дифракционный дисплей, дифракционное устройство, способ формирования дисплея и способ формирования различных дифрагированных лучей

Формула изобретения

1. Дисплей, в котором каждый пиксел испускает весь диапазон дифрагированных длин волн, содержащий

а) широкополосный источник света,

б) пункт наблюдения,

в) элемент, имеющий точку поворота и включающий магнитную часть и голограмму дифракционной решетки, установленную так, чтобы на ней дифрагировало падающее на нее излучение широкополосного источника света,

г) одну или более катушку, установленную неподвижно относительно указанного элемента, находящуюся в магнитном взаимодействии с ним и питаемую электрическим током для обеспечения перемещения указанного элемента, и

д) источник для питания указанной одной или более катушки электрическим током для обеспечения поворота указанного элемента, включающего голограмму дифракционной решетки, вокруг указанной точки поворота для направления любого выбранного дифрагированного луча от указанной голограммы в пункт наблюдения для формирования изображения.

2. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что указанные выбранные дифрагированные лучи проецируются с помощью проекционной системы.

3. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что положение указанной точки поворота совпадает с положением центра тяжести указанного элемента.

4. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что точка поворота смещена относительно центра тяжести указанного элемента.

5. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что каждая из указанных катушек содержит множество витков.

6. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что каждая из указанных катушек содержит по одному витку.

7. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что указанная магнитная часть содержит постоянный магнит, основные размеры которого соответствуют размерам указанной дифракционной решетки, а дифракционная решетка прикреплена к указанному магниту.

8. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что указанные магнитная часть и дифракционная решетка прикреплены к несущему элементу, имеющему первую поверхность, вторую поверхность, первый край и второй край.

9. Дисплей по п.8, отличающийся тем, что указанная дифракционная решетка расположена вдоль указанной первой поверхности, а магнитная часть представляет собой постоянный магнит, расположенный вдоль указанной второй поверхности.

10. Дисплей по п.8, отличающийся тем, что магнитная часть содержит первый постоянный магнит, расположенный вдоль первой поверхности рядом с первым краем, и второй постоянный магнит, расположенный вдоль первой поверхности рядом со вторым краем, а указанные катушки включают первую катушку, находящуюся в магнитном взаимодействии с первым магнитом, и вторую катушку, находящуюся в магнитном взаимодействии со вторым магнитом.

11. Дисплей по п.8, отличающийся тем, что магнитная часть содержит первый постоянный магнит, расположенный вдоль первой поверхности рядом с первым краем, и второй постоянный магнит, расположенный вдоль второй поверхности рядом со вторым краем, а указанные катушки включают первую катушку, находящуюся в магнитном взаимодействии с первым магнитом, и вторую катушку, находящуюся в магнитном взаимодействии со вторым магнитом.

12. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что магнитная часть содержит несущий элемент, в который вкраплено множество постоянных магнитов в виде дискретных частиц.

13. Устройство, содержащее элемент с дифракционной решеткой (решетками), связанный с источником, питаемым энергией для перемещения указанного элемента, причем при перемещении этого элемента перемещается указанная дифракционная решетка (решетки), а при перемещении дифракционной решетки (решеток) излучение, падающее на дифракционную решетку (решетки), дифрагирует так, что указанной дифракционной решеткой (решетками) формируются различные выбранные дифрагированные лучи, отличающееся тем, что указанный элемент представляет собой фасеточный поворотный элемент, содержащий матрицу фасеток, на каждой из которых установлена дифракционная решетка, причем фасеточный поворотный элемент имеет точку поворота, а указанный источник установлен неподвижно относительно фасеточного поворотного элемента и питается энергией для обеспечения поворота выбранной фасетки указанной матрицы путем поворота фасеточного поворотного элемента относительно указанной точки поворота из положения покоя в положение наблюдения фасетки, в котором любой указанный выбранный дифрагированный луч (лучи) может быть сформирован и показан наблюдателю, расположенному в неизменном положении относительно фасеточного поворотного элемента, при этом только указанный выбранный дифрагированный луч (лучи) будет показан указанному наблюдателю, расположенному в неизменном положении относительно фасеточного поворотного элемента.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что источник представляет собой шаговый двигатель.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что источник представляет собой линейный исполнительный механизм.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую внешний край, на котором расположена матрица фасеток, каждая из которых включает опору, на которой расположена дифракционная решетка (решетки).

17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент содержит дугообразную часть, на которой расположена матрица фасеток, и несущую часть, соединенную с дугообразной частью.

18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дифракционная решетка (решетки) является голографической дифракционной решеткой (решетками).

19. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую поверхность и внешний край, причем на этой поверхности расположена матрица фасеток, представляющих собой наложенную голографическую дифракционную решетку (решетки), где каждая фасетка имеет угловое смещение по отношению к другим фасеткам.

20. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанные выбранные дифрагированные лучи проецируются с помощью проекционной системы.

21. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент поворачивается относительно своего центра.

22. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент поворачивается относительно своего центра тяжести.

23. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно дополнительно включает поверхность для показа изображения, находящуюся на расстоянии от фасеточного поворотного элемента, причем указанный выбранный дифрагированный луч (лучи) фокусируется на указанной поверхности для формирования показываемого изображения.

24. Устройство по п.13, отличающееся тем, что фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую поверхность, на которой расположена голографическая дифракционная решетка с постоянным периодом решетки, и имеющую ось, и фасеточный поворотный элемент выполнен с возможностью поворота относительно этой оси в множество положений наблюдения фасетки для формирования указанной матрицы фасеток, так что в каждом положении наблюдения фасетки формируется и показывается наблюдателю выбранный дифрагированный луч (лучи).

25. Способ формирования дисплея, в котором каждый пиксел испускает весь диапазон дифрагированных длин волн, включающий:

а) обеспечение наличия широкополосного источника света,

б) обеспечение наличия пункта наблюдения,

в) обеспечение наличия элемента, имеющего точку поворота и включающего магнитную часть и голограмму дифракционной решетки, установленную так, чтобы на ней дифрагировало падающее на нее излучение широкополосного источника света,

г) обеспечение наличия одной или более катушек, питаемых электрическим током для обеспечения перемещения указанного элемента,

д) установку указанной одной или более катушки так, чтобы обеспечить магнитное взаимодействие указанной одной или более катушки с указанной магнитной частью,

е) установку указанной одной или более катушек в фиксированное положение относительно указанного элемента,

ж) обеспечение наличия источника для питания указанной одной или более катушек электрическим током и

з) питание указанного источника энергией для подачи тока в указанную одну или более катушку для обеспечения поворота указанного элемента, включающего голограмму дифракционной решетки, вокруг указанной точки поворота для направления любого выбранного дифрагированного луча в пункт наблюдения для формирования изображения.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что он включает проецирование указанных сформированных различных выбранных дифрагированных лучей с помощью проекционной системы на некоторую поверхность.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что указанные одна или более катушек являются многовитковыми.

28. Способ по п.25, отличающийся тем, что указанные одна или более катушек являются одновитковыми.

29. Способ по п.25, отличающийся тем, что он включает

(и) выполнение указанной магнитной части в виде постоянного магнита, основные размеры которого соответствуют размерам указанной дифракционной решетки, и

(к) прикрепление указанной дифракционной решетки к указанному постоянному магниту.

30. Способ по п.25, отличающийся тем, что он включает

(л) обеспечение наличия несущего элемента, имеющего первую поверхность, вторую поверхность, первый край и второй край, и

(м) прикрепление указанных магнитной части и дифракционной решетки к этому несущему элементу.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что он включает

(н) размещение указанной дифракционной решетки вдоль указанной первой поверхности несущего элемента,

(о) выполнение указанной магнитной части в виде постоянного магнита и

(п) размещение указанного постоянного магнита вдоль указанной второй поверхности.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что он включает

(р) выполнение указанной магнитной части в виде первого постоянного магнита и второго постоянного магнита,

(с) размещение первого постоянного магнита вдоль указанной первой поверхности рядом с указанным первым краем,

(т) размещение второго постоянного магнита вдоль указанной первой поверхности рядом с указанным вторым краем и

(у) выполнение указанных катушек в виде первой катушки, находящейся в магнитном взаимодействии с первым магнитом, и второй катушки, находящейся в магнитном взаимодействии со вторым магнитом.

33. Способ по п.30, отличающийся тем, что он включает

(ф) выполнение указанной магнитной части в виде первого постоянного магнита и второго постоянного магнита,

(х) размещение первого постоянного магнита вдоль указанной первой поверхности рядом с указанным первым краем,

(ц) размещение второго постоянного магнита вдоль указанной второй поверхности рядом с указанным вторым краем и

(ч) выполнение указанных катушек в виде первой катушки, находящейся в магнитном взаимодействии с первым магнитом, и второй катушки, находящейся в магнитном взаимодействии со вторым магнитом.

34. Способ по п.25, отличающийся тем, что указанная магнитная часть содержит множество дискретных частиц в виде постоянных магнитов, вкрапленных в несущий элемент.

35. Способ формирования различных выбранных дифрагированных лучей с помощью элемента, содержащего дифракционную решетку (решетки) и связанного с источником, питаемым энергией для перемещения указанного элемента, причем при перемещении этого элемента перемещается указанная дифракционная решетка (решетки), а при перемещении дифракционной решетки (решеток) излучение, падающее на дифракционную решетку (решетки), дифрагирует так, что указанной дифракционной решеткой (решетками) формируются различные выбранные дифрагированные лучи, отличающийся тем, что он включает:

(а) выполнение указанного элемента в виде фасеточного поворотного элемента, содержащего матрицу фасеток, на каждой из которых размещена дифракционная решетка, и имеющего точку поворота,

(б) фиксирование положения указанного источника относительно фасеточного поворотного элемента и

(в) подачу питания на указанный источник для обеспечения поворота выбранной фасетки указанной матрицы путем поворота фасеточного поворотного элемента относительно указанной точки поворота из положения покоя в положение наблюдения фасетки, в котором любой указанный выбранный дифрагированный луч (лучи) может быть сформирован и показан наблюдателю, расположенному в неизменном положении относительно фасеточного поворотного элемента, при этом только указанный выбранный дифрагированный луч (лучи) будет показан указанному наблюдателю, расположенному в неизменном положении относительно фасеточного поворотного элемента.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что указанный источник представляет собой шаговый двигатель.

37. Способ по п.35, отличающийся тем, что указанный источник представляет собой линейный исполнительный механизм.

38. Способ по п.35, отличающийся тем, что указанный фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую внешний край, на котором размещена матрица фасеток, каждая из которых включает опору, на которой размещена дифракционная решетка (решетки).

39. Способ по п.35, отличающийся тем, что фасеточный поворотный элемент содержит дугообразную часть, на которой размещена матрица фасеток, и несущую часть, соединенную с дугообразной частью.

40. Способ по п.35, отличающийся тем, что указанная дифракционная решетка (решетки) является голографической дифракционной решеткой (решетками).

41. Способ по п.35, отличающийся тем, что фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую поверхность и внешний край, причем на этой поверхности установлена матрица фасеток, представляющих собой наложенную голографическую дифракционную решетку (решетки), где каждая фасетка имеет угловое смещение по отношению к другим фасеткам.

42. Способ по п.35, отличающийся тем, что он включает проецирование указанных сформированных различных выбранных дифрагированных лучей с помощью проекционной системы на некоторую поверхность.

43. Способ по п.35, отличающийся тем, что он включает

(г) обеспечение наличия поверхности для показа изображения, находящейся на расстоянии от фасеточного поворотного элемента, и

(д) фокусировку указанного сформированного выбранного дифрагированного луча (лучей) на указанной поверхности для показа изображения для формирования показываемого изображения.

44. Способ по п.35, отличающийся тем, что фасеточный поворотный элемент представляет собой пластину, имеющую поверхность, на которой расположена голографическая дифракционная решетка с постоянным периодом решетки, и имеющую ось, и фасеточный поворотный элемент выполнен с возможностью поворота относительно этой оси в множество положений наблюдения фасетки для формирования указанной матрицы фасеток, так что в каждом положении наблюдения фасетки формируется и показывается наблюдателю выбранный дифрагированный луч (лучи).

Описание изобретения к патенту

Ссылка на связанные заявки

Настоящая заявка связана с заявкой на патент США, поданной тем же числом (номер дела патентного поверенного LUC 2-026), содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки.

Сведения, касающиеся федеральной поддержки исследований

Нет.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию дифракционного дисплея (отражающего или просветного), в котором каждый пиксел испускает весь диапазон дифрагированных длин волн (например, весь цветовой диапазон) с использованием новой дифракционной техники.

Предложено большое количество графических дисплеев, в которых используются, например, биморфные пьезоэлектрические элементы и их эквиваленты. Биморфный элемент - это устройство, состоящее из двух полос пьезоэлектрической пленки, которые соединены вместе и которые имеют электроды, позволяющие подать на пленку электрическое поле нужной полярности, вызывающее электрострикционный эффект. Такой электрострикционный эффект может проявляться как плоское растяжение или сокращение, либо как отклонение от плоскости одного конца пленки при закреплении противоположного конца.

В патенте США №4331972 предложен световой затвор, включающий пару элементов из прозрачного материала, каждый из которых содержит периодическую дифракционную решетку, причем эти решетки расположены друг напротив друга так, что их штрихи параллельны. В этом патенте такой световой затвор назван двойной дифракционной решеткой. Прохождение светового излучения через двойную дифракционную решетку зависит от относительного положения пары решеток в направлении, перпендикулярном штрихам решетки. Одна из решеток может быть выполнена тиснением на пьезоэлектрической поливинилиденфторидной пленке и перемещаться при приложении к ней электрического напряжения. В результате в ответ на электрический сигнал одна полоса может перемещаться относительно другой для управления нулевой дифракцией, или пропусканием света в диапазоне от полной задержки света до полного его пропускания, чтобы обеспечить любой желаемый промежуточный уровень пропускания. Для формирования трех различных цветов, необходимых для создания цветного дисплея, то есть голубого, красного и желтого цветов, используют три различных наложенных друг на друга затвора из двойных дифракционных решеток.

В патенте США №5067829 предлагается управлять световыми пучками, пропуская их через оптически прозрачный упругий материал, который сгибается под действием электрического напряжения, причем этот изгиб или деформация приводит к изменению угла, под которым пучок света пересекает поверхности оптически прозрачных слоев.

В патенте США №5052777 биморфный элемент используется в качестве прерывателя, предназначенного для пропускания или задержки падающего на него света. Такие биморфные прерыватели позволяют пропускать свет, например переданный через оптическое волокно, через биморфные световые затворы к наблюдателю для создания графических изображений.

В патенте США №4274101 описано лазерное записывающее устройство, в котором используется пьезоэлектрический биморфный вибратор, меняющий фокусное расстояние.

В патенте США №5126836 предлагается телевизионный дисплей, в котором источник белого света испускает луч, падающий на множество дихроичных зеркал, которые расщепляют луч на три луча основных цветов. Затем эти первичные лучи отражаются на три деформируемые отражающие поверхности, которые могут быть пьезоэлектрическими кристаллами и которые вновь отражают лучи через щели в неотражающей поверхности, тем самым модулируя интенсивность лучей. В патенте США №4415228 предлагается биморфный световой затвор, аналогичный описанному в патенте США №4234245.

Другие предложения включают статью Stein, et al. "A Display Based on Switchable Zero Order Diffraction Grating Light Valves", Advances in Display Technology V, SPI vol. 526, 105-112 (1985), где предлагается плоский дисплей, в котором используется матрица линейно адресуемых оптических затворов, освещаемых с тыльной стороны с помощью частично коллимированного источника. Основным пиксельным элементом дисплея является оптический переключатель, работа которого основана на дифракции нулевого порядка в двух съюстированных просветных фазовых дифракционных решетках. Проходящий свет модулируют путем механического перемещения одной решетки относительно другой на половину шага решетки. Для этой цели используется биморфный элемент.

И, наконец, имеется работа Gale, et al., "Diffractive Diffusers for Display Application", Current Developments in Optical Engineering and Diffraction Phenomena, SPIE vol. 679, 165-168 (1986), в которой предлагаются дифракционные оптические рассеиватели для приложений, связанных с созданием дисплеев, причем рассеиватели могут быть изготовлены методами лазерной записи.

Рассмотренные выше способы позволяют создать графические дисплеи, однако значительно усовершенствованные способы создания таких дисплеев раскрыты в патенте США №5613022. Посредством перемещения дифракционной решетки это техническое решение можно использовать для создания графических дисплеев, в которых каждый пиксел способен формировать все цвета. Для улучшения зрительного восприятия пиксел может освещать рассеивающую панель, или поверхность для показа изображения.

Хотя такая дифракционная техника позволяет повысить эффективность графических дисплеев, все еще существует реальная потребность в дополнительных способах, позволяющих сделать такие дифракционные дисплеи экономичными и практичными, особенно при широкомасштабном производстве.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование дифракционного дисплея, предназначенного для формирования графических изображений, и других подобных дисплеев. В общих чертах, новый вариант выполнения дисплея основан на использовании голографической дифракционной картины (голограммы), которая размещена на магните или несущем элементе, и катушки, питаемой электрическим током, которая находится в магнитном взаимодействии с указанным магнитом и способна приводить магнит в движение. При повороте голографической дифракционной картины дифрагированный свет создает графическое изображение.

Другой новый вариант выполнения дисплея основан на использовании фасеточного поворотного элемента (FRE - Faceted Rotatable Element), содержащего матрицу фасеток, каждая из которых несет дифракционную решетку, и источника, на который подают питание для поворота фасеточного поворотного элемента из положения покоя в положение наблюдения. Поворот фасеточного поворотного элемента создает изображение благодаря отклонению света дифракционными решетками.

В одной из конфигураций фасеточный поворотный элемент представляет собой по существу плоскую круглую пластину с множеством опор по ее внешнему краю, при этом на каждой из опор имеется дифракционная решетка. Однако предпочтительно, чтобы все дифракционные решетки в матрице имели различный период (шаг) решетки, были выполнены в виде голографических дифракционных решеток и были расположены по поверхности пластины. Могут использоваться и другие конфигурации, которые характеризуются меньшей массой, большей скоростью поворота, меньшим временем ускорения и замедления, что обеспечивает быструю смену цвета каждым пикселом. Поворот фасеточного поворотного элемента может быть реализован, например, с помощью шагового двигателя или линейного исполнительного механизма.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания принципов и преимуществ настоящего изобретения последующее описание приведено со ссылками на сопровождающие чертежи, где:

на фиг.1 показан вид сверху пиксела, выполненного с использованием усовершенствованного поворотного магнита и неподвижной катушки;

на фиг.2А-2С иллюстрируется поворот магнита из исходного положения в два разных положения;

на фиг.3 показан вид сбоку пиксела, изображенного на фиг.1, где показано соединение магнита и катушки с печатной платой;

на фиг.4А-4Е показан ряд способов соединения магнита и дифракционной решетки;

на фиг.5 показана часть светового потока, с помощью фасеточного поворотного элемента направленного от источника в глаз наблюдателя;

на фиг.6А-6Е показан ряд конструкций фасеточного поворотного элемента, каждый из которых состоит из несущей части и фасеточной поверхности;

на фиг.7 показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента в комбинации с несколькими обычными элементами дисплея;

на фиг.8А показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента, связанного с шаговым двигателем;

на фиг.8В и 8С показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента, связанного с линейным исполнительным механизмом;

на фиг.9А показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента, имеющего одну дифракционную решетку;

на фиг.9В показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента, изображенного на фиг.9А и повернутого из исходного положения во второе положение; и

фиг.9С показан вид в перспективе фасеточного поворотного элемента, изображенного на фиг.9А и повернутого из исходного положения в третье положение.

Ниже чертежи описаны более подробно.

Подробное описание изобретения

Уникальный способ формирования графического изображения был раскрыт в патенте США №5613022. В этом способе дифракционная решетка, которая расположена на электроактивной или магнитоактивной пленке, связана с источником энергии, который при подачи питания способен заставить пленку перемещаться. Если дифракционная решетка освещена светом широкого спектрального диапазона, то она отклоняет свет определенного цвета под определенным углом. Перемещение пленки, несущей дифракционную картину, изменит угол падения света на дифракционную решетку. Это приведет к тому, что луч, отклоняющийся под данным углом, будет иметь другую длину волны. При широком спектральном диапазоне источника видимого света (хотя настоящее изобретение в равной степени применимо к ультрафиолетовому и инфракрасному излучению), можно заставить пиксел отражать разные цвета, в частности красный, зеленый и синий, в зависимости от угла поворота дифракционной решетки.

Для достижения цветовой однородности и широкого поля наблюдения эта решетка должна представлять собой голограмму, например сформированную на стеклянной пластинке, фотопленке и т.п. Цвет отклоненного луча определяется уравнением решетки

где

- длина волны дифрагирующего света (мкм);

d - период (шаг) решетки (мкм);

- угол падения относительно нормали к пластине (градусы);

- угол дифракции относительно нормали к пластине (градусы). При фиксированных и d длина волны меняется с изменением .

Множество вариантов осуществления перемещения дифракционной решетки описано в патенте США №5613022. Один вариант включает подачу напряжения на пьезоэлектрический материал, к которому прикреплена дифракционная решетка, в результате чего материал изгибается, меняя эффективный период дифракционной решетки. Отклонение пленки при этом пропорционально поданному напряжению. В других вариантах используются магниты и катушки, которые обеспечивают отклонение дифракционной решетки электромагнитным путем. Каждый из вариантов использования магнитных средств, описанных в патенте США №5613022, включает неподвижные постоянные магниты и вращаемую катушку, к которой прикреплена дифракционная решетка. Взаимодействие поля постоянных магнитов и магнитного поля, созданного катушкой, порождает силу, которая заставляет поворачиваться катушку, а значит и дифракционную решетку.

Хотя устройства, описанные в патенте США №5613022, можно считать подходящими для большинства коммерческих приложений, в технике всегда имеется тенденция дальнейшего усовершенствования устройств в направлении повышения их практичности и эффективности. При испытаниях устройства, в котором использовалась неподвижная катушка и подвижный магнитный элемент, несущий дифракционную решетку, были получены неожиданные результаты. Можно было предположить, что использование неподвижной катушки и подвижного магнита вместо неподвижного магнита и подвижной катушки даст тот же результат. Однако при использовании подвижного магнита были достигнуты неожиданные и полезные результаты, включая меньшую массу по отношению к создаваемому вращательному моменту и меньшие потери мощности, меньшие вариации параметров материала шарниров с точки зрения жесткости пружины и проводимости, уменьшение проблем, связанных с управлением качеством продукции, меньшие производственные издержки.

На фиг.1 показан вид сверху пиксела 90, включающего усовершенствованный подвижный магнит. Имеется дифракционная решетка 100, которая может быть голографической пленкой. Дифракционная решетка 100 прикреплена к магнитному элементу, который представляет собой постоянный магнит (позиция 120 на фиг.2 и 3). Дифракционная решетка 100 может быть непосредственно соединена с магнитом 120 или, альтернативно, дифракционная решетка 100 и магнит 120 могут быть по отдельности прикреплены к дополнительному элементу для их соединения друг с другом. Магнит 120 лежит на оси 140, которая выполнена из ферромагнитного материала и, следовательно, притягивает магнит 120 и удерживает его на месте, допуская при этом отклонение относительно оси 140. Рядом с осью 140, или являясь ее частью, или в соединении с ней, расположен токонесущий провод 160, который соединен с полевым транзистором 170. По существу, магнит 120 и катушка 160 находятся в магнитном взаимодействии друг с другом.

Когда по проводу 160 протекает ток, создается магнитное поле, которое действует на магнит 120. Поскольку магнит 120 не закреплен, сила, созданная током в проводе 160, заставляет магнит 120 и связанную с ним дифракционную решетку 100 поворачиваться относительно оси 140.

Направление поворота магнита 120 и соответствующей дифракционной решетки относительно оси 140 зависит от направления магнитного поля, создаваемого магнитом 120, и направления тока, текущего по проводу 160. Изменение направления тока в проводе 160 меняет направление создаваемой силы, что заставляет магнит поворачиваться в противоположном направлении. Провод 160 может иметь множество витков, однако для повышения эффективности предпочтительно, чтобы катушка содержала один виток. Для предотвращения воздействия полей, создаваемых соседними пикселами или внешними источниками (так называемые перекрестные помехи), имеется электромагнитный экран 260. Этот экран может быть выполнен, например, из стали SAE 1010. Как понятно специалистам в данной области техники, возможны альтернативные конструкции пары, состоящей из магнита 120 и катушки 160, предназначенной для перемещения магнита. Несколько иллюстративных конфигураций подробно описаны ниже.

На фиг.2А-2С показано, как магнит 120 поворачивается в два разных положения. Сохранены номера позиций, приведенные на фиг.1. На фиг.2А магнит 120 находится в исходном положении, перпендикулярном к оси 140, как обозначено пунктирной линией 180. Когда по проводу 160 течет ток в направлении, показанном на фиг.1, магнит 120 поворачивается из исходного положения на угол ₁ в положение, изображенное на фиг.2В. При изменении полярности тока, текущего по проводу 160, на противоположное магнит 120 повернется на угол ₂ в противоположном направлении, как показано на фиг.2С. В общем случае для создания полноцветного пиксела магнит нужно повернуть всего лишь приблизительно на 8 градусов в любом направлении.

На фиг.1 показаны ограничители 200 и 210, которые предотвращают поворот магнита 120 за желаемые пределы. Чтобы показать ограничитель 210, часть магнита 120 на чертеже вырезана. Ограничитель 210 может включать емкостной зонд или датчик (не показан), например содержащий алюминированный майлар (Mylar®), который расположен ниже магнита 120 и указывает положение магнита 120. Как только магнит переместится в желаемое положение, он удерживается на месте за счет магнитного поля, окружающего ферромагнитные штыри 220 и 240. Благодаря наличию этих штырей магнит 120 можно удерживать на месте при малом токе через провод 160 или вообще при отсутствии такого тока.

На фиг.3 показан вид сбоку пиксела, изображенного на фиг.1, и соединение вышеописанных элементов с печатной платой. Сохранены обозначения, приведенные на фиг.1. Печатная плата 280 имеет заземленную плоскость 300 и шину 320 положительного напряжения. Полевой транзистор 170 последовательно соединен с проводником 160, заземляющим соединителем 360 и соединителем 340 положительного напряжения (фиг.1), которые соединены с заземленной плоскостью 300 и шиной положительного напряжения соответственно. Аналогично емкостной датчик, расположенный на ограничителе 210, соединен с заземляющей плоскостью 300 в точке 400 и с шиной 320 положительного напряжения в точке 380. Соединение элементов с печатной платой 280 является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения, поскольку специалистам понятно, что можно использовать и другие конструкции.

На фиг.4А-4F показаны другие конструкции магнитного элемента. На фиг.4А показана конфигурация, используемая на фиг.1, в которой дифракционная решетка 500 непосредственно прикреплена к постоянному магниту 502. Для облегчения изготовления между магнитом 502 и дифракционной решеткой 500 может быть помещен несущий элемент 504, как показано на фиг.4В.

В двух предыдущих конструкциях использовался единственный магнит, размеры которого совпадали с размерами удерживаемой дифракционной решетки и несущего элемента, если таковой имелся. Можно использовать и магнит меньших размеров. Кроме того, при использовании нескольких катушек можно использовать другие конфигурации с несколькими постоянными магнитами, расположенными в различных местах относительно дифракционной решетки. Магнитный элемент также можно выполнить в виде постоянных магнитов, образованных дискретными частицами, рассеянными по всему несущему элементу, или вкрапленными в него, с любой желаемой концентрацией. На фиг.4С-4Е для иллюстрации показано несколько возможных конструкций магнита. На каждом из этих чертежей позиция 506 обозначает постоянный магнит, а позиции 508 и 510 соответственно обозначают дифракционную решетку и несущий элемент. На этих чертежах несущий элемент 510 имеет прямоугольную форму и имеет верхнюю поверхность 520, нижнюю поверхность 522, передний край 524 и задний край 526. Однако описание прямоугольного несущего элемента 510 является лишь иллюстративным и не ограничивает объем изобретения, поскольку геометрию несущего элемента 510 можно изменить. При использовании нескольких магнитов и нескольких катушек взаимодействие результирующих магнитных полей может отличаться от описанного в связи с фиг.1, поэтому может потребоваться некоторая модификация этой системы. Однако на основе решений, показанных на фиг.1, при соответствующей их модификации специалисты могут разработать уникальные конфигурации и при этом воспользоваться преимуществами от использования дополнительных движущих сил для достижения специальных эффектов.

При разработке варианта выполнения подвижного магнита на основе электромагнитной концепции, раскрытой в патенте США №5613022, было обнаружено, что уникальное использование дифракционных решеток для создания графических изображений можно осуществить несколько другим способом. И хотя этот вариант близок к подходу, раскрытому в патенте США №5613022, можно получить существенные конструктивные преимущества. Эти преимущества могут быть реализованы путем использования фасеточного поворотного элемента, предназначенного для отклонения луча одного из нескольких выбранных цветов путем дифракции в направлении наблюдателя при освещении широкополосным источником света под определенным углом. Фасетка, расположенная на поворотном основании или элементе, является областью или площадкой, содержащей дифракционную решетку с определенным периодом, которая при освещении ее широкополосным источником света отклоняет свет определенного цвета в направлении наблюдателя. Матрицу фасеток можно сформировать на фасеточном поворотном элементе, формируя матрицу дифракционных решеток, каждая из которых может иметь свой, отличный от других, период, причем все элементы матрицы дифракционных решеток могут быть расположены в непосредственной близости друг от друга или могут быть пространственно разнесены, или же можно использовать матрицу голографических дифракционных решеток, где фасетки матрицы наложены друг на друга. Однако в простейшем варианте выполнения настоящего изобретения фасеточный поворотный элемент может иметь на своей поверхности одну дифракционную решетку, при этом каждое изменение положения фасеточного поворотного элемента представляет некоторую фасетку. Специалисту в данной области техники понятно, что существует множество способов практической реализации фасеточного поворотного элемента. Поворотный элемент может представлять собой, например, пластину, имеющую поверхность и внешний край. Пластина соединяется с источником энергии, например линейным исполнительным механизмом или шаговым двигателем, который осуществляет поворот пластины. На поверхности пластины может быть расположена одна дифракционная решетка или матрица дифракционных решеток, причем каждый элемент такой матрицы характеризуется своим периодом решетки, или же матрица наложенных друг на друга голографических дифракционных решеток; или, альтернативно, по внешнему краю пластины могут быть расположены опоры, каждая из которых несет на себе дифракционную решетку. Некоторые из возможных конструкций фасеточного поворотного элемента подробнее показаны на следующих чертежах. Однако они также служат лишь для иллюстрации и не ограничивают объем настоящего изобретения.

Хотя фасетки могут быть расположены вдоль или поперек фасеточного поворотного элемента случайным образом, положение каждой фасетки внутри матрицы известно. Например, положение каждой фасетки может храниться в памяти микропроцессора. Поскольку положение каждой фасетки в матрице известно, фасеточный поворотный элемент можно повернуть так, чтобы источник света освещал выбранную фасетку, обеспечивая дифракцию лучей определенного заданного цвета.

На фиг.5 фасеточный поворотный элемент, имеющий матрицу фасеток в виде опор, расположенных по внешнему краю, освещен широкополосным источником света. Фасеточный поворотный элемент, обозначенный в целом позицией 600, имеет поверхностную часть 602 и несущую часть 604. Поверхностная часть 602 состоит из матрицы фасеток (граней) 606a-606f, каждая из который несет дифракционную решетку. Эти решетки обеспечивают дифракцию света, идущего из широкополосного источника 622. Протяженность каждой фасетки превышает протяженность расположенной на ней дифракционной решетки, поэтому между соседними дифракционными решетками имеется пространство, соответствующее положению покоя, например обозначенное позицией 621. Каждое положение покоя может соответствовать нулевому положению или же оно может использоваться для создания цветного фона при отсутствии изображения. Каждая из дифракционных решеток 608, 610, 612, 614, 616 и 618 имеет уникальный период решетки, чтобы свет определенного цвета, отклоняемый решеткой, был виден наблюдателю в положении 620. Фасеточный поворотный элемент 600 способен поворачиваться относительно оси, перпендикулярной к поверхности несущей части 604, причем эта ось может проходить через его центр тяжести, около края, через его центр или в любом другом желаемом месте. Положение оси вращения, например как показано позицией 624, отчасти зависит от геометрии и конструкции несущей части 604. Поворот фасеточного поворотного элемента 600 может происходить по часовой стрелке или против часовой стрелки, однако наиболее эффективным является поворот в любом направлении относительно исходного положения.

Фасеточный поворотный элемент 600 первоначально находится в положении покоя. Из этого исходного положения фасеточный поворотный элемент 600 поворачивается в положение наблюдения, когда дифракционная решетка находится в начале координат - в положении 626. На фиг.5 дифракционная решетка 614 расположена в положении 626, поэтому дифрагированный свет определенного цвета виден глазу 620 наблюдателя. Этот свет может быть, например, синим. Чтобы в глаз 620 наблюдателя попал свет другого цвета, фасеточный поворотный элемент 600 поворачивают из одного положения наблюдения, через положение покоя, в другое положение наблюдения. Поскольку каждая дифракционная решетка имеет свой уникальный период решетки, падающий из источника 622, свет будет отклоняться под другими углами, соответствующими определенным цветам. Свет, дифрагированный в направлении наблюдателя решеткой 616, расположенной на фасетке 606е, может быть зеленым, в то время как свет, дифрагированный решеткой 618 на фасетке 606f, может быть красным. Положение фасеток относительно положения 626 определяет угол поворота, соответствующий каждому цвету. Чтобы глаз 620 наблюдателя увидел зеленый свет, фасеточный поворотный элемент 600 поворачивают на угол ₁. Чтобы глаз 620 наблюдателя увидел красный свет, фасеточный поворотный элемент 600 поворачивают на угол ₂ и т.д. Количество дискретных цветов, доступных для формирования графического изображения, определяется количеством фасеток и соответствующих дифракционных решеток, расположенных на поверхностной части фасеточного поворотного элемента.

Как показано на фиг.6А-6Е, для создания фасеточного поворотного элемента для любого конкретного варианта выполнения дисплея могут использоваться разные модификации несущей части и фасеточной поверхностной части. На фиг.6А-6Е несущая часть и поверхностная часть обозначены в целом позициями 700 и 702 соответственно. На фиг.6А изображена по существу плоская круглая пластина 704, имеющая фасетки в виде опор 706a-706d, которые выступают из ее внешнего края. Дифракционная решетка, например из фоторезиста (голографическая дифракционная решетка), расположена на внешнем конце каждой опоры 706a-706d. При использовании круглой пластины, например такой, как обозначенная позицией 704, наиболее естественно расположить поворотную ось так, чтобы она проходила через центр 708 пластины. Альтернативно, в качестве несущей части может использоваться лишь часть круга, как показано на фиг.6В, где фасеточная поверхностная часть проходит по внешнему периметру. При использовании такой менее массивной конструкции фасеточный поворотный элемент может поворачиваться быстрее при меньших затратах энергии, необходимых для того, чтобы начать и закончить поворот от одной дифракционной решетки до другой. В этой конфигурации наиболее эффективным местом для расположения оси вращения является центр тяжести. Для сокращения времени поворота в желаемое положение наблюдения и для повышения эффективности работы путем уменьшением массы фасеточного поворотного элемента специалисты в данной области техники могут использовать множество конструкций. Аналогично, количество опор, или количество дифракционных решеток, расположенных на каждой опоре, может меняться в соответствии с назначением дисплея.

В качестве альтернативы фасеточный поворотный элемент может иметь решетчатую или сетчатую несущую часть, как показано позицией 710 на фиг.6D. Кроме того, несущая часть может иметь полую центральную часть 712, а поверхностная часть может поддерживаться концами опорных стержней 714 и 716, как показано на фиг.6С. Хотя описанная несущая часть фасеточного поворотного элемента была круглой или представляла собой сектор круга, на фиг.6Е показано, что несущая часть может иметь форму многоугольника. Несущая часть может быть разработана в любой конфигурации, которая способна поворачиваться вокруг оси и нести на себе фасеточную поверхностную часть. Несущая часть 700, показанная на фиг.6В-6Е, может, например, нести фасеточную поверхностную часть, показанную на фиг.5, или может содержать фасетки, включающие опоры, как на фиг.6А.

На фиг.7 показан фасеточный поворотный элемент совместно с некоторыми обычными элементами дисплея. Фасеточный поворотный элемент 720 состоит из круглой в целом пластины 722 с внешним краем 724 и поверхностью 726. Хотя изображенный фасеточный поворотный элемент в целом круглый, для удовлетворения других конструктивных требований к дисплею может использоваться другая форма. Форма вращающегося элемента также может быть выбрана с учетом максимизации плотности пикселов. Непрерывная дифракционная решетка расположена на поверхности 726. Дифракционная решетка 728 имеет три фасетки 730, 732 и 734, каждая из которых связана с определенным цветом, видимым наблюдателю. При повороте одной из фасеток в положение наблюдения аналогично тому, как описано в связи с фиг.5, свет из широкополосного источника отклоняется в глаз наблюдателя, и наблюдатель видит выбранный цвет. Понятно, что множество фасеток, расположенных на поверхности пластины, можно также сформировать с помощью множества дифракционных решеток. Кроме того, для повышения эффективности определенный цвет можно дублировать, помещая более одной дифракционной решетки с соответствующим периодом на поверхность пластины. Наличие нескольких областей одного цвета может сократить время срабатывания, необходимое для поворота пластины в положение наблюдения для демонстрации желаемого цвета.

Хотя матрица фасеток может быть реализована в виде множества опор, расположенных по внешнему краю пластины, или в виде матрицы дифракционных решеток, каждый элемент которой имеет свой, отличный от других, период решетки, еще одним подходом является наложение фасеток друг на друга с использованием голографии. Матрицу фасеток накладывают на одну фотографическую пленку, при этом каждая фасетка имеет угловую ориентацию, т.е. смещение относительно другой. Таким образом, формируется такая голографическая пленка, что при заданном положении фасеточного поворотного элемента 720 относительно источника света в направлении наблюдателя или в датчик поступает свет определенного цвета. Например, с помощью одного голографического элемента или пиксела можно воспроизвести красный, синий и зеленый цвета. При повороте пластины 722, например на 2° относительно исходного положения 0°, падающий свет дифрагирует и в направлении наблюдателя передается синий цвет. При повороте пластины 722 в другое положение, например на 9° от ее исходного положения, наблюдатель видит зеленый цвет. Наконец, при повороте пластины, например, на 17° от ее начального положения наблюдатель видит красный цвет. С помощью голографического наложения на поверхность пластины большего количества фасеток с различными заданными периодами дифракционной решетки можно создавать другие цвета (т.е. длины волн, как видимого, так и ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов). Аналогично, другие цвета (длины волн) могут быть получены путем колебания пластины 722 между двумя дифракционными решетками, т.е. между двумя цветами, с такой заданной частотой, что наблюдатель воспримет это как некоторый третий цвет.

Как было сказано в связи с фиг.5 и 6, матрица фасеток, расположенных на фасеточном поворотном элементе, образована множеством дифракционных решеток. Однако в простейшем варианте выполнения фасеточный поворотный элемент с матрицей фасеток может представлять собой одну дифракционную решетку. Такой фасеточный поворотный элемент показан на фиг.9А-С. На фиг.9А показаны фасеточный поворотный элемент 910, имеющий вышеописанную конфигурацию, и широкополосный источник 912 света. Фасеточный поворотный элемент 910 находится в фиксированном положении относительно источника 912 света, как показано на фиг.9А-9С. Пункт 914 наблюдения находится в фиксированном месте относительно фасеточного поворотного элемента 910.

Когда выбранная фасетка фасеточного поворотного элемента 910 находится в положении наблюдения, наблюдатель, расположенный в пункте 914 наблюдения, видит цвет, созданный фасеточным поворотным элементом 910. При повороте фасетки между положением покоя и положением наблюдения, т. е. при повороте фасеточного поворотного элемента 910, наблюдателю 914 по выбору показываются отдельные цвета.

Для формирования этих разных выбранных цветов, или лучей, фасеточный поворотный элемент 910 выполнен в виде пластины или диска 913 и одной голографической дифракционной решетки 916, которая имеет постоянный период 918 решетки. Дифракционная решетка 916 расположена на поверхности диска 913. Предпочтительно, чтобы дифракционная решетка 916 была голографической дифракционной решеткой. Белый свет 920 от источника 912 падает на поверхность фасеточного поворотного элемента 910, при этом решетка 916 формирует спектр 922, или множество цветов. С целью иллюстрации показано, что спектр 922 включает лучи трех цветов: 924, 926 и 928. Фактически, спектр 922 включает множество цветов. Область спектра дифрагирующего света и ширина полосы каждого цвета определяется периодом 918 решетки.

Хотя обычно решетка 916 создает множество цветов, наблюдатель в пункте 914 наблюдения в каждый отдельный момент видит один цвет. Например, на фиг.9А фасеточный поворотный элемент 910 показан в исходном положении, обозначенном линией 920. В этом исходном положении наблюдатель 914 видит, например, зеленый цвет. При повороте фасеточного поворотного элемента из исходного положения во второе положение, как показано на фиг.9В, в пункте 914 наблюдения виден второй цвет. Например, при повороте фасеточного поворотного элемента 910 на 7° относительно исходного положения, как показано стрелкой 932, идущей между линиями 930 и 934, спектр 922 сдвинется так, что в пункте 914 будет виден цвет 928. Например, это может быть красный цвет. Как показано на фиг.9С, фасеточный поворотный элемент 910 может быть повернут так, что демонстрируется третий цвет, например при повороте на 8° в противоположном направлении, как обозначено стрелкой 936, идущей между исходным положением 930 и третьим положением 938. Этот третий цвет может быть, например, синим.

Каждое угловое положение фасеточного поворотного элемента 910 представляет некоторую фасетку, при этом в каждом положении в сторону наблюдателя в пункте 914 отклоняется свет выбранного цвета. Как и в ранее описанных вариантах выполнения изобретения, когда фасетка находится в положении, при котором наблюдатель видит определенный цвет, эта фасетка находится в положении наблюдения. Если фасетка не находится в положении, в котором наблюдатель видит какой-либо цвет, то эта фасетка находится в положении покоя. Таким образом, на фиг.9А фасетка, соответствующая зеленому цвету, находится в положении наблюдения. Другие две фасетки фасеточного поворотного элемента 910, т.е. соответствующие красному и синему цветам, обе находятся в положении покоя. На фиг.9В, фасетка, соответствующая красному цвету, находится в положении наблюдения, а на фиг.9С в положении наблюдения находится фасетка, соответствующая синему цвету.

Если наблюдатель расположен должным образом, например в пункте 914 на фиг.9А-С, он способен увидеть все цвета, которые по выбору формирует фасеточный поворотный элемент. Размеры той физической области, где все цвета можно видеть по отдельности, меняются в зависимости от ширины каждой цветовой полосы. Как сказано выше, спектральный диапазон дифрагирующего света и ширина полосы, соответствующей каждому цвету, определяется периодом дифракционной решетки. Чем больше формируется цветов и, таким образом, чем уже полоса, соответствующая каждому цвету, тем меньше физическая область, откуда наблюдатель может наблюдать все цвета. Так, если фасеточный поворотный элемент, например показанный на фиг.9А-С, повернуть слишком далеко от исходного положения в любом направлении, наблюдатель 914 не увидит никакого цвета.

На фиг.8А-8С схематично показано несколько механизмов, пригодных для вращения фасеточного поворотного элемента. На фиг.8А фасеточный поворотный элемент, например описанный в связи с фиг.6А, соединен с шаговым двигателем. Шаговый двигатель 800 содержит шпиндель 802, соединенный с центром круглой пластины 804. Контроллер 806, управляемый микропроцессором, обеспечивает поворот шпинделя 802 и соединенной с ним пластины 804 на заданное количество шагов по часовой стрелке и/или против часовой стрелки. На каждом шаге пластина может поворачиваться из положения покоя в положение наблюдения или из одного положения наблюдения в другое, при этом пластина проходит через положение покоя. Разрешающая способность шагового двигателя должна по меньшей мере равняться количеству дифракционных решеток, расположенных на фасеточной поверхности. При использовании фасеточного поворотного элемента с шаговым двигателем отпадает потребность в позиционных датчиках, используемых, например, в варианте выполнения изобретения с подвижным магнитом. Микропроцессор может хранить информацию о положении фасеточных поворотных элементов, отслеживая количество шагов в каждом направлении. В дополнение к шаговому двигателю можно использовать источник движущей силы, способный преобразовывать линейное перемещение во вращательное перемещение.

На фиг.8В пластина 808 соединена с линейным исполнительным механизмом 810. Аналогично шаговому двигателю линейным исполнительным механизмом 810 управляет микропроцессор 816. Поступательное перемещение стержня 818 преобразуется во вращательное перемещение известным способом, например с помощью шкива 812, установленного между осью 813, относительно которой поворачивается пластина, и гайкой 814. Другой обычный способ преобразования линейного перемещения во вращательное иллюстрируется на фиг.8С и заключается в соединении линейного исполнительного механизма 820 с пластиной 822, имеющей дугообразное приспособление. Для осуществления вращательного движения стержень 824 линейного исполнительного механизма 820 соединен с пластиной 822 штырем 826, расположенным в щели 828. При повороте линейного исполнительного механизма относительно точки 830 и перемещении штыря 826 внутри щели 828 пластина повернется в направлении стрелки 832. Если размеры щели достаточно велики, линейный исполнительный механизм можно закрепить в точке 830. Специалистам известны и другие способы осуществления вращательного перемещения фасеточного поворотного элемента круглой или другой формы.

Вернемся к фиг.7. При создании изображения вышеописанным способом можно использовать известные элементы для создания графического дисплея и подобных ему устройств. Если фасеточный поворотный элемент выполнен из прозрачного материала, источник света можно разместить позади фасеточного поворотного элемента в позиции 336 с формированием просветного дисплея. Альтернативно, если фасеточный поворотный элемент 720 выполнен из отражающего материала, источник света можно поместить в позиции 338 с формированием отражающего дисплея. Способы создания как просветного, так и отражающего дисплеев подробно описаны в патенте США №5613022. В дисплее любого типа изображение, созданное с использованием фасеточного поворотного элемента 720, можно сфокусировать с помощью линзы (не показана) непосредственно на светорассеивающем элементе, например показанном позицией 340. Поскольку расстояние между этими элементами может быть малым, возможно создание тонких дисплеев. Для создания изображения большего размера требуется большее пространство между этими элементами, что позволяет вставить между ними проекционное устройство, например обозначенное позицией 342. Такие проекционные устройства известны и могут быть легко интегрированы в дисплей для реализации уникальных способов формирования изображения.

Описание дано только для иллюстрации изобретения, и должно быть понятно, что это изобретение может включать различные изменения, модификации и эквивалентные признаки, известные специалистам. Все упомянутые здесь работы включены в настоящее описание путем ссылки.