JP3965115B2

JP3965115B2 - 高実効屈折率内部全反射画像表示装置

Info

Publication number: JP3965115B2
Application number: JP2002501127A
Authority: JP
Inventors: エイ．ホワイトヘッド、ローン
Original assignee: ザ・ユニバーシティ・オブ・ブリティッシュ・コロンビア
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: US6304365B1; DE60106245T2; KR100466583B1; JP2003535375A; CA2410955A1; AU2001261976A1; CN100416334C; EP1290486B1; WO2001092980A3; DE60106245D1; WO2001092980A2; CN1454327A; CA2410955C; EP1290486A2; KR20030012868A

Description

【０００１】
発明の分野
互いに直角に配置されたプリズム表面が表示装置の実効屈折率を大きくし、内部全反射（ＴＩＲ）の抑制を制御することにより、表示装置の情報表示能力を強化する表示装置及び方法。
【０００２】
背景
光は、異なる媒体中では異なる速度で伝播することが知られている。速度が変化すると屈折が生じる。スネルの法則は、一方の媒体から、第１の媒体とは異なる屈折率を有する他の媒体へ進む光線の振舞いを記述している。具体的には、以下の式の通りである。
【０００３】
ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２・・・（１）
ここで、図１に示すように、ｎ_１は第１の媒体の屈折率、ｎ_２は第２の媒体の屈折率、θ_１は、光線と２つの媒体間の界面への法線ベクトルとの間の第１の媒体内における入射角（即ち、屈折角）、θ_２は、光線とその法線との間の第２の媒体内における入射角（即ち、屈折角）である。
【０００４】
図１に示すように、光線１０が、ガラス等の屈折率が大きい媒体から、空気等の屈折率が小さい媒体へ進む場合、光線１０は、法線１２から遠ざかるように屈折する。反対に、光線１０が、屈折率が小さい媒体から屈折率が大きい媒体へ進むように逆方向にした場合、光線は、法線１２側へ屈折する。
【０００５】
従って、光線１０がガラスから空気へ抜け出る場合、光線１０の屈折部は、法線１２から遠ざかるように曲がる。光線１０の入射部が法線１２から離れるにつれて、光線１０の屈折部は、法線から遠ざかる。スネルの法則を次の様に解き、光線１０の屈折部がガラスから空気へ抜ける角度θ_２を求めることができる。
【０００６】
θ_２＝ａｒｃｓｉｎ｛（ｎ_１／ｎ_２）ｓｉｎθ_１｝・・・（２）
ｓｉｎθ_１は、ガラス内の光線１０の入射部が法線１２から離れるにつれて、大きくなる。ａｒｃｓｉｎ関数の独立変数におけるｎ_１／ｎ_２は、１を越える（即ち、ガラスの場合、ｎ_１≒１．５、空気の場合、ｎ_２≒１であるため、ｎ_１／ｎ_２≒１．５である）。しかしながら、正弦関数の最大値は１であるため、ａｒｃｓｉｎ関数は、１を越える独立変数に対して、実数値を取らない。その結果、（ｎ_１／ｎ_２）ｓｉｎθ_１＞＝１である場合、屈折角θ_２に対する解は存在しない。実際、このような状況下では、（ｎ_１／ｎ_２）ｓｉｎθ_１＞＝１であれば、ＴＩＲが発生し、入射光線は、ガラス中に反射される。光線１０の屈折部が法線１２から遠ざかるように移動する際、ＴＩＲが最初に発生する角度は、臨界角θ_ｃと呼ばれ、次の式で与えられる。
【０００７】
θ_ｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_２／ｎ_１）・・・（３）
式（３）は、臨界角の大きさが、２つの屈折率ｎ_１、ｎ_２の比に関係することを示す。２つの屈折率の比が比較的大きい場合、臨界角は、比較的小さく（即ち、法線に近く）なり、また、逆の場合も同様である。本発明の目的に対しては、臨界角が小さいと、ＴＩＲが発生し得る角度範囲が大きいことから、臨界角は、小さいことが好ましい（従って、２つの屈折率の比は大きい）。このことは、更に多くの入射光を反射することができ、その結果、双方共望ましい特性であるが、視野角範囲が広く、及び／又は表示の白色が純白に近い表示装置の提供が可能であることを意味する。従って、明らかに、ｎ_１は、可能な限り大きく、また、ｎ_２は、可能な限り小さいことが好ましい。
【０００８】
良く知られているように、ＴＩＲを受ける光線の入射部は、ＴＩＲが生じる界面にわずかに浸透する。この所謂“エバネッセント波侵入”は、可視光に対して約０．２５ミクロンのオーダである。エバネッセント波との干渉（即ち、散乱及び／又は吸収）によって、ＴＩＲを防止すなわち“抑制”し得る。具体的には、エバネッセント波近傍における屈折率を変えることによって、ＴＩＲを抑制し得る。このことは、光吸収材をエバネッセント波に導入することによって、又は、屈折率が均質でない非光吸収材をエバネッセント波に導入することによって、実現し得る。非光吸収材の場合、不均質性は重要である。例えば、均質で細かく分散した粒状の非光吸収材をエバネッセント波に導入すると、その屈折率は、わずかに変化して、対向する媒体の屈折率と等価な値になる。このことによって、ＴＩＲは防止されず、ＴＩＲが生じる隣接境界層が生成されるだけである。
【０００９】
２０００年５月１６日に発行された米国特許第６，０６４，７８４号に記載されているように、プリズム反射表面を用いる画像表示装置において、ＴＩＲを制御して抑制するために電気泳動媒体を用いることができる。“電気泳動”は、良く知られている現象であるが、これによって、電荷を帯びた種（例えば、粒子、イオン又は分子）は、印加した電界の影響により媒体中を移動する。本発明の目的のために、好適な電気泳動媒体は、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ所在の３Ｍ社製、フロリナート^ＴＭ電子液体ＦＣ−７２（ｎ≒１．２５）又はＦＣ−７５（ｎ≒１．２７）伝熱媒体である。しかしながら、明らかに、このように屈折率が比較的小さくても（即ち、アセトニトリル等の代表的有機溶剤の電気泳動媒体に対するｎ≒１．３３と比較して）、屈折率が約１．５から１．７の範囲内にある従来のプラスチック媒体（ｎ≒１．５９のポリカーボネート等）に比べて、屈折率比を大きくするには不充分である。特に、この場合の屈折率比は、ｎ_２／ｎ_１＝１．５９／１．２７≒１．２５であり、このような界面においてＴＩＲを実現するのに必要な５３°という比較的大きい臨界角に対応する。
【００１０】
フロリナート^ＴＭ電気泳動媒体に対して、この臨界角を所望の大きさにするために、（直角二等辺角柱のプリズム材料であると仮定する）隣接材料は、少なくとも屈折率が、ｎ_１＝√２・ｎ_２＝√２・１．２７≒１．８でなければならず、これは、安価なプラスチック材料では実現不可能である。確かに、表示装置表面に対して厳密に直角ではないが、直角に近い範囲の角度内で画像表示装置表面に入射する光線のＴＩＲを容易にするために、隣接材料の屈折率は、好適には、約２．０であるべきである。セラミック材料には、屈折率が実質的に１．８を越えるものがある。しかしながら、このような材料上でプリズム表面を微視的に複製することは、困難であり又高価である。
本発明は、上述した問題点を克服するものである。
【００１１】
発明の概要
本発明は、好適な方向において画像を閲覧するための画像表示装置を提供する。この表示装置は、平行で、巨視的に平面状で、構造化表面で、非光吸収性の光偏向及び光反射部を有し、この光偏向及び光反射部は、互いに垂直な方向において、長手方向に対称であり、この両方向は、好適な閲覧方向に垂直である。複数の可動部材（好適には電気泳動媒体に懸濁された粒子）を含む液体（好適には電気泳動媒体）が、光反射部に接する。制御装置は、電気磁気学的な力を印加して、光反射部に隣接するエバネッセント波領域に選択的（好適には電気泳動的）に部材を移動させ、光反射部上の選択された点において光線のＴＩＲを抑制する。光偏向部の構造化表面は、好適な閲覧方向に入射する光線を、光反射部の長手方向に対称な方向における方向成分を光線に与えることによって、光反射部側に偏向する。光反射部の構造化表面は、ＴＩＲが抑制され選択された点以外の点において、偏向された光線を、偏向部側に内部全反射する。次に、光偏向部の構造化表面は、内部全反射された光線を再度偏向し、そこからの方向成分を相殺し、偏向され内部全反射された光線は、好適な閲覧方向にほぼ平行な方向に表示装置から出現する。
【００１２】
構造化表面は、好適には、プリズム表面である。第１の実施形態において、光偏向部は、互いに平行に延在する第１の複数のプリズムが設けられている薄板の外側表面であり、光反射部は、互いに平行に延在し、第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第２の複数のプリズムが設けられているその薄板の内側表面である。薄板は、１．６以上の屈折率を有する材料から形成され、好適には、約１．７３の屈折率を有する複合高分子材料から形成される。更に好適には、電気泳動媒体は、フロリナート^ＴＭ電子液体等であり、約１．２７の屈折率を有する。
【００１３】
第２の実施形態において、光偏向部には、次の構成要素が備えられている。即ち、（ｉ）互いに平行に延在する第１の複数のプリズムが設けられている外側表面と、対向する平坦な内側表面と、を有する第１薄板と、（ｉｉ）第１薄板にほぼ平行な第２薄板の外側表面であって、互いに平行に延在し、第１の複数のプリズムに平行に延在する第２の複数のプリズムが設けられた第２薄板の外側表面と、（ｉｉｉ）第１と第２薄板との間の空隙と、が備えられている。第２実施形態の光反射部は、第２薄板における内側表面上にある第３の複数のプリズムであって、互いに平行に延在し、第１と第２の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第３の複数のプリズムである。
【００１４】
第３の実施形態において、光偏向部には、以下の構成要素が備えられている。即ち、（ｉ）平坦な外側表面と、又、互いに平行に延在する第１の複数のプリズムが設けられている対向する内側表面と、を有する第１薄板と、（ｉｉ）第１薄板にほぼ平行な第２薄板の平坦な外側表面と、（ｉｉｉ）第１及び第２薄板間において、低屈折率媒体を含む間隙と、が備えられている。第３の実施形態の光反射部は、第２薄板における内側表面上にある第２の複数のプリズムであって、互いに平行に延在し、第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第２の複数のプリズムである。
【００１５】
第４の実施形態において、光偏向部は、平坦な外側表面と、互いに平行に延在する第１の複数のプリズムが設けられている対向する内側表面と、を有する第１薄板であり、光反射部は、前記第１薄板にほぼ平行な平坦な内側表面と、互いに平行に延在し、前記第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第２の複数のプリズムが設けられている対向する外側表面と、を有する第２薄板である。第４の実施形態の光偏向部には、前記第１と第２の薄板との間に低屈折率媒体を含む間隙が備えられている。
【００１６】
第２、第３及び第４の実施形態において、薄板は、約１．６以上の屈折率を有する材料から形成され、又、電気泳動媒体は、フロリナート^ＴＭ電子液体等であり、約１．２７の屈折率を有する。
【００１７】
第１の実施形態において、第１の複数のプリズムは、好適には、角度６０°の二等辺プリズムであり、第２の複数のプリズムは、好適には、直角二等辺プリズムである。第２の実施形態において、第１の複数のプリズムは、好適には、第１薄板の屈折率の関数として変化する角度θを成す頂点を有する二等辺プリズムであり、第２及び第３の複数のプリズムは、好適には、直角二等辺プリズムである。第３の実施形態において、第１の複数のプリズムは、好適には、６０°の二等辺プリズムであり、第２の複数のプリズムは、好適には、直角二等辺プリズムである。第４の実施形態において、第１及び第２の複数のプリズムは、好適には、６０°の二等辺プリズムである。
第３又は第４の実施形態において、低屈折率媒体は、フロリナート^ＴＭ電子液体等であり、好適には、約１．２７以下の屈折率を有する。
【００１８】
説明
図２及び図３Ａ乃至３Ｃは、好適には１．６５を越え又理想的には１．７３以上の屈折率を有する薄板１０の反射材料を示す。これは、ポリカーボネート等、従来のプラスチックの屈折率ｎ≒１．５９を越える比較的大きな屈折率であるが、それにもかかわらず、透明高分子中の光学的サイズ以下のジルコニア粒子懸濁液等、ｎ≒１．７３を実験的に実現した高屈折率複合高分子材料を用いることによって、実現可能である。更に具体的には、モハマディ（Ｍｏｈａｍｍａｄｉ）による“コロイド屈折率測定：分散に対する屈折率の意味と測定；時代が置き去りにした科学”、コロイドと界面科学の発展６２（１９９５）１７乃至２９頁に記載されているように、低屈折率媒体中における光学的サイズの高屈折率粒子の分散は、中間の屈折率を有する均質な媒体の様に光学的には振舞い、屈折率が高くなる度合いは、その高屈折率粒子の濃度が大きくなるにつれて、増すことが良く知られている。
【００１９】
薄板１０により、内側及び外側表面１２、１４が在る画像表示装置を形成する。閲覧者１６は、外側表面１４を介して、ほぼ表面１２、１４に直角な好適な閲覧方向から表示装置を見る。内側表面１２には、第１の長手方向２０において、互いに平行に延在する極めて数多くのプリズム１８が備えられている。又、外側表面１４には、第２の長手方向２４において、互いに平行に延在する極めて数多くのプリズム２２が、第１の長手方向２０にほぼ直角に備えられている。内側表面プリズム１８は、直角二等辺プリズムであることが好ましい。即ち、各内側表面プリズム１８における内向きの頂点は、図２に示すように、９０°である。従って、各内側表面プリズム１８の面は、各々、第１及び第２の長手方向２０、２４の双方に直角に第３の方向２６に延在するベクトルに対して４５°の角度で傾いている。また、外側表面プリズム２２も二等辺プリズムであることが好ましいが、直角二等辺プリズムではない。その代わり、各外側表面プリズム２２の外向きの頂点は、図２に示すように、６０°の角度を成すことが好ましい。
【００２０】
プリズム１８、２２は、元々平坦な薄板を微細加工してプリズムを生成することによって、又は、金型自体を所望の陰画の形状に微細加工して、既知の様々な精密モールド成形技術のいずれかによって、薄板１０の対向面上に形成し得る。プリズムは、適度な光学的品質を有するに充分な程大きい（即ち、各プリズムの基部の幅は、約１０μｍより広い）が、裸眼に対しては実質的に不可視な程度に充分小さい（即ち、各プリズムの基部の幅は、約２５０μｍより狭い）。従って、薄板１０は、巨視的には実質的に平坦であり、微視的には、プリズム性を有する。
【００２１】
電気泳動媒体２８は、下部薄板３２により画成される貯蔵部３０内に媒体２８を蓄積することによって、内側のプリズム表面１２と接触した状態を維持する。電気泳動媒体２８は、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ所在の３Ｍ社製、フロリナート^ＴＭ電子液体ＦＣ−７２（ｎ≒１．２５）又はＦＣ−７５（ｎ≒１．２７）伝熱媒体等、屈折率が小さく粘性が低く電気絶縁性の液体であることが好ましい。従って、屈折率が大きい複合高分子材料を用いて薄板１０を形成すると仮定した場合、複合高分子材料：フロリナートの“ＴＩＲ界面”が、プリズム１８と媒体２８との間に形成される。媒体２８には、染色したもしくは散乱／吸収性のシリカ粒子（ｎ≒１．４４）、染色したもしくは散乱／吸収性のラテックス粒子（ｎ≒１．５）等、細かく分散した懸濁液の光分散及び／又は光吸収性の粒子３４（図４）が含まれる。薄板３２の光学特性は、さほど重要ではなく、薄板３２は、電気泳動媒体２８と粒子３４とを蓄積するための貯蔵部を形成すればよい。
【００２２】
前述した様に、ＴＩＲ界面における臨界角は、小さい方が好ましいが、これは、このことによって、ＴＩＲが生じ得る角度範囲が広くなるためである。屈折率が大きい複合高分子材料（ｎ≒１．７９）の屈折率とフロリナートの屈折率との比により、約４７°の臨界角が得られ、この臨界角は、複合高分子材料：フロリナート界面に形成された直角二等辺プリズムに入射する光線に対してＴＩＲを実現するのに充分な程小さくない。しかしながら、本発明によれば、次に説明する様に、複合高分子材料：フロリナート界面におけるＴＩＲを実現することが可能になる。
【００２３】
また特に、入射光線４０は、１つの外側プリズム２２の切子面により画成された空気：複合高分子材料界面に約６０°の入射角でぶつかり、図３Ａ乃至３Ｃ及び図４に４２で示すように、そのプリズムにより内側プリズム表面１２側へ屈折される。屈折率比１：１．７３を有する空気：複合高分子材料界面の場合、屈折角は、約３０°である。上述した屈折以前において、光線４０には、第１の長手方向２０に進む成分がほとんど無い。上述した屈折により、光線は、第１の長手方向２０に進む成分をその光線に与えることによって偏向する。このような屈折により、薄板１０の実効屈折率が大きくなる（並進的対称系内において長手方向に進行する成分を加えると、光線の並進運動に対する実効屈折率が増加する）ことが知られている（Ｌ．Ａ．ホワイトヘッドによる“円柱系における光線追跡の簡略化”（応用光学、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１９、３５３６乃至３５３８頁、１９８２年１０月１日）参照）。特に、図３Ａに示すように、入射光線４０が入射法線方向から３０°の方向に偏向した場合、薄板１０の電気泳動媒体２８に対する屈折率比が１．６４（これは、上述したように、他の状況では必要となる１．８という値よりも極めて小さい）ならば、複合高分子材料：フロリナート界面において、ＴＩＲが生じる。従って、屈折光線４２は、４４で示す様に、ＴＩＲ界面の４７°の臨界角を実質的に越え又光線４６として内部全反射される角度で、ＴＩＲ界面において１つの内側プリズム１８上の第１面にぶつかる。図３Ｃで最も良く分かるように、光線４６は、両方の長手方向２０、２４に対して或る角度で反射される。そして、反射された光線４６は、４８で示すように、第１プリズム面とは反対側の隣接する１つの内側プリズム１８上の第２面にぶつかり、又、その入射角が、実質的にＴＩＲ界面の４７°の臨界角を越えるため、再度、第２プリズム表面においてＴＩＲを受ける。上述したように、逆反射内側プリズム表面１２においてＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線５０は、複合高分子材料：空気界面を介して屈折され、５１で示すように、元の入射光線４０の方向とはほぼ１８０°反対方向（即ち、好適な閲覧方向にほぼ平行な方向）に出現し、こうして、反射光により“白色”表示を実現する。
【００２４】
図２の装置は、相補的な光偏向特性及び光反射特性を有することが分かる。外側プリズム２２は、表示装置の“光偏向”部を構成し、また、内側プリズム１８と媒体２８との間のＴＩＲ界面（これに対して粒子３４が電気泳動により後述の如く移動する）は、表示装置の“光反射”部を構成する。光線が、“長手方向に対称”の方向に進む成分を得るように、“光偏向”部は、ほぼ法線方向に入射する光線を偏向する。物体の断面形状が、特定の方向に垂直な面において、この方向に並進的に一様である場合、この物体は、このような方向に長手方向の対称性を有する。長手方向に対称な物体のいずれかの表面上における任意の点において、その表面への法線ベクトルは、その物体の長手方向に対称な方向に対して垂直である。上記ホワイトヘッドの論文に記載されているように、物体を形成している様々な材料に（長手方向における運動の程度により求められる）実効屈折率を割当てることによって、長手方向に対称な物体の横断面における光線の伝播を正確にモデル化し、数学的な正確さで、長手方向におけるその光線の運動を説明することが可能である。従って、内側プリズム１８は、第１の長手方向２０において、長手方向対称性を有し、外側プリズム２２は、第２の長手方向２４において、長手方向対称性を有する。プリズム２２は、当初、ほぼ法線方向の入射光線４０を第１の長手方向２０側に偏向する（即ち、図３Ｃから分かるように、屈折光線４２は、第１の長手方向２０に平行な方向成分を有する）が、これは、プリズム１８の長手方向に対称な方向である。これによって、上述したようにプリズム１８の実効屈折率が大きくなり、前述のように、点４４、４６におけるＴＩＲの実現が容易になる。前述のように、ＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線５０は、プリズム１８の長手方向に対称な方向にプリズム２２によって再度偏向され、最初の偏向の影響を厳密に相殺即ち除去し、光線５１は、元々の入射光線４０の方向とはほぼ１８０°反対の方向に出現し得る。
【００２５】
図４に示すように、それぞれ表面１２、３２に積層された電極５２、５４を介して、電気泳動媒体２８に電圧を印加し得る。電極５２は、ＴＩＲ界面において入射光線と干渉しない程度に透明であり又薄い。電極５４は、透明である必要はない。図４に示す媒体２８の右半分に描いたように、電圧電源５６を起動して電圧を媒体２８に印加することによって、電気泳動媒体２８が活性化されると、懸濁粒子３４は、電気泳動により約０．２５ミクロンの範囲でＴＩＲ界面に（即ち、内側プリズム表面１２に隣接するエバネッセント波領域の内側に）移動する。上述したように電気泳動により移動すると、粒子３４は、光を散乱又は吸収し、こうして、プリズム１８の表面においてＴＩＲを防止する。このことは、図４の光線５８で示すが、この光線は、５９で示す様に、ＴＩＲ界面のエバネッセント波領域内にある粒子３４にぶつかると、散乱及び／又は吸収され、こうして、非反射散乱／吸収領域において“黒”表示が実現される。印加電圧の極性を反転すると、粒子３４は、エバネッセント波領域から電気泳動で移動し、こうして、“白”表示に戻る。
【００２６】
内側プリズム表面１２の光学特性は、電極５２、５４を介して、媒体２８に印加された電圧を切換え制御することによって制御し得る。例えば、電極５２、５４を細分化して、表面１２上の異なる点において隣接するエバネッセント波領域内への電気泳動粒子の侵入を制御し得る。表面１２上の選択された点に印加された電極５２、５４の個々のセグメントを活性化して、このような点において隣接するエバネッセント波領域内外へ粒子３４を移動でき、従って、各点は、切換え可能な“画素”を構成し、又、これら全ての画素が一括して表示装置を形成する。
【００２７】
所望の小さい屈折率を有すること以外に、フロリナートは、更に、電気的に良い絶縁体であり、又、不活性なため、本発明に基づき形成される表示装置で用いるのに良く適している。また、フロリナートの粘性は低く、密度が大きいため、フロリナートに懸濁した粒子は、比較的容易に電気泳動で移動し得る。上述したように、高屈折率複合高分子材料は、薄板１０の形成用に適した好適な高屈折率材料である。この薄板は、光学的に透明であり、又、好適には、可視光波長範囲において１．６以上の高い屈折率を有することが好ましい。“光学的に透明である”ことは、材料に対して法線方向に入射する光の大部分が、その材料の選択された厚さを通過し、このような光のわずかな部分が、その材料によって散乱及び／又は吸収されることを意味する。このような散乱及び／又は吸収によって、通常、その双方の組み合わせによって、光がその材料を通過する際、光学的な透明度が減少する。薄板１０の厚みは、約１０ミクロンであればよい。しかしながら、大きな塊の状態で“不透明な”材料も、１０ミクロン厚のこのような材料が法線方向に入射する光のわずかな部分だけを散乱及び／又は吸収する場合、本発明の目的に対しては“光学的に透明”であり得る。また、高屈折率複合高分子材料は、吸収／散乱特性が小さいこと、又、その結果、上述した波長範囲において光学的な透明度が大きいため、本発明に基づき形成される表示装置で用いるのに良く適している。更に、高屈折率複合高分子材料をモールド成形して、上述したように、所望の逆反射微細構造を得ることができる。
【００２８】
電極５２、５４及び電圧電源５６によって媒体２８に電圧を印加すると、粒子３４に静電力が作用し、上述した様に、粒子３４は、エバネッセント波領域に移動する。粒子３４がエバネッセント波領域に移動する時、ＴＩＲ界面において、エバネッセント波を散乱及び／又は吸収することによって、ＴＩＲを抑制できなければならない。粒子３４の直径の大きさは１ミクロン程度であるが、ＴＩＲ界面の粒子の単層がエバネッセント波領域を完全に埋め尽くすように、粒子の直径は、光学的な大きさよりかなり小さいこと（即ち、１ミクロン未満オーダの大きさであって、例えば、直径１００ｎｍ）が好ましい。粒子３４の直径が約１ミクロンである場合、有用な結果が得られるが、粒子３４がＴＩＲ界面において密集する能力は、粒子の直径により制限されるため、表示装置のコントラスト比が減少する。また特に、臨界角付近において、エバネッセント波は、媒体２８内部にかなり深く入り込むため、直径が約１ミクロンの粒子は、その波を散乱及び／又は吸収することによって、ＴＩＲを抑制し得る。しかしながら、入射光がＴＩＲ界面に入射する角度が、臨界角に対して大きくなるにつれて、エバネッセント波領域の深さは、大幅に減少する。比較的大きい（即ち、１ミクロン）直径の粒子は、深さが減少したこの領域にはさほど密集できず、従って、このような粒子は、望む程にはＴＩＲを抑制できない。しかしながら、直径がより小さい（即ち、１００ｎｍ）粒子は、深さが減少したこの領域に密集でき、従って、このような粒子は、臨界角を越える角度でＴＩＲ界面に入射する入射光線に対してＴＩＲを抑制し得る。
【００２９】
ＴＩＲの機械的な抑制（即ち、１９９９年９月２８日発行の米国特許第５、９５９、７７７号に開示されているように、エラストマの薄板をエバネッセント波領域内外に動かすことによる抑制）は、光学的な接触が平坦面では容易であるため、平坦面で行なうのが最良である。プリズム表面と、機械的に動かされてそのプリズム表面に光学的に接触したり離れたりする部分との間の位置合わせに必要な精度の実現が困難であるため、プリズム表面でＴＩＲを機械的に抑制するのは、かなり困難である。しかしながら、電気泳動媒体２８は、容易に流動化して、逆反射内側プリズム表面１２を取り囲むため、位置合わせの難しさが無くなり、プリズムの微視構造表面が、実用的にＴＩＲ界面として用い得る。
【００３０】
屈折率が１．７３の薄板１０と組み合わせられた場合、角度６０°の外側プリズム２２の重要な特徴は、図３Ａに示す如く、反対側に角度を成すプリズム切子面２２Ｂに対して、屈折光線４２が実質的に平行なように、入射光線４０が、１つのプリズム２２における１つの切子面２２Ａによって屈折されることである。従って、屈折光線４２によって表される光は、反対側に角度を成すプリズム切子面２２Ｂとの干渉によって、ほとんど失われない。更に、屈折光線４２の分散はいずれも、後続の逆反射光線５０の屈折によって、相殺即ち除去される。他の利点は、２回の反射が生じ（即ち、上述した様に、４４及び４８において）、これによって、プリズム１８の切子面で各反射に必要な光吸収量が減少して、所望のコントラスト比が実現されることである。
【００３１】
一般的に、本発明では、１つの方向に長手方向対称性を有する光偏向光学系が、垂直な方向に長手方向対称性を有する光反射光学系と共に並置される。この２つの長手方向に対称な方向は、第３の好適な閲覧方向に対して互いに垂直であり、この第３の閲覧方向は、この２つの光学系から構成された、巨視的に平面であり、微視的に構成された表面であり、平行である薄板材料にそれ自体垂直である。しかしながら、図２乃至４の実施形態は、本発明の上述した一般的な特徴に適合する広い範囲の可能な実施形態における１つの具体例である。図２乃至４の実施形態は、高い光学的な効率で動作し、また、電気泳動的な又は他の適切な電気磁気学的な制御に適用し得る反射系においてＴＩＲを生成できるが、これらの望ましい特徴は、最も一般的な形態において本発明の本質的な属性ではない。本発明の一般性を更に示すために、図２乃至４の実施形態に対して、様々な利点と不利な点を有する幾つか他の選択可能な実施形態について考察すると有用である。
【００３２】
図５及び５Ｂは、１つのこのような他の選択可能な本発明の実施形態を示すが、本実施形態においては、内側及び外側高分子薄板１０Ａ、１０Ｂが、空隙１１によって分離されており、閲覧者１６が閲覧するための画像表示装置を形成している。内側即ち“第１の”薄板１０Ａの内側表面１２Ａには、第１の長手方向２０Ａに互いに平行に延在する多数の内向きプリズム１８Ａが備えられている。内側薄板１０Ａの対向する外側表面には、第２の長手方向２４Ａに互いに平行に延在し、第１の長手方向２０Ａにほぼ垂直な多数の外向きプリズム２２Ａが備えられている。プリズム１８Ａ及びプリズム２２Ａは、直角二等辺プリズムであることが好ましい。即ち、各プリズム１８Ａの内向きの頂点は、９０°の角度を成す。従って、各プリズム１８Ａの各面は、第１及び第２の長手方向２０Ａ、２４Ａの双方に垂直な第３の長手方向２６Ａに延在するベクトルに対して４５°の角度で傾斜しており、また、各プリズム２２Ａの各面も同じベクトルに対して、４５°の角度で傾斜している。
【００３３】
外側即ち“第２”の薄板１０Ｂの外側表面１４Ａには、プリズム２２Ａにほぼ平行に、第２の長手方向２４Ａに互いに平行に延在する多数の外向きのプリズム２３が備えられている。薄板１０Ｂの内側表面１４Ｂは、平坦である。プリズム２３は、二等辺プリズムであることが好ましいが、直角二等辺プリズムではない。その代わり、プリズム２３各々の外向きの頂点は、図６及び７を参照して後述するように、角度θを成すことが好ましい。上述した様に、全てのプリズムは、光学的に然るべき高い品質を有する程度に大きい必要がある（即ち、各プリズムの底面は１０μｍより広い）が、裸眼に対して本質的に不可視である程度に充分小さい必要がある（即ち、各プリズムの底面は２５０μｍより狭い）。光を散乱及び／又は吸収する粒子が細かく分散した懸濁液を含む電気泳動媒体（図５Ａ及び５Ｂには示さず）は、内側プリズム表面１２Ａと接触した状態に維持される。図４を基にして上述した様に、電極（図示せず）及び電圧電源（図示せず）が設けられており、電気泳動媒体内において、粒子を電気泳動的に制御して移動させ、電気泳動媒体とプリズム表面１２Ａとの間の界面においてＴＩＲを選択的に抑制する。
【００３４】
図５Ａ及び５Ｂの実施形態は、図２乃至４の実施形態より複雑であり、内部界面において望ましくない部分的な反射を更に受け易いが、図５Ａ及び５Ｂの実施形態は、屈折率が小さい高分子材料（即ち、ｎ≒１．６）で構成し得るという利点を有する。具体的には、図５Ａ及び５Ｂの実施形態は、図２乃至４の実施形態と比較して、実効屈折率の増加が大きい。このことは、代表的な光線の経路を考慮することによって理解し得る。入射光線６２は、１つのプリズム２３における１つの切子面によって画成される空気：高分子材料界面に約６２°の角度でぶつかり、屈折光線６４が、プリズム２３において反対側に角度を成す切子面にほぼ平行なように、平坦な内側表面１４Ｂ側に屈折される。これに応じて、屈折光線６４によって表される光は、プリズム２３の反対側に角度を成す切子面と干渉するため、ほとんど失われない。表面１４Ｂを通り空隙１１に出現する際、光線６４は、更に屈折光線６６が、プリズム２２Ａの左側（図５Ａで見た場合）の切子面に対してほぼ垂直であるように、又、プリズム２２Ａの反対側（即ち、図５Ａで見た場合、右側）に角度を成す切子面にほぼ平行であるように、約４５°の角度で光線６６として更に屈折される。これに応じて、光線６６は、ほぼ垂直にプリズム２２Ａの切子面の１つにぶつかり、こうして、空隙１１と薄板１０Ａとの間の空気：高分子材料界面において最小限の屈折を受け、プリズム２２Ａの反対側に角度を成す切子面にほぼ平行に光線６８として薄板１０Ａに進む。光線６８は、実質的にプリズム１８Ａの長手方向対称性方向２０Ａの成分を有し、こうして、上述した様に、薄板１０Ａの実効屈折率が大きくなる。光線６８は、方向２０Ａから離れる方向に４５°だけ傾き（図２乃至４の実施形態では、これに対応する角度は６０°）、こうして、この場合の屈折率改善効果は大きく、薄板１０Ａ、１０Ｂは、屈折率が１．６と小さい（非複合）高分子材料から形成し得ることに留意されたい。即ち、電気泳動媒体に対する薄板１０Ａの屈折率比が、上述した様に、他の状況では必要となる１．７という値より大幅に小さい１．６である場合、ＴＩＲは、内側表面１２Ａにおける高分子材料：フロリナート界面で生じる。従って、屈折光線６８は、７０で示すように、ＴＩＲ界面において１つの内側プリズム１８Ａ上で第１の面に、ＴＩＲ界面の臨界角を越える角度（屈折率１．２７のフロリナート^ＴＭ電子液体ＦＣ−７５に対して屈折率１．５９の高分子材料の場合、５３°）でぶつかり、７２で示すように、内部全反射される。従って、屈折光線７２は、７４で示す様に、第１プリズム面の反対側に在り隣接する１つの内側プリズム１８Ａ上に在る第２の面にぶつかり、再度、第２プリズム面でＴＩＲを受けるが、これは、屈折光線７２が第２プリズム面に当たる角度は、ＴＩＲ界面の５３°の臨界角を越えるためである。上述した様に、逆反射内側表面１２ＡにおいてＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線７６は、プリズム２２の右側（図５Ａで見た場合）の切子面にほぼ垂直に、又、プリズム２２Ａの反対側（即ち、図５Ａで見た場合、左側）に角度を成す切子面にほぼ平行に向かう。これに応じて、光線７６は、ほぼ垂直にプリズム２２Ａの１つの切子面にぶつかり、こうして、薄板１０Ａと空隙１１との間の高分子材料：空気界面において最小限の屈折を受け、光線７８として空隙１１に進む。
【００３５】
光線７８は、平坦な表面１４Ｂにおける空気：高分子材料界面に、ほぼ４５°の角度で当たり、屈折光線８０が、プリズム２３の左側（図５Ａで見た場合）の切子面に対してほぼ平行であるように、又、プリズム２３の反対側（即ち、図５Ａで見た場合、右側）に角度を成す切子面にほぼ垂直であるように、プリズム２３側へ屈折される。従って、屈折光線８０によって表される光は、反対側に角度を成すプリズム切子面２３との干渉によって、ほとんど失われない。光線８０は、高分子材料：空気界面を通り再度出射して、８２で示す様に、元々の入射光線６２の方向とは約１８０°反対側の方向に出現し、反射光による“白色”表示を実現する。
【００３６】
図２乃至４の装置の様に、図５Ａ及び５Ｂの装置は、相補的な光偏向及び光反射特性を有する。プリズム２３、内側表面１４Ｂ及びプリズム２２Ａは、共に表示装置の“光偏向”部を構成し、内側プリズム表面１２Ａと電気泳動媒体との間のＴＩＲ界面は、表示装置の“光反射“部を構成する。光偏向部は、表示装置の光反射部において、長手方向に対称な方向における実質的な方向成分を得るように、法線方向近傍で入射する光線を偏向する。具体的には、プリズム２３、内側表面１４Ｂ及びプリズム２２Ａの組み合わせ効果は、プリズム１８Ａの長手方向対称性の方向側に法線方向近傍で入射する光線を偏向し、薄板１０Ａの実効屈折率を大きくし、点７０、７４においてＴＩＲの実現を容易にすることである。前述のように、ＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線７６は、プリズム１８Ａの長手方向対称性の方向にプリズム２２Ａ及び２３によって再度偏向され、最初の偏向の影響を厳密に相殺即ち除去し、光線８２は、元々の入射光線６２の方向とはほぼ１８０°反対の方向に出現し得る。
【００３７】
図６に示すように、プリズム２３各々の外向きの頂点は、反対側に角度を成すプリズム切子面８４、８６間において、角度θを成す。１つの切子面８４に入射する法線方向又は法線方向近傍の入射光線６２が反対側に角度を成す切子面８６にほぼ平行に（光線６４として）屈折されるように、θは、薄板１０Ｂが形成される材料の屈折率の関数として選択される。これに応じて、屈折光線６４によって表される光は、反対側に角度を成す切子面８６との干渉によって、ほとんど失われない。図７は、θの屈折率依存性を示す。例えば、薄板１０Ｂが、屈折率ｎ≒１．７３を有する複合高分子材料で形成されている場合、θは、約６０°であることが好ましいが、薄板１０Ｂが、屈折率ｎ≒１．５９を有する非複合高分子材料で形成されている場合、θは、約５６°であることが好ましい。
【００３８】
図８Ａ及び８Ｂは、本発明の更に他の選択可能な実施形態を示し、ここで、内側及び外側非複合高分子薄板１０Ｃ、１０Ｄが、流体間隙１１Ａにより分離され、閲覧者１６が閲覧するための画像表示装置を形成している。内側即ち“第１の”薄板１０Ｃの内側表面１２Ｃには、第１の長手方向２０Ｂに互いに平行に延在する多数の内向きプリズム１８Ｂが備えられている。内側薄板１０Ｃの対向する外側表面１２Ｄは、平坦である。外側即ち“第２”の薄板１０Ｄの内側表面１４Ｄは、プリズム１８に平行に延在し、第２の長手方向２４Ｂに互いに平行に延在する多数の内向きのプリズム２３が備えられている。薄板１０Ｄの外側表面１４Ｃは、平坦である。フロリナート^ＴＭ電子液体（ｎ≒１．２７）等の低屈折率媒体が、プリズム表面１２Ｄ、１４Ｄ間の間隙１１Ａに保持される。低屈折率媒体を間隙１１Ａに設けると、内側薄板１０Ｃに入射する光線が屈折される程度が軽減され、こうして、内側薄板１０Ｃに対して高実効屈折率が維持される。
【００３９】
プリズム１８Ｂは、直角二等辺プリズムであることが好ましい。即ち、各プリズム１８Ｂの内向きの頂点は、９０°の角度を成す。従って、各プリズム１８Ｂの各面は、第１及び第２の長手方向２０Ｂ、２４Ｂの双方に直角に第３の長手方向２６Ｂに延在するベクトルに対して４５°の角度で傾いている。また、プリズム２３Ｂも６０°の二等辺プリズムであることが好ましい。即ち、各プリズム２３Ｂの内向きの頂点は、各々、６０°の角度を成す。従って、各プリズム２３Ｂの各面は、第３の長手方向２６Ｂに延在する上記ベクトルに対して３０°の角度で傾いている。上述した様に、全てのプリズムは、光学的に然るべき高い品質を有する程度に大きい必要がある（即ち、各プリズムの底面は１０μｍより広い）が、裸眼に対して本質的に不可視である程度に充分小さい必要がある（即ち、各プリズムの底面は２５０μｍより狭い）。
【００４０】
光を散乱及び／又は吸収する粒子が細かく分散した懸濁液を含むフロリナート^ＴＭ電子液体（ｎ≒１．２７）等の電気泳動媒体（図８Ａ及び８Ｂには示さず）は、内側プリズム表面１２Ｃと接触した状態に維持される。図４を基にして上述した様に、電極（図示せず）及び電圧電源（図示せず）が設けられており、電気泳動媒体内において、粒子を制御して電気泳動で移動させ、電気泳動媒体とプリズム表面１２Ｃとの間の界面においてＴＩＲを選択的に抑制する。
【００４１】
また、図８Ａ及び８Ｂの実施形態は、図２乃至４の実施形態より複雑であり、内部界面において部分的な内部反射を受け易い。しかしながら、図５Ａ及び５Ｂの実施形態の様に、図８Ａ及び８Ｂの実施形態は、屈折率が小さい非複合高分子材料（即ち、ｎ≒１．５９）で構成し得るという利点を有する。これは、図８Ａ及び８Ｂの実施形態は、図２乃至４の実施形態と比較して、実効屈折率の増加が大きいためである。このことは、代表的な光線の経路を考慮することによって理解できる。入射光線６２Ａは、外側薄板１０Ｄの平坦な外側表面１４Ｃを通過し、１つのプリズム２３Ｂにおける１つの切子面によって画成される高分子材料：フロリナート界面において、ＴＩＲを受け、そのプリズムの反対側に角度を成す切子面にほぼ垂直に光線６４Ａとして反射される。こうして、光線６４Ａは、薄板１０Ｄと流体間隙１１Ａとの間の高分子材料：フロリナート界面において最小限の屈折を受け、光線６６Ａとして間隙１１Ａに進む。光線６６Ａは、実質的にプリズム１８Ｂの長手方向に対称な方向２０Ｂの成分を有し、こうして、上述した様に、薄板１０Ｃの実効屈折率が大きくなる。
【００４２】
光線６６Ａは、流体間隙１１Ａを通過し、薄板１０Ｃの外側表面１２Ｄに６０°の角度でぶつかり、ある程度の屈折を伴って、光線６８Ａとして、薄板１０Ｃに進む。光線６８Ａは、方向２０Ｂから離れる方向に４３°だけ傾き（図２乃至４の実施形態では、これに対応する角度は６０°）、こうして、この場合の屈折率改善効果は大きく、薄板１０Ｃ、１０Ｄは、屈折率が１．６と小さい（非複合）高分子材料から形成し得ることに留意されたい。即ち、間隙１１Ａの流体に対する薄板１０Ｃの屈折率比が、上述した様に、他の状況では必要となる１．７という値より大幅に小さい１．６である場合、ＴＩＲは、内側表面１２Ｃにおけるフロリナート：高分子材料界面で生じる。従って、光線６８Ａは、７０Ａで示すように、ＴＩＲ界面において１つの内側プリズム１８Ｂ上で第１の面に、ＴＩＲ界面の臨界角を越える角度（屈折率１．２７のフロリナート^ＴＭ電子液体ＦＣ−７５に対して屈折率１．５９の高分子材料の場合、５３°）でぶつかり、７２Ａで示すように、内部全反射される。従って、屈折光線７２Ａは、７４Ａで示す様に、第１プリズム面の反対側に在り隣接する１つの内側プリズム１８Ｂ上に在る第２の面にぶつかり、再度、第２プリズム面でＴＩＲを受けるが、これは、屈折光線７２Ａが第２プリズム面にぶつかる角度は、ＴＩＲ界面の５３°の臨界角を越えるためである。上述した様に、逆反射内側表面１２ＣにおいてＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線７６Ａは、約４３°の角度で薄板１０ｃの平坦な外側表面にぶつかり、ある程度の屈折を伴って、光線７８Ａとして、流体間隙１１Ａに進む。従って、光線７８Ａは、プリズム２３Ｂの左側（図８Ａで見た場合）の切子面に対してほぼ垂直に向かう。これに応じて、光線７８Ａは、ほぼ垂直に１つのプリズム２３Ｂにおける切子面の１つにぶつかり、従って、間隙１１Ａと薄板１０Ｄとの間のフロリナート：高分子材料界面において、最小限に屈折され、光線８０Ａとして、薄板１０Ｄに進む。こうして、光線８０Ａは、プリズム２３Ｂの反対側（即ち、図８Ａで見た場合、右側）に角度を成す切子面において、ＴＩＲを受けるが、ここで、更に、８２Ａで示す様に、反射され、そして、薄板１０Ｃの平坦な外側表面に約９０°の角度でぶつかり、薄板１０Ｃから元々の入射光線６２Ａの方向とは約１８０°反対側の方向に、それ以上屈折されずに光線８４Ａとして出現し、こうして、反射光による“白色”表示を実現する。
【００４３】
図２乃至４並びに図５Ａ及び５Ｂの装置の様に、図８Ａ及び８Ｂの装置は、相補的な光偏向及び光反射特性を有する。外側薄板１０Ｄの平坦な外側表面１４Ｃ、プリズム２３Ｂ、流体間隙１１Ａ、及び内側表面１０Ｃの平坦な外側表面１２Ｄは、共に表示装置の“光偏向”部を構成し、流体間隙１１Ａとプリズム１８Ｂとの間のＴＩＲ界面は、表示装置の“光反射“部を構成する。光偏向部は、表示装置の光反射部において、長手方向対称性の方向における実質的な方向成分を得るように、法線方向近傍で入射する光線を偏向する。具体的には、表面１４Ｃ、プリズム２３Ｂ、流体間隙１１Ａ、及び表面１２Ｄの組み合わせ効果は、プリズム１８Ｂの長手方向対称性の方向側に法線方向近傍で入射する光線を偏向し、薄板１０Ｃの実効屈折率を大きくし、点７０Ａ、７４ＡにおいてＴＩＲの実現を容易にすることである。前述のように、ＴＩＲを２回受けた後、逆反射光線７６Ａは、プリズム１８Ｂの長手方向に対称な方向にプリズム２３Ｂによって再度偏向され、最初の偏向の影響を厳密に相殺即ち除去し、光線８４Ａは、元々の入射光線６２Ａの方向とはほぼ１８０°反対の方向に出現し得る。
【００４４】
図８Ａ及び８Ｂの実施形態では、６０°のプリズム２３Ｂを用いることによって、全ての光線が、上述した好適な経路から遠ざかる様に光線を偏向する表面にぶつかることなく、上述した様にＴＩＲを受けるため、高い光学的な効率が達成される。他の利点は、図８Ａ及び８Ｂの実施形態における平坦な外側表面１４Ｃは、図２乃至４並びに図５Ａ及び５Ｂの実施形態におけるプリズム外側表面１４又は１４Ａと比較して、維持が容易なことである。図８Ａ及び８Ｂの実施形態の不利な点は、現状では液体の形態でしか入手できないと思われる低屈折率材料と界面を成す材料から成る２つの別々の薄板（１０Ｃ、１０Ｄ）が必要なことである。にもかかわらず、図８Ａ及び８Ｂの実施形態では、図２乃至４の実施形態より低い屈折率材料を用いて、広い範囲の角度において、ＴＩＲが実現される。
【００４５】
図９Ａ乃至９Ｄは、本発明を用いる画像表示装置の光反射部が、直角二等辺プリズムを用いる必要は必ずしもなく、長手方向対称性を有する他の形状のものを組み込み得ることを示す。表示装置の反射部は、ＴＩＲにより表示装置の光偏向部に光の大部分を戻すだけでよく、このようなＴＩＲは、上述した様に、電気泳動により制御可能である。比較を簡単にするために、図９Ａは、図８Ａ及び８Ｂを参照し上述した様に、直角二等辺プリズム８８を組み込んだ光反射部が設けられている画像表示装置を示し、又、１つのプリズム８８においてＴＩＲを２回受ける光線９０を示す。図９Ｂは、図８Ａ及び８Ｂの装置と同様であるが、直角二等辺プリズムの代わりに、台形構造部９２を組み込んだ光反射部が設けられている画像表示装置を示し、又、１つの構造部９２においてＴＩＲを３回受ける光線９４を示す。図９Ｃは、図８Ａ及び８Ｂの装置と同様であるが、直角二等辺プリズムの代わりに、放物線状の構造部９６を組み込んだ光反射部が設けられている画像表示装置を示し、又、１つの構造部９６においてＴＩＲを２回受ける光線９８を示す。図９Ｂの表示装置における台形構造部９２は、台形構造部９２の水平で平坦な最下部（図９Ｂで見た場合）表面に最初ぶつかる光線が、反射されずに直接そこを通過することがあるため、“失われる”という不利益を受ける。図９Ｃの表示装置における放物線構造部９６には、光線１００等のＴＩＲを２回受ける幾つかの光線が、法線入射方向に（光線９８のように）戻らないが、その代わり、鏡反射に特有の方向に戻るという利点があり、このことは、逆反射特性が望ましくない状況では、有利である。図９Ｄは、図８Ａ及び８Ｂの装置と同様であるが、平面状の内側表面１０６においてＴＩＲが生ずるに充分な程度に光線１０４を屈折する外向きの６０°角の二等辺プリズム１０２を有する光反射部が設けられている画像表示装置を示す。このようなＴＩＲの後、外向きのプリズム１０２は、再度、その光線を屈折し、その光線をほぼ入射方向に戻す（それぞれ図９Ａ、９Ｂ、９Ｃに示す様に、光線９０、９４、９８の場合も同様である）。図９Ｄの実施形態には、内側表面及び外側表面１０６、１０８の双方が平面状であり、製造を簡略化し得る利点がある。しかしながら、図９Ｄの実施形態において、ＴＩＲが生じるのは一度だけであり、２度は生じず、その結果、コントラストレベルを所望のレベルにするために、ＴＩＲの抑制は、図９Ｄの実施形態においては、更に、完全でなければならない。これに応じて、製造コストが安く外観が装飾的である等の利点を有する断面形状であるが、恐らく直角二等辺プリズムと比べて光学的な効率が低い広い範囲の異なる（任意であってさえよい）実質的に長手方向に対称な断面形状から、表示装置の光反射部は構成し得ることを当業者は理解されるであろう。
【００４６】
上述した開示において当業者には明らかであるが、本発明の範囲から逸脱することなく、数多くの変更や修正が本発明を実施する上で可能である。例えば、電気泳動的に制御されたＴＩＲ抑制は、本発明の本質的な属性ではない。電気泳動媒体２８及び粒子３４の代わりに、複数の可動部材が含まれる液体を用いることが可能であり、また、その部材に電気磁気学的及び／又は機械的な力を印加することによって、光反射光学系に隣接するエバネッセント波領域内外にその部材を動かすように制御し得る。この部材は、粒状である必要はないが、細長い平面形状等、任意の都合の良い形状であってよい。この部材は、その液体に“懸濁される”必要は無いが、何らかの方法で拘束し得る。
【００４７】
他の例として、表示装置表面が白く見え、閲覧者や閲覧者の周囲の像を反射しないために、出現光線５１（図３Ａ、３Ｂ）により表される反射光が、半分鏡の外観を有することは有利である。このことは、表面を変更することによって、又は、例えば、２枚の片側プリズム薄板を接合することにより、薄板１０を形成するために用いられる材料に僅かな拡散特性を与えることによって、実現し得る。このような場合、拡散効果は、薄板の内の１つのみでよい。他の選択肢として、接合材料の屈折率が僅かに不整合である場合、平坦な内部表面は、僅かに粗く形成するか、又は、接合材料自体僅かなレベルの拡散性を有してよい。
【００４８】
他の例として、垂直な閲覧方向（即ち、通常好まれる閲覧方向）に対して反射光線が僅かにずれるように、表示装置の光偏向部及び／又は光反射部のプリズム構造を変更することが望ましい場合がある。例えば、表示装置を閲覧するために用いられる光源が、閲覧者の頭上に位置する場合、このことは、有用である。このような場合、光源方向から光を受け、ほぼ閲覧者の目の方に反射するのが望ましい。入射方向と出射方向との間における反射角の約１０°乃至２０°のずれが、前述の状況では都合がよい。このことは、プリズムの角度特性を適切に変更することによって実現し得る。例えば、上述した全ての実施形態において、表示装置の光偏向部におけるプリズム表面の僅かな程度の回転であって、表示装置の光反射部の長手方向に対称な方向に平行な軸を中心にした回転は、光を所望の方法で偏向するのに充分である。
【００４９】
更に他の例として、図８Ａ及び８Ｂ又は９Ａ乃至９Ｄの実施形態における間隙１１Ａに保持される“低屈折率媒体”は、“流体”あるいは“液体”である必要はない。屈折率が約１．２７である固体透明材料でもよい。光学的な偏向及び反射系を形成する隣接材料の屈折率が、屈折率比が約１．２５以上相当に大きくできる場合、より高い屈折率の材料も用い得る。本発明の範囲は、上述した請求項により定義される内容に基づき解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラス−空気界面において、屈折する光線を示す概略図。
【図２】対向する面に互いに直角に延在するプリズムを有する１枚の反射材料を組み込んだ本発明に基づく画像表示装置の一部を大きく拡大した模式図であって、下部プリズム表面と電気泳動媒体との間の“ＴＩＲ界面”において内部全反射（ＴＩＲ）を制御し抑制するために電気泳動媒体に接触する下部プリズム表面を示す模式図。
【図３Ａ】図２の装置を大きく拡大し、ＴＩＲを受ける光線を示す正面断面図。
【図３Ｂ】図２の装置を大きく拡大し、ＴＩＲを受ける光線を示す側面断面図。
【図３Ｃ】図２の装置を大きく拡大し、ＴＩＲを受ける光線を示す平面図。
【図４】図３Ａと同様であり、ＴＩＲ界面における装置の光学特性を変更するための図２に示す装置の電気泳動媒体における粒子の電気泳動運動を示す図。図４の左側は、電気泳動運動を示さず、ＴＩＲ界面に入射する光線は、ＴＩＲを受ける。図４の右側は、電気泳動運動によりＴＩＲ界面に移動する粒子を示し、ＴＩＲを抑制して、ＴＩＲ界面に入射する光は、ＴＩＲを受けない。
【図５Ａ】２つの外向きの平行なプリズム表面間に空隙を組み込んだ光偏向部と、内向きのプリズム表面と電気泳動媒体との間にＴＩＲ界面が在る相補光反射部と、を有する本発明の他の実施形態に基づく画像表示装置の一部を大きく拡大して示す側面断面図。
【図５Ｂ】２つの外向きの平行なプリズム表面間に空隙を組み込んだ光偏向部と、内向きのプリズム表面と電気泳動媒体との間にＴＩＲ界面が在る相補光反射部と、を有する本発明の他の実施形態に基づく画像表示装置の一部を大きく拡大して示す端面断面図。
【図６】図５Ａ乃至５Ｂの装置における上部プリズム表面用の好適なプリズム構造を大きく拡大して示す正面断面図。
【図７】図５Ａ乃至５Ｂの装置における上部プリズム表面を形成するために用いられる材料の屈折率ｎの関数として、図６に示す二等辺プリズム角θの好適な値をプロットしたグラフ。
【図８Ａ】対向するプリズム表面間に低屈折率媒体を組み込んだ光偏向部と、内部プリズム表面と電気泳動媒体との間にＴＩＲ界面を有する相補光反射部と、を有する本発明の更に他の実施形態に基づく画像表示装置の一部を大きく拡大して示す側面断面図。
【図８Ｂ】対向するプリズム表面間に低屈折率媒体を組み込んだ光偏向部と、内部プリズム表面と電気泳動媒体との間にＴＩＲ界面を有する相補光反射部と、を有する本発明の更に他の実施形態に基づく画像表示装置の一部を大きく拡大して示す端面断面図。
【図９Ａ】図８Ｂと同様であり、光反射構造が直角二等辺プリズムの形状を有する画像表示装置示す図。
【図９Ｂ】図８Ｂと同様であり、光反射構造が台形の形状を有する画像表示装置示す図。
【図９Ｃ】図８Ｂと同様であり、光反射構造が放物線の形状を有する画像表示装置示す図。
【図９Ｄ】図８Ｂと同様であり、光反射構造が６０°二等辺プリズムの形状を有する画像表示装置示す図。

Claims

好適な閲覧方向（２６）を有する画像表示装置（１０）であって、
（ａ）前記好適な閲覧方向にほぼ垂直な第１方向（２４）において長手方向対称性を有するほぼ巨視的に平面状である光偏向部と、
（ｂ）前記好適な閲覧方向にほぼ垂直であり又前記第１方向にほぼ垂直な第２方向（２０）において、長手方向対称性を有するほぼ巨視的に平面の光反射部であって、前記光偏向部にほぼ平行であり、かつ前記光偏向部よりも閲覧方向奥側に位置する前記光反射部と、
（ｃ）前記光反射部に接触する液体（２８）であって、前記光反射部よりも閲覧方向奥側に位置する前記液体と、
（ｄ）前記液体中の複数の可動部材（３４）と、
（ｅ）電気磁気学的な力を前記部材に印加して、前記光反射部に隣接するエバネッセント波領域に前記部材を選択的に動かして、前記光反射部上の選択された点において、光線の内部全反射を抑制するための制御装置（５６）と、を備え、
（ｉ）前記光偏向部は、実質的に非光吸収性であり、前記表示装置に前記好適な閲覧方向で入射する光線（４０）を、前記第２方向の方向成分を前記入射光線に与えることによって、前記光反射部側に偏向（４２）するプリズム表面（２２）を有し、
（ｉｉ）前記光反射部は、ほぼ実質的に非光吸収性であり、前記偏向された光を、前記選択された点以外の点において、前記光偏向部側に内部全反射（４４、４８）するプリズム表面（１８）を有し、
（ｉｉｉ）前記光偏向部のプリズム表面は、前記内部全反射された光線からの前記方向成分を相殺することによって、前記内部全反射された光線を偏向（５０）し、前記偏向された内部全反射光線は、前記画像表示装置から前記好適な閲覧方向にほぼ平行な方向に出現（５１）することを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
（ａ）前記光偏向部は、更に、互いに平行に延在する第１の複数のプリズム（２２）が設けられている外側薄板表面（１４）を備え、
（ｂ）前記光反射部には、更に、互いに平行に延在し又前記第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第２の複数のプリズム（１８）が設けられている前記薄板の内側表面（１２）が備えられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
（ａ）前記光偏向部は、更に、
（ｉ）互いに平行に延在する第１の複数のプリズム（２３）が設けられている外側表面（１４Ａ）と、対向する平坦な内側表面（１４Ｂ）とを有する第１薄板（１０Ｂ）と、
（ｉｉ）前記第１薄板にほぼ平行な第２薄板（１０Ａ）の外側表面であって、互いに平行に延在し、又、前記第１の複数のプリズムに平行に延在する第２の複数のプリズム（２２Ａ）が設けられている第２薄板の外側表面と、
（ｉｉｉ）前記第１と第２薄板との間の空隙（１１）と、を備え、
（ｂ）前記光反射部には、更に、前記第２薄板の内側表面（１２Ａ）上にある第３の複数のプリズム（１８Ａ）であって、互いに平行に延在し、又、前記第１と第２の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する前記第３の複数のプリズムが備えられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
（ａ）前記光偏向部は、更に、
（ｉ）平坦な外側表面（１４Ｃ）と、互いに平行に延在する第１の複数のプリズム（２３Ｂ）が設けられている対向する内側表面（１４Ｄ）と、を有する第１薄板（１０Ｄ）と、
（ｉｉ）前記第１薄板にほぼ平行な第２薄板（１０Ｃ）の平坦な外側表面（１２Ｄ）と、
（ｉｉｉ）前記第１及び第２薄板間において、低屈折率媒体を含む間隙（１１Ａ）と、を備え、
（ｂ）前記光反射部には、更に、前記第２薄板の内側表面（１２Ｃ）上にある
第２の複数のプリズム（１８Ｂ）であって、互いに平行に延在し、又、前記第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する前記第２の複数のプリズムが備えられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
（ａ）前記光偏向部には、更に、平坦な外側表面（１０８）と、互いに平行に延在する第１の複数のプリズム（２３Ｂ）が設けられている対向する内側表面と、を有する第１薄板が備えられ、
（ｂ）前記光反射部には、更に、前記第１薄板にほぼ平行な平坦な内側表面（１０６）と、互いに平行に延在し、又、前記第１の複数のプリズムにほぼ垂直に延在する第２の複数のプリズム（１０２）が設けられている対向する外側表面と、を有する第２薄板が備えられ、
（ｃ）前記光偏向部には、更に、前記第１と第２の薄板との間に、低屈折率媒体を含む間隙（１１Ａ）が備えられていることを特徴とする装置。
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記薄板は、約１．６５を越える屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする装置。
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記薄板は、約１．７３の屈折率を有する複合高分子材料から形成されていることを特徴とする装置。
請求項３に記載の画像表示装置であって、
前記薄板は、約１．６以上の屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする装置。
請求項４に記載の画像表示装置であって、
前記薄板は、約１．６以上の屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする装置。
請求項５に記載の画像表示装置であって、
前記薄板は、約１．６以上の屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする装置。
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、約１．２７の屈折率を有する電気泳動媒体であることを特徴とする装置。
請求項７に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、約１．２７の屈折率を有する電気泳動媒体であり、前記可動部材は、前記電気泳動媒体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項８に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、約１．２７の屈折率を有する電気泳動媒体であり、前記可動部材は、前記電気泳動媒体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項９に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、約１．２７の屈折率を有する電気泳動媒体であり、前記可動部材は、前記電気泳動媒体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、約１．２７の屈折率を有する電気泳動媒体であり、前記可動部材は、前記電気泳動媒体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であり、前記可動部材は、前記液体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項７に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であり、前記可動部材は、前記液体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項８に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であり、前記可動部材は、前記液体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項９に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であり、前記可動部材は、前記液体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記液体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であり、前記可動部材は、前記液体に懸濁された粒子であることを特徴とする装置。
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記第１の複数のプリズムは、角度６０°の二等辺プリズムであり、前記第２の複数のプリズムは、直角二等辺プリズムであることを特徴とする装置。
請求項３に記載の画像表示装置であって、
（ａ）前記第１の複数のプリズムは、前記第１薄板の屈折率の関数として変化する角度θを成す頂点を有する二等辺プリズムであり、
（ｂ）前記第２及び前記第３の複数のプリズムは、直角二等辺プリズムであることを特徴とする装置。
請求項４に記載の画像表示装置であって、
前記第１の複数のプリズムは、６０°の二等辺プリズムであり、前記第２の複数のプリズムは、直角二等辺プリズムであることを特徴とする装置。
請求項５に記載の画像表示装置であって、
前記第１及び第２の複数のプリズムは、６０°の二等辺プリズムであることを特徴とする装置。
請求項４に記載の画像表示装置であって、
前記低屈折率媒体の屈折率は、約１．２７であることを特徴とする装置。
請求項５に記載の画像表示装置であって、
前記低屈折率媒体の屈折率は、約１．２７であることを特徴とする装置。
請求項４に記載の画像表示装置であって、
前記低屈折率媒体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であることを特徴とする装置。
請求項５に記載の画像表示装置であって、
前記低屈折率媒体は、フロリナート^ＴＭ電子液体であることを特徴とする装置。
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１ミクロン以下の粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項７に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１ミクロン以下の粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項８に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１ミクロン以下の粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項９に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１ミクロン以下の粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１ミクロン以下の粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１００ｎｍの粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項７に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１００ｎｍの粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項８に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１００ｎｍの粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項９に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１００ｎｍの粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記可動部材は、約１００ｎｍの粒子径を有する粒子であることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記プリズム表面は、台形状の表面であることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記プリズム表面は、放物線状の表面であることを特徴とする装置。
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記光偏向部のプリズム表面は、前記第２方向に平行な軸を中心に回転され、前記偏向された光線を、前記好適な閲覧方向に対して約１０°乃至２０°ずらすプリズム表面であることを特徴とする装置。
好適な閲覧方向において画像を閲覧するための前記画像の表示方法であって、
（ａ）前記好適な閲覧方向に入射する光線を、長手方向に対称な偏向板を介して、長手方向に対称な反射板側へ、前記反射板の長手方向に対称な方向の方向成分を前記光線に与えることによって偏向する段階であって、前記反射板は前記偏向板よりも閲覧方向奥側に位置し、前記反射板及び前記偏向板はそれぞれプリズム表面を有することと、
（ｂ）前記反射板上に在る選択された点における前記偏向光線の内部全反射を抑制する段階と、
（ｃ）前記選択された点以外の前記反射板上に在る点において前記偏向光線の内部全反射を行なう段階と、
（ｄ）前記偏向され内部全反射された光線が前記好適な閲覧方向にほぼ平行になるように、前記偏向板を介して、前記内部全反射された光線を偏向することによって、前記内部全反射された光線からの前記方向成分を相殺する段階と、を備え、
（ｉ）前記偏向板は、前記反射板の長手方向に対称な前記方向に対してほぼ垂直な長手方向に対称な方向を有し、
（ｉｉ）長手方向に対称な前記方向は、前記好適な閲覧方向に互いにほぼ垂直であることを特徴とする方法。
請求項４２に記載の方法であって、
前記内部全反射を抑制する段階には、更に、前記反射板上の前記選択された点に隣接するエバネッセント波領域に、複数の粒子を電気泳動的に移動させる段階が備えられていることを特徴とする方法。