JP2009524850A - 光の取り出しと制御のための光学的微細構造 - Google Patents

光の取り出しと制御のための光学的微細構造 Download PDF

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Abstract

光学ディスプレイシステムまたは任意のディスプレイ（１００）の観測者に利用可能な光の質を改良する微細構造の適用。内部全反射により光を取り出すために、１つの表面を光ガイド（２０１、４０３、５０５、７０６、８０６、９０２、１２０１、１４０８、１５０２）に直接接触または近接近するように移動させる概念に基づいて動作する。その性能を向上させるために光学的微細構造が活性層（２０２、４０４、５０６、６０４、７０４、１５０１）の片面または両面の上に導入される。

Description

本発明は主にディスプレイの分野に関し、より一般的には、導波路の表面に選択的、制御可能に接触する手段を通して導波路から光が取り出される任意のディスプレイシステムに関する。
本発明は、不満足な内部全反射（frustrated total internal reflection：ＦＴＩＲ）の概念に基づいて働く光学ディスプレイシステムまたは任意のデバイスを生み出す場合に生じる、改良のためのいくつかの実施形態を取り扱うものであり、内部全反射の例は、参照により本明細書に組み込まれる特許文献１に開示された時分割光シャッタ（ＴＭＯＳ）ディスプレイである。改良のための実施形態は、ＦＴＩＲディスプレイの設計における３つの基本光学材料に関連して現れる。ディスプレイ応用例では、名目上画素が存在するとされる位置がアーキテクチャ（構造）の内部で規定される。この画素が存在する場合は、（ＴＩＲ状態を減衰させるために画素の制御可能な切り換えを「オン」状態にすることによって）ＦＴＩＲが生じるときに光ガイドからの効率的な光結合が望まれる。画素が存在しない場合は（例えば画素間の非活性領域）では、極めて非効率な光結合が望まれる。要求されるときに光を画素位置から外に出すために、光学材料は、ＦＴＩＲに極めて非効率な位置からＦＴＩＲに相対的に効率的である位置へと移動する。全ての画素の中間の位置では、材料はＦＴＩＲに常に非効率的である。
この状態に対処するための最近の方法は３つの基本的材料を含み、それらは、（１）全反射（ＴＩＲ）光ガイド、（２）光ガイド材料よりも低い屈折率を有するクラッド材料、および（３）活性層である光学的結合材料である。画素から光が必要とされない（すなわち、ＴＩＲが局所的に保存されるべき）場合は、ＴＩＲの減衰はこの画素位置では著しくないので光が光ガイドからほとんどまたは全く逃げないように、光学的結合材料は、（空気であってよい）クラッドで隔てられたある位置に置かれる。光が画素から出ることが望まれる（すなわち、ＴＩＲが局所的に保持されるべきでない）ときは、ＴＩＲ条件が崩され画素の位置でＦＴＩＲを生じさせる物理的配置変化によって光が観測者の方向に放出されるように、光学的結合材料が光ガイドの方向に移動する（光ガイドに接触するようになっても、ならなくてもよい）。
ＴＭＯＳ実装体の中央部には画素があり、この画素には、外部の構造体が下にある導波路に近接近または直接接触状態に移動され、反対のターンオフ運動（ｔｕｒｎｉｎｇ−ｏｆｆ ｍｏｔｉｏｎ）が生じるまで光が取り出されるように、一般に力を有利に加えることによって下にある導波路から光を取り出す手段が設けられている。この過程を増強するための実施形態が、下にある導波路からの光を結合することに関して特定されている。
米国特許第５３１９４９１号
特に、観測者に対し目に見える光を最大化する目標に対していくつかの改良方式が特定されている。この方式の最初のものは、画素が「オン」モードのときの光と、意図されたとおりに活性層に入らずに光ガイドの方に反射して戻る任意の光とをより最適に捉えようとするものである。もう１つの改良は、意図されたとおりに観測者の方向に活性層を出ずに活性層の上面から反射しクラッドを横切って反対方向に伝搬しながら光ガイドに戻る任意の光をより最適に捕捉することである。光波を活性層の中により最適に伝達し次いで観測者の方向に出射させる手段は有利なものとなる。
他の改良方式は、観測者の方向に放出されるには浅すぎる角度で連続的に活性層の内部で反射する活性層の光を検討する。これらのモードでは、いくらかの光が観測者に到達しない。改良のためのわずかに異なる機会は、光が外面を離れるときに生じる。しかし、それは、その光が放出されればより最適に観測者に利益を与えられるにもかかわらず、観測者によって容易に知覚されるには浅すぎる角度で外面を離れるときに生じる。これらの浅い角度の（表面に沿って進む）光波を観測者に向けてより直接的に向け直す手段は有益である。
ＴＭＯＳを含むこれらのタイプのデバイスを改良するもう１つの領域は、１つの要素カラーのサイクル時間に対して任意の予測可能かつ短い遅延で、任意の所与の画素をカラーサイクル期間中により制御可能にターンオンさせ、次いでターンオフさせることである。以前の実施形態は、そうした時間枠内で画素を制御可能にターンオフさせることに関して不完全な結果しか示していない。特に、しばしば、ターンオンした画素は、ターン「オン」させるために印加された力が取り去られた後でもオン状態を続ける傾向があり、この挙動はスティクション（張り付き）として知られている。（スティクションの極端なケースの）それらが存在すべきでないときに画素がオンになる場合に、スティクションをより最適に制御することも有利である。また、全体のサイクル期間は超過しないが１サイクル内で意図されたよりも長く「オン」である、より短時間の事象においても有益であり、色がパルス幅変調を介して規定される場合、画素内の１つの要素カラーが意図されたように予想どおりにターンオフしない場合に、画素の知覚される色および／または明るさが幾分歪められる可能性があり、スティクションはパルス幅の望ましくない増加を引き起こし、これにより変換されるべき色の値を歪ませる。全てのＦＴＩＲアーキテクチャ（構造）がスティクションの影響を受けるわけではないが、影響を受けるアーキテクチャはその影響を制限または取り除く任意の改良から利益を得るであろう。
改良の関連領域としては、クラッドが活性層から分離されている画素配置を含む。１つの画素がターン「オン」し次いで再び「オフ」する場合に、意図しない「クロストーク」の危険が予期され、この場合に、隣接する画素中の活性層は隣接画素の「オン」または「オフ」状態への変化によって影響され、材料が下にあるクラッドに対して移動し、それによって隣接画素の活性層内の張力の変化を移動または発生させる。クラッドと活性層との間の相対的な運動を停止させることによって前記「クロストーク」の危険を低減させる手段も有益である。
上記で概観した改良に関する実施物は、接触（または近接近）が生じる表面の１面または両面の上に微細構造を導入することによって、本発明のいくつかの実施形態の中で少なくとも部分的に取り扱うことができる。広範囲な微細構造の幾何学的配置が考慮される。これらの微細構造は、「粗さ」の程度を変化させることによって特徴付けられる、山と谷の半ランダムな分布から構成できる。または、選択された寸法および密度の山と谷のより制御された分布を片面または両面の上に使用することも可能である。より精密に制御された条件下で、特定の幾何学的配置をきちんと規定された寸法および分布で使用できる。
本発明は、活性層の片面または両面の上に光学的微細構造を導入することによって光の取り出し過程を増強するものである。活性層は入力機能と出力機能の両方を有するので、両者を増強させるための手段が想定される。活性層への入力機能は内側の表面の上で生じるので、この内側表面が、導波路から活性層の中への光の移行を促進するための手段であるコレクタカップラを本発明の実施形態が付け加える場所である。コントラストを向上させるために、不透明材料をコレクタカップラの間に隙間を埋めるように配置してもよい。この不透明材料は導電性のものとすることができ、この導電性材料は画素を駆動するときに使用できる。出力機能は外面で生じるので、この位置で、本発明の実施形態は、光波が活性層から解き放たれる確率を高めるためと、より多くの光波が観測者に到達するように光波の向きを変えることによって見かけの強度を向上させるためと、の両方の手段であるコリメータを付け加える。スティクションおよび画素と画素とのクロストークなどの問題は材料および配置の有利な選択によって緩和される。
前述の内容は、以下に続く本発明の詳細な説明をより良く理解されるために、本発明の１つまたは複数の実施形態の特徴および技術的な利点をどちらかといえば広範に概観したものである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の付加的な特徴および利点は、以下に説明されよう。
以降の詳細な説明を以下の図面と共に考察するなら、本発明のより良い理解を得ることができる。
以降の説明では、多くの特定の詳細を本発明の完全な理解を与えるために記載している。しかし、本発明はそうした特定の詳細を用いなくても実施できることは当業者には明らかであろう。他の事例では、本発明を曖昧にさせないために詳細な物理的特徴が必要以上の詳しさで理想化されている。だいたいにおいては、タイミングの問題点等を考察すること等の詳細は、そうした詳細が本発明の完全な理解を得るためには不必要であり、当業者のスキルの範囲内にあるので、割愛した。
特許文献１で最初に表明されたＴＭＯＳの全体的な概念を図２および図３に簡単に示す。図２において、初めに「オフ」位置２１１にあり次に「オン」位置２１２になる１つの画素１０１の側面図２００を示す。内部の光ガイド２０１とその中に含まれる光波２０４とが、２つの間の空間内の「オフ」クラッド２０３と共に活性層２０２に対して示されている。先に説明したように、「オフ」２１１はＴＩＲおよび光放出がないことを表し、「オン」２１２は光波２０６が活性層２０２から解き放たれるＦＴＩＲを表す。活性層２０２の位置の光ガイド２０１方向への機械的変化が、クラッド厚さを「オン」クラッド２１３の厚さまで減少させる。
図３は、「オフ」３１１配置を「オン」３１２配置とより明確に対比させるために、２つの隣接した画素の簡略化した側面図表現３００を示す。（図２の２１３に対応する）「オン」クラッド３１３に関して、接触が生じ、したがって、クラッド３１３の厚さがゼロである特殊なケースがここに示されていることに特に留意されたい。この直接接触の場合には付加的モードの結合が使用可能になる可能性があり、したがって、光結合を近接の場合以上に増強できる。
図１は、本発明の実施形態による以下に説明する画素１０１と共に動作するように構成されたＴＭＯＳディスプレイ１００を示す。ディスプレイ１００の上面図すなわち平面図は観測者の視点から示されている。簡単化のために、選択した数の画素１０１だけがマトリックス形式で示されている。任意の数の画素１０１を本発明の原理に従って組み込むことができる。
図４〜図７は、本発明の実施形態をさらに説明するために１つの画素１０１のより詳細な側面図を示すものである。図４は、図３の「オフ」３１１と同様の「オフ」配置の状態にある画素１０１の孤立した図４００を、（図２の２０１に類似の）光ガイド４０３に向き合う内面４０１および観察者（図示せず）に向き合う外面４０２と特定される（図２の２０２に類似の）光結合層４０４の２つの特定の表面と共に示す。
図５において、画素１０１のより詳細な図５００がここでは「オン」位置の状態で示される。３つの機会が、（図４の４０４に対応する）活性層５０６を通過する光の量と方向を最適化することに関連して示されており、それぞれは、個々にまたは組み合わされて、観察者がその有効な光からより完全な利益を得られるように状態を改善できる。第１の増強機会は、活性層５０６と（図４の４０３に対応する）光ガイド５０５との間の境界面で生じ、ここでは、その配置は「オン」位置にあるけれども、光ガイドの中の光は、企図されたように活性層５０６の中に入射せずに、（図４の４０１に対応する）内面５０７から光ガイドの中になおも反射５０１され戻される。第２の増強機会は、光波５０２が光ガイド５０５の中に反射され戻される場合に類似しているが、この場合には、（図４の４０２に対応する）外面５０８が利益にならない反射が生じる場所であり、光波５０２は光ガイド５０５に再入射させられて５０４として示される。第３の増強機会は、光波が活性層に浅すぎる角度で入射し、したがって、光波が有益に外に出ることなく活性層５０６の内部で連続的に反射５０３するときに生じる。
本発明の実施形態が図６に示され、詳細なモデル４００は図の６００に付加された新しいフィーチャ（形状または特徴）を有する。コレクタカップラフィーチャ６０１が（図４の４０１に対応する）内面６０３に付け加えられている。コレクタカップラフィーチャは、光ガイドと「オン」活性層との境界面の近傍に接近する光波と相互作用し、光波が光ガイドを出て活性層に入射する確率を高めて、観測者に向けて光を放出するために（図４の４０２に対応する）活性層の外面６０４で利用できるようにする。この観測者への放出は本発明のもう１つの実施形態によってさらに増強できる。より具体的には、外面６０４の上にコリメータフィーチャ６０２を加えることができる。２つの方法で利益を生み出すことが前記コリメータフィーチャ６０２の目的である。これらのうちの第１の方法は、光波が活性層の外面６０４とコリメータフィーチャ６０２との間の境界面近傍に接近するときにその光波と相互作用することである。前記相互作用を通じて、光波が外面６０４を出てコリメータフィーチャ６０２に入る確率が高まり、それにより、観測者の方に誘導されるべき使用可能な光波の量が増加する。コリメータフィーチャ６０２の第２の利益は、光波がコリメータフィーチャ６０２に入射した後のこの誘導プロセスに関係する。前記構造体６０２の光学特性は、普通なら表面６０４を浅い角度で前記表面６０４に概ね平行な角度で離れてゆく傾向にあるはずの光波の向きを変え、そうではなく、光波を観測者の方向により近く、表面６０４に対してより垂直に近い方向に向けてコリメータフィーチャの外面から離れさせるように、有利に選択される。
コレクタカップラ６０１、コリメータフィーチャ６０２および本明細書で開示される他の類似のフィーチャを活性層の上に製造するための１つの実施形態は、Ｎａｎｏｖｅｎｔｉｏｎｓ社（住所 ジョージア（３００７６）州、ロズウェル、ノースフィールドコート、１０５０番地、スート２８０）から市販されているロールツーロールプロセス機械を使用して未調整の活性層を処理するステップを含む。薄膜ポリマー基板の上にアクリレートの微細フィーチャの高速化学リソグラフィを可能にするＮａｎｏｖｅｎｔｉｏｎｓ社のロールツーロールプロセスを使用して、構造体６０１と６０２とを、光出力と機械的完全性の双方について所望の性能をその下に生じさせるようにした、未調整の活性層ポリマーシートの上に製造できる。また、こうした構造体は、Ｉｏｗａ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ社によって実現されているような連続堆積およびモノリシック集積を使用したロールツーロールの展開を介しても形成できるが、一方で、大量のシートポリマー製造のための類似の定評のある方法は、３Ｍ、ＤｕＰｏｎｔ、およびＧＥ Ｐｌａｓｔｉｃなどの巨大産業でも何年にもわたって成功を享受している。また、構造体６０１および６０２は、適切に相互に作用するポリマー（例えば、十分に低粘弾性の挙動を有する熱可塑性樹脂）の内部に所望の幾何学的形状を刻印するように設計されたものであって、金属シリンダ内部にエッチングされたネガ金型トポロジーを介しても形成できる。
図７は、ここでは「オン」モード７００になっているモデル６００を示す。最初に示される実施形態では、（図６の６０１に対応する）コレクタカップラフィーチャ７０７は、光波が活性層７０４の内部に結合し観測者の方向に透過される確率を高める。このような配置の有利な選択によって、相互に強めあう電磁的挙動を通じた相互作用のアンテナ効果および光増幅、所望の波長におけるウィスパーギャラリーモード（ｗｈｉｓｐｅｒ ｇａｌｌｅｒｙ ｍｏｄｅ）共鳴と強化、相補的表面プラズモン効果および関連した以前の共鳴と強めあう相互作用、ならびに当業者には明らかな他の有利なメカニズムを含むがこれらに限定されない、結合を増強させるメカニズムが組み込まれる。これらの２次的効果は、波長範囲が可視光のそれであることを除けばアンテナの注意深い設計で得られる増幅効果と異ならない、幾何学的位置関係により可能となる増幅によって生じる。表面プラズモン共鳴の場合には、表面を横切って伝搬する電磁場が、適切に最適化され戦略的に選択されたシステム的幾何学的位置関係から生ずる擬似アンテナのような効果によって、同様の方法で増幅を受ける。
前記コレクタカップラフィーチャの実施例が、図１４に示した複合マイクロレンズ１４００である。マイクロレンズ１４００の形状は、アパーチャ１４０６の中に結合した光が活性層１４０２の内面に接触する前にマイクロレンズ１４００の内部で全反射するのに十分な条件のもとで、側面１４０１に接触するように設計される。次いで、光は活性層６０４の外面を通過するのに十分な角度で反射され、ディスプレイを出る。
図１６は、複合マイクロレンズ１４００のいくつかの例示の形状を示す。マイクロレンズ１４００は、角錐台１６０１、円錐台１６０２、複合放物面体１６０３、複合楕円体、ポリオブジェクト、または立体を生み出すように回転された任意の円錐断面などの、非結像光学の技術分野で知られている任意所望の形状を有することができる。光ガイド表面１４０３に面したマイクロレンズの端面部分は平坦であり、マイクロレンズを錐台の形状としている。この平坦な表面領域は、光がそこを通じて光ガイド１４０８からマイクロレンズ１４００の内部に結合するアパーチャ１４０６である。マイクロレンズ１４００のアパーチャ直径１４０６および高さ１４１１に対するマイクロレンズ１４００の上部直径１４０５の関係は、光ガイド１４０８の屈折率およびマイクロレンズ１４００を構成する材料の屈折率によって決定される。光ガイド１４０８の屈折率は、光ガイド１４０８内のＴＩＲ光の臨界角（すなわち、利用可能なＴＩＲ光の角度範囲）を決定する。光ガイド１４０８からマイクロレンズ１４００に光が結合するとき、光はマイクロレンズ材料の屈折率に従って角度を変える。マイクロレンズの側面１４０１の角度は、光ガイド１４０８から結合した光がマイクロレンズ１４００の側面１４０１に対するＴＩＲを維持するように構成される。マイクロレンズ１４００の高さ１４１１は、マイクロレンズ１４００の内部に結合される全ての、または実質的に全ての、光が上面１４０５に当たる前にマイクロレンズ１４００の側面１４０１に当たるように決定される。例えば、屈折率１．５２の光ガイド１４０８と屈折率１．６のマイクロレンズ１４００とは、アパーチャ１４０６の直径がマイクロレンズの上部直径１４０５の約１／２の寸法であることを必要とする。本実施例では、マイクロレンズ１４００の高さ１４１１は上部直径１４０５の約６０％である。本実施例では、マイクロレンズ１４００は、マイクロレンズ１４００に結合した光１４１０の９６％超の向きを変えて、活性層１４０２の内面を横切り（観測者に向かって）活性層の上面から出射させる。
また、（図６の６０２に対応する）コリメータフィーチャ７０３を（図６の６０４に対応する）外面７０２に付加することによっても、利益を実現できる。この利益は先に論じた増強機会５０２に取り組むものである。コリメータフィーチャ７０３の有利な選択を通じて、反射７０５が光ガイド７０６に戻る（図５の５０２に対応する）望ましくない確率が低減され、より多くの光が表面７０２を通過して外に出る。
コリメータフィーチャ７０３を付加することによって利益が実現でき、このコリメータフィーチャ７０３は、観測者にとってより利用できるように、放出される光７０１をより望ましい放出角度に有利に向け直すように選択される。有利には、表面７０２にほぼ平行な角度で放出された光波は、前記表面７０２に対してより垂直になりこれにより観測者に対してより目に見えるように向け直される。この改良は、上述した内部に関する実施例に付加されるものであることに留意されたい。
また、図１４のマイクロレンズ１４００もコリメータとして機能できる。マイクロレンズの形状は、光が活性層を所望の角度で、活性層６０４（図６）の外面に概ね並行ではない角度で、出射するように非結像光学で知られた方法で設計できる。
図８は、（図６の６０１に対応する）コレクタカップラ有益フィーチャ８０２とフィーチャ８０１の追加されたセットとを含む「オフ」側面図６００の拡大図８００を示す。この第２集団のコレクタカップラフィーチャ８０１を追加し２方式の集団を生成することによって、「背景技術」で述べたスティクション問題に対処する付加的な利益が達成される。単純化した例示は、この付加的集団８０１の特徴、すなわち、全体の母集団の中で付加的集団８０１は他のモード８０２よりも長いことを示している。この表面８０１が光ガイド８０６に接触するようになると、より長い集団８０１は、最初に接触し、次いで、表面８０３、８０７が共に接近するのに応じて第１集団もまた近接近または直接接触するまで圧縮される。「オフ」メカニズムが作動し表面８０３、８０７が分離されるようになると、圧縮された第２集団８０１は圧縮されたばねのように作用し分離移動の始動に役立つように短時間であるが強い力を発生する。前記の分離力は、分離が丁度開始しスティクションが最悪になるまさにその位置で、最も強くなる。当然ながら、この単純化した例示のために２つの集団について説明したが、これが本発明を限定すると考えるべきではなく、そうではなく、本発明は、スティクションに打ち勝ち前述の光結合を向上させることにも関連した前記の利益を有利に達成するために、ある範囲の高さを有する２つ以上のモードの複数の異なる集団をさらに想定している。
図９は、７００に示した「オン」位置に概ねあるが配置の詳細をより明瞭に示すために接触する直前の位置で示された画素１０１の実施形態の側面図の拡大図９００であり、それらは本発明の意図の実施形態を示す助けとするために簡略化されていることを理解されたい。斜めのフィーチャ９０１は、その光学的挙動がコレクタカップラフィーチャ６０１に類似であり、したがって類似の利益を得るけれども、しかしこの付加的な詳細は１つの利益を生み出す。斜めのフィーチャ９０１が光ガイド９０２に接触するようになると、それらは、圧縮されたばね（図１０を参照）のように位置エネルギーを増やすような方法で弾性的に変形される。「オン」期間が終了し「オフ」モードが始動すると、これらフィーチャ９０１は、上述のフィーチャ８０１と同様に、スティクションに打ち勝つために利用可能な力を有益に高められる位置エネルギーを初期分離力の形で有利に解放できる。
図１０は、図９で参照した弾性的にバイアスされたコレクタカップラフィーチャ９０１の１つの個別の実施例１０００の側面図を示し、ここでは最大に圧縮１００１された完全な「オン」状態にある。この図は、本発明の実施形態をより明瞭に示すために単純化され誇張されている。図に示された圧縮は実際には弾性的であり、したがって分離する方向の力を形成し、それによってスティクション問題に打ち勝つために利用可能な全体的な力を有益に高めることができることを理解されたい。
図１１は、図８に示したような本発明の付加的２方式コレクタカップラフィーチャを有する「オフ」状態の１つの分離画素１０１の実施形態の側面図１１００を示し、ここでは、（図８の８０１に対応する）第２集団のより長いフィーチャ１１０７は、分散された接点１１０２と、（図８の８０２に対応する）表面フィーチャ１１０６の直下の「ばねのような」高度にコンプライアント（従順）な材料の層１１０１と、１１０７とを備えた分散された隔離として働く。それだけには限らないが、スティクションに打ち勝つためのいくつかのメカニズムが考えられる。すなわち、活性層１１０４それ自体が、「オン」圧縮の後に回復力を提供できるある種のコンプライアンスを持つことができ、同様に、より長い隔離フィーチャ１１０７が、「オン」期間中に弾性的に圧縮されることが意図され、スティクションに打ち勝つ回復力も提供し、また、高度にコンプライアントな層１１０１が、スティクションに打ち勝つためにコンプライアンスと次いで回復力とを提供するように選択される。
図１２は、図８に示されたような本発明の付加的な有益フィーチャを備えた「オフ」状態の１つの孤立画素１０１の側面図１２００を示し、ここでは、隔離フィーチャ１２０１の集団だけが、光ガイド１２０２との平坦な支持材料１２０５の幅広い直接接触を可能にするように隔離１２０１を十分に圧縮させる（１１０１に類似の）高度にコンプライアントな支持材料１２０５と共に示される。前記高度にコンプライアントな材料１２０５と圧縮された隔離（部）１２０２とは、「オン」が「オフ」に切り替わったときにスティクションに打ち勝つ回復力を両者とも提供できる。
示されている配置は本概念を説明するための単純化であるだけでなく、異なる有益な実施形態を有利に組み合わせることもできることを理解されたい。例えば、また、図８の８０１のような多方式の集団は、複数の手段によってスティクションに打ち勝つために、ばねのような分離力を発生させる、斜めのまたは他の有利に選択された幾何学的形状を、長くない（ｎｏｎ−ｌｏｎｇｅｒ）集団の中に組み込むこともできる。
本発明の付加的な実施形態を図１５に示す。光はコレクタカップラフィーチャ１５０３によって光ガイドから結合されるので、不透明材料１５０４をコレクタカップラフィーチャ１５０３の間に配置できる。不透明材料１５０４は、光が望ましくない位置で活性層内に入るのを妨げて、ディスプレイの全体的なコントラスト比を改善し画素のクロストークを緩和する。不透明材料１５０４は、各画素のコレクタカップラフィーチャ１５０３間の隙間領域を概ね充填でき、または、この不透明材料１５０４は、これらのフィーチャおよびフィーチャ間の隙間空間のコンフォーマルなコーティングを備えることができる。各コレクタカップラフィーチャ１５０３の（図１４の１４０６に対応する）アパーチャ１５０８は、光がコレクタカップラフィーチャ１５０３内に結合できるようにコーティングしないままに保たれる。ディスプレイの所望の使用に応じて、不透明材料１５０４は特定の色（すなわち、黒色）または反射性とすることができる。
特許文献１に開示されたものなどの静電的に駆動される画素のために、導電性の不透明材料１５０４の堆積が、並行平板キャパシタの１つの平板として作用する。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導体１５０５の層が光ガイドの上に堆積されキャパシタの他の平板を形成する。これらの導体の両端に電位差を与えることによって、可撓性の活性層１５０１は静電引力の手段によって光ガイド１５０２の方に引き寄せられ、それにより画素を「オン」状態に置く。２つの導体層間の短絡を防ぐために、誘電体１５０６の層を透明導体１５０５の上面に堆積できる。このような方法での導体の堆積は、透明導体の層を（観測者の光学的経路内で）活性層の上に堆積させる必要性を無くす。これはディスプレイ効率を向上させ、一方で不透明導体に比較して透明導体に関するコストを削減する。
本発明を実施するための代表的ハードウェア環境が図１３に示され、この図は、従来のマイクロプロセッサなどの中央演算処理装置（ＣＰＵ）１３１０とシステムバス１３１２を介して相互接続されたいくつかの他のユニットとを有する本発明によるデータ処理システム１３１３の例示のハードウェア構成を示す。データ処理システム１３１３は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１３１４と、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）１３１６と、ディスクユニット１３２０およびテープドライブ１３４０などの周辺デバイスをバス１３１２に接続するための入出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ１３１８と、キーボード１３２４、マウス１３２６、および／またはタッチスクリーンデバイス（図示せず）などの他のユーザインターフェースデバイスをバス１３１２に接続するためのユーザインターフェースアダプタ１３２２と、データ処理システム１３１３をデータ処理ネットワークに接続するための通信アダプタ１３３４と、バス１３１２をディスプレイデバイス１３３８に接続するためのディスプレイアダプタ１３３６とを含む。ＣＰＵ１３１０は、例えば、演算ユニット、バスインターフェースユニット、算術論理演算ユニットなどのマイクロプロセッサ内に一般に見られる回路構成を含む本明細書には図示しない他の回路構成を含むことができる。また、ＣＰＵ１３１０は単一集積回路上に常駐もできる。
ディスプレイデバイス１３３８は、ディスプレイ１００および任意の様々な実施形態または本発明の実施形態を利用可能な任意の他のディスプレイ技術を組み込むことができる。ディスプレイアダプタ１３３６内の制御回路は説明を簡潔にするために本明細書には開示されない。
本発明の任意のいくつかの実施形態によって使用される、観測者から見たＴＭＯＳディスプレイの外観図である。 「オフ」状態と「オン」状態にあるＴＭＯＳディスプレイの内部の画素配置の側面図である。 それぞれが「オフ」状態と「オン」状態にあるＴＭＯＳディスプレイ内の２つの隣接する画素の側面図である。 「オフ」状態にあるＴＭＯＳディスプレイ内の１つの孤立した画素の側面図である。 増強された光波挙動のための機会が示されている、「オン」状態のＴＭＯＳディスプレイの１つの孤立した画素の側面図である。 本発明の有益なフィーチャが示されている「オフ」状態の１つの孤立した画素の側面図である。 本発明の有益なフィーチャと対応した有益な挙動が示されている「オン」状態の１つの孤立した画素の側面図である。 本発明の付加的な２モードのコレクタカップラの有益なフィーチャが示されている、「オフ」状態の１つの孤立した画素の側面図である。 本発明の付加的な可撓的にバイアスされたばねのようなコレクタカップラの有益なフィーチャが示されている、ほぼ「オン」状態の１つの孤立した画素の側面図である。 ここでは最大に圧縮された完全に「オン」状態の、図９に参照された可撓的にバイアスされたコレクタカップラフィーチャの１つの個別の実施例の側面図である。 図８に示したような付加的２モードコレクタカップラ有益フィーチャを備えた「オフ」状態の１つの孤立した画素の側面図であり、ここでは、より長いフィーチャの第２集団が分散した隔離として働き、「ばねのような」高度にコンプライアントな材料の層が表面フィーチャの直下にある。 図８に示したような付加的な有益フィーチャを備えた「オフ」状態の１つの孤立した画素の側面図であり、ここでは、隔離フィーチャの集団が、平坦な支持材料の光ガイドとの広い直接接触を可能にするように隔離（部）を十分に圧縮可能にする高度にコンプライアントな支持材料と共に示される。 本発明の実施形態に従って構成されたデータ処理システムである。 「オフ」状態にある画素の活性層の内面の上のコレクタカップラとして使用されるような１つの分離したマイクロレンズの側面図（左）、および「オン」状態にある画素と共に示された同じマイクロレンズの側面図（右）である。 コレクタカップラフィーチャが導電性であってよい不透明な材料で取囲まれた、１つの孤立した画素の一部の側面図である。画素の「オフ」状態と「オン」状態の両方が示される。 複合マイクロレンズのために使用されるいくつかの幾何学的形状を示す図である。
符号の説明
１００ ＴＭＯＳディスプレイ
１０１ 画素
２００ 画素の側面図
２０１ 光ガイド
２０２ 活性層
２０３ 「オフ」クラッド
２０４ 光波
２１１ 「オフ」位置
２１２ 「オン」位置
２１３ 「オン」クラッド
３００ 隣接する画素の側面図
３１１ 「オフ」配置
３１２ 「オン」配置
３１３ 「オン」クラッド
４００ 画素１０１の孤立した図
４０１ 光結合層の内面
４０２ 光結合層の外面
４０３ 光ガイド
４０４ 光結合層
５００ 「オン」位置にある画素の詳細図
５０１ 光ガイドの中の反射光
５０２ 光波
５０３ 活性層内部での反射光
５０４ 光ガイドへの再入射光
５０５ 光ガイド
５０６ 活性層
５０７ 活性層の内面
５０８ 活性層の外面
６００ モデル
６０１ コレクタカップラフィーチャ
６０２ コリメータフィーチャ
６０３ 活性層の内面
６０４ 活性層の外面
７００ 「オン」モード
７０１ 放出される光波
７０２ 外面
７０３ コリメータフィーチャ
７０４ 活性層
７０５ 望ましくない反射
７０６ 光ガイド
７０７ コレクタカップラフィーチャ
８００ 「オフ」状態の側面図の拡大図
８０１ 第２集団のコレクタカップラフィーチャ
８０２ コレクタカップラ有益フィーチャ
８０３ 表面
８０６ 光ガイド
８０７ 表面
９００ 画素側面図の拡大図
９０１ 斜めのフィーチャ
９０２ 光ガイド
１０００ コレクタカップラフィーチャの個別の実施例
１００１ 最大圧縮
１１００ 画素の側面図
１１０１ コンプライアントな材料
１１０２ 分散した接点
１１０４ 活性層
１１０６ ８０２に対応する表面フィーチャ
１１０７ 第２集団のより長いフィーチャ
１２００ 「オフ」状態の画素の側面図
１２０１ 隔離フィーチャ
１２０２ 光ガイド
１２０５ 支持材料
１３１０ 中央演算処理装置
１３１２ システムバス
１３１３ データ処理システム
１３１４ ランダムアクセスメモリ
１３１６ 読み出し専用メモリ
１３１８ 入出力アダプタ
１３２０ ディスクユニット
１３２２ ユーザインターフェースアダプタ
１３２４ キーボード
１３２６ マウス
１３３４ 通信アダプタ
１３３６ ディスプレイアダプタ
１３３８ ディスプレイデバイス
１３４０ テープドライブ
１４００ 複合マイクロレンズ
１４０１ マイクロレンズの側面
１４０２ 活性層
１４０３ 光ガイド表面
１４０５ マイクロレンズの上部直径
１４０６ アパーチャ
１４０８ 光ガイド
１４１０ 光
１４１１ マイクロレンズの高さ
１５０１ 活性層
１５０２ 光ガイド
１５０３ コレクタカップラフィーチャ
１５０４ 不透明材料
１５０５ 透明導体
１５０６ 誘電体層
１５０８ アパーチャ
１６０１ 角錐台
１６０２ 円錐台
１６０３ 複合放物面体

Claims (26)

  1. 光ガイドと、
    活性層と、
    前記活性層の内面の上の第１組のコレクタカップラフィーチャと、を備えた画素であって、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは、光波が前記光ガイドを出射して前記活性層に入射する確率を高めるために、前記光ガイドの近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とする画素。
  2. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャの間に差し入れられた前記活性層の前記内面の上の第２組のコレクタカップラフィーチャをさらに備え、前記第２組のコレクタカップラフィーチャのそれぞれは、前記第１組のコレクタカップラフィーチャのそれぞれよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の画素。
  3. 前記第２組のコレクタカップラフィーチャのうちの１つの表面が前記光ガイドに接触するようになるときに、前記第２組のコレクタカップラフィーチャのうちの前記１つの前記表面は圧縮されることを特徴とする請求項２に記載の画素。
  4. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャの下の高度にコンプライアントな材料の層をさらに備え、前記高度にコンプライアントな材料の前記層は、前記第１組のコレクタカップラフィーチャと前記光ガイドとの間のスティクションに打ち勝つための回復力を与えることを特徴とする請求項２に記載の画素。
  5. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャは斜めであることを特徴とする請求項１に記載の画素。
  6. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャが前記光ガイドに接触するようになるときに、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは位置エネルギーを増やすような方法で弾性的に変形されることを特徴とする請求項５に記載の画素。
  7. 前記オン状態の終了の後でオフ状態に入り次第、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは前記位置エネルギーを解放することを特徴とする請求項６に記載の画素。
  8. 前記活性層の外面の上にコリメータフィーチャをさら備え、前記コリメータフィーチャは、光波が前記活性層の前記外面を出て前記コリメータフィーチャに入射する確率を高めるために、前記活性層の外面と前記コリメータフィーチャとの間の境界面の近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の画素。
  9. 前記コリメータフィーチャの光学特性が、普通なら前記活性層の外面を離れてゆくはずの光波を前記コリメータフィーチャの外面から離れさせるために、前記外面に対してより垂直に近い方向に向きを変えるように選択されることを特徴とする請求項８に記載の画素。
  10. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャの各コレクタカップラの光学特性は、前記光ガイドから前記コレクタカップラに入射する光が、前記コレクタカップラと前記活性層との境界に接触する前に前記コレクタカップラ内部で全反射するのに十分な条件の下で前記コレクタカップラの側面の境界に接触するように選択されることを特徴とする請求項１に記載の画素。
  11. ある材料が前記第１組のコレクタカップラフィーチャの前記コレクタカップラフィーチャ間に割り込んで配置され、前記材料は色吸収性または反射性であることを特徴とする請求項１に記載の画素。
  12. 前記材料は導電体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の画素。
  13. ディスプレイ上に複数の画素を備えるディスプレイシステムであって、前記複数の画素のそれぞれは、
    光ガイドと、
    活性層と、
    前記活性層の前記内面の上の第１組のコレクタカップラフィーチャと、を備え、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは、光波が前記光ガイドを出射して前記活性層に入射する確率を高めるために、前記光ガイドの近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とするディスプレイシステム。
  14. 前記複数の画素のそれぞれは、
    前記第１組のコレクタカップラフィーチャの間に差し入れられた前記活性層の前記内面の上の第２組のコレクタカップラフィーチャを備え、前記第２組のコレクタカップラフィーチャのそれぞれは、前記第１組のコレクタカップラフィーチャのそれぞれよりも長いことを特徴とする請求項１３に記載のディスプレイシステム。
  15. 前記第２組のコレクタカップラフィーチャのうちの１つの表面が前記光ガイドに接触するようになるときに、前記第２組のコレクタカップラフィーチャのうちの前記１つの前記表面は圧縮されることを特徴とする請求項１４に記載のディスプレイシステム。
  16. 前記複数の画素のそれぞれは、
    前記第１組および前記第２組のコレクタカップラフィーチャの下にコンプライアントな材料の層を備え、前記コンプライアントな材料の層はスティクションに打ち勝つための回復力を与えることを特徴とする請求項１４に記載のディスプレイシステム。
  17. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャはそれらの端部で斜めであることを特徴とする請求項１３に記載のディスプレイシステム。
  18. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャが前記光ガイドに接触するようになるときに、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは位置エネルギーを増やすような方法で弾性的に変形されることを特徴とする請求項１７に記載のディスプレイシステム。
  19. 前記オン状態の終了の後でオフ状態に入り次第、前記第１組のコレクタカップラフィーチャは前記位置エネルギーを解放することを特徴とする請求項１８に記載のディスプレイシステム。
  20. 前記複数の画素のそれぞれは、
    前記活性層の外面の上にコリメータフィーチャを備え、前記コリメータフィーチャは、光波が前記活性層の前記外面から出て前記コリメータフィーチャに入射する確率を高めるために、前記活性層の外面と前記コリメータフィーチャとの間の境界面の近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とする請求項１３に記載のディスプレイシステム。
  21. 前記第１組のコレクタカップラフィーチャの各コレクタカップラの光学特性は、前記光ガイドから前記コレクタカップラに入射する光が、前記コレクタカップラと前記活性層との境界に接触する前に前記コレクタカップラ内部で全反射するのに十分な条件の下で前記コレクタカップラの側面の境界に接触するように選択されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  22. ある材料が前記第１組のコレクタカップラフィーチャの前記コレクタカップラフィーチャ間に割り込んで配置され、前記材料は色吸収性または反射性であることを特徴とする請求項２１に記載のディスプレイシステム。
  23. 前記不透明材料は導電体を含むことを特徴とする請求項２２に記載のディスプレイシステム。
  24. 光ガイドと、
    活性層と、
    前記活性層の外面の上のコリメータフィーチャと、を備え、前記コリメータフィーチャは、光波が前記活性層の前記外面から出射して前記コリメータフィーチャに入射する確率を高めるために、前記活性層の外面と前記コリメータフィーチャとの間の境界面近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とする画素。
  25. 前記コリメータフィーチャの光学特性は、普通なら前記活性層の外面から離れてゆくはずの光波を前記コリメータフィーチャの外面から離れさせるために前記外面に対してより垂直に近い方向に向きを変えるように選択されることを特徴とする請求項２４に記載の画素。
  26. ディスプレイ上に複数の画素を備えるディスプレイシステムであって、前記複数の画素のそれぞれは、
    光ガイドと、
    活性層と、
    前記活性層の外面の上のコリメータフィーチャと、を備え、前記コリメータフィーチャは、光波が前記活性層の前記外面を出射して前記コリメータフィーチャに入射する確率を高めるために、前記活性層の外面と前記コリメータフィーチャとの間の境界面の近傍に接近する光波と相互作用するように構成されたことを特徴とするディスプレイシステム。
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