CN1612015A - 反射型显示器件 - Google Patents

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Abstract

反射型显示器包括回射层和调制层，该调制层比回射层更接近观察者，并在具有相互不同光学特性的第一和第二状态之间转换。回射层包括单位元件的二维排列，所述单位元件以最多250μm的间距排列。回射层具有至少45％的回射率Rr。所述回射率被定义为，从回射层反射、然后被回射率测量系统在7.5度的圆锥角处接收的光强度与从电介质反射镜反射、然后被相同的回射率测量系统接收的光强度之比。

Description

反射型显示器件
发明背景
1.发明领域：
本发明涉及一种包括回射器的反射型显示器件以及评价该回射器的方法。
2.相关技术的描述：
业已针对带有回射器的反射型液晶显示器件提出了各种结构(例如参见公开号为No.2002-107519的日本待审专利、日本专利No.3216584，以及公开号为No.2002-287134的日本待审专利)。这些反射型液晶显示器件的每一个都没有使用偏振器，因此可以执行亮度增加的显示操作，且还希望获得较高对比度的显示。如本文所使用的，“回射器”(retroreflector)是指这样一种光学元件：其具有极小单位元件的二维排列，从而通过其多个反射面将任何入射光线反射回光源，而不管光线来自哪里。
图19显示出在公开号为No.2002-107519的日本待审专利中披露的带有回射器的反射型显示器件的典型结构。
图19中示出的反射型显示器件9包括电极4、取向膜2、液晶层1、另一取向膜3、另一电极5和回射器8，它们按该顺序(观察者从显示器件之上观察)层叠在两基板6和7之间。液晶层1由散射型液晶材料构成，该液晶材料能在传输入射光的透射态与散射入射光的散射态之间转换。
之后，将描述反射型显示器件9在理论上是如何执行显示操作的。
首先，当液晶层1处于透射态时，来自观察者眼睛附近的入射光线10在折射的同时通过基板6和液晶层1传输，入射到回射器8上，然后从回射器8反射回来作为反射光线11。反射光线11在经历类似的折射后返回到观察者眼睛的附近。同时，来自除观察者眼睛附近之外其它地方的任何入射光线被回射器8回射回光源，不会到达观察者眼睛的附近。结果，只有来自观察者眼睛附近的入射光线10才被他或她感知，由此获得了黑色显示状态。接下来，当液晶层1处于散射态时，进入液晶层1的光或者被液晶层1向后散射或向前散射，或者通过液晶层1传输。向后散射的光返回到观察者，由此用于白色显示模式。另一方面，被液晶层1向前散射或通过液晶层1传输的光线被回射器8回射，然后再次进入散射态的液晶层1，以经历液晶层1的散射作用。因此，大部分被回射器8回射的光返回到观察者并用于获得白色显示模式。这样，不仅被液晶层1向后散射的光，而且通过液晶层1传输的光或被液晶层1向前散射的光也可以用于显示目的。因此，获得高亮度的显示。
为了按照该原理操作反射型显示器件9，回射器8的单位元件的排列间距需要大约等于、优选小于像素间距。如果单位元件的排列间距大于像素间距，则通过液晶层1的像素传输、然后被回射器8回射的入射光线10可在回路上穿过液晶层1的另一个像素。在那种情形中，显示可能表现出异常状态。例如，在到达回射器8之前已经穿过红色滤色器的入射光线在其回路上可穿过绿色或蓝色滤色器，因此可能意外地导致混色。
反射型显示器件9的显示性能严重依赖于回射器8的回射特性。在其它情况中，在许多情形下黑色显示模式的亮度基本上由回射器8的回射率来确定。也就是说，回射器8的回射特性越高，白色显示模式与黑色显示模式的亮度(或辉度)比(即对比度)越大，且实现的显示质量越高。
因此，对于带有回射器的反射型显示器件，如反射型显示器件9来说，为了获得出色的显示性能，其回射器8需要是一种这样的反射器：即，其包括具有足够小的排列间距的单位元件，且具有高回射特性。
用作回射器8的反射器的例子包括通过浓密组装球形小珠而获得的反射器和通过均匀排列单位元件(例如隅角棱镜)而获得的反射器。在这些各种类型的反射器中，一般认为带有隅角棱镜排列的反射器(经常称作“隅角棱镜反射器”)可以获得最大可能的回射特性。另一方面，在浓密组装有小珠的反射器中，不管这些小珠多么浓密地组装，在小珠之间不可避免地会产生间隙，这种间隙对于回射没有作用。例如，在最浓密地二维组装有相同直径小珠的反射器中，这些非回射部分的总面积(即间隙)与全部表面积的百分比估计达到每单位面积稍小于10％(如9.3％)之高。同时，在各种回射器中被称作“隅角棱镜反射器”、排列有三角形锥体凹入部分的反射器中，非回射部分的总面积与全部表面积的百分比估计每单位面积为大约30％。可以看出，在这些通过浓密组装小珠或排列三角形锥体凹入部分而获得的反射器中，非回射部分与全部表面积的百分比太高，而不能获得足够高的回射率。另一方面，在各种隅角棱镜反射器中的方形隅角棱镜反射器(即带有方形隅角棱镜阵列的反射器，其通过均匀排列多个单位元件而获得，称作“方形棱镜角”，每个都由彼此垂直相对的三个方形平面组成)中，在平面图中，那些非回射部分的百分比理论上说为0。因此，这种方形隅角棱镜反射器期望可以获得足够高的回射特性。如本文所使用的，“隅角棱镜”或“方形隅角棱镜”包括具有基本上为隅角棱镜形状或基本上为方形隅角棱镜形状的结构。更确切的说，方形隅角棱镜是具有至少三组山线(mountainline)和谷线(valley line)的结构。
鉴于这些考虑，如果方形隅角棱镜反射器用作回射器8，则理论上说应当可以获得高回射特性，并能实现高质量的显示。
然而，事实上，以这样小的排列间距(如250μm或更小)制造方形隅角棱镜反射器是极其困难的。上面提到的引用文献(即公开号为2002-107519的日本待审专利、日本专利号3216584和公开号为2002-287134的日本待审专利)没有提供以那样小的排列间距制造方形隅角棱镜反射器的具体方法。同时，其它机械制造方形隅角棱镜的常规方法，如电镀方法和销捆扎方法(pin bundlingmethod)不适合以那样小的排列间距制造方形隅角棱镜反射器。
同时，公开号为7-205322的日本待审专利披露了一种通过光化学技术制造方形隅角棱镜阵列的方法。在该方法中，用具有多个等边三角形透明区域的掩模将光致抗蚀剂膜构图。该掩模的每个透明区域都具有可变的透射率，其从透明区域中心向外围逐渐减小。通过用这样的掩模执行曝光和显影过程，在基板上形成许多个三角形锥体光致抗蚀剂图案元件。然后，利用预定技术蚀刻部分地被那些光致抗蚀剂图案元件覆盖的基板，以具有与光致抗蚀剂图案元件相同形状的多个突出部。如此可以在基板上形成隅角棱镜阵列。
此外，在应用光学，卷35，号19，页数3466-3470的“通过选择性外延生长的(100)硅平面形成的用于光栅的精密晶体隅角棱镜阵列”(“PrecisionCrystal Corner Cube Arrays for Optical Grattings Formed by(100)Silicon PlanesWith Selective Epitaxial Growth”，Applied Optics Vol.35，No.19，pp.3466-3470)中描述了一种形成非常小尺寸、由三个彼此垂直相对的方形平面构成的立方体隅角棱镜的技术。根据该技术，在硅基板的(111)平面上局部设置用于控制晶体生长的氧化膜，以使晶体在基板上外延生长，由此在其上形成非常小尺寸的隅角棱镜阵列。
因此，根据公开号为7-205322的日本待审专利或应用光学卷35，号19，页数3466-3470中披露了非机械方法，可以以很小的排列尺寸形成方形隅角棱镜反射器，但制造具有足够高回射特性的方形隅角棱镜仍然很困难。
原因是方形隅角棱镜的回射特性严重依赖于组成一个单位元件(即单个方形隅角棱镜)的三个方形平面中每个的形状精度、每个这些平面的平面率(即每个平面的角精度)或两相邻平面间接合部的精度，在本文将这些全部称作“形状精度”。根据上面提到的非机械方法，很难制造几乎理想形状的方形隅角棱镜，因此，实际回射特性从其理论的特性显著恶化。
尤其是，对于通过公开号为7-205322的日本待审专利中披露的光化学方法获得的方形隅角棱镜，很难确保高平面精度(即平面率)。在该方法中，方形隅角棱镜每个侧面的平面精度依赖于基板上的三角形锥体光致抗蚀剂图案元件的平面精度。然而，为了提高光致抗蚀剂图案元件的平面精度，应当通过例如使掩模常数的透射率或非透射率变化来足够严格地控制曝光和显影光致抗蚀剂层的过程步骤。可是实际上这种严格的过程控制是很难实现的。
此外，根据在应用光学卷35，号19，页数3466-3470中披露的利用硅选择性生长的方法，很难控制晶体的侧面生长。还有，沉积在硅基板上以确定方形隅角棱镜图案的二氧化硅膜和层叠在其上的膜同样在其端面明显变形。因此通过这种方法也不容易制造预期形状的方形隅角棱镜阵列。
因此，很难以高精确度制造由以充分小间距(例如250μm或更小)排列的单位元件组成的方形隅角棱镜阵列。尤其是，单位元件的排列间距越小，方形隅角棱镜阵列的形状精度就越低，从而使最终的回射特性不满意。因此，当使用包括常规方形隅角棱镜阵列的回射器8来构成反射型显示器件时，黑色显示模式质量急剧恶化。结果，不能获得所期望的显示性能(如对比度)。
同时，公开号为2002-107519的日本待审专利披露了一种通过为回射器8的每个单位元件设置光吸收表面部分来改善黑色显示模式质量、并最终提高显示性能的结构。在这种结构中，对比度显著提高，同时回射器的回射率保持较低(如40％或更小)。因此，实现了高质量显示。
然而，当采用公开号为2002-107519的日本待审专利的结构时，需要为每个非常小尺寸的单位元件设置光吸收表面部分，从而使制造步骤过于复杂。更糟糕的是，回射器的回射特性稍微恶化，从而不能提高白色显示模式的质量。由于该原因，该结构仅仅能将对比度提高到有限程度。
发明概述
为了克服上述问题，本发明的优选实施方案提供了一种具有回射器的反射型显示器件，其获得了出色的显示性能。
依照本发明优选实施方案的反射型显示器件，优选包括：回射层；和调制层，其比回射层更接近观察者，并在具有相互不同光学特性的第一和第二状态之间转换。回射层优选包括单位元件的二维排列，所述单位元件以最多250μm的间距排列。回射层优选具有至少45％的回射率Rr。所述回射率优选地被定义为，从回射层反射、然后被回射率测量系统在7.5度的圆锥角处接收的光强度与从电介质反射镜反射、然后被相同回射率测量系统接收的光强度之比。
在本发明的一个优选实施方案中，回射层优选具有60％或更高的回射率Rr。
在另一个优选实施方案中，单位元件优选为方形隅角棱镜。
在再一个优选实施方案中，单位元件优选具有20μm或更小的排列间距。
在又一个优选实施方案中，单位元件优选具有至少100nm的排列间距，更优选具有500nm或更大的排列间距。
在又一个优选实施方案中，所述第一状态为调制层透射入射光的透射态，而第二状态为调制层散射入射光的散射态。在该情形中，当调制层在透射态时，所述显示器件优选进入黑色显示模式，当调制层在散射态时，所述显示器件优选进入白色显示模式。
在该特别优选的实施方案中，由将光的接收角度设为3度的亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度与也由相同亮度测量系统测量的黑色显示模式的亮度之比，优选为5或更大。更优选地，由将光的接收角度设为3度的亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度与也由相同亮度测量系统测量的黑色显示模式的亮度之比，为10或更大。
在再一个优选实施方案中，如果由亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度随回射器的回射率Rr变化，则调制层优选由当回射器的回射率Rr升高时能增加白色显示模式亮度的液晶材料制成。
依照本发明优选实施方案的评价方法是，评价具有单位元件二维排列的回射器的回射率的方法，所述单位元件以最多250μm的间距排列。所述方法优选包括下述步骤：(a)通过物镜将具有预定会聚角度的光会聚到回射器上；(b)通过物镜得到已经被会聚、然后从回射器反射的光；(c)测量从回射器反射的接收光的强度I1；(d)通过物镜使光垂直入射到电介质反射镜上；(e)通过物镜得到已经入射到电介质反射镜上、然后从电介质反射镜反射的光；(f)测量从电介质反射镜反射的接收光的强度Ir；和(g)确定步骤(c)中测量的强度I1与步骤(f)中测量的强度Ir的I1/Ir比率是否为45％或更大。
在本发明的一个优选实施方案中，所述预定会聚角优选为20度或更小。
在另一个优选实施方案中，步骤(a)优选包括通过会聚所述光而在回射器上形成光点的步骤，所述光点的直径优选至少为单位元件排列间距的三倍大。
在该特别优选的实施方案中，单位元件优选为方形隅角棱镜。
依照上述本发明的各种优选实施方案，具有回射器的反射型显示器件的显示性能在黑色和白色显示模式质量及对比度方面提高了。
本发明的优选实施方案还提供了一种容易评价回射器的回射特性的高度可靠方法。通过按该方法调整所测量的回射器的回射率，能够控制包括回射器的反射型显示器件的显示性能。
本发明的其它特征、元件、过程、步骤、特性和优点将从下面参照附图的本发明优选实施方案的详细描述中变得显而易见。
附图简述
图1显示出依照本发明优选实施方案的用于回射特性评价系统的结构。
图2显示出在本发明优选实施方案中使用的测量显示亮度(或辉度)的系统的结构。
图3是表明显示亮度是如何随着回射率Rr改变的图表。
图4是依照本发明第一个优选实施方案的显示器件的横截面图。
图5A到5I是描述制造依照本发明第一个优选实施方案的回射器的各个过程步骤的平面图。
图6A到6I分别是通过图5A到5I中所示过程步骤获得的结构的横截面图。
图7A和7B分别是方形隅角棱镜阵列的一部分的平面图和透视图。
图8是在依照本发明第一个优选实施方案的回射器制造方法中使用的照相掩模的平面图。
图9是表明在依照第一个优选实施方案的回射器制造方法中如何定义固体形状(solid shape)元件的示意性横截面图。
图10是依照本发明第二个特定优选实施方案的显示器件的横截面图。
图11是依照本发明第三个特定优选实施方案的显示器件的横截面图。
图12是第三个优选实施方案的显示器件结构的平面图。
图13A，13B和13C是示意性图解方形隅角棱镜阵列的典型结构的放大横截面图。
图14A和14B是显示制造依照本发明第四个特定优选实施方案的回射器的过程步骤的横截面图。
图15A是沿图7A中平面XV-XV观察的、图7A中所示方形隅角棱镜阵列的横截面图。
图15B是沿组成凹部49b的平面之一观察的、图7A中所示方形隅角棱镜阵列的凹部49b的平面图。
图16A到16C显示出在依照第四个优选实施方案的回射器制造方法中的转移过程步骤。
图17A和17B是用于评价依照第四个优选实施方案的回射器回射特性的样品反射器D1和D2的横截面图。
图18是显示回射率Rr如何随H/p比率变化的图表。
图19是带有回射器的常规反射型显示器件结构的横截面图。
优选实施方案的详细描述
如上所述，带有回射器的反射型显示器件的显示性能严重依赖于回射器的回射特性。然而，仍没有建立评价回射器回射特性的高度可靠方法。因此，在数量上理解回射器的回射特性与最终的显示性能(如显示亮度和对比度)之间的关系是很困难的。在其它情况中，几乎没有文献曾经确切提到过如何评价用于个人计算机或移动通讯单元(如便携式电话或PDA)显示的回射器特性，以及回射器的回射特性该多好才能实现真实显示。
因此本发明人认真研究，并最终提出了令人信服的评价回射器回射特性的最好方法，其包括判断回射器特性对于合理长期的使用是否足够好。通过使用该评价方法，我们还可以精确分析这种回射器特性如何有益影响包含回射器的反射型显示器件的显示性能。结果，我们发现带有回射器的反射型显示器件的显示质量通过调整回射器的回射率是可控制的。
之后，将参照附图来描述评价依照本发明优选实施方案的回射器回射特性的方法。
评价回射特性的方法
依照本发明，回射器的回射特性通过测量其回射率来评价。回射率可以用如图1中所示的评价系统200来测量，其具有与入射显微镜基本相同的结构。
评价系统200包括其上固定有样品回射器20的台19、物镜21(例如具有7.5度的会聚角)、发射白光的光源24、半透射半反射镜22和光电探测器23。物镜21、半透射半反射镜22和光电探测器23垂直于台19排列。半透射半反射镜22如此排列：即，从光源24发射的光被半透射半反射镜22反射，并垂直入射到固定在台19上的样品回射器20中。在物镜21之上给光电探测器23提供光，以接收从样品回射器20垂直反射、然后通过物镜21传播的光。
之后，将描述如何用该评价系统200测量回射率Rr。
首先，准备好要评价的样品回射器20。样品回射器20具有二维排列有大量单位元件(如隅角棱镜)的结构。
接下来，该样品回射器20固定在台19上。随后，从光源24发射的光从半透射半反射镜22反射，然后通过具有7.5度会聚角的物镜21垂直入射到样品回射器20上。在该情形中，在样品回射器20上由入射光形成了光点25(例如具有1mm的直径D)。然后入射光被样品回射器20反射。在该反射光中，基本垂直反射的部分通过物镜21被光电探测器23接收。结果，测量了基本垂直反射的光的强度I1。
应当注意到，从样品回射器20反射的光需要包括回射光。如本文所使用的，“回射光”指这样的反射光：即，其相对于入射光的矢量来说具有负矢量，并通过被组成样品回射器20的单个单位元件的多个平面中的至少两个平面反射获得进入样品回射器20的光，而产生。
接着，准备电介质反射镜(dielectric mirror)作为参考，并代替样品回射器20放置在评价系统200的台19上。随后，如在样品回射器20中一样，从光源24发射的光从半透射半反射镜22反射，然后通过物镜21垂直入射到电介质反射镜上。被电介质反射镜基本垂直反射的光通过物镜21被光电探测器23接收。结果，测量了基本垂直反射的光的强度Ir。
其后，计算I1/Ir比率，即由样品回射器20反射的光强度I1与由电介质反射镜反射的光强度Ir之比。该I1/Ir比率(％)在本文称作样品回射器20的回射率Rr。
在该优选实施方案的评价方法中，首先测量从样品回射器20反射的光强度I1，然后测量从电介质反射镜反射的光强度Ir。或者是，可以首先测量强度Ir。
假定该评价方法用于评价在尤其个人使用的显示面板中使用的回射器。这种回射器具有一排列间距，其例如大约等于或小于显示面板的像素间距。因此，通过该评价方法被评价的样品回射器20优选具有至多250μm的排列间距，更优选20μm或更小。
为了用该评价系统获得更可靠的评价，由光源24的发射光线形成在样品回射器20上的光点25的直径D优选如此控制：即，该直径至少等于样品回射器20的单位元件的排列间距。这是因为如果光点直径D小于单位元件的排列间距，则测量的回射率Rr将根据样品回射器20上的光点25的具体位置变化很大。例如，如果光点25形成在单位元件的中心，则测量的回射率Rr将会很高。另一方面，如果光点25围绕单位元件的四周(即围绕两相邻单位元件的接合部)形成，则回射光不可能进入光电探测器23，测量的回射率Rr将会下降。在该情形中，将很难精确评价样品回射器20的回射特性。更优选地，光点25的直径D至少是排列间距的三倍大。在该情形中，测量的回射率Rr将被光点25的具体位置或单位元件之间的回射特性变化影响，从而达到更小。因此，可以以更大的可靠性进行所述评价。光点25的直径D更优选是排列间距的十倍大。
物镜21的会聚角不必为7.5度，而是可以适当控制，以形成上述优选尺寸的光点25。然而，物镜21的会聚角优选不大于20度。这是因为如果会聚角超过20度，则形成在样品回射器20上的光点25将其尺寸减小得过大。在该情形中，测量的回射率Rr将根据光点25的具体位置显著变化。另外，甚至非回射的返回光(如从组成一个方形隅角棱镜的三个平面偏离的散射光)可能意外地被会聚。
该评价方法不能有效用于评价由大尺寸单位元件组成的回射器(例如，在交通标志中使用的回射器)，因为在该情形中，很难形成上述适当尺寸的光点25。然而，如果可利用特定大尺寸的物镜21来应付光点25的这样大的直径D，则该评价方法也是有效的。
评价显示性能的方法
之后，将描述评价包括本发明所采用的回射器的显示器件的显示性能的方法。
显示性能用例如图2所示的测量系统201来评价。如图2所示，测量系统201包括测量台34、光电探测器33和投射器36。台34如此布置：即其上表面(即测量平面)水平放置。投射器36产生半球状的投射空间(例如具有8cm的半径)，其相对于测量台34上的测量平面的中心被确定。投射器36还具有光传输平面31(例如具有1cm的直径)，其被定义在测量平面中心的正上方。光电探测器33设置在投射器36的光传输平面31之上。
接下来将要描述如何用该测量系统201评价显示性能。
首先，准备样品器件30。样品器件30可以是例如包括回射器和液晶层的显示器件。液晶层可以由在散射态和光透射态之间转换的液晶材料制成。将在以后描述样品器件30的具体结构和制造方法。
接着，测量样品器件30在白色显示模式中的亮度(或辉度)。将其液晶层转为散射态，然后将样品器件30放在测量台34上。投射器36投射的光以除光传输平面31以外从半球的每个方向都具有相同亮度的方式到达半球的中心(即测量平面的中心)。在从样品器件30反射的光线中，穿过光传输平面31的光线被放置在投射器36之上的光电探测器33接收。在该例子中，光电探测器33假定接收3度的光线。然而，光接收角度不必为3度。这样可以测量由光电探测器33接收的光的强度Iw。
另外，全散射反射器作为参考代替样品器件30被放在该测量系统201中，并测量从全散射反射器反射、然后在光电探测器33处被接收的光线的强度Ir2。
当使用参考时，样品显示器件30在白色显示模式中的亮度作为光强度Iw与光强度Ir2之比(Iw/Ir2)(％)获得。
接下来，测量样品显示器件30在黑色显示模式中的亮度。样品器件30的液晶层转为光透射态，然后光如上所述以各个方向从投射器36投向样品显示器件30。如果入射光全部被样品器件30回射，则回射的光不会穿过光传输平面30。然而实际上，入射光的一部分不会被样品器件30回射，而是向前反射，穿过光传输平面31，然后被光电探测器33接收。此时测量由光电探测器33接收的光的强度Ib。
当使用参考时，样品显示器件30在黑色显示模式中的亮度也作为光强度Ib与光强度Ir2之比(Ib/Ir2)(％)获得。
基于以这种方式获得的黑色和白色显示模式的亮度，样品显示器件30的对比度作为白色显示模式Iw的亮度与黑色显示模式Ib的亮度之比(Iw/Ib)获得。
显示性能如何随回射率Rr变化
本发明人依照评价回射器回射特性的方法和评价显示器件显示性能的方法而进行了实验，从而知道具有回射器的显示器件的显示性能如何随回射器的回射率Rr变化。具体地说，以下列方式实施所述实验。
对于这些实验，使用许多具有不同形状精度(shape precision)角的样品回射器。首先，这些样品回射器的回射率Rr用图1中所示的评价系统200来测量。
接着，在每个样品回射器的表面上配备透明层(即由日立化学株式会社制造的CR440)，最终组件用作样品器件，其黑色显示模式的亮度用图2中所示的测量系统201测量。或者是，黑色显示模式的亮度可以用透明基板(如放置在样品反射器上的玻璃片或膜)来测量，或用样品回射器与透明基板之间填充有树脂的间隙来测量，所述树脂的折射率大约等于透明基板的折射率。任选地，为了方便起见，该亮度也可以用样品回射器自身来测量。
随后，在样品回射器上配备各种类型的散射层，由此获得许多样品器件。每个这些样品器件在其白色显示模式中的亮度用图2所示的测量系统来测量。各种类型的散射膜或散射液晶单元可以用作散射层。此外，对比度是作为白色显示模式中的亮度与黑色显示模式中的亮度之比来计算的。
结果获得了如图3所示的回射率Rr和显示性能之间的关系。从图3所示的结果可以看出，回射率Rr越高，黑色显示模式的亮度就越低(即黑色显示模式的质量越高)。此外，尽管根据散射层的类型而有一些变化，但回射率Rr越高，白色显示模式的亮度就越高(即白色显示模式的质量越高)。因此，对比度随着回射率Rr增大而陡峭增大。
更具体地说，如果回射率Rr为20％或更低，则黑色显示模式比白色显示模式亮，且对比度小于1。因此显示操作不会正常进行。然而，如果回射率Rr为45％或更大，则对比度为3或更大。因而，根据预期的应用可以实现任何实用的显示器件。例如，如果回射率Rr为55％或更大，则对比度不小于5。5或更大的对比度对于在信息显示终端主要显现图表、制表等是很足够的。实际上，实际报纸的对比度大约为5。然而，为了显现生动图画质量的视频，对比度优选最少约为10。为了获得10或更大的对比度，回射率Rr需要至少为65％。如果回射率Rr超过70％，则对比度为20或更大，因而实现了高质量显示，其使正常的TV图画非常舒适。应当注意到，回射率Rr和对比度的这些值只是例子，其可以在现实的较宽范围内。
这样，本发明人成功地了解到回射率Rr和显示性能之间在数量上的关系。
不过，还应当注意到，实际上真实的显示器件具有比用于测量的样品器件更加复杂的结构。具体地说，实际的显示器件不仅包括能从光透射态转换到散射态或反之亦然的层，而且还包括彩色滤色器、透明电极、TFT等等。因而，真实显示器件的显示性能与图3所示的不一样。
之后，将描述依照本发明各种优选实施方案的显示器件的结构。本发明人还评价了每个优选实施方案的显示器件的回射特性，并评价了其显示性能，也将描述该评价的结果。
实施方案1
之后，将描述依照本发明第一个具体优选实施方案的反射型显示器件。
首先，将参照图4描述依照本发明该优选实施方案的显示器件103的结构。显示器件103包括回射器48和液晶单元40，其中所述液晶单元设置得比回射器48更接近观察者。
液晶单元40包括彼此面对的一对透明基板41和42及插入基板41和42之间的液晶层47。透明基板41和42由透明材料例如玻璃或聚合体膜制成。在靠近观察者设置的透明基板41的表面上，按该顺序层叠有透明电极43和取向膜45，以使其面对液晶层47。在另一个透明基板42的表面上，按该顺序层叠有透明电极44和取向膜46，以使其也面对液晶层47。液晶层47由任何液晶材料构成，只要层47能够在具有相互不同光学特性的两个态(即，散射态和透射态)之间转换。这两个态由外部刺激例如外加电压转换。液晶层47的材料可以是高分子量或低分子量散射液晶材料。在该优选实施方案中，液晶层47由反相型散射液晶材料(即没有电压施加时为透明的，而施加电压时为散射的)构成，在其聚合体结构中具有液晶骨架(即内消旋配合基)。应当注意到，液晶单元40可以用包含调制层(其不必是液晶层)的调节器代替，所述调制层能在不同光学特性的两态之间转换。
回射器48包括方形隅角棱镜阵列49和沉积在隅角棱镜阵列49表面上的金属层50。金属层50由具有高反射率的金属制成。金属层50的金属反射率越高，则回射器的回射率Rr就越高。在该优选实施方案中，考虑到其实际结构，金属层50优选由银制成，因为在各种容易得到的金属中，银具有相对高的金属反射率。
将参照图7A和7B描述方形隅角棱镜阵列49的理想形状。方形隅角棱镜阵列49具有下述结构：其中多个方形隅角棱镜单位元件49U排列为阵列，每个方形隅角棱镜单位元件都由三个平面S1、S2和S3构成，这些平面由生长晶体平面的{100}族定义而成。所述组成一个单位元件49U的三个平面S1、S2和S3是彼此垂直相对的三个基本上为方形的平面。另外，以这种方式获得的方形隅角棱镜阵列49具有由凸起部49a(每个凸起部都包括顶点97)和凹陷部49b(每个凹陷部都包括底点98)组合而成的立体形状(solid shape)。当从方形隅角棱镜阵列49之上观察时，每个方形隅角棱镜单位元件49U具有由顶点97和鞍点99或底点98和鞍点99构成的直角六边形的形状。方形隅角棱镜单位元件49U的排列间距优选比显示器件的像素间距小的多，并且在该优选实施方案中为10μm。
显示器件103例如通过下列方法制作。
首先，将描述制作液晶单元40的方法。通过公知的技术将透明电极43，44(例如由ITO制成)和取向膜45，46按该顺序层叠在每个透明基板41和42上。然后，透明基板41和42彼此相对，以使取向膜45和46在内部彼此面对，将液晶材料注入到基板41和42之间的间隙中，由此形成具有例如10μm厚度的液晶层47。液晶材料可以是上面提到的反相散射型液晶材料，其通过例如将低分子量液晶材料、4％的具有内消旋配合基的单丙烯酸酯、2％的具有内消旋配合基的二丙烯酸酯和1％的反应引发剂的混合物暴露到紫外线(具有1mW/cm2的强度)中20分钟，而获得。液晶材料的组分和固化条件并不限于这些组分和条件。液晶材料也不必为反相型，还可以是在其聚合体结构中不包括液晶骨架的常规散射型液晶材料(在没有电压施加时为散射的，在施加电压时为透明的)。
之后，将参照图5A到5I和6A到6I来描述制造回射器48的方形隅角棱镜阵列49的方法。图5A到5I是各个过程步骤中基板的平面图。图6A到6I是当在图5I中所示的平面VI-VI上观察时，示意性地显示各个过程步骤中的基板表面部分的横截面图。
在该优选实施方案中，使用立方体的单晶基板(即由具有闪锌矿结构的GaAs晶体构成的结构)，通过湿蚀刻过程将具有预定图案的立体形状元件定义在基板上，然后晶体在基板上各项异性地生长，由此制成图7A和7B中所示的方形隅角棱镜阵列49。
首先，如图5A所示来准备由具有闪锌矿结构的GaAs晶体构成的基板61。基板61的表面大致平行于{111}B平面，且优选如图6A所示是镜面抛光的。
接着，如图5B和6B所示，基板61的表面用具有大约1μm厚的正光致抗蚀剂层旋涂。光致抗蚀剂层可以例如由OFPR-800(由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)制成。随后，在光致抗蚀剂层在大约100℃预烘焙30分钟后，在光致抗蚀剂层上布置照相掩模，以通过掩模将光致抗蚀剂层暴露到辐射中。
在该优选实施方案中，可以使用例如图8中所示的照相掩模65。如图8所示，在该照相掩模65中，等边三角形不透明区域65a和反相的等边三角形透射区域65b在由三角形的三个侧边定义的三个方向的每一个上都交替排列。照相掩模65如此布置在基板61上：即表示不透明区域65a的每个等边三角形图案元件的三个侧边之一平行于GaAs晶体的<01-1>方向。应当注意到，方向指数之前的负号在这里指方向指数为负的。在该优选实施方案中，表示不透明区域65a的每个等边三角形图案元件的每个侧边都具有大约10μm的长度。
此后，曝光的光致抗蚀剂层用例如显影剂NMD-32.38％(由Tokyo OhkaKogyo Co.，Ltd.制造)显影，由此形成了如图5B和6B所示的基板61上的光致抗蚀剂图案62。通过使用如图8所示的照相掩模65所定义的光致抗蚀剂图案62如此排列在基板61上：即每个等边三角形图案元件(即不透明区域65a)的一个侧边都平行于GaAs晶体的<01-1>方向。换句话说，光致抗蚀剂图案62如此排列：即其每个等边三角形图案元件的三个侧边平行于GaAa晶体的{100}平面。
在该优选实施方案中，可以根据光致抗蚀剂图案62的排列间距来控制将要形成的隅角棱镜的尺寸。更具体地说，隅角棱镜的排列间距大约等于光致抗蚀剂图案62的掩模元件的间距P0。在该优选实施方案中，间距P0优选大约为10μm。
应当注意到，蚀刻掩模层的图案不限于图5B所示的，而可以是任何各种其它图案。然而，为了以预期的形状形成隅角棱镜，在蚀刻掩模层中的光致抗蚀剂图案62的每个掩模元件的预定点(例如中点)优选位于蜂巢格子点处。如本文所使用的，当预定的平面与完全相同形状的六边形以其间没有剩余间隙的方式紧密捆扎在一起时，“蜂巢格子点”是指各个直角六边形的至高点和中部的点。“蜂巢格子点”还对应于在预定平面中定义的第一和第二组平行线的交叉点。在该情形中，当第一组平行线在第一方向上延伸并以规则的间隔彼此隔开时，第二组平行线就在相对于第一组平行线定义有60度角的第二方向上延伸，并以与第一组平行线相同的规则间隔彼此隔开。另外，蚀刻掩模层的每个蚀刻元件优选具有平面形状，该平面形状围绕三个折叠旋转轴(three-fold rotationaxis)对称(例如三角形或六边形)。
接着，如图5C和6C所示，在用磁性搅拌器搅拌蚀刻剂的同时湿蚀刻基板61。在该优选实施方案中，湿蚀刻过程可以利用NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7的混合物作为蚀刻剂在大约20℃的温度时执行60秒
在该蚀刻过程中，包括(100)、(010)和(001)平面的GaAs晶体的{100}平面比其它结晶学平面不容易蚀刻。因而，蚀刻过程各项异性地进行，以暴露{100}平面。然而，在该蚀刻过程中，由一个{111}B平面定义的开口的蚀刻深度d1和由一个{100}平面定义的相同开口的蚀刻深度d2满足图9中所示的关系。
结果，当形成顶点63a时，就完成了包含底部(即平坦部)63b的立体形状元件63。这样，在该优选实施方案中，形成了作为如图5C和6C中所示的基板61的表面上的立体形状元件的多个凸起部63，每个凸起部在其相关的掩模元件62的下面都具有顶点。
每个凸起部63优选都具有三角锥的形状，其由三个直角等边三角形平面构成，所述三个直角等边三角形由彼此垂直相对的三个{100}平面确定。也就是说，每个凸起部63都具有对应于一个立方角的三角锥形状。另外，这些凸起部63如此排列，即它们的顶点位于蜂巢格子点上，以致它们具有与抗蚀剂图案62的掩模元件的间距P0(例如在该优选实施方案中为10μm)大致相等的排列间距。
应当注意到，由湿蚀刻过程产生的不均匀度随着蚀刻条件例如采用的蚀刻剂的类型或蚀刻时间而改变。例如，如果蚀刻速率比率R{111}B/R{100}相对较高(例如大约为1.8或更大)，则与图4中所示的优选实施方案相比，最终的平坦部63b具有一个减小的面积。另外，排列的立体形状元件不必是如上所述的多个凸起部，还可以是多个凹陷部或凹陷部与凸起部的组合。因而，在本发明各种优选实施方案中，排列在基板上的立体形状元件不一定是这种三角锥凸起部，而是可以具有任何其它的立体形状。然而，无论如何，这些立体形状元件优选如此排列，即它们的顶点位于蜂巢格子点上。
随后，用有机溶剂诸如丙酮超声波清洗基板61，其中由于上述各项异性蚀刻过程的结果，三角锥凸起部63在基板61上定义了预定图案，从而从基板61上去除残留的不必要的抗蚀剂图案62，如图5D和6D所示。
之后，通过使用气相沉积系统在基板上的立体形状元件上完成各项异性晶体生长过程。该气相沉积系统可以是任何通过外延生长过程例如气相外延(VPE)过程、分子束外延(MBE)过程或金属有机气相外延(MOVPE)过程而用于沉积薄膜的各种公知系统。将三甲基镓(Ga(CH3)3)和砷化三氢(AsH3)气体引入该气相沉积系统。就像预期的一样，在将基板加热到630℃的同时通过将这些气体以10Torr的减小压力供应到大气中100分钟而完成晶体生长过程。
应当注意到，用于引发晶体生长的活性种类一般作为气体供应，所述气体包括在基板结晶材料中含有的元素(例如该优选实施方案中的镓或砷)。这样，在如上所述的三甲基镓和砷化三氢气体中，包括活性种类的气体一般为包括在基板结晶材料中含有的元素的分子气体(即，在该优选实施方案中为镓、镓化合物、砷和砷化合物中的至少一种)。这是因为在那种情形中，晶体能适当生长，以获得与基板表面部分的结晶材料相匹配的格子。
在该晶体生长过程中，基板的表面暴露于包括基板的结晶材料(即GaAs)中含有的元素(即镓和砷)的气体。就是说，活性种类被供应到基板上。然而，由于在基板的表面上已经形成了立体形状元件(即在该优选实施方案中为凸起部63)，所以GaAs晶体很难垂直于其{111}B平面生长，而是选择性地垂直于其{100}平面生长。换句话说，在三甲基镓和砷化三氢气体中包含的活性种类在底部(即{111}B平面)不会产生任何结果，而是优选在侧壁(即{100}平面)上加速晶体生长。这样，晶体生长各项异性地进行，从而其生长速率随具体的结晶学表面方向而变化。
在这种晶体生长过程中，晶体选择性地在晶体表面的预定族上生长(即在该优选实施方案中为{100}平面)。在该情形中，晶体生长区由在基板表面上定义的立体形状元件的具体图案来决定。因而，如图5E所示，主要由晶体表面的{100}族构成的单位元件阵列(这里有时称作“最初单位元件阵列)被定义在基板的表面上。在该最初单位元件阵列中，沿各个凸起部的边线71暴露有晶体表面的非{100}族。
图6E是图解包含边线71的一部分基板的横截面图。如图6E所示，在通过蚀刻过程而定义的凸起部63上形成有晶体层64，边线71由晶体层64的表面部分确定。每个边线71一般都包括产生在相关凸起部的顶点周围的三角形{111}B平面和从该顶点沿边线延伸的{110}平面。产生这些边线71是因为在形成晶体层64时，晶体在<110>方向上生长相对较慢。另外，如果在相同的条件下继续晶体生长过程，则边线71将要扩大。
为了去除这些边线71，如图5B中一样定义有抗蚀剂图案72，以覆盖晶体层64的各个凸起部的顶点，如图5F和6F中所示。在该过程步骤中，每个抗蚀剂图案72的掩模元件的面积优选小于与其相关的图5C中所示的抗蚀剂图案62的掩模元件面积。
接下来，如图5G和6G所示，完成各项异性湿蚀刻过程。在该优选实施方案中，利用与图5C中所示过程步骤中相同的蚀刻剂(即NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7)在大约20℃时执行湿蚀刻过程约20秒。也就是说，图5G中所示的湿蚀刻过程优选执行得比图5C中所示的蚀刻过程时间短。作为该湿蚀刻过程的结果，基板的暴露表面具有如图6G中所示的横截面形状。如图6G所示，边线71现在具有一减小的面积，但三角形非{100}晶体平面(其在这里称作“三角形区域73”)暴露在基板的凹陷部上，因为蚀刻剂也获得了大约1.7的蚀刻速率比率R{111}B/R{100}。然而，这些三角形区域73的全面积一般小于存在于图5C中所示的凹陷部中的相对物(counterparts)面积。其后，执行与图5D中所示类似的过程步骤，由此从基板61上去除了残留的不必要的抗蚀剂图案72，如图5H和6H所示。
之后，如图5I和6I所示，基板61再次经过与图5E中所示相同的晶体生长过程。就像预期的一样，在将基板加热到630℃的同时通过将三甲基镓(Ga(CH3)3)气体和砷化三氢(ASH3)气体以10Torr的减小压力供应到大气中20分钟而执行晶体生长过程。也就是说，图5I中所示的晶体生长过程优选执行得比图5E中所示的晶体生长过程时间短(即在该情形中为20分钟)。作为该晶体生长过程的结果，不想要的晶体表面(即三角形区域73)可以从如图6I中所示的凹陷部中消除，具有比图5E中所示的边线面积小的附加边线(没有示出)重新形成在凹陷部上。如果这些附加边线71的总面积等于或小于预定的百分比，则就完成了良好形状的方形隅角棱镜阵列49。另一方面，如果附加边线的总面积仍然大于预定的百分比，则重复执行多次图5F，5G和5H中所示的蚀刻过程步骤及图6I中所示的晶体生长过程步骤。
如上所述，不想要的晶体平面的非{100}族残留在通过图5E中所示的第一次晶体生长过程而形成的最初单位元件阵列上。因而，具有最初单位元件阵列的基板表面经过至少两次不同类型的构图过程，以将这些不想要的晶体平面的非{100}族的百分比减小到可允许的范围内。具体地说，重复交替执行一种类型的构图过程和另一种类型的构图过程，其中所述一种类型的构图过程可以减小基板的表面部A中的不想要的平面，但在基板的另一个表面部B中产生了其它不想要的平面，所述另一种类型的构图过程可以减小表面部B中的不想要的平面，但在表面部A中产生了其它不想要的平面，由此逐渐减小基板上那些不想要的晶体平面的族的总百分比。
因而，如果这两种不同类型的构图过程(例如蚀刻和晶体生长过程)重复很多次，则可以获得具有足够高的形状精度的方形隅角棱镜阵列49。
在以这种方式形成在GaAs基板上的方形隅角棱镜阵列49上，可以通过例如蒸镀过程沉积银或任何其它合适材料的金属层50，以在GaAs基板的粗糙表面上获得大致均匀的厚度(例如200nm)。这样，可以获得包含三个彼此大致垂直相对的大致方形的反射平面的回射器48。
例如可以通过电铸技术获得以这种方式形成在GaAs基板上的方形隅角棱镜阵列49的模具。如果诸如使用辊子而将基板61的表面形状通过这种模转印到树脂材料上，则可以获得由树脂材料制成的方形隅角棱镜阵列49。另外，如果在方形隅角棱镜阵列49的表面上沉积金属层50，则可以获得回射器48。
在上述优选实施方案中，基板61由GaAs单晶制成。或者是，基板61还可以由具有闪锌矿结构的任何其它化合物的单晶制成，例如InP、InAs、ZnS或GaP。在另一替换型方案中，还可以使用由具有金刚石结构的单晶(例如锗晶体)制成的基板。
之后，通过将液晶单元40以下述方式提供在获得的回射器48上，来完成显示器件103：即液晶单元40比回射器48更靠近观察者。
制造回射器48的方法也不限于上面的方法。例如，照相掩模65还可以如此排列在基板上：即等边三角形不透明区域5a的三个边中的一个平行于GaAs晶体的<011>方向。或者是，也可以使用具有与照相掩模65不同形状的照相掩模。此外，如在应用光学卷35，号19，页数3466-3470中所披露的，最初单位元件阵列也可以通过使用SiO2垫在基板上形成立体形状元件、然后在其上执行晶体生长过程来定义。为了减小除晶体平面的{100}族以外其它不想要的晶体平面所执行的两种不同类型的构图过程可以是，满足互补关系的构图过程的任意组合，而并不限于上述例子。因而，两个构图过程之后产生的这些不想要的晶体平面的位置也不限于上述位置。
回射器48不必具有上述的结构。例如，隅角棱镜阵列49可以由透射可见光线的透明材料制成。在该情形中，由于通过利用透明材料与空气之间的折射率之差而实现了回射(或全反射)，所以不必在表面上提供任何金属层50。
回射器48中单位元件的排列间距也不限于上述值，而可以任意确定，只要小于显示器件的像素间距即可。更具体地说，排列间距优选至多为250μm，更优选为200μm或更小，但必须至少等于100nm。这是因为如果排列间距小于100nm，则很难足够精确地制造回射器。更优选地，排列间距应至少等于500nm。
上述优选实施方案的回射器48作为方形隅角棱镜反射器来实施。然而，本发明决不限于该具体优选的实施方案。回射器48只需要是这样一种反射器即可：在该反射器中，以250μm或更小的排列间距规则排列有多个单位元件，从而显示出期望的回射特性(例如45％或更大的回射率Rr)。因而，回射器48可以作为其中规则排列有许多三角锥隅角棱镜的隅角棱镜反射器来实现。
在图4中所示的显示器件103中，回射器48设置在液晶单元40的外部，其间具有一间隙。任选地，具有与透明基板42大致相同折射率的透明层可以设置在该间隙中。或者是，隅角棱镜阵列49可以由透明材料制成，回射器48可以如此排列：即隅角棱镜阵列49与液晶单元40的透明基板42相接触。在该情形中，方形隅角棱镜阵列49还可以用作透明基板42。
液晶层的材料并不特别限制。然而，认为，白色显示模式的亮度变化度根据液晶层的材料随回射率Rr改变到某一程度。在上述优选实施方案中，液晶层的材料优选为这样一种液晶材料：即，随回射器的回射率Rr变化的、用图2中所示测量系统测量的其白色显示模式的亮度，随着回射器的回射率Rr的增大而增大。
本发明人做了四个样品显示器件A1到A4，并评价了它们的回射特性和它们的显示性能。具体地说，以下列方式制造这些显示器件。
第一，利用使最初单位元件经过相互不同次数的两种不同类型的构图过程(即蚀刻过程和晶体生长过程)，来制造方形隅角棱镜阵列49的上述方法，形成四种不同类型的方形隅角棱镜阵列49A到49D(具有10μm的相同排列间距)。在该例子中，方形隅角棱镜阵列49A到49D分别经过一次、两次、三次和四次两种不同类型的过程。
制造方形隅角棱镜阵列49A、49B、49C或49D的该过程以两种不同类型构图过程的蚀刻过程结束。因而，在最终的样品中，一些不想要的平面(包括边线和各种其它不想要的平面)留在单位元件的凹陷部中，但几乎没有不想要的平面留在顶点周围的凸起部上。通过将该样品用作小片(die)(或样品基板)，其表面形状被转印到诸如涂敷在玻璃基板上的树脂材料上。作为该转印过程的结果，获得了方形隅角棱镜阵列49A、49B、49C或49D。因而，以这种方式获得的方形隅角棱镜阵列49A、49B、49C或49D中，一些不想要的平面留在单位元件的凸起部上，但几乎没有不想要的平面留在凹陷部中。
接下来，在这些隅角棱镜阵列49A到49D的表面上沉积例如银之类的金属层50，由此制造回射器48A到48D。
然后，用图1中所示的评价系统200来评价回射器48A到48D的回射率Rr。结果显示在下列表1中。
之后，通过上述方法构造的液晶单元40如此布置在每个回射器48A到48D上：即液晶单元比回射器48A、48B、48C或48D更靠近观察者，由此获得了样品显示器件A1到A4。这些样品显示器件A1到A4的显示性能用图2中所示的测量系统评价。结果也显示在下列表1中：
表1
  样品号   回射率Rr(％)   黑色显示中的亮度(％)   白色显示中的亮度(％)     对比度
  A1   46   26   55     2.1
  A2   56   16   73     4.6
  A3   64   9   70     7.8
  A4   72   2   72     36
从表1的结果可以看出，利用上述方法可以形成具有非常小排列间距并显示有预期回射特性的回射器48。另外，由于通过反复多次执行两种不同类型的构图过程可以获得具有较高形状精度的方形隅角棱镜阵列49，所以回射器48的回射特性可以进一步提高。这是因为通过反复交替地使最初单位元件阵列经过两种或更多种不同类型的构图过程，可以减小在最初单位元件阵列中除平面的{100}族以外其它不想要的晶体平面的百分比，并获得了具有较高形状精度的隅角棱镜阵列。当形状精度提高时，回射面积与隅角棱镜阵列49的全部反射面积的总比率提高了，因此回射率Rr提高了。
从表1的结果也可以看出，当回射率Rr升高时，白色和黑色显示模式的质量提高了且对比度也提高了，因而实现了所期望的显示性能。更具体地说，当反复执行诸如两次或更多次两种不同类型的构图过程(即蚀刻和晶体生长过程)时，可以获得具有大约56％回射率Rr的回射器48。通过使用这种回射器48，可以形成具有5或更大对比度的实用显示器件。另外，如果两种类型的构图过程重复次数增加，则回射率Rr进一步提高，可以产生较高质量的显示操作。
实施方案2
之后，将描述依照本发明第二个具体优选实施方案的反射型显示器件。
首先，将参照图10描述依照该优选实施方案的显示器件104的结构。该优选实施方案的显示器件104优选为彩色显示器件。
显示器件104具有与如上所述的第一个优选实施方案的显示器件103相同的结构，除了显示器件104在靠近观察者的透明基板41与透明电极43之间进一步包括彩色滤色器层51之外。更具体地说，彩色滤色器层51优选包括红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)滤色器，其以规则图案排列，并且在相邻的彩色滤色器之间提供有不透明层(或黑色矩阵(BM))。每个彩色滤色器都具有例如50μm×50μm的尺度。应当注意到，彩色滤色器的尺度随显示器件的像素间距改变，并且不限于这些值。彩色滤色器层51中的每个彩色滤色器优选具有比正常透射型显示器件中使用的彩色滤色器稍微高的透射率。因而，彩色滤色器层51中的每个彩色滤色器的颜色接近于反射型显示器件中与其相关的彩色滤色器颜色。
显示器件104可以由与如上所述的第一个优选实施方案的显示器件103相同的材料制成，并利用与如上所述的第一个优选实施方案的显示器件103相同的方法构造。可以通过实施使用散布颜料型丙烯酸酯的光刻过程，来形成彩色滤色器层51。
在该优选实施方案中，也制造类似的样品显示器件B1到B4。在这些样品显示器件B1到B4中，样品显示器件B1使用如上所述的第一个实施方案的回射器48A。同样，其它样品显示器件B2、B3和B4分别使用回射器48B、48C和48D。用图1中所示的评价系统和图2中所示的测量系统来评价这些样品显示器件B1到B4的回射率Rr和显示性能。结果显示在下列表2中：
表2
  样品号 回射率Rr(％)   黑色显示中的亮度(％)   白色显示中的亮度(％)     对比度
  B1 46   11   26     2.4
  B2 56   7   34     4.9
  B3 64   4   35     8.8
  B4 72   1   35     35
从表2的结果可以看出，尽管黑色和白色显示模式的亮度降低到一定度，但即使提供了彩色滤色器层51，每个显示器件的显示性能在黑色和白色显示模式以及对比度方面也随着回射器48的回射率Rr的升高而提高。具有彩色滤色器层51的每个样品显示器件B1、B2、B3或B4的对比度约等于或高于依照上述第一个优选实施方案的不具有彩色滤色器层51的相关样品显示器件A1、A2、A3或A4的对比度。
实施方案3
之后，将描述依照本发明第三个具体优选实施方案的反射型显示器件。
首先，将参照图11和12描述依照该优选实施方案的显示器件105的结构。该优选实施方案的显示器件105是有源矩阵寻址显示器件。
如图12所示，显示器件105优选包括显示部分91和用于驱动显示部分91的驱动器电路。
图11表示出显示部分91的详细结构。如图11所示，显示部分91包括液晶层73和回射器48，它们配置在彼此相对的一对基板71和72之间。基板71是在其上包括多个薄膜晶体管76的有源矩阵基板。回射器48包括配置在基板71上的方形隅角棱镜阵列74和沉积在方形隅角棱镜阵列74上的金属层75。金属层75由多个岛状部分构成，其以对应于像素间距(在那里每个像素都具有例如50μm×50μm的尺度)的像素电极间距排列，并也用作电极。在回射器48之上，液晶层73配有像素电极174，并在这二者之间加入取向膜82。液晶层73可以具有通过间隔器83和84保持的预定值的厚度。为了稳定液晶层73的特性，扁平层176优选地填充回射器48与取向膜82之间的间隙。每个像素电极174都优选与其相关薄膜晶体管76的漏电极78电连接，并通过接触部77与反射层75电连接。每个接触部77都穿过回射器48和扁平层176。另一方面，在靠近观察者设置的基板72的表面内侧上，带有黑色矩阵(BM)的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)滤色器79，公共透明电极175和取向膜81按该顺序层叠，以便面对液晶层73。取向膜81与液晶层73相接触。液晶层73优选由实现散射型液晶显示模式(例如，在其它情况中为向前散射型显示模式)的液晶材料构成。另外，液晶层73优选为，能根据例如电压的施加而在透射态和散射态之间转换的调制层。
在该显示器件105中，像素电极174和公共透明电极175能给液晶层73的选择部分施加预期电压。因而，液晶层73的状态(即光透射态或散射态)可以根据像素挨像素(pixel-by-pixel)得到控制。
同时，用于驱动显示部分91的驱动器电路优选地包括：用于选择性驱动显示部分91中的薄膜晶体管76的栅极驱动器电路92、用于给显示部分91的每个像素电极174供应信号的源极驱动器电路93、栅极驱动器94和源极驱动器95。显示部分91的每个像素电极174通过薄膜晶体管76、源极线80和源极驱动器95与源极驱动器电路93电连接。薄膜晶体管76的开关操作通过配置在基板71上的栅极线(没有示出)来控制。这些栅极线通过栅极驱动器94与栅极驱动器电路92电连接。由薄膜晶体管76切换的电信号通过接触部77从漏电极78输出到与其相关的像素电极174。
本发明人做了三个样品显示器件C1，C2和C3，以发现它们的显示性能如何随回射率Rr变化。具体地说，这些显示器件以下列方式制造。
首先，利用与已经描述过的第一个优选实施方案相同的方法在有源矩阵基板上配置回射器48E、48F或48G。然而在该情形中，沉积例如银之类的金属层75作为多个岛，以面对其相关像素电极174。金属层65的岛部和像素电极的排列间距在一个方向上为50μm，在另一个方向上为150μm。分别通过将两种不同类型的构图过程执行两次、三次和四次，来获得回射器48E、48F和48G。之后，用图1中所示的评价系统200测量其回射率Rr。结果显示在下列表3中。
在测量回射率Rr之后，每个回射器48E、48F或48G的表面用透明材料例如丙烯酸树脂涂敷，由此形成了扁平层176(具有10μm的最大厚度)。然后，形成接触部77。之后，利用公知方法在其上形成例如ITO之类的像素电极174和取向膜82。扁平层176的厚度并不特别限制，只要扁平层176能通过使其不均匀度光滑而将回射器48的表面扁平即可。
同时，利用所述第二个优选实施方案的方法在另一个透明基板72上形成彩色滤色器层79。之后，利用公知方法在其上形成例如ITO之类的公共透明电极175和取向膜81。
随后，两基板71和72彼此相对，在其间的间隙中定义有液晶层73。在该优选实施方案中，液晶单体、向列液晶材料和光引发剂的混合物被注入间隙，然后暴露于紫外线中，由此形成了向前散射型液晶层，其在没有施加电压时为透明的，但当施加电压时开始散射(包括向前散射)。这样，获得了包括回射器48E的样品显示器件C1。以同样的方式，也获得了分别包括回射器48F和48G的两个样品显示器件C2和C3。
用图2中所示的测量系统评价这些样品显示器件C1、C2和C3的显示性能。结果显示在下列表3中：
表3
  样品号 回射率Rr(％)   黑色显示中的对比度(％)   白色显示中的亮度(％)   对比度
  C1 53   10   28   2.8
  C2 62   5   35   7
  C3 70   1.2   36   30
从表3中所示的结果可以看出，即使有源矩阵寻址显示器件用回射器48来构造，显示性能也能如上述第一个和第二个优选实施方案中一样随回射率Rr的升高而提高。因而，如果使用具有预定回射特性的回射器48，则可以不断供应实现高质量显示的显示器件。
实施方案4
之后，将描述依照本发明第四个具体优选实施方案的反射型显示器件。
该优选实施方案的显示器件具有与图4中所示的第一个优选实施方案的显示器件相同的结构。在制造用于图4所示显示器件的回射器48的方法中，通过调整在最初单位元件阵列上重复执行的构图过程次数，来控制回射器48的形状精度，由此实现了所期望的回射特性。另一方面，在制造依照该优选实施方案的回射器48的方法中，通过控制制造方形隅角棱镜阵列底版49’的转印次数，来实现具有出色回射特性的回射器48，所述方形隅角棱镜阵列底版49’通过在获得作为最终产品49的方形隅角棱镜阵列之前，将GaAs基板构图来制备。
更具体地说，通过控制转印次数而获得作为最终产品的方形隅角棱镜阵列49，其中在方形隅角棱镜阵列底版49’中具有少数不想要的回射表面的凹陷部或凸起部被用作凹陷部49b。因而，通过使用该方形隅角棱镜阵列49制造回射器48，在不损坏形状精度的条件下获得了较高的回射特性。
将参照附图描述依照该优选实施方案的作为最终产品的方形隅角棱镜阵列49的结构。
图13B和13C是依照该优选实施方案的作为最终产品的方形隅角棱镜阵列49的放大横截面图。假定具有非理想形状的平面称作“不想要的平面”，那么在凹陷部49b处产生的不想要的平面的百分比小于依照该优选实施方案的作为最终产品的方形隅角棱镜阵列49中凸起部49a处产生的不想要的平面的百分比。由于如图13B中所示的变形部分或如图13C中所示的局部缺少部分，而导致凸起部49a的顶点具有圆形形状。因而，凸起部49a顶点97r的水平面小于具有理想形状的凸起部的顶点97i的水平面。另一方面，凹陷部49b的形状比凸起部49a接近其理想形状。如本文所使用的，凹陷部49b是指远离入射光线的光源部分，而凸起部49a是指接近入射光线的光源部分。
在方形隅角棱镜阵列49中，凹陷部和凸起部49b和49a的变形度(即，其不想要的平面的百分比)可以通过比较凹陷部49b的底点98r和理想底点98i之间的水平差h2与凸起部49a的顶点97r和理想顶点97i的水平差h2，来互相比较。这些水平差h1和h2可以通过用例如原子力显微镜(AFM)测量凹陷部和凸起部49b和49a处的表面粗糙度来获得。依照该方法，在依照该优选实施方案的作为最终产品的隅角棱镜阵列49中，凹陷部49b处的水平差h2应比凸起部49a处的水平面高度差h1小。
以下列方式可以获得这种作为最终产品的方形隅角棱镜阵列49。
首先，与图5A到5D中所示的过程步骤一样，各项异性地湿蚀刻基板的表面，然后去除抗蚀剂图案。之后，当通过图5E中所示的技术实施晶体生长过程时，形成最初单位元件阵列。图14A是在其上定义有最初单位元件阵列的基板表面部分的横截面图。该基板表面部分除边线111(例如具有2.2μm的宽度)之外还由{100}平面构成。
如果使用抗蚀剂图案120湿蚀刻在其上包括最初单位元件阵列的基板61的表面，则拼凑边线111的不想要的晶体平面可以被消除，但基板61的凹陷部的底点121就具有如图14B中所示的非尖锐(unsharpened)部122。非尖锐部122是这样一种区域：即，在该区域中以原子等级形成大量具有{100}平面作为平台的台阶，且当肉眼观察时其在{100}平面周围定义了斜坡。之后剥去抗蚀剂图案20，从而形成隅角棱镜阵列底版49’。
以该方式获得的隅角棱镜阵列底版49’的反射表面具有如图15A所示的形状，其是在图7A中所示的平面XV-XV观察的横截面图。如图15A所示，在底部98r周围有所谓的“未蚀刻的部分”。因而，底点98r的水平面比理想底点98i的水平面高。另一方面，凸起部49a具有相对好的形状，顶点97r的水平面大约等于理想顶点97i的水平面。
如果沿如图15A中所示的构成凹陷部49b的一个平面观察凹陷部49b，则未蚀刻的部分被认为是如图15B所示的大致三角形的“条”。通过测量该“条”的高度H，可以获得高度H与隅角棱镜排列间距p(例如在该预选实施方案中为10μm)的比率(％)。凹陷部49b处的变形度(即不想要的平面的百分比)假设由该H/p比率的量级来评价。该优选实施方案的隅角棱镜阵列底版49’具有大约2.0％的H/p比率。
接下来，将该隅角棱镜阵列底版49’的图案转印到树脂上。
如图16A所示，在将作为2P(光敏聚合物)方法的转印树脂的丙烯酸树脂131a(例如由Mitsubishi Rayon co.，Ltd生产的Mp-107)滴到玻璃基板130(例如Corning玻璃1737)上之后，在室133内，将隅角棱镜阵列底版49’以减小的压力粘附到其上。这样，基板130和隅角棱镜阵列底版49’之间的间隙被丙烯酸树脂131a填充，其间没有引入气泡。优选的转印树脂的例子不仅包括丙烯酸树脂，而且还包括用在注模过程中的两组分(two-part)树脂和热塑性塑料。
之后，固化丙烯酸树脂131a。具体地说，如图16B所示，基板130被固定在例如石英片135上，然后通过压床134施加大约1kg/cm2的压力，同时将丙烯酸树脂131a暴露于从高压汞灯发射的具有3J/cm2强度的紫外线136中。固化方法和条件可以根据转印树脂的类型而变化。为了固化转印树脂，树脂可以被加热和添加固化催化剂。
随后，从基板130上释放隅角棱镜阵列底版49’，由此在基板130上获得具有方形隅角棱镜阵列形状(当第一次转印时)的树脂层131b，如图16C所示。该树脂层131b的表面形状与隅角棱镜阵列底版49’的表面形状反相。也就是说，树脂层131b的凸起部的顶点显微镜观察为圆形的。
然后，再次转印该树脂层131b的图案而获得第二次转印。在该优选实施方案中，第二次转印用作底版基板。如本文所使用的，“底版基板”是指通过转印技术用于获得最终产品49的模。可以通过公知技术形成底版基板。例如，可以通过电铸方法和电镀方法的组合来形成镍(Ni)或任何其它合适材料的底版基板。由于电镀方法是转印方法之一，所以最终底版基板的形状与隅角棱镜阵列底版49’的形状大致相同。在该优选实施方案中，底版基板假定为第二次转印，但也可以通过使nth转印进行k次来获得(其中k是偶数)。
最后，通过公知的转印技术将底版基板的形状转印到例如树脂材料上，由此获得作为最终产品的隅角棱镜阵列49。最终产品49的基片可以是例如PET之类的膜元件或在其上包括TFTs的基板。作为最终产品的隅角棱镜阵列49的表面形状为隅角棱镜阵列底版49’形状的反相。因而，凸起部49a的顶平面低于理想凸起部的顶平面，但凹陷部49b具有接近于理想凹陷部的形状。
通过在作为最终产品的这种方形隅角棱镜阵列49上沉积反射层50，而获得依照该优选实施方案的显示器件的回射器48。
在上述优选实施方案中，通过给GaAs基板构图，而获得隅角棱镜阵列底版49’。或者是，也可以使用硅基板。制造底版49’的方法也不限于上述方法，还可以包括例如切割过程这样的加工过程。
底版基板的材料并不特别限制。实际上，GaAs的底版49’可以用作底版基板。或者是，通过进行偶数或奇数次底版49’的转印，可以制备由具有出色机械强度的材料(例如，镍，其底版基板称为“镍压模”)制成的底版基板或由例如硅树脂这样的树脂材料制成的底版基板。
为了通过上述方法形成作为最终产品的具有预期形状的隅角棱镜阵列49，在制备隅角棱镜阵列底版49’之后并在获得作为最终产品的隅角棱镜阵列49之前，要点是控制转印的次数。
例如，如上所述已经制备了具有图13A所示形状的隅角棱镜阵列底版49’，则通过进行奇数次的转印可以获得如图13B或13C所示的作为最终产品的隅角棱镜阵列49，其表面形状是图13A中所示形状的反相。另一方面，如果在制备隅角棱镜阵列底版的过程中，在例如晶体生长过程后进一步进行湿蚀刻过程，则可以获得具有图13B或13C所示形状的隅角棱镜阵列底版。在该情形中，可以通过进行偶数次的底版的转印来获得最终产品49。或者是，实际上，底版可以用作最终产品49。
应当注意到，至于每个隅角棱镜阵列底版49’，底版基板和作为最终产品的隅角棱镜阵列49，可以通过如上所述的比较水平差h1和h2的方法，来比较凹陷部和凸起部处的变形度。
本发明人做了样品反射器D1，并评价了它的回射特性。将在后面描述其结果。
以下列方式获得样品反射器D1。
通过上述方法制备的隅角棱镜阵列底版49’(具有10μm的排列间距和2.0％的H/p比率)的形状，通过图16A到16C所示的方法被转印到丙烯酸树脂上，由此获得了树脂层131b。在具有隅角棱镜阵列形状的树脂层131b的表面上，通过蒸镀过程将例如银(Ag)之类的金属层50沉积到1,500的厚度。这样，通过将隅角棱镜阵列49’如图17A所示转印奇数次(即一次)，而获得样品反射器D1。为了简单起见，在样品反射器D1上用光敏树脂仅实施一次转印过程。然而，即使通过任何其它方法进行奇数次转印，也可以获得具有大致相同形状的反射器。
同样，为了对照起见，也还制备了形状为样品反射器D1形状的反相的样品反射器D2。通过在具有如图17B所示的隅角棱镜阵列形状的底版49’的表面上直接将例如银之类的金属层50沉积到1,500的厚度，来获得样品反射器D2。在该例子中，GaAs基板，即底版49’用作样品反射器D2。或者是，甚至通过进行偶数次底版49’的转印，也可以获得具有与样品反射器D2大致相同形状的反射器。
用图1中所示的评价系统200测量以该方式获得的样品反射器D1和D2的回射率Rr。结果显示在下列表4中：
表4
    底版的H/p     回射率Rr
    样品反射器D1     2.0％     50％
    样品反射器D2     2.0％     38％
从表4中所示的结果可以看出，即使具有相似形状精度的回射器48由相同的底版49’制造，回射特性也根据形成回射器48过程中的转印次数显著变化。也就是说，如果通过控制转印次数来形成其中凸起部处不想要的平面的百分比大于凹陷部处不想要的平面的百分比的回射器48，则可以提高回射特性。
这样，依照上述优选的实施方案，通过在获得最终产品的隅角棱镜阵列49之前控制转印次数，可以控制最终产品49中不想要的晶体平面的位置。因而，可以获得具有出色回射特性的回射器48。通过使用这种回射器，可以实现具有高显示性能的显示器件。
另外，如果在制造第一个优选实施方案的所述隅角棱镜阵列底版49’过程中反复实施两种不同类型的构图过程，则可以获得具有较高形状精度(即具有很少多余部分)的底版49’。在上述制造过程中，最后一个过程步骤是蚀刻过程。然而，在其后进一步反复实施晶体生长和蚀刻过程，则底版49’的形状可以更加接近理想的形状。
因而，本发明人模拟了多个具有不同重复次数的两种过程的底版49’，并分析了底版49’中多数部分的比率与最终产品49的回射特性之间的关系。在该情形中，通过上述方法由每个底版49’制造具有彼此相反形状的两种类型的样品反射器D1和D2，并用图1中所示的评价系统200来测量其回射率Rr。结果显示在图18中。
从图18中所示的结果可以看出，即使用具有低形状精度(即具有高H/p比率)的底版49’，仍可以通过控制转印的次数来获得具有高回射特性的回射器。例如，如果通过反复实施两种不同类型的构图过程来形成具有2.3％或更大H/p比率的底版49’，则其后通过调整转印次数可以获得具有45％或更高回射率Rr的回射器48。以相同的方式，如果形成具有2.0％或更小H/p比率的底版49’，则其后通过调整转印次数可以获得具有50％或更高回射率Rr的回射器48。
上述本发明的各种优选实施方案提供了一种包括回射器的反射型显示器件，从而实现了出色的显示性能。
另外，本发明的优选实施方案还提供了一种很容易评价回射器的回射特性的高度可靠方法，因而有助于持续供应具有高显示性能的反射型显示器件产品。
尽管已经针对优选实施方案描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当清楚，公开的内容可以以多种方式修改，并可以采取除上述具体描述的实施方案以外其它的一些实施方案。因此所附的权利要求书意在涵盖所有落入本发明实质精神和范围内的修改。

Claims (14)

1.一种反射型显示器件，包括：
回射层；和
调制层，其比回射层更接近观察者，并在具有相互不同光学特性的第一和第二状态之间转换，
其中回射层包括单位元件的二维排列，所述单位元件以最多250μm的间距排列，且
其中回射层具有至少45％的回射率Rr，所述回射率被定义为，从回射层反射、然后被回射率测量系统在7.5度的圆锥角处接收的光强度与从电介质反射镜反射、然后被相同的回射率测量系统接收的光强度之比。
2.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中回射层具有60％或更高的回射率Rr。
3.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中所述单位元件为方形隅角棱镜。
4.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中所述单位元件具有20μm或更小的排列间距。
5.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中所述单位元件具有至少10μm的排列间距。
6.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中所述单位元件具有500nm或更高的排列间距。
7.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中所述第一状态为调制层透射入射光的透射态，而第二状态为调制层散射入射光的散射态，且
其中当调制层在透射态时，所述显示器件进入黑色显示模式，当调制层在散射态时，所述显示器件进入白色显示模式。
8.根据权利要求7所述的反射型显示器件，其中由将光的接收角度设为3度的亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度与也由相同的亮度测量系统测量的黑色显示模式的亮度之比为5或更大。
9.根据权利要求7所述的反射型显示器件，其中由将光的接收角度设为3度的亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度与也由相同的亮度测量系统测量的黑色显示模式的亮度之比为10或更大。
10.根据权利要求1所述的反射型显示器件，其中如果由亮度测量系统测量的白色显示模式的亮度随回射器的回射率Rr变化，则调制层由回射器的回射率Rr升高时能增加白色显示模式亮度的液晶材料制成。
11.一种评价具有单位元件二维排列的回射器的回射率的方法，其中单位元件以最多250μm的间距排列，所述方法包括下述步骤：
(a)通过物镜将具有预定会聚角的光会聚到回射器上；
(b)通过物镜得到已经被会聚、然后从回射器反射的光；
(c)测量从回射器反射的接收光的强度Il；
(d)通过物镜使光垂直入射到电介质反射镜上；
(e)通过物镜得到已经入射到电介质反射镜上、然后从电介质反射镜反射的光；
(f)测量从电介质反射镜反射的接收光的强度Ir；和
(g)确定步骤(c)中测量的强度Il与步骤(f)中测量的强度Ir的Il/Ir比率是否为45％或更大。
12.根据权利要求11所述的方法，其中预定会聚角为20度或更小。
13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(a)包括通过会聚所述光而在回射器上形成光点的步骤，所述光点的直径至少为单位元件排列间距的三倍大。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述单位元件为方形隅角棱镜。
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