CN102804039A - 全彩色反射式显示器 - Google Patents

Abstract

一种全彩色反射式显示器像素包括：第一（24，72）和第二（25，78）独立可寻址电光层，每一层在第一状态和第二状态之间是独立可切换的，在第一状态中，所述层被配置为吸收可见光的至少一个色彩区域，在第二状态中，所述层被配置为透射可见光的所述至少一个色彩区域。反射式色彩滤光器（22，76）位于第一电光层（24，72）的背表面与第二电光层（25，78）的前表面之间，所述反射式色彩滤光器（22，76）被细分为多个子像素，其中每个子像素被配置为透射可见光的第一色彩区域并反射可见光的第二色彩区域。宽带反射层（20，70）位于第二电光层（22，76）的背表面后面。

Description

全彩色反射式显示器

背景技术

反射式显示器（reflective display）是一种非发射式设备，其中，用于观看所显示的信息的环境光从显示器被反射回观看者，而不是来自显示器后面的光透射穿过显示器。反射式显示器仅使用环境光作为光源，并且因此与背光式或发射式LC（液晶）显示器相比消耗非常少的能量。反射式显示器技术适合于其中发射式显示器不能产生足够亮度或对比度的室外应用。

因为反射式显示器不具有其自己的光源，因此光必须两次通过若干层以到达观看者，并且那些层的光吸收降低了图像质量。因此，反射式显示器的固有光学结构对于开发一种能够产生明亮的、高质量的图像的显示器提出了主要挑战。

附图说明

附图示出这里描述的原理的各种实施例，并且是本说明书的一部分。所示出的实施例仅仅是示例，而不限制权利要求的范围。

图1A和图1B是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的截面图。

图1C是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的另一截面图。

图2A是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的截面图。

图2B是根据这里描述的原理的图2A的液晶显示器的光反射效果的图示。

图3A-图3D示出根据这里描述的原理的图2A的液晶显示器的各种电光层配置。

图4是根据这里描述的原理的Cole-Kashnow配置的图。

图5是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的光反射效果的图示。

图6是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的各种光反射效果的列表。

图7是根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的截面图。

图8是列出根据这里描述的原理的示范性液晶反射式显示器的各种光反射效果的表格。

图9是根据这里描述的原理的制造全彩色反射式显示器像素的说明性方法的流程图。

在通篇附图中，相同的参考数字指示类似、但不一定相同的元素。

具体实施方式

本说明书描述了在反射式显示器技术中通过更高效的色彩使用来提高图像质量和明亮度的***和方法。在所公开的***中，光学堆叠体（optical stack）包括被布置在两个电光层之间的反射式色彩滤光器阵列。因为滤光器是反射式的而不是吸收式的，所以滤光器吸收更少的光，因而提高了对于更明亮、更高质量的图像的显示效率。

在下面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多特定细节以提供对本***和方法的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说，应当显而易见的是，可以无需这些特定细节来实践本装置、***和方法。在说明书中对“实施例”、“示例”或类似语言的引用意指结合该实施例或示例描述的特定特性、结构或特征被包括在至少那一个实施例中，但不一定被包括在其他实施例中。在说明书中各位置处的短语“在一个实施例中”或类似短语的各种实例不一定全部指代同一个实施例。

一种类型的LC显示器将每个像素划分为3个子像素。每个子像素包括红色、绿色或蓝色吸收式色彩滤光器以便独立地调制红光、绿光和蓝光的量。图1示出传统LC显示器。外部光源11发出的光通过红色、绿色和蓝色滤光器12中的每一个、通过LC光学堆叠体14、之后从反射表面19反射、然后通过LC光学堆叠体14和滤光器12返回并到达观看者10。当光通过每一个像素时，红色、绿色或蓝色滤光器12与LC光学堆叠体14相结合地吸收必要的光以产生所希望的图像。LC光学堆叠体通过单色子像素14R、14G和14B来独立调制通过红色、绿色或蓝色滤光器12中的每一个反射回去的光的量。如图1B中所示，因为每个吸收式滤光器12过滤红光、绿光或蓝光，所以即使所有单色子像素14R、14G和14B处于“导通”状态以产生“白”反射，显示器也将吸收环境光的至少三分之二。此外，大多数LC显示器包括偏光器，该偏光器吸收近似50%的入射光。比较起来，白纸典型地具有大约80%的反射率。上述的这种***能够提供提高的对比度，但是以光反射效率为代价。

在图1C中示出的另一反射式显示器通过如下方式来提高反射效率：在彼此顶部堆叠3个显示器15、16和17，并将所述显示器布置为使得每一层吸收一种色彩并透射其他色彩。所述显示器通常包括具有黄色、品红色和青色的半透明电极的交替层。在三层堆叠***中，外部光在到达观看者10之前通过12个电极层。如果每层仅吸收外部光源的4.5%，则最好的反射率将是(0.955)^12、或58%有效。如果包括其他损失，则虽然反射效率相比传统显示器而言可能是提高的，但是在许多应用中、特别是当与纸质相比时可能仍然是不够的。此外，三层显示器的制造复杂度显著高于传统显示器，因为存在更多层且必须寻址每一层并将其与所有其他层对准。

主要用于电子书应用中的另一反射式显示器是E-ink（电子墨水）（可从麻省剑桥的E-Ink公司获得）。E-ink反射式显示器是固有地单色的，因此彩色E-ink反射式显示器在显示器的前面的阵列中包括3个并排的吸收式色彩滤光器。然而，与上述LCD反射式显示器类似，如果色彩滤光器被添加到E-ink显示器，则滤光器显著降低了明亮度，仅反射三分之一的光。为了提高由3个并排的滤光器获得的33%的反射率，设计者已经提出使用四色阵列滤光器，包括红色、绿色、蓝色和白色（RGBW）。在该设计中，将所有子像素切换到明亮状态提供最大50%的反射率，但是代价是更小的色域。

此外，电泳显示器通过在视野之外或在不透明结构后面侧向扫掠有色颜料而工作（参见例如专利WO/2008/065605，通过引用而将其整体合并于此）。原理上，可能在每一层中具有多于一个的颜料。如果颜料具有相反电荷，则可以有可能分开地对它们进行寻址，允许仅使用两层来制作全彩色显示器。该设计的缺点在于，微粒必须在视野之外被长距离地扫掠。当前的微粒转移速率（transition rate）导致切换时间对于一些应用来说可能太慢了。此外，控制微粒可能需要复杂的电极结构。结果减小了孔径并限制了显示分辨率。在单个流体中稳定多种类型的微粒也存在困难。

所公开的***的实施例通过提供被布置在两个电光层之间的反射式色彩滤光器的阵列而改进反射式光学堆叠体。因为滤光器是反射式的而不是吸收式的，所以滤光器吸收更少的光，从而对于更明亮、质量更高的图像提高了显示效率。所公开的***的实施例提供超过诸如具有RGBW色彩滤光器的E-ink的、当前可用替换物的更好的反射性能。该性能接近3层***的性能但没有额外电光层的增加的复杂度。可以在下述配置中应用若干电光技术。

图2A示出全彩色反射式显示器的示范性的、非限制性实施例。反射式色彩滤光器22被布置在两个电光层24和25之间。反射式色彩滤光器22和电光层24及25的每一个被细分为3个子像素。此外，电光层24及25中的子像素是可寻址和独立调制的。电光层24及25可以在透射状态和吸收状态之间被电切换。例如，当电光层24或25的子像素被切换到“黑”状态时，子像素基本上吸收可见光的所有波长。相反，当电光层24或25的子像素被切换到“清澈（clear）”状态时，子像素基本上透射可见光的所有波长。其他可替换的切换状态包括有色状态和清澈状态之间的切换，在有色状态中，子像素基本上吸收可见光的一个或多个色彩区域并透射或反射可见光的其他色彩区域，而在清澈状态中，子像素基本上透射或反射白光。在这里所使用的“色彩区域”指示例如红色、绿色或蓝色区域的光的一个或多个区域，包括在该色彩区域内包含的光的波长。另外的替换方案包括电光层25在清澈状态和反射状态之间切换，其中，清澈状态透射白光而反射状态反射白光。在该最后一个实施例中，宽带反射器20可以改为是宽带吸收器（未示出）。

返回图2A，来自光源11的包括红光分量、绿光分量和蓝光分量（未示出）的环境白光首先透射通过电光层24。电光层24可以透射环境光或阻止环境光传递到反射式色彩滤光器22的红色、绿色或蓝色区域。反射式色彩滤光器22的每个子像素透射或反射红色、绿色或蓝色的对应光分量。与吸收蓝光和红光并透射绿光的传统绿色滤光器相反，反射式色彩滤光器22的“绿色”子像素反射绿光并透射红光和蓝光。然后，电光层25透射或阻止透射通过反射式色彩滤光器22的光。如果切换到清澈，则电光层25将光透射到宽带反射器20。从宽带反射器20反射的光继续返回通过电光层25、反射式色彩滤光器22和电光层24，到达观看者10。

因为反射式色彩滤光器22不吸收光，所以全彩色反射式显示器提高了反射效率。典型的反射式色彩滤光器包括交替电介质的多层堆叠体，其中每个电介质具有不同的折射率。可替换地，反射式色彩滤光器可以是胆甾型聚合物（cholesteric polymer），诸如可以从Merch Chemicals有限公司得到的活性介晶材料（reactive mesogen material）。此外，反射式色彩滤光器可以是全息色彩反射器。另外，反射式色彩滤光器可以是包含作为局部化等离子共振（localized plasmonic resonance）的结果而散发特定色彩的金属微粒的光学层。在实践中，反射需要被漫射，以给出更宽的视角。可以通过使得多层涂层***糙或通过包含单独的漫射层来获得更宽的视角。因此，反射式色彩滤光器22可以包括粗糙化表面或包括单独的漫射层（未示出）。

与具有三层或更多层的***相比，两层全彩色反射式显示器可以简化寻址方案。可以通过已知手段来对像素进行寻址。例如，可以通过有源矩阵或无源矩阵（matrix）来对像素进行寻址，其中利用切换阈值通过适当的电光效应来使能所述有源矩阵或无源矩阵，其也可以是双稳态的。单个薄膜晶体管（TFT）阵列（未示出）可以被用来对电光层进行寻址，例如如在美国专利5,625,474或美国专利5,796,447（通过引用而将二者整体合并于此）中所教导的，并且其可以被隐藏到后部宽带反射器20后面。可替换地，可以通过单独的TFT阵列来对每一层进行寻址，其中，用于底部电光层的阵列隐藏在宽带反射器20后面，并且用于顶层的阵列隐藏在反射式色彩滤光器22后面。

图2B示出全彩色反射式显示器的更特定的实施例。电光层24的红色子像素和蓝色子像素是黑的且绿色子像素是清澈的。来自光源11的包括红光分量、绿光分量和蓝光分量（未示出）的环境白光首先透射通过电光层24的“绿色”（或清澈）子像素。电光层24吸收覆盖红色子像素和蓝色子像素的白光。反射式色彩滤光器22将绿光反射回去通过电光层24，并将红光和蓝光透射到电光层25上，红光和蓝光在电光层25上被吸收。因为反射式色彩滤光器22仅反射绿光，所以在图2B中示出的反射式显示器产生强绿反射色彩。

图3A、图3B和图3C示出各种电光切换配置的另外示例。在图3A中，将电光层24及25二者切换为黑色的吸收所有光，给出黑色。图3B的电光切换配置产生与图2B一样的结果。在图3C中，电光层24及25在绿色区域被切换为清澈的而在红色和蓝色区域被切换为黑色的。图3C产生明亮的白色，因为反射式色彩滤光器22反射由宽带反射器20反射的蓝光和红光。对蓝色和红色子像素执行的类似分析表明该架构给出高反射性的白色。由每个子像素反射的白色的色泽将朝向滤光器的色彩轻微偏移，因为从滤光器反射的光通过更少的层，从而导致更少的吸收。然而，将来自3个子像素的光组合起来给出平衡的中性白色。确切的明亮度将取决于所使用的电极和电光层的类型，但是将超过通过图1A中所示的LC反射式显示器、图1C中示出的3层反射式显示器得到的33%或具有RGBW滤光器的E-ink显示器的反射率。

图3D示出第四电光切换组合。电光层24及25分别是黑色的和清澈的。在该配置中的反射色彩取决于电光配置。如果电光配置吸收入射光的两个偏振（S和P），则显示器将呈现黑色。然而，通常的电光配置仅吸收一个偏振。液晶层使用掺杂有二向色染料的液晶，并且在垂直对准（非吸收）和水平对准（吸收）之间切换液晶。液晶层仅吸收P偏振或S偏振，这取决于入射的光平面相对于液晶对准的取向。为了得到更高对比度的图像，必须吸收两个偏振。

图4示出吸收两个偏振的电光配置。水平对准的二向色液晶层34仅吸收平行、或P偏振的光36。S偏振光38从二向色液晶层34出现并通过四分之一波片32，该四分之一波片32取向为与液晶对准成四十五度。四分之一波片32被布置在二向色液晶层32和宽带反射器20之间。波片32将S-偏振38转换为圆偏振40，并且来自宽带反射器20的反射造成相位改变42。再次从波片32出现的光为线性的P-偏振光36，其然后在第二次通过二向色液晶层34时被吸收。这称为Cole-Kashnow配置。

图5示出在具有并排反射式色彩滤光器22的两层设备中的Cole-Kashnow配置。为了更好地解释电光效应，下面的描述再次集中于绿色子像素。然而，可以对红色或蓝色子像素进行类似评估。电光层24接收白色的、未偏振的光或包括P-偏振光36和S-偏振光38二者的光。通过示意的方式，电光层24在其暗状态中吸收P-偏振光36，但是可以吸收P-偏振36或S-偏振38，这取决于液晶的取向。从电光层24出现的S-偏振光38是线性偏振的。四分之一波片32对所有3个色彩（红色、绿色和蓝色）进行圆偏振化。反射式色彩滤光器22反射并改变光的绿色部分46的相位。然后，光的绿色部分在其返回通过四分之一波片32时变为线性偏振的48（P-偏振），并且然后被电光层24所吸收。蓝色和红色圆偏振光通过反射式色彩滤光器22和电光层25，电光层25在覆盖绿色子像素的部分中处于其清澈状态。然后，蓝光和红光通过第二波片33，之后被反射回去通过各层，最终再次到达电光层24。额外通过第二波片33使得偏振旋转，以使得当光到达顶部电光层时，其现在是线性偏振的，但是现在沿着与液晶对准正交的方向取向。

图6示出在电光层32及33的4种可能组合中对图5的配置的光学特性进行建模的结果。将电光层32切换为黑色且将电光层33切换为清澈的给出与滤光器互补的色彩的暗版本。对其他子像素进行建模给出等效的结果。我们可以使用这来提升所显示的品红色、青色或黄色的明亮度。建模表明这将色域的容量增加了近似20%。

在全彩色反射式显示器的另一实施例中，每个像素被分为仅仅两个并排的色彩子像素。图7示出具有蓝色和绿色反射式滤光器76的示例。在该配置中，电光层78在黑色和清澈之间进行切换，且电光层72在红色（吸收绿色和蓝色）和清澈之间进行切换。可替换地，电光层72能够利用红色和绿色或者蓝色和红色反射式滤光器而分别在蓝色和清澈之间或在绿色和清澈之间进行切换。控制器75控制电光层78及72的透射/吸收状态。如先前所提及的，另一个实施例可以包括在清澈状态和反射状态之间切换的电光层78，其中清澈状态透射白光而反射状态反射白光。在该最后一个实施例中，宽带反射器70可以改为是宽带吸收器（未示出）。

两个子像素的配置包括两个四分之一波片74A及74B：一个被布置在红色/清澈二向色层72和蓝色/绿色电光反射式滤光器76之间，另一个被布置在黑色/清澈二向色层78和宽带反射器70之间。图8列出对于电光层配置的每种组合的反射色彩结果。两个子像素的配置的一个主要优点在于：每个反射式色彩滤光器覆盖像素的二分之一而不是三分之一，这增加了色彩的反射明亮度并将色域的容量增加了近似50%。取决于所使用的电极技术，减少子像素的数量也可以降低电极层中的光学损失。

在两个子像素的Cole-Kashnow配置中，当使用二向色电光层时必须再次考虑额外通过波片74A和74B的效果。建模指示该效果是色点（color point）中的偏移。在图7示出的版本中，黄色和品红色色点分别朝着绿色和蓝色色调偏移。两个子像素的配置产生与三个子像素色域形状不同的色域形状，但是确实仍然涵盖能够利用三个子像素的配置再现的大多数色彩。

图9示出制造全彩色反射式显示器像素的方法（900）的示意性实施例的流程图。方法（900）包括提供（步骤905）第一和第二独立可寻址电光层。每一层可以具有前表面和背表面，并且可以是能够在第一状态和第二状态之间独立切换的，在第一状态中，所述层被配置为吸收可见光的一个或多个色彩区域，在第二状态中，所述层被配置为透射光的该至少一个色彩区域。

然后，被细分为多个子像素的反射式色彩滤光器被布置（步骤910）在第一电光层的背表面与第二电光层的前表面之间。每个子像素可以被配置为透射可见光的第一色彩区域并反射可见光的第二色彩区域。例如，在某些实施例中，一个子像素可以被配置为仅反射红光，第二子像素可以被配置为仅反射绿光，且第三子像素可以被配置为仅反射蓝光。电光层可以被分割为与子像素对应的独立可切换的片段，使得可以操纵每个子像素以允许或防止环境光被每一个子像素反射，从而获得所希望的显示色泽。

此外，该方法还包括（步骤915）在第二电光层的背表面后面布置宽带反射层。

仅为了示意和描述所述原理的实施例和示例，给出了前面的描述。该描述不意欲是穷尽的或将这些原理限于所公开的任何精确形式。根据上述教导，许多修改和变型是可能的。

Claims (15)

1.一种全彩色反射式显示器像素，包括：

第一（24，72）和第二（25，78）独立可寻址电光层，使得每一层包括前表面和背表面并且在第一状态和第二状态之间是独立可切换的，在第一状态中，所述层被配置为吸收可见光的至少一个色彩区域，在第二状态中，所述层被配置为透射可见光的所述至少一个色彩区域；

反射式色彩滤光器（22，76），其被布置在第一电光层（24，72）的背表面与第二电光层（25，78）的前表面之间，所述反射式色彩滤光器（22，76）被细分为多个子像素，其中每个子像素被配置为透射可见光的第一色彩区域并反射可见光的第二色彩区域；以及

宽带反射层（20，70），其被布置在第二电光层（22，76）的背表面后面。

2.根据权利要求1所述的全彩色反射式显示器像素，其中，反射式色彩滤光器（22，76）包括第一和第二电介质层，其中：

第一和第二电介质层被彼此相邻地堆叠；并且

第一和第二电介质层具有不同的折射率。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，反射式色彩滤光器（22，76）包括粗糙化的表面。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，反射式色彩滤光器（22，76）还包括单独的漫射层。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，第二电光层（25，78）的第一状态透射白光，且第二电光层（25，78）的第二状态反射白光。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，还包括至少一个晶体管。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，第一和第二电光层（24，25，72，78）是可无源矩阵化的（passively matrixable）。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，所述电光层（24，25，72，78）被分割为与反射式显示器像素的子像素对应的独立可切换片段。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，还包括：

第一四分之一波片（32，74A），其被布置在第一电光层（24，72）的背表面与反射式色彩滤光器（22，76）之间；以及

第二四分之一波片（33，74B），其被布置在第二电光层（25，78）的背表面与宽带反射器（20，70）之间。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中，第一电光层（24，72）和第二电光层（25，78）中的每一个包括彩色二向色层和黑色二向色层中的一个。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的全彩色反射式显示器像素，其中：

第一电光层（24，72）被配置为在第一状态时吸收可见光的多个色彩区域，并且在第二状态时基本上透射可见光的所有波长，并且

第二电光层（25，78）被配置为在第一状态时基本上吸收可见光的所有波长，并且在第二状态时基本上透射可见光的所有波长。

12.一种全彩色反射式显示器，包括：

多个独立可寻址像素，所述像素中的每个包括：

       第一（24，72）和第二（25，78）独立可寻址电光层，其中每一层包括前表面和背表面并且在第一状态和第二状态之间是独立可切换的，在第一状态中，所述层被配置为吸收可见光的多个色彩区域，在第二状态中，所述层被配置为基本上透射可见光的所有波长；

       反射式色彩滤光器（22，76），其被布置在第一电光层（24，72）的背表面与第二电光层（25，78）的前表面之间，所述反射式色彩滤光器（22，76）被细分为多个子像素，其中每个子像素被配置为透射可见光的第一色彩区域并反射可见光的第二色彩区域；和

       宽带反射层（20，70），其被布置在第二电光层的背表面后面，所述宽带反射器（20，70）包括前表面和背表面；以及

控制器（75），其被配置为选择性地切换所述像素的所述电光层（24，25，72，78），以在所述显示器上产生所希望的图像。

13.根据权利要求12所述的全彩色反射式显示器，其中，每个像素的第二电光层（25，78）被细分为下述中的一个：

两个色彩子像素和三个色彩子像素。

14.一种制造全彩色显示器像素的方法，包括：

提供第一（24，72）和第二（25，78）电光层，每一层包括前表面和背表面并且在第一状态和第二状态之间是独立可切换的，在第一状态中，所述层被配置为吸收可见光的至少一个区域，在第二状态中，所述层被配置为透射可见光的至少一个色彩区域；

在第一电光层（24，72）的背表面与第二电光层（25，78）的前表面之间布置反射式色彩滤光器（22，76），所述反射式色彩滤光器（22，76）被细分为多个子像素，其中每个子像素被配置为透射可见光的第一色彩区域并反射可见光的第二色彩区域；和

在第二电光层的背表面后面布置宽带反射层（20，70）。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，每个像素的第二电光层（25，78）被细分为下述中的一个：

两个色彩子像素和三个色彩子像素。

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