TWI734193B - 立體顯示器設備 - Google Patents

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TWI734193B
TWI734193B TW108133210A TW108133210A TWI734193B TW I734193 B TWI734193 B TW I734193B TW 108133210 A TW108133210 A TW 108133210A TW 108133210 A TW108133210 A TW 108133210A TW I734193 B TWI734193 B TW I734193B
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史蒂芬 Ｊ 塔爾夫
亞倫 沙敦
史帝芬 布爾
約翰Ｌ 修曼
喬治 G 哈瑞斯
柯斯塔 拉達瓦克
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美商電子墨水股份有限公司
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Abstract

揭示一種用於立體顯示器之設備，其包含一波導，其具有一對相對面，構造成在該等面間沿該波導之長度方向傳播輻射；一輻射源，其光學耦合至該波導且構造成發射該輻射至該波導；至少一個稜柱元件，其具有一面，光學耦合至該波導之該等面之至少一面；及一影像調變材料之層，其光學耦合至該波導之該等面之至少一面。該影像調變材料可光學耦合至該波導之該等面之至少一面之一區域，至少該區域的一部分係位於光學耦合至該波導之該等面之至少一面的該稜柱元件之一面之一周邊外。該影像調變材料亦可光學耦合至該波導之該等面之至少一面，使得該波導介於該影像調變材料之層與該至少一個稜柱元件間。

Description

立體顯示器設備
[相關申請案的互相參照]
本申請案主張2018年9月20日提出之美國臨時專利申請案第62/733,785號、及2019年2月25日提出之美國臨時專利申請案第62/809,939號之優先權，其內容全文均以引用方式併入本案。
本發明係關於立體顯示器，尤其是關於利用在波導中行進光之調變之顯示器。
利用二維影像顯示立體物件有諸多缺失。例如許多人無法自一組二維影像展望立體物件的最終外觀，且可能不易自二維影像了解物件之相對位置或視線不佳。因此以影像之各組成間空間位置顯著之方式，在影像內顯示立體物件是有用的。
已知多種類型立體顯示器，但各具限制。使得提供具真正視差之體狀影像之立體顯示器成為顯學。此類顯示器(有時稱之為「光場」顯示器)無需觀測者穿戴特殊眼鏡，且所提供的資訊遠多於習知立體三維顯示器所及。
一種可用以提供此體狀顯示器之技術利用在波導中傳播光之調變，例如利用如美國專利號5,812,186中所述液晶(LCD)技術。但液晶材料可引入光調變之角度關聯性，限制此立體顯示器之性能。
美國專利申請案公開第20170160556號描述利用電泳或電濕性技術以擾動波導中之全內反射，以提供一片立體影像。如此處所述，可利用包括多個波導之堆疊以提供完整影像。
此立體顯示器之設計可僅利用單一波導簡化。對於特定應用，使用單一波導之立體影像可具優點，因為此設計使得製造成本較低且顯示器更為小巧。使用單一波導之立體顯示器之一先前技術係例示如圖1且描述於前述美國專利號5,812,186。參考圖1(自此專利重製)，在波導35之剖面36中的(x,z’)二維影像可顯示立體，其藉由第一傳播光經過波導至剖面37，然後經由自影像調變材料39製之開關(switch)至光學耦合至剖面37之稜鏡38。影像調變材料39允許光自波導於所選平面中逃脫，且可選擇平面之每一者對應於立體影像之y軸之不同值。
圖1所示顯示器之缺點在於該顯示器提供具水平而無垂直視差之立體影像，不符特定應用之需。此外，由於該顯示器掃描三維影像中之二維，故影像調變材料39之切換速率須極高(在目前技術下不克達成)。最後，由於影像係由時間多工產生，無法提供非透明影像(亦即在前景中物件之影像會遮擋其後物件視野)，此係在一般立體場景中可見情況。
因此，確有改善採用單一波導之立體顯示器之需。
在一態樣中，一種用於立體顯示器之設備，其包含一波導，其具有一對相對面，構造成在該等面間沿該波導之長度方向傳播輻射；一輻射源，其光學耦合至該波導且構造成發射該輻射至該波導；至少一個稜柱元件，其具有一面，光學耦合至該波導之該等面之至少一面，稜柱元件之面具有一周邊；及一影像調變材料之層，其光學耦合至該波導之該等面之至少一面之一區域，該區域之至少一部分位於該稜柱元件之該面之該周邊之外。
在另一態樣中，一種立體顯示器設備，其包括一波導，其具有一對相對面，構造成在該等面間沿該波導之長度方向傳播輻射；一輻射源，其光學耦合至該波導且構造成發射該輻射至該波導；至少一個稜柱元件，其具有一面，光學耦合至該波導之該等面之至少一面；及一影像調變材料之層，其光學耦合至該波導之該等面之至少一面，其中該波導介於該影像調變材料之層與該至少一個稜柱元件間。
本發明的這些及其他態樣在下列描述下將臻明確。
在下列實施方式中，藉由示例闡述多個特定節，以提供對相關教導之完整了解。熟諳此藝者應知本教導可在無此細節下施行。
現參考圖2A，剖面圖中例示依本發明之第一實施例之用於立體顯示器之設備200。設備200包括具兩相對平坦表面之透光波導202。波導202例如可由玻璃或聚合物樹脂材料製成。設備200可另包括輻射源206，其光學耦合至波導202之一面之一部分。此輻射較佳呈可見光形式，且在某實施例中，輻射源可係像素化自發光顯示器(emissive display)，其利用例如液晶或有機發光二極體(OLED)技術或投影機，如圖2A所示。或者，可採用非像素化光源。光可直接(亦即透過折射率與波導折射率近乎相同或較高之透明介質)或間接耦合至波導中。在後者中，光源與波導間可由(例如)一層空氣隔離，且與波導光學接觸之光散射、折射或繞射光學元件(如圖2A之元件204所示)可中介光自光源進入波導之耦合。
當光導外介質之折射率小於波導製造材料之折射率，且光相對於波導的平坦表面法線之入射角大於臨界角θ C =sin-1 (n1 /n2 )，則顯示於波導202中傳播之光射線因全內反射而受困，其中n1 及n2 分別係波導外介質之折射率及波導介質本身之折射率。
本文遍及說明書及申請專利範圍所用「影像調變材料」係指以下材料：(1)可影響光傳播經過波導之能力(例如藉由改變波導包層的折射率及/或藉由吸收光)及/或(2)可允許光耦合進入波導(例如光散射、折射或螢光材料)。影像調變材料可具有一或兩種性質。例如影像調變材料可包括折射率高於波導之光散射材料，及因而可改變波導包層之有效折射率且亦散射光。再度參考圖2A，包含影像調變材料之影像調變層總成208及210可光學耦合至波導相對面。在本發明之一些實施例中，影像調變層可僅耦合至波導的一面(亦即層總成208與210之一無)。
在一較佳實施例中，影像調變材料係電光材料，更佳係雙穩電光材料。本文遍及說明書及申請專利範圍所用術語「電光」係指具有至少一光學性質差異之第一狀態與第二狀態之材料，藉由施加電場至該材料使得材料自其第一改變至其第二狀態。雖然光學性質通常係人眼感知的顏色，但可為另一光學性質如透光率、反射性、亮度或在可見範圍外之電磁波長的反射率變化之亮度或虛擬色。本文遍及說明書及申請專利範圍所用術語「雙穩」及「雙穩態」係指在已藉由定址脈衝的有限期間(an addressing pulse of finite duration)驅動特定電光材料後，假定其第一或第二顯示狀態，該狀態將在已終止定址脈衝後持續至少數倍於改變顯示單元狀態所需最小定址脈衝期間，例如至少4倍。
電光材料之一類型係電致變色材料，例如呈奈米變色膜形式之電致變色介質，其包括至少部分來自半導金屬氧化物之電極與附接於該電極之可翻轉色之複數個染料分子，見於例如O'Regan, B.等人之「Nature 1991,353 , 737」；及Wood, D.之「Information Display,18(3) , 24 (March 2002)」。亦見於Bach, U.等人之「Adv. Mater., 2002,14(11) , 845」。此類奈米變色膜亦見於例如美國專利號6,301,038；6,870,657；及6,950,220。此類介質通常亦為雙穩態。
另一類電光材料係電濕性介質，其係由例如Philips發展且見於Hayes, R.A.等人之「基於電濕性之視頻速度電子紙，Nature, 425, 383-385 (2003)」。美國專利號7,420,549中顯示此電濕性顯示可為雙穩態。
尚有另一類已多年係研發主題之電光材料係基於粒子之電泳介質，其中複數個帶電粒子在電場影響下移動通過流體。此流體一般為液體，但亦可利用氣態流體產生電泳介質，見於例如Kitamura, T.等人之「用於類電子紙顯示之電碳粉移動，IDW Japan, 2001, Paper HCS1-1」及Yamaguchi, Y.等人之「利用絕緣摩擦生電粒子之碳粉顯示，IDW Japan, 2001, Paper AMD4-4」。亦見於美國專利號7,321,459；及7,236,291。
讓渡予麻省理工學院(MIT)、E Ink公司、E Ink California, LCC及相關公司或在其等名下之多項專利及申請案，描述囊封及微胞元電泳及其他電光介質採用之各種技術。囊封電泳介質包括多個小膠囊，其每一者本身包括一內相，其包含在一流體介質中之電泳移動粒子，及環繞內相之膠囊壁。膠囊本身一般維持在聚合物黏結劑中，以形成位於兩電極間之相干層。或者，帶電粒子及流體可維持於載體介質(通常係聚合物膜)內之複數個密封的孔穴(慣稱微胞元)內。這些專利及申請案中所述技術包含： (a)電泳粒子、流體及流體添加物；詳如美國專利號7,002,728及7,679,814； (b)膠囊、黏結劑及囊封程序；詳如美國專利號6,922,276及7,411,719； (c)微胞元結構、壁材料及形成微胞元之方法；詳如美國專利號7,072,095及9,279,906； (d)填充及密封微胞元之方法；詳如美國專利號7,144,942及7,715,088； (e)含電光材料之膜及次總成；詳如美國專利號6,982,178及7,839,564； (f)顯示器用之背板、黏著層及其他輔助層及方法；詳如美國專利號7,116,318及7,535,624； (g)顏色形成及顏色調整；詳如美國專利號7,075,502及7,839,564；及 (h)顯示器驅動法；詳如美國專利號7,012,600及7,453,445。
諸多前述專利及申請案認同可以連續相取代環繞囊封電泳介質中之分離微膠囊之壁，因而產生所謂的聚合物分散電泳介質，其中電泳介質包括電泳流體之複數個分離液滴及聚合物材料之連續相，及在此聚合物分散電泳顯示器內之電泳流體之分離液滴可視為膠囊或微膠囊，即使不存在與每一個別液滴相關聯之分離膠囊膜亦然，詳見例如前述美國專利號6,866,760。因此，為本申請案之故，此聚合物分散電泳界被視為囊封電泳介質之亞種。
囊封電用介質通常並無傳統電泳裝置之叢集化與沉澱錯誤模式之擾且具其它優點，諸如在多種撓性與剛性基板上印刷或塗布介質的能力。使用字眼「印刷」係欲涵括所有印刷與塗布形式，包含但不限於：預計量塗布如區塊式縫塗布、狹縫或擠壓塗布、滑動或串疊塗布、簾式塗布；滾動塗布如滾動上刀塗布、前後滾動塗布；凹版印刷塗布；沾式塗布；噴塗；彎月塗布；旋塗；刷塗；空氣刀塗布；絲印塗布程序；靜電印刷程序；熱印刷程序；噴墨印刷程序；電泳沉積(詳見美國專利號7,339,715)；及其他類似技術)。
本發明之顯示器中亦可採用其他類型之電光介質。
再度參考圖2A，影像調變層總成208與210可包括分段或主動矩陣電泳顯示。電光顯示通常包括一層電光材料及位在電光材料相對側上之至少兩其他層，這兩層之一係電極層。在大部分的此類顯示器中，兩層均係電極層，且電極層之一或兩者透光及/或經圖案化以界定顯示像素。例如一電極層可經圖案化成長列電極且另一與列電極呈直角延伸之長行電極，由行列電極之交點界定像素。或者更一般而言，一電極層具單一連續電極形式且另一電極層經圖案化成為像素電極矩陣，其等每一者均界定顯示器之一像素。在本發明之一些實施例中之波導之相對表面之反射性質之調變，可因而由在溶劑中具相對高折射率之顏料之電泳移動提供，該溶劑折射率較波導低，諸如圖2B所示調變。
在圖2B中，透光波導202上覆透明導電層244。在層244與層246間具個別可定址電極陣列(慣稱為「背板」，但圖2B中顯示為最上層)之間隙延伸者係電泳流體層210。電泳流體包括折射率低於波導202之懸浮流體254、及折射率高於懸浮流體254且較佳高於波導202之帶電粒子256。粒子256帶正負電均可，且可吸收及/或散射可見波長光。
當透明電極244與背板電極之一之間具有電壓差時，粒子在所得電場中移動，使得被透明電極244吸引或排斥，端視粒子電荷及電壓差極性而定。在圖2B中，所示粒子被吸引至透明電極244中由背板電極248定址之區域，且受背板電極250定址之區域排斥。波導內傳播的光(如圖2B的射線258所例示)在由電極250定址的區域中全內反射，因為在此區域中與波導相鄰之電泳介質折射率低於波導且假設射線258相對於波導與電泳介質間之介面法線之入射角淺至大於全內反射之臨界角。
但在電極248定址區域中，與透明導電層244相鄰之電泳流體中存在行動粒子，導致全內反射受擾，且穿越電泳流體之光被行動粒子吸收或散射。此吸收及/或散射造成在波導末端之觀看者226可見且感知係低於波導平面之影像點，如圖2B之點270例示之位置，此係波導平坦面中反射及在波導/空氣介面處折射之結果。由於穿越波導之光折疊，故觀看者226除了全內反射已受擾區域外，無法看到背板246或電泳流體層210。
在圖2B中，僅在波導的一面上調變全內反射。在圖2A中，則在波導的兩面上調變全內反射，增加顯示器之深度解析度。
依本發明之一實施例製之顯示器可於廣視角上達成所需光學效果，現將詳述其限制。參考圖2C，θ 用於標註波導內之光線與垂直軸(垂直於電極與流體介面)間角度，且「視角」Φ 用於標註空氣中光線與水平軸間之角度。若n2 係波導折射率且n1 係電泳散布之懸浮流體的折射率，且假設空氣折射率為1，則在波導/空氣介面處兩角度關係如司涅耳(Snell)定律(方程式1)：
Figure 02_image001
因懸浮流體與波導間相對折射率所致高角度限制如上述。由於θ 的最小值係如sin-1 (n1 /n2 )，故最大顯示角Φmax 係如方程式2：
Figure 02_image003
低視角限制Φ min 係由所欲立體成像解析度設定。令d 標註單一波導厚度(垂直解析度)，且w 係操作者希望解析之最精細水平特徵尺寸(亦即背板電極之長度或寬度)，如圖2C所示。若光線淺至使得tan(θ )>w /2d ，則根據射線進入波導的點，可能跳過整個電極，導致影像未完整顯示。限制角度Φmin 因而如方程式3：
Figure 02_image005
注意，w 係依據逐個影像(image-by-image)而非逐個裝置(device-by-device)定義。對許多應用而言，藉由以相同圖案驅動相鄰電極、降低有效解析度，可使得即使在角度實質小於Φmin 下，影像亦大部分可見。
希望Φmax 愈大且Φmin 愈小愈好。此可藉由將波導的折射率最大化、懸浮流體折射率最小化、波導厚度最小化及水平影像解析度之粗糙度最大化而達成。
在本發明之一較佳實施例中，透明且導電層設置於透明中間基板上，利用透光黏著劑接合至波導之基板折射率等於或大於波導折射率。此方法較佳係因僅需將中間基板之電調變部分區域接合至波導。此區域之非調變部分如邊緣密封區維持與波導間被一層空氣隔離，且因而觀看者望向顯示器邊緣時不可見。概言之，僅有欲使顯示器之觀看者見到之電泳元件區域光學耦合至本發明之此實施例之波導。
例如圖3A例示依本發明之一較佳實施例之波導模組300。波導302藉由透光黏著劑304耦合至中間基板306。在中間基板306的相對側上者係透明導電層308，其可具選用保護性聚合物層310。電泳流體312係在由中間基板306(及其相關表面塗層)與背板316界定之孔穴內。由選用間隔體314維持之此孔穴的寬度可為例如滾珠(beads)、線絲(threads)或篩孔(meshes)。孔穴邊緣被聚合物材料318密封，其係選用且較佳可與用於接合中間基板306至波導302之透光黏著劑相同。接合中間基板306至波導302之透光黏著層304較佳不延伸至邊緣密封318處(亦即圖3A所示的距離d1>0)。背板或中間基板均可視需要延伸超過邊緣密封(如圖3A中之距離d2與d3所示)。
圖3A亦具有接合且光學耦合至波導且鄰接觀看面之間隔體330。選擇性地，此接合可用一層透光黏著劑332達成。間隔體330與黏著層322之組合厚度至少要和透光黏著劑304、中間基板306、層308與310、電泳流體312及背板316之組合一樣厚。
如上述，電泳流體312係在孔穴內而無進一步分裝。但亦可將電泳流體併入微膠囊或微胞元內，如圖3B與3C所示。電泳流體之分裝會限制電泳流體之重力沉澱(gravitational settling)且在波導定向於垂直平面時尤具其功。
圖3B顯示圖3A未分裝元件之替代建構之未按比例放大圖，其中電泳流體312係含在微膠囊336內。微膠囊係直接塗布在透明導電層308上，且利用習知導電黏著層338層疊至背板316。較佳為微膠囊塗布在透明導電層308上而不具額外聚合黏結劑，使得膠囊間之所有間隙(如圖3B之340所示)充滿空氣而非聚合物材料。若使用聚合黏結劑，則折射率應較波導低且較佳等於或低於電泳粒子用之懸浮流體的折射率。按此方式，在不具電泳流體處之微膠囊塗布區中之全內反射不受擾。
圖3C顯示圖3A未分裝元件之替代建構之未按比例放大圖，其中電泳流體312係含在微胞元(microcells)內。微胞元之壁由元件342指示。微胞元較佳係由低折射率聚合物材料製成，亦即折射率等於或低於電泳粒子用之懸浮流體的折射率，且壁應藉由低折射率材料黏著至透明導電層308。微胞元係以選用層344密封且由黏著層346層疊至背板316。
間隔體330與相關黏著層332之尺寸係如圖3D所示，較佳經配置成避免暴露間隔體的背面於觀看者。間隔體應夠長而使其背面超出在最小視角下之直接可見處，但同時應夠短而使其背面超出在最大視角下之反射可見處。若所需高度h 夠薄(趨近但可用之比較值係d *Φmin /Φmax )，這些限制可同時滿足正確尺寸l 值；若否，則後壁可見性會對可見角度範圍加諸額外限制。
再度參考圖2A，顯示器200具有立體影像，其中x維度係由光源206中的像素列(當此經像素化)及垂直於剖面圖的平面延伸之影像調變區208與210提供。y維度係由圖2A中光源206之L/R方向上延伸的像素(當此經像素化)及影像調變區208與210提供。z維度分為圖2A實施例中的7個平面。該平面與觀看者226之最遠距係由光源影像206提供。按自觀看者之感知距離順序(先列最遠者)，其他6平面係由影像調變區208與210之個別調變區224、222、220、218、216與214提供。
離開波導的光可穿越光學耦合至波導的一面之一個以上的稜柱元件212。如圖2A中長度230方向所示，觀看窗因視角及波導厚度與折射率及其覆層而變。較佳可調整觀看窗大小至盡可能與波導平面近乎垂直之視角。
如圖2A所示，立體顯示器異於如圖1所示之先前顯示器處在於：依本發明之各實施例製之顯示器一般在稜柱元件與波導間不具任何切換材料。換言之，影像調變材料可適用於波導相對面之一或兩者中超出稜柱元件足跡外之區域，亦即超出由耦合至波導之稜柱元件之面周邊所封圍之區域。
依本發明之各實施例製之裝置可包含單一稜柱元件或者稜柱元件陣列。一較佳稜鏡幾何形狀係稜柱元件陣列具有非對稱設計，如圖4A所例示。此類稜鏡陣列可出自例如「光偏轉膜」，其一示例係出自英國Oxfordshire之Film Optics Ltd之29度光偏轉膜。稜柱元件401以剖面呈現且延伸跨越整個稜鏡膜片寬度。但可使得光線自波導散出而不減損影像內容之任何光學元件均可採用。例如可利用繞射或全息元件。
若採用稜柱元件，較佳設置於厚約10-500微米，光學耦合至波導之相對面之一之透明中間基板403上。再度參考圖4A，陣列內的稜柱元件401具有約25至約1000微米之間距409，較佳間距範圍在約50至約200微米。每一稜柱元件可包含接近輻射源(諸如圖2A之源206)之第一角度405及相對遠離輻射源之第二角度407。角度405的較佳範圍在約20至約45度，而角度407大於角度405且較佳範圍在約60至約90度。角度405的較大值可導致光折射離開波導，使其近乎垂直於波導平面，致能在自然角度下觀看顯示。或者角度405範圍可在約45至約60度，但在此情況下，可能需要另一光學元件使光線彎向觀看者。
注意在各圖中所示顯示器的定向均係水平，但在特定應用中較佳垂直地對齊顯示器。
依本發明之各實施例所製裝置中採用之波導厚度可小於或等於大約顯示器之視窗寬度的一半。如前述，稜柱元件與波導間區域一般並無任何影像調變材料。此兩特徵之組合提供之顯示中，可顯示具有水平與垂直像差之立體影像，如圖4B所例示。
圖4B顯示源自影像點406與408之光線如何被在位置410與412之觀看者感知。在位置410處之觀看者會看到影像點406直接位在影像點408後且被其遮擋，如圖中所例示之光射線於波導402中傳播且經由稜柱元件404離開。清晰射線係欲顯示來自兩影像點之光線組合。但在位置412處之觀看者會看到兩影像點，如虛線所示。影像點406愈遠看起來愈像在較近影像點408的左側(如圖示)。因此，藉由在位置410與412間移動，觀看者會感知兩點間的「高度像差」。注意，替代之術語「垂直像差」嚴謹地僅適用於波導本身垂直的情況。「方位角像差」(或稱之為「水平像差」)係由在垂直於圖中紙面方向上分開之影像點提供。
現將詳述本發明之一些特定較佳實施例。此後將第一較佳實施例稱之為「電泳光散射」或「ELS」顯示。ELS顯示之操作原理係如圖5A與5B所例示。在本發明之此實施例中，如圖5A所示，影像調變層僅設置於波導之一面上，其可係如所示之承載稜柱外耦合元件510之面或相對面。波導502光學耦合至影像調變區508及選用區504，藉此光線可藉由例如光散射而耦合進入波導中。圖中所示光源506為投影機，其經由透明波導照射影像調變區508及光耦合區504。注意如上述，可以替代光源取代投影機，例如平面發光顯示器如液晶或OLED顯示器。
顯示器之詳細操作係如圖5B所例示，其係如圖5A中虛線矩形所示之顯示器之剖面部分放大圖(未按比例)。
如圖5B所示，藉由一層(或多層)505將波導502光學耦合至透明電極507。層505可包括接合至波導502之透光黏著層及透光黏著層與透明電極507間之透明基板(例如聚碳酸酯膜之聚對苯二甲酸乙二酯)。電極507可涵蓋顯示器之影像調變區之全區(亦即可對應於習知電泳顯示器中之共用電極)或可像素化。孔穴516隔離透明電極507與承載像素電極509與511之基板512。孔穴516填充有電泳組合物，其包括內含電泳移動粒子514之流體(例如氣體或低折射率溶劑)。電泳組合物亦可包括添加劑，如此技藝中所熟知之聚合物或介面改良劑。溶劑(若有採用)折射率低於波導502、透明電極507及層505。在波導與電泳組合物之相對面上者係光源506，其與波導502間由折射率低於波導之介質518隔開。便利者係層518為空氣層。如上述，光源506可被像素化且提供可係彩色或單色之影像。例如光源506可係投影機，其提供聚焦於電泳層上之影像。或者光源506可係非像素化且提供均勻照明。
來自光源506之光線行經層518、波導502、層505及透明電極507至電泳組合物，在該處被粒子514散射。經散射光得以進入波導與否端視粒子514位置而定。在圖5B中，所示部分粒子514與電極511相鄰且與透明電極505(其光學耦合至波導)間被填充孔穴516之流體隔開。因此，如上述，此流體的折射率低於波導本身或其他中介層，經散射光將不會進入波導而會隨著經過波導502時折返朝向光源506。在鄰近電極509處，另一方面，散射光耦合進入波導502中，因為粒子514與溶劑之組合折射率高於波導502或中介層505。因此，在電極509區域中，所形成之影像點與來自光源506之入射光同色。
熟諳此藝者將知可利用施加適當電場移動粒子514至孔穴516前後。亦將知可藉由適當組件如壁、支柱或滾珠等維持孔穴516之間隙厚度，及可利用微隔間如微胞元或微膠囊納含電泳組合物。類似可知即使未顯示之其他層如導電黏著或其他層均可納入電極507與電極509及511之平面間。
可形成全彩影像，其中接近觀看者之物件遮擋離觀看者較遠物件。波導內來自較遠物件之光線將在較近物件所在處離開波導(因為此位置處之覆層折射率高於波導)且再度被粒子514散射。由於散射具各向同性，故僅有小部分散射光於這樣的角度在波導內朝觀看者方向傳播。來自較遠距物件之光將已被散射兩次，而來自較近端物件之傳播光將僅已被散射一次且將因而強度明顯較高。在立體空間中的影像點位置係由光散射粒子514相對於波導之位置決定。影像點的顏色將由光源506投射到光散射粒子上之影像決定。
可能對應於圖2A所示光源206之最遠影像平面可由自光源入射於波導區中已與光散射表面長期光學耦合之光提供，如上述。
以下將顯示器之第二較佳實施例稱之為「被動耦合」顯示器，其中在圖5A中之影像調變區508包括在波導502上含有螢光或光散射材料之一或多個塗層。
其中影像調變區508包括一光散射材料之實施例類似於包含電泳散射顯示器之前述實施例，差異在於無法動態調整光散射程度。結果使得本發明之被動散射顯示器可得之對比度遠低於電泳主動實施例可達成者。在此實施例中，來自遠端影像點之光線隨著在波導中之反射而被散射朝向觀看者。為避免遠端影像點的遮擋，被動散射程度較少為佳。例如在單次穿越影像調變區508中之散射應小於光源506之入射光的10%，及較佳小於5%。亦較佳者係提供光散射效率梯度，使得影像調變區508離稜柱外耦合元件510較遠區域比接近外耦合元件510區域散射較多光線。例如一接近外耦合元件510的區域可散射約5%入射光，而具外耦合元件510最遠點可散射20%或更多入射光。
因此，在本發明之被動散射實施例中，與電泳主動實施例不同，其難以鄰近影像點提供對遠端影像點之遮擋。
其中螢光材料併入影像調變區508之本發明之實施例不受到妥協來自遠端影像點之光線之擾。例如來自入射於波導之一波長之光源506之光可被吸收及以微長些之波長再發射(此吸收與發射最大值間差異稱之為「斯托科斯(Stokes)偏移」)。理想的斯托科斯偏移應大到足以發射不被再吸收之光。例如來自光源506之藍光可再發射為在波導中傳播之綠光，或(利用不同螢光材料)綠入射光可再發射為紅光。藍光可由較短波長之藍光或紫外線光產生。
螢光材料係此技藝中所週知且可係有機物(例如有機染料如螢光素或若丹明(rhodamine)染料及其等之衍生物)或無機物(例如量子點)。波導本身蘊含螢光材料亦可。
若欲於本發明之被動螢光實施例中形成全彩影像，則採用不只一個波導較佳。此係因若兩螢光材料與相同波導光學接觸，則一螢光材料發射之光可被第二螢光材料吸收。
圖6顯示交錯之三種不同波導配置，每一者具有不同的螢光材料，可耦合在一起以形成合成之全彩影像。其中傳播一波長光之波導606藉由位於下方波導606之一末端區中之波導604、606相對面間之一雙色材料610光學耦合至波導604。雙色材料610傳遞波導606中傳播波長之光，但反射波導604中傳播波長之光。類似地，波導604藉由位於中間波導604之一末端區中之波導604、602相對面間之另一雙色材料608光學耦合至波導602。雙色材料608傳遞波導604及606中傳播波長之光，但反射波導602中傳播波長之光。
類似於圖6之實施例，包括複數個波導之顯示器可具有間隔體，諸如關於圖3A及3D所述者。例如依本發明之一實施例之一波導組件702之總成形成完整顯示器700，如圖7A所例示。波導704就由透光層708耦合至次級基板、電泳組合物及像素電極陣列之總成，如7A之706所集合地顯示。僅總成706之電泳主動區耦合至波導704，其他兩元件被氣隙710隔開。熟諳此藝者將知氣隙710可以折射率等於或小於電泳粒子用之懸浮溶劑之折射率之任何材料取代。
間隔體712藉由層714光學耦合至波導704。但間隔體712頂部並未光學耦合至次一波導模組718，其被折射率等於或低於電泳粒子用之懸浮溶劑之一層716隔離。層716可為氣隙或低折射率固體或液體。層716亦可係鏡射層或數層之組合，只要在波導模組718中的光在與層716介面處歷經特定反射即可。
將圖7A所示實施例用之工作視角範圍上下偏移較佳，且此可藉由將有無光學耦合至波導堆疊均可之額外光學元件併入而達成。在一較佳實施例中，光學元件為稜鏡，如圖7A之722所示。所示稜鏡藉由層720光學耦合至波導堆疊，該層720可由可形變透明材料如膠水達成，使得以消除波導總成邊緣中之光學非均勻性。光學耦合材料720可藉由例如此技藝中熟知之UV固化而硬化。或如圖7B所示，可藉由一大空氣柱728或一些其他低折射率材料使稜鏡722自波導堆疊偏移而達成視角傾斜，將影像顯著向上且些微向後偏移(後者效應係因光學路徑長度增加)。
為最小化在一些實施例中之間隔體元件712之可見性，較佳對齊個別波導元件，如圖7C所示。所示中間波導元件718相對於下波導元件702及上波導元件719偏移。中間元件718之波導部分之上邊緣及上單元719之波導部分之下邊緣界定相對於觀看面法線之角度Ψ ，使得Φ min ≤Ψ >Φ max 。稜柱元件可位於偏移波導元件之面與觀看者間，例示如圖7B中之波導元件之無偏移堆疊。
選擇性地，顯示器之背側可視需要構造成與前側相同。在此情況下，觀看者從前後均可看到立體具像物件。或者顯示器可係背光，具有可係自發光或反射型之次級二維顯示器726(如圖7A所示)。
如上述，每一波導子總成包括背板電極之一可定址像素陣列。在一平面中之個別像素定址可利用習知用於定址二維陣列之方法達成。每一像素可自一些控制開關個別定址，或者像素陣列可包括邏輯元件如薄膜電晶體，使得以達成主動矩陣定址。
如圖8所示，其係顯示器之觀看表面之剖面頂視圖，其甚至可採用一撓性主動矩陣背板804，或與撓性電路元件連接在一起之一組剛性主動矩陣背板，使得整個顯示器可由單一控制器806定址。若元件804係撓性主動矩陣像素陣列，則波導802係自像素陣列之相同面定址。在一較佳實施例中，撓性背板配置成繞著波導元件對之彎曲狀(serpentine fashion)，如圖8所示；間隙808愈小愈好。若元件804係與撓性電路元件連接之一組剛性背板，則此配置無需成對。
圖9顯示依本發明之另一實施例之顯示器，其中觀看窗係藉由在波導902中提供一喇叭形展開而於「y」維度延伸，亦即所提供之波導在外耦合稜柱(或其他)元件904之區域中呈楔形。如圖9所示，光線在波導內以相對於波導平面之角度θ ’傳播(此係上述光入射角之互補角)，且在楔形部中之波導具有喇叭形角φ (a flare angle of φ)，該喇叭形(flare)較佳設置於波導承載外耦合元件904之相對側。然而在無喇叭形的情況下，觀看窗長度為2d /tanθ ’，其中d 為波導厚度，此窗之長度在具有喇叭形時可放大。放大角度係視給定角度φ 下之角度θ ’而定。φ 較佳範圍在約5-12度。
雖然本文已顯示及描述本發明之較佳實施例，但將知此等實施例僅係藉由示例提供。熟諳此藝者在不背離本發明之精神下，將可進行多種變化、改變及取代。因此，欲以隨附申請專利範圍含括在本發明之精神與範疇下之所有此類變化。
所有前述專利及申請案之內容全文均以引用方式併入本文。
35:波導 36:剖面 37:剖面 38:稜鏡 39:影像調變材料 200:設備 202:波導
204:元件
206:輻射源
208:影像調變層總成
210:影像調變層總成
212:稜柱元件
214:獨立調變區
216:獨立調變區
218:獨立調變區
220:獨立調變區
222:獨立調變區
224:獨立調變區
226:觀看者
230:長度
244:導電層
246:層/背板
248:電極
250:背板電極
254:懸浮流體
256:粒子
258:射線
270:點
300:波導模組
302:波導
304:導電層
306:中間層
308:導電層 310:保護性聚合物層 312:電泳流體 314:選用間隔體 316:背板 318:邊緣密封 330:間隔體 332:黏著層 336:微膠囊 338:導電黏著層 340:間隙 342:元件 344:選用層 346:黏著層 401:稜柱元件 402:波導 403:透明中間基板 404:稜柱元件 405:第一角度 406:影像點 407:第二角度 408:影像點 409:間距 410:位置 412:位置 502:波導 504:光耦合區 507:透明電極 508:影像調變區 509:像素電極 510:稜柱外耦合元件 511:像素電極 512:基板 514:粒子 516:孔穴 518:介質 600:波導 602:波導 604:波導 606:波導 608:雙色材料 610:雙色材料 700:完整顯示器 702:波導組件總成 704:波導 706:總成 708:透光層 710:氣隙 712:間隔體 714:層 716:層 718:波導模組 719:波導元件 720:層 722:稜鏡 726:次級二維顯示器 728:柱 802:波導元件 804:撓性主動矩陣背板 806:單一控制器 808:間隙 902:波導 904:外耦合稜柱元件
以舉例方式，描繪依本概念之一個以上施行方式，並無限制之意。圖式未按比例繪製。圖中類似符號係指相同或類似單元。
圖1係立體顯示器用之波導裝置之概略剖面側視圖。
圖2A係依本發明之立體顯示器用之波導裝置之概略剖面側視圖。
圖2B係部分單一波導裝置之概略剖面側視圖。
圖2C係部分單一波導裝置之概略剖面側視圖。
圖3A係依本發明之一較佳實施例之部分波導裝置之概略剖面側視圖。
圖3B係圖3A所示實施例之放大圖，其包含一微囊封電泳介質。
圖3C係圖3A所示實施例之放大圖，其包含另一微囊封電泳介質。
圖3D係圖3A所示實施例之間隔體與波導之放大圖。
圖4A係可併入本發明之另一實施例中之稜鏡陣列之概略側視圖。
圖4B係顯示可在本發明之一實施例中納入之一波導內行進光之概略剖面側視圖。
圖5A係依本發明之另一實施例之立體顯示器之概略剖面側視圖。
圖5B係圖5A之部分剖面側視圖之放大圖。
圖6係包括依本發明之一實施例之複數個波導元件之立體顯示器之概略剖面側視圖。
圖7A係包括依本發明之一實施例之複數個波導元件之第一立體顯示器之概略剖面側視圖。
圖7B係包括依本發明之另一實施例之複數個波導元件之第二立體顯示器之概略剖面側視圖。
圖7C係包括依本發明之另一實施例之複數個波導元件之第三立體顯示器之概略剖面側視圖。
圖8係包括依本發明之另一實施例之複數個波導元件之第四立體顯示器之概略頂視平面圖。
圖9係依本發明之一實施例之立體顯示器用之另一波導裝置之概略剖面側視圖。
200:設備
202:波導
204:元件
206:輻射源
208:影像調變層總成
210:影像調變層總成
212:稜柱元件
214:獨立調變區
216:獨立調變區
218:獨立調變區
220:獨立調變區
222:獨立調變區
224:獨立調變區
226:觀看者
230:長度

Claims (21)

  1. 一種用於一立體顯示器之設備，其包括：一波導，其具有一對相對面，構造成在該等面間沿該波導之長度方向傳播輻射；一輻射源，其光學耦合至該波導且構造成發射該輻射至該波導之一面之一部分；至少一個透光稜柱元件，其具有一面，光學耦合至該波導之該等面之至少一面，該透光稜柱元件之該面具有一周邊；及一影像調變材料之層，其光學耦合至該波導之該等面之至少一面之一區域，該區域之至少一部分位於該透光稜柱元件之該面之該周邊外；其中通過該波導傳播的輻射藉由穿過該透光稜柱元件而離開該設備以形成該立體顯示器，及其中該波導與該輻射源光學耦合的面之一部分位於該透光棱柱元件之該面之該周邊外。
  2. 如請求項1之立體顯示器設備，其中光學耦合至該影像調變材料之層的該波導之該至少一面之該整個區域係在該透光稜柱元件之該面之該周邊外且與其相鄰。
  3. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該輻射源係一自發光顯示器。
  4. 如請求項1之立體顯示器設備，其包括複數個透光稜柱元件，其形成光學耦合至該波導之該等面之至少一面之一面陣列，該等透光稜柱元件之該面陣列形成該周邊。
  5. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該影像調變材料之層包括複數個獨立調變區。
  6. 如請求項1之立體顯示器設備，其包括影像調變材料之一第一層及第二層，該影像調變材料之第一層光學耦合至該波導之相對面之一面，及該影像調變材料之第二層光學耦合至該波導之相對面之另一面。
  7. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括螢光材料。
  8. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括液晶材料。
  9. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括複數個帶電粒子及一懸浮流體，且該帶電粒子在電場影響下移動通過該懸浮流體。
  10. 如請求項1之立體顯示器設備，其中該影像調變介質包括電致變色材料。
  11. 一種用於一立體顯示器之設備，其包括：一波導，其具有一對相對面，構造成在該等面間沿該波導之長度方向傳播輻射；一輻射源，其光學耦合至該波導且構造成發射該輻射至該波導之該面之一部分；至少一個透光稜柱元件，其具有一面，光學耦合至該波導之該等面之至少一面；及一影像調變材料之層，其光學耦合至該波導之該等面之至少一面，其中該波導介於該影像調變材料之層與該至少一個透光稜柱元件間，且其中通過該波導傳播的輻射藉由穿過該透光稜柱元件而離開該設備以形成該立體顯示器。
  12. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該輻射源係一自發光顯示器。
  13. 如請求項11之立體顯示器設備，其包括複數個透光稜柱元件，其形成光學耦合至該波導之該等面之至少一面之一面陣列。
  14. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該影像調變材料之層包括複數個獨立調變區。
  15. 如請求項11之立體顯示器設備，其進一步包括影像調變材料之第二層，其光學耦合至該波導之與該至少一個透光稜柱元件相同之面。
  16. 如請求項15之立體顯示器設備，其中該影像調變材料之第二層包括複數個獨立調變區。
  17. 如請求項11之立體顯示器設備，其進一步包括一第二波導，其光學耦合至該影像調變材料之層，其中該影像調變材料之層介於該第一與第二波導間。
  18. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括螢光材料。
  19. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括液晶材料。
  20. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括複數個帶電粒子及一懸浮流體，且該帶電粒子在電場影響下移動通過該懸浮流體。
  21. 如請求項11之立體顯示器設備，其中該影像調變材料包括電致變色材料。
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