DE69715174T2

DE69715174T2 - Drehkugelanzeige

Info

Publication number: DE69715174T2
Application number: DE69715174T
Authority: DE
Inventors: M. Crowley; C. Mikkelsen; A. Richley; T. Romano; K. Sheridon
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: CN1145917C; CN1212068A; JP3917189B2; JP2000505918A; EP0890163B1; BR9707605A; AU5717998A; WO1998028729A1; EP0890163A1; DE69715174D1; BR9707605B1

Description

Die folgenden US-Patente sind hier vollständig durch Bezugnahme enthalten: US- Patent No. 4,126,854 (Sheridon, "Twisting Ball Panel Display"); US-Patent No. 4,143,103 (Sheridon, "Method of Making a Twisting Ball Panel Display"); US-Patent No. 5,075,186 (Sheridon, "Image-Wise Adhesion Layers for Printing"); US-Patent No. 5,262,089 (Crowley et al., "Method und Apparatus for Fabricating Bichromal Balls for a Twisting Ball Display"); US-Patent No. 5,344,594 (Sheridon, "Method for the Fabrication of Multicolored Balls for a Twisting Ball Display") und US-Patent No. 5,389,945 (Sheridon, "Writing System Including Paper-Like Digitally Addressed Media and Addressing Device Therefor").

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf visuelle Anzeigeeinrichtungen und insbesondere auf adressierbare, wiederverwendbare, papierähnliche visuelle Anzeigeeinrichtungen und auf Drehbild- oder Drehkugelanzeigen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Seit alters her ist Papier ein bevorzugtes Medium für die Darstellung und Anzeige von Text und Bildern. Die Vorteile des Papiers als Anzeigemedium liegen auf der Hand. Es ist beispielsweise leicht, dünn, transportabel, biegsam, faltbar, verfügt über einen hohen Kontrast, ist kostengünstig, relativ dauerhaft und kann in einer Vielzahl von Formen ausgebildet sein. Das abgebildete Bild kann ohne die Verwendung von Elektrizität dargestellt werden. Papier kann bei Umgebungslicht gelesen und mit einem Stift, Federhalter, Pinsel oder einer Reihe anderer Werkzeuge einschließlich eines Computerdruckers beschrieben werden.
Leider eignet sich Papier nicht besonders für Echtzeitdarstellungen. Echtzeitbilder von einem Computer, einer Videoquelle oder anderen Quellen können nicht direkt mit Papier dargestellt werden, sondern müssen mit anderen Einrichtungen, wie etwa Kathodenstrahlröhren (CRT) oder einer Flüssigkristallanzeigeeinrichtung (LCD) angezeigt werden. Normalerweise verfügen die Echtzeitdarstellungsmedien nicht über die gewünschten Qualitäten von Papier, wie etwa die physikalische Verformbarkeit und dauerhafte Beibehaltung des dargestellten Bildes ohne eine elektrische Energiequelle.
Es wurden Versuche unternommen, die gewünschten Qualitäten von Papier mit jenen der Echtzeitdarstellungsmedien zu kombinieren, um etwas zu schaffen, das die Vorteile beider Gegenstände bietet. Dieser Gegenstand kann als elektrisches Papier bezeichnet werden.
Wie herkömmliches Papier, kann elektrisches Papier vorzugsweise beschrieben und gelöscht und bei Umgebungslicht gelesen werden und kann die dargestellten Informationen ohne die Verwendung eines elektrischen Feldes oder anderer externer Beibehaltungseinrichtungen anzeigen. Ebenso wie herkömmliches Papier, kann elektrisches Papier aus einer leichten, biegsamen und dauerhaften Folie bestehen, die um eine Achse gerollt und in eine Hemd- oder Manteltasche gesteckt und später wieder aufgerollt und im wesentlichen ohne Informationsverlust gelesen werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichem Papier kann elektrisches Papier verwendet werden, um bewegte oder andere Echtzeitbilder wie auch unbewegte Bilder und Text anzuzeigen. Daher eignet es sich für die Verwendung bei einem Computerbildschirm oder einem Fernsehgerät.
Die Drehbildanzeige, die auch Drehkugel-, Rotationskugel-, Partikel-, oder dipolare Partikellichtventilanzeige, etc. genannt wird, bietet eine Technologie zum Ausbilden eines elektrischen Papiers. Kurz gesagt ist eine Drehbildanzeige eine adressierbare Anzeigeeinrichtung, die aus mehreren anisotropen optischen Kugeln besteht, von denen jede einzelne wahlweise gedreht werden kann, um einem Betrachter eine gewünschte Seite zu zeigen. Eine Drehbildanzeige kann beispielsweise Kugeln enthalten, die jeweils zwei unterschiedliche Halbkugeln haben, die eine schwarz und die andere weiß, wobei jede Halbkugel eine unterschiedliche elektrische Charakteristik hat (z. B. Zetapotential im Bezug auf ein dielektrisches Fluid), so daß die Kugeln elektrisch wie auch optisch anisotrop sind. Die Schwarzweißkugeln sind in eine Folie eines optisch transparenten Materials, wie etwa eine Elastomerschicht eingebettet, die mehrere sphärische Hohlräume enthält und von einem transparenten dielektrischen Fluid, wie etwa einem Weichmacher durchflossen ist. Die fluidgefüllten Hohlräume nehmen die Kugeln auf - jeweils eine Kugel je Hohlraum -, um zu verhindern, daß die Kugeln innerhalb der Folie wandern. Eine Kugel kann innerhalb ihres entsprechenden fluidgefüllten Hohlraumes beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes wahlweise derart gedreht werden, daß sie entweder die schwarze oder die weiße Kugelhälfte einem Betrachter zeigt, der die Oberfläche der Folie betrachtet. Somit kann durch den Einsatz eines elektrischen Feldes, das in zwei Dimensionen adressierbar ist (wie etwa durch ein Matrixadressierungsschema), bewirkt werden, daß die schwarzen und weißen Kugelseiten als Bildelemente (z. B. Pixel oder Teilpixel) eines angezeigten Bildes erscheinen.
Eine beispielhafte Drehbildanzeige 10 ist in einer Seitenansicht in Fig. 1 (STAND DER TECHNIK) dargestellt. Bichromatische Kugeln 11 befinden sich in einem Elastomersubstrat 12, das von einem dielektrischen Fluid durchflossen ist, das Hohlräume 13 erzeugt, in denen sich die Kugeln 11 frei drehen können. Die Kugeln 11 sind in Anwesenheit des Fluids elektrisch dipolar und werden bei Einwirkung eines elektrischen Feldes, wie etwa durch matrixadressierbare Elektroden 14a, 14b, gedreht. Die Elektrode 14a, die sich am dichtesten an der Betrachtungsoberfläche 15 befindet, ist vorzugsweise transparent. Ein Betrachter bei I nimmt ein Bild wahr, das durch das Schwarzweißmuster der Kugeln 11 erzeugt wird, wenn diese gedreht werden, um ihre schwarzen oder weißen Seiten (Halbkugeln) der Betrachtungsoberfläche 15 des Substrates 12 zu zeigen.
Die Drehbildanzeigetechnologie wird in den Patenten, die hier durch Bezugnahme enthalten sind, ausführlicher beschrieben. Insbesondere zeigt das US-Patent No. 5,389,945 (Sheridon, "Writing System Including Paper-Like Digitally Addressed Media and Addressing Device Therefor"), daß Drehbildanzeigen hergestellt werden können, die über zahlreiche Vorteile von Papier verfügen, wie etwa Verformbarkeit und dauerhafte Beibehaltung einer dargestellten Abbildung ohne den Einsatz von Energie, die bei CRTs, LCDs oder anderen herkömmlichen Anzeigemedien nicht angetroffen werden. Es können auch nicht papierähnliche Drehbildanzeigen in Gestalt von nicht verformbaren Anzeigeschirmen oder Flachbildschirmen hergestellt werden.
Normalerweise bestehen bekannte Drehbildanzeigen aus zweifarbigen Kugeln, deren eine Halbkugel schwarz und deren andere Halbkugel weiß ist. Weitere Kugelarten sind ebenfalls bekannt. Das US-Patent No. 4,261,653 (Goodrich) zeigt eine Mehrschichtkugel, wenngleich sie wenigstens zum Teil aus Glas besteht und ihre Verwendung von einem Adressierschema abhängt, das hochfrequente elektrische Felder beinhaltet.
Auch wenn die Drehbildanzeige einen wichtigen Schritt beim erreichen des Ziels eines elektrischen Papiers darstellt, muß noch ein weiter Weg beschritten werden. Beispielsweise kann mit einer Drehbildanzeige, die aus Schwarzweißkugeln besteht, kein Farbbild dargestellt werden. Als weiteres Beispiel kann eine Drehbildanzeige, die darauf ausgelegt ist, bei reflektiertem Umgebungslicht zu arbeiten, keine Projektions- oder Durchsichtanzeige erzeugen. Erforderlich ist eine weiterentwickelte Drehbildanzeigetechnologie, die einen größeren Umfang von Anzeigemöglichkeiten abdeckt und insbesondere eine Farbprotektions- und Durchsichtbilddarstellung ermöglicht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geben wir eine Vorrichtung mit einem Substrat an, das ein optisch durchlässiges Fenster enthält;
mehrere Partikel, die jeweils wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich aufweisen und im Substrat angeordnet sind, wobei jeder Partikel eine Anisotropie hat, um ein elektrisches Dipolmoment zu erzeugen, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel eine elektrische Reaktionsfähigkeit verleiht, so daß, wenn der Partikel drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist,
wobei eine drehbare Anordnung jedes Partikels erreicht werden kann, wenn der Partikel auf diese Weise im Substrat angeordnet ist, wobei der Partikel, wenn er drehbar angeordnet ist, nicht am Substrat angebracht ist,
jeder Partikel, wenn er drehbar im Substrat angeordnet ist, in einer ersten und zweiten Drehausrichtung im Bezug auf das optisch durchlässige Fenster angeordnet werden kann,
jeder Partikel eine erste optische Modulationscharakteristik aufweist, wenn er in der ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das optisch durchlässige Fenster angeordnet ist;
und jeder Partikel weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik aufweist, wenn er in der zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das optisch durchlässige Fenster angeordnet ist; sowie
ein optisches Modulationselement, das optisch mit dem optisch durchlässigen Fenster gekoppelt ist.
Eine drehbare Anordnung jedes Partikels kann erreicht werden, wenn der Partikel auf folgende Weise im Substrat angeordnet ist; wenn sich der Partikel in dieser drehbaren Position befindet, ist er nicht am Substrat angebracht. Jeder Partikel kann, wenn er drehbar im Substrat angebracht ist, in einer ersten und zweiten Ausrichtung im Bezug auf des optisch durchlässige Fenster angeordnet werden. Jeder Partikel weist eine erste optische Modulationscharakteristik auf, wenn er in seiner ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das Fenster angeordnet ist, und weist weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik auf, wenn er in seiner zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das Fenster angeordnet ist. Das Fokussierelement kann optisch brechend sein; es kann beispielsweise eine Anordnung konvergierender Linsen, wie etwa eine "Facettenaugen"-Anordnung von Mikrolinsen enthalten. In diesem Fall können die Partikel in einer Anordnung angeordnet sein, die mit der Linsenanordnung ausgerichtet ist.
Die Erfindung kann eine Drehbild- oder Drehpartikel-Anzeige angeben, bei der jeder drehbare Partikel (z. B. eine sphärische Kugel) in der Anzeige als Linse dient. Insbesondere wird bei einem Aspekt der Erfindung eine Kombination aus einem optisch durchlässigen dielektrischen Fluid mit einem ersten Brechungsindex und einem optisch anisotropen Partikel angegeben, der drehbar im Fluid angeordnet ist. Der Partikel verfügt über wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich, der einen zweiten Brechungsindex aufweist. Der Partikel weist eine erste optische Modulationscharakteristik auf, wenn er im Fluid in einer erste Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie angeordnet ist, und weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik, wenn er im Fluid in einer zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie angeordnet ist. Der Partikel hat eine Anisotropie zum Erzeugen eines elektrischen Dipolmomentes, wobei das elektrische Dipolmoment den Partikel elektrisch ansprechend macht, so daß, wenn der Partikel drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist. Beispielsweise kann die Anordnung des Partikels im Fluid eine Zunahme des elektrischen Dipolmomentes des Partikels erzeugen.
Die Erfindung kann eine Drehbild- oder Drehpartikel-Anzeige mit einem Lichtgittersubstrat angeben. Insbesondere wird bei einem Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung angegeben mit einem Substrat, das eine Matrix mit mehreren Hohlräumen enthält, wobei die zahlreichen Hohlräume im wesentlichen in einer einzigen Schicht in der Matrix und innerhalb der Matrix in einem im wesentlichen geometrisch regelmäßigen Muster angeordnet sind, und mehreren optisch anisotropen Partikeln, die in den Hohlräumen des Substrates angeordnet sind, wobei jeder der Hohlräume höchstens einen der optisch anisotropen Partikel enthält. Eine drehbare Anordnung jedes Partikels kann erreicht werden, wenn der Partikel auf folgende Weise im Substrat angeordnet ist; wenn der Partikel drehbar angeordnet ist, ist er nicht am Substrat befestigt. Jeder Partikel kann beispielsweise eine Anisotropie haben, um ein elektrisches Dipolmoment zu erzeugen, wobei das elektrische Dipolmoment den Partikel elektrisch ansprechend macht, so daß, wenn der Partikel drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während des elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist. Zudem kann jeder Partikel mehrere Komponentenbereiche haben, die zum Anstieg der optischen Anisotropie des Partikels führen, wobei die Bereiche einen ersten Bereich mit einer ersten optischen Modulationscharakteristik und einen zweiten Bereich mit einer zweiten optischen Modulationscharakteristik umfassen. Die einzige Schicht von Hohlräumen kann im wesentlichen plan sein, und das geometrische Muster der Hohlräume kann ein zweidimensionales Anordnungsmuster in der Ebene der Schicht sein, wie etwa ein hexagonales, rechteckiges oder rhombisches Anordnungsmuster. Das Substrat kann weiterhin erste und zweite Elemente enthalten, wobei die Matrix zwischen diesen Elementen angeordnet ist, und wenigstens eines der Muster kann ein optisch durchlässiges Fenster enthalten, durch das ein Fluß optischer Energie fließen kann, um auf die Partikel zu treffen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht einer beispielhaften Schwarzweiß-Drehbildanzeige nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht einer Drehbildanzeige der Erfindung;
Fig. 3 stellt die Brechung von Lieht durch eine sphärische Linsenkugel in Luft dar;
Fig. 4A zeigt die Lichtbrechung durch eine sphärische Linsenkugel in einem fluidgefüllten Hohlraum eines Elastomers;
Fig. 4B ist die Darstellung der Lichtbrechung durch eine sphärische Linsenkugel in einem Fluid in Gegenwart einer konvergierenden Linse;
Fig. 5A-5B zeigen vergrößerte Seitenansichten einer einzelnen sphärischen Linsenkugel mit einer Öffnungsmaske in zwei unterschiedlichen Drehausrichtungen im Bezug auf einen eintreffenden Lichtfluß;
Fig. 6 stellt eine vergrößerte Stirnansicht einer einzelnen sphärischen Linsenkugel mit einer Öffnungsmaske dar;
Fig. 7A-7B sind vergrößerte Seitenansichten einer einzelnen sphärischen Linsenkugel mit einer Öffnungsabdeckung in zwei unterschiedlichen Drehausrichtungen im Bezug auf einen eintreffenden Lichtfluß;
Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Stirnansicht einer einzelnen sphärischen Linsenkugel mit einer Öffnungsabdeckung;
Fig. 9 stellt einen Teil einer Herstellungsanordnung zum Fertigen von Öfnungsmasken oder Öffnungsabdeckungen für sphärische Linsenkugeln dar;
Fig. 10 zeigt eine Bedampfungs- (Dünnfilm-) beschichtung einer sphärischen Linsenkugel;
Fig. 11A-11B zeigen "Facettenaugen"-Linsenanordnungen in Seitenansicht bzw. Draufsicht;
Fig. 12A-12B zeigen einen Teil eines teeren "Lichtgitter"-Substrates in einer aufgeschnittenen Seiten- bzw. 3D-Ansicht, und Fig. 12C zeigt, wie Kugeln in einem Lichtgitter plaziert sind;
Fig. 13 stellt schematisch eine Photomaske dar, die bei der Herstellung eines Lichtgittersubstrates verwendet wird;
Fig. 14 ist ein Teil eines teilweise vervollständigten Lichtgittersubstrataufbaus während der Herstellung;
Fig. 15A-B zeigen eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines Lichtgittersubstrates bei den abschließenden Fabrikationsschritten;
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht eines optischen Projektionssystems, das eine durchlässige Drehbildanzeigevorrichtung der Erfindung enthält;
Fig. 17A zeigt schematisch eine Anordnung roter, grüner und blauer sphärischer Linsenkugeln in einem Teilpixelmuster;
Fig. 17B stellt einen Teil einer Fotomaske dar, die zur Herstellung eines Lichtgittersubstrates verwendet wird;
Fig. 17C ist eine modifizierte Abbildung der Maske von Fig. 17B;
Fig. 17D zeigt einen Metallschirm, der aus der modifizierten Abbildung von Fig. 17C ausgebildet ist; und
Fig. 18 ist eine Seitenansicht einer CMY- (Zyan-Magenta-Gelb-) Substraktionsfarbanzeigeeinrichtung, die teilweise explosionsartig dargestellt ist, um deren Zyan-, Magenta-, und Gelbkomponenteneinheiten zu zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung gibt eine neue Klasse von Drehbildvorrichtungen an, die sich insbesondere für die Durchsichtabbildung eignen. Wo eine Zweifarbkugel-Drehbildanzeige des Standes der Technik auf die Verwendung mit Umgebungslichtventilen oder die Reflexionsbetriebsart beschränkt ist, bei der die Anzeigeeinrichtung Licht dadurch moduliert, daß das optische Reflexionsvermögen von Bereichen einer Bildabbildungsoberfläche variiert wird, arbeitet die vorliegende Erfindung in der Lichtdurchlaß- oder Projektionsbetriebsart und ist darauf ausgelegt den Durchgang von Licht durch die Anzeigeeinrichtung bildartig zu übertragen oder abzudunkeln.
Normalerweise enthält die Erfindung bei den zu beschreibenden Ausführungsformen die folgenden drei Bestandteile:
(1) eine Anordnung drehbarer Linsenabbildungselemente, wie etwa sphärische Linsen, die Öffnungsmasken oder Öffnungsabdeckungen enthalten;
(2) Hilfsoptiken, um die Bündelung von Licht in Verbindung mit den drehbaren Linsen, wie etwa der "Facettenaugen"-Anordnung von konvergierenden Linsen zu unterstützen; und -
(3) ein Lichtgittersubstrat, das die exakte Plazierung der drehbaren Linsenabbildungselemente innerhalb ihrer Anordnung unterstützt und dadurch hilft, die ordnungsgemäße Ausrichtung (d. h. Passung) der Abbildungselementanordnung mit den Linsen der Hilfsoptikanordnung zu vereinfachen.
Um die folgende Diskussion zu unterstützen, ist es hilfreich, mit einem Beispiel der Anzeigeeinrichtung der Erfindung in einer Ausführungsform zu beginnen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Anzeigeeinrichtung 20 gleicht in einigen Aspekten der bekannten Drehbild-Anzeige 10, die in Fig. 1 dargestellt ist (STAND DER TECHNIK). Es wird darauf hingewiesen, daß die Anzeigeeinrichtung 20 sphärische Kugeln 21 enthält, die in fluidgefüllten Hohlräumen 23 in einem Substrat 22 angeordnet sind, wobei die Kugeln 21 in ihren jeweiligen Hohlräumen drehbar sind. Jede Kugel 21 ist optisch anisotrop. Zudem ist jede Kugel 21 in Anwesenheit des Fluids elektrisch dipolar und wird somit beim Anlegen eines elektrischen Feldes, wie etwa durch matrixadressierbare Elektroden 24a, 24b gedreht.
Die Abbildungselemente der Anzeigeeinrichtung gemäß Erfindung unterscheiden sich jedoch deutlich von jenen, die in den bisherigen Drehbildanzeigen zu finden sind (z. B. von den bichromatischen Kugeln 11 der Anzeigeeinrichtung 10). Die Abbildungselemente der Anzeigeeinrichtung 20 sind drehbare sphärische Linsen. Jede Kugel 21 in der Anzeigeeinrichtung 20 kann als winzige Linse arbeiten und so zur Bündelung einfallenden Lichtes verwendet werden. In Abhängigkeit des verwendeten Linsentyps, wie es oben beschrieben wurde, können unterschiedliche optische Wirkungen erreicht werden. Wenn beispielsweise eine Linse des Öffnungsmaskentyps verwendet wird, kann jede Kugel in eine erste Ausrichtung gedreht werden, in der die Kugel einfallendes Licht bündelt und durchläßt, und in eine zweite Ausrichtung, in der die Kugel das einfallende Licht blockiert.
Insgesamt kann die Linsenanordnung, die durch die Kugeln 21 ausgebildet ist, dazu verwendet werden, eine Abbildung auszubilden.
Beispielsweise werden Kugeln (wiederum Kugeln des Öffnungsmaskentyps vorausgesetzt), wie etwa jene bei 21 so gedreht, daß ihre durchlässigen Aspekte für die Lichteintrittsfläche 25 des Substrates 22 und somit für das Licht, das von einer Lichtquelle bei L kommt, die hier als parallelgerichteter Lichtstrahl dargestellt ist, wirksam werden. Dies Kugeln 21a fokussieren das eintreffende Licht von L derart, daß das Licht aus der Lichtaustrittsfläche 26 austritt. Die Hilfsoptik, die hier als eine Anordnung 27 konvergierender Linsen zwischen der Lichtquelle L und den Kugeln 21 dargestellt ist, hilft dabei, daß das Licht korrekt gebündelt wird, wie es unten beschrieben ist. Kugeln, wie etwa bei 21b werden so gedreht, daß ihre nicht durchlässigen Aspekte für die Lichteintrittsfläche 25 des Substrates 22 wirksam werden. Licht von der Quelle L, das auf diese Kugeln über die Anordnung 27 trifft, kann an ihren Oberflächen (in Abhängigkeit der Wahl des Öffnungsmaskenmaterials) absorbiert oder reflektiert werden, wird aber in jedem Fall blockiert und nicht durchgelassen. Eine Abbildung des fokussierten, durchgelassenen Lichtmusters der Kugeln 21 kann etwa durch Projektion des übertragenen Lichtes durch eine Projektionslinse 28 auf einem Bildschirm 29 ausgebildet werden. Das projizierte Bild kann wiederum von einem sich an geeigneter Stelle befindenden Betrachter bei I betrachtet werden.
Beide Adressierungselektroden 24a, 24b sind transparent. Sie können beispielsweise aus Indium-/Zinoxid (ITO) bestehen. Die Elektrode 24b, die der Lichteintrittsstelle am nächstgelegenen ist, ist in der Nähe der oder als eine Beschichtung auf der Lichteintrittsoberfläche 25, wie gezeigt, angeordnet, so daß sie sich so nah wie möglich an den Kugeln 22 befindet, wodurch die erforderliche Steuerspannung minimiert werden kann.
Das Substrat 22 der Anzeigeeinrichtung 20 ist ein Lichtgittersubstrat mit einem regelmäßigen Muster aus zuvor ausgebildeten Hohlräumen, die hier als zylindrische Hohlräume dargestellt sind. Sowohl hinsichtlich seines Aufbaus als auch seiner Herstellung unterscheidet sich das Substrat 22 vom Substrat 12 der bekannten Anzeigeeinrichtung 10. Das Substrat 12 verfügt über sphärische Hohlräume 13, die um die Kugeln 11 ausgebildet werden: zunächst werden die Kugeln 11 im Substrat 12 eingebettet und anschließend das dielektrische Fluid auf das Substrat 12 aufgebracht, wodurch das Substrat 12 aufquillt, so daß sich die Hohlräume 13 an den Stellen bilden, an denen sich die Kugeln 11 befinden. Im Gegensatz dazu werden beim Substrat 22 der Anzeigeeinrichtung 20 die Hohlräume 23 vollständig oder zum Teil zuvor ausgebildet und die Kugeln 21 anschließend in den Hohlräumen derart plaziert, wie es unten beschrieben ist. Mit anderen Worten werden die Hohlräume 23 zuerst ausgebildet, und die Kugeln 21 gelangen an jene Stellen, an denen sich die Hohlräume befinden, anstelle der umgekehrten Reihenfolge.
Die Regelmäßigkeit des Lichtgitteraufbaus des Substrates 22 stellt sicher, daß die Kugeln 21 äußerst regelmäßig angeordnet werden. Dadurch wird die Herstellung der Anzeigeeinrichtung 20 vereinfacht, da es weitaus einfacher ist, die Hilfsoptiklinsenanordnung 27 im Bezug auf die Anordnung der Kugeln 21 auszurichten (d. h. damit zur Deckung zu bringen), so daß das Licht ordnungsgemäß durch jede Kugel 21 fokussiert wird, was nicht der Fall wäre, wenn die Kugeln 21 nicht derart regelmäßig angeordnet sein würden.
Der Rest der Beschreibung ist in folgender Art strukturiert: Zunächst erfolgt eine Erläuterung der Optik der sphärischen Linsen. Anschließend werden die drehbare Linse, die Hilfsoptik und die Lichtgittersubstratbestandteile der Anzeigeeinrichtung gemäß der Erfindung ausführlicher beschrieben. Danach sind einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die insbesondere zeigen, wie die Technologie der Erfindung verwendet werden kann, um Monochrom- oder Farbanzeigeeinrichtungen herzustellen. Abschließend sind einige Abänderungen und Erweiterungen der Technologie der Erfindung aufgeführt.

Einführung über sphärische Linsenoptiken

Die drehbaren Linsen der vorliegenden Erfindung können aus transparenten Kugeln, wie etwa Glas-, Kunststoff-, oder Epoxykugeln hergestellt werden. Eine transparente Kugel verfügt über optische Brechungseigenschaften, die von dem Medium abhängen, in dem sich die Kugel befindet. Insbesondere wenn die Kugel aus einem Material besteht, das einen größeren Brechungsindex aufweist, als der Brechungsindex des sie umgebenden Mediums, verhält sich die Linse wie eine konvergierende Linse.
Fig. 3 und 4A-4B veranschaulichen dieses Prinzip. In jeder dieser Darstellungen trifft paralleles Licht von einer parallelgerichteten Quelle (nicht gezeigt), dargestellt durch die Lichtstrahlen a und b, auf eine transparente sphärische Kugel 30, die einen Radius r hat. Einer Behandlung durch Smith und Thompson (F. G. Smith und J. H. Thompson, Optics, London: John Wiley & Sons Ltd., 1971, p. 98) folgend, kann eine Gleichung aufgestellt werden, um die Brechung von Licht durch die Kugel 30 zu beschreiben:
-n&sub1;/L&sub1; + n&sub2;/L&sub2; = (n&sub2; - n&sub1;)/r (1)
Hier ist L&sub1; der Objektabstand, L&sub2; der Bildabstand, n&sub1; der Brechungsindex des Mediums außerhalb der Kugel und n&sub2; der Brechungsindex des Kugelmaterials. Vorausgesetzt das Medium außerhalb der Kugel ist Luft, so daß n&sub1; = 1,0 ist, und weiterhin vorausgesetzt, daß die Kugel 30 aus Glas mit einem Brechungsindex n&sub2; von etwa 1,9 besteht, kann die oben erwähnte Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden:
1,9/L&sub2; = 0,9/r (2)
Dies folgt aus der Tatsache, daß das einfallende Licht parallel ist, so daß L&sub1; als Unendliche behandelt werden kann. Auflösen führt etwa zu:
L&sub2; = 2,1r (3)
Die Gleichung sagt aus, daß sich einfallendes Licht aus großer Distanz vollständig in einem Punkt auf der Wand der Kugel 30 bündelt. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Der reflektierte Teil des einfallenden Lichtes in Fig. 3 wird beinahe exakt den Weg des eintreffenden Lichtes zurückverfolgen und die Kugel als paralleler Lichtstrahl verlassen, der sich in Richtung zurück zur Lichtquelle ausbreitet. Unter diesen Bedingungen ist die Kugel 30 ein beinahe perfekter Retro-Reflektor; von dieser Tatsache wird weit verbreitet bei Autobahn- und Straßenschildern Gebrauch gemacht.
Somit ist eine transparente Kugel, wie etwa die Kugel 30, ein linsenartiger Aufbau. Eine derartige sphärische Linsenkugel kann sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes drehen, wenn sie so ausgebildet ist, daß sie elektrisch dipolar ist. Insbesondere wenn die Oberfläche der Kugel asymmetrisch mit Materialien beschichtet ist, die unterschiedliche elektrophoretische Eigenschaften haben, kann sie ein elektrisches Dipolmoment in Anwesenheit eines dielektrischen Fluids erzeugen.
Das Fluid beeinflußt jedoch die Brechungseigenschaften der sphärischen Linse. Wenn beispielsweise das Medium außerhalb der Kugel 30 ein dielektrisches Material ist, das einen Brechungsindex n&sub1; von etwa 1,4 hat, wird die Gleichung (1) für parallel einfallendes Licht zu:
1,9/L&sub2; = 0,5/r (2')
oder näherungsweise:
L&sub2; = 3,8r (3')
Die Gleichung (3') sagt aus, daß sich aus großem Abstand einfallendes Licht an einem Punkt in beträchtlichem Abstand hinter der hinteren Wand der Kugel 30 bündelt. Dies ist in Fig. 4A gezeigt, in der die Kugel 30 in einem fluidgefüllten Hohlraum 33 eines Elastomers 32 angeordnet ist. Das Fluid (nicht dargestellt) kann beispielsweise ein Weichmacheröl sein, daß den Elastomer 32 zum quellen bringt, um den Hohlraum 33 zu erzeugen. Für den Elastomer 32 und das Fluid wird jeweils vorausgesetzt, daß sie denselben Brechungsindex, normalerweise im Bereich von 1,4, haben.
Fig. 4B zeigt eine sphärische Linsenkugel 40, von der angenommen wird, daß sie in ein dielektrisches Fluid (nicht gezeigt) in einem Elastomer (ebenfalls nicht gezeigt) getaucht ist. Eine konvergierende Linse, wie etwa eine dünne plankonvexe Linse 39, befindet sich zwischen parallel einfallendem Licht (hier durch die Strahlen a und b dargestellt) und der Kugel 40. Die Linse 39 fokussiert den parallelen Strahl des einfallenden Lichtes zu einem konvergenten Strahl. Der Strahl wird anschließend weiter durch die Kugel 40 zu einem Brennpunkt 45 auf der Wand der Kugel 40, gegenüberliegend zum einfallenden Licht, fokussiert, wie es dargestellt ist. Um sicherzustellen, daß das Licht ordnungsgemäß fokussiert wird, müssen bestimmte Bedingungen für den Kurvenradius R der Linse 39 und zudem für den Abstand d gelten, der die Linse 39 und die Kugel 40 trennt, wobei d vom nächstgelegenen Punkt auf der Kugel 40 gemessen wird. Unter Verwendung der Gleichung (1) und durch Festlegen von (beispielsweise) L&sub2; = 2r folgt, daß die Linse 39 eine Brennweite L&sub1; = 3,11 r haben muß, so daß ihr Brennpunkt deutlich hinter der Kugel 40 liegt. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn:
d = 3,8R - 3,11r (4)
Gleichung (4) ist in der Darstellung von Fig. 4B erfüllt. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Plazierung der Linse 39 in einem größeren Abstand von der Kugel 40 (d. h. vergrößern des Abstandes d) bewirkt, daß das einfallende Licht auf der nahegelegenen Wand der Kugel fokussiert wird; diese alternative Anordnung kann in manchen Fällen hilfreich sein.
Insgesamt bündeln sich Lichtstrahlen, die eine sphärische Linsenkugel durchdringen, an einem Punkt, der durch den Brechungsindex der Kugel und zudem durch den Brechungsindex des Umgebungsmediums bestimmt ist. Bei einer Drehbildanzeige ist das Umgebungsmedium normalerweise eine dielektrische Flüssigkeit. Die Kugeln verfügen über einen hohen Brechungsindex und die Flüssigkeit hat einen kleinen Brechungsindex. Dennoch sind für die Erreichung des schärfsten möglichen Brennpunktes unmittelbar an der Oberfläche der Kugel eine externe Fokussiereinrichtung oder andere Hilfsoptiken erforderlich.

Optisch dipolare sphärische Linsen

Gemäß der Erfindung kann eine sphärische Linsenkugel optisch und elektrisch dipolar ausgebildet werden, wobei eine Drehbildanzeige aus einer Anordnung derartiger dipolarer Kugeln aufgebaut sein kann. Im folgenden werden zwei Arten zu Herstellung dipolarer sphärischer Linsenkugeln beschrieben: Öffnungsmasken und Öffnungsabdeckungen. Öffnungsmasken sind in Fig. 5A-5B und Fig. 6 dargestellt. Öffnungsabdeckungen sind in Fig. 7A-7B und Fig. 8 gezeigt.
In Fig. 5A-5B und Fig. 6 ist die Kugel 50 transparent und teilweise mit einer halbkugelförmigen oder teilweise halbkugelförmigen Beschichtung 51 überzogen, die über eine zentrale Nadelöffnung oder Öffnung einer Pupille 52 verfügt. Die Kugel 50 kann Teil einer Drehbildanzeige sein und ist in Fig. 5A-5B und Fig. 6 in einem fluidgefüllten Hohlraum 53 dargestellt. Fig. 5A-5B zeigen vergrößerte Seitenansichten der Kugel 50, und Fig. 6 stellt eine vergrößerte Stirnansicht des beschichteten Teils der Kugel 50 dar.
Zudem ist in Fig. 5A-5B eine konvergierende Linse 49 dargestellt, die von einer parallelgerichteten Lichtquelle (nicht gezeigt) einfallendes paralleles Licht fokussiert, wie es mit den Lichtstrahlen a und b gezeigt ist, so daß, wenn die Kugel 50 ausgerichtet ist, wie es in Fig. 5A gezeigt ist, Lichtstrahlen, die die Kugel 50 durchlaufen, auf der Rückseite der Kugel 50 und somit an der Öffnung 52 gebündelt werden. Die Linse 49 wird benötigt, weil die Brechungsindizes der Kugel 50 und des Fluids, das den Hohlraum 53 füllt, derart beschaffen sind, daß, basierend auf der oben gegebenen Brechungsgleichung, das eintreffende Licht andernfalls zu einem Brennpunkt hinter der Kugel 50 geleitet und sich nicht ordnungsgemäß an der Öffnung 52 bündeln würde. Die Linse 49 kann Teil einer Anordnung von Linsen sein, die als Hilfsoptik für eine Drehbildanzeige dient, die eine Anordnung von sphärischen Linsenkugeln mit Öfnungsmasken, einschließlich der Kugel 50 enthält.
Die Beschichtung 51 kann mit ihrer zentralen Öffnung 52 als Öffnungsmaske dienen. Wenn die Beschichtung 51 beispielsweise opak ist, kann, wenn sich die Kugel 50 in der dargestellten Ausrichtung von Fig. 5A im Bezug auf das einfallende Licht befindet, das einfallende Licht die Kugel 50 über die Öffnung 52 durchlaufen. Wenn jedoch die Kugel 50 um 180º gedreht wird, so daß sie sich in der entgegengesetzten Ausrichtung im Bezug auf das einfallende Licht befindet, wie es in Fig. 5B gezeigt ist, trifft beinahe das gesamte einfallende Licht auf die opake Maske. Ein nur geringe Menge des Lichtes durchläuft die Öffnung 52, wobei der Rest des Lichtes in Abhängigkeit des Materials für die Beschichtung 51 beispielsweise absorbiert oder reflektiert wird.
Wenn als weiteres Beispiel die Beschichtung 51 eine transparente Farbe ist, dann kann, wenn sich die Kugel 50 in der dargestellten Ausrichtung von Fig. 5A im Bezug auf das einfallende Licht befindet, das einfallende Licht die Kugel 50 über die Öffnung 52 durchlaufen. Wenn jedoch die Kugel 50 um 180º gedreht wird, so daß sie sich in der entgegengesetzten Ausrichtung im Bezug auf das einfallende Licht befindet, wie es in Fig. 5B gezeigt ist, trifft beinahe das gesamte einfallende Licht auf die transparente Farbmaske. Ein nur sehr geringer Teil des Lichtes verläuft durch die Öffnung 52, wobei der Rest des Lichtes in Abhängigkeit des Materials der Beschichtung 51 beispielsweise farbgefiltert wird. Wenn somit beispielsweise weißes Licht die Kugel 50 bestrahlt und die Beschichtung 51 eine transparente rote Farbe ist, kann das durchgelassene Licht, das aus der Kugel 50 tritt, entweder weiß (wenn die Kugel 50 wie in Fig. 5A gezeigt ausgerichtet ist) oder rot sein (wenn die Kugel wie in Fig. 5B gezeigt ausgerichtet ist).
In Fig. 7A-7B und Fig. 8 ist die Kugel 70 transparent und hat einen Farbpunkt 72 auf ihrer Oberfläche. Die Kugel kann Teil einer Drehbildanzeige sein und ist in Fig. 7A-7B und Fig. 8 in einem fluidgefüllten Hohlraum 73 angeordnet dargestellt. Fig. 7A-7B zeigen eine vergrößerte Seitenansicht der Kugel 70, und Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Stirnansicht des Teils der Kugel 70, der mit dem Punkt 72 versehen ist.
Auch in Fig. 7 gibt es eine konvergierende Linse 69, die einfallendes paralleles Licht von einer parallelgerichteten Lichtquelle (nicht gezeigt) fokussiert, wie es mit den Lichtstrahlen a und b gezeigt ist, und zwar so, daß sich, wenn die Kugel wie in Fig. 7 gezeigt ausgerichtet ist, Lichtstrahlen, die die Kugel 70 durchlaufen, an der Rückseite der Kugel 70 und somit am Punkt 72 bündeln. Die Linse 69 ist erforderlich, da die Brechungsindizes der Kugel 70 und des Fluids, das den Hohlraum 73 füllt, derart beschaffen sind, daß, basierend auf der oben gegebenen Brechungsgleichungen, das Licht andernfalls zu einem Brennpunkt hinter der Kugel 70 geleitet und sich somit nicht ordnungsgemäß am Punkt 72 bündeln würde. Die Linse 69 kann Teil einer Anordnung von Linsen sein, die als Hilfsoptik für eine Drehbildanzeige dient, die eine Anordnung von sphärischen Kugellinsen mit Öffnungsmasken einschließlich die Kugel 70 enthält.
Der Oberflächenpunkt 72 hat die Funktion einer Öffnungsabdeckung. Ist der Punkt 72 beispielsweise opak, dann wird, wenn sich die Kugel in der in Fig. 7 gezeigten Ausrichtung im Bezug auf das einfallende Licht befindet, das einfallende Licht am Punkt 72 fokussiert und so dessen Durchgang durch die Kugel 70 blockiert. Das Licht, das den Punkt 72 trifft, kann beispielsweise durch den Punkt 72 absorbiert oder zurück zur Lichtquelle reflektiert werden, abhängig vom Material, das für die Herstellung des Punktes 72 verwendet wird. Wenn die Kugel jedoch um 180º gedreht wird, so daß sie sich im Bezug auf des einfallende Licht in der umgekehrten Ausrichtung befindet, wie es in Fig. 7B dargestellt ist, durchläuft beinahe das gesamte einfallende Licht die Kugel 70 und ein nur geringer Teil des Lichtes wird durch den Punkt 72 blockiert.
Wenn als weiters Beispiel der Punkt 72 aus einer transparenten Farbe besteht, dann wird; wenn sich die Kugel 70 in der dargestellten Ausrichtung von Fig. 7A im Bezug auf das einfallende Licht befindet, das einfallende Licht am Punkt 72 fokussiert und so beim Durchgang durch die Kugel 70 farbgefiltert.
Wenn die Kugel 70 jedoch um 180º gedreht wird, so daß sie sich in der entgegengesetzten Ausrichtung im Bezug auf des einfallende Licht befindet, wie es in Fig. 7B gezeigt ist, durchdringt beinahe das gesamte einfallende Licht die Kugel 70 und ein nur sehr geringer Teil des Lichtes wird durch den Punkt 72 farbgefiltert. Somit kann, wenn beispielsweise weißes Licht die Kugel 70 beleuchtet und der Punkt 72 transparent oder rot ist, das durchdringende Licht, das die Kugel 70 verläßt, entweder rot (wenn die Kugel wie in Fig. 7A gezeigt ausgerichtet ist) oder weiß sein (wenn die Kugel 70 ausgerichtet ist, wie es in Fig. 7B dargestellt ist).
Die Kugeln 50 und 70 können beispielsweise Glaskügelchen mit einem Brechungsindex von 1,91 sein, so wie sie von Cataphote Division of Ferro Corporation (Cleveland, OH) erhältlich sind. Der Kugeldurchmesser beträgt normalerweise 10 Mikronen. Das Fluid, das die Hohlräume füllt, die die Kugeln umgeben, kann beispielsweise ISOPAR L sein, das einen Brechungsindex von etwa 1,4 hat.
Die Nadelöffnung 52 hat normalerweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 Mikronen. Wegen ihres geringen Durchmessers bietet die Nadelöffnung 52 nur eine sehr geringe Brechung (beispielsweise etwa 0,25%, wenn die Beschichtung 51 vollständig halbkugelförmig ist) für den Bereich der Beschichtung 51. Somit ist der Streuverlust des Lichtes durch die Öffnung 52, wenn sich die Kugel 50 in ihrer lichtblockierenden Position befindet, nur sehr gering und beeinflußt den hohen Kontrast, der mit der Anzeigeeinrichtung der Erfindung erzielt werden kann, nur unwesentlich. In ähnlicher Weise hat der Punkt 72 normalerweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 Mikronen und bietet eine nur sehr geringe Brechung für den Oberflächenbereich der Kugel 70, auf dem sich der Punkt 72 befindet. Somit ist die Blockierung des Lichtes durch den Punkt 72, wenn sich die Kugel in ihrer Lichtdurchlaßausrichtung befindet, sehr gering und beeinflußt die hohen Kontrastwerte, die mit der Anzeigeeinrichtung der Erfindung erreicht werden können, nur unwesentlich.
Um eine Drehbildanzeige aus Kugeln, wie etwa den Kugeln 50 und 70, herzustellen, müssen die Kugeln elektrisch dipolar ausgebildet sein, wobei ihre elektrischen und optischen Dipolmomente vorzugsweise ausgerichtet sind. Für die Kugel 50 dient die Beschichtung 51 dazu, das gewünschte elektrische Dipolmoment zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Beschichtung 51 nicht leitend und verfügt über ein deutlich anderes elektrophoretisches Verhalten als das transparente Material, das verwendet wird, um die Kugel 50 herzustellen. Das unterschiedliche elektrophoretische Verhalten der Oberfläche der Kugel 50 und des Materials der halbkugelförmigen Beschichtung 51 erzeugt ein elektrisches Dipolmoment in Anwesenheit eines dielektrischen Fluids, wie etwa des Arbeitsfluids, das den Hohlraum 53 füllt (z. B. aufgrund des Zetapotentials beim Kontakt mit dem dielektrischen Fluid). Bei der Kugel 70 kann eine transparente nichtleitende Beschichtung (nicht gezeigt in Fig. 7A-7B und Fig. 8) auf die gesamte oder einen Teil einer halbkugelförmigen Oberfläche der Kugel 70 aufgebracht werden, wie etwa auf die Oberfläche der Halbkugel, die den Punkt 72 enthält. Die transparente Beschichtung hat ein anderes elektrophoretisches Verhalten als das transparente Material der Kugel 70, wodurch ein elektrisches Dipolmoment in Gegenwart eines dielektrischen Fluids, wie etwa dem Arbeitsfluid, erzeugt wird, das den Hohlraum füllt.
Mit den auf diese Art und Weise elektrisch dipolar ausgebildeten Kugeln, können diese beim Anlegen eines elektrischen Feldes gedreht werden, so daß sie ihre elektrischen Dipolmomente mit dem angelegten Feld in einer Weise ausrichten, die jener gleicht, die aus den bisherigen Drehbildanzeigen bekannt ist. Somit können gemäß der Erfindung Kugeln, wie etwa die Kugeln 50 und 70, in Verbindung mit konvergierenden Linsen (wie etwa die Linsen 49 und 69) als Abbildungselemente für Drehbildanzeigen verwendet werden. Beispiele für Drehbildanzeigen, die aus derartigen optisch dipolaren sphärischen Kugellinsen bestehen, werden im folgenden beschrieben.

Herstellung von Öffnungsmasken und Öffnungsabdeckungen

Die nichtleitenden Beschichtungsmaterialien für die Beschichtung 51 und für den Punkt 72 wie auch die transparente nicht leitende Beschichtung für die Kugel 70 können auf die Kugeln 50 bzw. 70 durch unterschiedliche Techniken aufgebracht werden. Einige exemplarische Herstellungstechniken unter Verwendung eines Fotoresistes werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 9-10 beschrieben.
Fig. 9 stellt einen Teil einer Herstellungsanordnung für die Fertigung von Öffnungsmasken oder Öffnungsabdeckungen für sphärische Kugellinsen dar. Die Fertigungskammer 90 hat eine Grundplatte 92 mit Löchern 93 und zudem ein Fenster 96, das gegenüberliegend zur Grundplatte 92 angeordnet ist. Die Platte 92 kann beispielsweise aus Metall bestehen, wobei Löcher 93 in das Metall geätzt sind. Die Kammer 90 kann geöffnet werden (nicht dargestellt), um transparente Kugeln 91 einzubringen und herauszunehmen; das Fenster 96 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, daß es aus dem Weg geschwenkt oder geschoben werden kann, um einen Zugang in das Innere der Kammer 90 zu ermöglichen.
Während der Herstellung wird eine Einzelschicht transparenter Kugeln 91 gleichen Durchmessers auf der Platte 92 ausgebildet, wobei sich jeweils eine Kugel in jedem Loch 93 befindet, wie es dargestellt ist. Um die Einzelschicht auszubilden, werden die Kugeln 91 in die Kammer 90 auf die Oberfläche der Platte 92 gebracht und anschließend die Platte 92 (oder alternativ die gesamte Kammer) geschüttelt, so daß die Kugeln in den Löchern zu liegen kommen. Die Löcher 93 sind rund und haben denselben Durchmesser, der geringer ist als der einheitliche Durchmesser der Kugeln 91. Somit können die Kugeln 91 in den Löchern 93 ruhen, wie es dargestellt ist, wobei die halbkugelförmigen Abschnitte ihrer jeweiligen Oberflächenbereiche teilweise in die Löcher 93 ragen. Es wird vorausgesetzt, daß die Kammer 90 Seitenwände hat (nicht gezeigt) und wirkungsvoll verschlossen wird, nachdem die Kugeln 91 in den Löchern 93 plaziert wurden.
Nachdem sich die Monoschicht der Kugeln 91 auf der Platte 92 in der richtigen Position befindet, werden die Kugeln 91 teilweise mit einem Fotoresist beschichtet. Das Fotoresist kann auf die Kugeln 91 beispielsweise mit Hilfe eines feinen Aerosols (z. B. Nebel oder Spray) aufgebracht werden, daß aus einer Quelle 98 stammt, die sich außerhalb der Kammer 90 befindet. Das Fotoresist aus der Quelle 98 überzieht die Teilhalbkugelflächen der Kugeln 91, die in den Löchern 93 freiliegen, tritt jedoch nicht in die Kammer 90 ein und beschichtet somit nicht den Teil der Kugeln 91, der dem Inneren der Kammer 90 zugewandt ist. (Mit anderen Worten wird das Fotoresistaerosol lediglich auf den Teil der Kugeln 91 aufgebracht, der in die Löcher 93 hineinragt). Auf diese Weise werden teilhalbkugelförmige Beschichtungen auf den Kugeln in der Nähe der Löcher 93 aufgebracht. Anschließend kann das Fotoresist trocknen.
Wenn eine Fotoresist-Öffnungsmaske ausgebildet wird, werden die Beschichtungen, die auf den Kugeln in der Nähe der Löcher 93 ausgebildet werden, vorzugsweise so weit wie möglich vollständig halbkugelförmig aufgebracht, um so den Maskendeckbereich zu maximieren und einen unerwünschten Lichtstreuverlust durch die Kugeln zu minimieren. Demzufolge haben die Löcher 93 einen möglichst großen Durchmesser, der so groß ist, daß die Kugeln 91 nicht durch die Löcher 93 fallen. Das heißt der Durchmesser der Löcher 93 ist geringfügig kleiner als der der Kugeln 91, so daß die Kugeln 91 in maximalem Ausmaß durch die Löcher 93 ragen. (Gleiches gilt bei der Herstellung einer Fotoresist-Öffnungsabdeckung, die als Negativ für die Metallbedampfung dienen soll, wie es unten unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben ist).
Nachdem das Fotoresist getrocknet ist, wird ein Lichtstrahl einer parallelgerichteten Quelle 95 durch das Fenster 96 auf die Kugeln 91 gelenkt. Vorzugsweise ist das Licht aus der Quelle 95 ein Licht, das für das Fotoresist aktinisch ist; normalerweise wird UV-Licht verwendet. Das Fenster 96 besteht aus einem Material, das für das aktinische Licht transparent ist; wenn beispielsweise UV-Licht Anwendung findet, kann das Fenster 96 aus Quartz bestehen.
Der Lichtstrahl, der hier mit den Strahlen a und b dargestellt ist, durchläuft das Fenster 96 und die Luft oder das Vakuum, das die Kugeln 91 umgibt, bis er die sphärischen Oberflächen der Kugeln 91 erreicht. Dort wird der Lichtstrahl gebrochen, wie es zuvor beschrieben wurde; insbesondere gilt Gleichung (3), so daß für jede Kugel der einfallende Lichtstrahl an einem einzigen Punkt fokussiert wird, der sich in etwa auf der hinteren Wand der Kugel befindet. Bei der beispielhaften Kugel 91a bündelt sich der Lichtstrahl etwa beim Punkt 99. Wahlweise kann, wie dargestellt, die Fokussierung unter Verwendung einer konvergierenden Linse 89 korrigiert werden, die den einfallenden Strahl unterbricht und ihn von einem parallelen Strahl zu einem geeigneten konvergenten Strahl ändert.
Was als nächstes passiert hängt davon ab, ob ein positives (nicht lichtbeständiges) oder negatives (lichtbeständiges) Fotoresist für die Beschichtung der Kugeln verwendet wurde.
Um eine Öffnungsabdeckung auszubilden, wird ein positives Fotoresist verwendet. Wird das positive Fotoresist dem gebündelten Strahl aktinischem Lichtes ausgesetzt, härtet der ausgesetzte Teil des Fotoresistes aus. Somit härtet lediglich ein einzelner Punkt des Fotoresistes aus und der Rest nicht. Der einzelne Punkt entspricht der Öffnungsabdeckung.
Um eine Öffnungsmaske auszubilden, wird ein negatives Fotoresist benutzt. Wird das negative Fotoresist dem gebündelten Strahl aktinischem Lichtes ausgesetzt, wird der ausgesetzte Teil weich, während der nicht ausgesetzte Teil des Fotoresistes hart bleibt. Auf diese Weise wird eine teilhalbkugelförmige Maske auf der Kugel ausgebildet, wobei lediglich ein einzelner Punkt unausgehärtet bleibt. Der einzelne Punkt entspricht der Pupille oder der Nadelöffnung der Maske.
Das Fotoresist, egal ob positiv oder negativ, ist vorzugsweise ein Hoch-y-Fotoresist, so daß sich dessen Verhalten in Anwesenheit des stark gebündelten Lichtes, das am Brennpunkt konvergiert, stark von seinem Verhalten in Gegenwart nicht gebündelten oder gestreuten Lichtes unterscheidet. Demzufolge härtet die Öffnungsabdeckung oder die Öffnungsmaske (wie auch immer es der Fall ist) sehr viel schneller als der Rest des Fotoresistes.
Nachdem des Fotoresist durch den Lichtstrahl belichtet wurde, wird ein Entwickler für das Fotoresist auf die Kugeln 91 aufgebracht. Der Entwickler kann auf die Kugeln beispielsweise durch die Löcher 93 von einer Quelle außerhalb der Kammer 90 gesprüht werden (ähnlich wie das Fotoresist-Aerosol zuvor von der Quelle 98 zugeführt wurde). Der Entwickler ist normalerweise eine wässrige chemische Lösung mit hohem pH, wie etwa NaOH. Der Entwickler entfernt das nicht ausgehärtete Fotoresist. Somit entfernt bei einer Öffnungsabdeckung der Entwickler das Fotoresist mit Ausnahme am zentralen Punkt, wo das Fotoresist ausgehärtet ist. Bei der Öffnungsmaske entfernt der Entwickler das Fotoresist lediglich am zentralen Punkt, wo das Fotoresist nicht ausgehärtet ist. Nachdem die Entwicklung abgeschlossen ist, werden die Kugeln mit Wasser gespült und aus der Kammer 90 entnommen.
An diesem Punkt sind eine sphärische Linsenkugel mit einer Fotoresist- Öffnungsabdeckungs- oder -Öffnungsmaskenbeschichtung ausgebildet. Die Fotoresistbeschichtung ist wahrscheinlich transparent, wie viele der Fotopolymere, die im allgemeinen für ein Fotoresist verwendet werden, transparente Materialien sind. Die Öffnungsmaske oder -abdeckung kann für die Verwendung in einer Drehbildanzeige passender ausgebildet werden, indem ein Farbstoff, wie etwa ein Färbemittel oder eine dünne Bedampfungsschicht hinzugefügt werden.
Ein Färbemittel kann der Öffnungsmaske oder -abdeckung als letzter Schritt nach Abschluß der Belichtung und der Entwicklung des Fotoresistes hinzugefügt werden. Die Kugeln werden aus der Kammer 90 entnommen und in ein Färbemittel getaucht, dessen Zusammensetzung derart beschaffen ist, daß es durch das Fotoresist absorbiert wird. Bei einer Öffnungsmaske ist das Färbemittel normalerweise opak (z. B. lichtabsorbierend oder lichtreflektierend). Bei einer Öffnungsabdeckung kann das Färbemittel ebenfalls opak (wie etwa bei einer monochromen Anzeigeeinrichtung) oder eine transparente Farbe sein (wie etwa bei einem Farbfilter der Subtraktions-Farbanzeigeeinrichtung, die unten unter Bezugnahme auf Fig. 18 beschrieben wird).
Wenn alternativ dazu die chemische Zusammensetzung des Färbemittels derart beschaffen ist, daß es den Fotoresistbelichtungs- und Entwicklungsvorgang nicht beeinflußt, kann das Färbemittel dem Fotoresist hinzugefügt werden, bevor das Fotoresist auf die Kugeln 91 aufgebracht wird.
Ein Bedampfungsfilm kann auf die Kugeln 91 als abschließender Schritt nach Abschluß des Fotoresistbelichtungs- und Entwicklungsschrittes aufgebracht werden, um eine opake Öffnungsmaske oder eine reflektierende Öffnungsabdeckung auszubilden. Während die Kugeln 91 in den Löchern 93 bleiben, wird eine Bedampfung auf den Kugeln 91 durch die Löcher 93 von einer Quelle außerhalb der Kammer 90 in ähnlicher Weise abgeschieden, wie es zuvor ausgeführt wurde, um das Fotoresist von der Quelle 98 aufzubringen. Ein Dünnfilm des Bedampfungsmaterials überzieht auf diese Weise die Teilhalbkugeln der Kugeln 91, die in den Löchern 93 freiliegen, tritt jedoch nicht in das Innere der Kammer 90 ein und überzieht somit nicht den Teil der Kugeln 91, die dem Inneren der Kammer 90 zugewandt sind. Der abgeschiedene Dünnfilm bedeckt alle Halbkugeln, die in den Löchern 93 freiliegen, einschließlich des Teils der Kugeln 91, die zuvor mit dem Fotoresist beschichtet wurden. Dies ist in der Vergrößerung von Fig. 10 für eine beispielhafte Kugel 91b dargestellt, die über eine Fotoresistbeschichtung 100 in Gestalt einer Öffnungsmaske und einen Dünnfilm 102 verfügt, der diese überzieht. Ein Teil der Platte 92, durch den die Kugel 91b über das Loch 93b dem Dampf aus der Quelle 98' ausgesetzt ist, ist ebenfalls zuerkennen. Die Quelle 98' und die Kammer 90 können in einer größeren Vakuumkammer (nicht gezeigt) angeordnet sein, um die Filmabscheidung zu vereinfachen.
Das Material, das für die Ausbildung des Filmes 102 verwendet wird, kann beispielsweise ein opakes nicht leitendes Material sein, das durch gleichzeitiges Abscheiden von Indium- und Magnesiumflourid ausgebildet wird. Bei einer Öffnungsabdeckung kann es auch ein Metallfilm, wie etwa Chrom, sein. Die Verwendung eines Metallfilms wird für die Öffnungsmaske nicht empfohlen, da ein großer leitfähiger Bereich, der durch einen derartigen Film ausgebildet wird, die Bildung des Dipolmomentes der Kugel und somit die Kugeldrehung stören kann.
Sobald der Film über dem Fotoresist abgeschieden ist, werden die Kugeln 91 aus der Kammer 90 entnommen und in eine Fotoresist-Abtreiflösung getaucht. Die Abstreiflösung durchdringt die winzigen Poren im Film 102 und erreicht das darunterliegende Fotoresist, wo sie das Fotoresist aufweicht und schließlich löst, wobei der darüberliegende Film 102 bei diesem Vorgang zerstört wird. Auf diese Weise werden das Fotoresist und der Film durch die Abstreiflösung entfernt. In den Bereichen, die nicht mit dem Fotoresist unterfüttert sind, bleibt der Film intakt. Somit dient das Fotoresist, das die Kugel überzieht, wirkungsvoll als ein "Negativ", das durch die Fotoresist-Abstreiflösung zu einem Dünnfilm-"Positiv" "entwickelt" wird. Insbesondere führt eine Fotoresist-Öffnungsmaskenbeschichtung (wie in Fig. 10 gezeigt) zu einer sphärischen Linse mit einer Dünnfilm- Öffnungsabdeckung und eine Fotoresist-Öffnungsabdeckung zu einer sphärischen Linse, die über eine Dünnfilm-Öffnungsmaske verfügt.
Es bleibt noch die Erläuterung, wie die transparente nicht leitende Beschichtung für eine sphärische Öffnungsabdeckungs-Linsenkugel ausgebildet wird. Es kann wiederum die Kammer 90 verwendet werden. Die Beschichtung wird aufgebracht, nachdem die Einzelschicht aus Kugeln 91 ausgebildet ist und sich in Position auf der Platte 92 befindet, aber bevor die Fotoresistbeschichtung von der Quelle 98 aufgebracht wird. Ein geeignetes Beschichtungsmaterial, wie etwa Magnesiumfluorid, wird durch die Löcher 93 schnellverdampft, wodurch der freiliegende Teil der Kugeln 91 damit überzogen wird. Anschließend können die Schritte der Fotoresistbelichtung und -entwicklung ausgeführt werden, wie es oben beschrieben ist. In diesem Fall befindet sich die transparente Beschichtung jeder Kugel auf derselben Seite der Kugel wie die Öffnungsabdeckung.
Alternativ dazu kann das Beschichtungsmaterial innerhalb der Kammer schnellverdampft werden und somit auf die Halbkugeln der Kugeln 91 aufgebracht werden, die gegenüberliegend zu den Öffnungsabdeckungen angeordnet sind. In diesem Fall kann der Beschichtungsschritt zu jedem geeigneten Zeitpunkt durchgeführt werden, während sich die Kugeln in den Löchern 93 befinden.

Hilfsoptiken

Wie es zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 4A-4B beschrieben wurde, kann eine sphärische Linsenkugel der Erfindung normalerweise keinen ordnungsgemäßen Brennpunkt erzeugen, wenn sie in das Arbeitsfluid der Drehbildanzeige getaucht ist, da das Fluid im Vergleich zur Kugel einen relativ hohen Brechungsindex hat. Demzufolge sind Hilfsoptiken erforderlich, um das einfallende Licht auf der Wand der sphärischen Linsenkugel in geeigneter Weise zu fokussieren.
Eine Anordnung konvergierender Linsen, eine pro sphärischer Linsenkugel, eignet sich für diesen Zweck, wie es schematisch in Fig. 11A-11B gezeigt ist. In jeder dieser Zeichnungen befindet sich eine "Facettenaugen"-Anordnung 110 plankonvexer Mikrolinsen zwischen einem eintreffenden Lichtstrahl (dargestellt durch die Strahlen a und b) einer parallelgerichteten Lichtquelle (nicht dargestellt) und einer Anordnung sphärischer Linsenkugeln 120. Fig. 11A zeigt eine Seitenansicht der Anordnung 110 und Fig. 11B eine Unteransicht. Wie zu sehen ist, ist jede Mikrolinse der Anordnung 110 vorzugsweise koaxial mit ihrer entsprechenden sphärischen Linsenkugel in der Anordnung 120 positioniert. Beispielsweise sind die Mittenachsen der beispielhaften Mikrolinsen 110a, 110b mit den Pupillen in der Öffnungsmaske der Kugeln 120a bzw. 120b ausgerichtet. Daher dienen die Linsen der Anordnung 110 dazu, den Brennpunkt des einfallenden Lichtstrahls derart zu korrigieren, daß die Lichtstrahlen ordnungsgemäß an der Öffnungsmaske oder der Öffnungsabdeckung (wie es auch immer der Fall sein mag) konvergieren, wenn die Kugeln richtig ausgerichtet sind.
Facettenaugen-Mikrolinsenanordnungen werden im Handel beispielsweise von United Technologies Adaptive Optics Associates, Inc., (Cambridge, MA) vertrieben. Normalerweise sind die Anordnungen aus einem transparenten Kunststoff (z. B. durch Spritzguß) präzisionsgegossen. Sie können eine geometrische Anordnung in Gestalt eines Sechsecks (wie in Fig. 11B gezeigt) oder in Gestalt eines Rechtecks haben. Vorzugsweise sind die Geometrie und der Zwischenlinsenabstand sowohl für die Facettenaugenanordnung als auch die sphärische Linsenanordnung identisch, um sicherzustellen, daß eine ordnungsgemäße Ausrichtung (d. h. gegenseitige Passung) der beiden Anordnungen erreicht werden kann. Aus diesem Grund wird die Linsenanordnung an sich verwendet, um das Muster der Lichtgitterstruktur zu erzeugen, das die sphärischen Linsenkugeln enthält, wie es unten beschrieben ist. Die Breite jeder Linse der Facettenaugenanordnung (d.h. die lineare Abmessung einer Sehne, die durch die Verbindung zweier Scheitelpunkte der Linse entlang des Planteils der Linse entsteht) ist vorzugsweise dieselbe wie der Durchmesser des Lichtgitterhohlraumes, um so die Lichtdurchlaßwirkung von der Linse in die sphärische Linsenanordnung zu maximieren.
Ein geeigneter Abstand zwischen der Facettenaugenanordnung und der sphärischen Linsenanordnung kann durch einen transparenten Abstandhalter erzeugt werden, der sich zwischen den beiden Anordnungen befindet. In Fig. 11A ist beispielsweise eine plankonvexe Linsenanordnung 110 so ausgerichtet, daß die konvexen Seiten ihrer Mikrolinsenelemente dem einfallenden Licht zugewandt sind, und ein transparenter Abstandhalter 115 stößt gegen die plane Oberfläche der Anordnung 110, die der Seite des einfallenden Lichtes abgewandt ist. Der Abstandhalter 115 ist eine transparente Platte, die denselben Brechungsindex hat wie die Linsenanordnung 110, und verfügt über eine ITO-Elektrodenbeschichtung 116, die auf der Seite aufgebracht ist, die sich am dichtesten an den sphärischen Linsenelementen befindet. Der Abstandhalter 115 kann an der Linsenanordnung 110 befestigt sein, indem ein einstückiger Aufbau (z. B. aus spritzgegossenem Kunststoff) gefertigt wird, der sowohl die Linsenanordnung 110 als auch den Abstandhalter 115 enthält, oder durch getrenntes Ausbilden der Linsenanordnung 110 und des Abstandhalters 115 und anschließendes Verkleben der Linsenanordnung 110 mit dem Abstandhalter 115 durch Epoxyharz oder einem anderen geeigneten Material. Die Dicke des Abstandhalters 115 ist derart bemessen, daß, wenn die Linsenanordnung-Abstandhalterkombination 114 gegen die Oberfläche der sphärischen Linsenanordnung 120 stößt, wie es dargestellt ist, die korrekten optischen Beziehungen erreicht werden. Insbesondere bewirken die Mikrolinsen zusammen mit den sphärischen Linsenkugeln, daß das Licht an den Kugelwänden fokussiert wird.
"Lichtgitter"-SubstratUm eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Facettenaugenlinsenanordnung und der sphärischen Linsenkugeln sicherzustellen, wird eine in hohem Maße regelmäßige Anordnungsgeometrie bevorzugt, so daß alle Linsen der Facettenaugenanordnung gleichzeitig mit allen sphärischen Linsenkugeln ausgerichtet werden können (d. h. so daß die ordnungsgemäße Ausrichtung einer Mikrolinse mit einer Kugel nicht zu einer Fehlausrichtung einer weiteren Mikrolinse mit einer weiteren Kugel führt). Ein herkömmliches Elastomersubstrat, wie es bei den bekannten Drehbildanzeigen Anwendung findet, kann verwendet werden, wenn besondere Aufmerksamkeit darauf verwandt wird, um sicherzustellen, daß die Kugeln denselben Durchmesser haben und in einer dicht gepackten Anordnung im Elastomer angeordnet sind. Es wird jedoch ein anderes Substrat bei den Anzeigeeinrichtungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Dieses neuartige Substrat, das hier Lichtgittersubstrat genannt wird, verfügt über eine regelmäßige Anordnung oder Muster von hohlen Zellen in seinem Inneren und bildet so das Innere eines Eierkartons oder einer Honigwabe nach. Das regelmäßige Muster der Zellen stellt eine regelmäßige Anordnung und Abstand der sphärischen Linsenkugeln auch dann sicher, wenn es Unregelmäßigkeiten beim Kugeldurchmesser gibt. Mit anderen Worten hängt die Regelmäßigkeit der geometrischen Struktur des Lichtgittersubstrates nicht von der Gleichmäßigkeit des Kugeldurchmessers oder einer sorgfältigen Plazierung der Kugeln im Substrat ab.
Ein Teil eines leeren Lichtgittersubstrates 120 ist in einer Seitenansicht in Fig. 12A und einer dreidimensionalen aufgeschnittenen Ansicht in Fig. 12B gezeigt. Das Substrat 120 hat transparente Vorder- und Rückseiten 125, 126 und enthält eine geometrisch regelmäßige Anordnung gleicher Hohlräume 123, die bei dieser Ausführungsform zylindrisch sind und in einer Einzelschicht in einer dicht gepackten sechseckigen Anordnungsgeometrie (wie mit dem Sechseck H dargestellt) angeordnet sind. Die Hohlraumwände können opak ausgebildet sein, um den Lichtstreuverlust zu verringern. Jeder Hohlraum ist mit einem transparenten dielektrischen Fluid (nicht gezeigt), wie etwa einem Öl, gefüllt, das bei dieser Ausführungsform einen Brechungsindex hat, der eng mit dem des transparenten Materials des Substrates 120 übereinstimmt. Bei einer arbeitenden Drehbildanzeige befindet sich eine Kugel in jedem Hohlraum des Lichtgitters, wie es in Fig. 12C gezeigt ist, in der sphärische Linsenkugeln 121 Hohlräume 123 belegen. Jede Kugel 121 erhält ein elektrisches Dipolmoment, wenn sie in das dielektrische Fluid getaucht wird, das die Hohlräume 123 füllt.
Der Durchmesser der Hohlräume 123 ist geringfügig größer als der der Kugeln 121, aber vorzugsweise nicht größer als erforderlich, um eine ordnungsgemäße Drehung der Kugeln 121 beim Anlegen eines elektrischen Feldes sicherzustellen. In ähnlicher Weise ist die Tiefe der Hohlräume 123 nur wenig größer als der Durchmesser der Kugeln 121, um so eine Verschiebung der Kugeln innerhalb der Hohlraume zu vermeiden und auf diese Weise die Kugeln im richtigen Fokussierabstand im Bezug auf die Linsenelemente der Facettenaugenanordnung zu halten.
Es ist erwünscht, die Kugeln 121 in der Drehbildanzeige so dicht zu packen, wie es möglich ist, nämlich vorzugsweise in einer Monoschicht. Die dicht gepackte Einzelschichtanordnung maximiert die Effizienz des Lichtdurchlasses bei der Drehbildanzeige der Erfindung. Eine hexagonale Packgeometrie maximiert die Dichte der Abbildungselemente, wenngleich auch eine rechteckige oder rhombische Geometrie verwendet werden kann. Das Ausbilden der Wände der Hohlräume so dünn wie es die Strukturfestigkeit erlaubt, trägt zur Maximierung der Kugelpackungsdichte bei einer gegebenen Geometrie bei.

Herstellung des Lichtgittersubstrates

Im Gegensatz zu den Substraten der bekannten Drehbildanzeigen besteht das Lichtgittersubstrat der Erfindung nicht aus einer Elastomerfolie. Anstelle dessen ist es aus einer Facettenaugenlinsenanordnung in einer Weise präzisionsgeformt, die sicherstellt, daß es mit der Geometrie und dem Abstand der Facettenaugenanordnung genau übereinstimmt, wie es im folgenden beschrieben wird.
Eine Fotomaske, die eine Anordnung von Punkten ist, wird ausgebildet, indem ein Strahl eines parallelgerichteten Lichtes durch die Facettenaugenlinsenanordnung auf eine Fotoplatte scheint, die sich in der Nähe der Brennebene der Facettenaugenlinsenanordnung befindet. Dies ist schematisch in Fig. 13 dargestellt. Eine Lichtquelle (nicht gezeigt) erzeugt einen parallelgerichteten Lichtstrahl, hier dargestellt durch die Strahlen a und b, der auf die Facettenaugenanordnung 131 gerichtet ist. Der Lichtstrahl trifft auf die Mikrolinsen der Anordnung 131 und wird von diesen fokussiert. Insbesondere wird das Licht, das auf das beispielhafte Mikrolinsenelement 131a der Facettenaugenlinsenanordnung 131 fällt, dadurch auf einen Punkt 132a fokussiert, der sich in der Brennebene f des Elementes 131a und direkt hinter dem Element 131a im Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl befindet. Eine flache, zuvor nicht belichtete fotografische Platte 132, die sich parallel zu und leicht vor oder hinter der Brennebene f befindet, wird durch das fokussierte Licht vom Element 131a beleuchtet und dadurch belichtet, so daß, wenn die Platte 132 fotografisch entwickelt ist, ein Punkt auf der Platte erscheint. Ein ähnlicher Punkt erscheint für jede Mikrolinse der Anordnung. Die Punktdurchmesser hängen vom Abstand Δ zwischen der Brennebene f und der Ebene der Platte 132 ab. Die Platte 132, die auf diese Weise belichtet und entwickelt ist, wird so zur Maske für die Herstellung des Lichtgittersubstrates.
Anschließend wird eine Glasplatte, die mit ITO beschichtet ist, mit einer dünnen Schicht eines Polymers, wie etwa RISTON Fotoresist überzogen (erhältlich bei E.I. du Pont de Nemours and Co., Wilmington DE). RISTON ist ein negatives Fotoresist, das vom Hersteller in Gestalt einer Polymerfolie in einer Dicke von normalerweise 2 mm erzeugt wird. Unter Einwirkung von Wärme und Druck kann die RISTON-Folie an der Glasplatte haftbar gemacht werden. Die gewünschte Dicke kann dadurch erreicht werden, daß mehrere Schichten nacheinander aufgebracht werden.
Wenn RISTON UV-Licht ausgesetzt wird, härtet es aus, so daß, wenn es anschließend in eine wässrige Lösung mit hohem pH getaucht wird, lediglich die nicht belichteten Stellen ausgelöst werden. Somit kann RISTON geätzt werden, um die zylindrischen Hohlräume des Lichtgittersubstrates auszubilden. Insbesondere wird die Fotomaske mit der Anordnung von Punkten, die aus der Facettenaugenlinsenanordnung ausgebildet wurde, mit der RISTON-Oberfläche des beschichteten Glasplatte in Kontakt gebracht. Diese Anordnung wird anschließend einem stark parallelgerichteten UV-Licht von einem Fotoresist-Belichtungssystem ausgesetzt. Dieses Licht ist nicht in der Lage, die Punkte auf der Fotomaske zu durchdringen, jedoch werden alle anderen Teile der RISTON-Oberfläche belichtet und somit lichtgehärtet. Danach wird die Fotomaske entnommen und die RISTON-beschichtete Glasplatte in die wässrige Entwicklerlösung gelegt. Die Bereiche des RISTON, die sich unter den Fotomaskenpunkten während der UV-Belichtung befanden, werden durch den Entwickler ausgewaschen, wodurch Löcher zurückbleiben, die annähernd zylindrisch sind. (In der Praxis sind die Löcher leicht abgeschrägt, so daß der Durchmesser des Loches benachbart zur Glasplatte geringer ist als der am Übergang zur Luft).
Ein Teil der in diesem Stadium teilweise ausgebildeten Lichtgitterstruktur 150' ist in Fig. 14 dargestellt. Die RISTON-Schicht 151 enthält Hohlräume 152 und ist von einer flachen Oberfläche 153 bedeckt, die aus ungeätztem RISTON besteht: Die Schicht 151 befindet sich über einer transparenten Platte 154, die, wie dargestellt, mit einer ITO-Elektrode 155 überzogen ist. Die Dicke der Schicht 151 beträgt normalerweise 4 mm; die Dicke der Platte ist normalerweise 30 bis 40 mm.
Ein optionaler, zusätzlicher Schritt an diesem Punkt besteht darin, einen opaken Farbstoff der RISTON-Schicht 151 hinzuzufügen. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die teilweise ausgebildete Lichtgitterstruktur 150' in ein geeignetes Färbemittel getaucht wird, das von RISTON absorbiert wird. Anschließend wird das überschüssige Färbemittel abgespült.
Um die Lichtgitterstruktur zu vervollständigen, werden sphärische Linsenkugeln in die Hohlräume plaziert, eine obere Abdeckung hinzugefügt und die Anordnung mit einem dielektrischen Fluid gefüllt und verschlossen. Dies ist in Fig. 15A-15B dargestellt. Fig. 15A zeigt eine Seitenansicht der Lichtgitterstruktur 150 nachdem die Kugeln 156 in die Hohlräume 152 gefüllt und eine obere Abdeckung 159 hinzugefügt wurde, aber bevor das dielektrische Fluid eingefüllt wird. Die obere Abdeckung 159 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Facettenaugenanordnung zusammen mit einem transparenten Abstandhalter und seiner ITO- Beschichtung, entsprechend der Linsenanordnung-und-Abstandhalterkombination 114, die zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 11A beschrieben wurde. Die obere Abdeckung 159 ist von der Platte 154 durch eine Zwischenlage 158 getrennt, die durch einen dicker ausgebildeten Randbereich der Platte 154 ausgebildet sein kann, wie es in der Aufsicht von Fig. 15B gezeigt ist. Die Abdeckung 159 ist an der Zwischenlage 158 beispielsweise mit einem Klebstoff, wie etwa Epoxy, befestigt; um einen luftdichten Verschluß zu bilden. (Bevor die obere Abdeckung 159 auf diese Weise angebracht wird, wird deren Facettenaugenlinsenanordnung mit den Hohlräumen 152 der Lichtgitterstruktur 150 ausgerichtet, wie es im Abschnitt unten beschrieben ist).
Die Dicke der Zwischenlage 158 ist vorzugsweise etwas größer (z. B. 1 bis 2 Mikronen größer) als jene der Schicht 151, so daß ein Zwischenraum zwischen der Oberfläche 153 und der oberen Abdeckung 159 bleibt. Dieser Zwischenraum ist für die Kugeln 156 zu klein, um aus den Hohlräumen 152 zu entweichen. Der Zwischenraum gestattet ein Entweichen der Luft, die andernfalls in den Hohlräumen 152 gefangengehalten würde, wenn die Abdeckung 159 mit der Oberfläche 153 bündig wäre, und gestattet weiterhin ein Eindringen des Fluids in die Hohlräume 152.
Die Lichtgitterstruktur ist nun beinahe fertig; was bleibt, ist das Hinzufügen des dielektrischen Fluids.
Um dies zu tun, wird eine Vakuumpumpe an einem der Anschlüsse 154a, 154b angebracht, die zuvor durch die Platte 154 gebohrt wurden, und eine Pumpe für das dielektrische Fluid wird am anderen Anschluß angebracht. Luft wird anschließend vom einen Ende des Inneren der Lichtgitterstruktur gesaugt, während gleichzeitig das dielektrische Fluid am anderen Ende eingepumpt wird. Die Anschlüsse 154a, 154b werden beispielsweise mit Epoxydichtungen versiegelt, wodurch der Aufbau fertiggestellt wird.
Es können auch andere Fabrikationstechniken für die Herstellung des Lichtgittersubstrates angewendet werden. Wenn es beispielsweise gewünscht ist, das Lichtgittersubstrat aus Epoxy anstelle aus RISTON herzustellen, kann der zuvor erwähnte Ätzvorgang wie folgt abgewandelt werden: Anstelle des Beginns mit einer Fotomaske, die über eine Anordnung von Punkten verfügt, kann das Negativbild verwendet werden, d. h. eine Anordnung von Löchern in einer opaken Beschichtung auf der Fotomaske. Die Durchführung des oben erläuterten RISTON-Ätzvorgangs führt zu einer Anordnung von Zylindern, die von der Glasplatte hervorstehen. Anschließend wird eine zweite Glasplatte mit einer Schicht nicht ausgehärtetem Epoxy überzogen und daraufhin die beiden Platten zusammengepreßt und gehalten, bis das Epoxy ausgehärtet ist. Dann werden die Platten weggezogen, so daß die RISTON-Zylinder fest in der Epoxybeschichtung zurückbleiben. Anschließend werden die RISTON-Zylinder mit einer Lösung entfernt, die nicht das Epoxy angreift (beispielsweise Azeton). Das Ergebnis ist ein Epoxy-Lichtgitteraufbau.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung besteht darin, die Lichtgitter-Hohlraumstruktur aus RISTON auszubilden, wie es oben beschrieben wurde, und dann darauf eine Schicht gießfähiges, hoch zugfestes Gummi, wie etwa Dow Corning SILASTIG T-2 zu gießen, wobei ein Unterdruck verwendet wird, um die Luft aus den zylinderförmigen Hohlräumen zu saugen und somit zu bewirken, daß das nicht ausgehärtete Gummi in die zylindrischen Hohlräume fließt. Nach dem Aushärten ist die Gummiform von der RISTON-Urform trennbar, da die zylindrischen Löcher abgeschrägt sind. Das Gummi wird anschließend als kostengünstige Form anstelle der RISTON-Urform verwendet. Der Gummiaufbau kann beispielsweise in eine epoxybeschichtete Oberfläche während des Aushärtens des Epoxys gedrückt werden, wodurch der untere Teil der Lichtgitterstruktur zurückbleibt.
Eine weitere Möglichkeit, die zudem kostengünstig ist, besteht darin, Lichtgitterhohlräume aus Kunststoff unter Anwendung von Spritzgußtechniken auszubilden. Das Negativ der RISTON-Lichtgitterstruktur kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Negativs der Fotomaske hergestellt werden, bei der die Punkte transparent und der Rest der Maske opak ist. Das negative RISTON-Lichtgitter wird mit einer qualitativ hochwertigen Keramikschlämme überzogen, die anschließend etwa durch Lufttrocknung aushärtet. Dieser Aufbau wird auf eine hohe Temperatur erwärmt, wodurch das RISTON ausbrennt. Flüssiges Metall, wie etwa Edelstahl wird anschließend in die Keramikstruktur eingebracht, in der es erhärtet. Die Keramik, die äußerst brüchig ist, wird einfach durch Zerschlagen entfernt. Das Ergebnis ist eine Anordnung, die sich für den Kunststoffspritzguß eignet. Andere Verfahren zum Herstellen einer Spritzgußanordnung für ein Lichtgitter können ebenfalls angewandt werden.
Welche Fabrikationstechnik auch immer angewandt wird, um eine optimale Ausrichtung des Lichtgitters mit der Facettenaugenlinsenanordnung zu erreichen, ist es wichtig, daß die Lichtgitterstruktur direkt von der Facettenaugenlinsenanordnung abgebildet wird. Dadurch werden automatisch geringfügige Abweichungen von der perfekten Gleichmäßigkeit des Zwischenlinsenabstandes in der Facettenaugenanordnung kompensiert, die andernfalls eine beträchtliche wiederholte Fehlausrichtung der Facettenaugen-Mikrolinsen im Bezug auf die sphärischen Linsenkugeln verursachen würden.

Ausrichtung der Facettenaugenlinsenanordnungen mit dem Lichtgittersubstrat

Beim Ausbilden der Lichtgitterstruktur 150 muß die Facettenaugenlinsenanordnung der oberen Abdeckung 159 mit der teilweise ausgebildeten Lichtgitterstruktur 150' derart ausgerichtet werden, daß die Facettenaugenlinsenanordnungselemente exakt mit den Hohlräumen 152 und somit mit den sphärischen Linsenelementen übereinstimmen. Eine derartige Ausrichtung ist möglich, weil die Lichtgitterstruktur aus einer Fotomaske ausgebildet wird, die aus der Facettenaugenlinsenanordnung selbst hergestellt wird, wie es erläutert worden ist.
Die Ausrichtung kann am besten durchgeführt werden kurz bevor die Kugeln 156 den Hohlräumen 152 hinzugefügt werden. Es kann beispielsweise eine optische Ausrichttechnik angewandt werden. Die obere Abdeckung ist parallel zur und in grober Ausrichtung mit der teilweise ausgebildeten Lichtgitterstruktur 150' angeordnet. Ein Lichtstrahl beleuchtet die obere Abdeckung 159, und die Relativpositionen der oberen Abdeckung 159 und der teilweise ausgebildeten Struktur 150' werden eingestellt, bis der Lichtdurchgang maximiert ist. Sobald die Ausrichtung erfolgt ist, wird die obere Abdeckung von der teilweise ausgebildeten Struktur 150' entlang einer präzisen Linie senkrecht zur Ebene der teilweise ausgebildeten Struktur 150' wegbewegt. Dadurch können die Kugeln 156 den Hohlräumen 152 hinzugefügt werden. Später wird die ober Abdeckung vor dem Verkleben der Abdeckung 159 mit der Zwischenlage 158 zur teilweise ausgebildeten Struktur 150' wieder entlang einer präzisen Senkrechten zurückbewegt, so daß diese Ausrichtung nicht zerstört wird.
Wenn die Facettenaugenanordnung als separates Stück getrennt von Rest der oberen Abdeckung 159 anstelle einer integralen einstückigen Einheit ausgebildet ist, kann der Ausrichtungsschritt verschoben werden, bis das Lichtgitter 150 mit dem dielektrischen Fluid gefüllt und verschlossen ist. In diesem Fall sollten die Kugeln 156 in den Hohlräumen vor der Ausrichtung durch das Anlegen eines elektrischen Feldes ausgerichtet werden, um so den Lichtdurchgang zu maximieren. Dies kann erfolgen, weil die Hohlräume 152 zu diesem Zeitpunkt bereits mit dem Fluid gefüllt sind, wodurch die Kugeln 156 elektrisch dipolar gemacht werden.

Durchlässige Drehbildanzeigen auf der Basis drehbarer Linsen

Die Fabrikationsschritte der Drehbildanzeige der Erfindung können kurz zusammengefaßt werden. Sphärische Linsenkugeln des gewünschten Typs (z. B. Öffnungsmaskenkugeln oder Öffnungsabdeckungskugeln) werden wie zuvor beschrieben hergestellt. Eine Facettenaugenlinsenanordnung wird verwendet, um eine übereinstimmende Lichtgitterstruktur mit transparenten ITO-Elektroden auszubilden, wie es ebenfalls beschrieben wurde. Die Kugeln werden in der Lichtgitterstruktur plaziert, bevor die Anzeigeeinrichtung mit dem dielektrischen Fluid befüllt und verschlossen wird, und in einem geeigneten Stadium wird die Facettenaugenanordnung mit den Lichtgitterhohlräumen und den Kugeln ausgerichtet. Vorzugsweise befindet sich ein Schutzgehäuse um die fertige Anzeigeeinrichtung. Anschließend kann die Anzeigeeinrichtung verwendet werden.
Eine beispielhafte Anordnung für die Verwendung der Anzeigevorrichtung der Erfindung in einem Projektionssystem ist in Fig. 16 dargestellt. Eine durchlässige Drehbildanzeigevorrichtung 160 der Erfindung wird durch Licht von einer weißen Lichtquelle L, das durch die Linse 169 parallelgerichtet ist, beleuchtet. Eine Projektionslinse 165 projiziert das resultierende Bild auf den Schirm 167. Die Drehbildanzeige 160 kann beispielsweise mit einer pixeladressierbaren Aktivmatrix- Adressiereinheit adressiert werden. Wie bei bekannten Drehbildanzeigen werden normalerweise mehrere Kugeln (z. B. neun oder mehr) je Pixel verwendet. Normalerweise sprechen die sphärischen Linsenkugeln der Vorrichtung 160 schnell auf die Adressierlogik an, so daß Videovollbildraten erreicht werden können.
Für eine einfache monochrome Anzeigeeinrichtung kann die Anzeigeeinrichtung 160 mit sphärischen Linsenkugeln ausgebildet werden, die opake Öffnungsmasken haben. In diesem Fall bewirkt das Anlegen eines elektrischen Feldes in einer der Richtungen senkrecht zur Ebene des Lichtgittersubstrates, daß die Kugeln in der Nähe des angelegten Feldes derart gedreht werden, daß deren Öffnungsmasken der Lichtquelle L zugewandt sind, wodurch das Licht blockiert und eine schwarze Ausgabe erzeugt wird. Ein Anlegen eines elektrischen Feldes in der entgegengesetzten Richtung läßt die Kugeln um 180º drehen, so daß ihre Öffnungsmasken von der Lichtquelle L abgewandt sind, so daß Licht durch ihre Nadelöffnungen geleitet und eine weiße Ausgabe erzeugt wird.
Im allgemeinen kann die Drehbildanzeige der Erfindung in unterschiedlichen Größen und Formen und unter Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Drehbildkugeln, das Lichtgittersubstrat und das dielektrische Fluid ausgebildet werden. Die Anzeige der Erfindung verfügt zudem über die Vorteile, die Drehbildanzeigen zu eigen sind. So können sie beispielsweise dünn und leicht ausgebildet werden. Sie sind optisch bistabil in der Hinsicht, daß ein Bild, das einmal angezeigt ist, beibehalten wird, nachdem das elektrische Feld entfernt wurde. Aufgrund ihrer Bistabilität verbrauchen die Anzeigen Energie nur dann, wenn ein Pixel seinen Zustand ändert, so daß die Anzeigen mit geringer Leistungsaufnahme arbeiten können.
Wie es ausgeführt werde wird, können auch Farbanzeigeeinrichtungen gemäß der Erfindung hergestellt werden. Viele verschiedene Farbstoffe können sich für die Verwendung als Färbemittel eignen, um chromatische und achromatische Farben in den Öffnungsmasken und -abdeckungen sphärischer Linsenkugeln zu erzeugen, abhängig vom Einsatz und vom Material oder den Materialien, die bei der Ausbildung der Kugeln benutzt werden. ("Achromatische Farben" wird im folgenden verwendet, um Farben zu bezeichnen, denen es wesentlich an Färbung fehlt, d. h. Schwarz, Weiß, Grau und farblos, und "chromatische Farben" bezieht sich im folgenden auf andere Farben, wie etwa Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett, Zyan, Magenta, Rosa, Braun, Beige, etc.). Eine beliebige Öffnungsmaske oder -abdeckung kann schwarz, weiß, farblos (d. h. im wesentlichen transparent und ohne Färbung, wie etwa Wasser oder herkömmliches Fensterglas), eine transparente Farbe (z. B. transparentes Rot, Blau oder Grün wie für RGB-Additiv-Farbbildschirme, transparentes Zyan, Magenta oder Gelb wie für CMY-Subtraktions-Farbbildschirme) und dergleichen sein.

Additivfarb- (RGB-) Drehlinsenanzeige

Die Vorrichtung 160 von Fig. 16 kann in folgender Art abgewandelt werden, um eine additive Farb-Rot-Grün-Blau- (RGB-) Anzeigeeinrichtung zu erzeugen. Drei unterschiedliche Farben sphärischer Linsenkugeln - d. h. sphärische Linsenkugeln mit durchlässigen Farbfilteröffnungsmasken oder -abdeckungen in Rot, Grün und Blau - sind im Lichtgitter der Anzeigeeinrichtung angeordnet. Jedes Pixel besteht aus drei Teilpixeln aus Rot, Grün und Blau, wobei jedes Teilpixel unabhängig von den anderen adressierbar ist. (Das bedeutet, die sphärischen Linsenkugeln einer Farbe können ohne Beeinflussung der Kugeln der anderenbeiden Farben gedreht werden). Vorzugsweise gibt es mehrere Kugeln (z. B. neun oder mehr) je Teilpixel.
Ein Teilpixelmuster ist schematisch in Fig. 17A dargestellt. Es ist eine Draufsicht eines vergrößerten Teils eines Lichtgittersubstrates 1010 dargestellt. Sphärische Linsenkugeln jeder Farbe (RGB) sind zusammen in Teilpixeln im Lichtgittersubstrat 1010 angeordnet. Das Pixel 1070 enthält ein rotes Teilpixel 1071, ein grünes Teilpixel 1072 und ein blaues Teilpixel 1073. Jedes Teilpixel enthält Drehbildkugeln 1074, 1075, 1076 lediglich für seine betreffende Farbe; beispielsweise sind alle Drehbildkugeln 1074 im roten Teilpixel 1071 rot. Die Anordnung der Teilpixel innerhalb jedes Pixels kann in unterschiedlichen Ausführungsformen variieren; wie es in Fig. 17A gezeigt ist, können die Teilpixel so angeordnet sein, das sie ein hexagonales Muster bilden.
Jedes Teilpixel kann sich zwischen Farbe und Weiß oder Farbe und Schwarz ändern. Um beispielsweise die Farbezu-Weiß-Änderung zu erreichen, kann eine klare (d. h. farblose) sphärische Linsenkugel verwendet werden, die eine transparente Farbfilter-Öffnungsabdeckung hat. Wenn die Kugel mit ihrer Öffnungsabdeckung vom einfallenden weißen Licht abgewandt, ausgerichtet ist, wird das licht durch die Öffnungsabdeckung fokussiert und dadurch farbgefiltert, so daß das austretende Licht die Farbe der Öffnungsabdeckung (d. h. Rot, Grün oder Blau) ist. Wenn die Kugel mit ihrer Öffnungsabdeckung dem einfallenden Licht zugewandt ausgerichtet ist, wird im wesentlichen das gesamte einfallende Licht durch die klare Kugel durchgelassen, so daß das austretende Licht weiß ist. Um die Farbe- zu-Schwarz-Änderung zu erreichen, kann beispielsweise eine sphärische Linsenkugel verwendet werden, die aus einem transparent gefärbten Glas besteht und eine opake Öffnungsmaske hat. Wenn die Kugel mit ihrer Öffnungsmaske vom einfallenden weißen Licht abgewandt ausgerichtet ist, wird das Licht farbgefiltert, während es die Kugel durchdringt, und durch die Pupille der Öffnungsmaske fokussiert, so daß das austretende Licht die Farbe der Kugel (d. h. Rot, Grün, oder Blau) ist. Wenn die Kugel mit ihrer Öffnungsmaske dem einfallenden Licht zugewandt ausgerichtet ist, wird im wesentlichen das gesamte einfallende Licht blockiert, so daß wenig oder kein Licht austritt.

Fabrikationstechnik für die strategische Anordnung unterschiedlicher Kugeln im "Lichtgitter"-Substrat

Die RGB-Drehbildanzeige besteht aus drei unterschiedlichen Arten von sphärischen Kugeln, nämlich Kugeln mit roten Öffnungsabdeckungen oder -masken, Kugeln mit grünen Öffnungsabdeckungen oder -masken und Kugeln mit blauen Öffnungsabdeckungen oder -masken. Diese drei unterschiedlichen Arten von Kugeln sind in unterschiedlichen Teilpixelbereichen im Lichtgittersubstrat angeordnet. Ein rotes Teilpixel enthält Kugeln mit lediglich roter Färbung und keine Kugelnder anderen beiden Färbungen. In ähnlicher Weise enthält ein grünes Teilpixel Kugeln mit lediglich grüner Färbung und ein blaues Teilpixel Kugeln mit lediglich blauer Färbung. Um diese Drehbildanzeige herzustellen ist eine Herstellungstechnik erforderlich, um unterschiedliche Arten von Kugeln an ihren jeweiligen Orten im Lichtgittersubstrat zu plazieren, so daß das gewünschte geometrische Muster von roten, grünen und blauen Teilpixeln (z. B. das Muster von Fig. 17A) ausgebildet wird.
Eine Technik zum Plazieren der Drehbildkugeln an bestimmten Stellen innerhalb eines Lichtgittersubstrates wird nun erläutert. Die Technik kann insbesondere angewandt werden, um rote, grüne und blaue Drehbildkugeln in einem beliebig gewünschten Muster von Teilpixeln anzuordnen.
Wendet man sich Fig. 17B zu, so ist eine Fotomaske 171 des Typs dargestellt, der bei der Erzeugung eines Lichtgittersubstrates verwendet wird. Diese Fotomaske kann mit hoher Auflösung digitalisiert werden und durch eine digitale Bildbearbeitung in drei Teilmasken umgewandelt werden. Es können beispielsweise die Punkte 172, die sich nicht in der Nähe von 172a befinden, im digitalen Bereich eliminiert werden, wodurch das abgewandelte Maskenbild 173 erzeugt wird, das in Fig. 17C gezeigt ist. Diese Maske kann verwendet werden, um eine modifizierte Fotomaske zu erzeugen. Ein ähnliches Verfahren kann für die Punkte in der Nähe von 172b und 172c angewandt werden, so daß insgesamt drei modifizierte Fotomasken erzeugt werden, eine für jede Teilpixelfarbe.
Ein Metall- (Nickel-) Schirm wird anschließend aus jeder der modifizierten Photomasken ausgebildet. Das heißt es gibt einen Schirm für jedes der roten, grünen und blauen Teilpixelmuster. Ein Beispiel eines derartigen Schirms ist in Fig. 17D dargestellt. Der Schirm 177 ist dünn und mit Ausnahme von Löchern 178 massiv, die den Stellen im Lichtgittersubstrat entsprechen, in denen die Kugeln für eine Teilpixelfarbe (z. B. Rot) plaziert werden sollen.
Während der Herstellung des Lichtgittersubstrates wird kurz vor der Anordnung der Kugeln in den Hohlräumen, jeder der Metallschirme wiederum mit den offenen zylindrischen Hohlräumen des Lichtgitters ausgerichtet und über diese gelegt. Dann werden die Kugeln mit der passenden Farbe (z. B. Rot) auf dem Schirm abgelegt. Die Kugeln fallen durch die Löcher 178 in die zylindrischen Öffnungen des Lichtgitters. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann der Schirm vorsichtig gerüttelt werden. Jeder Hohlraum des Lichtgitters ist so groß, daß er lediglich eine Kugel aufnehmen kann, so daß, wenn ein Hohlraum gefüllt ist, keine weitere Kugel in diesen eintreten kann. Sobald alle Hohlräume für dieses Farbteilpixelmuster gefüllt sind, wird der Vorgang für die verbleibenden Schirme und die anderen beiden Farben wiederholt.

Mehrschicht-Subtraktionsfarb- (CMYK-) Drehkugelanzeige

Eine Drehbildanzeige mit sphärischen Linsenabbildungelementen kann auch verwendet werden, um ein Zyan-Magenta-Gelb-(CMY-)Subtraktionsfarbbild zu erzeugen. Bei der Subtraktionsfarbabbildung werden unerwünschte Farbbestandteile aus dem einfallenden Licht normalerweise mit Hilfe von transparenten Farbfiltern oder Farbstoffen gefiltert. Hier arbeiten die Drehbildkugeln und insbesondere deren Öffnungsmasken oder -abdeckungen als Farbfilter.
Um einen Subtraktionsfarbbildschirm zu erzeugen, kann ein Stapel monochromer Anzeigeeinrichtungen ausgebildet werden. Dies ist in Fig. 18 für eine CMY-Anzeigeeinrichtung 180 dargestellt. Jede dieser drei Komponenteneinheiten 181, 182; 183 des Stapelsist eine Anzeigeeinrichtung wie die Anzeigeeinrichtung 160 aus Fig. 16. Insbesondere verfügt jede Einheit über ihre eigene Facettenaugenlinsenanordnung und ihre eigenen Adressierelektroden. Jede Einheit kann unabhängig von den anderen adressiert werden. Die Komponenteneinheiten 181, 182, 183 enthalten jeweils sphärische Farbfilter-Linsenkugeln (entweder des Öffnungsabdeckungs- oder Öffnungsmaskentyps, wie es bereits erläutert wurde), so daß eine beliebiges Abbildungselement einer der Komponenteneinheiten entweder weißes Licht oder eine transparente Farbe in Abhängigkeit der Kugelausrichtung übertragen kann. Die Einheit 181 kann beispielsweise zyanfarbige sphärische Farbfilter-Linsenkugeln 182 magentafarbige sphärische Farbfilter-Linsenkugeln und Einheit 183 gelbe sphärische Farbfilter-Linsenkugeln enthalten. Optional kann eine zusätzliche Komponenteneinheit, die sphärische Opakmasken-Linsenkugeln enthält, zum Stapel (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um eine schwarze Komponente zu erzeugen, wodurch der volle CMYK-Farbumfang erzeugt wird.
Bei der Anzeige 180 ist die Ausrichtung der Komponenteneinheiten 181, 182, 183 innerhalb des Stapels äußerst wichtig, weil Licht, das aus einem Abbildungselement (wie etwa dem exemplarischen Element 181a) in Einheit 181 austritt, anschließend die entsprechenden Abbildungseinheiten in den verbleibenden Einheiten 182, 183 (wie etwa die beispielhaften Elemente 182a bzw. 183a) durchlaufen muß. Um die korrekte Ausrichtung zu erreichen, sollten die Facettenaugenanordnungen und die Lichtgittersubstrate, die bei den Komponenteneinheiten verwendet werden, eine identische Geometrie und Abstand haben. Die Anordnungen 184, 185, 185 können beispielsweise allesamt aus Formen präzionsgefertigt sein, die man aus demselben Muster gewinnt. Anschließend kann eine Ausrichtung der Komponenteneinheiten im Bezug aufeinander beispielsweise durch optische Ausrichttechniken erreicht werden. Beispielsweise wird, wenn sich die sphärischen Linsenkugeln der Einheiten 181 und 182 in ihrer Ausrichtung vollständiger Durchlässigkeit befinden, die Menge des Lichtes, das den durch diese Einheiten ausgebildeten Teilstapel durchdringt, dadurch maximiert, daß die Einheit 181 festgehalten und die Position der Einheit 182 eingestellt wird. Anschließend kann der Vorgang für die Einheit 183 und beliebige zusätzliche Einheiten wiederholt werden.
Obwohl der Abstand und die Geometrie der Mikrolinsenelemente bei den Facettenaugenanordnungen bei allen Einheiten gleich sind, können sich die Brennweiten der Mikrolinsen von einer Komponenteneinheit zur nächsten unterscheiden. Beispielsweise ist, wie in Fig. 18 gezeigt, der einfallende Lichtstrahl (hier dargestellt durch die Strahlen a und b) ein parallelgerichteter Strahl, wohingegen das Licht, das aus dem exemplarischen Element 181a austritt, divergent ist. Die geeigneten Zwischhenräume und Brennweiten hängen vom Kurvenradius der Facettenaugenlinsenanordnung und den Brechungsindizes der verwendeten Materialien ab. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einheiten kann beispielsweise durch Zwischenlagen, wie etwa den Zwischenlagen 187, 188 beibehalten werden. Alternativ dazu können zusätzliche Facettenaugenanordnungen (nicht gezeigt) zwischen den Einheiten angeordnet werden, um die divergenten Strahlen in parallelgerichtete Strahlen umzuwandeln. Wie die Einheiten an sich, müssen diese zusätzlichen Anordnungen präzise ausgerichtet werden, um eine ordnungsgemäße Lichtübertragung von Einheit zu Einheit sicherzustellen.
Innerhalb einer gegebenen Einheit kann eine Gruppe einer oder mehrerer Linsenkugeln dazu dienen, eine Komponentenfarbe für die Farbsubtraktion zu erzeugen. Vorzugsweise wird eine große Zahl von Kugeln (beispielsweise neun oder mehr), die dicht nebeneinander angeordnet sind, für jede Komponentenfarbe in jedem Pixel verwendet. Somit besteht ein Pixel aus einer Spalte von drei Farbbereichen, die übereinander, ein Bereich für jede der drei Schichten, angeordnet sind.
Im Gegensatz zur additiven Farbanzeigeeinrichtung gibt es bei der Subtraktionsfarbanzeigeeinrichtung keine Teilpixel unterschiedlicher Farbe. Anstelle dessen ist das gesamte Feld jedes Pixels mit allen Farbkomponenten gefüllt, die übereinander angeordnet sind. Dies kann die Reichhaltigkeit und die Genauigkeit des resultierenden Farbbildes gegenüber dem ändern, was mit additiven Farbtechniken erzielt werden kann.
Eine Subtraktionsdrehbild-Farbanzeigeeinrichtung der Erfindung muß nicht auf zyanfarbige, magentafarbige und gelbe Farbkomponenten beschränkt sein. Andere Farben können an deren Stelle treten und es können zusätzliche Schichten hinzugefügt werden, die zusätzliche Farben enthalten. Insbesondere kann, wie es oben erwähnt wurde, Schwarz hinzugefügt werden. Eine Subtraktionsdrehbild- Farbanzeigeeinrichtung der Erfindung kann auch aus weniger als drei Farbkomponenten bestehen. Es kann beispielsweise ein Zweischichtstapel hergestellt werden, der eine erste Schicht Kugeln mit opaken Öffnungsmasken (wie bei der CMYK-Anzeigeeinrichtung) und eine zweite Schicht mit Öffnungsabdeckungen oder -masken einer transparenten Farbe enthält. Eine derartige Anzeigeeinrichtung wäre nützlich bei einer Anzeigeeinrichtung mit Schwarz und einer Signalfarbe. Eine weitere Möglichkeit ist ein Zweischichtstapel mit einer ersten Schicht einer ersten transparenten Farbe und einer zweiten Schicht ihrer komplementären (ebenfalls transparenten) Farbe. Die erste Schicht kann beispielsweise Blau und die zweite Schicht gelb sein. Diese Anzeigeeinrichtung kann jede ihrer Farbkomponenten plus Schwarz erzeugen, was durch Subtraktion der beiden Komplementärfarben erreicht wird.

Graustufen und Teilfarbsättigung

Die Anzeigeeinrichtungen der Erfindung, die bis hier beschrieben wurden, waren bei jeder Farbkomponenten binär. Bei einer monochromen Anzeigeeinrichtung erzeugt beispielsweise ein einzelnes Abbildungselement entweder Weiß oder Schwarz, aber keine Graustufe. In ähnlicher Weise erzeugt bei einer Durchsichtfarbanzeigeeinrichtung ein einzelnes Abbildungselement entweder eine vollständig ungefilterte Lichtübertragung oder eine vollständig gesättigte Farbe oder eine Farbkomponente, aber keine teilweise gesättigten Farben.
Um eine Graustufe und eine Teilfarbsättigung mit der Anzeigeeinrichtung der Erfindung zu erhalten, kann die folgende Technik angewandt werden. Die Anzeigeeinrichtung wird mit einer charakteristischen Abtastrate, beispielsweise einer Videobildabtastrate, betrieben. Jedes Pixel wird einige male während eines einzelnen Teilbildes readressiert (teilabgetastet). Dies gestattet einen Lichtdurchlaß proportional zum gewünschten Helligkeitspegel für jedes Pixel. Um den Dynamikumfang zu erhöhen, kann die Projektionslichtquellenintensität für jede Teilabtastung (z. B. logarithmisch) variiert werden.

Variationen und Erweiterungen

Die zuvor aufgeführten speziellen Ausführungsformen stellen lediglich einige der Möglichkeiten für die Ausführung der vorliegenden Erfindung dar. Viele weitere Ausführungsformen sind im Rahmen des Geistes der Erfindung möglich. So zum Beispiel:
Eine Drehbildfarbdurchsicht-Anzeigeeinrichtung der Erfindung muß nicht auf herkömmliche RGB- oder CMY-/CMYK-Farbschemata beschränkt sein. Um den Farbtonumfang zu verbessern, können zusätzliche Farben enthalten sein. Darüber hinaus kann eine spezielle eigens hergestellte Farbe verwendet werden, um beispielsweise die korrekte Darstellung eines Firmenlogos sicherzustellen. Es können auch weniger Farben verwendet werden; wie es bereits zuvor ausgeführt wurde, kann eine Signalfarbvorrichtung ausgebildet werden.
Die elektrische Anisotropie eines Drehbildkugel muß nicht auf dem Zetapotential basieren. Es reicht aus, daß es ein elektrisches Dipolmoment gibt, das der Kugel zugeordnet ist, wobei das Dipolmoment im Bezug auf die Kugel derart ausgerichtet ist, daß eine geeignete Drehung der Kugel in Gegenwart eines angelegten externen elektrischen Feldes ermöglicht wird. (Normalerweise ist das Dipolmoment entlang einer Symmetrieachse der Kugel ausgerichtet). Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß eine Drehbildkugel ein elektrisches Monopolmoment zusätzlich zu ihrem Dipolmoment haben kann, wie etwa für den Fall, bei dem das Dipolmoment aus einer Trennung zweier positiver Ladungen unterschiedlicher Größen entsteht, wobei die resultierende Ladungsverteilung äquivalent zu einem positiven elektrischen Monopol ist, das mit einem elektrischen Dipol überlagert wird.
Obwohl die Drehbildkugeln, die beschrieben wurden, mit einer Drehung auf die Gleichstrom-Adressierspannungen ansprechen (wohingegen jene, die von Goodrich im US-Patent No. 4,261,653 beschrieben sind, dies nicht tun), können diese Kugeln ebenso auf bestimmte Wechselstrom-Adressierspannungen ansprechen. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, daß bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung selbst auf Drehbildkugelanzeigeeinrichtungen anwendbar sind, bei denen die Kugeln lediglich auf Nicht-Gleichstromspannungen mit einer Drehung reagieren (z. B. Hochfrequenzspannungen in Goodrichs Fall).
Die optische Anisotropie einer sphärischen Drehbildlinsenkugel muß nicht auf einer Farbe basieren. Andere optische Eigenschaften, die als unterschiedliche Aspekte der Drehbildkugel variieren können, bieten sich einem Betrachter, wie etwa (jedoch nicht ausschließlich) die Polarisation, Dopplebrechung, Phasenverzögerung, Lichtstreuung und die Lichtreflexion. Im allgemeinen können die Drehbildkugeln verwendet werden, um Licht auf viele verschiedene Arten zu modulieren.
Das einfallende Licht, das auf die Drehbildanzeige trifft, muß nicht auf sichtbares Licht beschränkt sein. Mit geeigneten Materialien für die Drehbildkugeln kann das einfallende "Licht" beispielsweise Infrarotlicht oder UV-Licht sein, wobei ein derartiges Licht durch die die Drehbildanzeige moduliert werden kann.
Es wurden oben Farbdrehbildanzeigen beschrieben, die eine Farbsättigungssteuerung beispielsweise durch Teilabtasttechniken erzeugen. Eine farbpixeladressierbare Drehbildanzeige, die lediglich zwei Sättigungen jedes Farbpixel ermöglicht, nämlich voll gesättigt oder minimal gesättigt, und keine variable Farbsättigungssteuerung bietet, kann trotzdem Verwendung finden. Insbesondere kann eine CMY-Anzeige hergestellt werden, die sich für Halbtonfarbanwendungen eignet.
Farbdrehbildanzeigen gemäß der Erfindung können auf viele andere Arten ausgebildet werden, als jene, die zuvor beschrieben wurden. Eine RGB-Durchsichtanzeigeeinrichtung kann beispielsweise aus drei separaten sphärischen Linsenanordnungen, eine für jede Farbe, hergestellt werden, deren Abbildungen durch optische Anordnungen kombiniert werden, die jenen gleichen, die bei Projektionsfernsehschirmen Anwendung finden. Als weiteres Beispiel einer RGB- Anzeigeeinrichtung auf der Basis von Öffnungsmasken, kann die Farbe durch eine transparente Farbbeschichtung oder durch Farbstoffe erzeugt werden, die der Facettenaugenanordnung hinzugefügt werden, anstelle gefärbte Materialien für die Linsenkugel an sich zu verwenden.
Bestimmte der oben erwähnten drei Bestandteile der Technologie der Erfindung, d. h. drehbare Linsen, Hilfsoptiken und die Lichtgittersubstrate, können in anderem Zusammenhang und Kombinationen Anwendung finden, als bei jenen, die zuvor beschrieben wurden. Beispielsweise kann eine Drehbildanzeige mit einem Lichtgittersubstrat aus anderen Abbildungselementen als den drehbaren Linsen ausgebildet werden. Die Hilfsoptiken (entweder die Facettenaugenanordnungen oder andere optische Elemente oder eine beliebige Kombination) können bei einer Drehbildanzeige auf der Basis anderer Abbildungselemente als die drehbaren Linsen verwendet werden. Es können drehbare Linsenkugeln anderer Art als jene, die aufgeführt wurden, ausgebildet werden, und es können andere optische Konfigurationen zum Aufnehmen der Kugeln in unterschiedliche Drehbildanzeigen entwickelt werden.
Insgesamt kann eine Drehbild- oder Drehpartikelanzeigeeinrichtung angegeben werden, die über einen Hilfsoptikaufbau verfügt. Die Anzeige enthält ein Substrat mit einem optisch durchlässigen Fenster, mehrere Partikel, die im Substrat angeordnet sind, und ein optisches Fokussierelement, das mit dem Fenster optisch gekoppelt ist. Jeder Partikel hat eine Anisotropie zum Erzeugen eines elektrischen Dipolmomentes, wobei das elektrische Dipolmoment ein derartiges Ansprechen des Partikel verursacht, daß, wenn der Partikel drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist. Eine drehbare Anordnung jedes Partikels kann erreicht werden, wenn der Partikel in folgender Weise angeordnet ist; wenn der Partikel drehbar angeordnet ist, ist er nicht am Substrat befestigt. Jeder Partikel kann, wenn er drehbar im Substrat angeordnet ist, in einer ersten und zweiten Drehausrichtung im Bezug auf das optisch durchlässige Fenster angeordnet werden. Jeder Partikel erzeugt eine erste optische Modulationseigenschaft, wenn er in seiner ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das Fenster angeordnet ist, und erzeugt weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik, wenn er in seiner zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das Fenster angeordnet ist. Das optische Fokussierelement kann optisch brechend sein; es kann beispielsweise eine Anordnung konvergierender Linsen, wie etwa eine "Facettenaugen"-Anordnung von Mikrolinsen enthalten. In diesem Fall können die Partikel in einer Anordnung angeordnet werden, die mit der Linsenanordnung ausgerichtet ist.
Es kann eine Drehbild- oder Drehpartikelanzeigeeinrichtung angegeben werden, die ein "Lichtgitter"-Substrat enthält. Die Anzeigeeinrichtung enthält ein Substrat mit einer mit Hohlräumen versehenen Matrix, dessen Hohlräume sich im wesentlichen in einer einzigen Schicht befinden und innerhalb der Matrix im wesentlichen in einem geometrisch regelmäßigen Muster angeordnet sind, und mehrere optisch anisotrope Partikel, die in den Hohlräumen im Substrat angeordnet sind, wobei jeder Hohlraum höchstens einen der optisch anisotropen Partikel enthält.
Eine drehbare Anordnung jedes Partikels wird erreicht, wenn sich der Partikel auf folgende Weise im Substrat befindet; wenn der Partikel drehbar angeordnet ist, ist er nicht am Substrat befestigt. Jeder Partikel kann beispielsweise eine Anisotropie zum Erzeugen eines elektrischen Dipolmomentes haben, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel ein derartiges elektrisches Ansprechverhalten verleiht, daß, wenn der Partikel in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist. Die einzige Schicht der Hohlräume kann im wesentlichen plan sein, und das geometrische Muster der Hohlräume kann ein zweidimensionales Anordnungsmuster in der Ebene der Schicht sein, wie etwa ein sechseckiges, rechteckiges oder rhombisches Anordnungsmuster. Das Substrat kann weiterhin erste und zweite Elemente enthalten, wobei zwischen diesen Elementen die Matrix angeordnet ist; wenigstens eines der Elemente kann ein optisch durchlässiges Fenster enthalten, durch das ein Fluß optischer Energie dringen kann, so daß er auf die Partikel trifft.
Es kann eine Kombination aus einem optisch durchlässigen dielektrischen Fluid mit einem ersten Brechungsindex und einem optisch anisotropen Partikel angegeben werden, der drehbar im Fluid angeordnet ist. Der Partikel verfügt über wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich, der einen zweiten Brechungsindex hat. Der Partikel erzeugt eine erste optische Modulationscharakteristik, wenn er sich im Fluid in einer ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie befindet, und erzeugt weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik, wenn er im Fluid in einer zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie angeordnet ist. Der Partikel hat eine Anisotropie zum Erzeugen eines elektrischen Dipolmomentes, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel ein derartiges Ansprechverhalten verleiht, daß, wenn der Partikel drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist. Die Anordnung des Partikels im Fluid kann beispielsweise das elektrische Dipolmoment des Partikels vergrößern. Die Fluid-Partikelkombination kann verwendet werden, um eine Drehbild- oder Drehpartikelanzeigeeinrichtung auszubilden, bei der jeder drehbare Partikel (z. B. eine sphärische Kugel) in der Anzeigeeinrichtung als Linse wirkt.
Demzufolge ist der Geltungsbereich der Erfindung nicht auf die vorangehende Beschreibung beschränkt, sondern durch die anhängenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Vorrichtung, enthaltend:

ein Substrat [22, 90, 120, 154] mit einem optisch durchlässigen Fenster [25, 96];

mehrere Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076], die jeweils wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich aufweisen und im Substrat [22, 90, 120, 154] angeordnet sind, wobei jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine Anisotropie hat, um ein elektrisches Dipolmoment zu erzeugen, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine elektrische Reaktionsfähigkeit verleiht, so daß, wenn der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] erzeugt wird, der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist,

wobei eine drehbare Anordnung jedes Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] erreicht werden kann, während der Partikel (21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076) auf diese Weise im Substrat [22, 90, 120, 154] angeordnet ist; wobei der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076], wenn er drehbar angeordnet ist, nicht am Substrat [22, 90, 120, 154] angebracht ist, jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076], wenn er drehbar im Substrat [22, 90, 120, 154] angeordnet ist, in einer ersten und zweiten Drehausrichtung im Bezug auf das optisch durchlässige Fenster [25, 96] angeordnet werden kann,

jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] ein erste optische Modulationscharakteristik aufweist, wenn er in der ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das optisch durchlässige Fenster [25, 96] angeordnet ist;

und jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik aufweist, wenn er in der zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie durch das optisch durchlässige Fenster [25, 96] angeordnet ist; sowie

ein optisches Modulationselement [27, 39, 44, 64, 89, 110, 131a, 169], das optisch mit dem optisch durchlässigen Fenster [25, 96] gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das optische Modulationselement [27, 39, 44, 64, 89, 110, 131a, 169] eine Anordnung von Linsen [27, 39, 44, 89, 110, 131a, 169], vorzugsweise konvergierende Linsen enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der sich die Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] in einer Anordnung befinden, die mit der Linsenanordnung [27, 39, 44, 64, 89, 110, 131a, 169] ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der optisch durchlässige Bereich jedes Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] der ersten optischen Modulationscharakteristik zugeordnet ist und jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] weiterhin einen Bereich enthält, der eine zweite optische Eigenschaft aufweist, die der zweiten optischen Modulationscharakteristik zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin enthaltend eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, um eine Drehung wenigstens eines Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] zu ermöglichen, der drehbar im Substrat [22, 90; 120, 154] angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Substrat [22, 90, 120, 154] eine Matrix [125 und 126] enthält, die mehrere Hohlräume [33, 53, 73] aufweist;

und ein optisch durchlässiges dielektrisches Fluid mit einem ersten Brechungsindex, das sich in den Hohlräumen [33, 53, 73] der Matrix [125 und 126] befindet; und

die zahlreichen Partikel [21, 30; 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] in den Hohlräumen [33, 53, 73] der Matrix in Kontakt mit dem optisch durchlässigen dielektrischen Fluid angeordnet sind, wobei jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich mit einem zweiten Brechungsindex aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] mehrere Komponentenbereiche aufweist, die den Partikeln [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine optische Anisotropie verleihen, wobei die Bereiche einen ersten Bereich mit der ersten optischen Modulationscharakteristik und einen zweiten Bereich mit der zweiten optischen Modulationscharakteristik aufweisen.

8. Kombination, bestehend aus:

einem optisch durchlässigen dielektrischen Fluid mit einem ersten Brechungsindex; und

einem optisch anisotropen Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076], der drehbar im Fluid angeordnet ist,

wobei der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich aufweist, der einen zweiten Brechungsindex hat,

der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine erste optische Modulationscharakteristik erzeugt, wenn er sich im Fluid in einer ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie befindet;

der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik erzeugt, wenn er sich im Fluid in einer zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie befindet,

und der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine Anisotropie hat, um ein elektrisches Dipolmoment zu erzeugen, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine elektrische Reaktionsfähigkeit verleiht, so daß, wenn der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] erzeugt wird, der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist.

9. Kombination nach Anspruch 8, bei der der optisch durchlässige Bereich des Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] der ersten optischen Modulationscharakteristik zugeordnet ist und der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] weiterhin einen Bereich enthält, der eine zweite optische Eigenschaft aufweist, die der zweiten optischen Modulationscharakteristik zugeordnet ist.

10. Kombination nach Anspruch 9, bei der der Bereich mit der zweiten optischen Eigenschaft eine Beschichtung [72, 100, 120] enthält, wobei die Beschichtung wenigstens einen Teil des Partikels [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] aber nicht den gesamten Partikel bedeckt:

11. Projektionsvorrichtung enthaltend:

eine Quelle [L, 95] zum Erzeugen eines parallelgerichteten Lichtstrahls;

eine Lichtmodulationsvorrichtung, die die Vorrichtung von Anspruch 7 enthält;

und

eine Einrichtung zum Projizieren eines Bildes, das dadurch erzeugt wird, daß der parallelgerichtete Lichtstrahl wahlweise die Lichtmodulationsvorrichtung durchläuft.

12. Verfahren, enthaltend folgende Schritte:

a) Erzeugen von Licht mit einer Lichtquelle [L, 95], das auf eine Modulationsvorrichtung trifft, wobei die Vorrichtung mehrere Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] enthält, die drehbar in einem Arbeitsfluid angeordnet sind, das einen ersten Brechungsindex hat,

wobei jeder optisch anisotrope Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075; 1076] über wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich mit einem zweiten Brechungsindex verfügt,

jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine erste optische Modulationscharakteristik erzeugt, wenn er sich im Fluid in einer ersten Ausrichtung im Bezug auf einen Flußoptischer Energie befindet,

jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] weiterhin eine zweite optische Modulationscharakteristik erzeugt, wenn er im Fluid in einer zweiten Ausrichtung im Bezug auf einen Fluß optischer Energie angeordnet ist,

und jeder Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine Anisotropie aufweist, um ein elektrisches Dipolmoment zu erzeugen, wobei das elektrische Dipolmoment dem Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] eine elektrische Reaktionsfähigkeit verleiht, so daß, wenn der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] drehbar in einem elektrischen Feld angeordnet ist, während das elektrische Dipolmoment des Partikels erzeugt wird, der Partikel [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076] dazu neigt, sich in eine Ausrichtung zu drehen, in der das elektrische Dipolmoment mit dem Feld ausgerichtet ist;

b) Modulieren mit Hilfe der Modulationsvorrichtung wenigstens eines Teils des Lichtes, das auf die Modulationsvorrichtung trifft; und

c) Projizieren des auf diese Weise modulierten Lichtes auf eine Betrachtungsoberfläche [29, 167] mit Partikeln [21, 30, 40, 50, 70, 91, 1074, 1075, 1076], die mit dem Fluid in Kontakt stehen.