第二纬线范围内具有第二彩度。

5.如权利要求1所述的可寻址显示装置，其特征在于，所述第一导体进一步包括一个线圈部分，用来产生磁场，所述线圈的一端连接到所述第二和第三导体中的每一个。

6.如权利要求1所述的可寻址显示装置，其特征在于：所述装置包括把所述线圈部分的一端连接到所述第二导体的第一二极管和把所述第三导体连接到所述线圈部分的一端的第二二极管。

7.如权利要求6所述的可寻址显示装置，其特征在于：把给定的正电压和给定的负电压加到所述第一、第二和第三导体中选择的一个上，以便产生用来确定所述给定球体的取向的电场和磁场。

8.一种光透明体，其特征在于：

它具有支撑于其中的给定位置的许多球体，其中每一个球体具有包括位于第一经线范围的第一颜色和位于第二经线范围的第二颜色的一组颜色。

9.如权利要求8所述的光透明体，其特征在于：给定的颜色的彩度在给定的经线范围内变化。

10.一种设备，其特征在于包括：

具有支撑于其中的给定位置的许多球体的光透明体，其中每一个球体具有一组位于不同经线范围的颜色，并且其中至少一个经线范围内的颜色具有彩度变化的一些区域；和

寻址装置，用来在所述透明体的选定部分施加电场和磁场，以便确定所述部分中所述各球体的取向，从而显示所述颜色中给定的一种，该寻址装置包括电导体阵列，所述阵列中的每个交叉点与球体相联系，在所述阵列中的每个交叉点上，所述电导体包括：

第一导体，它沿着第一方向定位在所述光透明体的第一表面上，用来产生磁场；以及

第二和第三导体，它们沿着与所述第一方向垂直的第二方向定位在所述光透明体的第二表面，用以产生电场。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一导体进一步包括一个线圈部分，用来产生磁场，所述线圈的一端连接到所述第二和第三导体中的每一个。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述装置包括把所述线圈部分的一端连接到所述第二导体的第一二极管和把所述第三导体连接到所述线圈部分的一端的第二二极管。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于：把给定的正电压和给定的负电压加在所述第一、第二和第三导体中选择的一个上，以便产生用来确定所述给定球体的取向的电场和磁场。

14.一种可寻址显示装置，其特征在于包括：

一个有许多支撑于其中的多色球体的光透明体，其中所述球体中的每一个具有用于提供电偶极矩的各向异性和用于提供磁偶极矩的各向异性；以及

一种装置，用来选择性地产生电场和磁场，以便使给定的球体旋转至所述电偶极矩与所述电场成一直线，并且所述磁偶极矩与所述磁场成一直线的取向。

15.一种球体，其特征在于包括：

形成所述球体并具有电偶极子和磁偶极子的材料；以及

定位在所述球体表面的至少一个着色区域。

16.如权利要求15所述的球体，其特征在于：所述着色区域位于所述球体的给定经线范围内。

17.如权利要求16所述的球体，其特征在于：所述着色区域在给定经线范围内具有彩度变化的一些区域。

18.如权利要求17所述的球体，其特征在于：每一个彩度变化的区域位于给定的纬线范围内。

19.如权利要求15所述的球体，其特征在于：所述球体的给定极是白色的。

20.如权利要求19所述的球体，其特征在于：所述球体的与所述给定极正相对的极是黑色的。

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