Изобретение относится к дисплеям, а конкретнее к дифракционным дисплеям (отражающим или пропускающим), в которых за счет нового метода, использующего дифракцию, каждый пиксел характеризуется полным диапазоном длин волн дифрагированного света (например, образует полную гамму цветов).
Существует много графических дисплеев, в которых используются, например, биморфные пьезоэлементы или аналогичные устройства. Биморфный пьезоэлемент представляет собой устройство, включающее две полоски из пьезоэлектрической пленки, которые скреплены вместе и имеют электроды, с помощью которых к пленке может быть приложено электрическое поле требуемой полярности, посредством которого достигается эффект электрострикции. Этот эффект может проявляться в плоском удлинении или сжатии пленки, а также в отклонении от плоскости одного конца пленки, если другой ее конец закреплен.
В патенте США N 4331972 описан оптический модулятор, содержащий два элемента из прозрачного материала, каждый из которых включает дифракционную решетку с определенной периодичностью, причем дифракционные решетки размещены напротив друг друга, а их штрихи параллельны. В этом патенте такой оптический модулятор назван двойной дифракционной решеткой. Прохождение света через двойную дифракционную решетку зависит от относительного положения решеток в направлении, перпендикулярном штрихам решетки. Одна из этих дифракционных решеток может быть нанесена путем выдавливания рельефа на биморфную пьезоэлектрическую пленку из поливинилиденфторида, которая может смещаться при приложении к ней электрического напряжения. Таким образом, в ответ на электрический сигнал одна полоска может смещаться относительно другой, управляя интенсивностью дифрагированного луча нулевого порядка, то есть обеспечивая отсутствие пропускания света, полное пропускание света или промежуточное пропускание света. Для получения трех различных цветов, необходимых для создания цветного изображения, а именно, синего, пурпурного и желтого, используются три различных совмещенных оптических модулятора.
В патенте США N 5067829 описан способ управления лучами света путем пропускания их через оптически прозрачный упругий материал, который изгибается при приложении электрического напряжения, причем этот изгиб или деформация вызывают изменение угла, при котором лучи задерживаются поверхностями оптически прозрачного материала.
В патенте США N 5052777 в качестве оптического прерывателя используется биморфный пьезоэлемент. Такой биморфный пьезоэлемент управляет прохождением света, передаваемого, например, посредством оптико-волоконного кабеля, через пьезоэлектрические оптические модуляторы к наблюдателю, формируя таким образом оптическое изображение.
В патенте США N 4274101 описано лазерное устройство записи, в котором используется вибратор с биморфным пьезоэлементом, расположенным в фокальной плоскости.
В патенте США N 5126836 описан телевизионный дисплей, в котором луч белого света от источника падает на множество дихроичных зеркал. В каждом из этих зеркал луч расщепляется на три луча основных цветов, которые затем падают на три деформируемые отражающие поверхности, которыми могут быть поверхности пьезоэлектрических кристаллов и от которых, вторично отразившись, лучи направляются через щели в неотражающем материале, в результате чего осуществляется модуляция интенсивности этих лучей. В патентах США N 4415228 и 4234245 описывается биморфный пьезоэлектрический оптический модулятор.
В работе Stein, et al, "A Display Based on Switchable Zero Order Diffraction Grating Light Valves", Advances in Display Technology V, SPI vol. 526, 105-112 (1985), описана индикаторная панель, в которой используется матрица оптических модуляторов с построчной адресацией, освещаемая с тыльной стороны частично коллимированным светом. Единичный пиксел дисплея представляет собой оптический прерыватель, использующий дифрагированный луч нулевого порядка от двух центрированных прозрачных фазовых дифракционных решеток. Прошедший свет модулируется за счет смещения одной дифракционной решетки относительно другой, на половину решетки. Для этого используется биморфный пьезоэлемент.
Наконец, в работе Gale, et al., "Diffractive Diffusers for Display Application", Current Developments in Optical Engineering and Diffraction Phenomena, SPIE vol. 679, 165-168 (1986), описан дифракционный оптический рассеиватель для использования в дисплее, причем этот рассеиватель может быть изготовлен с помощью лазерно-лучевой записи.
В US 4360251, 23.11.82, описаны дисплей, содержащий элемент, несущий дифракционный рисунок и соединенный с источником энергии, матрица, образованная указанными элементами, а также матрица элементов, образованная элементами, каждый из которых содержит биморфный пьезоэлемент, на который нанесен в виде рельефа дифракционный рисунок, и соединен с источником энергии.
Из US 4360251 известен также дифракционный пропускающий дисплей, содержащий наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую наружную и внутреннюю поверхности, пропускающий излучение дискретный элемент, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, несущую дифракционный рисунок, и подключенный к источнику электрической энергии для обеспечения дифрагирования проходящего через него излучения. В этом же источнике описан дисплей, содержащий пьезоэлектрическую пленку, на которой нанесен в виде рельефа дифракционный рисунок и которая соединена с источником электрической энергии.
Известен дифракционный отражающий дисплей, содержащий дискретный элемент, имеющий наружную отражающую излучение поверхность, несущую дифракционную решетку (US 5058992, 22.10.91).
Известен способ получения дифрагированного излучения из излучения, падающего на дисплей, при котором создают дифракционный рисунок на элементе, соединенном с источником энергии, и направляют излучение на указанный нанесенный в виде рельефа дифракционный рисунок для получения дифрагированного излучения (US 4360251, 23.11.82).
Несмотря на то, что описанные выше устройства способны сформировать графические дисплеи, существует необходимость сделать эти дисплеи экономичными и практичными, особенно при производстве в большом количестве, и обеспечить управление каждым пикселом для создания сложных графических изображений.
Настоящее изобретение относится к дифракционным дисплеям, предназначенным для представления графической и другой информации. В общих чертах, новый дисплей использует дифракционный рисунок на пленке или другом элементе (например, рисунок, образованный рельефом на пленке), соединенном с источником энергии, для перемещения пленки. Перемещение пленки с дифракционным рисунком формирует изображение с помощью дифрагированного этим рисунком света.
Известны электрически активные пленки, например, пьезоэлектрические, электрострикционные, электродвижущие и электростатические пленки. Также известны и магнитоактивные пленки. На каждую из этих пленок можно нанести дифракционный рисунок и, смещая пленку, получать в результате дифрагированный свет.
Одной из подходящих пленок является пьезоэлектрическая пленка, которая начинает двигаться при подключении к источнику напряжения. Перемещение такой пленки с нанесенным на ней дифракционным рисунком формирует изображение с помощью дифрагированного света от этого рисунка. Предпочтительно, биморфный пьезоэлемент с дифракционным рисунком, образующий новый дисплей, формируют из нескольких пьезоэлектрических пленок. Также желательно, чтобы пьезоэлектрические пленки, используемые сами по себе или в составе биморфного пьезоэлемента, были упругими, то есть чтобы после смещения за счет энергии источника, вероятнее всего, представляющего собой источник напряжения, они возвращались в первоначальное положение.
Согласно изобретению, предложен дисплей, содержащий элемент, несущий дифракционный рисунок и соединенный с источником энергии, при этом указанный элемент выполнен с возможностью его перемещения, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
Указанный элемент может содержать биморфный пьезоэлемент.
Дифракционный рисунок может быть нанесен на биморфный пьезоэлемент в виде рельефа.
Биморфный пьезоэлемент может быть выполнен с возможностью отражения указанного дифрагированного излучения.
Альтернативно, биморфный пьезоэлемент может быть выполнен с возможностью пропускания падающего на него излучения с формированием указанного дифрагированного излучения.
Указанный рисунок может быть нанесен в виде рельефа на биморфный пьезоэлемент непосредственно.
Альтернативно, дифракционный рисунок может быть нанесен в виде рельефа на пленку, которая прикреплена в виде слоя к биморфному пьезоэлементу.
Указанный элемент может быть соединен с источником электрической или магнитной энергии для перемещения этого элемента.
Пьезоэлектрические слои биморфного пьезоэлемента могут быть соединены с источником электрической энергии параллельно или последовательно.
Указанный элемент соединен с источником электрической энергии для перемещения этого элемента.
При этом пьезоэлектрические слои биморфного пьезоэлемента могут быть соединены с указанным источником электрической энергии параллельно или последовательно.
Указанный биморфный пьезоэлемент может быть выполнен из поливинилиденфторида.
В одном из вариантов выполнения предложенного дисплея указанный элемент имеет ось поворота и два конца, на каждом из которых находятся возбуждаемые электрически катушки, которые магнитно связаны с двумя магнитами, расположенными на расстоянии от указанных концов элемента, причем возбуждение указанных катушек приводит к повороту указанного элемента вокруг его оси поворота.
При этом магниты могут быть магнитно связаны через заднюю пластину из магнитного материала.
Магниты могут быть расположены под концами указанного элемента или вблизи его концов.
В последнем случае по меньшей мере над одним из магнитов может быть расположена звуковая пленка, а между магнитом и этой пленкой может быть размещена возбуждаемая электрически дополнительная катушка, ориентированная так, что электродвижущая сила, возникающая в этой катушке при пропускании через нее тока, по существу ортогональна звуковой пленке, в результате чего протекание тока через дополнительную катушку приводит к вибрации звуковой пленки и генерации звука.
Согласно изобретению, предложена матрица элементов, образованная элементами, каждый из которых несет дифракционный рисунок и соединен с источником энергии, при этом каждый элемент выполнен с возможностью его перемещения, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
Согласно изобретению, также предложена матрица элементов, образованная элементами, каждый из которых содержит биморфный пьезоэлемент, на который нанесен в виде рельефа дифракционный рисунок, и соединен с источником энергии, при этом каждый элемент выполнен с возможностью его перемещения, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
Одной из реализаций изобретения является дифракционный пропускающий дисплей, содержащий наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую наружную и внутреннюю поверхности, пропускающий излучение дискретный элемент, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, несущую дифракционный рисунок, и подключенный к источнику электрической энергии для обеспечения дифрагирования проходящего через него излучения, при этом согласно изобретению, дисплей содержит дискретный линзовый элемент, имеющий наружную и внутреннюю поверхности и расположенный вблизи наружной прозрачной жесткой детали, и жесткую непрозрачную проставку, имеющую наружную и внутреннюю поверхности и окно, оптически совмещенное с дискретным линзовым элементом, и расположенную вблизи внутренней поверхности линзового элемента, причем наружная деталь ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, а пропускающий излучение дискретный элемент оптически совмещен с окном жесткой непрозрачной проставки и при его перемещении обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, прошедшее через дифракционный рисунок, дифрагирует и затем проходит через окно и линзовый элемент, который фокусирует указанное дифрагированное излучение на прозрачную жесткую деталь.
Дифракционный рисунок может быть выполнен в виде рельефа в указанном элементе или в виде рельефа в пропускающем излучение слое, закрепленном на указанном элементе.
Целесообразно, чтобы на наружную поверхность наружной прозрачной жесткой детали было нанесено нелинейное покрытие для ограничения излучения, падающего на внутреннюю поверхность прозрачной жесткой детали.
Также целесообразно, чтобы дискретный линзовый элемент представлял собой по меньшей мере один голографический линзовый элемент или дифракционный линзовый элемент.
Указанный элемент может представлять собой биморфный пьезоэлемент.
Согласно другому варианту, указанный элемент имеет ось поворота и два конца, несущие каждый возбуждаемые электрически катушки, магнитно связанные с двумя магнитами, расположенными на расстоянии от указанных концов элемента, причем возбуждение катушек приводит к повороту указанного элемента вокруг оси поворота.
Эти магниты могут быть магнитно связаны через заднюю пластину из магнитного материала.
Магниты могут быть расположены под концами указанного элемента или вблизи его концов.
В последнем случае по меньшей мере над одним из магнитов может быть расположена звуковая пленка, а между магнитом и этой пленкой может быть размещена дополнительная возбуждаемая электрически катушка, ориентированная так, что электродвижущая сила, возникающая в этой катушке при пропускании через нее тока, по существу ортогональна звуковой пленке, в результате чего протекание тока через дополнительную катушку приводит к вибрации звуковой пленки и генерации звука.
Указанный биморфный пьезоэлемент может быть выполнен из слоев поливинилиденфторида.
Другой реализацией изобретения является дифракционный отражающий дисплей, содержащий дискретный элемент, имеющий наружную отражающую излучение поверхность, несущую дифракционную решетку, который, согласно изобретению, содержит наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую внутреннюю и наружную поверхности, причем указанная деталь пропускает излучение, падающее на ее наружную поверхность, но ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, дискретный линзовый элемент, имеющий наружную и внутреннюю поверхности и расположенный вблизи наружной прозрачной жесткой детали, причем указанный линзовый элемент фокусирует излучение, падающее на него после прохождения через прозрачную жесткую деталь, и жесткую непрозрачную проставку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и окно, оптически совмещенное с дискретным линзовым элементом, и расположенную вблизи внутренней поверхности линзового элемента, причем дискретный элемент, имеющий наружную поверхность, несущую дифракционную решетку, оптически совмещен с окном жесткой непрозрачной проставки, а его наружная поверхность расположена вблизи окна проставки, при этом указанный элемент соединен с источником электрической энергии для перемещения этого элемента, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, падающее на наружную поверхность прозрачной жесткой детали, проходит через эту деталь, фокусируется через указанное окно и падает на дифракционную решетку, при этом дифрагированное излучение отражается от нее и проходит в обратном направлении через указанное окно и линзовый элемент, который фокусирует указанное дифрагированное излучение на наружную поверхность прозрачной жесткой детали.
Указанный дифракционный рисунок может быть выполнен в виде рельефа в указанном элементе или в виде рельефа в пропускающем излучение слое, закрепленном на указанном элементе.
Целесообразно, чтобы указанный элемент представлял собой биморфный пьезоэлемент.
При этом пьезоэлектрические слои биморфного пьезоэлемента могут быть соединены с указанным источником электрической энергии последовательно.
Указанный биморфный пьезоэлемент может быть выполнен из слоев поливинилиденфторида.
Согласно другому варианту, указанный элемент имеет ось поворота и два конца, на каждом из которых находятся возбуждаемые электрически катушки, магнитно связанные с двумя магнитами, расположенными на расстоянии от указанных концов элемента, причем возбуждение катушек приводит к повороту указанного элемента вокруг оси поворота.
Эти магниты могут быть магнитно связаны через заднюю пластину из магнитного материала.
Магниты могут быть расположены под концами указанного элемента или вблизи его концов.
В последнем случае по меньшей мере над одним из магнитов может быть расположена звуковая пленка, а между магнитом и звуковой пленкой может быть размещена дополнительная возбуждаемая электрически катушка, ориентированная так, что электродвижущая сила, возникающая в этой катушке при пропускании через нее тока, по существу ортогональна звуковой пленке, в результате чего протекание тока через дополнительную катушку приводит к вибрации звуковой пленки и генерации звука.
Следующей реализацией изобретения является дифракционный пропускающий дисплей, содержащий наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую наружную и внутреннюю поверхности, и пропускающий излучение дискретный элемент, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, несущую дифракционный рисунок, и подключенный к источнику электрической энергии для обеспечения дифрагирования проходящего через него излучения, при этом, согласно изобретению, наружная прозрачная жесткая деталь ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, а указанный дискретный элемент представляет собой пленку, несущую сфокусированное проявленное голографическое изображение окна и расположенную на таком расстоянии от наружной прозрачной жесткой детали, что указанное изображение фокусируется на ее внутренней поверхности, причем перемещение указанной пленки обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, прошедшее через дифракционный рисунок, дифрагирует и затем фокусируется на внутренней поверхности прозрачной жесткой детали.
Еще одной реализацией изобретения является дифракционный отражающий дисплей, содержащий дискретный элемент, имеющий наружную отражающую излучение поверхность, несущую дифракционную решетку, при этом, согласно изобретению, этот дисплей содержит наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую внутреннюю и наружную поверхности, причем указанная деталь пропускает излучение, падающее на ее наружную поверхность, но ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, а дискретный элемент представляет собой прозрачную пленку, несущую сфокусированное проявленное голографическое изображение окна и расположенную на таком расстоянии от прозрачной жесткой детали, что указанной изображение фокусируется на ее внутренней поверхности, причем пленка соединена с источником электрической энергии для ее перемещения, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, падающее на наружную поверхность прозрачной жесткой детали, проходит через эту деталь и падает на дифракционную решетку, а дифрагированное излучение отражается от нее и фокусируется на внутренней поверхности прозрачной жесткой детали.
В двух последних реализациях изобретения предусматривается уникальный по геометрии голографический дифракционный элемент (ГДЭ), который отражает/пропускает сфокусированное спектрально чистое действительное изображение, расположенное на небольшом расстоянии перед ним, на рассеивающую поверхность. Уникальная конфигурация установки позволяет изготовить голограмму, которая формирует "самофокусирующийся" пиксел. Таким образом, когда опорный луч падает на ГДЭ в сопряженном направлении (с противоположной стороны, в направлении к первоначальному источнику), на расстоянии d1 от ГДЭ восстанавливается действительное изображение щели. ГДЭ, который содержит также дифракционный рисунок и средства для его перемещения (например, биморфный пьезоэлектрический элемент с дифракционным рисунком), расположен на расстоянии d1 от прозрачной жесткой детали. Когда восстанавливающий луч падает на ГДЭ, на прозрачную жесткую деталь проецируется изображение щели в виде цветной размытой точки, которое воспринимается наблюдателем, причем цвет изображения зависит от угла падения. При изгибе ГДЭ изменяется угол падения и, следовательно, цвет проецируемого изображения. Матрица ГДЭ позволяет получить дисплей из пикселов различного цвета.
Предложен также способ получения дифрагированного излучения из излучения, падающего на дисплей, при котором создают дифракционный рисунок на элементе, соединенном с источником энергии, и направляют излучение на указанный нанесенный в виде рельефа дифракционный рисунок для получения дифрагированного излучения, при этом, согласно изобретению, управляют перемещением указанного элемента с помощью указанного источника энергии для обеспечения изменения длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
В указанном способе можно использовать дисплей, содержащий дифракционный рисунок, выполненный в виде рельефа на биморфном пьезоэлементе, соединенном с источником электрической энергии для перемещения биморфного пьезоэлемента.
Целесообразно, чтобы указанное направленное излучение представляло собой видимый свет, а с помощью указанного биморфного пьезоэлемента получать свет заданных цветов.
В этом случае каждый элемент с дифракционной структурой (например, это может быть комбинация пьезоэлектрический элемент/окно/линзовый элемент) может создавать все цвета в одном пикселе. Более того, поскольку каждым элементом управляют независимо, то матрица таких элементов способна создавать статическое или динамическое графическое изображение. Предпочтительно, чтобы как дифракционные решетки, так и линзовые элементы были голографическими.
Можно также использовать дисплей, содержащий матрицу биморфных пьезоэлементов для получения матрицы заданных дифрагированных лучей.
Можно использовать дисплей, содержащий матрицу биморфных пьезоэлементов для получения матрицы лучей заданных цветов.
При этом можно использовать биморфный пьезоэлемент, отражающий указанное направленное излучение, или биморфный пьезоэлемент, пропускающий указанное направленное излучение.
Указанный элемент может иметь точку поворота в его центре тяжести и два конца, на каждом из которых помещают электрически возбуждаемые катушки, магнитно связанные с двумя магнитами, которые устанавливают на расстоянии от указанных концов элемента, причем возбуждение катушек приводит к повороту элемента вокруг точки поворота.
Эти магниты могут быть магнитно связаны через заднюю пластину из магнитного материала.
Магниты можно установить под концами указанного элемента или вблизи его концов.
В последнем случае по меньшей мере над одним из магнитов можно расположить звуковую пленку, а между магнитом и звуковой катушкой можно поместить дополнительную возбуждаемую электрически катушку так, что электродвижущая сила, возникающая в этой катушке при пропускании через нее тока, по существу ортогональна звуковой пленке, в результате чего возбуждение дополнительной катушки приводит к вибрации звуковой пленки и генерации звука.
В указанном способе можно использовать дисплей, содержащий наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую наружную и внутреннюю поверхности, пропускающий излучение дискретный элемент, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, несущую дифракционный рисунок, и подключенный к источнику электрической энергии для обеспечения дифрагирования проходящего через него излучения, дискретный линзовый элемент, имеющий наружную и внутреннюю поверхности и расположенный вблизи наружной прозрачной жесткой детали, и жесткую непрозрачную проставку, имеющую наружную и внутреннюю поверхности и окно, оптически совмещенное с дискретным линзовым элементом, и расположенную вблизи внутренней поверхности линзового элемента, причем наружная деталь ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, а пропускающий излучение дискретный элемент оптически совмещен с окном жесткой непрозрачной проставки и при его перемещении обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, прошедшее через дифракционный рисунок, дифрагирует и затем проходит через окно и линзовый элемент, который фокусирует указанное дифрагированное излучение на прозрачную жесткую деталь.
Можно также использовать дисплей, содержащий наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую наружную и внутреннюю поверхности, и пропускающий излучение дискретный элемент, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, несущую дифракционный рисунок, и подключенный к источнику электрической энергии для обеспечения дифрагирования проходящего через него излучения, при этом наружная прозрачная жесткая деталь ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, указанный дискретный элемент представляет собой пленку, несущую сфокусированное проявленное голографическое изображение окна и расположенную на таком расстоянии от наружной прозрачной жесткой детали, что указанное изображение фокусируется на ее внутренней поверхности, а перемещение указанной пленки обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, прошедшее через дифракционный рисунок, дифрагирует и затем фокусируется на внутренней поверхности прозрачной жесткой детали.
Можно также использовать дисплей, содержащий дискретный элемент, имеющий наружную отражающую излучение поверхность, несущую дифракционную решетку, наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую внутреннюю и наружную поверхности, причем указанная деталь пропускает излучение, падающее на ее наружную поверхность, но ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, дискретный линзовый элемент, имеющий наружную и внутреннюю поверхности и расположенный вблизи наружной прозрачной жесткой детали, причем указанный линзовый элемент фокусирует излучение, падающее на него после прохождения через прозрачную жесткую деталь, и жесткую непрозрачную проставку, имеющую наружную поверхность, внутреннюю поверхность и окно, оптически совмещенное с дискретным линзовым элементом, и расположенную вблизи внутренней поверхности линзового элемента, причем дискретный элемент, имеющий наружную поверхность, несущую дифракционную решетку, оптически совмещен с окном жесткой непрозрачной проставки, а его наружная поверхность расположена вблизи окна проставки, при этом указанный элемент соединен с источником электрической энергии для перемещения этого элемента, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, падающее на наружную поверхность прозрачной жесткой детали, проходит через эту деталь, фокусируется через указанное окно и падает на дифракционную решетку, при этом дифрагированное излучение отражается от нее и проходит в обратном направлении через указанное окно и линзовый элемент, который фокусирует указанное дифрагированное излучение на наружную поверхность прозрачной жесткой детали.
Можно использовать дисплей, содержащий дискретный элемент, имеющий наружную отражающую излучение поверхность, несущую дифракционную решетку, и наружную прозрачную жесткую деталь, имеющую внутреннюю и наружную поверхности, причем указанная деталь пропускает излучение, падающее на ее наружную поверхность, но ограничивает отраженное от ее внутренней поверхности излучение, дискретный элемент представляет собой прозрачную пленку, несущую сфокусированное проявленное голографическое изображение окна и расположенную на таком расстоянии от прозрачной жесткой детали, что указанной изображение фокусируется на ее внутренней поверхности, а указанная пленка соединена с источником электрической энергии для ее перемещения, которое обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом, в результате чего излучение, падающее на наружную поверхность прозрачной жесткой детали, проходит через эту деталь и падает на дифракционную решетку, а дифрагированное излучение отражается от нее и фокусируется на внутренней поверхности прозрачной жесткой детали.
Также предложен дисплей, содержащий пьезоэлектрическую пленку, на которой нанесен в виде рельефа дифракционный рисунок и которая соединена с источником электрической энергии, причем перемещение этой пьезоэлектрической пленки обеспечивает изменение длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
Эта пьезоэлектрическая пленка может быть выполнена с возможностью отражения указанного дифрагированного излучения или с возможностью пропускания падающего на нее излучения с формированием указанного дифрагированного излучения.
Указанный дисплей может содержать матрицу, образованную указанными пьезоэлектрическими пленками, на которые нанесен дифракционный рисунок.
Указанная пьезоэлектрическая пленка может быть выполнена из поливинилиденфторида.
Также предложен дисплей, содержащий элемент с нанесенным в виде рельефа дифракционным рисунком, в котором, согласно изобретению, указанный элемент имеет точку поворота, расположенную в центре его тяжести, и два конца, на каждом из которых находятся возбуждаемые электрически катушки, магнитно связанные с двумя магнитами, расположенными на расстоянии от указанных концов элемента, причем возбуждение катушек приводит к повороту указанного элемента вокруг его точки поворота и изменению длины волны излучения, дифрагированного под данным углом.
Указанные магниты могут быть магнитно связаны через заднюю пластину из магнитного материала.
Магниты могут быть расположены под концами указанного элемента или вблизи его концов.
При этом по меньшей мере над одним из магнитов может быть расположена звуковая пленка, а между магнитом и звуковой пленкой может быть размещена дополнительная возбуждаемая электрически катушка, ориентированная так, что электродвижущая сила, возникающая в этой катушке при пропускании через нее тока, по существу ортогональна звуковой пленке, в результате чего возбуждение дополнительной катушки приводит к вибрации звуковой пленки и генерации звука.
Преимуществом настоящего дисплея является то, что он не содержит движущихся частей, а содержит только элементы, которые могут смещаться из основного состояния в возбужденное состояние (возбужденные состояния) и обратно. Другим преимуществом дифракционного дисплея является то, что имея простую конструкцию, он обеспечивает по существу великолепные цвета отраженного света. Еще одним преимуществом дифракционного дисплея является его способность получить все цвета на отдельных пикселах для графических изображений. Еще одним преимуществом дифракционного дисплея является модульность его конструкции, благодаря которой его размер можно изменять. Еще одним преимуществом дифракционного дисплея является независимая адресация к каждому пикселу, что обеспечивает воспроизведение движущихся и динамических изображений. Еще одним преимуществом дифракционного дисплея является возможность создания изображений при работе в режимах отражения или пропускания. Еще одним преимуществом дифракционного дисплея является его широкий угол обзора. Специалисты в данной области легко поймут эти и другие преимущества дисплея из последующего описания.
Преимущества и признаки настоящего изобретения будут раскрыты ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично представлен вид сбоку на биморфный пьезоэлектрический элемент в трех положениях, при которых генерируются три разных цвета.
На фиг. 2А-С показано, как для объекта с постоянным показателем преломления можно получить изменение показателя преломления.
На фиг.3А-D схематично представлен дифракционный биморфный пьезоэлемент, работающий в режиме пропускания.
На фиг.4A-D схематично иллюстрирует работу дифракционного пиксела в режиме пропускания.
На фиг. 5A и 5B схематично представлено параллельное и последовательное соединение биморфного пьезоэлектрического элемента с источником напряжения.
На фиг.6 схематично представлен дифракционный оптический элемент (ДОЭ), работающий при дневном или при вечернем освещении.
На фиг. 7 представлен новый дисплей с частичным разрезом, работающий в режиме отражения.
На фиг. 8 представлен вид сверху на новый дисплей, работающий в режиме отражения.
На фиг. 9 представлен вид сбоку на один из биморфных пьезоэлектрических элементов для нового дисплея, работающего в режиме отражения или в режиме пропускания.
На фиг. 10 представлен вид сверху на часть слоя, содержащего биморфные пьезоэлементы, работающие в режиме отражения или в режиме пропускания.
На фиг.11 представлен вид сбоку на элемент с пьезоэлектрической пленкой, работающий в режиме отражения или в режиме пропускания.
На фиг. 12 представлен вид сбоку на еще одну реализацию биморфного пьезоэлектрического элемента, работающего в режиме отражения или в режиме пропускания.
На фиг. 13 схематично представлена конструкция голографического дифракционного элемента (ГДЭ).
На фиг. 14 представлен вид сбоку на ГДЭ, показанный на фиг. 13, который используется для отображения цветов.
На фиг.15 представлен вид сбоку на пару ГДЭ, которые проецируются через окна для наблюдения дискретных цветных пикселов.
На фиг. 16 представлен вид сбоку на элемент с дифракционной решеткой, конец которого перемещается плунжером 134, который может быть выполнен из электрострикционного или магнитострикционного материала.
На фиг. 17 представлен вид сбоку на узел ГДЭ, принцип работы которого состоит в создании магнитного момента с использованием постоянных магнитов, полюса которых расположены в плоскости, параллельной плоскости дифракционной решетки в состоянии покоя.
На фиг. 18 представлен вид сбоку на узел ГДЭ, принцип работы которого состоит в создании магнитного момента с использованием постоянных магнитов, полюса которых расположены перпендикулярно плоскости дифракционной решетки в состоянии покоя.
На фиг. 19 представлен вид сбоку на узел ГДЭ, принцип работы которого состоит в создании магнитодвижущей силы F = B•L•i с использованием постоянных магнитов, полюса которых расположены перпендикулярно плоскости дифракционной решетки в режиме покоя.
На фиг. 20 представлен ГДЭ, показанный на фиг.19, который дополнительно содержит средства генерации звука.
На фиг.21 представлен разрез по линии А-А ГДЭ, изображенного на фиг.20.
На фиг. 22 представлен вид сверху на катушки, используемые в узлах ГДЭ, изображенных на фиг.17-19.
Подробно чертежи будут описаны ниже.
Большая часть последующего описания относится к пьезоэлектрическому или биморфному элементу, используемому для дифракции света путем его перемещения, однако это описание только иллюстрирует, но не ограничивает изобретение, поскольку дифракционная решетка может быть нанесена на электрострикционные, электродвижущие, электростатические и магнитострикционные элементы, при перемещении которых можно формировать изображение за счет дифракции падающего света.
Работающий в режиме отражения новый дифракционный дисплей, содержащий дифракционную решетку или голографическую дифракционную решетку, нанесенную в виде рельефа на отражающий пьезоэлектрический материал, при освещении ее под определенным углом светом от широкополосного источника излучения дает дифрагированный свет определенного цвета. При приложении к пьезоэлектрическому материалу напряжения он перемещается, при этом меняется угол падения света на дифракционную решетку. Это приводит к изменению длины волны луча, дифрагированного под данным углом. В случае широкополосного источника видимого света (хотя в настоящем изобретении могут быть также использованы ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), возможно создание пиксела, который в зависимости от величины напряжения, приложенного к пьезоэлектрическому материалу с нанесенной на него дифракционной решеткой, отражает красный, зеленый и синий цвет. В дальнейшем пикселом будем называть пьезоэлектрический материал, на котором в виде рельефа нанесена голографическая дифракционная решетка.
Для достижения цветовой однородности и широкого угла обзора эта дифракционная решетка должна представлять собой голограмму, например, на матовом стекле, фотографической пленке и т.п. Цвет дифрагированного луча определяется уравнением дифракционной решетки:
λ = d(sini+sinδ),
где λ - длина волны дифрагированного света (в микронах),
d - период дифракционной решетки (в микронах),
i - угол между нормалью к решетке и падающим лучом (в градусах),
δ - угол между нормалью к решетке и дифрагированным лучом (в градусах).
При фиксированных δ и d длина волны будет зависеть только от i. На фиг.1 схематично представлены три положения дифракционной решетки на биморфном пьезоэлементе 10, которые при воздействии падающего луча 18 обеспечивают в дифрагированном луче 20 красный, зеленый и синий цвета в положениях 12, 14 и 16 соответственно. Для получения дифрагированного луча 20 поверхность биморфного пьезоэлемента 10, на которую падает опорный луч 18, должна быть отражающей и содержать дифракционную решетку. Изменяя положение биморфного пьезоэлемента 10, можно изменять отраженное дифрагированное излучение (например, его цвет).
Для создания нового дифракционного дисплея, работающего в режиме пропускания, могут быть использованы оптически прозрачные пьезоэлектрические пленки, такие как поливинилиденфторид (PVDF или PVF2). В этом случае голографическая или другая дифракционная структура может быть выдавлена в виде рельефа на материале непосредственно. Проходящий свет испытывает дифракцию из-за эффективного изменения показателя преломления материала благодаря изменениям толщины дифракционной решетки (расстояния как функции изгиба или удлинения пьезоэлектрика). Это эффективное изменение показателя преломления показано на фиг.2. Если изменения периода дифракционного рисунка меньше длины волны света, то берется средний показатель преломления материала на отрезке, равном длине волны света, как показано на фиг.2C. Таким образом, на поверхности материала, который имеет заданный показатель преломления ( η = 1,4, позиция 21), имеет место эффективный модулирующий показатель преломления ( η = 1,2, позиция 23). Чем больше заданный показатель преломления материала, тем больше может быть глубина эффективной модуляции. Поэтому для увеличения глубины модуляции и, следовательно, эффективности дифракции желательно поместить на поверхности пленки из поливинилиденфторида тонкий слой материала с очень высоким показателем преломления и уже на него нанести дифракционную решетку. Эта решетка может быть нанесена на пленку путем выдавливания рельефа или голографически, с использованием фотоэмульсии.
Механизм создания описанной модуляции в прозрачной, полученной голографически дифракционной решетке заключается в том, что дифракционный рисунок, образованный голографически, создает темные и светлые области в зависимости от интенсивности приложенного электрического поля. Эти темные и светлые области преобразуются в изменения показателя преломления материала пропорционально приложенному электрическому полю, за счет процесса, называемого "отбеливанием", широко используемого для значительного увеличения эффективности дифракции и создания так называемой фазовой дифракционной решетки.
Для перемещения электропроводящего биморфного пьезоэлектрического элемента к нему нужно приложить электрическое поле. Электропроводность достигается нанесением на каждую сторону пьезоэлемента тонкой прозрачной проводящей пленки (примерами таких коммерчески доступных материалов являются TiO2 и окислы индия и олова).
Когда эта дифракционная решетка освещается неподвижным источником излучения широкого спектрального диапазона, луч определенного цвета дифрагирует под определенным углом согласно описанному выше уравнению. При приложении к биморфному пьезоэлементу напряжения, он изгибается, в результате чего изменяются углы i и δ. Так как d фиксирован, то длина волны изменяется пропорционально углам. В результате кажется, что освещенный пьезоэлемент окрашен в некоторый цвет, принадлежащий спектру падающего света и меняющийся в зависимости от приложенного напряжения, как показано на фиг.3 и 4. На фиг.3A-D источник 25 освещает биморфный пьезоэлемент 29, который соединен с источником 27a-d напряжения соответственно. На фиг.3A, когда на биморфный пьезоэлемент 29 напряжение не подано, он осуществляет дифракцию света от источника 25, который представляет собой подходящий источник света широкого спектрального диапазона, и пропускает зеленый свет. На фиг.3B, когда источник 27b вырабатывает заданное напряжение, биморфный пьезоэлемент 29 отклоняется в положение 31 так, что после дифракции падающего света проходит красный свет. На фиг. 3C, когда источник 27c напряжения вырабатывает другое заданное напряжение, пьезоэлемент 29 отклоняется в положение 33 так, что после дифракции падающего света проходит синий свет. На фиг.3D, когда источник 27d напряжения вырабатывает еще одно заданное напряжение, пьезоэлемент 29 отклоняется в положение 35 так, что длины волн прошедшего света лежат вне видимого диапазона, то есть прохождение видимого света блокируется. На фиг.4A-D показа на конструкция, аналогичная приведенной на фиг.3A-D, за исключением того, что для увеличения эффективной яркости и, следовательно, интенсивности дифрагированного от пьезоэлемента 29 луча с выходной стороны пьезоэлектрического элемента 29 помещены направленный рассеиватель 39a и голографический оптический элемент 39b (голографическая линза).
Рассмотрим теперь биморфные пьезоэлементы более подробно. Одиночный слой из поливинилиденфторида или другой пьезоэлектрической пленки под действием электрического поля деформируется слабо. Эту деформацию можно значительно усилить, используя конфигурацию, когда две пьезоэлектрические пленки соединены вместе, обычно с помощью клея. При приложении электрического поля один слой удлиняется, в то время как другой укорачивается, в результате чего весь пьезоэлектрик изгибается как одно целое. Коэффициент относительной деформации пьезоэлектрика приблизительно равен отношению его длины к толщине. Следовательно, при использовании, например, пленки из поливинилиденфторида толщиной 5 микрон может быть достигнуто усиление в несколько тысяч раз. Таким образом, простая конфигурация биморфного пьезоэлемента обеспечивает большую величину изгиба при малых потерях на трение.
Теоретически и экспериментально установлено, что боковое отклонение зависит от приложенных электрического поля и нагрузки линейно. Смещение, возникающая сила и выходное напряжение пьезоэлемента определяются уравнениями:
где V - приложенное напряжение (В),
F - возникающая сила (Н)
Δx - смещение (м),
L, t, w - длина, толщина и ширина пленки, соответственно (м),
Y - модуль Юнга для пленки (для пленки поливинилиденфторида 2•109 Н/м2),
d31, g31 - пьезоэлектрические константы деформации и напряжения соответственно.
Биморфный пьезоэлемент из одноосно ориентированной пленки из поливинилиденфторида или другого материала с поверхностью, однородно металлизированной (в случае работы в режиме отражения) проводящим материалом (например, алюминиевой краской), изготавливают в двух конфигурациях: последовательной и параллельной. На фиг.5A и 5B показаны параллельная и последовательная конфигурации соответственно. Их основное различие состоит в способе подключения слоев к источнику напряжения Vi. Пьезоэлемент 41 содержит нанесенные или прикрепленные к нему электропроводящие слои 43 и 45. В параллельной конфигурации на фиг.5A изменение длин обеих пленок, составляющих пьезоэлемент 41, происходит в одном направлении, создавая в результате большее усилие, но меньшее смещение Δx на конце. В последовательной конфигурации на фиг.5B изменение длин пленок, составляющих пьезоэлектрический элемент 41, происходит в противоположных направлениях, создавая в результате меньшее усилие, но большее смещение Δx на свободном конце. Дополнительную информацию о биморфных пьезоэлементах можно найти в следующих ссылках, включенных в настоящее изобретение: Toda, et al., "Large Area Display Element Using PFV2 Bimorph With Double-Support Structure", Ferroelectrics, 1980, Vol.23, pp 115-120; Toda et al. , "Large Area Electronically Controllable Light Shutter Array Using PFV2 Bimorph Vanes", ibid at pp.121-124; Linvill, "PFV2 Models, Measurements and Devices", ibid at Vol.28, pp 291-296; Negran, et al., "A Clue to the Origin of Pyroelectricity in PFV2 From the Low Temperature Behavior", ibid at p. 299; Willis, et al., "The Structure of Electric-Field-Induced Layer Defects in Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Display Cells", SID 90 Digest, pp 114-116 Kistner, et al., "Evaluation of a Small Wearable Display", ibid at pp 136-139; and Reinke, "High Density Display/Driver Interconnections Using Anisotropic CAIS: (Conductive Adhesive Interconnect System)", SPIE Vol. 1080, Liquid Crystal Chemistry. Physics, and Applications (1980).
Дифракционная решетка или голографическая дифракционная решетка выдавливается в виде рельефа, например, на металлическом слое, нанесенном на одну из поверхностей (например, являющуюся общим проводом матрицы или линейки биморфных пьезоэлементов), причем этот слой может быть отражающим (например, алюминий с высокой отражающей способностью) или прозрачным (например, TiO2, окислы индия и олова и т.п.) для работы в режиме отражения или пропускания соответственно. Альтернативно, дифракционная решетка или голографическая дифракционная решетка может быть нанесена путем выдавливания рельефа на прозрачную пленку (например из майлара), которая прикрепляется к пьезоэлементу, обычно с помощью прозрачного клея.
Голографические линзы представляют собой особый тип голографических оптических элементов (ГОЭ) или дифракционных оптических элементов (ДОЭ), работа которых основана на преобразовании световых волн за счет дифракции, а не отражения, как в традиционной оптике. Другими словами, можно заставить волновой фронт расходиться или расширяться путем его дифракции микроскопическим пространственно изменяющимся рисунком из темных и светлых областей или путем пространственного изменения показателя преломления в противоположность традиционной оптике, где световые лучи искривляются непосредственно за счет непрерывного макроскопического изменения показателя преломления.
Преимуществом дифракционной оптики является то, что ее элементы меньше, легче и дешевле в изготовлении, кроме того, с их помощью можно осуществить такое преобразование волнового фронта, которое не может быть достигнуто с помощью традиционной оптики. Однако недостатком дифракционной оптики являются более сильные хроматические аберрации, чем в традиционной оптике. Поскольку в новом оптическом дисплее дифракционные решетки для непосредственного создание изображения не используются, то этот недостаток несущественен.
Описанный здесь ДОЭ собирает параллельные лучи света, идущие под определенным углом или под углами из заданной группы углов, в фокальной точке. Если он связан с биморфным пьезоэлектрическим элементом (биморфный пьезоэлемент 50 на фиг.7, подробно описанный ниже), как описано здесь, то фокальная точка ДОЭ расположена на поверхности 24 (фиг.7) наружной прозрачной жесткой детали 22 (фиг.7). Схематично ДОЭ представлен на фиг.6, где ГОЭ/ДОЭ 49 собирает в фокальной точке 51 прошедшее через него излучение как от опорного луча 47 дневного света, так и от опорного луча 53 вечернего света. Дополнительную информацию можно найти в следующих ссылках, включенных в настоящее изобретение: Hayford, "Holographic Optical Elements", Photonic Spectra, pp 77-79 (April 1982); and Fan et al, "Color Coding Reproduction of two-Dimentional Objects with Rainbow Holography", Optical Engineering, October 1991, Vol.30, N. 10, 1625-1628.
Фиг. 7-12 иллюстрируют дисплей, который легко изготовить и который использует дифракционное отражение, описанное выше. Обратимся к фиг.7. В последующем описании изобретения рассматривается использование падающего солнечного света (или его эквивалента), при этом новый графический дисплей, работающий в режиме отражения, обеспечивает полную гамму цветов в каждом пикселе. Следует понимать, однако, что это описание только иллюстрирует, но не ограничивает изобретение, так как в описанном здесь новом графическом дисплее может быть успешно применен невидимый свет ультрафиолетового и инфракрасного диапазона длин волн, а также режим пропускания света. Предпочтительно, чтобы изображенная на фиг.7 наружная прозрачная жесткая деталь 22 была выполнена из стекла, хотя при желании можно использовать прозрачные пластмассы и керамику. Жесткость прозрачной детали 22 необходима для того, чтобы сам дисплей был жестким. На наружную поверхность 24, на которую падает свет 26, нанесено нелинейное покрытие, которое пропускает свет 26 через прозрачную жесткую деталь 22, но препятствует прохождению отраженного света, попадающего на внутреннюю поверхность 28, назад через деталь 22, ослабляя его на наружной поверхности 24. Именно на наружной поверхности 24 формируется пиксел, например, пиксел 30. Нелинейные покрытия хорошо известны, например, фторид магния (MgF2).
Вблизи внутренней поверхности 28 стекла 22 расположена матрица дискретных линзовых элементов, представленная линзовыми элементами 32-38. Следует понимать, что несмотря на то, что на фиг.7 показаны только четыре линзовых элемента, а подробно описан только линзовый элемент 32, все эти элементы представляют матрицу дискретных линзовых элементов таких размеров и с такой плотностью расположения, какие необходимы для конкретного создаваемого дисплея. В предпочтительном варианте линзовые элементы 32-38 могут быть выполнены как голографические линзы в слое 40. Каждый линзовый элемент является достаточно сложным, поскольку он собирает падающий свет и фокусирует его на биморфный пьезоэлемент, а затем собирает отселектированный свет и направляет его на внешнюю поверхность 24 жесткой детали 22, формируя пиксел 30. Описание изготовления таких голографических линз можно найти, например, в The SPIE Holographics International Directory & Resource Guide, The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Bellingham, WA (1993). Из коммерчески доступных неголографических линзовых элементов известны сферические микроинтегрированные линзы SMILETM, поставляемые фирмой Corning Incorporated (Cornic, New York), и монолитные элементарные линзовые модули, изготавливаемые фирмой Adaptive Optics Associates, Inc. (Cambridge, Mass.). В настоящем описании используется содержащаяся в этих ссылках информация.
Хотя стеклянная деталь 22 и слой 40, содержащий линзовые элементы, могут удерживаться вместе за счет прижима по кромкам, желательно, чтобы между этими слоями не оставалось пустот. Поэтому, чтобы заполнить все пустоты и закрепить эти слои в нужном положении друг относительно друга, предпочтительно между деталью 22 и слоем 40 нанести слой клея (не показан). Подходящий клей должен быть прозрачным для длин волн прошедшего и отраженного дисплеем света. Обычно используют полимеризующийся в ультрафиолетовом (УФ) свете клей, так как такие клеи обладают высокой прозрачностью, легко высыхают при комнатной температуре и имеются в продаже.
Ингредиенты такого клея включают, например, обладающие высокой реакционной способностью мономеры винила такие, как низшие алкиловые сложные эфиры акриловой и метакриловой кислот, а также полимеры или преполимеры на их основе. Мономеры винила, наиболее подходящие для фотополимеризации, включают, например, метилметакрилат, этилметакрилат, 2-этилгексилметакрилат, бутилакрилат, изобутилметакрилат; соответствующие гидроксиакрилаты, например, гидроксиэтилакрилат, гидроксипропилакрилат, гидроксиэтилгексилакрилат; а также гликолевые акрилаты, например, этиленгликольдиметакрилат, гексаметиленгликольдиметакрилат; аллилакрилаты, например, аллилметакрилат, диаллилметакрилат; эпоксидакрилаты, например, глицидилметакрилат; и аминопластовые акрилаты, например, меламинакрилат. Другие ингредиенты включают диаллилфталат, винилацетат, галогениды винила и винилидена, N-винилпирролеидон и амиды, например, метилакриламид, акриламид, диацетонакриламид, бутадиен, стирен, винилтолуол и прочие, а также их смеси. Специальные предпочтительные ингредиенты, полимеризующиеся в УФ-свете, включают акриловую кислоту, гидроксиэтилакрилат, 2-этилгексилакрилат, триметилолпропантриакрилат, глицерилпропокситриакрилат, полиэтиленгликольдиакрилат, полиэтиленоксиды и поливинилацетат. Специалистам ясно, что для изготовления клея можно использовать множество дополнительных компонентов.
Для достижения полимеризации клея в присутствии УФ-света в мономеры или форполимеры вводят ультрафиолетовые фотосенсибилизаторы или сенсибилизаторы. Полезные УФ сенсибилизаторы или фотосенсибилизаторы включают галогенированные многоядерные кетоны, такие как описаны в патенте США N 3827957, и органические карбонильные соединения, выбранные из алкилфенонов, бензофенонов и соединений с трехчленными конденсированными кольцами, как описано в патенте США N 3759807. Другие полезные УФ сенсибилизаторы включают карбонилированные фенолнуклеидсульфанилхлориды, такие как описаны в патенте США N 3927959. Обычно в ингредиенты добавляют по крайней мере 0.5% по весу УФ сенсибилизатора, а предпочтительно около 1.5% сенсибилизатора и равномерно распределяют его в жидких ингредиентах путем перемешивания или другим способом. Информация, содержащаяся в этих ссылках, включена в настоящее описание.
Ясно, что голографические линзовые элементы могут быть любой формы и конфигурации, однако для достижения максимального коэффициента заполнения предпочтительно, чтобы они имели квадратное сечение, если смотреть на них сверху.
Следующим элементом конструкции является жесткая непрозрачная проставка 42, имеющая внешнюю поверхность 44 и внутреннюю поверхность 46. Проставка 42 содержит матрицу окон, оптически совмещенную с матрицей дискретных линзовых элементов, например, линзовых элементов 32-38, причем верхняя поверхность 44 соприкасается со слоем 40. Требование жесткости проставки 42, как и детали 22, связано с необходимостью обеспечения прочности конструкции дисплея. Проставка 42 может быть выполнена из металла (например, алюминия), керамики, полимерного или какого-либо другого материала, который может быть сделан непрозрачным для длин волн света, падающего на дисплей. Окна 48 могут быть отверстиями в проставке 42, однако дополнительно окна могут быть выполнены из прозрачного материала такого же состава, что и материал непрозрачной части проставки 42, или другого состава. На фиг.8 показано расположение окон со стороны дисплея. Как сказано выше,
размер, плотность и расположение окон (и, следовательно, пикселов) могут быть заданы изготовителем дисплея.
Далее, имеется матрица дискретных биморфных пьезоэлементов, оптически совмещенных с окнами проставки. На фиг.7 показаны биморфные пьезоэлементы 50-58. В частности, пьезоэлемент 50 оптически совмещен с окном 48, которое, в свою очередь, оптически совмещено с линзовым элементом 32. Окно 48 пропускает свет от линзового элемента 32 только на пьезоэлемент 50, не позволяя ему попасть на любой другой пьезоэлемент матрицы.
Более подробно биморфный пьезоэлемент 50 представлен на фиг.9 и 10. На фиг.9 биморфный пьезоэлектрический элемент 50 состоит из пьезослоев 60 и 62. Верхняя поверхность пьезослоя 60 покрыта сплошным металлическим слоем 64, который соединен с заземлением 66 проводом 68, и на/в котором создана дифракционная структура 65. На фиг. 10 слой 76, включая наружные поверхности биморфных пьезоэлектрических элементов 50, 52 и 78, весь покрыт металлом или другим проводящим материалом. Наружная поверхность пьезослоя 62 покрыта дискретным металлическим слоем 70, который может быть соединен с источником напряжения 72 проводом 74. На фиг.10 только нижняя поверхность каждого пьезоэлемента 50, 52 и 78 металлизирована.
На фиг. 10 показан также вариант изготовления биморфных пьезоэлементов 50, 52 и 78 прямоугольной формы из сплошного листа 76 биморфного пьезоэлектрического материала путем вырубки трех сторон прямоугольника, при этом все пьезоэлектрические преобразователи остаются соединенными одной стороной с листом 76. Такая геометрия позволяет каждому пьезоэлектрическому элементу отклоняться, как показано пунктиром на фиг.9. Следует понимать, что геометрическая конфигурация, изображенная на фиг.10, является только иллюстративной. Легко придумать и другие конфигурации.
Далее, как видно на фиг.11, элемент 100 из пьезоэлектрической пленки выполнен так, что при подаче на него напряжения он может растягиваться или сжиматься, оставаясь плоским, так что эффективный период решетки 65 будет изменяться. Для этого можно нанести прозрачный слой 64 и сформировать дифракционную решетку 65 в этом прозрачном слое 64, как показано на фиг.12.
Ниже пьезоэлектрического слоя 76 (фиг.10), содержащего дискретные биморфные пьезоэлементы 50-58, может быть расположена печатная плата 80 (фиг. 7), к которой могут быть присоединены провода 74 и 84-88, идущие от дискретных металлизированных слоев, например, слоя 70, для соединения с этими слоями. Печатная плата 80, которая может представлять собой многослойную печатную плату, позволяет управлять каждым отдельным биморфным пьезоэлектрическим элементом индивидуально через соответствующие провода.
Металлизированное покрытие на дискретные биморфные пьезоэлектрические элементы или слой 76 (фиг.10) может быть нанесено путем осаждения металла из паровой фазы, из жидкой фазы и аналогичными способами. Отметим, что такие пьезоэлектрические пленки с металлическим покрытием имеются в продаже, например пьезоэлектрические пленки KYNARR (поливинилиденфторидные пленки фирмы AMP Industries, Inc., Valley Forge, PA).
На фиг. 7, 9 и 11 видно, что свет 26 (фиг.7), падающий на стекло 22, проходит через линзовый элемент 32, который направляет его через окно 48 на пьезоэлектрический биморфный элемент 50. При приложении к пьезоэлектрическому элементу 50 положительного напряжения он отклоняется вверх по стрелке 90 в положение, которое показано пунктиром. Альтернативно, биморфный пьезоэлектрический элемент 100 (фиг. 11) при приложении напряжения может увеличиться в длину. При этом свет выбранного цветового диапазона (например, красного цвета) отражается назад от металлического слоя 64 через окно 48 и попадает в линзовый элемент 32. Линзовый элемент 32 фокусирует красный свет на верхнюю поверхность 24 стекла 22, покрытие на котором ослабляет красный свет на поверхности 24 и формирует красный пиксел 30. Понятно, что отклонение биморфного пьезоэлектрического элемента вниз при приложении к нему отрицательного напряжения приведет к появлению синего света, в то время как в состоянии покоя пьезоэлектрический элемент отражает зеленый свет. Описанное выше соответствие цветов и напряжений является чисто иллюстративным. Понятно также, что пьезоэлектрический элемент 50 может быть приведен в такое положение, когда свет вообще не отражается, то есть пьезоэлектрический элемент может выполнять роль затвора. Путем независимой адресации к каждому биморфному пьезоэлементу могут быть сформированы пикселы изменяющегося цвета для формирования статических или динамических изображений.
Если сделать слои 64 и 70 металлизации прозрачными, то конструкция на фиг. 9 или 12 сможет работать в режиме пропускания, при котором свет падает на слой 70 металлизации под некоторым углом, затем проходит через пьезоэлектрический элемент 50, дифрагируется дифракционной решеткой 65 и формирует заданный цвет, как описано выше.
Альтернативным вариантом конструкции, представленной на фиг.7-12, является вариант, изображенный на фиг, 13-15, в котором исключен голографический оптический элемент/дифракционный оптический элемент 49, а его фокусирующие функции переданы голографическому дифракционному элементу (ГДЭ). ГДЭ выполнен с уникальной геометрией так, что он отражает/пропускает сфокусированное спектрально чистое действительное изображение, расположенное на небольшом расстоянии перед ним, на рассеивающую поверхность. На фиг.13 показана эта уникальная конфигурация, позволяющая получить голограмму, которая формирует "самофокусирующийся" пиксел. Параллельный или слегка сходящийся опорный луч 104 падает на фотографическую пластину 106 под углом θ к нормали к поверхности пластины 106 (показана пунктиром). Предметный луч 108 фокусируется линзой 110 на матовое стекло 112, позади которого расположена пластина 114, содержащая щель 116, через которую проходит предметный луч 108. Предметный луч 108, проходя через щель 116, расходится, как идущий от единичного пиксела, и интерферирует с опорным лучом 104, создавая голограмму, которую фиксируют на пленке 106. Щель 116 предназначена для того, чтобы обеспечить спектральное разделение в восстановленном луче. Сферическая линза 110 предназначена для того, чтобы лучи всех цветов фокусировались в одной точке. Нужно, чтобы расстояние d1 между пленкой 106 и пластиной 114 не превышало нескольких сантиметров, а ширина щели 116 была приблизительно 2-5 см.
Таким образом, когда опорный луч падает на проявленную пленку 106 в сопряженном направлении (с противоположной стороны, в направлении первоначального источника), на расстоянии d1 от пленки 106 восстанавливается действительное изображение щели. На фиг. 14 показано, как путем смещения пленки 116 (как в случае пьезоэлектрического элемента 50 на фиг.9) может быть осуществлено восстановление трех основных цветов в режиме пропускания (см. фиг. 3А-D). Пластина 114, которая содержит также дифракционную структуру и средства для приведения ее в движение (например, пьезоэлектрический элемент с дифракционной решеткой на фиг.9), расположена на расстоянии d1 от стеклянной пластины 118. Когда восстанавливающий луч 120 падает на пластину 114, возникает изображение щели 116, цвет которого зависит от угла падения луча 120, а само изображение для наблюдателя 122 кажется размытой точкой на стеклянной пластине 118. При изгибе пластины 114 изменяется угол падения и, следовательно, цвет проектируемого изображения. На фиг.15 на расстоянии d1 от пластин 126 и 128 помещена непрозрачная пластина 124 с окнами, которая для наблюдателя 122 видна как матрица дискретных цветных пикселов.
На фиг. 16 представлен элемент 130 с дифракционной решеткой 132, относящийся к другому типу элементов, которые могут быть использованы в настоящем изобретении. Плунжер 134 упирается в свободный конец элемента 130, другой конец которого закреплен на шарнире 136. Плунжер 134 может быть выполнен из электрострикционного материала, например, выпускаемого фирмой AVX Corporation (Myrtle Beach, SC) с кодами: C060210A, C060315A, C060020A, R020305A и т. д. См. также Uschino, et al., "Review: Electrostrictive Effect in Perovskites and Tranducer Applications", J. Matls. Sci., 16 (1981) 569-578. Альтернативно, плунжер 134 может быть выполнен из магнитострикционного материала, например, ETREMA Terfenol-D (сплав тербия, диспрозия и железа) фирмы Edge Technologies, Inc. (Ames, IA). Кроме того, плунжер 134 может быть изготовлен из электростатических материалов. См. Yonse, "Mirrors on Chips", IEEE Spectrum, November 1993, pp.27-31.
Другие варианты управления отклонением дифракционной решетки показаны на фиг. 17-20. На фиг.17 дифракционная решетка 132 расположена на пленке 138. Ниже пленки 138 помещены магниты 140 и 142 с противоположным расположением полюсов, как показано на фиг.17. Эти магниты находятся на задней пластине 144, которая может быть выполнена из магнитного материала (например, железа), но не обязательно. Пленка 138 содержит катушку 146 (или слои катушек на поверхности или заделанные в пленке), ось которой перпендикулярна плоскости пленки. Такие катушки могут быть изготовлены, например, с помощью автоматизированной сборки на ленте-носителе (АСЛН), и соединены с источником энергии, например, источником электрической энергии (не показан). Элемент 138 имеет ось 148 поворота, перпендикулярную боковой проекции, представленной на фиг.17 (вглубь чертежа). Важно отметить, что поворотная ось или шарнир могут быть расположены как на любом конце пленки 138, так и в ее центре тяжести или в любом другом месте, при этом пленка 133 поворачивается, как показано на чертеже. Когда через катушку течет ток, создается магнитное поле, силовые линии 150 которого показаны на чертеже, при этом пленка 138 поворачивается относительно оси. Если задняя пластина 144 выполнена из магнитного материала, то напряженность магнитного поля от постоянных магнитов 140 и 142 возрастает, соответственно возрастает и вращающий момент (магнитный момент), действующий на катушку 146. Более подробное описание работы такого устройства можно найти в патенте США N 5295031. Следует отметить, что между пленкой 138 и магнитами 140 и 142 может быть помещена многослойная печатная плата 152 для размещения на ней поворотной оси для пленки 138 и облегчения электрического соединения катушек на пленке 138. Вращающий момент, действующий на катушку 146, может быть выражен с помощью следующего уравнения:
где θ угол между плоскостью витка катушки и направлением магнитного потока в плоскости витка,
Ампер = ток в катушке (А),
Витки = число витков в катушке,
L = длина намотки катушки вдоль ее оси (м),
B = магнитная индукция катушки (T).
На фиг.18 постоянные магниты 140 и 142 расположены у концов пленки 138. Силовые линии 150 магнитного поля расположены так, как показано на чертеже. Действующий на катушку 146 вращающий момент показан стрелкой 154 (при направлении тока, показанном на чертеже). Печатная плата 152 в этом варианте изготовлена из магнитного материала. Вращающий момент, действующий на катушку 146, может быть выражен с помощью следующего уравнения:
где θ = 1 угол между плоскостью витка и направлением магнитного потока в плоскости витка,
Ампер = ток в катушке (А),
Витки = число витков в катушке,
L = длина намотки катушки вдоль ее оси (м),
B = магнитная индукция катушки (T).
Реализация изобретения, показанная на фиг.19, подобна изображенной на фиг. 18, за исключением того, что вместо печатной платы 152 из немагнитного материала установлена стальная задняя пластина 144. В результате этого силовые линии 150a и 150b магнитного поля проходят так, как показано на чертеже. Сила, действующая на катушку 146, определяется выражением:
F = B•L•i,
где F = сила, действующая на катушку,
B = магнитная индукция катушки (T).
L = длина намотки катушки вдоль ее оси (м),
i = ток в катушке (А).
Вращающий момент, действующий на катушку 146, существенно зависит от точки расположения шарнира (опоры). Зависимость этого момента τ от длины активной обмотки дается следующей формулой:
τ = F•r•2,
где r - расстояние от обмотки до точки расположения шарнира (оси),
F = сила, действующая на катушку.
На фиг. 20 представлен голографический дифракционный элемент (ГДЭ) по фиг. 19, который дополнительно содержит средства создания многоканального стереофонического звучания. Силовые линии 156a и b не участвуют в перемещении ГДЭ 138. Линии магнитного потока вблизи катушек 158-162 перпендикулярны току в них. Соответственно, результирующая сила F перпендикулярна как силовым линиям, так и току, как показано на фиг.20. Как и ранее, сила может быть выражена уравнением F = B•L•i. Таким образом, около каждого пиксела можно разместить один или несколько акустических драйверов (катушек), управляющих движением пленок 164 и 166, которые могут быть прозрачными пленками (даже такими же слоями, как слои с голографическими линзами), стеклянными пластинами или отдельными пленочными слоями. Эти пленки содержат электрические проводники, которые соединяют один акустический драйвер с другим (последовательно). Отметим, что вокруг катушек 158-162 имеются поля 170-174 утечки соответственно. Эти потоки утечки создают взаимную связь между соседними акустическими драйверами, как показано на фиг.21, где провод 178 идет от предыдущей катушки, а провод 176 идет к следующей катушке.
На фиг. 22 представлена горизонтальная проекция верхней и нижней части катушек, которые могут быть использованы в реализациях изобретения, представленных на фиг.17-20. Контактная площадка 180 соединена с печатной платой 152, расположенной с нижней стороны пленки 138, и через сквозное отверстие с другой контактной площадкой (не показана) на верхней стороне пленки 138. На верхней стороне пленки 138 расположена проводящая дорожка 182, а на нижней стороне пленки 138 расположена проводящая дорожка 184, которая оканчивается на контактной площадке 180. Обе дорожки подходят к сквозному отверстию 186, посредством которого осуществляется электрическое соединение верхней и нижней сторон пленки 138. Специалистам ясно, что могут быть использованы другие конструкции магнитных катушек. Например, хотя рассматриваемые катушки могут двигаться, их можно закрепить неподвижно, а в голографический дифракционный элемент ввести магниты, которые можно перемещать.
Специалистам в данной области ясно, что возможны различные усовершенствования и изменения настоящего изобретения, не выходящие за пределы его сущности и объема, определяемых формулой изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДИФРАКЦИОННЫЙ ДИСПЛЕЙ, ДИФРАКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЛЕЯ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДИФРАГИРОВАННЫХ ЛУЧЕЙ | 2000 |
|
RU2256202C2 |
| АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА ИСКРИВЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ | 1999 |
|
RU2224451C2 |
| НАПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ПОДВИЖНОГО ДИФРАКЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА | 2000 |
|
RU2256203C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ "ПАРЯЩЕГО" ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ (ВАРИАНТЫ) | 2020 |
|
RU2751405C1 |
| ВИЗУАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ НА ОСНОВЕ МИКРООПТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ | 2003 |
|
RU2297651C2 |
| ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ | 2006 |
|
RU2398250C2 |
| СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ (ВАРИАНТЫ) И ГОЛОГРАММА | 2004 |
|
RU2375194C2 |
| ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ ПОЛНОСТЬЮ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ | 2017 |
|
RU2727853C1 |
| УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ | 2014 |
|
RU2654360C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА | 1994 |
|
RU2084010C1 |
Дисплей содержит элемент, несущий дифракционный рисунок и соединенный с источником энергии. При перемещении элемента изменяется длина волны излучения, дифрагированного под данным углом. Элемент может пропускать или отражать дифрагированное излучение. Элемент содержит биморфный пьезоэлемент или установлен с возможностью поворота при возбуждении расположенных на его концах электрических катушек, магнитно связанных с двумя магнитами. Из указанных элементов может быть образована матрица. Дисплей может содержать наружную прозрачную жесткую деталь, дискретный линзовый элемент и жесткую непрозрачную проставку с окном, оптически совмещенным с дискретным линзовым элементом и указанным элементом с дифракционным рисунком. Обеспечивается упрощение конструкции и ее модульность, широкий угол обзора и получение всех цветов на отдельных пикселах. 10 с. и 62 з.п.ф-лы, 22 ил.
| US 4360251 A, 23.11.82 | |||
| US 5058992 A, 22.10.91 | |||
| Двухдвигательный следящий электропривод | 1973 |
|
SU479085A1 |
| Устройство для отклонения луча | 1986 |
|
SU1409032A1 |
