转动球显示器的制作方法

专利名称：转动球显示器的制作方法
通过引用包括进来的文献通过引用把下述美国专利全部包括在本文中第4,126,854号美国专利(Sheridon，“转动球显示屏”)；第4,143,103号美国专利(Sheridon，“制造转动球显示屏的方法”)；第5,075,186号美国专利(Sheridon，“用于印刷的图像方式附着层”)；第5,262,098号美国专利(Crowley等人，“制造用于转动球显示器的双色球的方法和设备”)；第5,344,594号美国专利(Sheridon，“转动球显示器用的多色球的制造方法”)；以及第5,389,945号美国专利(Sheridon，“包括纸状数字寻址媒体的写入系统和用于它的寻址装置”)。
技术领域：
本发明涉及本发明涉及目视显示器，尤其涉及可寻址、可重复使用、纸状的目视显示器，以及转动图标(gyricon)或转动球显示器。
2．有关技术的描述自古以来，纸张曾经是一种呈现和显示文字和图像的较佳媒体。作为一种显示媒体，纸张的优点很明显。例如，它重量轻、薄便于携带、柔软、可折叠、反差大、价廉、较持久和容易做成各种形状。不需任何电力就能保持其显示的图像。可以在环境光线中阅读纸上的内容，并且能用钢笔、铅笔、画笔或者无数的其他工具(包括计算机打印机)在其上书写或作标记。
可惜，纸张不很适合于实时显示的目的。来自计算机、电视或其他来源的实时图像不能直接用纸来显示，而必须采用其他的装置(诸如采用阴极射线管(CRT)显示器或液晶显示器(LCD))来显示。一般，实时媒体缺少纸张的许多令人满意的特性，诸如其质地的柔软和在无电源时能稳定地保持所显示的图像。
曾经企图将纸张的特性和实时显示媒体的那些特性组合起来，以创造出某种东西，它能提供两方面的好处。这种东西可以称之为电气纸(electiric paper)。
如同普通纸那样，最好能在电气纸上书写和擦除，能在环境光线下阅读它，并且在不加电场或者其他外部保持力时能保持其上的信息。还如同普通纸那样，最好能把电气纸做成重量轻、柔软和耐用的薄片，能将它折叠或绕任何轴将它卷成管状，并且能方便地放入衬衣或上衣口袋，而在以后又能恢复原状、再整平和基本上不丢失信息地读取。但不同于普通纸，电气纸最好不但能用于显示静止图像和文字，还能显示完整的运动和其他实时图像。从而它能适用于计算机系统显示屏或电视机。
转动图标(gyricon)显示器(亦称为转动球显示器、旋转球显示器、粒子显示器、偶极子粒子光阀，等等)提供了制造一种形式的电气纸的技术。简单地说，gyricon显示器是一种可寻址显示器，它由多个光学各向异性的球做成，能对每个球有选择地旋转，以向观察者呈现所要的面。例如，gyricon显示器可以包括一些球，每个球具有两个截然不同的半球，一个是黑的，另一个是白的，而每个半球具有截然不同的电学性质(例如，相对于电介质流体的zeta电势)，从而这些球在电气上和光学上都是各向异性的。将黑-白球嵌入一片光学上透明的材料(诸如弹性体层)内，该层包括多个球形的空腔，并且充满透明的电介质流体(诸如增塑剂)。充有流体的腔容纳球，每腔一球，从而防止球在片内移动。但每个球可在其各自充有流体的腔内有选择地转动(例如通过施加电场)，从而向观看该片表面的观察者呈现黑色或白色半球。这样，通过施加二维可寻址的电场(用一种矩阵寻址方式)，可使球的黑色侧和白色侧作为显示图像的图像元素(例如，像素或子像素(subpixel))而出现。
一种例示的gyricon显示器10示于

图1(现有技术)的侧视图中。把双色球11配置在弹性体衬底12中，该衬底被电介质流体产生的腔13撑大，球11在腔13内能自由转动。在存在流体时，球11是电偶极的，因而在由矩阵可寻址电极14a、14b施加电场时会转动。最靠近观看面15的电极14最好是透明的。观察者在I处观看由球11的黑白面形成的图像，这些球转动而将它们的黑色面或白色面(半球)向衬底12的观看面15呈现。
gyricon显示器技术在上文所述的通过引用包括进来的一些专利中有进一步的描述。特别，第5,389,945号美国专利(Sheridon，“包括纸状数字寻址媒体的写入系统和用于它的寻址装置”)示出，gyricon显示器能够做得具有纸张的许多所想要的特性，诸如柔软性和在无电力时能保持图象的特性，而这些特性是在CRT、LCD或其他传统的显示媒体中找不到的。gyricon显示器也能做得不像纸张那样，例如，做成用于平板显示器的刚性显示屏。
一般，已知的gyricon显示器是用双色球做的，这些球半个是黑的，半个是白的。还已知其他种类的球。例如，第4,261,653号美国专利(Goodrich)示出了一种多层球，虽然至少它的一部分是用玻璃做的，并且它的使用依赖于一种包括高频电场的寻址方案。
虽然gyricon显示器代表着走向电气纸目标的重要一步，但仍有很长的路要走。例如，用黑白球制造的gyricon显示器不能产生彩色的图像。作为另一个例子，设计得在环境反射光线下工作的gyricon显示器不能提供投影的或透射的显示。需要一种高级的gyricon显示器技术，它能提供的显示能力范围更全，并且，特别它能提供彩色的投影和透射成像。
发明概述本发明可以提供一种具有辅助光学结构的gyricon或转动粒子显示器。尤其是，本发明的一个方面提供了一种设备，它包括一块带有透光窗口的衬底、设置在衬底内的多个粒子和一个光耦合至窗口的聚光元件。每个粒子具有各向异性以提供电偶极矩，从而当把粒子可转动地置于电场之中时，具有偶极矩的粒子会作出响应而趋向于转动至其偶极矩与场的取向对齐的取向，只要粒子如此配置在衬底中，每个粒子的可转动配置是可以获得的当对粒子作此种可转动配置时，粒子不附着于衬底。当把粒子可转动地配置在衬底中时，每个粒子沿相对于透光窗口的第一和第二转动取向是可随意处置的。当把粒子相对于通过窗口的光能通量配置在第一取向时，每个粒子提供第一光调制特性，而当把粒子相对于通过窗口的光能通量配置在第二取向时，每个粒子提供第二光调制特性。例如，会聚元件可以是折射光的元件，它可以包括会聚透镜的阵列，诸如微透镜的“蝇眼”(fly’seye)阵列。在此情况时，粒子的阵列是与透镜阵列套准的。
本发明可以提供一种gyricon或者转动粒子显示器，其中，显示器中的每个可转动粒子(例如，圆球)起着透镜的作用。尤其是，在本发明的一个方面，提供了具有第一折射率的透光介质流体和可转动地配置在该流体中的光学各向异性的粒子的组合。粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率。当粒子沿相对于光能通量的第一取向配置在流体中时，粒子提供第一光调制特性，而当把粒子沿相对于光能通量的第二取向配置在流体中时，粒子提供第二光调制特性。粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，电偶极矩使粒子作此响应，从而当粒子可转动地配置于电场之中，而同时提供粒子的电偶极矩时，粒子趋向于转动至其电偶极矩的取向与场对齐。例如，把粒子配置在流体中能使粒子产生电偶极矩。
本发明可以提供一种具有“蛋箱”衬底的gyricon或者转动粒子显示器。特别是，在本发明的一个方面，提供了一种设备，它包括一块具有多个空腔的容纳空腔的基体的衬底，在基体中，这些空腔基本上配置在一层内，并且基本上按规则的几何图案来安排这些空腔，并且把多个光学上各向异性的粒子配置在衬底的这些空腔中，每个空腔至多包含一个光学上各向异性的粒子。只要粒子如此配置在衬底中，每个粒子的可转动配置是可以得到的当对粒子作此种可转动配置时，粒子不附着于衬底。例如，每个粒子可以具有各向异性，以提供电偶极矩，电偶极矩使得粒子能对电场作出响应，从而当粒子可转动地配置于电场之中，而同时提供粒子偶极矩时，粒子趋向于转动至其电偶极矩的取向与场对齐。此外，每个粒子可以具有多个分支区域，这些分支区域引起粒子的光学各向异性，这些区域包括具有第一光调制特性的第一区域和具有第二光调制特性的第二区域。单个空腔层可以大体上是平面的，而空腔排列的几何图案可以是在该层平面之内的二维阵列图案，诸如六边形、矩形或是菱形的阵列图案。衬底还可以包括第一和第二部件，基体置于这两个部件之间，并且这两个部件之中的至少一个部件包括透光窗口，光能通量可通过该窗口，从而入射在粒子上。
附图概述图1是现有技术的例示的黑白gyricon显示器的侧面剖视图；图2是本发明的一种例示的gyricon显示器的侧面剖视图；图3描述空气中的球面透镜球的光折射；图4A描述在弹性体的充有流体的腔中的球面透镜球的光折射；图4B描述存在聚光透镜时流体中的球面透镜球的光折射；图5A-5B示出带有小孔屏蔽的单个球面透镜球沿相对于入射光通量的两种不同的转动取向的放大的侧视图；图6示出带有小孔屏蔽的单个球面透镜球的放大的端视图；图7A-7B示出带有小孔光阑的单个球面透镜球沿相对于入射光通量的两种不同的转动取向的放大的侧视图；图8示出带有小孔光阑的单个球面透镜球的放大的端视图；图9示出用于制造球面透镜球的小孔屏蔽或小孔光阑的制造组件的一部分；图10描述在球面透镜球上的汽相淀积(薄膜)覆盖物；图11A-11B分别以侧视图和俯视图的形式示出“蝇眼”透镜阵列；图12A-12B分别以侧视图和三维剖面图的形式示出空的“蛋箱”衬底的一部分，而图12C示出如何把球放入“蛋箱”；图13示意地描绘用于制造“蛋箱”衬底的一种光刻掩模；图14示出在制造期间部分完工的“蛋箱”衬底结构的一部分；图15A-B分别以侧视图和顶视图的形式示出在制造的最后阶段的“蛋箱”衬底；图16是光学投影系统的示意图，该系统包括本发明的透射gyricon显示装置；图17A示意地绘出在子像素图形中的红、绿和蓝球面透镜球的安排；图17B示出用于制造“蛋箱”衬底的光刻掩模的一部分；图17C示出图17B的光刻掩模的一种改进的图像；图17D描绘用图17C的改进的图像形成的金属网屏；以及图18是CMY(青-红-黄)减色显示器侧视图，部分分解以显示其青、红和黄色分量单元。
较佳实施例的详细描述本发明提供了一类新的gyricon装置，它们特别适合于透射成像。尽管现有技术的双色球gyricon显示器限于用于环境光阀或反射模式(在该模式中，显示器通过改变成像表面的一些部分的反光性来调制光线)，但本发明工作于光透射或投影模式，并且设计成以成像方式使光线通路透光或不透光。
一般，在要描述的实施例中，本发明包括这样三种部件(1)可转动的透镜成像元件(诸如带有小孔屏蔽或小孔光阑的球面透镜)的阵列；(2)用于与诸如“蝇眼”会聚透镜阵列一起会聚光线的辅助光学元件；(3)“蛋箱”衬底，它有助于确保将转动透镜成像元件准确地配置在它们的阵列中，由此有助于成像元件阵列与辅助光学元件阵列的透镜正确对准(即，套准)。
为了进行接下来的讨论，以图2所示的一个实施例中的本发明的显示器作为开始是有帮助的。显示器20在某些方面与图1(现有技术)所示的已知的gyricon显示器10是相似的。特别是，显示器20具有圆球21，它们可转动地配置在衬底22内的充有流体的空腔23中，这些球21可在它们各自的腔中转动。每个球21在光学上是各向异性的。此外，当存在流体时，每个球21具有电偶极性，因此，在通过矩阵可寻址电极24a、24b施加电场时，这些球会转动。
然而，本发明的显示器的成像元件与在以前的gyricon显示器中的那些成像元件(例如，显示器10的双色球11)相比，有很大的不同。显示器20的成像元件是可转动的球面透镜。在显示器20中的每个球都能够充当一个微型透镜，因而能用于会聚入射光。如下所述，依赖于所用透镜的类型，能够获得不同的光学效果。例如，如果使用小孔屏蔽型透镜，则每个球能被转动至第一取向，球沿该取向会聚和透过入射光，每个球还可被转动至第二取向，球沿该取向阻挡入射光。
设置球21的透镜阵列可一起用来成像。例如(并且再次假设使用小孔屏蔽型球)，诸如在21a处的球被转动，从而将它们的透光面朝着衬底22的进光表面25，于是朝着来自在L处的光源的光线(这里将它画成平行光束)。这些小球21a会聚来自L的入射光线，从而光线从出光表面26出射。如下所述，辅助光学元件(这里示出为设置在光源L和球21之间的会聚透镜的阵列27)帮助将光线正确地会聚。诸如那些在21b处的球被转动，从而将它们的不透光面朝向衬底22的进光表面25。来自源L经阵列进入这些球的光线可在它们的表面处被吸收或反射(取决于小孔屏蔽材料的选取)，但在任何情形下，光线都被阻挡而不能透过。当通过投影透镜28将透射光线投影在观看屏29上时，就能形成球21的会聚的透射光图形的像。而该投影图像可被在I处的处于合适位置的观察者看到。
寻址电极24a、24b都是透明的。例如，它们可以用氧化铟锡(ITO)制成。如图所示，把最靠近光线入口的电极24b放在邻近进光表面25之处，或者作为在该表面上的覆盖物，从而可使它尽量靠近球22，这样使得所需的驱动电压减压最小。
显示器20的衬底22是一“蛋箱”衬底，它具有规则图案的预先形成的空腔(这里所示为柱形空腔)。在该衬底的结构和制造方面，衬底22均不同于已知显示器10的衬底12。衬底12具有球形空腔13，这些空腔是围绕着球11形成的首先，把球11嵌入衬底12，然后，将电介质流体施加至衬底12，使得衬底膨胀，从而在有球11的地方形成空腔13。相反，在显示器20的衬底22中，空腔23是全部或部分地预先形成的，然后把球21放入空腔，其方式在下面叙述。换句话说，首先形成空腔23，然后在有空腔的地方放入球，而不是在球周围形成空腔。
衬底22的“蛋箱”结构的规则性确保了以非常有规则的方式安排球21。这便于制造显示器20，因为相对于球21的阵列很容易放置(即，套准)辅助光学透镜阵列27，从而适当地通过每个球21来会聚光线，这要比这些球21不是如此规则地排列的情形要容易得多。
其余的叙述安排如下首先，给出关于球面透镜的光学的解释。其次，更全面地描述本发明的显示器的可转动透镜、辅助光学元件和蛋箱衬底元件。此后，描述本发明的若干实施例，特别示出如何可使用本发明的技术制作单色和彩色显示器。最后，给出本发明技术的一些变更和扩展。A．有关球面透镜光学的指导本发明的可转动透镜可以用诸如玻璃、塑料或环氧树脂的透明球制成。透明球的光折射特性取决于放置球体于其中的媒质。特别，如果球是用折射率比周围媒质的折射率更大的材料制成的，则球起着会聚透镜的作用。
图3和4A-4B描述了这一原理。在这些附图的每张图中，来自准直光源(未示出)的平行光线(用光线a和b来代表)入射在半径为r的透明圆球30上。按照Smith和Thompson的论述(见F.G.Smith J.H.Thompson著《光学》一书第98页，伦敦John Wiley父子有限公司1971年出版)，可以用下式描述球30的光折射-n1/L1+n2/L2=(n2-n1)/r[1]这里，L1是物距，L2是像距，n1是球外媒质的折射率，而n2是球材料的折射率。假设球30外的媒质是空气，从而n1=1.0，再假设球30是用玻璃制成的，其折射率n2约为1.9，则上式[1]可简化为1.9/L2=0.9/r[2]上式是根据这样的事实得出的，即，入射光是平行光，从而L1可当作无限大。解上式，近似得出
L2=2.1r[3]公式[3]说明，来自很远处的入射光非常接近于聚焦至球30壁上的一点。这在图3中示出。图3中的入射光的被反射部分将几乎顺着入射光的路径返回，并将沿平行方向返回到光源。在这些条件下，球30是接近于理想的逆向反射器，在高速公路和道路标志中，广泛地运用这一事实。
于是，诸如球30的透明球是一种类似透镜的结构。如果将球做得具有电偶极性，则当施加电场时，这种球面透镜球将会转动。特别是，如果球的表面不对称地覆盖具有不同的电泳性质的材料，则当存在电介质液体时它能获得一个电偶极矩。
然而，流体的存在影响了球面透镜的折射性质。例如，如果球30外面的媒质是一种折射率n1近似为1.4的电介质材料，那么，对于平行入射光线，式[1]变为1.9/L2=0.5/r[2’]或者，近似地L2=3.8r[3’]或[3’]说明，来自很远距离的入射光聚焦在远离球30的后壁的一点处。在图4A中画出了这种情况，图中，把球30配置在弹性体32的充有流体的空腔33中。例如，流体(未示出)可以是塑化油，它使弹性体32膨胀以造成空腔33。假设弹性体32和流体具有相同的折射率，一般约为1.4。
图4B示出一个球面透镜球40，假设将它浸入一种弹性体(未示出)中的电介质流体(未示出)中。把会聚透镜(诸如薄的平凸透镜39)设置在平行入射光(这里用光线a和b表示)和球40之间。透镜39的作用为把入射光的平行光束会聚成会聚光束。该光束再由球40进一步聚焦为在球40的壁上的焦点45，该点面对着入射光，如图所示，为确保光线被适当地聚焦，必须得出对于透镜39的曲率半径R以及对于隔开透镜39和球40的距离d的一些条件，这里，d从球40上的最近点处量起。利用式[1]并且设定L2=2r(举例)，可以得出，透镜39必须具有焦距L1=3.11r，从而它的焦点远远超出球40。如果d=3.8R-3.11r[4]则能满足此条件。
在图4B中，[4]式是满足的。注意，将透镜39放得离球40更远(即，增加距离d)，则使入射光被聚焦在球的近壁上；在某些情形下，这另一种安排可能有用。
总起来说，通过球面透镜球的光线聚焦在由球的折射率以及周围媒质的折射率所确定的一点处。对于gyricon显示器，周围媒质一般是一种电介质流体。球具有较高的折射率，而流体具有较低的折射率。即使如此，为了可能获得刚好在球面上的最准确的聚焦，需要外部的会聚阵列或其他辅助光学元件。具有光学上的偶极性的球面透镜按照本发明，可以将球面透镜球做得具有光学的和电学的偶极性，而gyricon显示器能够用这种偶极子球的阵列构成。现在描述制作偶极球面透镜球的两种方法小孔屏蔽和小孔光阑。小孔屏蔽在图5A-5B和图6中描绘。小孔光阑在图7A-7B和图8中描绘。
在图5A-5B和图6中，球50是透明球，它部分地覆盖有半球形或部分半球形覆盖物51，该覆盖物有中心针孔或光瞳52。球50可以是gyricon显示器的部件，并且在图5A-5B和图6中示出置于充有液体的空腔53中的情况。图5A-5B示出球50放大的侧视图，而图6示出球50的覆盖部分的放大的端视图。
在图5A-5B中还画出会聚透镜49，它把来自准直光源(未示出)的平行光线(由光线a和b表示)以这样的方式聚焦，使得如果球的取向如图5A所示，则光线通过球50，聚焦在球50的背面，因而在小孔52处。透镜49是需要的，因为球50的折射率和充在空腔53内的液体的折射率是这样的，根据上面给出的折射公式，入射光否则将被引至超出球50的焦点，而不是适当地聚焦在小孔52处。透镜49可以是一个透镜阵列的部件，该阵列用作gyricon显示器的辅助光学元件，所述gyricon显示器包含带有小孔屏蔽的球面透镜球(包括球50)的阵列。
带有中心孔52的覆盖物51起着小孔屏蔽的作用。例如，如果覆盖物51不透明，于是当球50相对于入射光处于图5A所画的取向时，入射光可经小孔52穿过球50。然而，当球50转过180度，从而处于图5B所示的相对于入射光的相反的取向时，几乎所有的入射光遇到不透明的屏蔽。只有极少量的光穿过小孔52，而根据制作覆盖物51所用的材料，其余部分的光例如被吸收或反射。
作为另一个例子，如果覆盖物51是一种透明颜色，则当球50相对于入射光处于图5A所画的取向时，入射光可经小孔52穿过球52。然而，当球转过180度，从而处于如图5B所示的相对于入射光的相反的取向时，几乎所有的入射光进入透明颜色的屏蔽。只有极少量的光穿过小孔52，而根据用来制作覆盖物51的材料，其余部分的光例如被滤色。于是，如果用白光照射球50，而覆盖物51是透明红色的，则从球50出射的透射光或者是白色(如果球50如在图5A中那样取向)或者是红色(如果球50如在图5B中那样取向)。
在图7A-7B和图8中，球70是一个透明球，在其表面上有一个色点。球70可以是gyricon显示器的部件，而在图7A-7B和图8中所示的是把它配置在充有液体的空腔73中的情形。图7A-7B示出球70放大的侧视图，而图8示出球70具有色点2的部分的放大的端视图。
在图7中还有会聚透镜69，它以这样的方式会聚来自准直光源(未示出)的入射平行光线(用光线a和b来表示)，如果球70如在图7中那样取向，则光线穿过球70聚焦在球70的背面，因而在点72处。透镜69是需要的，因为球70的折射率和充在空腔73中的液体的折射率是这样的，根据上面给出的折射公式，入射光否则将被引至超出球70的焦点，因而不能合适地聚焦在点72处。透镜69可以是透镜阵列的部分，该阵列对于gyricon显示器起着辅助光学元件的作用，所述显示器包含带有小孔光阑的球面透镜球(包括球70)的阵列。
表面上的点72起着小孔光阑的作用。例如，如果点72是不透明的，则当球70相对于入射光处于如图7A所示的取向时，入射光聚焦在点72处，因而被阻挡而通不过球70。根据用于制造点72的材料，射在点72上的光，例如能被吸收或者逆向反射回光源。然而，当球70转过180度，从而处于如图7B中所示的相对于入射光的相反取向时，几乎所有的入射光穿过球70，而只有极少量的光被点72阻挡。
作为另一个例子，如果点72是一个透明的色点，则当球70相对于入射光处于图7A画出的取向时，入射光被聚焦在点72处，因而在通过球70时被滤色。然而，当球70转过180度，从而处于如图7B中所示的相对于入射光的相反取向时，几乎所有的入射光穿过球70，而只有极少量的光被点72滤色。于是，例如，如果用白光照射球70而点72是透明的红色色点时，从球70出射的透射光或者是红色(如果球70如图7A中那样取向)或白色(如果球70如7B中那样取向)。
球50和70例如可以是玻璃微球，其折射率为1.91，诸如可以Ferro公司的Cataphote分部(Cleveland，OH)购得微球。球的直径一般为10微米。充入空腔的在球的周围的液体例如可以是ISOPARL，其折射率为1.4。
针孔52一般具有数量级为0.5微米的直径。由于其直径小，针孔52只代表覆盖物51面积的极小部分(例如，如果覆盖物51是整个半球面，则约为0.25％)。因此，当球50处于其阻挡光的取向时，通过52泄漏的光是极其微弱的，因而不会显著地影响本发明的显示器所能获得的很高的反差比。类似地，点72一般具有数量级为0.5微米的直径，因而它只代表球70(点72位于其上)的表面积的极小的部分。因此，当球70处于其透光取向时，被点72阻挡的光是极其微弱的，因而不会显著地影响本发明的显示器所能获得的很高的反差比。
为了用球(储如球50和球70)制造gyricon显示器，必须将球做成电偶极性的，最好是，它们的电偶极矩和光偶极矩方向一致。对于球50而言，覆盖层51用于产生所需的电偶极矩。覆盖层51最好是不导电的，并且具有与用于做球50的透明材料显著不同的电泳特性。当存在电介质流体(诸如充入空腔53的工作流体)时，球面80和半球面覆盖物51在电泳特性方面的差异(例如，与电介质流体接触的zeta电势的差异)产生了电偶极矩。对于球70，可以将透明的不导电的覆盖物(在图7A-7B和图8中未示出)施加至球70的半球表面的全部或者一部分(例如，施加至包含点72的半球的表面)。透明覆盖物与球70的透明材料具有不同的电泳特性，因此，当存在电介质流体(诸入充入空腔73的工作流体)时，这将产生电偶极矩。
由于如此做成的球具有电偶极性，当施加一电场时，可使它们转动，从而使它们的电偶极矩与施加场的方向一致，其方式与由先前的gyricon显示器已熟悉的方式相似。因此，按照本发明，如同球50和球70的球可与会聚透镜(如同透镜49和69)一起使用作gyricon显示器的成像元件。下面将描述一些用这些具有光学偶极性的球面透镜球构成的gyricon显示器例子。制造小孔屏蔽和小孔光阑可以用许多种技术中的任何一种技术，把用于覆盖物51和点72的不导电的覆盖材料以及用于球70的透明的不导电覆盖物分别施加至球50和70。现在参见9-10，描述使用光致抗蚀剂的一些例示的制造技术。
图9示出用于制造球面透镜球的小孔屏蔽或小孔光阑的制造装置的一部分。制造室90具有带有孔93的底板92，并且具有位于底板92对面的窗口96。例如，板92可以用金属做，而孔93是在金属中蚀刻出的。可以打开室90(未示出)，以容纳或移出透明球91；例如，窗口96可以这样来做，从而可使之回转或滑开，以容许进入室90的内部。
在制造期间，在板92上形成一层直径相同的透明球91，在每个孔93中有一个球，如图所示。为形成这单层的球，把球91放入室90，放在板92的表面上，然后使板92(或者，换一种做法，使整个室90)振动，从而使球停留在孔内。孔93是圆形的，并且具有相同的直径，该直径小于球91的相同的直径。因此，如图所示，球91可停留在孔93中，而它们表面积的相应的半球部分地突入孔93中。假设室90有侧壁(未示出)，并且一当把球91放入孔93，即可将室密封。
在将单层球91置于板92之上之后，用光致抗蚀剂部分覆盖91。例如，通过从位于室90之外的源98射出的极细的气务剂(例如，薄雾或喷雾)的办法，将光致抗蚀剂施加至球91。来自源98的光致抗蚀剂覆盖了球91的通过孔93露出的部分半球，但不进入室90的内部，因此，它不能覆盖球91的面向室90内部的那一部分。(换句话说，光致抗蚀剂气雾剂只能施加至球91突入孔93的部分)。于是，在孔93的附近，在球上形成了半球形的部分覆盖物。然后允许将施加的光致抗蚀剂干燥。
当制作光致抗蚀剂小孔屏蔽时，在孔93附近的球上形成的覆盖物最好做得越接近整个半球越好，从而可使屏蔽覆盖的面积增至最大而不想要的通过球的光泄漏减至最小。因此，只要球91不会通过孔93落下，孔93的直径要做得越大越好。即，孔93的直径刚好略小于球91的直径，从而91通过孔93突出得最多。(当制作光致抗蚀剂小孔光阑时，有相同的评论，小孔光阑将在下面参照图10加以叙述，它要被用作汽相淀积的负像)。
在光致抗蚀剂干燥后，通过窗口96把来自准直光源95的的光束引向球91。来自光源95的光最好是对于光致抗蚀剂有光化性的；一般使用紫外线。窗口96是用对光化性光线透明的材料做的；例如，如果使用紫外线，则窗口96可以用石英来做。
光束(这里用光线a和b来代表)穿过窗口96和球91周围的空气或真空，直至到达球91的球面。在那里，如以前所描述的，光束被折射；特别是，[3]式得出，从而，对于每个球，入射光束被聚焦在近似地位于球后壁的一点处，对于例示的球91a，光线近似地聚焦在点99处。可选地，并且如图所示，通过使用会聚透镜89能够校正聚焦，该会聚透镜阻断入射光束，并将入射光束从平行光束变为适当会聚的光束。
接下来要发生的事情取决于是使用正性(光致分解)光致抗蚀剂还是负性(抗光致分解)光致抗蚀剂来覆盖球·为形成小孔光阑，采用负性光致抗蚀剂。负性光致抗蚀剂向聚焦的光化性光束曝光使得光致抗蚀剂被曝光部分变硬，于是光致抗蚀剂只有在一点变硬，而其余地方不变硬。该单个点对应于小孔光阑。
·为形成小孔屏蔽，采用正性光致抗蚀剂。正性光致抗蚀剂向聚焦的光束曝光使得被曝光部分变软，而不曝光的光致抗蚀剂部分保持坚硬。于是在球上形成半球屏蔽，只有一个点不硬。该单个点相应于光瞳或屏蔽的针孔。
光致抗蚀剂，不管是正性的还是负性的，最好是高γ光致抗蚀剂，从而存在强聚焦光线聚焦于焦点时与存在不聚焦光线或散射光线时，光致抗蚀剂的行为相差很大。因此，小孔光阑或小孔屏蔽(视情况而定)的变硬要比光致抗蚀剂的其余部分快得多。
在光致抗蚀剂被光束曝光后，对球1施加用于光致抗蚀剂的显影剂。例如，可以从室90外的源向通过孔93的球喷显影剂(类似于先前从源98施加光致抗蚀剂气雾剂的方法式)。显影剂一般是高pH值的化学物质水溶液，诸如NaOH。显影剂去除任何不变硬的光致抗蚀剂。于是，对于小孔光阑，显影剂去除了除中心点之外的光致抗蚀剂(在中心点处，光致抗蚀剂已变硬)。对于小孔屏蔽，显影剂只去除了在中心点处的光致抗蚀剂，在该处光致抗蚀剂未变硬。在完成显影后，将小球用水冲洗，并从室90取下。
至此，已做出了带有光致抗蚀剂小孔光阑或小孔屏蔽覆盖层的球面透镜球。光致抗蚀剂覆盖物很可能是透明的，因为许多种通常用于光致抗蚀剂的光聚合物是透明物质。通过添加着色剂(诸如染料)或者薄的汽相淀积层，可以使小孔屏蔽或小孔光阑做得更适用于gyricon显示器。
在上述的光致抗蚀剂曝光和显影步骤完成后，可以作为最后一个步骤把染料添加至小孔屏蔽或小孔光阑。从室90取下球，并将它们浸在染料中，染料的成份是这样的，即，它被光致抗蚀剂吸收。对于小孔屏蔽，染料一般是不透明的(例如，光吸收的或光反射的)。对于小孔光阑，染料可以是不透明的(当用于单色显示器时)或者可以是透明有颜色的(当用于减色显示器中的滤色器时，下面参照图18将加以描述)。
换一种做法，如果染料的化学成份不会干扰光致抗蚀剂的曝光和显影步骤，则可在把光致抗蚀剂施加至球91之前提前把染料添加至光致抗蚀剂。
在上述的光致抗蚀剂曝光和显影步骤完成之后，作为最后一个步骤可以把汽相淀积薄膜施加至球91，以制造不透明的小孔屏蔽或反射的小孔光阑。当球91留在孔93中时，从在室90外的源通过孔93将气化物质淀积在球91上，其方式与以前用于从源98施加光致抗蚀剂的方式相类似。气化物质的薄膜由此覆盖了球91的通过孔93露出的部分半球，但不进入室90的内部，因而不覆盖球91的面对室90之内的部分。淀积的薄膜覆盖了通过孔93露出的半球的所有部分，包括球91的先前由光致抗蚀剂覆盖的部分。对于一个例示的球91b，在图10的放大图中描述了这一情形，该球具有形式为小孔屏蔽的光致抗蚀剂覆盖物100，以及罩在外面的薄膜102。图中还可看出板92的一部分，球91b经过板92上的孔93b向来自源98’的气化物质暴露。源98’和室90可被放置在一较大的真空室(未示出)中，以利于薄膜淀积。
例如，用于形成薄膜102的材料可以是由共同淀积的氟化铟和氟化镁构成的不透明不导电材料。对于小孔光阑，它也可以是金属(诸如铬)膜。对于小孔屏蔽，不推荐使用金属膜，因为由这样的薄膜提供的大的导电面积会干扰球的偶极矩的形成，因而会干扰球的转动。
一旦薄膜102淀积在光致抗蚀剂上，就把球91从室90上取下，并且将球浸在光致抗蚀剂去除溶液中。去除溶液经过薄膜102中的微孔透入并到达在薄膜下面的光致抗蚀剂(在那里，去除溶液塑化并且最终溶解光致抗蚀剂)从而在该步骤中破坏在光致抗蚀剂上的薄膜102。这导致由去除溶液去除光致抗蚀剂和薄膜。然而，在没有光致抗蚀剂作为内涂层的区域，薄膜维持原样。于是，在球上的光致抗蚀剂覆盖物起着“负片”的作用，它由光致抗蚀剂去除溶液“显影”，成为薄膜“正片”具体而言，由光致抗蚀剂小孔屏蔽覆盖物(如图10所示)得出具有薄膜小孔光阑的球面透镜，而由光致抗蚀剂小孔光阑得出具有薄膜小孔屏蔽的球面透镜。
还要说明的是如何对于小孔光阑球面透镜球形成透明的不导电覆盖物。再次使用室90。在形成单层球91和放在板2中之后，但在从源98施加光致抗蚀剂覆盖物之前，施加透明的不导电覆盖物。通过孔93快速蒸发合适的覆盖材料，诸如氟化镁，使得球91的露出部分覆盖上该材料，然后进行上述的光致抗蚀剂曝光和显影步骤。在此情况下，每个球的透明覆盖物作为其小孔光阑在这些球的同一侧。
换一种做法，可以在室90内快速蒸发覆盖材料，于是将其施加至球91的与小孔光阑相对的半球。在此情形下，当球留在孔93中时，可在任何方便的时候进行涂覆步骤。辅助光学元件如以前参照图4A-4B所描述的，当把本发明的球面透镜球浸入gyricon显示器的工作流体时，通常不能获得适当的聚焦，这是由于与球的折射率相比，流体的折射率相当大。因此，需要用辅助光学元件，才能使入射光适当聚焦在球面透镜球的壁上。
如图11A-11B示意地示出的，一个会聚透镜(每个球面透镜用一个会聚透镜)阵列可以适合这一目的。在每张图中，将一个平凸微透镜的“蝇眼”阵列110放在来自准直光源(未示出)入射光束(用光线a和b来代表)和球面透镜球120的阵列之间。图11A示出阵列110的侧视图，而图11B为俯视图。如可看到的，阵列110的每个微透镜最好与其相应的阵列120中的球面透镜球同轴地放置。例如，例示的微透镜110a、110b的中心轴分别与球120a、120b的小孔屏蔽的光瞳对准。因此，阵列110的透镜用于校正入射光束的聚焦，从而当球适当取向时，光线在小孔屏蔽光瞳或小孔光阑(视情况而定)处适当会聚。
例如，可以从United Technologies Adaptive Optics Associates,Inc.,(Cambridge,MA)购得“蝇眼”微透镜阵列。一般，该阵列是用透明塑料精密模制(例如，用注射模制)的。可以将它们做成任何几何形状的阵列，例如六边形形状(如图11B所示)或矩形形状。对于“蝇眼”阵列和球面透镜阵列，最好它们的几何形状和透镜之间的间距都相同，以确保能获得两个阵列的合适的套准(即，互相对准)。由于这个原因，如下所述，用阵列本身来形成“蛋箱”结构的图形，该“蛋箱”结构中容纳有球面透镜球。“蝇眼”阵列的每个微透镜的宽度(即，沿透镜的平面部分连接透镜的两个顶点形成的弦的线性尺度)最好与“蛋箱”空腔的直径相等，从而使得从透镜至球面透镜阵列的透光效率达到最大。
利用置于两个阵列之间的透明间隔物能够保持“蝇眼”阵列与球面透镜阵列之间的合适间距。例如，在图11A中，平凸透镜阵列110以其微透镜元件的凸侧迎着入射光，而透明的间隔物115与阵列110的平面表面相接，该平面表面背向入射光。间隔物115是一块透明平板，其折射率与透镜阵列110的相同，并且在靠近球面透镜元件的一侧设置ITO电极覆盖物116。可以用两种方法使间隔物115附于透镜阵列110，一种做法是制作一个单块结构(例如，用注射模制塑料)，它包括透镜阵列110和间隔物115两者；另一种做法是分开制造透镜阵列110和间隔物115，然后用环氧树脂或其他的透明粘合材料把透镜阵列110与间隔物115粘合。间隔物115的厚度须使当透镜阵列与间隔物的组合114与球面透镜阵列120的表面相贴合时，如图所示，可以得到正确的光学关系。特别是，微透镜与球面透镜球相组合，使得光线聚焦在球壁上。“蛋箱”衬底为了确保“蝇眼”透镜阵列与球面透镜球的合适套准，最好采用非常有规则的几何图案阵列，从而“蝇眼”阵列的所有透镜能够同时与所有的球面透镜球对准(即，从而一个微透镜与一个球的合适对准不会导致另一微透镜和另一球的对不准)。如果特别当心，以确保球的直径非常一致，并且将它们在弹性体中放置成紧密排列的阵列，则可采用在已知的gyricon显示器中实际使用的普通的弹性体衬底。然而，在本发明的显示器中，最好采用另一类衬底。这里，把这类新的衬底称之为“蛋箱”衬底。在该衬底中，有中空单元的规则阵列或图案，因而类似于蛋箱或蜂巢的内部。单元排列或规则图案，即使在球的直径不一致时也确保了球面透镜球的规则放置和间距。换句话说，“蛋箱”衬底的几何结构的规则性与球直径的均匀性或者把球仔细地放置在衬底中无关。
在图12A中，以侧视图示出了空的“蛋箱”衬底120的一部分，而在图12B中给出了三维剖视图。衬底120具有透明的前、后表面125、126，并且包含了均匀空腔123的几何上规则的阵列(在本实施例中，空腔是圆柱形的，并且在单层内安排紧密排列的如由六边形H指出的六边形形状)。腔壁可做成不透明的，以减少光泄漏。在每个空腔中充有透明的电介质流体(未出示)(诸如一种油)，在本实施例中，流体的折射率与衬底的透明材料的折射率接近匹配。在工作的gyricon显示器中，在“蛋箱”衬底的每个空腔中放一个球，如图12C所示，在那里，球面透镜球121占据空腔123。当球浸在充入空腔123的电介质流体时，每个球121获得一个电偶极矩。
空腔123的直径略大于球121的直径，但最好不比确保在施加电场时球121合适转动所需的更大。类似地，空腔123的深度只是略大于球121的直径，从而把球在腔内的平移减至最小，从而相对于“蝇眼”阵列的透镜元件，保持这些球在合适的聚焦距离。
希望把球121在gyricon显示器中排列得越紧越好，最好排成单层。紧密排列的单层结构使得本发明的gyricon显示器的透光效率达到最大。虽然也可采用矩形或菱形几何形状，但六边形排列的几何形状使成像元件的密度最高。对于任何给定的几何结构，使腔123壁薄得与结构整体相适应，将使球的排列密度达到最大。制造“蛋箱”衬底不像已知的gyricon显示器的衬底那样，本发明的“蛋箱”衬底不用弹性体层来做。而是根据“蝇眼”透镜阵列用这样的方式精密制成的，从而它将与“蝇眼”阵列的几何形状和间距密切匹配。
通过将准直光束穿过“蝇眼”透镜阵列，照在位于靠近“蝇眼”透镜阵列的焦平面处的照相底片来制作照相掩模(它是一个点阵)。这由图13示意性地示出。光源(未示出)产生准直光束(这里用光线a和b来表示)，将此光束引向“蝇眼”阵列1 31。光束进入阵列131的微透镜元件，并被其聚焦。特别是，入射在“蝇眼”透镜阵列131的例示的微透镜元件131a上的光线由此被聚焦至点132a，它位于元件131的焦平面f中，并且相对于入射光束直接在元件131a之后。把一张平的、先前来曝光的照相底片132放置得与焦平面f平行，并且稍微放在该焦平面之前或之后，用来自元件131a的会聚光照射照相底片并由此使其曝光，从而当将照相底片显影时，在底片上出现一点。对于阵列的每个微透镜出现一个类似的点。点的直径取决于焦平面f和底片132的平面之间的距离Δ。如此曝光和显影的底片132成为制造“蛋箱”衬底的掩模。
接下来，涂有ITO的玻璃板再用光聚合物的薄层来覆盖(例如名为RISTON的光致抗蚀剂可从Wilmington,DE的E.I.du Pont de Nemours and Co.购得)。RISTON是一种负性光致抗蚀剂，从制造商购得的是聚合物片的形式，一般为2密耳厚。在加热和加压的条件下，可使RISTON片附着于玻璃片，通过接连施加多层就能获得所需的厚度。
当把RISTON用紫外光曝光时，它就光致硬化(photoharden)，从而当随后将它放入pH值高的显影水溶液中时，只有未曝光的部分被溶解。于是可刻蚀RISTON以形成“蛋箱”衬底的圆柱形空腔。具体而言，使带有点阵的光刻掩模与覆盖玻璃板的RISTON表面接触(点阵是根据“蝇眼”透镜阵列形成的)。再将此组件用来自光致抗蚀剂曝光系统的准直性极好的紫外光曝光。此光线不能透过光刻掩模上的点，但是RISTON的所有其他部分都被曝光，于是光致变硬。此后，移去光刻掩模，并将覆盖RISTON的玻璃板放在显影的水溶液中。当进行UV曝光时在光刻掩模的点子下方的RISTON区域被显影剂溶解，留下接近圆柱形的孔。(实际上，孔是略有锥度的，从而在邻近玻璃板处孔的直径小于在空气界面处的孔的直径)。
在图14中示在这一制造阶段时所形成“蛋箱”结构150′的一部分。RISTON层151包含空腔152，并在其上盖有由未刻蚀的RISTON构成的平坦表面153。层151位于透明板154之上，透明板涂覆有ITO电极155，如图所示。层151的厚度一般为4密耳；板154的厚度一般为30至40密耳。
在此刻的一个可选的添加步骤是将不透明的染料加RISTON层151。例如，通过把部分形成的“蛋箱”结构150′浸入合适的被RISTON吸收的染料可以做到这一点。此后，将多余的染料冲洗掉。
为完成“蛋箱”结构，把球面透镜球放入空腔中，加上顶盖，该结构充以电介质流体并加以密封，这示于图15A-15B。图15A示出“蛋箱”结构150(在球156放入空腔152中并且加上顶盖之后，但在充入电介质流体之前)的侧视图。在此实施例中，顶盖159由“蝇眼”阵列连同透明间隔物及其ITO涂层构成，这相应于先前参照图11A描述过的透镜阵列-间隔物组合114。由支座(standoff)158把顶盖159和板154分开，支座可由板154的加厚的周边区域构成，如图15B的顶视图所示。例如，用诸如环氧树脂等粘合材料把顶盖159附着于支座158，以形成气密密封。(在如此附着顶盖159之前，它的“蝇眼”透镜阵列要与“蛋箱”结构150的空腔152对正，这将在下一节中讨论)。
支座158的厚度最好比层151的厚度略大(例如，大1至2微米)，从而在表面153和顶盖159之间留有一空隙。此空隙很小，因此球156逃不出腔152。此空隙容许空气逸出(否则，如果盖159与表面153齐平；则空气被困在腔152中)，它还容许电介质流体进入空腔152。
制造“蛋箱”的工作现在几乎都做好了；剩下的工作是加入电介质流体。为做这项工作，将一个真空泵与端口154a、154b之一相接(这两个端口是在板154中预先钻好的)，并将用于电介质流体的泵接至另一个端口。于是从“蛋箱”结构内部的一端抽走空气，与此同时，在另一端处泵入电介质流体。然后将端口154a、154b密封(例如用环氧树脂)，于是完成“蛋箱”结构。
也可以用其他的制造技术来构成“蛋箱”结构。例如，如果希望用环氧树脂而不是RISTON来制作“蛋箱”结构，则上述的刻蚀步骤可以变更如下不是从具有点阵的光刻掩模出发，而是要采用负像，即，在光刻掩模上的不透明覆盖物中的孔的阵列。经过上述的RISTON刻蚀步骤得出了从玻璃板凸出圆柱体阵列。接下来，在第二块玻璃板上涂覆一层未固化的环氧树脂，然后将两块玻璃板压在一起并保持在一起直至环氧树脂变硬。此后，将两块玻璃板分开，从而RISTON圆柱体保持固定在环氧树脂涂层中。此后，用不侵蚀环氧树脂的溶剂(例如，丙酮)去除RISTON圆柱体。其结果是一种环氧树脂“蛋箱”结构。
还有一种制造的可能性是如上所述由RISTON构成“蛋箱”结构，然后再在其顶上浇一层可模制的、高撕裂强度的橡胶，诸如Dow Coming SILASTIC T-2，采用真空装置从圆柱腔中去除空气于是使未硬化的橡胶流入圆柱腔。在硬化后，橡胶模可从RISTON模上脱下，这是由于圆柱孔有锥度的缘故。然后，把橡胶模用作低成本的模子以代替RISTON母模。例如，可以将橡胶结构压入以环氧树脂涂覆的表面，并在环氧树脂硬化后移走橡胶结构，此后留下“蛋箱”结构的下面部分。
还有一种也是低成本的制造的可能性是用注射模制技术由塑料来构成“蛋箱”空腔。例如，采用与上述光刻掩模相反的光刻掩模(其中，点是透明的，而掩模的其他部分是不透明的)。反的RISTON“蛋箱”用高质量的陶瓷浆涂敷，随后使陶瓷浆硬化，例如用空气干燥。将此结构加热至高温，致使RISTON烧掉。然后将液态金属(诸如不锈钢)强制送入陶瓷结构，并在那里固化。然后，通过使陶瓷破碎很容去掉它，因为它十分脆。得到的结果是一个适于塑料注射模制的结构。也可以采用其他方法做出用于“蛋箱”的注射模制结构。
不管用哪种制造技术，为了确保“蛋箱”与“蝇眼”透镜阵列的最佳套准，重要的是“蛋箱”结构要直接根据“蝇眼”透镜阵列的结构来制造。这样可以自动地补偿“蝇眼”阵列中的透镜之间的间距不够理想均匀带来的微小偏差，否则，这将引起“蝇眼”微透镜相对于球面透镜球的严重的周期性的对不准。“蝇眼”透镜阵列与“蛋箱”衬底的套准在形成“蛋箱”结构150时，顶盖159和“蝇眼”透镜阵列必须与部分形成的“蛋箱”结构150′套准，从而“蝇眼”透镜阵列元件合适地与空腔152对准，因而与球面透镜元件对准。这种套准是可能的，因为如已描述的那样，“蛋箱”结构是根据光刻掩模形成的，而光刻掩模是根据“蝇眼”透镜阵列本身制作的。
在即将把球156加入到空腔152中之前可以方便地进行套准。例如，能够采用光学对准技术。把顶盖放置得和部分形成的“蛋箱”结构150′平行并且与之粗略对准。用光束照射顶盖159，并且调整顶盖159和部分形成的结构150′的相对位置，直至透过的光达到最大。一旦套准，把顶盖沿着一条与部分结构150′的平面垂直的精确的直线从部分结构150′移走。这容许将球156加至空腔152。以后，在将顶盖与支座158接合之前，将顶盖仍旧沿着精确的垂直线向部分结构150′移回，从而不破坏套准。
如果“蝇眼”阵列做成与顶盖159的其余部分分开的一块而不是成为单块的整体，则套准步骤可推迟到“蛋箱”150被充以电介质流体并且密封之后。在此情况下，在套准之前，应通过施加电场使在空腔152中的球156取向，从而使光透射达到最大。可以做到这一点，因为空腔152已在此刻充有流体，于是球156呈现电偶极性。基于可转动透镜的透射gyricon显示器现在可以概要地总结本发明的gyricon显示器的制造步骤。如前所述，制造所需类型(例如，小孔屏蔽球或小孔光阑球)的球面透镜球。亦如前所述，用一个“蝇眼”透镜阵列来制造带有透明ITO电极的相配的“蛋箱”结构。在将电介质流体充入显示器并将其密封之前，将球放入“蛋箱”结构，并且在一合适的阶段，使“蝇眼”阵列与“蛋箱”空腔和球对准。在完工的显示器周围最好有保护外壳。于是显示器可投入使用。
图16示出在投影系统中使用本发明的显示装置的一种例示的安排。用来自白光光源L并由透镜169准直的光线照射本发明的透射gyricon显示装置160。投影透镜165将得到的图像投射在屏幕167上。例如，可以采用像素可寻址的有源矩阵寻址电路对gyricon装置160寻址。如在已知的gyricon显示器中那样，一般，每个像素使用多个球(例如，九个或更多个)。一般，装置160的球面透镜球会迅速地响应于寻址逻辑，从而能获得视频帧速率。
对于一种简单的单色显示器，显示160可以用具有不透明的小孔屏蔽的球面透镜球来做。在此情形下，沿着垂直于“蛋箱”衬底的平面的方向之一施加电场导致在施加电场附近的球转动，从而它们的小孔屏蔽面向光源L，于是阻挡了光线，而产生黑色输出。沿相反方向施加电场导致球转过180度，从而它们的小孔屏蔽背向光源L，从而光透过它们的针孔状小孔并产生白色输出。
一般，按照本发明的gyricon显示器可以做成不同的尺寸和形状，并且对于gyricon球、“蛋箱”衬底和电介质流体可以使用各种材料。本发明的显示器也具有gyricon显示器所固有的其他优点。例如，可以将它们做得既薄又轻。它们是光学双稳态的，于是，一当显示一幅图像后，即使在电场去除之后该图像也会保持。由于它们的双稳态性，显示器仅在像素改变状态时消耗功率，从而显示器可在低功率下工作。
如将要示出的，按照本发明亦可构造彩色显示器。根据操作和根据在构造球时使用的材料，许多不同的染料能够适合于用作着色剂，以在球面透镜球的小孔屏蔽和光阑中提供有色彩颜色和无色彩颜色。(下文使用的“无色彩颜色是指基本上缺少色彩的颜色，即，指黑、白、灰和无色，而下文中使用的“有色彩颜色”是指其他颜色，包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、青、红紫、粉红、棕色、浅褐色、等等)。作为举例，任何给定的小孔光阑或屏蔽可以是黑；白；无色(即，基本上透明而无色彩，如水或普通的窗玻璃)；透明颜色(例如，用于RGB加色显示器的透明红、蓝或绿；用于CMY减色显示器的透明青、红紫或黄)；等等。加色(RGB)可转动透镜显示器为制造加色红绿蓝(RGB)显示器，可将图16的显示器160作如下的改变在显示器的“蛋箱”中，以像素样式安排三种不同颜色的球面透镜球(即，带有透射滤色小孔屏蔽或光阑的红、绿和蓝色球面透镜球)。每个像素由红、绿和蓝三个子像素构成，每个子像素可以与其它子像素无关地寻址。(即，可转动一种颜色的球面透镜球而不影响其他两种颜色的球。)每个子像素最好有多个(例如，九个或更多个)球。
在图17A中示出一种子像素样式。该图示出了“蛋箱”衬底1010的一个放大部分的顶视图。在“蛋箱”衬底1010的子像素中，放置着每种颜色(RGB)的球面透镜球。像素1070包括红色子像素1071、绿色子像素1072和蓝色子像素1073。每个子像素只包含其各自颜色的gyricon球1074、1075、1076；例如，在红色子像素1071中的所有的gyricon球1074都是红色的。在不同的实施例中子像素在每个像素中的安排可以改变；例如，如图17A所示，可以安排子像素，从而形成六边形瓷砖样式。
每个子像素可在彩色和白色或在彩色和黑色之间改变。例如，为获得彩色至白色的改变，可以使用无色的带有透明的滤色小孔光阑的球面透镜球。当球如此取向，使得它的小孔光阑背向入射白光时，则光经过小孔光阑聚，再由此滤色，从而出射光是小孔光阑的颜色(即，红、绿或蓝)。当球如此取向，使得它的小孔光阑面向入射光时，则基本上所有的入射光由透明的球透射，从而出射光为白色。例如，为得到彩色至黑色改变，可以使用由透明的有色玻璃制造并带有不透明小孔屏蔽的球面透镜球。当球如此取向，使得使其小孔屏蔽背向入射白光时，则当光线穿过球时被滤色并且通过小孔屏蔽的光瞳被聚焦，从而出射光是球的颜色(即，红、绿或蓝)。当球取向，使得使其小孔屏蔽面向入射光时，则基本上所有的入射光被阻挡，从而几乎没有或没有光出射。将不同的球按计划地放入“蛋箱”衬底的制造技术RGB gyricon显示器是由三种不同的球面透镜球(即，带有红色小孔光阑或屏蔽的球、带有绿色小孔光阑或屏蔽的球以及带有蓝色小孔光阑或屏蔽的球)构成的。把这三种不同的球放置在“蛋箱”衬底的不同的子像素区域。红色子像素只包含赋以红色的球，而不包含其他两种球。类似地，绿色子像素只包含赋以绿色的球，而蓝色子像素只包含赋以蓝色的球。于是，为了构造这种gyricon显示器，需要一种制造技术来把不同种类的球放入“蛋箱”衬底中的它们各自的不同位置，从而得到红色、绿色和蓝色子像素(例如，图17A的样式)的所要的几何样式。
现在描述用于在“蛋箱”衬底中把gyricon球放在规定位置的一种技术。特别是，这种技术可用来以任何所需的子像素样式来安置红、绿和蓝色gyricon球。
转至图17B，该图示出用于制造“蛋箱”衬底的型式的光刻掩模171。这一掩模可以高分辨率数字化，并且，通过数字图像处理，变为三个子掩模。例如，不同于172a附近的点172可以在数字域中去除，产生示于图17c的改变的掩模图像173。这一掩模图像可用于产生一改变的光刻掩模。对于在172b和172c附近的点可进行类似的处理，从而全部制得三个改变的光刻掩模，每个掩模用于一种子像素颜色。
然后，根据每个改变的光刻掩模做出一个金属(例如，镍)网屏。即，对于红、绿和蓝色子像素样式的每个样式有一个网屏。这种网屏的一例示于图17D。网屏177除了孔178之外是薄而又坚固的，孔178相应于“蛋箱”衬底中放置某种子像素颜色(例如，红色)的球的位置。
在制造“蛋箱”衬底期间，就在把球放入空腔中之前，依次将每个金属网屏放在“蛋箱’’开放的圆柱腔之上并与之对准。然后将具有合适颜色(例如，红色)的球放在网屏上。球通过孔178落入“蛋箱”的圆柱腔。为了加快这一步骤，可将网屏轻轻地振动。“蛋箱”的每个空腔的尺寸只能容纳一个球，从而一当充满一个空腔，额外的球不能进入该空腔。一当用于这种颜色子像素样式的所有空腔都被球填满时，就以剩下的用于其他两种颜色的网屏重复这一步骤。多层减色(CMY/K)可转动透镜显示器为了提供一种青-红紫-黄(CMY)减色显示器，也可使用带有球面透镜成像元件的gyricon显示器。在减色成像中，一般采用透明滤色器或染料从入射光中滤除不要的颜色分量。这里，gyaricon球(尤其是它们的小孔屏蔽或光阑)起着滤色器的作用。
为制造减色显示器，可以制造一叠单色显示器。对于CMY显示器180，图18示出了这一情形。这一叠层的三个分支单元181。182和183中的每一个单元是一个类似于图16的显示器160的显示器。尤其是，每个单元具有其本身的“蝇眼”微透镜阵列和其本身的寻址电极。每个单元可与其他单元独立地被寻址。分支单元181、182、183中的每一个包含滤色球面透镜球(如前所述，为小孔光阑或小孔屏蔽)，从而任何一个分支单元的一个给定的成像元件根据球的取向可透过白光或者一种透明颜色。例如，单元181可具有青色滤色球面透镜球，单元182可具有红紫色滤色球面透镜球，而单元183可具有黄色滤色球面透镜球。可选地，可将一个额外的分支单元加至叠层(未示出)，该单元包含不透明屏蔽球面透镜球，以提供黑色分量，由此给出完全的CMYK颜色性能。
在显示器180中，叠层中的分支单元181、182、183的对准是至关重要的，因为从单元181中的一个成像元件(诸如例示的元件181a)出射的光必须在此之后分别通过在其余的单元182、183中的相应的成像元件(诸如例示的元件182a、183a)。为达到正确对准，用于分支单元中的“蝇眼”阵列和“蛋箱”衬底应该具有相同的几何形状和间距。例如，阵列184、185和186都是根据由相同样式得出的模具精密制成的。此后，例如，用光学对准技术来获得分支单元的相互套准。例如，使单元181和182的所有的球面透镜球处于它们的完全透射取向，通过保持单元181固定而调节单元182的位置，可以使通过由这些单元构成的部分叠层的光量达到最大。此后，对于单元183和任何额外的单元，可重复此步骤。
虽然对于所有的单元来说，在“蝇眼”阵列中的微透镜元件的间距和几何形状是相同的，但不同单元的微透镜的焦距可以不同。例如，并且如图18所示，入射光束(这里用光线a和b代表)是准直光束，而从例示的元件181a出射的光线是发散的。合适的间距和焦距将取决于“蝇眼”透镜阵列的曲率半径和所用材料的折射率。例如相继单元之间的间距可以由诸如支座187、188等支座来保持。换一种做法，可将额外的“绳眼”阵列(未示出)设置在单元之间，以使发散光束变成准直光束。与这些单元本身一样，这些额外的阵列须仔细地对准，以确保从一个单元至另一个单元必须仔细地对准，以确保从一个单元至另一个单元的合适的光透射。
在一给定的单元内，一个或多个球面透镜球的组可用来提供用于减色的分量颜色。在每个像素中，对于每一种分量颜色，最好用大量(例如九个或更多个)的互相靠近的球。这样，一个像素是由三个颜色区域的一列构成，它们的位置互相重叠，一个区域来自三层中的每一层。
与加色显示器不同，在减色显示器中没有不同颜色的子像素。而是，每个像素的整个区域用所有的分量颜色来填充，这些颜色互相重叠。与加色技术能得到的最终的彩色成像相比，减色技术能改进最终彩色成像的丰富度和准确度。
本发明的减色gyricon显示器不必限于青、红紫和黄色分量颜色。可用其他颜色替代，并增添携带额外颜色的额外层。尤其是，如上所述，可以加入黑色。此外，本发明的减色gyricon显示器可用少于三种的分量颜色来做。例如，可以做出两层的叠层。它包括带有不透明屏蔽的第一层球(如在CMYK显示器中那样)，以及带有一种透明颜色的小孔光阑或屏蔽的第二层球。这种显示器对于提供黑色加上一种辉亮颜色的显示是有用的。另一种可能性是这样一种两层叠层，其第一层为第一种透明颜色，而第二层是其互补色(亦是透明的)。例如，第一层为蓝色，而第二层为黄色。这种显示器能产生它的每一种分量颜色加上黑色，这是由将两种互补颜色都减去得到的。灰度等级和部分的颜色饱和到目前为止，所描述的本发明的显示器在每种分量颜色方面是二元的。例如，在单色显示器中，单个成像元件提供白色或者黑色，但没有灰度等级。类似地，在透射彩色显示器中，单个成像元件提供完全不滤色的光透射或者完全饱和的颜色或分量颜色，而不是部分饱和的颜色。
为了在本发明的显示器中获得灰度等级以及部分的颜色饱和，可以使用下面的技术显示器以特征的扫描速率(例如，以视频帧速率)工作。在一帧期间，每个象素被重新寻址(子扫描)若干次。这使得对于每个像素光透射正比于所需的亮度值。为增加动态范围，对于每个子扫描，可改变投影光源的强度(例如，对数地改变)。改变和扩展下面的特定的实施例只是代表了实现本发明的某些可能性。在本发明的精神下，许多其他的实施例也是可能的。例如·本发明的gyricon彩色透射显示器不必限于常规的RGB或CMY/CMYK颜色方案。为了改进颜色范围，可以把额外的颜色包括进来。此外，可以提供一种规定的定制的颜色(例如，为了确保准确地显现一个公司的标识)。还有，可以用较少的颜色；例如，如前面所述，可以构造一种有辉亮颜色的装置。
·gyricon球的电学各向异性不必非根据zeta电势不可。具有与球相关的电偶极矩就足够了，偶极矩相对于球如此对齐，以在存在施加的外部电场时，有助于球的有用转动。(一般，偶极矩沿球的对称轴取向)。此外，应该注意，gyricon球除了其电偶极矩之外，还可以有电单极矩；例如，由两个大小不等的正电荷的分离而产生的偶极矩，得出的电荷分布等价于一个正的电单极子与一个电偶极子叠加。
·虽然上面已经描述的gyricon球对DC寻址电压作出响应而转动(而由Goodrich在第4,261,653号美国专利中揭示的不是如此)，这些球也可以对某些AC寻址电压作出响应。此外，值得称道的是，即使对于球只对非DC电压(例如，在Goodrich情形中的RF电压)作出响应而转动的gyricon显示器，本发明的某些方面亦适用。
·球面透镜gyricon球的光学各向异性不一定非基于颜色不可。作为gyricon球的不同方面，其他的光学性质会改变而呈现给观察者，这些光学性质包括(但不限于)偏振、双折射、相位滞后、光散射和光反射。一般，可以多种方法用gyricon球来调制光。
·进入gyricon显示器的入射光不必限于可见光。例如，用合适的材料制造gyricon球，则入射“光”可以是红外光或紫外光，而这些光可由gyricon来调制。
·采用例如子扫描技术，在上面已经描写了提供颜色饱和控制的彩色gyricon显示器。然而，对于每个象素，每种颜色只提供两种饱和(即，完全饱和或最小饱和)但不提供可变颜色饱和控制的一种彩色像素可寻址gyricon仍然有用·特别，可以制造CMY显示器，它适用于半色调颜色应用。
·按照本发明的彩色gyricon显示器可以用许多种不同于那些前面已描述的方法来制造。例如，RGB透射显示器可以用三个分开的球面透镜阵列来做，每种颜色一个透镜阵列，用类似于在投影电视屏幕中使用的那些光学结构来组合这些透镜阵列的像。作为另一个例子，对于基于小孔屏蔽的RGB显示器，颜色可由透明的颜色覆盖物或者由加至“蝇眼”阵列的着色剂提供，而不是用有色材料来做球面透镜球本身。
·上述本发明技术的三个组成部分(即，可转动透镜、辅助光学元件和“蛋箱”衬底)中的某些部分除了上面叙述的之外，还可以在其他方面和组合中有用。例如，具有“蛋箱”衬底的gyricon显示器可以用除了转动透镜之外的成像元件来做。辅助光学元件(“蝇眼”阵列或其他光学元件，或任何组合)亦可用于基于可转动透镜之外的成像元件的gyricon显示器。可做出除了这里所示出的类型的可转动透镜球，可以开发出用于把球包括入各种gyricon显示器的其他光学结构。
总起来，可以提供一种具有辅助光学结构的gyricon或转动粒子显示器。显示器包括带有透光窗口的衬底、配置在衬底中的多个粒子以及光耦合至窗口的聚光元件。每个粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，电偶极矩使得该粒子能作出电的响应，从而当粒子可转动地配置在电场中，同时提供粒子的电偶极矩时，粒子会转动至使其电偶极矩的取向与场一致。当粒子如此配置在衬底中时，可以获得每个粒子的可转动配置当可转动地配置粒子时，它不附着于衬底。每个粒子，当在衬底中可转动地配置时，相对于透光窗口可配置为第一和第二转动取向。当每个粒子相对于经过窗口的光能通量配置在其第一取向时，它提供第一光调制特性，当相对于经过窗口的光能通量配置在第二取向时，它还提供第二光调制特性。聚光元件可以是光折射的；例如，它可以包括会聚透镜的阵列，诸如微透镜的“蝇眼”阵列。在此情况下，粒子可配置在一个阵列中，该阵列与透镜阵列套准。
可以提供具有“蛋箱”衬底的gyricon或转动粒子显示器。显示器包括具有容纳空腔的基体的衬底，它的空腔大致上设置在单层内，并且按几何上规则的图案安排在基体中，并且把多个光学上各向异性的粒子配置在衬底内的空腔中，每个空腔至多配置一个光学上各向异性的粒子。当在衬底中如此配置粒子时，可以获得每个粒子的可转动配置当可转动地配置粒子时，粒子不附着于衬底。例如，每个粒子可具有各向异性，以提供电偶极矩，电偶极矩使得粒子能作出电的响应，从而当粒子可转动地配置在电场中，而同时提供粒子的电偶极矩时，粒子会转动至使其电偶极矩的取向与外场一致。单层的空腔可以基本上是平面的，而空腔的几何图案可以是在层的平面中的二维阵列图案，诸如六边形、矩形或者菱形阵列图案。衬底还可包括第一和第二部件，而基体设置在这两个部件之间；至少一个部件可包括一个透光窗口，光能通量可通过该窗口从而入射在粒子上。
可以提供具有第一折射率的透光电介质流体和可转动地配置在所述流体中的光学上各向异性的粒子的组合。粒子至少具有一个透光区域，该区域间具有第二折射率。当粒子相对于光能通量在流体中配置得沿第一取向时，它提供第一光调制特性，当粒子相对于光能通量在流体中配置得沿第二取向时，它还提供第二光调制特性。粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，电偶极矩使得粒子作出电的响应，从而当粒子可转动地配置在电场中，同时提供粒子的电偶极矩时，粒子会转动至使其电偶极矩的取向与场一致。例如，把粒子配置在流体中可产生粒子的电偶极矩。流体-粒子组合可用于制造gyricon或转动粒子显示器，其中，显示器中的每个可转动粒子(例如，圆球)起着透镜的作用。
因此，本发明的范围不仅仅局限于上述的说明书，而是由所附的权利要求书连同其全范围的等价物给出。
权利要求
1．一种设备，其特征在于包括具有透光窗口的衬底；配置在所述衬底中的多个粒子；每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动地配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底，当每个所述粒子可转动地配置在所述衬底中时，每个所述粒子可以相对于所述透光窗口沿第一和第二转动取向配置，当每个所述粒子相对于经过所述窗口的光能通量沿所述第一取向配置时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于经过所述窗口的光能通量沿所述第二取向配置时，每个所述粒子还提供第二光调制特性；以及光耦合至所述窗口的聚光元件。
2．如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述聚光元件是光折射的。
3．如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光折射的聚光元件包括透镜的阵列。
4．如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述透镜阵列包括会聚透镜的阵列。
5．如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述透镜阵列包括微透镜的阵列。
6．如权利要求3所述的设备，其特征在于，将所述粒子配置在与所述透镜阵列套准的阵列中。
7．如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述聚光元件与所述窗口在结构上包括在单个单元中。
8．如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述聚光元件在结构上与所述窗口有区别，但固定地附着于所述窗口。
9．如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述衬底包含有电介质流体，而将所述粒子配置在所述衬底中，并与所述流体相接触。
10．如权利要求9所述的设备，其特征在于，将所述粒子配置在所述流体中，从而引起所述粒子的相应的所述电偶极矩。
11．如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电介质流体是一种具有第一折射律的透光流体，而每个所述粒子构成具有第二折射律的一个透光区域。
12．如权利要求11所述的设备，其特征在于，当每个所述粒子沿所述第一和第二转动取向的至少一个取向配置，并且当用通过所述衬底窗口的光能通量照射时，每个所述粒子产生折射效应，此折射效应的产生是由于所述第一和第二折射率互不相同引起的。
13．如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述每个粒子的所述透光区域与所述第一光调制特性相关联，并且每个所述粒子还包括具有第二光学性质的区域，该区域与所述第二光调制特性相关联。
14．如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个所述粒子包括一个圆球。
15．如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述球具有第一和第二半球，并且所述球的所述第一半球与第一zeta电势相关联，所述球的所述第二半球与第二zeta电势相关联，当将所述球配置在所述电介质流体中时，产生所述第一和第二zeta电势，而所述第一和第二zeta电势对所述电偶极矩作出贡献。
16．如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括产生电场的装置，以使可转动地配置在所述衬底中的至少一个所述粒子转动。
17．如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述电场产生装置包括对可转动地配置在所述空腔中的一组所述粒子有选择地寻址的装置，该组粒子至少包括一个粒子，通过施加电场至所述的一组粒子，并由此使所述一组粒子中的至少一个粒子转动。
18．一种装置，其特征在于包括衬底，它包括具有多个空腔的基体，所述衬底具有透光窗口；具有第一折射率的透光流体，配置在所述基体的所述空腔中；配置在所述基体的所述空腔中、与所述流体接触的多个光学上各向异性的粒子，每个所述粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当每个所述粒子相对于光能通量沿第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子还提供第二光调制特性，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底；以及光耦合至所述窗口的聚光元件。
19．如权利要求18所述的设备，其特征在于，还包括产生电场的装置，以使可转动地配置在所述衬底中的至少一个所述粒子转动。
20．一种设备，其特征在于包括具有透光窗口的衬底，它包含具有第一折射率的透光电介质流体；配置在所述衬底中的多个粒子，每个所述粒子具有至少一个透光区域，所述透光区域具有第二折射率，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底，当每个所述粒子可转动地配置在所述衬底中时，每个所述粒子相对于所述透光窗口可沿第一或第二转动取向配置，当每个所述粒子相对于穿过所述窗口的光能通量沿所述第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于穿过所述窗口的光能通量沿所述第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子还提供第二光调制特性；以及光耦合至所述窗口的光调制元件。
21．如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述光调制元件包括聚光元件。
22．一种设备，其特征在于包括衬底，它包括包含空腔的基体，所述基体具有多个所述空腔，在所述基体中，所述多个空腔大体上设置在一层中，并且大体上按一种几何上有规则的图案将所述多个空腔安排在所述基体中；以及配置在所述衬底的所述空腔中的多个光学上各向异性的粒子，每个所述空腔至多包含一个所述光学上各向异性的粒子，当所述粒子如此地配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底。
23．如权利要求22所述的设备，其特征在于，每个所述粒子具有各向异性，以提供所述电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向。
24．如权利要求22所述的设备，其特征在于，在所述衬底中，所述粒子是可转动的。
25．如权利要求22所述的设备，其特征在于，当所述粒子配置在所述衬底中时，可通过对所述衬底作非破坏性的操作而使所述粒子可在所述衬底中转动。
26．如权利要求22所述的设备，其特征在于，每个所述粒子具有多个引起所述粒子的光学上的各向异性的组成区域，所述区域包括具有第一光调制特性的第一区域和具有第二光调制特性的第二区域。
27．如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述单层大体上是平面的，并且所述空腔的几何图案是所述层的平面内的一个二维阵列图案。
28．如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述二维图案是从包括六边形阵列图案、矩形阵列图案和菱形阵列图案的组中选出的。
29．如权利要求22所述的设备，其特征在于，在所述层中，把所述空腔排列得尽可能紧密。
30．如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述衬底还包括第一和第二部件，而所述基体设置在所述第一和第二部件之间。
31．如权利要求30所述的设备，其特征在于，所述第一和第二部件中的至少一个部件包括透光窗口，光能通量可通过所述窗口从而入射在所述粒子上。
32．如权利要求22所述的设备，其特征在于，还包括配置在所述基体的所述空腔中的透光电介质流体，所述粒子与所述流体接触。
33．如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述流体具有第一折射率，而每个所述粒子具有至少一个透光区域，该区域具有第二折射率。
34．如权利要求33所述的设备，其特征在于，当每个所述粒子相对于光能通量沿所述第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，并且当每个所述粒子相对于光能通量沿所述第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第二光调制特性。
35．如权利要求34所述的设备，其特征在于，当每个所述粒子沿所述第一和第二可转动取向的至少一个取向配置时产生折射效应，这是由于所述第一和第二折射率互不相同而引起的。
36．如权利要求32所述的设备，其特征在于，所述粒子在所述流体中的配置引起相应的电偶极矩。
37．如权利要求22所述的设备，其特征在于，每个所述粒子包括一个圆球。
38．如权利要求22所述的设备，其特征在于，还包括产生电场的装置，以使可转动地配置在所述衬底中的至少一个所述粒子转动。
39．一种装置，其特征在于包括衬底，它包括包含空腔的基体，所述基体具有多个所述空腔，在所述基体中，所述多个空腔大体上配置在一层中，并且大体上按一种几何上有规则的图案将所述多个空腔安排在所述基体中，所述衬底还包括大体上平行于所述单层设置的透光窗口；透光的电介质流体，配置在所述基体的所述空腔中，所述流体具有第一折射率；多个光学上各向异性的粒子，配置在所述衬底的所述空腔中，与所述流体接触，每个所述空腔至多包含一个所述光学上各向异性的粒子，当每个所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底，每个所述粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当每个所述粒子相对于穿过所述窗口的光能通量沿所述第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于穿过所述窗口的光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子还提供第二光调制特性；以及光耦合至所述窗口的聚光元件的阵列。
40．如权利要求39所述的设备，其特征在于，所述聚光元件的阵列包括用于所述基体的每个所述空腔的一个所述聚光元件，并且如此配置所述聚光元件的阵列，从而所述阵列的所述聚光元件与所述基体的所述空腔套准。
41．一种设备，其特征在于包括衬底，它包括具有多个空腔的基体，所述空腔在所述衬底中安排成一种几何上有规则的阵列；包含在所述基体的所述空腔中的透光电介质流体，所述电介质流体具有第一折射率；以及多个光学上各向异性的粒子，配置在所述基体的所述空腔中，与所述流体接触，每个所述粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当每个所述粒子相对于光能通量沿第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第二光调制特性，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底。
42．一种组合，其特征在于包括具有第一折射率的透光电介质流体；和可转动地配置在所述流体中的光学上各向异性的粒子，所述粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当所述粒子相对于光能通量沿第一取向配置在所述流体中时，所述粒子提供第一光调制特性，当所述粒子相对于光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，所述粒子还提供第二光调制特性，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向。
43．如权利要求42所述的组合，其特征在于，所述粒子在所述流体中的配置引起所述粒子的所述电偶极矩。
44．如权利要求42所述的组合，其特征在于，所述每个粒子的所述透光区域与所述第一光调制特性相关联，并且所述粒子还包括具有第二光学性质的区域，该区域与所述第二光调制特性相关联。
45．如权利要求44所述的组合，其特征在于，具有所述第二光学性质的区域包括一覆盖物，所述覆盖物至少覆盖所述粒子的一部分但不是整个粒子。
46．如权利要求45所述的组合，其特征在于，所述粒子的透光区域具有第一区域，而包括一点的所述覆盖物具有第二区域，所述第二区域小于所述第一区域的5％。
47．如权利要求45所述的组合，其特征在于，所述覆盖物包括具有中心小孔的屏蔽。
48．如权利要求45所述的组合，其特征在于，所述覆盖物是不透明的。
49．如权利要求45所述的组合，其特征在于，所述覆盖物对于单色光是透明的。
50．如权利要求42所述的组合，其特征在于，所述粒子的所述透光区域包括一圆球。
51．如权利要求50所述的组合，其特征在于，所述球具有第一和第二半球，并且所述球由所述覆盖物覆盖，所述覆盖物至少覆盖所述第一半球的一部分，但不覆盖所述第二半球。
52．如权利要求50所述的组合，其特征在于，所述球具有第一和第二半球，并且所述球的所述第一半球与第一zeta电势相关联，所述球的所述第二半球与第二zeta电势相关联，当所述球配置在所述电介质流体中时，产生所述第一和第二zeta电势，所述第一和第二zeta电势对所述电偶极矩作出贡献。
53．一种装置，其特征在于包括衬底，它包括具有多个空腔的基体；配置在所述基体的所述空腔中的透光电介质流体，该流体具有第一折射率；以及多个光学上各向异性的粒子，它们配置在所述基体的所述空腔中，与所述流体接触，每个所述粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当每个所述粒子相对于光能通量沿第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子还提供第二光调制特性，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动地配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底。
54．一种设备，其特征在于包括在权利要求53中叙述的装置；以及用于产生电场的装置，以使可转动地配置在所述衬底中的至少一个所述粒子转动。
55．如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述电场产生装置包括用于对可转动地配置在所述空腔中的一组所述粒子有选择地寻址的装置，所述粒子组至少包括一个粒子，其方法是对所述粒子的组施加电场，由此使所述粒子组的至少一个粒子转动。
56．一种投影设备，其特征在于包括提供准直光束的光源；权利要求54的设备中的光调制装置；以及投影图像的装置，所述图像是由有选择地使所述准直光束通过所述光调制装置而产生的。
57．一种方法，其特征在于，包括下述步骤a)提供从光源入射在调制装置上的光，所述装置包括多个可转动地配置在工作流体中的粒子，所述工作流体具有第一折射率，每个光学上各向异性的粒子至少具有一个透光区域，该区域具有第二折射率，当每个所述粒子相对于光能通量沿第一取向配置在所述流体中时，每个所述粒子提供第一光调制特性，当每个所述粒子相对于光能通量沿第二取向配置在所述流体中时，每个所述粒子还提供第二光调制特性，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，b)用所述调制装置对入射在所述调制装置上的入射光的至少一部分进行调制；以及c)将经过如此调制的光投射在一观看表面上。
58．一种设备，其特征在于包括具有透光窗口的衬底；以及配置在所述衬底中的多个粒子，每个所述粒子具有各向异性，以提供电偶极矩，所述电偶极矩使所述粒子在电学上作出响应，从而当所述粒子可转动地配置在电场中，同时提供所述粒子的所述电偶极矩时，所述粒子趋向于转动至所述电偶极矩与所述场方向一致的取向，当所述粒子如此配置在所述衬底中时，可以获得每个所述粒子的可转动配置，即，当可转动地配置所述粒子时，所述粒子不附着于所述衬底，当在所述衬底中可转动地配置所述粒子时，每个所述粒子相对于所述透光窗口可沿第一和第二转动取向配置，当沿所述第一和第二转动取向的至少一个取向配置每个所述粒子时，则当由穿过所述衬底窗口的光能通量照射时产生折射效应。
59．如权利要求58所述的设备，其特征在于，每个所述粒子包括具有第一折射率的透光区域；所述衬底包含具有第二折射率的透光电介质流体，所述粒子配置得与所述流体接触；以及产生折射效应，它是由于所述第一和第二折射率互不相同引起的。
60．如权利要求59所述的设备，其特征在于，每个所述粒子的所述电偶极矩是由与所述流体接触的所述粒子的配置提供的。
全文摘要
可以提供作为转动球显示器的辅助光学元件的一种具有辅助光学结构的转动图标(gyricon)或转动粒子显示器。gyricon或转动粒子显示器可以具有“蛋箱”衬底。此外,还可以提供具有第一折射率的透光电介质流体和可转动地配置在该流体中的光学上各向异性的粒子的组合。
文档编号G09F9/37GK1212068SQ97192544
公开日1999年3月24日 申请日期1997年12月24日 优先权日1996年12月24日
发明者尼古拉斯K·谢里登, 琳达T·罗马诺, 小詹姆斯C·米克尔森, 爱德华A·里奇利, 约瑟夫M·克劳利 申请人:施乐有限公司