RU2398250C2 - Diffraction gratings with adjustable efficiency - Google Patents
Diffraction gratings with adjustable efficiency Download PDFInfo
- Publication number
- RU2398250C2 RU2398250C2 RU2008134440/28A RU2008134440A RU2398250C2 RU 2398250 C2 RU2398250 C2 RU 2398250C2 RU 2008134440/28 A RU2008134440/28 A RU 2008134440/28A RU 2008134440 A RU2008134440 A RU 2008134440A RU 2398250 C2 RU2398250 C2 RU 2398250C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- specified
- electric field
- liquid layer
- diffraction grating
- homogeneous liquid
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение имеет в целом отношение к электронным устройствам и, более определенно, к модуляции оптической интенсивности и/или перенаправлением оптического пути посредством электрического управляющего сигнала, используя в электронных устройствах дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС).The present invention relates generally to electronic devices and, more specifically, to modulation of optical intensity and / or redirection of the optical path by means of an electrical control signal, using electronic wetted diffraction gratings in electronic devices.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Существует много способов, которые могут быть использованы для интенсивности света, модуляции направления, фазовой модуляции, оптического переключения, оптической логики и т.д., которые могут включать (но не ограничены этим): электрооптические методы, жидкие кристаллы, акустооптику, методы нелинейной оптики, магнитооптику и т.д. Существует много технологий, подходящих для использования в приложениях панели визуального вывода, например, самые обычные, ЖКД (жидкокристаллические дисплеи). В патенте США №5659330, озаглавленном «Слой Электрокапиллярного Цветного Дисплея» Шеридон (N.К.Sheridon) описывает другой способ для дисплеев, который использует электросмачивание, чтобы управлять формой окрашенных жидких капелек, которые помещены в капиллярном листе. В дисплее требуется создание большого количества отдельных жидких капелек и их строгое поддержание в формировании массива, которое вряд ли возможно в практических приложениях. Кроме того, для механизма модуляции света в вышеупомянутой ссылке (№5659330) требуется, чтобы форма капелек была различима в макроскопическом масштабе, что ограничивает достижимую частоту регенерации дисплея.There are many methods that can be used for light intensity, direction modulation, phase modulation, optical switching, optical logic, etc., which may include (but are not limited to): electro-optical methods, liquid crystals, acousto-optics, nonlinear optics methods , magneto-optics, etc. There are many technologies that are suitable for use in visual output panels applications, for example, the most common, LCD (liquid crystal displays). In US Pat. No. 5,659,330, entitled “Electrocapillary Color Display Layer”, Sheridon (N.K. Sheridon) describes another method for displays that uses electrically wetted to control the shape of colored liquid droplets that are placed on a capillary sheet. The display requires the creation of a large number of individual liquid droplets and their strict maintenance in the formation of the array, which is hardly possible in practical applications. In addition, the light modulation mechanism in the aforementioned reference (No. 5659330) requires that the droplet shape be distinguishable on a macroscopic scale, which limits the achievable display regeneration frequency.
В другой заявке на патенте США №2004/0109234, озаглавленной «Электрически Перестраиваемый Элемент Дифракционной Решетки» Левола (Т.Levola) описывает деформируемую структуру дифракционной решетки, в которой предварительно сформированный основной поверхностный рельеф решетки состоит из диэлектрика и деформируемого вязкоупругого материала, форма которого может быть электрически перестроена, чтобы скорректировать дифракционные свойства решетки.In another application for US patent No. 2004/0909234, entitled "Electrically Tunable Element of the Diffraction Grating" Levola (T.Levola) describes the deformable structure of the diffraction grating, in which the preformed main surface relief of the grating consists of a dielectric and a deformable viscoelastic material, the shape of which can be electrically rebuilt to adjust the diffraction properties of the grating.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Согласно первому аспекту изобретения оптическое устройство содержит: дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, при этом коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом, что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле.According to a first aspect of the invention, an optical device comprises: a diffraction grating made of a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids; a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, while the refractive indices n and k are essentially equal, while the homogeneous liquid layer is located on the first surface of the diffraction grating, and the parameters of the optical device are selected so that: a) a homogeneous liquid layer does not enter the region of the air pocket formed below the top of the structure when there is no electric field created in a homogeneous liquid layer, and b) a homogeneous liquid layer enters in advance the given value in the region of the air pocket formed below the top of the structure due to the effect of capillarity and increased wettability of the first surface when there is a predetermined electric field created in a uniform liquid layer, thereby changing the diffraction efficiency of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam transmitted through the diffraction grating or reflected to it; and an electrode layer of electrically conductive material made on the second surface in order to create an electric field.
Дополнительно к первому аспекту изобретения электрическое поле или заранее заданное электрическое поле могут быть созданы путем приложения напряжения между однородным жидким слоем и электродным слоем.In addition to the first aspect of the invention, an electric field or a predetermined electric field can be created by applying a voltage between the uniform liquid layer and the electrode layer.
Далее, согласно первому аспекту изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать: дополнительный электродный слой электрически проводящего материала, выполненного на однородном жидком слое, причем электрическое поле или заранее заданное электрическое поле создают путем приложения напряжения между дополнительным электродным слой и электродным слоем.Further, according to a first aspect of the invention, the optical device may further comprise: an additional electrode layer of electrically conductive material formed on a uniform liquid layer, wherein an electric field or a predetermined electric field is created by applying voltage between the additional electrode layer and the electrode layer.
Также согласно первому аспекту изобретения параметры оптического устройства могут включать: период структуры d, поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое и смачиваемость гидрофобного материала.Also, according to a first aspect of the invention, the parameters of the optical device may include: period of structure d, surface tension of the liquid in a uniform liquid layer, and wettability of the hydrophobic material.
Далее, соответственно первому аспекту изобретения периодические штрихи дифракционной решетки могут иметь прямоугольный, наклонный профиль или плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.Further, according to the first aspect of the invention, the periodic strokes of the diffraction grating may have a rectangular, inclined profile or a smoothly changing profile according to a predetermined algorithm.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения электродный слой может быть прозрачным по отношению к оптическому лучу.In accordance with still a first aspect of the invention, the electrode layer may be transparent with respect to the optical beam.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения однородный жидкий слой может быть окрашен заранее заданным оптическим цветом, или же перед однородным жидким слоем может быть использован цветной фильтр так, чтобы дифракционная решетка пропускала только оптический луч с заранее заданным цветом.In accordance with the still first aspect of the invention, a uniform liquid layer may be colored with a predetermined optical color, or a color filter may be used in front of the uniform liquid layer so that the diffraction grating transmits only an optical beam with a predetermined color.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения параметры дифракционной решетки могут быть выбраны таким образом, что дифракционная решетка поддерживает только первый и нулевой порядки дифракции пропущенного оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку, причем пропущенный нулевой порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, задерживается, а пропущенный первый порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, направляется к пользователю оптического устройства. Кроме того, оптическая интенсивность пропущенного первого порядка дифракции, являющегося компонентой пропущенного оптического луча, может быть изменена путем изменения эффективности дифракции дифракционной решетки электрическим полем.In accordance with still the first aspect of the invention, the parameters of the diffraction grating can be selected so that the diffraction grating supports only the first and zero diffraction orders of the transmitted optical beam passing through the diffraction grating, and the missing zero-order diffraction, which is a component of the transmitted optical beam, is delayed, and the missing first diffraction order, which is a component of the transmitted optical beam, is directed to the user of the optical device. In addition, the optical intensity of the transmitted first-order diffraction, which is a component of the transmitted optical beam, can be changed by changing the diffraction grating efficiency of the diffraction grating by the electric field.
Все еще согласно первому аспекту изобретения оптический луч может быть принят первой поверхностью дифракционной решетки.Still according to the first aspect of the invention, the optical beam may be received by the first surface of the diffraction grating.
Все еще согласно первому аспекту изобретения воздух уходит из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть полностью заполнена однородным жидким слоем, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, превышает пороговое электрическое поле.Still according to the first aspect of the invention, the air leaves the region of the air pocket, wherein the region of the air pocket can be completely filled with a uniform liquid layer when the electric field created in the uniform liquid layer exceeds the threshold electric field.
Все еще согласно первому аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, меньше, чем пороговое электрическое поле, причем периодические штрихи дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.Still according to the first aspect of the invention, air can escape from the air pocket region, wherein the air pocket region can be filled with a homogeneous liquid layer by a predetermined amount when the electric field created in the homogeneous liquid layer is less than the threshold electric field, with periodic strokes diffraction gratings have a smoothly changing profile according to a predetermined algorithm.
В соответствии со все еще первым аспектом изобретения воздух в области воздушного кармана возможно не является удаляемым из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, больше, чем пороговое электрическое поле, причем заранее заданная величина определена условием равновесия с использованием давления, обусловленного воздухом в воздушном кармане.In accordance with still the first aspect of the invention, the air in the region of the air pocket may not be removed from the region of the air pocket, while the region of the air pocket may be filled with a uniform liquid layer by a predetermined amount when the electric field created in the uniform liquid layer is greater than the threshold electric field, and a predetermined value is determined by the equilibrium condition using the pressure caused by the air in the air pocket.
Согласно второму аспекту изобретения оптическая интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него в электронном устройстве, включает этапы: приема оптического луча оптическим устройством, которое содержит: дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и изменение заранее заданного электрического поля, дополнительно изменяя, тем самым, заранее заданную величину, на которую однородный жидкий слой входит в область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, изменяя, таким образом, оптическую интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него.According to a second aspect of the invention, the optical intensity of an optical beam propagating through or reflected from an optical device in an electronic device includes the steps of: receiving an optical beam with an optical device, which comprises: a diffraction grating made of a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids; an electrode layer of electrically conductive material made on a second surface in order to create an electric field; a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, the refractive indices n and k being essentially equal, the homogeneous liquid layer being located on the first surface of the diffraction grating and the optical device parameters selected in such a way that: a) homogeneous the liquid layer does not enter the region of the air pocket formed below the top of the structure when there is no electric field created in the homogeneous liquid layer, and b) the homogeneous liquid layer enters in advance due to the effect of capillarity and increased wettability of the first surface when there is a predetermined electric field created in a homogeneous liquid layer, thereby changing the diffraction efficiency of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam transmitted through the diffraction grating or reflected to it; and changing a predetermined electric field, thereby further changing a predetermined amount by which a uniform liquid layer enters the region of the air pocket, leading to a further change in diffraction efficiency of the diffraction grating, thereby changing the optical intensity of the optical beam propagating through the optical device or reflected from it.
Далее, согласно второму аспекту изобретения электрическое поле или заранее заданное электрическое поле могут быть созданы путем приложения напряжения между однородным жидким слоем и электродным слоем.Further, according to a second aspect of the invention, an electric field or a predetermined electric field can be created by applying a voltage between the uniform liquid layer and the electrode layer.
Далее, согласно второму аспекту изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать: дополнительный электродный слой из электрически проводящего материала, выполненный на однородном жидком слое, причем электрическое поле или заранее заданное электрическое поле может быть создано, прикладывая напряжение между дополнительным электродным слоем и электродным слоем.Further, according to a second aspect of the invention, the optical device may further comprise: an additional electrode layer of electrically conductive material made on a uniform liquid layer, wherein an electric field or a predetermined electric field can be created by applying voltage between the additional electrode layer and the electrode layer.
Все еще согласно второму аспекту изобретения параметры оптического устройства могут включать: период структуры d, поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое и смачиваемость гидрофобного материала.Still according to a second aspect of the invention, the parameters of the optical device may include: period of structure d, surface tension of the liquid in a uniform liquid layer, and wettability of the hydrophobic material.
В соответствии со вторым аспектом изобретения периодические штрихи дифракционной решетки могут иметь прямоугольный, наклонный профиль или плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.According to a second aspect of the invention, the periodic strokes of the diffraction grating may have a rectangular, inclined profile or a smoothly changing profile according to a predetermined algorithm.
Все еще в соответствии со вторым аспектом изобретения электродный слой может быть прозрачным по отношению к оптическому лучу.Still in accordance with a second aspect of the invention, the electrode layer may be transparent with respect to the optical beam.
Далее, согласно все еще второму аспекту изобретения однородный жидкий слой может быть окрашен заранее заданным оптическим цветом, или же перед однородным жидким слоем может быть использован цветной фильтр так, чтобы дифракционная решетка пропускала только оптический луч с заранее заданным цветом.Further, according to the still second aspect of the invention, the uniform liquid layer can be colored with a predetermined optical color, or a color filter can be used in front of the uniform liquid layer so that the diffraction grating transmits only an optical beam with a predetermined color.
В соответствии со все еще вторым аспектом изобретения параметры дифракционной решетки могут быть выбраны таким образом, что дифракционная решетка поддерживает только первый и нулевой порядки дифракции пропущенного оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку, причем пропущенный нулевой порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, задерживается, а пропущенный первый порядок дифракции, являющийся компонентой пропущенного оптического луча, направляется к пользователю оптического устройства. Кроме того, оптическая интенсивность пропущенного первого порядка дифракции, являющегося компонентой пропущенного оптического луча, может быть изменена путем изменения эффективности дифракции дифракционной решетки электрическим полем.In accordance with the still second aspect of the invention, the parameters of the diffraction grating can be selected so that the diffraction grating supports only the first and zero diffraction orders of the transmitted optical beam passing through the diffraction grating, and the missing zero diffraction order, which is a component of the transmitted optical beam, is delayed, and the missing first diffraction order, which is a component of the transmitted optical beam, is directed to the user of the optical device. In addition, the optical intensity of the transmitted first-order diffraction, which is a component of the transmitted optical beam, can be changed by changing the diffraction grating efficiency of the diffraction grating by the electric field.
Все еще согласно второму аспекту изобретения оптический луч может быть принят первой поверхностью дифракционной решетки.Still according to the second aspect of the invention, the optical beam may be received by the first surface of the diffraction grating.
Все еще согласно второму аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть полностью заполнена однородным жидким слоем, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, превышает пороговое электрическое поле, причем указанные периодические штрихи указанной дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.Still according to the second aspect of the invention, air can escape from the region of the air pocket, wherein the region of the air pocket can be completely filled with a uniform liquid layer when the electric field created in the uniform liquid layer exceeds the threshold electric field, wherein said periodic strokes of said diffraction grating have smoothly changing profile according to a predetermined algorithm.
Все еще согласно второму аспекту изобретения воздух может уйти из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, меньше, чем пороговое электрическое поле, причем периодические штрихи дифракционной решетки имеют плавно изменяющийся профиль согласно заранее заданному алгоритму.Still according to the second aspect of the invention, air can escape from the air pocket region, wherein the air pocket region can be filled with a homogeneous liquid layer by a predetermined amount when the electric field created in the homogeneous liquid layer is less than the threshold electric field, with periodic strokes diffraction gratings have a smoothly changing profile according to a predetermined algorithm.
В соответствии со все еще вторым аспектом изобретения воздух в области воздушного кармана возможно не может быть удален из области воздушного кармана, при этом область воздушного кармана может быть заполнена однородным жидким слоем на заранее заданную величину, когда электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, может быть больше, чем пороговое электрическое поле, причем заранее заданная величина может быть определена условием равновесия с использованием давления, обусловленного воздухом в воздушном кармане.According to still a second aspect of the invention, air in the region of the air pocket may not be able to be removed from the region of the air pocket, while the region of the air pocket may be filled with a uniform liquid layer by a predetermined amount when an electric field created in a uniform liquid layer can be larger than the threshold electric field, and a predetermined value can be determined by the equilibrium condition using the pressure caused by the air in the air pocket.
Согласно третьему аспекту изобретения компьютерный программный продукт содержит: машиночитаемая структура памяти, включающая код компьютерной программы для выполнения процессором компьютера с кодом компьютерной программы, отличающийся тем, что указанный компьютерный программный продукт содержит команды для выполнения этапов второго аспекта изобретения, как выполняемого любым компонентом электронного устройства.According to a third aspect of the invention, the computer program product comprises: a computer-readable memory structure including a computer program code for execution by a computer processor with a computer program code, characterized in that said computer program product comprises instructions for performing steps of the second aspect of the invention as being performed by any component of an electronic device.
Согласно четвертому аспекту изобретения электронное устройство содержит: по меньшей мере одно оптическое устройство, содержащее дифракционную решетку, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и имеющую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей; электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле; однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, при этом однородный жидкий слой расположен на первой поверхности дифракционной решетки, а параметры оптического устройства выбраны таким образом что: а) однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, и b) однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в однородном жидком слое, изменяя, тем самым, эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через дифракционную решетку или ей отраженного; и элемент, содержащий указанное по меньшей мере одно оптическое устройство; и по меньшей мере один генератор напряжения, чувствительный к сигналу выбора/модуляции интенсивности, для подачи управляющего сигнала электросмачивания на оптическое устройство в указанном компоненте, чтобы обеспечить электрическое поле, приложенное между однородным жидким слоем и электродным слоем, изменяя, тем самым, заранее заданное электрическое поле и также изменяя заранее заданную величину, на которую однородный жидкий слой входит в область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, изменяя, таким образом, оптическую интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него, для обеспечения необходимого уровня оптической интенсивности.According to a fourth aspect of the invention, the electronic device comprises: at least one optical device comprising a diffraction grating made of a dielectric optical material with a refractive index n and having a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids; an electrode layer of electrically conductive material made on a second surface in order to create an electric field; a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, the refractive indices n and k being essentially equal, the homogeneous liquid layer being located on the first surface of the diffraction grating and the optical device parameters selected in such a way that: a) homogeneous the liquid layer does not enter the region of the air pocket formed below the top of the structure when there is no electric field created in the homogeneous liquid layer, and b) the homogeneous liquid layer enters in advance due to the effect of capillarity and increased wettability of the first surface when there is a predetermined electric field created in a homogeneous liquid layer, thereby changing the diffraction efficiency of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam transmitted through the diffraction grating or reflected to it; and an element comprising said at least one optical device; and at least one voltage generator sensitive to the intensity selection / modulation signal, for supplying an electrowetting control signal to an optical device in said component to provide an electric field applied between the uniform liquid layer and the electrode layer, thereby changing a predetermined electric field and also changing a predetermined value by which a uniform liquid layer enters the region of the air pocket, leading to a further change in diffraction efficiency lattice, thus changing the optical intensity of the optical beam propagating through the optical device or reflected from it, to provide the necessary level of optical intensity.
В соответствии также с четвертым аспектом изобретения элемент может быть дисплеем, оптическое устройство может быть пикселем дисплея, а оптический сигнал модуляции интенсивности может быть видео сигналом.According to a fourth aspect of the invention, an element may be a display, an optical device may be a display pixel, and an optical intensity modulation signal may be a video signal.
Далее, согласно четвертому аспекту изобретения элемент может быть проекционным дисплеем, дисплеем с передней подсветкой, дисплеем с последовательным формированием полей или автостереоскопическим дисплеем.Further, according to a fourth aspect of the invention, the element may be a projection display, a backlight display, a sequential field display, or an autostereoscopic display.
Все еще согласно четвертому аспекту изобретения электронное устройство может дополнительно содержать: оптический селектор/переключатель интенсивности, чувствительный к оптическому сигналу модуляции/команды интенсивности, для того, чтобы обеспечить сигнал выбора интенсивности в ответ на оптический сигнал команды модуляции интенсивности, причем сигнал выбора интенсивности указывает необходимый уровень оптической интенсивности отраженной от дифракционной решетки или прошедшей через нее.Still according to the fourth aspect of the invention, the electronic device may further comprise: an optical selector / intensity switch sensitive to the optical modulation signal / intensity command, in order to provide an intensity selection signal in response to the optical signal of the intensity modulation command, the intensity selection signal indicating the desired the level of optical intensity reflected from the diffraction grating or passed through it.
В соответствии также с четвертым аспектом изобретения оптический селектор/переключатель интенсивности и по меньшей мере один генератор напряжения могут быть объединены в одном блоке.According to a fourth aspect of the invention, an optical intensity selector / switch and at least one voltage generator can be combined in one unit.
Преимущества различных вариантов выполнения настоящего изобретения, использующих дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС), включают (но не ограничены):The advantages of various embodiments of the present invention using diffraction gratings with electric wetting (ES) include (but are not limited to):
- быстрое время отклика;- fast response time;
- однородный жидкий слой, не нужны никакие специальные операции для создания отдельных капелек;- homogeneous liquid layer, no special operations are needed to create separate droplets;
- перестраиваемая интенсивность пикселя; и- tunable pixel intensity; and
- высокая эффективность.- high efficiency.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг.1а и 1b схематически изображают поверхностное натяжение и капиллярный эффект в отношении смачиваемости поверхности.Figures 1a and 1b schematically depict surface tension and capillary effect with respect to surface wettability.
Фиг.2а и 2b схематически изображают оптическое устройство с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью при: а) нулевом управляющем напряжении на фиг.2а; b) изменяемым ненулевым управляющем напряжении на фиг.2b, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;Figures 2a and 2b schematically depict an optical device with a diffraction grating with electric wetting (ES) with variable efficiency for: a) zero control voltage in figa; b) a variable non-zero control voltage in FIG. 2b, in accordance with an embodiment of the present invention;
Фиг.3 схематически изображает оптическое устройство с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью для дифракционной структуры, использующей переменный угол боковой стенки, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;Figure 3 schematically depicts an optical device with an electrically wetted (ES) diffractive grating with variable efficiency for a diffractive structure using a variable angle of the side wall, in accordance with an embodiment of the present invention;
Фиг.4 схематически изображает одну возможную реализацию пикселя в дисплее прямого формирования изображения с задней подсветкой, используя дифракционную решетку с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;Figure 4 schematically depicts one possible implementation of a pixel in a direct backlight imaging display using an electrically wetted diffraction grating (ES) with variable efficiency, in accordance with an embodiment of the present invention;
Фиг.5 схематически изображает реализацию схемы пикселя цветного дисплея, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;5 schematically depicts an implementation of a pixel circuit of a color display, in accordance with an embodiment of the present invention;
Фиг.6а-6с схематически изображают различные схемы выполнения цветных дисплеев без линзовой решетки (фиг.6а) и с линзовой решеткой (фиг.6b-6с), в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения; иFiga-6c schematically depict various schemes for performing color displays without a lens array (Fig.6a) and with a lens array (Fig.6b-6c), in accordance with an embodiment of the present invention; and
Фиг.7 является блок-схемой электронного устройства для обеспечения модуляции интенсивности света с помощью электрического управляющего сигнала, используя дифракционную решетку с электросмачиванием (ЭС) в элементе (например, дисплее) электронного устройства, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.7 is a block diagram of an electronic device for modulating light intensity with an electrical control signal using an electrically wetted (ES) grating in an element (eg, display) of an electronic device in accordance with an embodiment of the present invention.
ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Новые способ, устройство и программный продукт представлены для модуляции оптической интенсивности, используя дифракционные решетки с электросмачиванием (ЭС) в электронных устройствах с электрическим управляющим сигналом. Дифракционные решетки ЭС могут быть компонентами элемента (например, дисплея) электронного устройства. Варианты выполнения настоящего изобретения обеспечивают техническое решение, чтобы использовать электросмачивание (ЭС) для реализации дифракционных решеток с изменяемой эффективностью.A new method, device and software product are presented for modulating the optical intensity using diffraction gratings with electric wetting (ES) in electronic devices with an electric control signal. ES diffraction gratings can be components of an element (for example, a display) of an electronic device. Embodiments of the present invention provide a technical solution to use electric wetting (ES) to realize variable efficiency diffraction gratings.
Например, одним решением является цветной дисплей прямого формирования изображения с непрерывно перестраиваемыми интенсивностями пикселя, например, используя дифракционные решетки ЭС как цветной пиксель, который обеспечивает быстрое время отклика и частоту регенерации, как описано ниже. Другими применениями могут быть проекционные дисплеи, дисплеи с передней подсветкой, дисплеи с последовательным формированием полей или автостереоскопический дисплей и т.д. Также возможны применения в других областях техники, помимо дисплеев, которые могут включать (но не быть ограничены этим) области, в которых используется оптическое разделение луча и/или его перенаправление. Одно из таких применений могут быть оптические средства дистанционной связи, в которых можно было использовать эффект переключения света между, например, волноводами в многоканальных применениях.For example, one solution is a color display of direct image formation with continuously tunable pixel intensities, for example, using ES diffraction gratings as a color pixel, which provides a fast response time and regeneration frequency, as described below. Other applications may include projection displays, front-illuminated displays, field-sequencing displays, or autostereoscopic displays, etc. Applications are also possible in other fields of technology, in addition to displays, which may include (but not be limited to) areas in which optical beam splitting and / or redirection is used. One such application may be optical means of remote communication, in which it was possible to use the effect of switching light between, for example, waveguides in multichannel applications.
Фиг.1а и 1b являются схематическими представлениями, изображающими поверхностное натяжение и капиллярный эффект в отношении смачиваемости поверхности. Смачиваемость поверхности описывается так называемым контактным углом (ϕ). Для гидрофильньных поверхностей контактный угол меньше 90 градусов, что означает, что адгезионная сила между жидкостью и поверхностью больше, чем когезионная сила жидкости. Капля 1а воды в таком случае распространяется по поверхности благодаря адгезии, пока когезионная сила не станет достаточно сильной, из-за увеличенной площади поверхности, чтобы предотвратить далее распространение жидкости. Также, в этом же случае, жидкость входит в капилляр и заполняет его, если другой конец капилляра открыт (см. фиг.1а с углом (меньше, чем 90 градусов).Figa and 1b are schematic representations depicting surface tension and capillary effect in relation to the wettability of the surface. The wettability of the surface is described by the so-called contact angle (ϕ). For hydrophilic surfaces, the contact angle is less than 90 degrees, which means that the adhesive force between the liquid and the surface is greater than the cohesive force of the liquid. A drop of
С другой стороны, если поверхность является водоотталкивающей, то контактный угол больше 90 градусов (угол ϕ1 на фиг.1b). В этом случае когезионная сила жидкости больше, чем поверхностная адгезия и формируется маленькая капелька 1b. Кроме того, капиллярный эффект также работает в обратном направлении и вызывает «капиллярное давление», направленное наружу в жидкость, которое препятствует заполнению полости жидкостью.On the other hand, if the surface is water repellent, then the contact angle is greater than 90 degrees (angle ϕ 1 in FIG. 1b). In this case, the cohesive force of the liquid is greater than the surface adhesion and a
Принцип работы решетки с электросмачиванием (ЭС) может быть понятен из фиг.2а и 2b, показывающих пример, среди других схематических представлений, оптического устройства 20 с дифракционной решеткой с электросмачиванием (ЭС) с изменяемой эффективностью в случае: а) нулевого управляющего напряжения на фиг.2а; и b) изменяемого ненулевого управляющего напряжения на фиг.2b, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.The principle of operation of an electrically wetted grating (ES) can be understood from FIGS. 2a and 2b, showing an example, among other schematic representations, of an
Оптическое устройство 20 содержит дифракционную решетку 12, выполненную из диэлектрического оптического материала с коэффициентом преломления n и имеющую первую поверхность 21 со структурой 23, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность 22. Первая поверхность 21 покрыта гидрофобным материалом 13, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки 12 для заранее выбранных жидкостей. Электродный слой 11 из электрического проводящего материала выполнен на второй поверхности 22. Электродный слой 11 может быть выполнен из оптически прозрачного или отражающего (например, металл) материала. Наконец, однородный жидкий слой 14 (при необходимости электрически проводящий), с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, расположен на первой поверхности 21 дифракционной решетки 12, причем коэффициенты преломления n и k по существу равны, т.е. k выбран так, чтобы почти соответствовать коэффициенту преломления дифракционной решетки 12. Одной возможной комбинацией жидкость/материал, в которой коэффициенты соответствуют друг другу, является вода и тефлон. Оба вещества имеют коэффициент преломления приблизительно 1,3, при этом контактный угол воды на тефлоне больше 90 градусов (обычно около 108 градусов). Другая возможность состоит в том, чтобы использовать диэлектрический материал с соответствующим коэффициентом преломления, который обычно не является гидрофобным по отношению к заранее выбранной жидкости, и покрыть его подходящим несмачивающим агентом. Возможные агенты обработки поверхности включают (но не ограничены ими), например, органосилановые соединения или фторсодержащие полимеры.The
Когда электрическое поле не приложено между однородным жидким слоем 14 и электродным слоем 11, как показано на фиг.2а, однородный жидкий слой 14 не входит в область воздушного кармана 10, образованного ниже верха структуры 23. Это обеспечивается соответствующим выбором параметров оптического устройства 20. Например, правильный выбор и согласование: а) постоянной d дифракционной решетки 12, b) поверхностного натяжения жидкости в однородном жидком слое 14 и с) соответствующего уменьшения смачиваемости благодаря антиадгезионной обработке (первая поверхность 21 покрыта гидрофобным материалом 13) предотвращает вход жидкости однородного жидкого слоя 14 в область воздушного кармана 10, как показано на фиг.1а. На практике критическое поверхностное натяжение первой поверхности 21 должно быть меньше, чем поверхностное натяжение жидкости в однородном жидком слое 14, чтобы обеспечить отталкивающее капиллярное давление, действующее на жидкость. В этом случае падающий оптический луч 17, который проходит через решетку, испытает фазовую модуляцию из-за различия между коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12 и коэффициентом преломления области воздушного кармана 10, который равен единице. Это приводит к разделению оптического луча 17 на несколько дифракционных порядков, которые распространяются в различных направлениях как для отраженного оптического луча 18, так и для прошедшего оптического луча 19.When an electric field is not applied between the
Оптическая интенсивность в конкретном дифракционном порядке зависит от формы дифракционной решетки 12 и от высоты h области модуляции (структуры 23). Кроме того, число разрешенных дифракционных порядков зависит от постоянной d дифракционной решетки 12 и может быть выбрано таким образом, чтобы только нулевой дифракционный порядок (непосредственно отраженный или прошедший оптический луч) и первый дифракционный порядок были разрешены. Кроме того, для правильного выбора дифракционного профиля дифракционной решетки 12 (например, используя прямоугольные или наклонные структуры, изменяя высоту h структуры, и т.д.), возможно направить большую часть оптического луча только в первый дифракционный порядок, эффективно отключая, тем самым, зеркально отраженный или непосредственно прошедший оптический луч.The optical intensity in a particular diffraction order depends on the shape of the
Перестраиваемость эффективности дифракции, т.е. количество оптического луча, направленного к конкретному дифракционному порядку, происходит из использования электросмачивания (или электростатического давления) для изменения высоты поверхности жидкости в области воздушного кармана 10. Принцип электросмачивания хорошо известен и используется, например, для перемещения жидких капелек по поверхностям или в капиллярных пространствах (см., например, патент США №5659330, озаглавленный «Слой Электрокапиллярного Цветного Дисплея», автор Шеридон (N.K.Sheridon)).Tunability of diffraction efficiency, i.e. the amount of the optical beam directed to a particular diffraction order comes from the use of electro-wetting (or electrostatic pressure) to change the height of the liquid surface in the area of the
В соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения генератор 16 напряжения соединен со слоем электропроводящей жидкости 14 и электродным слоем 11, который может быть либо оптически прозрачным, либо отражающим, в зависимости от применения. Например, когда имеется заранее заданное электрическое поле, приложенное между однородным жидким слоем 14 и указанным электродным слоем 11 с использованием генератора 16 напряжения, как показано на фиг.2b, однородный жидкий слой 14 входит на заранее заданную величину в область воздушного кармана 10, как показано на фиг.2b, благодаря капиллярному эффекту и увеличенной смачиваемости первой поверхности 21, вызванной приложением заранее заданного электрического поля. Это изменяет эффективность дифракции дифракционной решетки 12 и, как следствие, меняет оптическую интенсивность прошедшего оптического луча 19а и/или отраженного оптического луча 18а.According to an embodiment of the present invention, the
Когда приложено достаточно высокое напряжение (т.е. электрическое поле, созданное генератором 16 напряжения), как показано на фиг.2b, такое, что электростатическое давление, действующее на однородный жидкий слой 14 посредством статического электрического поля, превышает отталкивающее капиллярное давление, или же контактный угол между жидкостью и первой поверхностью уменьшился до величины ниже 90 градусов благодаря электросмачиванию, жидкость будет проходить глубже в воздушный карман 10. Если воздух в области воздушного кармана 10 может уйти из структуры, то тогда жидкость, перемещающаяся в область воздушного кармана из однородного жидкого слоя, полностью заполняет структуру решетки. Напряжение, необходимое для заполнения воздушного кармана 10 указанной жидкостью, зависит от постоянной d дифракционной решетки 12, расстояния между нижним электродом 11 и верхним электродом 14 (в случае проводящей жидкости), поверхностного натяжения жидкости в однородном жидком слое 14 и критического поверхностного натяжения первой поверхности 21, а также может быть изменено путем перестройки вышеуказанных параметров.When a sufficiently high voltage is applied (i.e., an electric field created by the voltage generator 16), as shown in FIG. 2b, such that the electrostatic pressure acting on the
Поскольку коэффициент преломления k жидкости хорошо согласуется с коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12, структура становится оптически однородной, эффективно разрушая, таким образом, фазовую модуляцию света, полученную с помощью незаполненных решеток. Последующее уменьшение напряжения ниже критического напряжения, при котором капиллярное давление превышает электростатическое давление, или же контактный угол между жидкостью и первой поверхностью 21 становится больше, чем 90 градусов, приводит к тому, что на жидкость действует результирующая отталкивающая сила, что приводит к удалению жидкости из области воздушного кармана, облегчая, тем самым, переключение дифракционной решетки между дифрагирующим и недифрагирующим (однородным) состояниями. Время отклика, для того чтобы переключить дифракционную решетку, мало, поскольку требуется лишь очень маленькая модуляция высоты поверхности. Для решеток с высотой структуры 1 мкм и скоростью фронта жидкости, равной 10 см/с, соответствующее время отклика равно приблизительно 10 мкс.Since the refractive index k of the liquid is in good agreement with the refractive index n of the grating 12, the structure becomes optically homogeneous, effectively destroying, thus, the phase modulation of light obtained using unfilled gratings. A subsequent decrease in the voltage below the critical voltage, at which the capillary pressure exceeds the electrostatic pressure, or the contact angle between the liquid and the
Непрерывно перестраиваемая эффективность дифракции может быть получена путем выбора структуры решетки, в которой воздух в области воздушного кармана 10 в структуре захвачен. Воздушный карман в этом случае действует как пружина, которая предотвращает жидкость от полного заполнения структуры решетки и, таким образом, позволяет управлять уровнем жидкости в области воздушного кармана 10, изменяя приложенное напряжение с помощью генератора 16 напряжения. Поскольку коэффициент преломления k жидкого слоя 14 хорошо согласуется с коэффициентом преломления n дифракционной решетки 12, изменение высоты жидкости непосредственно изменяет величину фазовой модуляции оптического луча 17 после прохождения (пропускания или отражения) через оптическое устройство 20. Это, в свою очередь, приводит к изменению эффективности дифракции дифракционной решетки 12 и позволяет изменять интенсивность оптического луча, который входит в конкретный дифракционный порядок.Continuously tunable diffraction efficiency can be obtained by selecting a lattice structure in which air is captured in the region of the
Другая возможность получения непрерывной перестраиваемости эффективности дифракции, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения состоит в том, что выбирают структуру решетки с углом боковой стенки, изменяющимся относительно нормали к поверхности однородного жидкого слоя 14 (например, см. фиг.3). В этом случае жидкий слой проникает в область воздушного кармана 10 на глубину, на которой угол между тангенсом поверхности 13 структуры и однородным жидким слоем равняется контактному углу, определяемому поверхностным натяжением жидкости и критическим поверхностным натяжением материала, используемого в структуре 12 и/или его поверхностной обработкой. Глубина проникновения и, тем самым, эффективность дифракции могут тогда быть настроены путем приложения напряжения между электродом 11 и однородным жидким слоем 14, что вызывает изменение в эффективном контактном угле из-за электросмачивания.Another possibility of obtaining continuous tunability of the diffraction efficiency, in accordance with an embodiment of the present invention, is that a lattice structure with an angle of the side wall varying relative to the normal to the surface of the
Примеры, показанные на фиг.2а и 2b, используют электропроводящий однородный жидкий слой 14. Однако в соответствии с дальнейшим вариантом выполнения настоящего изобретения также можно использовать непроводящие жидкости. В этом случае жидкий слой может быть покрыт другим электродом (например, в качестве альтернативы, оптически прозрачным), чтобы сформировать конденсатор с параллельными пластинами. Когда к пластинам приложено напряжение, на жидкость действует сила, потому что полная энергия системы разная для заполненных и незаполненных штрихов решетки. Это тот же самый эффект, который использован в патенте США №4701021, озаглавленном «Оптический Модулятор» авторов Песант (Pesant) и др., чтобы переместить жидкую каплю между двумя параллельными пластинами в конденсаторе. В этом случае сила зависит от диэлектрической проницаемости жидкости, так что, если в ЕС дифракционных решетках используются непроводящие жидкости, выбор жидкости с максимально высокой диэлектрической проницаемостью может иметь преимущество.The examples shown in FIGS. 2a and 2b use an electrically conductive
Следует заметить, что многослойная структура может использовать многочисленные ЕС структуры дифракционной решетки с электросмачиванием (например, подобно дифракционным решеткам 12) с одним (например, используя структуры решетки и электроды как на верхней, так и на нижней подложке) или многочисленные жидкие слои (как 14) между ними для модуляции оптической интенсивности и/или перенаправления оптического луча. Кроме того, в качестве альтернативы вместо воздуха в области воздушного кармана 10 могут быть использованы некоторые другие жидкости.It should be noted that a multilayer structure can use numerous EC structures of an electrically wetted diffraction grating (for example, like diffraction gratings 12) with one (for example, using grating structures and electrodes on both the upper and lower substrates) or numerous liquid layers (as 14 ) between them to modulate the optical intensity and / or redirect the optical beam. In addition, as an alternative, some other fluids may be used instead of air in the region of the
Ниже описаны несколько практических случаев в соответствии с дальнейшим вариантом выполнения настоящего изобретения.Several practical cases are described below in accordance with a further embodiment of the present invention.
Сначала предположим, что воздух может уйти из области воздушного кармана, например, в сторону в направлении штрихов решетки. В этом случае решетка будет выключена (полностью заполнена), когда внешнее напряжение превысит пороговое значение (которое эквивалентно пороговому электрическому полю), при котором эффект электросмачивания (или электростатического давления, вызванного электрическим полем), заставляет контактный угол уменьшиться ниже 90 градусов.First, suppose that air can escape from the air pocket region, for example, to the side in the direction of the grating strokes. In this case, the lattice will be turned off (completely filled) when the external voltage exceeds the threshold value (which is equivalent to the threshold electric field), at which the effect of electro-wetting (or electrostatic pressure caused by the electric field) causes the contact angle to decrease below 90 degrees.
Во-вторых, предположим, что воздух может уйти из области воздушного кармана, и внешнее напряжение V меньше, чем пороговое значение (или пороговое электрическое поле). Тогда может быть получена переменная эффективность дифракции, используя структуру решетки с переменным углом боковой стенки (согласно заранее заданному алгоритму), как показано на фиг.3. При заданном конкретном напряжении уровень воды проникнет на глубину, на которой угол между тангенсом поверхности и тангенсом фронта воды равняется контактному углу, установленному электросмачиванием.Secondly, suppose that air can escape from the region of the air pocket, and the external voltage V is less than the threshold value (or threshold electric field). Then a variable diffraction efficiency can be obtained using a lattice structure with a variable angle of the side wall (according to a predetermined algorithm), as shown in FIG. 3. At a given specific voltage, the water level will penetrate to a depth at which the angle between the tangent of the surface and the tangent of the water front is equal to the contact angle established by the electric wetting.
В-третьих, предположим, что воздух не может уйти из области воздушного кармана и внешнее напряжение V меньше, чем пороговое значение (или пороговое электрическое поле). В этом случае глубина проникновения будет установлена условием равновесия между внутренним электростатическим давлением, направленным наружу капиллярным давлением и направленным наружу давлением воздуха в воздушном кармане (например, см. пример на фиг.2b).Thirdly, suppose that air cannot leave the region of the air pocket and that the external voltage V is less than the threshold value (or threshold electric field). In this case, the penetration depth will be established by the equilibrium condition between the internal electrostatic pressure directed outward by the capillary pressure and the outward directed air pressure in the air pocket (for example, see the example in FIG. 2b).
На фиг.4, среди прочих, показан один пример схематического представления для возможного выполнения пикселя (например, шкалы серого цвета) 24 в дисплее прямого формирования изображения с задней подсветкой, используя оптическое устройство 20 с дифракционной решеткой 12 с электросмачиванием (ЭС) и изменяемой эффективностью, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Здесь падающий оптический луч 17 (например, освещающий свет), который проходит через ЕС решетку, разделяется между нулевым (луч 28) и первым (луч 27) дифракционными порядками. Прямо прошедший свет 28 задерживается гасителем 26, который предотвращает попадание этого света в поле зрения пользователя. С другой стороны, дифрагированный свет первого порядка (луч 27) направлен к пользователю и может наблюдаться. Интенсивность пикселя может быть настроена путем изменения эффективности дифракции для первого дифракционного порядка, используя перестраиваемось ЕС дифракционной решетки 12, как описано выше, используя варианты выполнения настоящего изобретения, или путем использования нескольких параллелей подпикселей, которые могут быть переключены между вкл./выкл. независимо.Figure 4, among others, shows one example of a schematic representation for a possible implementation of a pixel (for example, gray scale) 24 in a direct backlight imaging display using an
Непосредственное развитие варианта выполнения, описанного в связи с фиг.4, является, среди прочих, примером цветного дисплея, как изображено на фиг.5, в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения. Здесь жидкость, используемая в ЕС дифракционных решетках соответствующих оптических устройств 20r, 20g и 20b, в соответствующих пикселях 24r, 24g и 24b, окрашена соответствующим цветом (например, красным, зеленым и синим) так, чтобы каждое из устройств 20r, 20g и 20b пропускало только одну полосу длины волны, что позволяет отображать различные цвета, используя, например, соответствующие пропущенные оптические лучи 34r, 34g и 34b. В качестве альтернативы, для выбора требуемых цветов могут быть использованы цветные фильтры.The direct development of the embodiment described in connection with FIG. 4 is, among others, an example of a color display, as shown in FIG. 5, in accordance with another embodiment of the present invention. Here, the liquid used in the EU diffraction gratings of the respective
Фиг.6а-6с показывают, среди прочих, дальнейшие примеры схем для различных реализации цветных дисплеев без линзовой решетки (фиг.6а) и с линзовой решеткой (фиг.6b-6с), используя решетки с электросмачиванием в применениях дисплея прямого формирования изображения, в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения.FIGS. 6a-6c show, among others, further examples of schemes for various implementations of color displays without a lens array (FIG. 6a) and with a lens array (FIGS. 6b-6c) using electrically wetted arrays in direct imaging display applications, in accordance with embodiments of the present invention.
На фиг.6а изображена схема расположения, подобная тем, что показаны на фиг.2а, 2b, 3 и 4. На фиг.6а положения гасителей (или задерживающих поглотителей) выбраны по-другому, по сравнению с фиг.4 и 5, чтобы обеспечить лучшую технологичность для показанного падающего оптического луча 17. Для разделения цветов, как показано, использованы цветные фильтры 50r (красный), 50g (зеленый) и 50b (синий) в трех последовательных пикселях. Также, чтобы обеспечить электрический контакт, использован оптически прозрачный электрод 11.Fig. 6a shows an arrangement similar to that shown in Figs. 2a, 2b, 3 and 4. In Fig. 6a, the positions of the dampers (or delay absorbers) are selected differently from Figs. 4 and 5, so that provide better manufacturability for the incident optical beam shown 17. For color separation, as shown,
На фиг.6b и 6с показано использование дополнительной линзовой решетки. В этих приложениях возможно использовать решетки с большей постоянной решетки и со многими разрешенными дифракционными порядками (вместо только одного, как в предыдущем случае, представленном на фиг.6а). Это вместе с фокусирующим действием делает их более нечувствительными к параметрам падения освещающего света (например, угол падения света). В случае, изображенном на фиг.6b, решетка может иметь двойной профиль, который симметрично разделяет свет на положительный и отрицательный дифракционные порядки (главным образом, +1 и -1). Таким образом, пиксель включен, когда нет никакого приложенного напряжения, и выключен, когда напряжение приложено. На фиг.6с показана обратная ситуация. На обоих чертежах, фиг.6b и фиг.6с, вместе с оптически прозрачным электродом 11 используют цветные фильтры 50r (красный), 50g (зеленый) и 50b (синий), а также оптически прозрачные оптические окна 52.6b and 6c show the use of an additional lens array. In these applications, it is possible to use gratings with a larger lattice constant and with many allowed diffraction orders (instead of only one, as in the previous case shown in figa). This, together with the focusing action, makes them more insensitive to the incidence parameters of the illuminating light (for example, the angle of incidence of light). In the case depicted in FIG. 6b, the grating may have a double profile that symmetrically divides the light into positive and negative diffraction orders (mainly +1 and -1). Thus, the pixel is turned on when there is no voltage applied, and off when the voltage is applied. Fig. 6c shows the reverse situation. In both drawings, FIG. 6b and FIG. 6c, together with the optically
Фиг.7 представляет собой, среди прочих, пример блок-схемы электронного устройства 40 для того, чтобы обеспечить модуляцию интенсивности света с помощью электрического управляющего сигнала, используя ЕС дифракционные решетки с электросмачиванием в элементе (например, дисплее) 48 электронного устройства 40, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.7 is, among others, an example block diagram of an
Оптический сигнал 50 модуляции интенсивности, содержащий информацию о мгновенном требуемом значении интенсивности света для отдельных пикселей дисплея 48, передается селектору 42 оптической интенсивности. В качестве альтернативы, пользователь 41 может задать оптический управляющий сигнал 50а, содержащий требуемое значение для интенсивности света всех пикселей (например, требуемый средний уровень интенсивности) дисплея 48, обеспечивая, тем самым, требуемое смещение.An optical
В ответ на сигналы 50 и/или 50а селектор 42 оптической интенсивности выдает сигнал 52 выбора интенсивности, указывающий на требуемый уровень оптической интенсивности, отраженной от каждого пикселя дисплея 48, или прошедший через каждый пиксель дисплея 48, на генератор 44 напряжения. Кроме того, в ответ на сигнал 52, генератор 44 напряжения выдает управляющий сигнал 54 электросмачивания отдельно к каждому из пикселей (оптические устройства, описанные выше вариантами выполнения настоящего изобретения), включенные в дисплей 48 для обеспечения электрического поля, приложенного между однородным жидким слоем (например, 14 на фиг.2b) и электродным слоем 11 в указанных оптических устройствах для дальнейшего обеспечения требуемого уровня оптической интенсивности.In response to the
Кроме того, сигнал 56 на фиг.7 изображен как сигнал обратной связи пользователю 41 для того, чтобы убедиться, что требуемый средний уровень интенсивности является удовлетворительным. Надо отметить, что задерживающие поглотители 42 и 44 могут быть объединены в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Кроме того, может быть предусмотрено несколько генераторов напряжения, например, чтобы по отдельности обеспечить сигнал модуляции и смещающий сигнал.In addition, the
Как показано выше, изобретение предусматривает как способ, так и соответствующее оборудование, состоящее из различных модулей, обеспечивающих функциональные возможности для выполнения этапов этого способа. Модули могут быть выполнены как аппаратные средства или могут быть выполнены как программное обеспечение или программируемое оборудование для выполнения процессором компьютера. В частности, в случае программируемого оборудования или программного обеспечения, изобретение может быть выполнено как компьютерный программный продукт, включая считываемую структуру памяти компьютера, содержащую код компьютерной программы (то есть, программное обеспечение или программируемое оборудование) для выполнения процессором компьютера.As shown above, the invention provides both a method and corresponding equipment, consisting of various modules providing functionality to perform the steps of this method. The modules may be implemented as hardware or may be implemented as software or firmware for execution by a computer processor. In particular, in the case of programmable hardware or software, the invention may be embodied as a computer program product, including a readable computer memory structure containing a computer program code (i.e., software or programmable equipment) for execution by a computer processor.
Следует понимать, что вышеописанные схемы расположения являются только иллюстрирующими принципы настоящего изобретения. Многочисленные модификации и альтернативные схемы расположения могут быть разработаны специалистами без отхода от объема настоящего изобретения, а приложенная формула изобретения предназначена для охраны таких модификаций и схем расположения.It should be understood that the above layouts are only illustrative of the principles of the present invention. Numerous modifications and alternative layouts can be developed by specialists without departing from the scope of the present invention, and the appended claims are intended to protect such modifications and layouts.
Claims (34)
дифракционную решетку, содержащую диэлектрический оптический материал с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность;
в которой первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей;
однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, в котором коэффициенты преломления n и k, по существу, равны, при этом однородный жидкий слой расположен на указанной первой поверхности указанной дифракционной решетки, а параметры указанного устройства выбраны таким образом, что:
указанный однородный жидкий слой выполнен так, чтобы не входить в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое, и указанный однородный жидкий слой выполнен так, чтобы входить на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости указанной первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое, изменяя тем самым эффективность дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через указанную дифракционную решетку или ей отраженного;
и электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на указанной второй поверхности, выполненный с возможностью создания указанного электрического поля.1. A device with a diffraction grating, containing:
a grating comprising a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface;
in which the first surface is coated with a hydrophobic material that reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids;
a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, in which the refractive indices n and k are essentially equal, while a homogeneous liquid layer is located on the specified first surface of the specified diffraction grating, and the parameters of the specified device are selected in this way , what:
the specified homogeneous liquid layer is designed so as not to enter the region of the air pocket formed below the top of the specified structure when there is no electric field created in the specified homogeneous liquid layer, and the specified homogeneous liquid layer is configured to enter a predetermined amount in the region of the air pockets formed below the top of the specified structure, due to the effect of capillarity and increased wettability of the specified first surface, when a predetermined electric field is present, creating the specified in the specified homogeneous liquid layer, thereby changing the diffraction efficiency of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam transmitted through the specified diffraction grating or reflected to it;
and an electrode layer of electrically conductive material made on the specified second surface, configured to create the specified electric field.
прием указанного оптического луча оптическим устройством, которое содержит:
дифракционную решетку, содержащую диэлектрический оптический материал с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей;
электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на указанной второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле;
однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k, по существу, равны, при этом указанный однородный жидкий слой расположен на указанной первой поверхности указанной дифракционной решетки, а параметры указанного оптического устройства выбраны таким образом, что:
указанный однородный жидкий слой не входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое, и
указанный однородный жидкий слой входит на заранее заданную величину в указанную область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости указанной первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое для изменения тем самым эффективности дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через указанную дифракционную решетку или ей отраженного; и
изменение указанного заранее заданного электрического поля для дополнительного изменения тем самым заранее заданной величины, на которую указанный однородный жидкий слой входит в указанную область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, изменяя таким образом оптическую интенсивность оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него.14. A method of changing the optical intensity of an optical beam, including:
receiving the specified optical beam by an optical device, which contains:
a grating comprising a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids;
an electrode layer of electrically conductive material made on the specified second surface in order to create an electric field;
a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, wherein the refractive indices n and k are substantially equal, wherein said homogeneous liquid layer is located on said first surface of said diffraction grating, and the parameters of said optical device are selected such way that:
the specified homogeneous liquid layer does not enter the region of the air pocket formed below the top of the specified structure when there is no electric field created in the specified homogeneous liquid layer, and
said homogeneous liquid layer enters a predetermined amount into said region of an air pocket formed below the top of said structure due to the effect of capillarity and increased wettability of said first surface when a predetermined electric field is created, which is created in said homogeneous liquid layer to thereby change diffraction grating efficiencies in order to change the optical intensity of an optical beam transmitted through said diffraction grating or reflection; and
changing the specified predetermined electric field to thereby further change the predetermined value by which the specified homogeneous liquid layer enters the specified region of the air pocket, leading to a further change in the diffraction efficiency of the diffraction grating, thereby changing the optical intensity of the optical beam propagating through the optical device or reflected from him.
по меньшей мере одно оптическое устройство, содержащее:
дифракционную решетку, содержащую диэлектрический оптический материал с коэффициентом преломления n и содержащую первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который уменьшает смачиваемость дифракционной решетки для заранее выбранных жидкостей;
электродный слой из электрически проводящего материала, выполненного на указанной второй поверхности для того, чтобы создать электрическое поле;
однородный жидкий слой с коэффициентом преломления k, содержащий одну из указанных заранее выбранных жидкостей, причем коэффициенты преломления n и k, по существу, равны, при этом указанный однородный жидкий слой расположен на указанной первой поверхности указанной дифракционной решетки, а параметры указанного оптического устройства выбраны таким образом, что:
указанный однородный жидкий слой выполнен так, что он входит в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое, и
указанный однородный жидкий слой выполнен так, что он входит на заранее заданную величину в указанную область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости указанной первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в указанном однородном жидком слое, для изменения эффективности дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через указанную дифракционную решетку или ей отраженного;
и компонент, содержащий указанное по меньшей мере одно оптическое устройство.28. An electronic device comprising:
at least one optical device comprising:
a grating comprising a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction grating for pre-selected liquids;
an electrode layer of electrically conductive material made on the specified second surface in order to create an electric field;
a homogeneous liquid layer with a refractive index k containing one of these pre-selected liquids, wherein the refractive indices n and k are substantially equal, wherein said homogeneous liquid layer is located on said first surface of said diffraction grating, and the parameters of said optical device are selected such way that:
the specified homogeneous liquid layer is made so that it enters the region of the air pocket formed below the top of the specified structure when there is no electric field created in the specified homogeneous liquid layer, and
the specified homogeneous liquid layer is made so that it enters a predetermined amount in the specified region of the air pocket formed below the top of the specified structure, due to the effect of capillarity and increased wettability of the specified first surface, when there is a predetermined electric field created in the specified homogeneous liquid layer, to change the diffraction efficiency of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam passing through the specified diffraction etku or she reflected;
and a component comprising said at least one optical device.
оптический селектор/переключатель интенсивности, выполненный с возможностью в ответ на получение оптического сигнала модуляции/команды интенсивности обеспечивать сигнал выбора/модуляции интенсивности по меньшей мере одному генератору напряжения, причем указанный сигнал выбора/модуляции интенсивности указывает выбранный уровень оптической интенсивности, отраженной от дифракционной решетки или прошедшей через нее, причем
по меньшей мере один генератор напряжения, выполненный с возможностью в ответ на получение сигнала выбора/модуляции интенсивности подает управляющий сигнал электросмачивания на оптическое устройство в указанном компоненте, чтобы обеспечить электрическое поле, приложенное между указанным однородным жидким слоем и указанным электродным слоем, для изменения указанного заранее заданного электрического поля и также изменения заранее заданной величины, на которую указанный однородный жидкий слой входит в указанную область воздушного кармана, приводя к дальнейшему изменению эффективности дифракции дифракционной решетки, для изменения оптической интенсивности оптического луча, распространяющегося через оптическое устройство или отраженного от него, для обеспечения выбранного уровня оптической интенсивности.31. The electronic device according to p, optionally containing:
an optical intensity selector / switch, configured to provide, in response to an optical intensity modulation signal / intensity command, an intensity selection / modulation signal to at least one voltage generator, said intensity selection / modulation signal indicating a selected level of optical intensity reflected from the diffraction grating or passing through it, and
at least one voltage generator, configured to respond to an intensity selection / modulation signal, supplies an electrowetting control signal to an optical device in said component to provide an electric field applied between said uniform liquid layer and said electrode layer to change said predetermined a predetermined electric field and also changes in a predetermined value by which the specified homogeneous liquid layer enters the specified region of the air space Rman, leading to a further change in the diffraction efficiency of the diffraction grating, to change the optical intensity of the optical beam propagating through or reflected from the optical device to provide a selected level of optical intensity.
дифракционное средство, содержащее
диэлектрический оптический материал с коэффициентом преломления n и содержащее первую поверхность со структурой, имеющей высоту h и период d, и вторую поверхность; причем первая поверхность покрыта гидрофобным материалом, который снижает смачиваемость дифракционного средства для заранее выбранных жидкостей;
жидкое средство с коэффициентом преломления k, выбранное из одной из заранее выбранных жидкостей, причем указанные коэффициенты преломления n и k, по существу, равны, при этом указанный однородный жидкий слой расположен на указанной первой поверхности указанного дифракционного средства, а параметры указанного устройства выбраны таким образом, что
указанное жидкое средство выполнено так, чтобы не входить в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, когда отсутствует электрическое поле, созданное в указанном жидком средстве, и
указанное жидкое средство выполнено так, чтобы входить на заранее заданную величину в область воздушного кармана, образованного ниже верха указанной структуры, из-за эффекта капиллярности и увеличенной смачиваемости указанной первой поверхности, когда присутствует заранее заданное электрическое поле, созданное в указанном жидком средстве для изменения эффективности дифракции дифракционной решетки для того, чтобы изменить оптическую интенсивность оптического луча, прошедшего через указанное дифракционное средство или им отраженного; и
электропроводное средство, выполненное на указанной второй поверхности, для создания указанного электрического поля.33. A device with a diffractive agent containing:
diffractive agent containing
a dielectric optical material with a refractive index n and comprising a first surface with a structure having a height h and a period d, and a second surface; moreover, the first surface is covered with a hydrophobic material, which reduces the wettability of the diffraction means for pre-selected liquids;
a liquid medium with a refractive index k selected from one of the preselected liquids, said refractive indices n and k being substantially equal, said homogeneous liquid layer being located on said first surface of said diffractive means, and the parameters of said device are selected in such a way , what
the specified liquid means is made so as not to enter the region of the air pocket formed below the top of the specified structure when there is no electric field created in the specified liquid means, and
said liquid means is configured to enter a predetermined amount into the region of an air pocket formed below the top of said structure due to the effect of capillarity and increased wettability of said first surface when a predetermined electric field is created in said liquid means to change the efficiency diffraction of the diffraction grating in order to change the optical intensity of the optical beam transmitted through or indicated by the diffraction means about; and
conductive means made on the specified second surface to create the specified electric field.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134440/28A RU2398250C2 (en) | 2006-02-27 | 2006-02-27 | Diffraction gratings with adjustable efficiency |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008134440/28A RU2398250C2 (en) | 2006-02-27 | 2006-02-27 | Diffraction gratings with adjustable efficiency |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008134440A RU2008134440A (en) | 2010-04-10 |
| RU2398250C2 true RU2398250C2 (en) | 2010-08-27 |
Family
ID=42670742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008134440/28A RU2398250C2 (en) | 2006-02-27 | 2006-02-27 | Diffraction gratings with adjustable efficiency |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2398250C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112964330B (en) * | 2020-11-16 | 2024-03-12 | 常州渡盈光电科技有限公司 | Liquid level sensor working method and device based on cascading fiber bragg grating |
-
2006
- 2006-02-27 RU RU2008134440/28A patent/RU2398250C2/en active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008134440A (en) | 2010-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8363298B2 (en) | Diffraction gratings with tunable efficiency | |
| EP3136159B1 (en) | Backlight unit and 3d image display apparatus | |
| US10856057B2 (en) | Optical device and methods | |
| US11852841B2 (en) | Dynamically actuable diffractive optical element | |
| EP3924759A1 (en) | Methods and apparatuses for providing a holographic waveguide display using integrated gratings | |
| US7218429B2 (en) | Digital focus lens system | |
| KR20190105576A (en) | Waveguide Device with Uniform Output Illumination | |
| US7636187B2 (en) | Optical shutter for display device, image display apparatus, and apparatus and method for manufacturing the optical shutter | |
| US20170276940A1 (en) | Method and apparatus for generating input images for holographic waveguide displays | |
| WO2007141220A1 (en) | Transflective electrowetting display device | |
| WO2007130130A2 (en) | Method and apparatus for providing a transparent display | |
| KR20170045375A (en) | Light modulation device for a display for representing two and/or three dimensional image content, comprising variable diffraction elements based on linear, parallel electrodes | |
| RU2019135082A (en) | DEVICE AND METHOD OF MULTI-VIEW DISPLAY | |
| US7775670B2 (en) | Laser projection system | |
| WO2017164827A1 (en) | Near-to-eye image display device delivering enhanced viewing experience | |
| KR101928434B1 (en) | Electro-wetting device and Method of manufacturing Electro-wetting device | |
| RU2398250C2 (en) | Diffraction gratings with adjustable efficiency | |
| US10761340B2 (en) | Multimodal display device and display method thereof | |
| JP2007017676A (en) | Optical modulation element, light switch, display element and in-observing optical system display apparatus | |
| RU2006138677A (en) | METHOD FOR FORMING STEREO IMAGES |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160602 |