ЭКРАН И ОПТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР Российский патент 2013 года по МПК G02B27/28 G09F9/37 B81B5/00 

Изобретение относится к области обработки оптической информации: к конструкции экранов и оптических коммутаторов с микроэлектромеханическими оптическими регулятороми.

Известны экраны с использованием микроэлектромеханических систем, в которых изображение формируется сканированием светового луча с помощью микрозеркал, приводимых в движение микроэлектромеханическими приводами (актюаторами) [U.S. Pat. No. 6856445, 7116462, 7102808, 7016099, RU 2276774, 2277265]. Они нуждаются в освещении зеркал мощными источниками направленного света с высокочастотным регулированием его интенсивности и манипулированием цветом, также высокочастотным. Процессы формирования динамического и статического изображения в них не отличаются.

Известен также экран, в котором изображение формируется оптическими вентилями, содержащими переворачивающиеся заслонки в виде флажков с закрепленной осью вращения, перекрывающие или открывающие микроотверстия для прохождения света [US 20040080484 А1]. Недостатком его является необходимость регулирования яркости каждого пикселя в отдельности с помощью дополнительного устройства.

Прототипом предлагаемого изобретения является экран, каждый пиксель или субпиксель (далее - пиксель) которого содержит оптический микроэлектромеханический регулятор в виде заслонки, перемещающейся благодаря неодинаковому удлинению двух консолей при неодинаковом их нагреве и перекрывающей при этом частично или полностью световой поток через отверстие [U.S. Pat. No. 6775048, 6967761, 7151627].

Недостатком прототипа является сложность конструкции и технологии ее изготовления, требующей создания трехмерных микроэлектромеханических структур и микроэлектронных структур (активных и пассивных электронных элементов) в составе каждого пикселя, а также потеря изображения при отключении питания. Другим недостатком прототипа является сложная и требующего прецизионного совмещения система линз подсветки, фокусирующей весь световой поток на множестве микроотверстий, и подобной же системы линз для формирования изображения после прохождения светом оптических регуляторов. Указанные недостатки уменьшают, кроме того, надежность устройства и радиационную стойкость.

Существуют также устройства, известные как «электронная бумага», в которых статическое изображение сохраняется и в отсутствие питания [U.S. Pat. No. 5344594, 5900858, 6054071].

К их недостаткам относятся низкое быстродействие, препятствующее воспроизведению динамических изображений, и невозможность формирования полноцветного изображения и полутонов.

Целью предлагаемого изобретения является создание экрана с высоким быстродействием, простого по конструкции и технологии изготовления, не требующего питания для сохранения статического изображения, способного (в вариантах) выполнять функцию «электронной бумаги», надежного и радиационно-стойкого.

Указанная цель достигается тем, что каждый пиксель или субпиксель (далее - пиксель) экрана содержит оптический регулятор, который выполнен в виде двух наложенных друг на друга плоских поляризаторов, один из которых выполнен в виде сплошного неподвижного поляризатора, общего для регуляторов всех пикселей экрана, а второй имеет площадь, перекрывающую площадь пикселя, и выполнен с возможностью вращения относительно первого вокруг нормальной к их плоскости фиксированной оси, а также содержит средства для осуществления такого поворота.

Фиксирование оси относительного вращения поляризаторов осуществляют любым доступным способом: например, помещают подвижный поляризатор в гнездо, исключающее смещение его оси. Для этого экран выполняют со слоем из жесткого или гибкого материала с гнездами для подвижных поляризаторов. Слой с гнездами, в одном из вариантов, выполнен из непрозрачного материала или маскирован за пределами пикселей.

Конструктивно и технологически выигрышнее вариант предлагаемого экрана, в котором гнезда для подвижных поляризаторов выполнены в сплошном слое жесткого или гибкого поляризатора размера экрана. Если такой поляризатор с гнездами поместить на другой сплошной поляризатор (но без гнезд), являющийся неподвижным элементом одновременно для всех регуляторов экрана, так, чтобы их плоскости поляризации были перпендикулярны, то вне области гнезд свет проходить через такую структуру не будет, а в области гнезд пропускание будет зависеть от угла поворота подвижных поляризаторов, находящихся в этих гнездах.

Поляризатор с гнездами и подвижные поляризаторы в этих гнездах технологически удобно выполнять одновременно путем создания необходимых прорезей в сплошном плоском поляризаторе, например, с помощью фотолитографии и последующего травления.

В вариантах исполнения устройство содержит блок подсветки (задней или передней).

Для задания цвета пикселя экран содержит слой пигментных или дихроичных светофильтров, расположенных в заданном порядке в соответствии с расположением цветных пикселей. Для формирования цветного изображения - это основные цвета, сгруппированные по три по соседним пикселям (по субпикселям пикселя).

В варианте экрана для работы на отражение он содержит диффузно или зеркально отражающий слой - в зависимости от назначения экрана. Этот слой может быть раскрашен в соответствии с расположением цветных пикселей, например, в основные цвета. Зеркальный слой обеспечивает получение специальных эффектов, в т.ч. получение проекционных изображений. Использование в этом варианте поляризующих отражателей в качестве подвижного или неподвижного поляризатора еще более упрощает конструкцию экрана.

Средство для поворота подвижных элементов оптических регуляторов экрана содержит микроэлектромеханические приводы (актюаторы) с блоком управления приводами или/и перо.

Вариантом привода является актюатор, выполненный в виде шагового электростатического двигателя с блоком управления, преобразующим видеосигналы в электрические сигналы управления актюатором. Примером такого шагового двигателя является актюатор, у которого подвижный поляризатор оптического регулятора с фиксированной осью вращения выполнен круглым с выступающим за границы круга поводком (или поводками), а прилегающие к области перемещения поводка слои снабжены электродами с возможностью емкостной связи между собой через материал поводка (поводков). Например, электроды образуют последовательность конденсаторов, в которые при подаче смещения втягивается диэлектрический поводок: слой, прилегающий к поводку с одной стороны, имеет по всей длине требуемого перемещения поводка общий непрозрачный электрод (непрозрачный для того, чтобы маскировать вырез для поводка), а на слое, прилегающем с другой стороны, вдоль направления требуемого перемещения поводка нанесена цепочка управляемых порознь или группами максимально близко расположенных друг к другу управляющих электродов, каждый из которых короче поводка. При подаче на пару соседних управляющих электродов, находящихся в непосредственной близости с поводком, одного и того же потенциала по отношению к общему электроду поводок будет фиксирован в данном положении. Если при этом снимать смещение с одного из этой пары электродов и подавать на другой так, чтобы под напряжением оставалось, например, два соседствующих друг с другом электрода, диэлектрический поводок будет втягиваться в укоротившийся с одной стороны и удлинившийся с другой стороны конденсатор, образованный общим и двумя запитанными управляющими электродами. Таким образом, поводок будет перемещаться вдоль направления переноса напряжения с электрода на электрод (как эстафета), поворачивая подвижный поляризатор. Аналогично происходит и перемещение поводка в обратную сторону. Например, при диаметре подвижного элемента порядка 30 мкм, толщине элемента порядка 10 мкм, относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика поводка порядка 10, прилагаемых к электродам напряжениях порядка 10 В, частота работы оптического регулятора (полное открывание - полное закрывание) превышает 1000 Гц. Предельные частоты, при специальном подборе материалов и конструкции актюатора в пределах предложенного технического решения, значительно выше (на порядки). Экран содержит блок управления приводами, который - в соответствии с поступающим на него видеосигналом - вырабатывает и подает в нужном порядке смещения на электроды оптического регулятора.

Коммутация электродов пикселей экрана может быть любой, обеспечивающей логику управления. В частности, предлагается соединять проводящими дорожками между собой общие электроды строк пикселей - электроды сканирования, и соединять между собой соответственные (занимающие одинаковые положения в своих регуляторах) электроды линеек управляющих электродов столбцов пикселей - электроды видеосигнала (или наоборот). Если, например, линейка управляющих электродов состоит из 6 электродов, то каждый столбец будет содержать по 6 проводящих дорожек, а каждая строка - по одной.

Если длина поводка такова, что он одновременно перекрывает не более двух управляющих электродов, то электроды могут быть соединены между собой через два, т.е. столбец в приведенном примере будет содержать уже не 6, а 3 дорожки.

Какие-либо активные или пассивные электронные элементы для каждого пикселя в предлагаемом экране не требуются: положение подвижного поляризатора, т.е. яркость пикселя, задают подачей на управляющие электроды нужной последовательности импульсов смещения относительно общего электрода пикселя. После снятия смещений с электродов яркость пикселя не меняется.

Средство поворота подвижных поляризаторов содержит, в частности, узлы, преобразующие сигналы яркости в последовательность импульсов смещения, подаваемых в требуемом порядке на управляющие электроды по столбцам (строкам), и узел переключения строк (столбцов).

Для расширения возможностей экрана предлагается вариант экрана, содержащий средство для считывания, обработки и передачи информации о положении подвижных поляризаторов оптических регуляторов. В случае использования описанного выше варианта электростатического актюатора средством считывания является блок контроля емкостей между электродами электростатического привода и выработки данных о положении подвижных элементов. Емкость, по отношению к общему электроду, будет выше у той пары электродов, около которых находится поводок подвижного элемента.

Для создания на предлагаемом экране изображений от руки средством поворота подвижных поляризаторов оптических регуляторов экрана служит перо, создающее электрическое или магнитное поле, действующее на подвижные элементы, ориентирующиеся соответственно вдоль электрического или магнитного поля.

В варианте с магнитным пером подвижный элемент оптического регулятора, имеющий заданное направление намагниченности, ориентируется направленным вдоль плоскости экрана магнитным полем, создаваемым у пишущего конца пера постоянным магнитом или электромагнитом. При этом угол поворота пера вокруг его оси определяет положение подвижного поляризатора и, следовательно, яркость рисуемого им изображения. Подвижный поляризатор для этого намагничен равномерно или содержит одну или несколько намагниченных частиц так, чтобы направление намагниченности у подвижных элементов оптических регуляторов всех пикселей было одинаково при одинаковой степени их открытия (в закрытом, например, состоянии всех регуляторов), т.е. в положениях с одинаковым пропусканием. Перо снабжено постоянным магнитом или электромагнитом. При использовании пера с электромагнитом оно содержит источник питания магнита и средства для управления и манипулирования питанием. Меняя ток электромагнита, можно регулировать ширину наносимой линии (т.к. при этом меняется область, в которой поле достаточно для поворота элемента регулятора), а включая или отключая питание, получать, например, резкие границы наносимых изображений или наносить точки.

Аналогично действует и электростатическое перо, у пишущего конца которого создается электрическое поле, параллельное плоскости экрана. При этом подвижные элементы регуляторов всех пикселей поляризованы в одинаковом направлении в плоскости экрана или содержат одинаково ориентированные в плоскости экрана проводящие волокна. Одинаковое направление электрической поляризации подвижных поляризаторов или волокон в них подразумевает совпадение этих направлений в положении с одинаковым пропусканием у всех оптических регуляторов. Источником электрического поля у пишущего конца пера служат электроды. Перо снабжено источником питания своих электродов и средствами управления и манипулирования питанием. Вариантом источника питания пера является пьезоэлемент со средствами механического воздействия на него.

Яркость точек или линий, наносимых любым из описанных выше перьев, зависит от угла поворота пера вокруг своей оси, т.к. от этого угла зависит направление создаваемого пером поля (магнитного или электрического) и, следовательно, угол поворота подвижного поляризатора, определяющий яркость пикселя. Перо, таким образом, может наносить элемент любой яркости и менять их яркость.

В варианте исполнения, допускающем доступ к обеим стенкам экрана, писать пером можно с любой его стороны.

Изображение, созданное на экране пером (любым из описанных выше или иным), может быть считано с помощью вышеописанного средства считывания. Точно так же можно вводить пером добавления или исправления в имеющееся на экране изображение, сформированное любым способом, и считывать результат.

Экран, в зависимости от использованных материалов и от назначения, содержит (порознь, в комбинациях или не содержит) дополнительные, вспомогательные слои или элементы:

- для уменьшения трения между трущимися поверхностями,

- для уменьшения износа трущихся элементов,

- для защиты внешних поверхностей от механических воздействий,

- просветляющие,

- антибликовые,

- для задания дистанции между слоями (дистанцирующие), исключающей блокировку подвижного поляризатора,

- слои печатного однослойного или многослойного монтажа,

-узлы совмещения слоев,

- узлы крепления и/или области склеивания с клеящим слоем.

На фиг.1 изображен подвижный поляризатор предложенного оптического регулятора в гнезде, созданном в плоском поляризаторе. Цифрами обозначены:

1 - плоский поляризатор с гнездом, имеющим вырез для перемещения поводка,

2 - подвижный круглый поляризатор,

3 - поводок,

4 - управляющие электроды.

На фиг.2 схематично, без детализации (не показаны склеивающие, просветляющие, антибликовые, упрочняющие, уменьшающие трение, токоподводящие, крепежные и др. элементы), изображено сечение области одного оптического регулятора экрана. Цифрами обозначены:

1 - плоский поляризатор с гнездом, имеющим вырез для перемещения поводка,

2 - подвижный круглый поляризатор,

4 - управляющие электроды,

5 - разводка,

6 - общий электрод привода регулятора,

7 - вырез гнезда для перемещения поводка,

8 - защитные прозрачные слои (стенки),

9 - сплошной неподвижный поляризатор.

На фиг.3 приведено сечение предлагаемого экрана в варианте, описанном ниже в качестве примера конкретного исполнения. Цифрами обозначены:

1 - плоский поляризатор с гнездом, имеющим вырез для перемещения поводка,

2 - подвижный круглый поляризатор,

4 - управляющие электроды,

5 - разводка,

6 - общий электрод привода оптического регулятора,

7 - вырез гнезда для перемещения поводка,

10 - непрозрачный гибкий слой (задняя стенка),

11 - поляризующее отражающее покрытие,

12 - слой светофильтров,

13 - прозрачный гибкий слой (передняя стенка).

Примером конкретного исполнения может служить экран размером 10 дюймов формата 600×800 пикселей, неподвижный поляризатор которого выполнен в виде поляризующего отражающего покрытия (поляризатор фирмы Optiva) толщиной 2 мкм на полимерной гибкой непрозрачной задней стенке толщиной 0,2 мм, на поляризующее покрытие нанесен слой пигментных светофильтров основных цветов в соответствии с расположением цветных пикселей. Общие электроды с маской, закрывающей границы между подвижными поляризаторами и краями их гнезд, включая и область паза для поводка, а также проводящие дорожки к блоку управления выполнены толщиной 0,5 мкм напылением хрома (покрытого СrО_х для уменьшения отражения) на поверхность слоя светофильтров. Слой с гнездами для подвижных поляризаторов и сами круглые подвижные поляризаторы диаметром 20 мкм с поводками 2×2 мкм в плане выполнены из одного листа полимерного поляризатора с включениями намагниченных в одном направлении частиц путем отделения подвижных частей и создания паза для поводка с помощью фотолитографии и травления. Слой с гнездами приклеен к слою проводящих дорожек, выполняющих тут и роль дистанцирующего элемента. Подвижные круглые поляризаторы с поводками свободно лежат в гнездах так, что поводки находятся в пазах гнезд. Для осуществления этого подвижные части и слой с гнездами не разделяют после фотолитографии и травления. Управляющие электроды приводов длиной 1 мкм (вдоль направления перемещения поводка) и проводящие дорожки к ним, служащие одновременно дистанцирующим элементом, выполнены напылением СrО_х и хрома на внутреннюю поверхность передней прозрачной гибкой стенки из пластика толщиной 200 мкм. Наружная поверхность передней стенки покрыта слоем нитрида титана толщиной 0,5 мкм для предохранения от царапин. Блок обработки видеосигнала, управления электродами, считывания информации с электродов и ее обработки выполнен в интегральном исполнении и закреплен вместе с источником питания у одного из краев экрана. Перо для нанесения изображения от руки выполнено в виде граненого карандаша из немагнитного материала (анодированный алюминий) с закрепленным на его острие постоянным магнитом из жесткого магнитного материала с линейными размерами в пределах 0,1 мм, покрытым пластиком толщиной 0,1 мм для защиты экрана от царапин. Поле магнита перпендикулярно оси пера. Грани пера окрашены по-разному, чтобы заранее приблизительно определять угол поворота пера, соответствующий требуемой яркости наносимых точек или линий.

Описанный в примере экран позволяет создавать динамическое цветное изображение, не требует энергии для сохранения сформированного изображения, позволяет наносить на экран рисунок от руки без использования питания, позволяет считывать и сохранять нанесенный пером рисунок, позволяет изготавливать экраны как с задней, так и с передней подсветкой (в том числе и в естественном свете), допускает свертывание в трубку диаметром менее 1 см. Другим важным преимуществом предлагаемого экрана является высокая надежность и радиационная стойкость благодаря отсутствию полупроводниковых активных и пассивных элементов в составе оптических регуляторов пикселей. Экран не содержит материалов и узлов, существенно ограничивающих температурный пределы использования. Время выхода на рабочий режим у экрана при любых внешних условиях практически равно нулю. Он практически не чувствителен к перепадам давления (от вакуума до десятков и выше атмосфер). Предложенная конструкция экрана позволяет изготавливать экраны-«полуфабрикаты», от которых легко отрезать часть нужного размера без какого-либо ущерба для этой части, чтобы, например, не создавать специально производства для изготовления малых партий экранов требуемой формы и размера. Экран позволяет использовать его в качестве электронной бумаги или многостраничной электронной книги или тетради, т.к.: толщина его может быть значительно меньше миллиметра, он может быть гибким, он не требует питания для сохранения и считывания изображения, нужная информация может быть введена из общего для всех страниц блока, внесенные пером от руки заметки могут быть считаны и сохранены.

Известны оптические коммутаторы в виде оптические затворов и матриц затворов для коммутации оптических сигналов [например, US 20020114058 A1].

Предлагаемый экран содержит все средства, необходимые для коммутации оптических сигналов, поэтому предлагается использовать его в качестве коммутатора. Для сохранения уже установленной коммутации он не нуждается в питании. Он создает также возможность одновременно с коммутацией сигнала модулировать его, преобразовывать его спектральный состав, вносить от руки (пером) коррективы в адресацию и интенсивность сигнала.

При применении просветного варианта предложенного экрана коммутация происходит между, например, волоконными световодами (в т.ч. ветвящимися), расположенными по разные стороны экрана напротив одного и того же его пикселя. При этом как с одной стороны, так и с другой может быть подведено по несколько световодов к одному пикселю, и коммутируются каналы с одной стороны экрана с каналами с другой его стороны. Направления сигнала роли не играет.

При применении отражательного варианта предложенного экрана как подводящий (подводящие), так и отводящий (отводящие) световоды расположены с одной стороны экрана напротив одного и того же его пикселя. При этом в зоне данного пикселя коммутируются все каналы со всеми. С обратной стороны экрана (со свободной от световодов стороны) можно проводить коммутацию вручную с помощью пера.

Экран содержит оптические регуляторы, соответствующие каждому пикселю. Оптической регулятор выполнен в виде двух наложенных друг на друга плоских поляризаторов, один из которых выполнен в виде сплошного общего для регуляторов всех пикселей неподвижного поляризатора, второй имеет площадь, перекрывающую площадь пикселя, и выполнен с возможностью поворота относительно первого вокруг нормальной к их плоскостям фиксированной оси. Средством для осуществления поворота может быть микроэлектромеханический привод или перо, создающее в области пишущего конца локальное магнитное или электрическое поле, параллельное плоскости экрана. Экран может быть применен в качестве оптического коммутатора. Технический результат - создание экрана с высоким быстродействием, простого по конструкции и технологии изготовления, не требующего питания для сохранения статического изображения, надежного и радиационно-стойкого. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Экран, содержащий оптические регуляторы, соответствующие каждому пикселю или субпикселю (далее - пикселю), отличающийся тем, что оптической регулятор выполнен в виде двух наложенных друг на друга плоских поляризаторов, один из которых выполнен в виде сплошного общего для регуляторов всех пикселей неподвижного поляризатора, второй имеет площадь, перекрывающую площадь пикселя, и выполнен с возможностью поворота относительно первого вокруг нормальной к их плоскостям фиксированной оси, а также содержит средства для осуществления такого поворота.

2. Экран по п.1, отличающийся тем, что подвижный поляризатор находится в гнезде, исключающем смещение его оси.

3. Экран по п.2, отличающийся тем, что гнезда для подвижных поляризаторов выполнены в сплошном жестком или гибком слое.

4. Экран по п.3, отличающийся тем, что гнезда для подвижных поляризаторов выполнены в сплошном жестком или гибком слое поляризатора.

5. Экран по п.4, отличающийся тем, что слой с гнездами ориентирован так, что плоскость поляризации поляризатора с гнездами перпендикулярна плоскости поляризации сплошного неподвижного поляризатора.

6. Экран по п.1, отличающийся тем, что один из поляризаторов выполнен отражающим.

7. Экран по п.1, отличающийся тем, что содержит маскирующий слой, который непрозрачен за пределами пикселей.

8. Экран по п.1, отличающийся тем, что содержит пигментные или дихроичные светофильтры, расположенные в заданном порядке в соответствии с расположением пикселей.

9. Экран по п.1, отличающийся тем, что содержит блок подсветки.

10. Экран по п.1, отличающийся тем, что содержит расположенный за оптическими регуляторами слой, отражающий зеркально или диффузно.

11. Экран по п.1, отличающийся тем, что содержит расположенный за оптическими регуляторами слой, раскрашенный в заданном порядке в соответствии с расположением пикселей.

12. Экран по п.1, отличающийся тем, что средство поворота содержит микроэлектромеханический привод (актюатор), а экран снабжен блоком управления приводами.

13. Экран по п.12, отличающийся тем, что актюатор выполнен в виде шагового электростатического двигателя.

14. Экран по п.13, отличающийся тем, что подвижный поляризатор с фиксированной осью вращения выполнен круглым с выступающим поводком (или поводками), а прилегающие к области перемещения поводка (поводков) слои снабжены электродами, соединенными с блоком управления приводами, с возможностью емкостной связи между электродами через материал поводка.

15. Экран по п.1, отличающийся тем, что имеет средства для считывания, обработки и передачи информации о положении подвижных элементов регуляторов.

16. Экран по п.14, отличающийся тем, что имеет средства для считывания информации о положении подвижных элементов в виде блока контроля емкостей между электродами электростатического привода и выработки данных о положении подвижных элементов регуляторов.

17. Экран по п.1, отличающийся тем, что средством поворота служит перо с постоянным магнитом или электромагнитом, создающее в области пишущего конца локальное магнитное поле, параллельное плоскости экрана, а подвижные элементы регуляторов всех пикселей в положениях с одинаковым пропусканием имеют намагниченность в одинаковом направлении в плоскости экрана.

18. Экран по п.1, отличающийся тем, что средством поворота служит перо с источником электрического поля, создающее в области пишущего конца локальное электрическое поле, параллельное плоскости экрана, а подвижные элементы регуляторов всех пикселей в положениях с одинаковым пропусканием поляризованы в одном направлении в плоскости экрана или имеют одинаково ориентированные в плоскости экрана проводящие волокна.

19. Применение экрана по любому из пп.1-18 в качестве оптического коммутатора.