Область техники. Изобретение относится к области обработки оптической информации: к конструкции дисплеев (экранов), «элeктpoннoй бyмaги» и оптических коммутаторов.

Предшествующий уровень техники. Известны дисплеи с использованием микроэлектромеханических систем, в которых изображение формируется сканированием светового луча с помощью микрозеркал, приводимых в движение микроэлектромеханическими приводами (актюаторами) [U. S. Раt. 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 мйкроотверстия для прохождения света [US 20040080484 Al]. 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 5 благодаря неодинаковому удлинению двух консолей при неодинаковом их нагреве и перекрывающей при этом частично или полностью световой поток через отверстие {U.S. Раt. No. 6775048, 6967761, 7151627].

Недостатком прототипа является сложность конструкции и технологии ее изготовления, требующей создания трехмерных ιо 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 15 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 «элeктpoннaя бyмaгa», в 20 которых статическое изображение сохраняется и в отсутствие питания [U. S. Раt. No. 5344594, 5900858, 6054071].

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

25

Раскрытие изобретения.

Целью предлагаемого изобретения является создание экрана с высоким быстродействием, простого по конструкции и технологии изготовления, не требующего питания для сохранения статического зо изображения, способного (в вариантах) выполнять функцию «элeктpoннoй бyмaги», 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,

35 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 (геометрической) оси относительного вращения 5 поляризаторов осуществляют любым доступным способом: например, подвижный поляризатор выполняют с (конструктивной) осью или же 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 ю одном из вариантов, выполнен из непрозрачного материала или маскирован за пределами пикселей. Гнездо может иметь сплошные стенки или дискретный ряд ограничивающих смещение элементов.

Конструктивно и технологически выигрышнее вариант предлагаемого экрана, в котором гнезда для подвижных поляризаторов выполнены в

15 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

20 структуру не будет, а в области гнезд пропускание будет зависеть от угла поворота подвижных поляризаторов, помещенных в эти гнезда.

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

25 помощью фотолитографии или с помощью микроштамповки.

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

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

В варианте экрана для работы на отражение он содержит диффузно или зеркально отражающий слой - в зависимости от назначения экрана.

35 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.

5 Средство для поворота подвижных элементов оптических регуляторов экрана содержит микроэлектромеханические приводы (актюаторы) с блоком управления приводами или/и перо, позволяющее формировать изображение вручную.

Приводом подвижного подяризатора может служить микро- или ιо наноэлектромеханический актюзтор (МЭМС- или НЭМС-актюатор). Вариантом такого МЭМС-актюатора является электростатический двигатель с блоком управления, преобразующим видеосигналы в электрические сигналы управления актюатором. Примером такого шагового двигателя является актюатор, у которого подвижный

15 поляризатор оптического регулятора с фиксированной осью вращения выполнен круглым с выступающим за границы круга поводком (или поводками), а в прилегающей к поводку области выполнены электроды с возможностью емкостной связи между собой через материал поводка (поводков). Электроды можно выполнить в виде последовательности

20 нанесенных на смежные с поводком слои (или смежный слой) пленочных конденсаторов, в которые (или к которым) при подаче смещения втягивается диэлектрический поводок: например, на слое, прилегающем к поводку с одной стороны, выполнить по всей длине требуемого перемещения поводка общий непрозрачный электрод (непрозрачный -

25 для того, чтобы маскировать вырез для поводка), а на слой, прилегающий с другой стороны, вдоль направления требуемого перемещения поводка нанести цепочку управляемых порознь или группами максимально близко расположенных друг к другу управляющих пленочных электродов, каждый из которых короче поводка. Если подать смещение на электроды, зо находящиеся за пределами и вблизи одного из краев поводка, поводок будет втягиваться в конденсатор, образованный этими электродами. Таким образом, снимая смещение с электродов вблизи одного из краев поводка и подавая на электроды у другого края, можно перемещать поводок вдоль направления переноса напряжения с электрода на

35 электрод (как эстафету), поворачивая тем самым 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 5 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 ιо видеосигналом - вырабатывает и подает в нужном порядке смещения на электроды оптического регулятора.

Коммутация электродов пикселей экрана может быть различной, но обеспечивающей логику управления. В частности, предлагается соединять проводящими дорожками между собой общие электроды строк пикселей

15 (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

20 по б 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.

25 Какие-либо активные или пассивные электронные элементы для каждого пикселя з 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 зо 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).

35 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 5 положении подвижных элементов. Логика считывания основана на том, что емкость образованная электродами зависит от наличия диэлектрика (поводка) между ними.

Для создания на предлагаемом экране изображений от руки средством поворота подвижных поляризаторов оптических регуляторов ιо 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,

15 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

20 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

25 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 зо которой поле достаточно для поворота элемента регулятора), а включая или отключая питание, получать, например, резкие границы наносимых изображений или наносить точки. Аналогично можно менять ширину линии меняя расстояние постоянного магнита от экрана.

Аналогично действует и электростатическое перо, у пишущего конца

35 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 5 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. ιо 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,

15 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

20 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,

25 вспомогательные, слои или элементы:

- для уменьшения трения между трущимися поверхностями,

- для уменьшения износа трущихся элементов,

- для защиты внешних поверхностей от механических воздействий,

- просветляющие, зо - антибликовые,

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

- слои печатного однослойного или многослойного монтажа,

- узлы совмещения слоев,

35 - узлы крепления и/или области склеивания с клеящим слоем и другие. Краткое описание чертежей.

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

1 - плоский поляризатор с гнездом, имеющим вырез для перемеιцения 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 - непрозрачная гибкий слой (задняя стенка), 11 - поляризующее отражающее покрытие,

12 - слой светофильтров, 13 - прозрачный гибкий слой (передняя стенка). Вариант осуществления изобретения.

Примером конкретного исполнения может служить экран размером 5 10 дюймов формата 600x800 пикселей, неподвижный поляризатор которого выполнен в виде поляризующего отражающего покрытия (поляризатор фирмы Орtivа) толщиной 2 мкм на полимерной гибкой непрозрачной задней стенке толщиной 0,2 мм, на поляризующее покрытие нанесен слой пигментных светофильтров основных цветов в ю 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 CrO _x для уменьшения отражения) на поверхность слоя

15 светофильтров. Слой с гнездами для подвижных поляризаторов и сами круглые подвижные поляризаторы диаметром 20мкм с поводками 2x2 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

20 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

25 после фотолитографии и травления. Управляющие электроды приводов длиной lмкм (вдоль направления перемещения поводка) и проводящие дорожки к ним, служащие одновременно дистанцирующим элементом, выполнены напылением CrO _x и хрома на внутреннюю поверхность передней прозрачной гибкой стенки из пластика толщиной 200 мкм. зо Наружная поверхность передней стенки покрыта слоем нитрида титана толщиной 0,5мкм 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

35 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 ОД мм, покрытым пластиком толщиной ОД мм для защиты экрана от царапин. Поле магнита перпендикулярно оси пера. Грани пера окрашены по- 5 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 ю руки без использования питания, позволяет считывать w 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

15 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

20 равно нулю. Он практически не чувствителен к перепадам давления (от вакуума до десятков и выше атмосфер). Предложенная конструкция экрана позволяет изготавливать экpaны-«пoлyфaбpикaты», от которых легко отрезать часть нужного размера без какого-либо ущерба для этой части, чтобы, например, не создавать специально производства для

25 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 зо информация может быть введена из общего для всех страниц блока, внесенные пером от руки заметки могут быть считаны и сохранены.

Иное применение.

Известны оптические коммутаторы в виде оптические затворов и 35 матриц затворов для коммутации оптических сигналов [например, US 20020114058 Al]. Предлагаемый экран содержит все средства, необходимые для коммутации оптических сигналов, поэтому предлагается использовать его в качестве коммутатора. Для сохранения уже установленной коммутации 5 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 ю 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

15 стороны. Направления распространения сигналов 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

20 всеми. С обратной стороны экрана (со свободной от световодов стороны), можно проводить коммутацию вручную с помощью пера.

Промышленная применимость.

Промышленная применимость изобретения основана на доступности

25 всех используемых технологических средств: фотолитография, микроштамповка, нанесение пленок разных материалов, а также технологии создания схем управления широко известны и массово применяются. Материалы также широко распространены и доступны.

Мотивация для промышленного применения огромна: дисплеи, зо «элeктpoннaя бyмaгa» и «элeктpoнныe книги», коммутаторы, информационные табло, классные доски, электронные планшеты, оконные «cтeклa» с регулируемыми прозрачностью, цветом и узором, гибкость, возможность использования в суровых условиях (высокие и низкие температуры, давления, вакуум и пр.), радиационная стойкость,

35 возможность выпускать рулонами (как обычную бумагу), возможность кройки, дешевизна, энергонезависимость во многих применениях, низкие трудоемкость, материалоемкость и энергоемкость при изготовлении, безопасность использования, отсутствие нагрева, высокий выход годных и как следствие возможность создания дисплеев большой площади с запараллеливанием пикселей в блоки (в «бoлыuиe пикceли» - для уличных экранов, например) или без запараллеливания (для воспроизведения с высоким разрешением, например, географических и военных карт, а также снимков из космоса) и т.д.

ю

15

20

25