CN101495899A - 动态运动体介质 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，本发明提供了一种调制光的装置。该装置包括固定几何形状部件从而调制光，所述部件提供至少一个共形表面，以及可移位从而符合共形表面的多个运动体，当运动体符合共形表面时固定几何形状部件对入射光的光学响应与当运动体不符合共形表面时固定几何形状部件对入射光的光学响应不同。

Description

动态运动体介质

技术领域

【0001】本发明的实施方式一般涉及光调制装置，特别地，涉及按衍射和/或干涉原理运行并可被分类为透射或反射装置的光调制装置。

背景技术

【0002】美国专利第6,392,785号中所示电泳装置属于微胶囊位移型以及旋转或重新定向型的类别。在前者中，充满透明微壳流体内包含的带电亚微粒子可在电场的影响下物理移位。根据流体的颜色和颗粒的颜色，观看包含一排稠密微壳的薄片的观察者可以看到从暗态到亮态的亮度的变化。在后者中，显微球上的永久双极电荷可在所施场的电场下旋转。如果粒子一侧为黑，另一侧为白，该装置的外观也随所施电压变化。

【0003】在这两种情形中，颗粒的大小，所要求位移的长度，以及支撑流体介质的粘度都对驱动装置要求的相对高的电压(约30V-100V)有贡献。此外，将颜色引入到得到的介质成本高，因为这通常要求添加高价格彩色膜。由于前述原因，速度也是一个问题。

【0004】基于“液体粉末”的另一个类似的方法提供类似的操作模式。类似于位移式电泳方法，该装置依靠在两个透明电极之间物理置换的相反亮度的相反充电的粒子。结果是亮度的改变。该变化在高速时发生，因为没有液体介质，颗粒移动通过空气，可实现100微秒的响应时间。由于电极之间所要求的大尺寸导致的80V-150V的高电压和高成本的颜色都限制该装置的能力。

【0005】美国专利第6,215,920号描述了一种光学调制器，其基本光学原理是总内反射。三直角锥反射器通过利用三直角锥反射器壁处的总内反射(TIR)将入射光反射回光源。与壁体接触的颗粒可破坏或减弱TIR，因此显著减小反射率和该结构的总反射。该方法虽然提供了非常高的固有反射率，但不包括颜色选择装置。该设计由于驱动电极定位之间的平衡而进一步被复杂化，该平衡要么减小反射率(如果位于壁体上)要么增加电压(如果位于三直角锥反射器的入射面上)。

发明内容

【0006】按照本发明的一个方面，提供了用于调制光的装置，其包括：调制光的固定几何形状部件，所述部件提供至少一个共形表面或保角表面(conformal surface)；和可移位从而与共形表面一致的多个运动体(motile)，当这些运动体与共形表面一致时固定几何形状部件对入射光的光学响应与当这些运动体与共形表面不一致时固定几何形状部件对入射光的光学响应不同。

【0007】按照本发明的另一个方面，提供了用于调制光的装置，其包括：限定空腔的壁状结构的光调制部件，所述壁状结构具有上壁体和下壁体，上壁体和下壁体之间的间隔是固定的；位于光调制部件内的多个可移动颗粒，和使这些可移动颗粒从非激活状态移动到激活状态的位移机构，其中这些可移动颗粒与上壁体及下壁体中至少一个一致，当这些可移动颗粒处于激活状态时光调制部件对入射光的光学响应与当这些可移动颗粒处于非激活状态时光调制部件对入射光的光学响应不同。

【0008】按照本发明的另一个实施例，提供了调制光的装置，其包括：多个纳米级颗粒或纳米级颗粒；限定这些纳米级颗粒在位移力影响下符合的表面的共形结构；和施加位移力给纳米级颗粒的位移机构；其中当所述纳米级颗粒符合共形结构时，纳米级颗粒改变共形结构的光学特性。

【0009】本发明的其他方面通过下面的详细说明是显然的。

附图说明

【0010】图1显示说明位移型电泳调制器的现有技术的例子。

【0011】图2显示说明基于TIR的具有可移动颗粒的调制器的现有技术的例子。

【0012】图3显示说明基于衍射的调制器的现有技术的一个例子。

【0013】图4示出按照本发明实施例的基于运动体的空腔，其利用衍射。

【0014】图5示出按照本发明实施例的基于运动体的多功能空腔，其利用反射。

【0015】图6示出按照本发明实施例的基于运动体的光子晶体调制器。

【0016】图7示出基于干涉的空腔的光学行为。

【0017】图8示出按照本发明实施例的基于运动体的空腔，其利用干涉。

【0018】图9示出按照本发明实施例的基于运动体的多色空腔，其利用干涉。

【0019】图10示出按照本发明实施例的制造序列的一个实施例。

具体实施方式

【0020】在下面的说明中，为了解释的目的，给出多种具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员来说显然，本发明可无需这些具体细节实施。在其他情形中，一些结构和装置在方框图中示出仅是为了避免模糊本发明。

【0021】本说明书中“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定的特征特征，结构或特性包括在本发明至少一个实施例中。本说明书多处出现的“在一个实施例中”无需都指同一实施例，也可不指独立的或可与其他实施例互换的实施例。而且，描述的多种特征部件可由某些而非其他实施例展示。类似地，描述的多种要求可以是某些而非其他实施例的要求。

【0022】参考图1，其示出电泳调制器的一个变体。电压源10施加电场至电极11和12。该电场作用于荷电的颗粒组或基团14和15，颗粒组14和15分别荷正电荷负电，且包含在透明微壳13中，该颗粒组悬置在微壳13中的流体中。根据流体的光学透射率和颗粒的颜色，观察者16将看到取决于所施加电压的不同颜色。例如，如果流体是透明的，且荷负电颗粒是黑色，同时荷正电颗粒是白色，则微壳在所示状态显黑色。

【0023】参考图2，三直角锥反射器以从壁体29反射的光25和从壁体离开悬挂的颗粒21示出。对于颗粒21，经施加电压24它们与壁体23接触。TIR消失，且光26不被反射。

【0024】参考图3，其示出通称为光栅光阀的结构。光阀300是以未驱动的状态示出的，其中光栅指306悬置在反射基底302的上方。这些光栅指306是反射性的。光栅指306和反射基底302之间的间隔308使光栅用作入射光310的反射镜，产生损失最小的反射光312。施加在反射基底302和交替光栅指306之间的电压使一半光栅指被牵引到与反射基底302接触的状态。光阀320示出得到的配置，其用作反射衍射光栅，示出以根据颜色变换的角度反射的散射316。

【0025】参考图4，其示出衍射模式运动体调制器。类似于图3中的光阀，通过施加电压可实现相似的光学行为，但没有图案化和控制光栅指特性的复杂性。透明导体402具有类似于光栅指306的尺寸，但是透明的。因此透明导体402在当施加电压406时对入射光没有影响。当电压404施加在透明电极402和反射电极410之间时，运动体404迁移，对齐并吸附到电极402，从而按照光栅尺寸以衍射方式形成作用于入射光408的光栅。

【0026】参考图5，其示出基于更概括化的运动体(motile)的调制器。按照本发明的实施例，如果材料和材料表面的光学特性可通过可移动材料的位移或运动体场改变，则任意两维或三维模板，空腔，或周期结构可具有动态光学行为。在本发明的一个实施例中，具有物理形式或可用微观或亚微观模型精确定义的任意光学中性的结构用作固定的几何形状部件或模板，其为运动体颗粒提供共形表面(conformal surface)。因此施加电压产生模板形式的运动体壳。运动体壳是按照模板几何形状和运动体介质的光学特性以及材料特性对光作用的临时结构。可能的装置包括可配置的光子晶体，可再配置反射性，折射性，衍射性光学装置，和可再配置的亚波长结构。图5中调制器包括抛物线部件508，和楔形部件510。借助所施加的电压，入射光通过这些部件而不会有影响。合适的位移机构使运动体场迁移并符合这些光学部件的表面或与这些光学部件的表面一致，因此改变它们的光学特性。该位移机构可采用静电，磁，热，或声学位移机构的形式。在静电位移机构的情形中，可施加电压504从而引起运动体或运动物的迁移。运动体的迁移使得部件508变为抛物线反射镜，且部件510变为楔形反射镜，每个都以适当方式作用于入射光。

【0027】参考图6，其示出另一个基于运动体的调制器，其包括可以通过批量复制技术，如压印(embossing)，微压印，冲压，电铸，热成型，印刷，和注塑成型形成的形成物(form)和结构(structure)600。这些形成物和结构600自身可以是亚微米尺寸的。借助适当的设计，这些形成物和结构600能够以干涉和/或衍射方式作用于光，这与光子晶体的不同。在所施加的电压600下通过合适运动体的静电位移对形成物和结构600的特性的改变可以以有利方式改变形成物和结构600的光学行为，因此允许对入射到该结构上的光602的改向和/或更改。可形成任意类似于结构600的结构从而改变频率、相位、振幅和入射光的出射角中的一个或一个以上参数，且按照上述技术如果材料和尺寸特性适当定义，其还可以被再配置。膜或形成物可以是任何形状或形态，只要其与相对膜(counter-film)之间的尺寸可定义并保持。这包括平整的，弯曲的，圆柱形的，或纤维状的，和球形的。许多其他配置也是可能的，且仅由定义模具和产生并包括合适的运动体材料的能力来限制。

【0028】基于以上所述，本发明的实施例包括从静止或非激活状态到激活状态移动运动体，其中这些运动体符合由一种上述结构提供的共形表面，所述结构用作模板。位移是通过包括静电位移机构的位移机构实现的。在一个实施例中，运动体在非激活状态下是随机取向的。在一个实施例中，只要这些运动体开始在位移机构作用下移动，使用这些运动体的调制器的光学特性就开始改变。

【0029】参考图7，其示出干涉空腔的三种工作模式。空腔700被示意地示为部件组，其包括透明基底702，吸收半透明膜(如损耗金属)704，和绝缘体/间隔器(如金属氧化物)706，气隙708，和可移动反射镜(也就是金属)710。入射到空腔上的光714产生驻波712，其峰值位于气隙708内且因此不衰减。特殊频率的光被反射，其中频率由气隙的大小决定。膜704含诸如金属的材料，金属是高度吸收的。当可移动反射镜710与绝缘体/间隔器接触时，如调制器720所示，驻波722的峰值偏移。绝缘体/间隔器的适当设计使峰值驻留于感生吸收器726，导致衰减，并消除反射光。

【0030】在空腔730中，绝缘体/间隔器718被放大，以便当可移动反射镜742接触时，如空腔740所示，驻波峰值不位于损耗金属内。因此，无需从反射模式切换到吸收模式，空腔在反射一种颜色，和反射另一种颜色之间切换。

【0031】所示空腔760没有绝缘体/间隔器。在未驱动状态，选择空腔的尺寸以便驻波峰762位于高耗损金属764内。因此不反射光。当可移动反射镜722与感生吸收器774接触时，如空腔770所示，空腔用作反射镜。因此，多数光被反射且损耗最小。

【0032】运动体调制器在图8中示出。其示出类似于图7中所示的空腔结构。在调制器对800中，电压802和804施加在电极814/818和损耗金属810之间。这些部件被图案化并沉积在膜806和808上。膜之间的间隔使得入射到空腔上的光经干涉作用。空腔可含有机或无机成分的流体，类似成分的凝胶，或可由气体或真空构成。运动体(motile)814和816是纳米级结构的集合，它们的几何形状范围从三维颗粒到平面二维和板状。对于涉及可见光范围内光的干涉应用中，颗粒如运动体，它们的尺寸应小于100nm，较小的尺寸减小散射作用。对于两维运动体，厚度较不重要，但表面粗糙度必须小于100nm。运动体可以是导电的，半导电的，或绝缘的。这些运动体可以携带固定的电荷，或可以获得电荷。因为运动体从任意环绕结构和壁体上机械地去耦，它们在所施加的电场作用下自由移动，虽然包括磁性的，热的，或声学的致动装置的其他机构也是可能的。因此，空腔的光学特性可以通过定位运动体而控制。

【0033】在图8所述的情形中，运动体是金属的，优选是高反射性金属，如铝或银。借助所施加的电压802，如果空腔尺寸相当，则可实现如图7中空腔700所示的光学作用。类似地施加电压804，可仿效图7中空腔所示的光学作用。运动体调制器820和840经配置来分别仿效空腔730/740和760/770的行为。调制器820包括较厚的间隔器822，以便相关的驻波总保持不衰减。调制器840不含间隔器，且空腔尺寸适于在施加电压842时实现暗态，在施加电压844时实现白态。空腔结构是相同的，但被移动的是运动体场，而不是可移动反射镜。

【0034】在这样的空腔中，运动体的行为受它们的成分影响。对于金属运动体，在它们运动到与相反电极接触之前会受到吸引力，从而相反电极使运动体带上该电极的极性并不再被拉动。绝缘运动体也有类似的现象，虽然由于它们是绝缘的，因此它们带上相反极性的电荷的过程需要时间更长。因此，选择不同导电率的颗粒提供了操纵运动体电动行为并因此操纵调制器的动态光学行为的方法。类似地，对于具有固有电荷的运动体，荷电水平对结构的行为有影响。在某些情形中，结合合适材料的运动体施加一定的电压或电压序列，可以动态地操纵运动体内的电荷。这增加了操纵行为的另一种方法。一种或以种以上这些技术的组合可使得能够实现电一流滞后(electro-fluidi c hysteresis)。允许电压开关阈值的建立并促进用一次一行(1ine-at-a-time)技术寻址，该技术对于设计和利用被配置作为可寻址阵列的装置是公知的。

【0035】参考图9，三种颜色运动体调制器像素是以三种不同的空腔间隙902，904，和906示出的。根据应用对颜色的要求，具有一个空腔或三个以上空腔的像素是可能的。膜材料900可以是任意数目的材料，其易于用压印，冲压，微复制形成。这些材料包括塑料，如聚碳酸酯，PMMA，聚酰亚胺，或热塑性塑料。也可以使用金属箔，虽然它们可能要求特殊表面处理以便特征部件绝缘。对于冲压或压印，合适的模具用精细加工工具定义，从而限定空腔的深度和电极井或通道的横向尺寸。然后，可使用许多本领域公知的冲压或压印工艺中的一种。要特别强调补偿固化过程中的收缩，以便实现适当的垂直空腔尺寸。

【0036】如果膜900是导电的，如是箔片的情形，可不要求公共电极908。相对膜910是平整的，且支撑其他部件，如寻址电极912，对于干涉模式装置可包括损耗金属和可能的绝缘体间隔器(或用于衍射，反射或光子晶体行为的其它的结构)。相对膜910应是透明材料，如前面提到的塑料或玻璃。可替换地，膜906可以是透明的，而相对膜不是透明的，或两个膜都是透明的。在所有情形中，至少一个膜必须是透明的，且该膜必须是支持光学活性薄膜(即，损耗金属和/或绝缘体)的膜。

【0037】相对膜910的暴露表面也可以具有刻蚀或冲压的图案从而增强其光学特性。这些可以是散射体，透镜，或光栅等结构。诸如观察角，对比度或反差，和入射性(irridesence)等特性可以通过适当的处理进行改变。相对膜910的内表面也可包括以图5中所示结构508和510形式的拓扑形状。进一步，当运动体被驱动并符合相对膜910的结构特征时，可实现对光学性能的改变或改性。

【0038】从制造的观点看，基于动态运动体调制介质是有利的，因为它们可实现电泳型介质结构制造的简单性和降低成本。这部分源于它们易于结合可利用的批量制造的纳米粉末状运动体，通过借助固定的空腔结构，这些空腔结构的尺寸可用成本有效的冲压，压印，或微复制技术等等进行限定。

【0039】纳米粉末可从越来越多广大的制造商得到，包括康涅狄格州Farmington的Inframet Advanced Material公司，和密苏里St.Louis的Sigma-Rldrich公司。后者的一个标准产品是银纳米粉末，其颗粒直径为70纳米量级。

【0040】参考图10，其示出一个实施例的制造顺序。在步骤1，颗粒材料的纳米粉末是根据所需光学，物理，和尺寸特性选择的。在步骤2，该纳米粉末与液体聚合物溶质(solute)混合，该液体聚合物溶质可以是光可限定的或光不可限定的。在一个实施例中，溶质成分是有机的。混合物的比率是由得到的装置中每单位容积所需的纳米粉末量确定的。在步骤3，得到的混合物施加到经压印的膜，例如通过印刷。然后，用固化工艺驱除大量溶剂。步骤4依赖于任一已知的将有机材料转化为气体副产品的低温技术。这样的低温技术包括氧化等离子体刻蚀和UV臭氧清洗等等。这些技术允许得到的运动体聚集从而驻留在它们被“印刷”的位置，而不会产生利用湿法溶解工艺导致的再定位。步骤5说明具有相对膜的膜包封，相对膜被处理或加工供所需的应用。

【0041】喷墨或其他印刷技术也可用来有效地沉积和图案化运动体聚集体或团粒。这些可悬置在溶剂中并乡墨一样地被印刷在膜上的所需位置。可替换地，相关技术也涉及通过印刷，喷墨或其他方法布置运动体聚集体。在一个实施例中，光敏预聚物和纳米粉末的混合物可印刷在所选位置。该混合物的适当组成或成份并随后暴露至UV源可导致光增强分层。结果是运动体聚集体悬置在聚合胶囊中。该技术在下面的文章中被描述为应用到LC材料：“Injet Printed LCDs”J.P.A.Vogels，et al，Proceedings of the 11^th International Display Workshops，Niigatta，Japan，2004。

【0042】电极，反射镜，和间隔器可用传统沉积技术(如溅射或电镀)和图案化技术(如微光刻和印刷技术)容易地沉积和图案化。同时，可以避免制造MEMS结构的某些挑战或难题。这些挑战包括在可移动部件中的应力控制，用高度一致沉积的牺牲材料进行的尺寸控制，和与结合这些和其他步骤关联的工艺问题。与MEMS装置相比，对绝缘材料的性能要求包括完整性，连续性，击穿电压和漏电流都可以放松。这是因为这些运动体不是连续电耦合的。因此，可移动和永久耦合的部件和空腔结构之间短路的问题(如在常规的MEMS方法中的问题)得以避免。

【0043】这样的调制器可以大阵列在塑料或其他材料的柔性片上制造。然后该片可施加或实质固定到任何表面上，由此，其可用于电改变该表面的外观，或动态两维介质形式的描绘信息。根据材料，该膜也是柔性的，且因此适用于膜或“动态反射运动体介质”可应用的弯曲或任意表面处，其应用它们的过程中可以是弯曲的或不是弯曲的。

【0044】应用包括所有种类的视觉上可察觉的介质，其范围包括罐(头)，瓶子，和其他消费类商品上的标签。传递任何种类图形化的、文本的、或视觉传输的印记、概念、画面或信息的用于产品、商品、部件和其包裹上的包装。由织物或其他柔性材料制造的衣物或商品。具有用于装饰性的、信息性的功能或混合功能之一的任何产品：如产品外套和外壳、壁体、家具、珠宝、冲浪板、滑雪板。被使用者和/或其他人看到的电子产品外套或其部分。车辆，如摩托车、卡车、汽车。建筑物内壁/外壁和其他永久或本永久的结构。

【0045】设计来操纵光和其他电磁辐射的光子材料是可能的。反射与频率间隔中的行为可再配置的频率敏感反射镜，用在大楼中能量有效的玻璃的涂层，或反差和亮度受控的太阳镜是可能的。

【0046】从小到大的动态介质范围从时钟，书籍和杂质，TV大小的到亭子，布告板，和除此之外的等等。外观被视为重要特征的任何类型的任意部件或产品，或消费商品的表面可以用运动体介质膜进行处理或涂敷，且以受控的方式改变护修饰其外观。

【0047】虽然参考特定示例性实施例对本发明进行了描述，显然可对这些实施例做出多种修改和变化，而这不偏离在权利要求中给出的本发明较宽范围。因此，说明书和附图被当作说明性的而非限制性的。

Claims (21)

1.一种用于调制光的装置，其包括：

固定几何形状部件，其调制光，所述部件提供至少一个共形表面；以及

多个运动体，这些运动体可位移从而符合共形表面，当所述运动体符合所述共形表面时所述固定几何形状部件对入射光的光学响应与当所述运动体不符合所述共形表面时所述固定几何形状部件对入射光的光学响应不同。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述共形表面是平面。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述共形表面由分离的平面元件提供，这些元件是线性间隔开的。

4.如权利要求3所述的装置，其中当所述运动体符合由所述分离的平面元件提供的所述共形表面时，所述装置用作衍射光栅。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述共形表面是三维的。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述共形表面由分离的杆状元件提供。

7.如权利要求6所述的装置，其中由所述分离的杆状元件提供的所述共形表面与所述运动体结合对入射光产生衍射和干涉效果。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述固定几何形状部件包括限定空腔的壁体结构，其中该结构的壁体之一形成所述共形表面。

9.如权利要求8所述的装置，包括以线性构型设置的三个所述壁体结构，每个都有不同大小并在所述运动体符合所述共形表面时对入射光产生不同的光学响应。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述固定几何形状部件是用批量复制技术制造的。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述批量复制技术选自：压印，微压印，冲压，电铸，热成型，印刷，和注塑成型。

12.如权利要求13所述的装置，其中所述位移机构施加静电力来使所述运动体移位。

13.如权利要求1所述的装置，进一步包括位移机构，其向所述共形表面位移运动体。

14.如权利要求13所述的装置，其中位移机构选自：磁性、热、声学位移机构。

15.一种调制光的装置，其包括：

壁体结构形式的光调制部件，其限定空腔，所述壁体结构具有上壁体和下壁体，和被固定的上壁体和下壁体之间的间隔；

多个可移动颗粒，所述多个可移动颗粒位于所述光调制部件内；和

位移机构，其使所述可移动颗粒从非激活状态移动到激活状态，其中所述可移动颗粒符合上壁体和下壁体至少之一，当所述可移动颗粒处于所述非激活状态时所述光调制部件对入射光的光学响应与当所述可移动颗粒处于所述激活状态时所述光调制部件对入射光的光学响应不同。

16.如权利要求15所述的装置，包括三个所述光调制部件，其以线性配置设置，其中每个光调制部件在所述上壁体和所述下壁体之间具有不同间隔。

17.如权利要求15所述的装置，其中所述光调制颗粒包括纳米级颗粒。

18.如权利要求17所述的装置，其中所述位移机构施加静电力至可移动颗粒从而使其产生位移。

19.一种调制光的装置，其包括：

多个纳米级颗粒；

共形结构，其限定在位移力作用下纳米级颗粒符合的表面；以及

位移机构，其施加位移力至所述纳米级颗粒；其中所述纳米级颗粒在符合共形结构时改变所述共形结构的光学特性。

20.如权利要求19所述的装置，其中所述共形结构是通过复制技术制造的。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述批量复制技术选自：压印，微压印，冲压，电铸，热成型，印刷和注塑成型。

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