CN102187263A - 用于受抑全内反射显示器的正常发射像素体系结构 - Google Patents

用于受抑全内反射显示器的正常发射像素体系结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种设备，它包含波导和靠近该波导的顶表面被安排的一个或多个像素，该波导中含有TIR光。每一像素包含有第一导体的可变形激活层和有第二导体的驱动电子线路层。该驱动电子线路层按与激活层隔开关系并在波导对面被安排。在像素的静态状态中，激活层与波导的顶表面接触或几乎接触，以便使光借助FTIR(即像素的ON状态)光学地耦合出去。为激励像素，该电子线路层被配置成有选择地把电势差施加于第二导体，从而引起激活层移动，离开该顶表面，以便阻止光离开波导的光学耦合(即像素的OFF状态)。

Description

用于受抑全内反射显示器的正常发射像素体系结构
按照35U.S.C.§119，特此要求2008年8月22日申请的美国临时申请系列No.61/091,176的更早有效申请日。该临时申请也因此被引用，仿佛本文逐字陈述，供所有目的参考。
技术领域
本发明一般涉及显示器领域，尤其涉及增强透射式显示器的视觉性能，该透射式显示器利用透明条形波导向像素快门机构提供光，该像素快门机构在显示器表面上进行图像调制。
背景技术
本段旨在向读者介绍可能与本发明有关方面的本领域各个方面，这些方面在下面被描述和/或要求权利。相信这种讨论有助于给读者提供背景信息，以利本发明的更好理解。因此，应当理解，这些陈述应当按这种见解阅读，而不是作为现有技术的接纳。
最常使用的显示器包含电光单元阵列，亦称像素阵列，该像素阵列响应施加的电压或电流而产生光。例如，液晶显示器或叫“LCD显示器”，包含的像素阵列由安排在两个透明电极之间的分子层形成。当电压被加到该两个透明电极上时，分子层点亮。作为另一个例子，等离子显示器包含的像素阵列含有包含在玻璃板之间的惰性气体。向惰性气体施加电场使之变成发光的等离子体。在这些显示器中的像素阵列包含相等数量的红色、绿色和蓝色像素，当适当的控制信号被加到这些像素时，它们产生彩色的图像。
上述常用显示器的一种替代品是平板显示器，它使用全内反射抑制(FTIR)抽出在波导内传播的光。典型的FTIR显示器系统，包含透明的矩形条形波导，该条形波导作为上层像素阵列的光源起作用。操作时，光(通常是单色光)以选定的角度从边缘被注入波导中，使注入的光被波导表面全内反射。在一些情形中，该波导在条形波导的一个或多个侧边缘表面上是镜面反射的，以增加波导内传播的全内反射(”TIR”)光线的转折(transit)数量。其后，波导内传播的光能够局部地、有选择地和可控地在每一像素位置上，通过抑制被约束在波导内的光的全内反射而被抽出。
各种平板的基于FTIR的显示器系统，在近数十年来已经被开发。其中之一是时间复用光学快门(TMOS，Time Multiplexed Optical Shutter)，由Martin G.Selbrede公开在U.S.Letters Patent 5,319,491中(下文称为“Selbrede′491”)，在此全文引用，供参考，以及变型，被公开在例如，U.S.Patent Nos.7,092,142，7,042,618，7,057,790，7,218,437，7,486,854和7,450,799中，这些专利也在此全文引用供参考。
在Selbrede′491中所描述的和上面其他专利所阐述的基于FTIR的光学显示器例子，是平板显示器，它包含跨越平面形条形波导分布的多个像素。这种显示器的一个例子，被画在图1A和1B中。图1A是显示器的两个相邻像素100、105的基本断面示意图。条形波导130由有折射率高于2的平方根，即1.4146的材料构成，并在离光源注入边缘132最远的条形边缘上有反射涂层(未画出)。电子线路层112可以被布置在波导130的顶表面133上，以提供有选择地控制和激励每一个别像素的电子线路。电子线路层112包含诸如TFT 114及导电互连116(下面更详细描述)的驱动电子线路和在每一像素位置上的电子线路层像素导体115、150，以便有选择地激励每一像素。下文简称“像素导体”的电子线路层像素导体115、150，最好由透明导体材料，诸如氧化铟锡形成。激活层118平行于波导130并与波导130隔开而由多个垫片110支承，这些垫片110被定位在电子线路层112的顶表面125上。激活层118可以包括聚合物材料(如合成橡胶)的薄片120、跨过被布置在显示器上的任何数量的像素的共用导体122、以及不导电的光耦合层132。聚合物材料薄片120是弹性地可变形的并最好包括透明的合成橡胶材料的片(或膜)，该透明合成橡胶材料有选定的高折射率，以便当借助FTIR抽出光时优化光的耦合。共用导体122最好由透明导体材料诸如氧化铟锡形成。该多个垫片110使激活层118按与电子线路层112的顶表面125隔开关系定位，从而在其间形成细微间隙135(如真空或充气间隙)。垫片110横跨电子线路层112的顶表面125被分配在各个像素几何形状的外围，使激活层118被包围每一像素位置的垫片110缚住。在一个例子中，垫片110由被布置在电子线路层112顶表面125上铝的正方形格栅形成，格栅的每一正方形包围单个像素100、105位置。这样，每一像素100、105代表显示器的分立的细部，其中每一像素100、105包括包围每一像素位置的垫片110所划定的部分激活层118和部分电子线路层112。
操作时，场序式色光(如顺序照射的基色光，诸如红色、绿色和蓝色)从边缘注入条形波导130中，并在波导130内及被布置在其上的有类似折射率的层(如电子线路层112)内经受全内反射(“TIR”)。从边缘注入的光在空气间隙135形成的低折射率包层层和包围波导底表面134的空气的界面处经受TIR，因而把TIR光波145截留(trap)在波导130和其上布置的层内。例如，如图1A中画出的，由于相邻于顶表面125的低折射率充气间隙135(即包层层)和包围底表面134的空气的存在，TIR光波145受在电子线路层112顶表面125处和在波导130的底表面134处的空气界面的约束。
图1B概念性地分别示出两个像素100、105的ON状态和OFF状态，该两个像素被相邻地定位并由一个或多个垫片110分开。像素100示出在无激励的位置，亦称非激活状态或静态状态的单个像素。在静态状态中，在与像素100关联的垫片110之间的一部分激活层118被定位成与电子线路层112的顶表面125平行，并与该顶表面125分开细微的间隙135，使没有光在该像素位置被发射(即像素100处于OFF状态)。例如，激活层118的底表面140与顶表面125分开的间隙高度(h)(即距离)最好大于约200纳米(如高度在从约200nm到6000nm或更大的范围中)，以保证实质上不出现从波导130到激活层118的跨越间隙135的TIR光波145的耦合。
像素105示出处于被激励状态，亦称激活状态或ON状态位置的单个像素。通过对如在图1中以导体150的剖面线所示的像素导体150充电，像素105被切换到ON状态，以便在共用导体122和电子线路层像素导体150之间建立足够的电势差和伴生电场，导致附着在那里的共用导体122和合成橡胶层120(即可变形激活层)向着电子线路层导体150变形和移动，以致激活层118移动成(或几乎移动成)与电子线路层的顶表面125接触，从而抑制波导内的TIR光。因此，电子线路层导体150的激活，通过局部地推动可变形激活层118跨越细微间隙135并变成与电子线路层112的顶表面125接触(或几乎接触)，有选择地控制和激励由环绕垫片110划定的像素105区域中的一部分激活层118，使TIR光波145受到抑制而发射的光波155被引出波导130并在该被激励像素位置从激活层118释放。
电子线路层112通常包含驱动电子线路，该驱动电子线路包括诸如激活矩阵薄膜晶体管(“AM-TFT”)结构的薄膜晶体管(“TFT”)114和诸如金属电线迹的导电互连116。驱动电子线路被用于在ON和OFF状态之间电子切换各个像素100、105。例如，每一像素100、105可以包含向像素导体115、150供应适当电压的AM-TFT装置114，该电压在间隙135两侧(即在像素导体115、150和共用导体122之间)建立足够的电势差(ΔV)，以便产生导致激活层118向着波导130变形和高速移动的电场，如以前对像素105所描述的。要把像素的状态切换到OFF，AM-TFT装置114把加到像素导体115、150的电压切换为合适的电压，该合适的电压足以降低像素导体115、150和共用导体122之间的电势差(如ΔV＝0)，以致变形的激活层118能够弹性地返回(前面对像素100所描述的)该像素静态OFF状态中它的无变形的平行取向。
FTIR显示器中的多个像素100、105是静电受控微机电系统(“MEMS”)结构，该微机电系统结构可控地使横跨细微间隙135的激活层118变形并推动激活层118变成与电子线路层112的顶表面125接触或几乎接触，以致通过直接接触传播和/或通过渐逝耦合方式，使光从波导130传输到激活层118。利用激活层118的机电和/或有质动变形，通过推动激活层118横过细微间隙135，每一像素100、105能够因此被激励到ON位置。在与条形波导135关联的像素导体115、150和与激活层118关联的共用导体122之间的间隙135两侧适当电势的施加，引起激活层118向着波导130变形和高速移动。当激活层118处在与顶表面125物理接触(或几乎接触)，使TIR光145能够借助FTIR被耦合出波导130时，激励可以被认为已经完成。被抽出和被发射的光155的强度能够或者受所加电压的脉冲宽度调制(PWM)(即数字灰度级)的控制，或者受所加电压幅度变化(即模拟灰度级)的控制。此外，接触/几乎接触事件能够以非常高的速度发生，以便允许按图像帧速率的多个基色(如场序式色光)，产生适当的灰度等级，并且以便避免过运动的(excessive motional)和色乱的膺像，同时保持平滑的图像生成。
因此，如上所述，Selbrede′491和上面陈述的专利中描述的像素操作模式，包含像素的体系结构，其中像素的机械地静态(即无激励)的位置，是像素的OFF状态位置(如图1B中静态的像素100和图1A中画出的两个像素)，而像素的被激励位置，是像素的ON状态位置(如图1B中被激励像素105)。在静态位置中，像素100是光学非激活的，因为激活层118处于与条形波导130隔开关系，以致跨越间隙135的光耦合(如渐逝耦合)可忽略不计。在激励的位置中，像素100是光学激活的，因为激活层120的机电或有质动(ponderomotive)变形，促使激活层118物理地越过间隙135并变成与条形波导130或电子线路层112接触或几乎接触，因而导致FTIR，它允许光从该激励的像素区105被发射。
然而，电子线路层112内驱动电子线路按照被布置在波导130之上的安置，能够产生有害的光学效应。尤其是，把基于TFT的驱动电子线路按照激活矩阵情况(AM-TFT驱动机构)安排在激活层112内，能够引起如散射光160和反射光165所分别示出的光散射和/或光强衰减，它降低这种显示器的反差比和/或光学效率。例如，因为AM-TFT结构一般包含一系列电介质层，这些电介质层由适合保证晶体管正常工作的数种不同材料构成，所以光学效率能够为此让步。这些层的数量能够高达一打且每一个可以根据构成它的材料而有明显不同的折射率。因此，特定层厚度上折射率的具体次序能够不合需要地引起进入一个(或多个)层的一些光被反射回波导130中(如反射光165)、被吸收、和/或作为非TIR光(如散射光160)被散射。这些层能够通过反射大量光(如反射光165)回到波导而使光衰减，从而在像素激励期间阻止这样的光射向观看者。另外，可以有相对于条形波导表面133及相对于该同一表面的法向(垂直)倾斜的表面的TFT 114和导电互连116的各种层，能够引起从这种区不合需要的散射，由此提高显示器系统的噪声本底(noise floor)并降低有效信噪比(从而反差比)。因此，某些显示器的体系结构，其中驱动电子线路(如互连、TFT)一般被布置在条形波导130表面上和/或布置其上的层内(如电子线路层112)，从而永久地在波导130内传播的TIR光145的光路中，这种体系结构能够通过使光输出降质或诱发过量散射而升高系统噪声本底，引起有害的光学效应。
另一个光学噪声源是，由于当TIR光145在电子线路层112和波导130内传播时产生的从顶表面125延伸的渐逝场的存在，导致从垫片110散射的光。那里渐逝场(即渐逝波)遭遇安放在顶表面125上的垫片110，这些垫片建立的不连续边界条件使渐逝波变换为可见光谱中但通常以非TIR角度的传播波(即散射光)。这样由于提高显示器系统的噪声本底和降低有效信噪比(从而反差比)，导致有害的光学效应。
这里公开的主题指向上面陈述的一个或多个有问题的效应的解决。
发明内容
下面给出本公开的主题的简单概括，以便提供本公开的主题的一些方面的基本理解。该概括不是本公开的主题的详尽概述。不打算指明本公开主题的关键的或决定性的单元，或划出本公开的主题的范围。唯一的目的是以简化的形式给出一些概念，作为稍后讨论的更详尽描述的序言。
在一个实施例中，给出的设备包含条形波导和邻近该条形波导的顶表面安排的一个或多个像素。在一个实施例中，条形波导被配置成使被注入的光在该条形波导的顶表面和底表面被全内反射。每一像素包含可变形的激活层和驱动电子线路层。在静态的像素状态中，激活层被定位在该波导的顶表面附近并平行于该波导的顶表面。驱动电子线路层按与激活层隔开关系并在条形波导对面被安排。在像素的ON状态中，当该激活层离条形波导的顶表面在第一选定距离内时，该激活层抑制被注入光的全内反射，从而允许一部分被注入光从该条形波导出射通过所述像素。在像素的OFF状态中，驱动电子线路层被配置成在电子线路层和激活层之间施加电势差，该电势差推动激活层离开条形波导的顶表面，由此阻止被注入光从条形波导出射通过所述像素。
附图说明
本公开的主题可以通过参考下面的描述理解，下面的描述是结合附图作出的，附图中相同的参考数字标识相同的单元，其中：
图1A和图1B概念性地示出两个像素，它们被相邻地放置并能够用被安排在激活层和条形波导之间的常用电子线路层激活；
图2概念性地示出按照本发明的实施例的两个像素，它们被相邻地放置并能够用倒置体系结构激活，该倒置体系结构把激活层安排在电子线路层和条形波导之间；
图3A概念性地示出典型的三层叠层中的光，该典型的三层叠层能够代表部分常用的，例如如图1A和图1B所示的像素层叠层；
图3B画出通过图3A所示典型的三层叠层的光，对从零到90°的入射角范围和二氧化硅(“SiO2”)层的可变厚度(d)的透射率；
图3C对(如75度，这里零度是垂直于SiO2层表面)入射到常用像素层叠层中的SiO2层(即电子线路层)上，以及(如5度)入射到倒置像素层叠层中的SiO2层(即电子线路层)上两个代表性光入射角，画出通过图3A所示典型的三层叠层的光作为SiO2层厚度函数的透射率的比较；
图4A和图4B概念性地示出分别在静态ON状态和激励的OFF状态中像素的第一示例性实施例；
图4C示意画出显示器中围绕支座(standoff)的剖面部分，以便示出使进入支座的光再循环回波导中，以阻止光从像素周边泄漏的手段；
图4D和图4E示意画出显示器中围绕支座的剖面部分，以便示出阻止光在该支座邻域中从条形波导出射，以阻止光从像素周边泄漏的方法；
图4F示意画出显示器中围绕支座的剖面部分，以便示出使光熄灭，以阻止光从像素周边泄漏的手段；
图5A、图5B和图5C示出光学微结构的示例性实施例的各种几何形状；
图6示意画出激活层的下表面的顶视图，以便概念性地示出单个像素的光学微结构的示例性分布；
图7是SEM照片，示出图6中所示激活层的下表面的表面外形；
图8示意画出激活层的下表面的顶视图，以便概念性地示出单个像素的光学微结构的另一个示例性分布；
图9A和图9B概念性地示出分别在静态ON状态和激励的OFF状态中像素的第二示例性实施例；
图10A和图10B概念性地示出分别在静态ON状态和激励的OFF状态中像素的第三示例性实施例；
图11画出按照图10A和图10B所示实施例的激活层的下表面的顶视图，以便概念性地示出单个像素的光学微结构的另一种示例性分布；和
图12概念性地示出受抑全内反射(“FTIR”)显示器系统。
虽然本公开的主题可容许各种修改和另外的形式，但其特定实施例已经作为例子在图中画出并被本文详细描述。然而，应当理解，特定实施例的本文描述不企图把本公开的主题限制于被公开的具体形式，相反，我们企图覆盖落在随附权利要求书的范围内的所有修改、等价者、组合和替代者。
具体实施方式
在下面的描述中，图示的实施例被描述，以提供对本发明的理解。然而，为清晰起见，不是所有实际实施方式的特征都在本说明书中被描述。显而易见，在任何这类实际实施例的开发中，许多实施方式特有的判定应当被作出以达到开发者的特定目标，诸如与系统有关和商业有关约束的遵守，将从一种实施方式到另一种实施方式变化。此外，应当看到，这类开发的努力可能是复杂和费时的，但对已从本公开获益的本领域熟练技术人员说来，依然是例行的任务。
本公开的主题现在将参考附图描述。各种结构、系统和装置在图中被示意画出，只是为了解释的目的，这样不至于以细节遮蔽本发明，这是本领域熟练技术人员周知的。尽管如此，附图还是被包含，以便于描述和解释所公开的主题的图示例子。
一般说来，本文描述的技术的实施例，给出增强光学显示器的光学性能(如信噪比、发光均匀性)的各种像素驱动体系结构。在每一实施例中，个别像素的机械地静态(即无激励)的位置是该像素处于“ON位置”(即“ON”状态)的场合。像素的ON位置是指光学地激活的像素，它发射光，且最好引导光到观看者。因此，该像素处于它的ON位置，直到当该像素被激励的时候为止。要切换像素到“OFF位置”(即“OFF”状态)，该像素必须被激励，以使该像素变成光学地非激活的。
图2概念性地分别示出OFF状态和ON状态的两个像素200、205，它们被相邻地放置并被一个或多个垫片210分开。图2所示像素200、205，是按照本发明一个实施例的倒置像素体系结构实施的，该倒置像素体系结构增强视觉性能的同时，仍然保持用于控制像素的基于TFT装置不变。增强视觉性能的倒置像素体系结构的一个值得注意的方面，在于驱动电子线路层215被置于波导225上方并与之隔开，这样使驱动电子线路层不再位于波导225内TIR光传播的光路中。此外，如本文将要讨论的，倒置像素体系结构可以有利地要求较小的激励像素的功率。
在该倒置体系结构中，通过把驱动电子线路层215安排在激活层218上方并按与激活层218隔开关系，形成像素200、205，该激活层218被布置与波导225相邻。驱动电子线路层215被多个垫片210支承在激活层218的顶表面224上方，这些垫片210在之间形成第一间隙234。激活层218包括聚合物材料(如合成橡胶)的薄片220和在像素200、205(或被布置在显示器上的任何数量的像素)上方延伸的共用导体222。该聚合物材料片220是弹性地可变形的并最好包括透明的合成橡胶的材料，该材料有选定的高折射率，以便当借助FTIR抽出光时优化光的耦合。合适的聚合物材料包含丙烯酸酯、聚乙烯对苯二酸酯(“PET”)、氨基甲酸乙脂、以及呈现弹性的其他聚合物材料。共用导体222最好由透明导体材料形成，诸如氧化铟锡(“ITO”)。垫片210被跨越激活层218的顶表面224分布在各个像素几何形状的周围，使激活层218被环绕每一像素位置的垫片210缚住。制作垫片210的适当材料，包含铝和光致抗蚀剂材料，然而应当指出，垫片210可以由广大范围的透明的或不透明的可形成图形的(patternable)材料(如金属、聚合物、玻璃、陶瓷等)制作。在一个例子中，垫片210由铝的正方形格栅形成，被布置在激活层的顶表面224上，使每一正方形格栅包围单个像素200、205位置。驱动电子线路层215包括在每一像素位置上的电子线路层像素导体245、255，以便有选择地激励每一像素。每一电子线路层像素导体245、255，下文简称“像素导体”，最好包括透明导体材料，例如氧化铟锡。驱动电子线路层215还可以包含电子装置246(如TFT)和导电互连248(如电线迹)，用于有选择地在ON状态与OFF状态之间切换个别像素200、205。
光源235通过光注入表面241把光注入波导225中，使进入波导225的光在波导225的上表面242和下表面243被全内反射，如TIR光波240所示。如图2中所画出，波导225可以是有反射边缘表面244的条形波导，该反射边缘表面244被做成镜面以把被注入的TIR光240反射回波导225中并增加在其中传播的TIR光的转折数量。注意，没有画出的一些实施例可以省去镜面边缘表面244。波导225可以由任何适合的波导材料，诸如光学级玻璃或包含柔性塑料(即柔性波导基底)的塑料制作。此外，值得指出的是，波导225的形状可以是平面的(如平面的矩形板条)或非平面的，诸如弯曲的波导基底。
倒置体系结构与常用的体系结构(前面已描述)的差别，在于允许激活层218与静态状态中的波导225的上表面242接触(或几乎接触)。当像素200、205是机械地静态(即无激励的)时，它们由此处于ON或激活状态(即光学地激活的)。如图2中所画出，像素205示出处于ON状态的无激励的单个像素。像素导体245没有被电接通(如由平行线填充的框245所指出)，因为没有足以激励像素的电场或电势被加到像素205，从而静态的像素205保持在ON状态，直到像素205被激励为止。在静态状态中，与该像素205关联的激活层218的部分被足够靠近上表面242放置，以抑制像素205区内射到波导225的表面242的TIR光240的全内反射。因此，激活层218在极接近波导上表面242的地方借助FTIR把TIR光240耦合出波导225并把它作为被发射光250引向观看者。
受益于本公开的本领域的普通技术人员将明白，抑制TIR光所必需的激活层218和波导225之间的间隔，依赖于用于制作激活层218和/或波导225的和可以在邻接波导上表面242形成的任何其他层的具体材料。再有，通过改变激活层218和波导225之间的距离(如通过改变施加的电势和/或电场)或通过例如借助脉冲宽度调制改变单个图像帧或子帧内像素处于ON对OFF状态的时间百分比，能够改变被发射光250的强度。接触/几乎接触事件能够以非常高的速度发生，以便允许按图像帧速率对多基色(如场序式色光)产生合适的灰度等级和避免过运动的和色乱的膺像，同时保持平滑的图像生成。
为激励单个像素，被施加的电压在共用导体222和像素导体245、255之间建立电势差，使可变形激活层218被推离波导的上表面242，以便阻止TIR光在像素位置耦合出波导225(即像素的OFF状态)。例如，像素200示出处于OFF状态的被激励的单个像素。要把像素200切换为OFF状态，像素导体255被充电，如图2中由导体255的剖面线所指出。像素的电子装置246(如TFT)的激活，控制像素导体255处的电压或电荷，像素导体255与共用导体222的组合建立电荷差(ΔV)，从而有选择地激励由环绕垫片210划定的像素200的区域中一部分激活层218，是通过局部地推动可变形激活层218离开波导225的顶表面242并推向像素导体255(即驱动电子线路层215)，使在激活层218和波导225之间形成第二间隙260。间隙260的高度约等于垫片210的高度并被选定得足够大，以基本上阻止TIR光240从波导225逃逸或耦合到像素位置区中的激活层218。值得指出的是，受益于本公开的本领域的普通技术人员应当明白，本文中使用的术语“基本上”，意思是指任何逃逸的光强度都在选定的容差以下。尤其是，一些可接受的光量仍然可以从条形波导225逃逸，例如由于各层中的缺陷产生的散射和/或反射，和由TIR光240遭遇波导表面的金属物体(如安装的托架)而形成的重构渐逝波的发射等等。本领域那些一般熟练技术人员将明白，选定的容差将具体取决于诸如所需反差比、获得超平坦和平行表面的条形波导225的成本、降低光泄漏的条形波导225的光学质量等因素而实施。
通过把驱动电子线路层215与波导225隔开，该倒置体系结构依靠降低光损耗和与前面所述的常用体系结构关联的光散射，增强像素205的视觉/光学性能。一方面，光损耗和光散射作为被发射光250射到和横越驱动电子线路层215角度的结果而被降低，由此剧烈地降低与电子装置246(如TFT)及其中的导电互连248遭遇并相互作用的两种机会。尤其是，被发射光250以相对于驱动电子线路层215的下表面261更接近正交角的角度θ入射到驱动电子线路层215上。换而言之，几乎所有被发射光250以临界角θc(如玻璃空气界面的θc是42度)以下的角度θ，就是说，以θc和0°之间的非TIR角射到并横越下表面261，其中该垂直于下表面261的正交角等于0°，如下面还要描述的图3A示意所示。注意，在任何两层的边界上的临界角，由每一个层的折射率确定，例如，相对于空气界面的玻璃媒质中的TIR光，临界角是42度。但在常用体系结构中，TIR光145以更平行于电子线路层112的下表面126的TIR角，射到电子线路层112，如图1中所示。更准确地说，几乎所有在波导130中传播的TIR光145以临界角θc以上的角度θ，就是说，以θc和90°之间的TIR角(如图3A所示)射到电子线路层112上。因此，条形波导130中的TIR光145耦合进置于其上的电子线路层112中，并更可能遭遇电子装置114和其中的导体116(即在TIR的光路中)，这极不合需要地在电子线路层112内产生被散射光和/或被截留光(即光学噪声和/或光学损耗)。相反，被发射光250已经经过倒置体系结构中的激活层218从波导225逃逸，以更接近与表面261正交的角度射到驱动电子线路层215上，并照此通过更直接地横越驱动电子线路层215优先地透过，与电子装置246(如TFT)和导电互连248遭遇并相互作用，导致光损耗、散射和反射的机会相对地小。此外，大多数被发射光250在远离电子装置246和导电互连248的区域中射到驱动电子线路层215，这进一步降低遭遇这种电子线路的机会，从而进一步降低光学显示器系统中的光损耗和光噪声。
层(如电子线路层)上的入射光，以非TIR角对TIR角传播的优势透射率的一般概念，示于图3A、3B和3C。图3A概念性地示出典型三层叠层302的玻璃层中传播的光300。该三层叠层302包含玻璃层305(它有折射率RI＝1.52)、二氧化硅(“SiO2”)层310(RI＝1.46)和丙烯酸酯层315(RI＝1.58)。对该典型，层305、310、315彼此紧密接触。该三层305、310、315被选择的原因是：a)玻璃代表波导，因为在FTIR显示器中，波导常常是玻璃的，且在常用的和倒置的体系结构两者中，光被注入该层；b)SiO2代表电子线路层，因为在电子线路层内用于制作低温聚合硅(LTPS)TFT激活矩阵装置使用的电介质层中，SiO2有最低的折射率；和c)丙烯酸酯代表激活层，因为丙烯酸酯是在FTIR显示器中用于制作激活层的共用材料，用于从波导抽出光(下面还要再详细描述)。该三层叠层302因此提供跨越电子线路层112、215的光透射率的简单代表，这是在如前面由图1B的被激励像素105所示的常用像素层叠层中，或在如图2的静态像素205所示的倒置像素层叠层中被实施的。Maxwell方程式对典型的三层叠层302求解，以确定入射SiO2层上的光300(在玻璃层305中)作为入射角320和SiO2层厚度325的函数的透射率。
入射SiO2层310上的光300的透射率，作为从零到90°范围的入射角320的函数，对SiO2层310的三种不同厚度(“d”，以纳米为单位)被画在图3B中。参考图3A，有0°入射角320的光300垂直于SiO2层310的表面，而有90°入射角320的光300平行于该表面。例如，图3B表明，在玻璃相对于有RI＝1.0(如空气)的边界层的临界角是42°的场合，以低于临界角的角度传播的光几乎没有反射(即包层作用)。而在该临界角以上，TIR出现，光的透射高度地依赖于入射角320和SiO2层310的厚度325。
图3C还对有两个代表性入射角的光300，画出该光通过SiO2层310作为SiO2层310厚度325的函数的透射率。有5度入射角320的虚线330是在倒置体系结构中射到电子线路层215的光250的典型入射角，而有75度入射角320的实线335是在常用体系结构中射到电子线路层112的平均TIR光145的典型入射角。图3C进一步表明，对有5度入射角的光，即在临界角以下传播的光，几乎没有反射(即包层作用)的光与光传播通过的SiO2层310厚度无关。然而，有75度入射角的光，即以出现TIR的临界角以上的角度传播的场合，光的透射和其反射(即包层作用)高度地依赖于入射角320和SiO2层310的厚度325。这样，显著的光损耗出现并随SiO2层厚度的增加而增加。由该典型示出的透射率有助于理解在倒置体系结构中，在射到驱动电子线路层215(或TFT阵列)的大部分光250的入射角320为非TIR角(如对玻璃空气界面，是临界角42度以下的角度)的场合，光反射(即包层作用)被最小化并达到可忽略不计的程度，并且与图2所示驱动电子线路层215的厚度无关。而在图1所示的常用体系结构中，在电子线路层112(或TFT阵列)被制作在条形波导130上的场合，条形波导130内和入射电子线路层112上的所有光(即TIR光145)都以临界角以上的TIR角320传播，其中TIR光的大部分以大于约60度的角度320传播。因此，在常用体系结构中，对有大于约75度入射角的光，光反射(即包层作用)能够是基本的并有接近100％的光损耗(即不可用于从像素抽出)。
下面的示例性实施例引用上面对图2所示像素体系结构所作描述，并进一步按照本发明各个实施例的像素体系结构描述更多的细节和特征。图4A和4B概念性地示出分别在静态ON状态和被激励OFF状态中像素400的第一示例性实施例。像素400包含波导402、激活层408和驱动电子线路层430，如以前对图2所描述，该驱动电子线路层430按与激活层408的上表面416由多个垫片432隔开的关系被放置，这些垫片432被定位在像素400的周边，在其间形成间隙434。波导(即光波导)402被配置成含有以适当角度(即对具体的玻璃空气界面大于θc的角度)注入波导402的光，使光在波导402的上表面405、下表面407和多个边缘表面(未画出)上被全内反射。波导402可以用与一个或多个边缘表面相邻的光源(未画出)从边缘被照射。例如，波导402能够用发光二极管从边缘被照射，这些发光二极管把光注入波导402的一个通常称作光注入边缘的边缘表面。从边缘注入的光在波导402内被全内反射从而把TIR光404截留，如由TIR光404的示例性光路所示。如以前所述，波导402可以由透明的玻璃和柔性或刚性塑料材料制作，以提供或是刚性的波导或是柔性波导，这与具体应用有关。
图4A画出处于像素的静态位置(即无激励的)或ON状态的像素400，其中该像素是光学地激活的，因此它向观看者发射光，如以前对图2所描述。激活层408与波导402的上表面405接触或几乎接触，使该激活层408通过抑制波导402内该像素400位置上的光404的全内反射，从波导402抽出光。激活层408包括柔性膜片406，该柔性膜片406可以由聚合物材料(如合成橡胶)薄片制成，最好有选定的折射率，以便当借助FTIR抽出光时优化光的耦合。合适的聚合物材料包含光学上清澈或透明的聚合物材料，诸如PET、氨基甲酸乙脂、丙烯酸酯和它们的组合。激活层408包括被布置在膜片406的上表面415上的共用导体429。注意，共用导体429的具体位置可以或被布置在激活层上，如目前所示，或被布置在激活层408内，如以前图2中共用导体222所示。共用导体429是导电层，最好由透明导电材料(如ITO)制成。
激活层408还包含多个光学微结构410(如微小透镜阵列)和被布置在激活层408的下表面414(即波导面对的表面)中的多个支座412。光学微结构410有利于从波导402抽出光和优化观看角度。支座412为支撑激活层408和界定个别像素的几何形状提供必需的结构上的完整性。光学微结构410和支座412可以通过实质上任何合适的本领域普通熟练技术人员熟知的处理技术，形成在激活层408的下表面414中。例如，激活层408可以被模铸、热成型、模压、蚀刻或众多的聚合物处理技术中的任一种，形成微结构410和支座412。每一光学微结构429的下表面，因为从波导402抽出的光通过该表面，所以亦称孔径416，它与波导402的顶表面405接触，以抑制波导402内的TIR光404，藉此局部地从波导402抽出光404，作为被发射光418并把该被发射光418引向观看者，如被发射光418的示例性光路所示。为进一步增强光学性能，例如通过改进反差比和降低光噪声(从显示器表面逃逸的过量不需要的光)，不透明层420(如导电的或不导电的光吸收材料)可以被布置成环绕各个光学微结构，以增强亮度和衰减光学噪声，如图4A中所示。利用光学微结构的好处，在共同拥有的美国专利7,486,854中有更详尽的描述。
不透明层420被布置在激活层408的下表面414上和在光学微结构410之间。不透明层420的存在对显示器的基本操作不是必需的，然而，它的存在改进显示器的整个反差比。在一个实施例中，光应该主要通过或只通过孔径416，且少量光或没有光应该通过激活层408下表面414的其余部分。因此，最好是，不透明层420基本上充满光学微结构410之间的空隙区域422，帮助阻止光通过空隙区域422发散。不透明层420可以包含敷形涂层(conformal coating)(未画出)，被布置在空隙区域422中，它延伸到光学微结构410的一部分侧表面424，这样，间隔426把不透明层420与波导402的上表面405分开。然而，值得指出的是，当任选的不透明层420不存在时，间隔426使激活层的下表面414与波导的上表面405分开。当光学微结构的孔径416与波导的上表面405接触或几乎接触时，间隔426是最小的。不透明层420由吸收光的不透明材料制成，以便保证只有横越激活层408的光，而这是最终被观看者看到的光，首先通过光学微结构410。不透明层420可以包括本领域熟知的广泛的各种合适的不透明材料，例如着色的材料，诸如黑色的光致抗蚀剂材料、光可形成图形的制黑色聚合物、黑色纳米泡沫材料等等。任选地，不透明材料也可以是导电的，如在下面图9A、9B、10A和10B所示。
像素400的驱动机构，包含激活层408的共用导体429和与激活层分开第一间隙434的驱动电子线路层430。当垫片432被直接布置在共用导体429之上时，如图4A和4B所画出的，这些垫片最好由非导电材料(如透明的或非透明的光致抗蚀剂)制成，以阻止在像素400激励期间当向共用导体429提供电荷时的充电作用。在一个例子中，垫片432是通过把被处理成格栅状图形的光致抗蚀剂材料淀积到驱动电子线路层430的下表面436上被制成的，这样使光致抗蚀剂材料的正方形围绕并界定每一像素位置的周边。共用导体429包括形成一块电容器板的透明的导电材料(如ITO)，该电容器板能够被用于产生能够激励像素400的电场。
驱动电子线路层430包括电子线路层像素导体440、电子装置446(如TFT)和导电互连448。如以前对图2所讨论。像素导体440也是一层透明导电材料(如ITO)，它形成电容器板，用于有选择地产生能够激励像素400的电场。电子装置446和互连448有选择地向像素导体440提供请求的电荷(即电势差)，以便把像素400从ON状态切换到OFF状态和把像素400从OFF状态切换到ON状态，如以前所讨论的。此外，如在图4A和4B中所示，驱动电子线路层430可以包含电介质层438、中间层442和基底444，它们对被发射光418基本上是透明的。电介质层438防止共用导体429与像素导体440之间电短路和发弧。中间层442可以包括一系列层(未画出)，通常是在电子装置446(如由一系列导体、半导体和有各种折射率的电介质层形成的TFT)和/或互连448的形成期间被淀积的。把电子线路446、448布置在驱动电子线路层430内并远离波导402的表面，减轻常用像素体系结构中从前在波导上与它们的存在关联的有害光学效应。
操作期间，当送至像素400的电信号把像素400从ON状态切换到OFF状态时，驱动或激励机械上静态的像素(即处于ON位置)，需要在导体429、440之间选择性施加电势差，该电势差足以引起激活层408局部地变形并从波导402离开，以致没有FTIR发生。换而言之，当像素400被切换到OFF状态时，驱动电子线路提供共用导体429(本文亦称第一导体)与像素导体440(本文亦称第二导体)之间的电势差，如以前对图2所描述。当在像素导体440与共用导体429之间形成足够的电势差时，Coulomb(或静电)吸引力拉动至少一部分激活层408离开波导402的上表面405足够的距离，以致多个光学微结构410不能够再把光耦合出波导402，如图4B所示。尤其是，多个光学微结构410被物理地从波导402的上表面405移开并按与波导402的上表面405隔开关系被重新定位，从而在其间形成第二间隙450，这随即减小第一间隙434。
第二间隙450在光学微结构410的孔径416与波导402的上表面405之间有足够的高度(即距离)，以保证TIR光波404在间隙450两侧出现可忽略的耦合或没有耦合。该间隙高度可以大于约200nm，例如，高度在从约200nm到约6000nm范围中甚至更大，而最好在从约500nm到约700nm的范围中。因此，激励或驱动像素400，要求物理地推动至少一部分位于环绕支座412之间的激活层408，离开波导的上表面405足够的距离，以便使该像素成为光学非激活的。图4B中画出的被激励像素400亦称处于它的OFF状态或在OFF位置。
再有，操作期间，当送至像素400的电信号把像素400从OFF状态切换到ON状态时，令导体429、440之间的电势相等，以便释放激活层408，使激活层408收缩回它静态的正常ON位置。降低电势差(到该足够电势差以下的值)或完全地消除该电势差(ΔV＝0)，释放贮存在图4B画出的变形的合成橡胶激活层408中的势能(即贮存的机械能)。该势能的释放驱动合成橡胶激活层408回到它的正常和静态ON位置，其中该光学微结构410与波导402的上表面405接触，如图4A所示。
因此，本文描述的像素的实施例，给出基于FTIR的显示器系统的倒置体系结构，其中该驱动电子线路(如互连、AM-TFT)被布置在驱动电子线路层430内，该驱动电子线路层430按与波导402的表面隔开关系(即在空气间隙的另一侧)被定位。如本文所描述，把与驱动电子线路关联的层远离波导402放置，这样使这些层只有像素激励期间才在被发射的光的路径中，而不是永久地处在波导402内传播的TIR光的路径中，导致重要的和有益的光学效果(如光散射的降低、增强发光的均匀性等)。
在每一像素位置周边的多个支座412(即被缚在垫片432和波导的上表面405之间的激活层408的一些部分)，在像素400的被激励和无激励两种状态期间都保持与波导402的上表面405接触。因此，被支座412(即经过FTIR)从波导402抽出的光404，可以不合需要地在每一像素周边发射光，本文亦称“光泄漏”，这些光能够产生辉光的视觉表像。为了减小通过支座412的光泄漏和/或起因于垫片432的光散射，像素400可以任选地包括反射层452，该反射层452被置于支座结构412上方和每一像素周边的垫片432之下，以便把(借助FTIR)进入支座412的光再循环回波导402中。虽然反射层452的具体位置不是关键的，但反射层452可以被布置在激活层408之上或之内并沿竖直方向与支座结构412成行或在支座结构412上方沿竖直方向中心对准。在图4A和4B中，反射层452被布置在激活层的柔性膜片406内并在支座412上方沿竖直方向中心对准。(从波导402)进入支座结构412的TIR光404反射离开反射层452的反射表面453并返回波导402内部，如由被反射光线454的路径所示。在另一个例子中，图4C画出的任选的反射层在替代的位置。图4C是环绕支座412的像素400的剖面区。在该例子中，反射层452被置于在激活层408上，其中反射层452被淀积在共用导体429上。进入支座412的TIR光404反射离开反射层452的反射表面453并返回波导402内部，如由被反射光线456的路径所示。
图4D和图4E画出通过阻止光从波导420出射和借助FTIR进入支座412，使经过支座412泄漏的光最小的另外的办法。在图4D所示的一个例子中，该支座是包层支座458，包括低或负折射率材料以在其上赋予包层性质。图4D是环绕包层支座458的像素400的剖面区。低或负折射率的包层支座458可以在激活层的下表面414上被形成。这样，与波导的上表面405接触的低或负折射率的包层支座458，以阻止光404在该包层支座458邻域中从波导402出射。在图4E所示的另一个例子中，包层层460被布置在波导的上表面405上，以阻止光在该支座412邻域中从波导402出射。包层层460包括低或负折射率材料以在其上赋予包层性质。包层层460可以被定位在每一像素周边的支座结构412之下，以便阻止光进入支座412。虽然包层层460的具体位置不是关键的，但包层层460可以被布置在波导402上方(即在波导402上或与波导的上表面405紧密接触的任何层之上)并沿竖直方向与支座结构412成行或在支座结构412之下沿竖直方向中心对准。如图4E所示，包层层460被布置在波导402的上表面405上并在支座412之下沿竖直方向中心对准。这样，射到低或负折射率的包层层460的TIR光404，被全内反射回波导402中，从而阻止光进入支座412。
图4F画出使通过支座412和/或通过或围绕每一像素周边的垫片432泄漏的光最小的又另一个手段。像素400可以任选地包括被置于每一像素周边处的支座结构412上方的吸收层462，用于俘获(即吸收)传输通过该支座412的FTIR光。虽然吸收层462的具体位置不是关键的，但吸收层462可以被布置在支座结构412上方的激活层408之上或之内。另一方面，当垫片432由透明或半透明材料制作时，吸收层462可以被布置在垫片432上方，例如在驱动电子线路层430之上或之内。吸收层462可以沿竖直方向与支座结构412和/或垫片432成行或在支座结构412和/或垫片432上方沿竖直方向中心对准。如图4F所画出，吸收层462被布置在电子线路层430之内并在透明垫片432之上沿竖直方向中心对准，使通过或围绕垫片结构432传播的被发射光线418被俘获并被吸收层462熄灭，如由被发射光线418的光路所示。吸收层462包括光吸收材料，例如，一种合适的材料是黑色的光致抗蚀剂。值得指出的是，示于图4A、4B、4C、4D、4E和4F中用于降低像素周边光泄漏的任何一种或多种手段，可以在本文描述的任何像素实施例中被采用。例如，图9A和9B所画出的像素实施例(下面描述)，采用吸收层熄灭通过透明垫片结构传播的光，而图10A和10B所画出的像素实施例(下面描述)，利用低或负折射率层阻止光进入支座结构。
图5A、图5B和图5C示出光学微结构410的各种几何形状。光学微结构410能够有任何需要的几何形状，诸如金字塔截头体410a(图5A)、圆锥截头体410b(图5B)、以及复合抛物柱体410c(图5C)，复合椭圆型的、多对象的(polyobject)或任何圆锥截面的经旋转形成的实心体。最好是，光学微结构410有金字塔截头体几何形状410a。金字塔截头体几何形状410a包含一般是平坦表面的侧表面424，例如图5A所示的六个平坦侧表面424，彼此相邻并围绕光学微结构410的周围。孔径416(即金字塔截头体光学微结构的底表面)一般是平坦表面，有多角形的几何形状，如图5A所画出的六角形孔径416，并有平行于波导的上表面405的取向。值得指出的是，金字塔截头体410a不限于任何特定数量的平坦表面，可以使用其他几何形状(如有对应于三角形或正方形孔径的3个或4个平坦侧表面的金字塔截头体)。
图6画出示例性激活层408的下表面414的顶视图，它在像素400的第一示例性实施例中被采用。如所画出的，光学微结构410d有金字塔截头体410a的形状，有4个平坦侧表面424和正方形孔径416。光学微结构410d跨越激活层408的下表面414的分布可以变化，以便优化光学显示器中各个像素的光学性能和效率。例如，光学微结构410d和支座412被分布在像素400内，使光学微结构410d最好被布置在中心区600，而支座412被布置在像素的外部区(即周边)602。像素400的居间区604中没有光学微结构410，保证当像素400被激励到OFF位置时，没有光被耦合出波导402。换句话说，所有光学微结构410可以被包含在中心区600内，使当像素被激励到OFF位置时(例如图4B和图9B)，光学微结构410离波导402的上表面405有足够的距离，以消除TIR光404借助FTIR耦合出波导402。否则，在OFF位置中，居间区604内光学微结构410的存在将离波导402的上表面405有较小的变化的距离，从而离该上表面405有不足够距离的任何光学微结构，将会不合需要地借助FTIR通过渐逝耦合方式把光耦合出波导。因此，最好在各个像素的居间区604中取消光学微结构410。
支座412可以按包含类似于本文描述的各种光学微结构形状中任何一种的形状的广泛的各种形状制作。例如，图6画出的支座412与多个光学微结构410有相同形状，但尺寸更大。把各种光学微结构形状之一作为支座412的形状实施，加上以前对图4A、4B和4C描述的像素400实施例中反射层452的帮助，可以有利地增加如下的可能性：使进入支座412的光线418以实质上等于入射角的TIR角被再插入波导402中，从而成功地使TIR光再循环。支座412的具体形状(如支座的成角度的侧表面的取向或角度)及大小，可以对给定的光学显示器被优化。然而，值得注意的是，图4D、4E和4F中所示的包层支座、包层层或吸收层的使用，抵消光学微结构形状的支座的好处。
在另一个图例中，图7给出激活层408的下表面414顶视图的显微照片，其上有类似于图6示出的光学微结构和支座的分布，其中该视图被旋转约45度，单个像素的宽度和长度两者的尺寸都约250微米。包括丙烯酸酯的激活层，有多个光学微结构410和多个支座412被形成在激活层的下表面414上，这样使光学微结构410被限制于中心区600并被没有光学微结构的居间区604包围。像素400周边的支座结构412在包围居间区604的外部区602中。如图所示，在单个像素周边的支座412可以与相邻像素共享。
图8画出另一个示例性激活层408的下表面414的顶视图，这可供像素400的第二个示例性实施例采用。如图所示，被布置在像素400的外部区602(即像素的周边)的多个支座412，也可以与被布置在中心区600的光学微结构410有相同的大小。图8示出，使用相对小的支座412，例如与光学微结构429有相同大小和形状，必然需要更多或更密的支座结构412，以便提供合适的结构上的完整性，以支承该像素具体实施例中的激活层408。较小尺寸的光学微结构形状的支座，当在像素400的该实施例内与反射层452一道被采用时的好处在于，支座的小尺寸可以更合适引导(从波导)进入412的所有FTIR光，进入更可能以TIR角反射回波导中的角度内，如以前对图6所描述。此外，较小的光学微结构形状的支座通常有较小孔径，它可以降低被多个支座抽出的光量，从而降低系统内的光学噪声。
图9A和图9B概念性地示出分别在静态的ON状态和激励的OFF状态中像素900的第二示例性实施例。在该实施例中，像素900包括四个导体，用于像素900在ON和OFF状态之间的切换。该实施例利用共用导体429，本文亦称第一导体429，和电子线路层像素导体440，本文亦称第二导体440，以激励像素900从ON位置到OFF位置，如以前对图4A和图4B中像素400所描述。然而，该实施例示出，第三导体902和第四导体904可以被引进像素的体系结构，以便帮助激励像素900从它的OFF位置到它的ON位置。电介质层908可以被布置在第四导体904之上，以防止当激励像素900回到它的静态ON状态时第三与第四导体902、904之间电短路和发弧。
第三导体902被布置在激活层408的下表面414之上。第三导体902可以包括广泛的各种透明或不透明导电材料，诸如ITO、铜等等。任选地，第三导体902还可以有光吸收性质，以便当第三导体902被布置在光学微结构410之间的空隙区域422时，增强显示器的反差比，如以前在图4A和图4B中对不透明层420的描述。第四导体904被布置在波导402的上表面405上。第四导体904是导电层，最好由透明导体材料诸如ITO形成。被布置在第四导体904上的电介质层908，最好包括有折射率类似于波导402折射率的介质材料。
在图9A和9B示出的例子中，第三导体902是导电不透明层，由有导电和光吸收两种性质的材料制成。合适的导电不透明材料包含，但不限于，金属化层、铜包覆纳米泡沫材料和多层导电复合材料。作为不透明导体，第三导体902被这样布置，使它基本上充满光学微结构410之间的空隙区域422，以帮助阻止光通过空隙区域422发散。第三导体902可以包含被布置在空隙区域422中延伸到光学微结构410的一部分侧表面424上的敷形涂层(未画出)，这样使间隔426把不透明层420与波导402的上表面910及其上被布置的任何层(如电介质层908)分开。这样，包括光吸收材料的第三导体902的存在，保证只有横越激活层408的光，而这是最终被观看者观看到的光，首先通过光学微结构410。
第三和第四导体902、904对以电驱动激活层408，从它的OFF位置到它的静态ON位置，提供另外的好处是，降低它激励像素900从OFF到ON位置所用时间，从而增加整个像素的速度。在操作期间，当送至像素900的电信号把像素900从OFF状态切换到ON状态时，电势差可以有选择地跨越第三和第四导体902、904施加，以驱动合成橡胶激活层408返回它的静态ON位置。跨越第三和第四导体902、904施加的电势差产生电场(Coulomb吸引力)，导致第三导体902和与之附着的柔性膜片406(即激活层)物理地向第四导体904移动(即推动)，从而帮助激活层408移动成(或几乎移动成)与电介质层908的顶表面910接触，如图9A所示。
因此，在操作期间，当像素900被从它的OFF状态切换到它的ON状态时，两种力的操作使激活层408返回它的静态ON位置。第一种力，以前对图4B描述过，是当第二导体440与第一导体429之间的电势差(ΔV1)相等(即ΔV1＝0)(或降低到足以把激活层408保持在OFF状态所需电势差以下)时操作，以便释放激活层408，这样，由于贮存在图9B画出的变形的合成橡胶激活层408中势能(即贮存的机械能)的释放，使激活层408收缩。该势能的释放，驱动(即无源地驱动)合成橡胶激活层408回到它的正常和静态ON位置。此外，第二种力是当电势差(ΔV2)跨越第三和第四导体902、904施加时操作，以便电驱动激活层408回到它的静态ON位置。因此，贮存在弹性变形的激活层408中的势能，以及由于跨越第三和第四导体902、904施加的电势差产生的Coulomb吸引力两者，驱动合成橡胶激活层408回到图9A画出的它的静态ON位置。
另一方面，图9A和9B示出光学微结构作为支座412的使用，如以前对图8所描述。多个支座412被分布在像素900的外部区602(即像素的周边)，而光学微结构410被布置在中心区600。如所画出，小的支座412有与光学微结构410相同的大小和形状。要使像素周边的光泄漏最小，延伸到位于像素的外部区602之上的吸收层462被引进该像素体系结构。吸收层462可以被布置在电子线路层430内并被置于支座结构412及透明垫片432上方沿竖直方向与支座结构412及透明垫片432成行和对准它们的中心，如以前对图4F所描述。因此，通过垫片结构432传播的被发射光线916可以被吸收层462俘获和熄灭，如由被发射光线916的光路所示。
图10A和图10B概念性地示出分别在静态ON状态和激励的OFF状态中像素的第三示例性实施例。在该实施例中，像素1000包括激活层1006，激活层1006有沿激活层1006的下表面1007均匀分布的光学微结构1010。图11画出图10A和图10B中所示激活层1006的下表面的顶视图。
与以前描述的实施例相反，该实施例沿激活层1006的下表面1007没有不存在光学微结构的居间区，以保证当像素1000被激励到OFF位置时，光不会不合需要地被耦合出波导402，如以前在上面所描述。因此，如在图10B所画出，当像素1000被激励到OFF位置时，激活层1006的中心区1002内的光学微结构1010离电介质层908的顶表面910有足够的距离(恒定距离)，以消除TIR光404借助FTIR耦合出波导402。
然而，为了熄灭不合需要地耦合出光学微结构1010的任何光，而这些光学微结构1010位于离电介质层908的顶表面910有较小变化的距离的外部区1004中，为此，在该像素体系结构中引进在外部区1004的光学微结构1010下面延伸的包层层460。如图所示，包层层460被布置在第四导体904的顶表面905上，并被定位在像素周边的作为支座安排的光学微结构1010之下，以便阻止光404进入这些光学微结构1010。包层层460可以包括实质上任何低或负折射率材料，这些材料能阻止射到它的光线404从波导402出射。
在本文讨论的所有实施例中，抗静摩擦手段(未画出)，诸如氟基成分，可以被涂敷在激活层的底表面上或以别的方法掺入激活层中，和/或被涂敷在波导的顶表面上或以别的方法掺入波导的顶表面中，以便克服van der Waals力、摩擦起电效应和可能出现在激活层/波导界面的的其他力，这些力会导致阻止激活层被推离波导使像素转变为OFF。
图12概念性地示出受抑全内反射(“FTIR”)显示器系统1200。在该被示出的实施例中，系统1200包含利用像素1215的阵列1210的显示器1205，这些像素1215实现本文所描述的一个或多个倒置像素体系结构实施例。每一像素1215包含与条形波导接触(或几乎接触)的激活层，因此条形波导内传播的光的全内反射受到抑制，且如本文所讨论，当该像素处于静态状态时，该光能通过像素1215逃逸。
在该被示出的实施例中，显示器1205通信联络地被耦合到控制器1220，该控制器1220提供激励像素1215和/或允许像素1215返回静态状态的信号。产生这些信号和把它们提供给显示器1205内的像素位置的技术，是本领域熟知的。为清楚起见，在产生控制信号和把它们提供给像素位置的技术中，只有与本申请中被描述的主题有关的那些方面，将在本文讨论。
在一个实施例中，控制器1220包含中央处理单元(“CPU”)1225，它能够访问储存在数据储存单元1230中的信息。数据储存单元1230可以包括，例如在计算机可读储存媒体上被编码的数据结构(未画出)。该储存媒体可以是光学的或磁的。示例性数据储存单元1230可以包含内部硬盘驱动器、外部硬盘驱动器、小型盘(CD)、数字视盘、数字磁带等等。
CPU 1225能够使用该信息以控制显示器1205中的像素阵列1210。例如，CPU 1225能够使用数字视盘上被编码的信息，产生和提供控制信号，使显示器1205中的像素1215(以及适当的光源和/或其他电子线路)接通和/或断开，于是，由包含在数字视盘上的信息所代表的图像，出现在显示器1205上。控制器1220还可以从外部源，例如从图12的天线1235接收信号。这些信号还可以被用于产生控制信号和向显示器1205提供控制信号。
通过实施本文描述的倒置像素体系结构，显示器1205的功率消耗可以相对于常用的显示器显著被降低。一个降低功率消耗的原因是，倒置的像素能够以较低电压操作。使激活层移位所要求的电压，大致与像素电容器导电板之间的距离平方成正比。对常用的体系结构，像素中导电板之间的距离能够达2μm或更大，而倒置像素体系结构的实施例能够使用约600nm或更小的导体之间的距离。所以，常用显示器中使用的电压能够大于实施倒置像素体系结构的显示器1205使用的电压的至少9倍。另一个降低功率消耗的原因是，倒置的像素中的电场(以及得到的静电力)能够大于常用像素体系结构中对应的电场(对相同的所加电压)，因为与常用像素体系结构中用于激励像素的“电容器”板(即导电层)比较，有倒置体系结构的像素的“电容器”板之间的间隙更小。
在此对详细的描述作出结论。上面公开的具体实施例只是说明性的，因为公开的主题可以被修改和按不同的但等价的方式实现，对已从本文教导得益的本领域熟练技术人员，这些修改和等价的方式是显而易见的。再有，除了下面的权利要求书所描述之外，没有限制被指向本文出示的结构或设计细节。因此显然，上面公开的具体实施例可以被改变或修改，而所有这类变化都被认为在公开的主题的范围内。所以，本文按照下面权利要求书的陈述寻求保护。

Claims (28)

1.一种设备，包括：
条形波导，展现被注入光的全内反射；
像素，靠近该条形波导，该像素包括：
激活层，当该激活层在离顶表面第一选定距离内时，该激活层抑制被注入光的全内反射，从而允许一部分被注入光从该条形波导出射通过该“ON状态”像素；和
驱动电子线路层，靠近该激活层并在该条形波导对面被安排，其中该驱动电子线路层被配置成施加推动激活层离开条形波导的距离超过第一选定距离的电压，以驱动该像素变成“OFF状态”。
2.权利要求1的设备，其中该像素包括在激活层和驱动电子线路层之间的至少一个支座，用于限定像素的周边。
3.权利要求2的设备，其中当驱动电子线路层施加该电压时，该激活层与条形波导被分开达到该间隙大小的距离，且其中该间隙大小足够大，以禁止光从条形波导透射进激活层中。
4.权利要求2的设备，其中当驱动电子线路层不施加电压时，该像素周边内的一部分激活层与条形波导被分开小于该第一选定距离，该第一选定距离足够小，以抑制在条形波导的顶表面的全内反射，并允许被注入光从所述至少一个像素的周边内的区从该条形波导出射。
5.权利要求2的设备，还包括至少一个反射层，被形成在与所述至少一个支座成行的激活层之内或之上，这样所述至少一个反射层能够使在该支座邻域中从条形波导出射的光再循环回条形波导中。
6.权利要求2的设备，还包括与该支座成行地被形成的至少一个低或负折射率包层支座，这样所述至少一个低或负折射率包层支座能够阻止光从该支座邻域中的条形波导出射。
7.权利要求2的设备，还包括与该支座成行地被形成的至少一个低或负折射率包层层，这样所述至少一个低或负折射率包层层能够阻止光从该支座邻域中的条形波导出射。
8.权利要求1的设备，其中该激活层包含被形成在激活层的下表面中的多个光学微结构，这样当这些光学微结构是在离顶表面第一选定距离内时，这些光学微结构抑制在条形波导顶表面的全内反射。
9.权利要求1的设备，其中该驱动电子线路层包括：
第一导电层，被布置在激活层的上表面上；
第二导电层，被布置在该第一导电层上方并与第一导电层分开第二选定距离；和
电子单元，被配置成响应向该电子单元提供的信号，在第一和第二导电层之间产生该施加的电压。
10.一种受抑全内反射显示器，包括：
条形波导，展现被注入光的全内反射；
光源，能把光注入该条形波导中；
多个像素，靠近条形波导的顶表面被安排，每一像素包括：
激活层，当该激活层在离顶表面第一选定距离内时，该激活层抑制在顶表面的被注入光的全内反射，从而允许一部分被注入光通过所述至少一个像素从该条形波导出射；和
驱动电子线路层，靠近该激活层并在该条形波导对面被安排，其中该驱动电子线路层被配置成施加推动激活层离开条形波导的顶表面的电压；和
控制器，被配置成向驱动电子线路层提供信号，使像素的操作被协调，以便通过可控地抑制来自邻近该像素的条形波导的顶表面的一些部分的全内反射，产生选定的图像。
11.权利要求10的受抑全内反射显示器，其中每一像素包括被安排在激活层和驱动电子线路层之间的多个支座，用于限定像素的周边。
12.权利要求11的受抑全内反射显示器，其中当驱动电子线路层施加该电压时，这些支座使激活层与驱动电子线路层分开达到该间隙大小的距离，且其中该间隙大小足够大，以禁止光从条形波导透射进激活层中。
13.权利要求12的受抑全内反射显示器，其中的控制器能够向驱动电子线路层提供可变信号，而其中该驱动电子线路层能够响应该可变信号以施加可变电压，且其中当施加的电压的幅值增加时，每一像素中间隙的大小也增加。
14.权利要求12的受抑全内反射显示器，其中当驱动电子线路层不向像素施加电压时，每一像素周边内的一部分激活层与条形波导被分开小于该第一选定距离，该第一选定距离足够小，以抑制在条形波导的顶表面的全内反射，并允许被注入光从该像素周边内的区离开该条形波导出射。
15.权利要求12的受抑全内反射显示器，包括反射层，被形成在与每一支座成行的激活层之内或之上，这样该反射层能够使进入支座的光再循环回条形波导中。
16.权利要求12的设备，还包括与该支座成行地被形成的至少一个低或负折射率包层支座，这样所述至少一个低或负折射率包层支座能够阻止光在该支座邻域中从条形波导出射。
17.权利要求12的设备，还包括与该支座成行地被形成的至少一个低或负折射率包层层，这样所述至少一个低或负折射率包层层能够阻止光在该支座邻域中从条形波导出射。
18.权利要求12的受抑全内反射显示器，其中由限定每一像素周边的支座所包围的激活层部分，包括被形成在激活层的下表面中的多个光学微结构，这样当这些光学微结构是在离顶表面第一选定距离内时，这些光学微结构抑制在条形波导顶表面上的全内反射。
19.权利要求12的受抑全内反射显示器，其中每一像素的驱动电子线路层包括：
第一导电层，被布置在每一像素中一部分激活层的上表面上；
第二导电层，被布置在该第一导电层上方并与第一导电层分开第二选定距离；和
电子单元，被配置成响应由控制器提供的信号，以便在第一和第二导电层之间产生该施加的电压。
20.一种用于受抑全内反射显示器的倒置像素体系结构，包括：
条形波导，展现被注入该条形波导的光的全内反射；
激活层，能有选择地抑制条形波导中被注入光的全内反射；和
驱动电子线路层，能在静态的ON状态和非静态的OFF状态之间驱动该激活层。
21.权利要求20的倒置像素体系结构，其中：
当抑制被注入光的全内反射的激活层是在离条形波导第一选定距离内时，允许一部分被注入光通过该“ON状态”中的像素从该条形波导出射；和
驱动电子线路层施加推动该激活层离开条形波导的距离超过第一选定距离的电压，用于驱动该像素变成非静态的OFF状态。
22.权利要求21的设备，其中该激活层包含与每一支座成行的至少一个反射层，这样该反射层能够有选择地使进入支座的光再循环回条形波导中。
23.权利要求21的设备，还包括至少一个低或负折射率包层支座，与该支座成行地被形成，这样所述至少一个低或负折射率包层支座能够阻止光从该支座邻域中的条形波导出射。
24.权利要求21的设备，还包括至少一个低或负折射率包层层，与该支座成行地被形成，这样所述至少一个低或负折射率包层层能够阻止光在该支座邻域中从条形波导出射。
25.权利要求20的设备，其中该激活层包含多个光学微结构，被形成在该激活层的第一表面中，该第一表面面对条形波导，这样这些光学微结构当在第一选定距离内时，抑制条形波导的全内反射。
26.权利要求20的设备，其中该驱动电子线路层包括：
第一导电层，被布置在激活层的上表面上；
第二导电层，被布置在该第一导电层上方并与第一导电层分开第二选定距离；和
多个电子单元，被配置成响应向这些电子单元提供的信号，在第一和第二导电层之间产生该施加的电压。
27.一种在操作受抑全内反射显示器中使用的方法，包括在静态的ON状态和非静态的OFF状态之间驱动倒置像素体系结构。
28.权利要求27的方法，其中：
条形波导，展现被注入条形波导中的光的全内反射；
激活层，能有选择地抑制条形波导中被注入的光的全内反射；和
驱动电子线路层，能在静态的ON状态和非静态的OFF状态之间驱动该激活层；和
在静态的ON状态和非静态的OFF状态之间驱动倒置像素体系结构包含施加推动激活层离开条形波导的距离超过第一选定距离的电压，以便从静态的ON状态驱动该像素，在该静态的ON状态中，激活层抑制被注入光的全内反射，以允许一部分被注入光从该条形波导出射，变成非静态的OFF状态。
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