專(zhuān)利名稱(chēng)：平板投影顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及3D顯示器、頭戴式(head-mounted)顯示器和其它微型(compact)投影顯示器。
傳統(tǒng)上，投影顯示器包含光發(fā)射器的二維陣列和投影透鏡。透鏡在空間的一些平面上形成陣列的圖像，并且如果這個(gè)成像平面遠(yuǎn)離投影透鏡，使得光線基本上為平行，則投影透鏡的作用基本上是準(zhǔn)直(collimate)來(lái)自二維陣列上的任何像素的光。
投影顯示器在大多數(shù)情況下被配置成使得陣列的圖像落到一個(gè)大型半透明屏幕上，且朝這個(gè)屏幕看的觀看者將會(huì)在二維陣列上看到畫(huà)面的放大很多的圖像。但是，被安裝在觀看者頭上的小型投影顯示器正變得越來(lái)越普遍，使得投影顯示器直接朝向觀看者的眼睛，并且被投影透鏡準(zhǔn)直的、來(lái)自光發(fā)射器二維陣列上單個(gè)像素的光接著被觀看者的角膜會(huì)聚到視網(wǎng)膜上，使得觀看者看到通常已知為虛像的明顯為遠(yuǎn)距離的圖像。
為了合成三維圖像，也可以把包含定向光發(fā)射器的二維陣列的大直徑投影顯示器放在液晶顯示器或者一些其它空間光調(diào)制器的后面。例如，參見(jiàn)Travis，A.R.L.的“自動(dòng)立體3-D顯示器”，Applied Optics，卷29，29號(hào)，4341-3頁(yè)(Travis，A.R.L.，“Autostereoscopic 3-D display”，Applied Optics，Vol.29，no.29，pp.4341-3)。當(dāng)光發(fā)射器二維陣列上的一個(gè)像素被照明時(shí)，并且三維物體的合適視圖以這樣的方式同時(shí)顯示在液晶顯示器上只有在從被投影透鏡準(zhǔn)直的、來(lái)自像素的光的光線正在傳送的方向觀察時(shí)，才能看到三維物體的視圖。一系列視圖以比眼睛能夠察覺(jué)到閃爍的速率快的速率進(jìn)行重復(fù)，從而時(shí)分復(fù)用了三維圖像。
這種顯示是三維的而不是全息的。原則上可以通過(guò)以下方式來(lái)創(chuàng)建全息三維圖像把點(diǎn)源光發(fā)射器的二維陣列放在投影透鏡的聚焦平面中，依次照明每個(gè)點(diǎn)源，并且在放在投影透鏡頂部上的液晶顯示器上顯示適當(dāng)?shù)娜D，使得每個(gè)全息圖可以依次從不同的視點(diǎn)看到。
頭戴式顯示器很龐大而用戶會(huì)更希望它們?yōu)楸馄降?。可以通過(guò)使用合并了弱全息圖的板條形(slab)波導(dǎo)來(lái)把頭戴式顯示器做得更加扁平，如Amitai、Reinhorn和Friesem的“基于平面全息光學(xué)的Visor顯示器設(shè)計(jì)”所示出，Applied Optics，卷34，8號(hào)，1352-1356頁(yè)，1995年3月10日(Amitai，Reinhorn and Friesem，“Visor-display designbased on planar holographic optics”，Applied Optics Vol 34，No.8，pp.1352 to 1356，10 March 1995)。來(lái)自陰極射線管和全息圖的光被耦合入波導(dǎo)中，且這個(gè)光將以由發(fā)射出這個(gè)光的陰極射線管中的像素所確定的方向被全息圖衍射出波導(dǎo)(即垂直于這個(gè)平板)。
通過(guò)時(shí)分復(fù)用液晶顯示器的照明而合成的三維圖像要求液晶顯示器具有快速切換的薄膜晶體管陣列，而這些是很昂貴的。美國(guó)5600454的Trayner和Orr描述了這樣的一種設(shè)備其通過(guò)把全息圖放在傳統(tǒng)液晶顯示器后面的方式來(lái)避免這種要求，該液晶顯示器把交替行的照明引導(dǎo)向左眼或右眼的視野。但是這種設(shè)備和切換照明概念都很龐大，且沒(méi)有展示出頭戴式顯示器所需的扁平性。
反之，可以通過(guò)把投影顯示器與一屏幕組合的方式來(lái)制成平板三維顯示器，在該屏幕上發(fā)亮的、與該屏幕的表面平行的光在沿屏幕的一組可選擇的行中的一行上被射出(ejected)，如本發(fā)明人先前申請(qǐng)PCT/GB 97/02710(WO 98/15128)所描述。當(dāng)屏幕上的一行被選中時(shí)，并且投影顯示器同時(shí)投射出與屏幕平行的一行像素，從而使它們?cè)谒x擇的行上被射出。當(dāng)屏幕上的一系列行中的每一行以時(shí)分復(fù)用屏幕上完整圖像的方式依次被選中時(shí)，投影顯示器上同一行的像素被重復(fù)地改變。只有投影顯示器的一行得到使用，因此，光發(fā)射器陣列只需一行的高度，并且如果發(fā)射光在屏幕的平面上被準(zhǔn)直，則投影透鏡只需要一或兩毫米高，因此，組合的投影機(jī)和屏幕為扁平的。
如果光來(lái)自三維顯示器，雖然該光的光發(fā)射器陣列僅具有一個(gè)像素的高度，但是該光被引向平行于可選擇行的屏幕的表面，因此形成在屏幕上的圖像是三維的。三維顯示器可以包含位于投影透鏡后面的光發(fā)射器陣列和具有位于投影透鏡前面的液晶顯示器，如上所述，但是，為了在顯示器的一個(gè)行周期內(nèi)顯示出幾個(gè)視圖，液晶的切換速率需要等于視點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以顯示器的行速率，但很少有液晶混合物能夠切換這么快。
現(xiàn)已存在很多其它類(lèi)型的自動(dòng)立體和全息三維顯示器概念且任何一種都可以在平板系統(tǒng)中使用。特別令人感興趣的是一個(gè)早期概念，其在物鏡(field lens)的聚焦平面上包含一組小型視頻投影機(jī)。每個(gè)投影機(jī)被放置為在物鏡的平面上形成一個(gè)視圖，就像透鏡為半透明屏幕一樣，但是，與半透明屏幕不同的是，物鏡對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直，使得只可以從單一方向看到圖像。其它投影機(jī)形成由物鏡可從其它方向看到的視圖，因此，觀看者可以看到自動(dòng)立體三維圖像。但是，觀看者更希望三維圖像在方位角位置和仰角上位置都是自動(dòng)立體的，且現(xiàn)在很少有對(duì)使視圖根據(jù)仰角而變化的這種概念進(jìn)行考慮。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種平板投影顯示器，包含板條形波導(dǎo)，其優(yōu)選地在一個(gè)端面上帶有凸出(emboss)的衍射光柵；透鏡，其用于把光引導(dǎo)入波導(dǎo)的端部；以及在透鏡的聚焦平面中的裝置，其用于把光的強(qiáng)度調(diào)制為側(cè)部位置和傳送的仰角方向的函數(shù)。
這種排列方式把來(lái)自調(diào)制裝置中的像素轉(zhuǎn)換為以不同角度射到波導(dǎo)上的平面波，然后，其以相應(yīng)的角度被衍射出波導(dǎo)的端面。因此，在波導(dǎo)上形成虛像，其例如能夠用于抬頭式顯示器或3-D顯示器。
為了把更多的光射入波導(dǎo)中，優(yōu)選地，顯示器包括一維屏幕，其用于把光擴(kuò)展到包含板條邊緣的寬度上。這個(gè)屏幕自身能夠被并入波導(dǎo)中，且鏡面能夠與波導(dǎo)的端部或多個(gè)端部相關(guān)聯(lián)，以保持光。輸入波導(dǎo)也能夠放大輸入圖像。能夠通過(guò)使用棱鏡波導(dǎo)端部來(lái)折疊顯示器。也可以考慮使用波導(dǎo)透鏡。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖通過(guò)示例的方式對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行描述，在附圖中圖1示出表示本發(fā)明背景的為把垂直入射光反射90°而擺成一角度的鏡面；圖2示出了與圖1的單個(gè)鏡面類(lèi)似的一系列鏡面；圖3示出了如何由入射到波導(dǎo)中的光的方向和光柵的周期來(lái)確定被凸出在板條形波導(dǎo)的一個(gè)端面上的光柵耦合出板條形波導(dǎo)的光的方向；圖4示出了體現(xiàn)本發(fā)明的平板投影顯示器；圖5示出了具有大屏幕的平板投影顯示器，其中圖像從微型投影機(jī)被放大；圖6示出了如圖5所示的顯示器的一種樣式，其使用反射式而非透射式的一維半透明屏幕；圖7示出了如圖6所示的顯示器的折疊樣式，其帶有繞觀看者而彎曲的屏幕，以滿足觀看者的周?chē)曈X(jué)的需求；圖8示出了行列復(fù)用式(row-and-column-multiplexed)的平板投影顯示器；圖9示出了棱鏡如何把光線方向上的平面內(nèi)(in-plane)變化(Kparalle1)轉(zhuǎn)換成光線方向上的平面外(out-of-plane)變化(Ktransverse)；圖10示出了棱鏡如何用來(lái)折疊型平板投影顯示器；圖11是折疊型行列復(fù)用式平板投影顯示器的擴(kuò)大視圖；圖12是折疊型行列復(fù)用式平板投影顯示器的壓縮視圖且示出了液晶顯示器如何處于與平板面板的平面呈45°；圖13示出了平板面板三維顯示器；圖14示出了使用諸如滿足光學(xué)的空間光調(diào)制器的反射式液晶顯示器的三維顯示器的平板面板照明；圖15示出了平板面板掃描行三維顯示器；以及圖16示出了具有可變厚度的波導(dǎo)如何用來(lái)起到透鏡的作用。
實(shí)施例的具體描述把光沿垂直向上地照射到與水平轉(zhuǎn)為45°的鏡面上是個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，且圖1示出了鏡面如何把光反射進(jìn)水平平面(虛線)。如果入射光的方向在遠(yuǎn)離反射光初始方向的垂直平面中旋轉(zhuǎn)，則反射光的方向在水平平面中旋轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，如果入射光的方向在由入射光和反射光共享的平面中旋轉(zhuǎn)，則反射光的方向以相同的角度在相同垂直平面中旋轉(zhuǎn)。
鏡面可以做成是部分反射的，且如圖2所示，可以以一個(gè)在另一個(gè)上面的方式來(lái)層疊一系列轉(zhuǎn)為45°的鏡面，使得垂直向上地照射到底部鏡面上且沒(méi)有被該鏡面反射的光穿過(guò)層疊的連續(xù)鏡面，直到光被全部反射為止。一系列鏡面與單一鏡面的作用方式相同，其方式為如果進(jìn)入光的方向在合適的垂直平面中旋轉(zhuǎn)，則反射光的方向在水平平面中旋轉(zhuǎn)。如果這些鏡面足夠?qū)捄捅?，并且如果鏡面足夠多，則所得的結(jié)果是一種平板設(shè)備，來(lái)自其表面的所有部分的光能夠被安排為以任何單一、可選擇的水平方向傳送。如果沒(méi)有致使光偏離鏡面層疊的平面，則不能在由入射光和反射光共享的平面中旋轉(zhuǎn)入射光的方向，但是，如果層疊被封裝在板條形波導(dǎo)中，則該波導(dǎo)將會(huì)把使光保持在限制于層疊內(nèi)，且將變得可以在垂直平面中旋轉(zhuǎn)反射光的方向。但是，在板條形波導(dǎo)兩個(gè)壁之間反彈的光線將會(huì)交替地以兩種方向之一傳送，因此鏡面層疊將會(huì)射出以兩個(gè)不同方向傳送的光線。
以垂直于波導(dǎo)表面的方向射出在板條形波導(dǎo)中傳播的光的光線的另一方式是使適當(dāng)空間頻率的光柵凸出(embossed)在波導(dǎo)的表面上，如圖3所示。與圖1和圖2的鏡面一樣，把被制導(dǎo)光線的方向圍繞與波導(dǎo)表面垂直的軸旋轉(zhuǎn)角度θ會(huì)致使被射出光線的方向在由法線和光柵的任一行共享的平面中旋轉(zhuǎn)相同的角度。如圖3所示，通過(guò)圍繞與光柵的任一行平行的軸改變傳播光線的角度，也可以使被射出光線的方向在正交方向上改變。光線只在反射期間與光柵相互作用，因此，光柵將只以一個(gè)方向傳送的方式被射出(假定光柵是閃耀的(blazed)，或者其它第一衍射級(jí)(diffracted order)的方向位于臨界角之內(nèi))。
假設(shè)光線的波長(zhǎng)是λ，光柵間距是d，光柵周期的方向是j，光柵平面的法線是i且第三方向是k。如果光的光線線以任意角度入射到光柵上，且角度φ、ψ和θ如圖3所描繪，則入射光的波向量βin可以表達(dá)為βin=2πλcosφ(cosψi+sinψj)+2πλsinφk]]>第一級(jí)衍射光線的波向量βout將是βout=2πλcosφ(cosθi+sinθj)+2πλsinφk]]>φ對(duì)于輸入和輸出都相同，因此，光線離開(kāi)光柵的方位角角度不受光線的仰角角度的影響。但是θ與ψ不同，且這導(dǎo)致了在其它軸中的變形。
如圖4所示的平板投影顯示器體現(xiàn)使用上述原理的本發(fā)明的實(shí)施例。其包含板條形波導(dǎo)1、凸出在板條形波導(dǎo)上的弱衍射光柵2、透鏡3、優(yōu)選地用準(zhǔn)直光照明的液晶顯示器4、一維半透明屏幕5和前部鍍銀的鏡面6。板條形波導(dǎo)1的一個(gè)端部放在透鏡3的一個(gè)聚焦平面中，且液晶顯示器4放在透鏡3的另一聚焦平面上，因此，來(lái)自液晶顯示器4上的任何像素的光將被準(zhǔn)直為平面波，其一部分進(jìn)入板條形波導(dǎo)1的端部。板條形波導(dǎo)1的一個(gè)表面凸出有弱衍射光柵2，使得當(dāng)波傳播到波導(dǎo)1的下面時(shí)，該波的一部分被持續(xù)地衍射出波導(dǎo)。波的衍射分量出自衍射光柵2的所有部分，且組合為單一波前，該波前的方向是由光從其中穿過(guò)的液晶顯示器4上的像素所確定的。以另一方向傳送的波由液晶顯示器4上的其它像素來(lái)調(diào)制，所得的結(jié)果是完整(二維)的虛擬圖像的投影來(lái)自細(xì)長(zhǎng)的板條形波導(dǎo)1。
為了獲得更高的效率，優(yōu)選地，來(lái)自液晶顯示器4的所有光被射入板條形波導(dǎo)1的端部。為了實(shí)現(xiàn)此目的，波導(dǎo)1的照明包含準(zhǔn)直光線，其穿過(guò)靠近液晶顯示器4的一維半透明屏幕5。屏幕5可以包含例如小型圓柱形單透鏡(lenslets)陣列，其在一個(gè)(垂直)維數(shù)上在一個(gè)角度范圍內(nèi)漫射光線，但在另一維數(shù)上使它們準(zhǔn)直，因此，在透鏡3的另一聚焦平面上，板條形波導(dǎo)1的整個(gè)端部都被照明。
也是優(yōu)選地，來(lái)自液晶顯示器4的一個(gè)像素的光只被射入板條形波導(dǎo)1的一個(gè)模中。這要求當(dāng)平面波被射入板條形波導(dǎo)1的端部時(shí)，也射入具有相等強(qiáng)度的平面波，其帶有分解在波導(dǎo)1的平面中的方向上的相同分量和分解在垂直于波導(dǎo)1的方向上的相反分量。以光線來(lái)描述，該第二波的目的是填充板條形波導(dǎo)1前部上的空隙(gap)，否則這些空隙不會(huì)被初始波照明。第二波可以以這樣的方式提供把前部鍍銀的鏡面6的前部放成緊靠板條形波導(dǎo)1的前部，使得鏡面6突出到波導(dǎo)1的端部之外。來(lái)自液晶顯示器4的光必須在兩個(gè)維數(shù)上充分地漫射，以照明波導(dǎo)1的端部和其在鏡面6中的圖像；這可以通過(guò)添加與第一弱一維半透明屏幕垂直的第二弱一維半透明屏幕、或者通過(guò)使液晶顯示器4的像素足夠小以致使衍射產(chǎn)生漫射的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
作為投影顯示器的一種類(lèi)型，抬頭式顯示器(head-up display)通常在飛機(jī)上發(fā)現(xiàn)，且包含大(對(duì)角線方向上若干英寸)屏幕，來(lái)自該屏幕的所有部分都被投影為聚焦在遠(yuǎn)場(chǎng)的(虛的)圖像。如上所述的平板投影顯示器可以配置成實(shí)現(xiàn)這種頭戴式顯示器，但是，透鏡3和液晶顯示器4不方便地過(guò)大。圖5示出了來(lái)自小型液晶顯示器4的圖像如何被具有相同維數(shù)的第二板條形波導(dǎo)7內(nèi)的投影器放大到顯示器波導(dǎo)1上。液晶顯示器4被放在投影透鏡3的一個(gè)平面上，而且這個(gè)板條形波導(dǎo)7的端部被放到另一平面上，且液晶顯示器4由準(zhǔn)直光來(lái)照明。來(lái)自液晶顯示器4的單個(gè)行的光線具有處于板條形波導(dǎo)7內(nèi)這樣的方向，其分解在與液晶行(在對(duì)角線上從左到右)垂直的平面上時(shí)具有單個(gè)角度(有時(shí)稱(chēng)為平面外角度)。但是，來(lái)自液晶顯示器4的單個(gè)列的光線被投射到放大波導(dǎo)7端部的單個(gè)區(qū)中，且一維半透明屏幕8被放在板條形波導(dǎo)7的端部上，以保持光線的平面外角度，但是把它們的角度散射在板條形波導(dǎo)7的平面中(有時(shí)稱(chēng)為平面內(nèi)角度)。這實(shí)際上在平面8上產(chǎn)生了一維放大實(shí)像。
然后，這些光線被耦合入板條形波導(dǎo)9的第三長(zhǎng)度，在該板條形波導(dǎo)9的端部是圓柱形透鏡10，其優(yōu)選地與波導(dǎo)自身組成整體，其軸與板條形波導(dǎo)的平面正交。一維半透明屏幕8在圓柱形透鏡10的聚焦平面上，因此，來(lái)自屏幕8上任何點(diǎn)的光線在離開(kāi)透鏡10時(shí)被準(zhǔn)直。不是使用透鏡，而是可以把鏡面結(jié)合適當(dāng)重新配置的波導(dǎo)一起使用，鏡面實(shí)際上降低了變形。
然后，光被傳遞進(jìn)凸出有弱衍射光柵2的板條形波導(dǎo)1，且被衍射出，如上所述，以形成遠(yuǎn)場(chǎng)投影圖像。為了自始自終把光線限制于相同的平面外角度，一維半透明屏幕8和圓柱形透鏡10制成具有與板條形波導(dǎo)相同的厚度，且把前部鍍銀的鏡面對(duì)11和12的前部放在接口元件8和10的上面和下面，以把光線限制在相同的平面外角度。一維半透明屏幕8能夠形成為例如圓柱形單透鏡陣列。
圖5的大平板投影顯示器是長(zhǎng)的，且很難把用于作用于一維半透明屏幕8的圓柱形單透鏡陣列切割和拋光至與相鄰板條形波導(dǎo)7和9具有光學(xué)容差內(nèi)的相同厚度。圖6示出了如何通過(guò)使用半透明或一維反射(specular)鏡面13而不是半透明屏幕8來(lái)進(jìn)行改善。一維半透明鏡面只簡(jiǎn)單地是涂敷有鋁的圓柱形單透鏡陣列，且這可以放成與放大板條形波導(dǎo)7的端部足夠靠近，使得盡管不存在前部鍍銀的鏡面11和12，但在從半透明鏡面13向外反射期間內(nèi)也存在光線的最小損耗。在此，通過(guò)使光兩次通過(guò)波導(dǎo)7的方式，一個(gè)波導(dǎo)7既用作放大，又用作準(zhǔn)直。
圖6的平板投影顯示器仍然很長(zhǎng)。在波導(dǎo)中的具有小曲率半徑的彎曲會(huì)改變光線的平面外角度，這是眾所周知的，但是，具有足夠大的曲率半徑的彎曲不會(huì)破壞光線，且已通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5cm的曲率半徑是沒(méi)有破壞性的。圖7示出了如何引入彎曲7a來(lái)折疊圖6的系統(tǒng)，其實(shí)際上折疊了屏幕1背面的后面的波導(dǎo)7。在圖7中，屏幕1也繞一垂直軸彎曲，因此，坐在彎曲中心近處的觀看者會(huì)用他或她的周?chē)曈X(jué)(peripheral vision)看到圖像。彎曲屏幕1但沒(méi)有進(jìn)一步修改將會(huì)致使來(lái)自單個(gè)像素的光線會(huì)聚，而不是如所需的被準(zhǔn)直。這種解決方案是把一維半透明鏡面13移到靠近圓柱形透鏡10；這會(huì)存在一距離，在該距離上這樣做所丟失的會(huì)聚將抵償由彎曲屏幕所造成的額外會(huì)聚。雖然抬頭式顯示器通常在飛機(jī)上使用，但是應(yīng)該認(rèn)為這種顯示器的設(shè)計(jì)對(duì)于將構(gòu)建的非常大型的(對(duì)角線上可能為若干米)顯示器來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)足夠便宜，且這些顯示器可以在辦公室中使用或者用于顯示虛-實(shí)圖像，或者作為對(duì)于遠(yuǎn)視觀看者來(lái)說(shuō)會(huì)更加舒服的屏幕。
作為第二類(lèi)型的投影顯示器，頭戴式顯示器通常用于顯示虛-實(shí)圖像，但是，現(xiàn)有顯示器都很龐大且奇形怪狀的。用戶更希望顯示器是扁平且細(xì)長(zhǎng)的，如一副太陽(yáng)鏡一樣，但是，雖然迄今所描述的所有顯示器都具有平坦的板條形波導(dǎo)，但是投影機(jī)相對(duì)較龐大。液晶顯示器能夠被微型化，但是很難使液晶像素小于兩或三微米，且所得的顯示器仍然很大。
圖8示出了兩個(gè)一維液晶顯示器或設(shè)備如何用來(lái)在扁平設(shè)備中合成投影圖像。第一液晶顯示器14被配置成作為光柵，并且當(dāng)用準(zhǔn)直光照明時(shí)會(huì)把光衍射成相對(duì)于中心軸相等的平面內(nèi)角度但相反的兩個(gè)方向。然后，如圖9中詳細(xì)的示出，光經(jīng)由透鏡對(duì)17和18(其功能如下所述)穿過(guò)微型棱鏡15，由于帶有使用接連的45°鏡面的三個(gè)立方體，因此其把進(jìn)入的光旋轉(zhuǎn)90°，以把光線方向的平面內(nèi)變化轉(zhuǎn)換成光線方向的平面外變化。光也在該方向上倒轉(zhuǎn)，但是，為了方便，一點(diǎn)也沒(méi)在圖8中示出。
然后，光線被圓柱形透鏡或鏡面16a擴(kuò)充，以照明靠近第二一維液晶顯示器16的一維半透明屏幕8。第二液晶顯示器16位于最末圓柱形透鏡10的聚焦平面上，且調(diào)制進(jìn)入最末板條形波導(dǎo)1的光的平面內(nèi)角度。每個(gè)角度上的光線被凸出在板條形波導(dǎo)1上面的弱衍射光柵轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)場(chǎng)投影圖像的列中。第一液晶顯示器14調(diào)制進(jìn)入最末板條形波導(dǎo)1的所有光線的平面外角度，其被弱衍射光柵2轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)場(chǎng)投影圖像的行中。對(duì)于由第一液晶顯示器14選擇的每個(gè)平面外角度，第二液晶顯示器16調(diào)制所有平面內(nèi)角度，且遠(yuǎn)場(chǎng)投影圖像是以與陰極射線管基本相同的方式逐行寫(xiě)入的。
雖然液晶像素能夠做成具有2或3微米的尺寸，但是，更容易把像素做成具有20或30微米的尺寸，但是，可由這種像素實(shí)現(xiàn)的最大衍射角度大約是1°。在第一液晶顯示器14與微型棱鏡15之間的兩個(gè)透鏡17和18把該最大衍射角度放大至10°或更多。兩個(gè)透鏡中的第一個(gè)17具有至少比第二個(gè)18大十倍的焦距，且它們共有一個(gè)聚焦平面，因此，在位于第二透鏡18的非共享聚焦平面上的微型棱鏡15上，光線在固定點(diǎn)上但以各種角度進(jìn)入棱鏡15。
如果第一液晶顯示器14以傳統(tǒng)的方式調(diào)制振幅，則光將在零(無(wú)衍射)級(jí)和在第二及更高的衍射級(jí)以及在第一級(jí)上被透射。可以通過(guò)選擇合適的光柵圖形來(lái)使第二及更高的衍射級(jí)而達(dá)到最小，而可以通過(guò)在由兩個(gè)透鏡17和18共享的聚焦平面的中心上放置不透明材料來(lái)消除零級(jí)。如果液晶顯示器14包含配置成把光相位調(diào)制0°和180°的鐵電液晶，則不會(huì)出現(xiàn)零級(jí)，并且，由于兩個(gè)液晶顯示器14和16可能需要為鐵電的，以足夠快地進(jìn)行切換，所以這種替換可以是優(yōu)選的。
保持把圖8的系統(tǒng)折疊到與軟焦點(diǎn)透鏡(spectacle lens)一樣大小的區(qū)域中，但是把波導(dǎo)彎曲成5cm的曲率半徑會(huì)使結(jié)果太龐大。反之，圖10示出了一對(duì)直角棱鏡19可以用于折疊波導(dǎo)；這種排列也可以用于前面的實(shí)施例中。為了把光線限制于正確的平面內(nèi)角度中，必須在每個(gè)直角棱鏡19的兩個(gè)透射表面上放置低折射率材料，并且為了也以銳角來(lái)反射光，每個(gè)直角棱鏡19的45°表面必須被鍍銀。
圖11示出了圖8的折疊系統(tǒng)每一層的展開(kāi)圖，且圖12示出了壓縮的系統(tǒng)。兩個(gè)液晶顯示器14和16是如圖12所示的單個(gè)液晶設(shè)備的部分，其液晶層被夾在單一玻璃或硅襯底與可能由聚酯薄膜制成的透明頂層之間且保持盡可能薄，以避免光線的平面內(nèi)角度被破壞或者避免使得光線漏出。
在這種設(shè)備中，光從第一板條的側(cè)面進(jìn)入，且被前部鍍銀的圓柱形鏡面23散射或展開(kāi)，以形成平面波，然后，其被光柵LCD 14分開(kāi)并由第一棱鏡對(duì)19a向上發(fā)送至下一板條。在此，光經(jīng)由類(lèi)似于圖5中的透鏡3的透鏡18被會(huì)聚到等于微型棱鏡15的一角落上，并且向上發(fā)送至帶有一維半透明透鏡8和第二LCD 16的第三板條，“放大”板條7。平面外反射在第三板條中開(kāi)始，如圖所示。第四板條9是圓柱形準(zhǔn)直透鏡10且最末板條是顯示器或輸出板條1。
作為第三類(lèi)型的投影顯示器，三維顯示器被發(fā)現(xiàn)在娛樂(lè)廳和手術(shù)室中使用，但是，現(xiàn)有顯示器都太龐大。這種三維顯示器能夠通過(guò)把大的投影顯示器放在高幀速率的液晶顯示器后面來(lái)制成，圖13示出了如何通過(guò)在液晶顯示器20的后面放置如圖5所示的這種平板投影顯示器的方式來(lái)制成平板三維顯示器。在此，板條只是起到準(zhǔn)直光的來(lái)源的作用，該準(zhǔn)直光是通過(guò)與調(diào)制器20同步地橫向移動(dòng)或?qū)庠催M(jìn)行橫向掃描產(chǎn)生的輸出角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描的，如箭頭所示。對(duì)于3-D顯示器，在仰角位置上無(wú)需調(diào)制且光柵無(wú)需是規(guī)則的衍射光柵，而可以只簡(jiǎn)單地是一組平行散射線。液晶顯示器的幀速率由構(gòu)圖層的導(dǎo)電性所限制，通過(guò)該構(gòu)圖層在每個(gè)像素兩端上施加電壓，且如果其厚度制得足以不透明，則該層的導(dǎo)電性能夠增強(qiáng)。例如，可以通過(guò)在結(jié)晶硅集成電路上放置鐵電液晶層來(lái)使微型顯示器具有20kHz的幀速率，但是，該液晶顯示器只有在反射中才能工作。
使液晶顯示器具有高的幀速率的另一方式是把圖像投影到滿足光學(xué)的空間光調(diào)制器的感光側(cè)上，但是，這種設(shè)備也只在反射中工作。圖14示出了平板投影顯示器如何用來(lái)通過(guò)使用具有體積全息圖(volume hologram)板條形波導(dǎo)1、或與平面呈45°且軸平行于該板條1入口邊緣的部分鏡面的層疊，來(lái)提供前部照明。對(duì)于HUD應(yīng)用，優(yōu)選使用鏡面—例如載玻片(glass slides)層疊，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)致使太陽(yáng)光的偽衍射進(jìn)入用戶的眼睛，全息圖傾向于會(huì)這樣。來(lái)自源4的橫向調(diào)制光由透鏡3引導(dǎo)入板條1。它被部分鏡面或全息圖向后反射到實(shí)際上是鏡面像素陣列的LCD 20。根據(jù)當(dāng)前正在產(chǎn)生的特定視角上的圖像，這些鏡面像素由投影機(jī)30調(diào)制為亮(on)或不亮(off)。然后，圖像穿過(guò)板條1傳遞回至觀看者，在該板條1，圖像的全部幾乎都被透射。
平板投影顯示器也可以用于通過(guò)把顯示器配置成用被準(zhǔn)直成單一方向的波照明全息圖的方式，來(lái)對(duì)靜止全息圖進(jìn)行正面照明。這種技術(shù)也可以被擴(kuò)展至通過(guò)以下方式來(lái)提供寬視場(chǎng)(wide-field-of-view)全息視頻顯示器的平板照明當(dāng)利用被準(zhǔn)直成具有若干個(gè)離散方向中一個(gè)方向的波、使用平板投影顯示器來(lái)照明液晶顯示器20時(shí)，同時(shí)在液晶顯示器上寫(xiě)入適當(dāng)?shù)娜D，以及在眼睛的閃爍響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)重復(fù)該順序。
很難在大型屏幕上淀積高的幀速率液晶顯示器所需的薄膜晶體光，且WO 98/15128描述了如何通過(guò)平行于屏幕表面的照亮的光來(lái)制成三維顯示器的另一種方式，該屏幕合并了一組行，該組行中的任何一行當(dāng)被選中時(shí)則把光從屏幕射出。但是，該文件只解釋了這種設(shè)備如何能夠產(chǎn)生在方位角位置上是三維的圖像。對(duì)于真正的三維或虛-實(shí)圖像，需要對(duì)離開(kāi)屏幕的任一點(diǎn)的光線強(qiáng)度進(jìn)行控制，作為其同時(shí)在方位角和仰角上方向的函數(shù)。
圖15示出了如何通過(guò)把投影顯示器與屏幕21組合的方式來(lái)制成具有仰角控制的三維顯示器，在該屏幕上，沿大致平行于屏幕21表面照亮的光在沿屏幕21的一組可選擇的行中的一個(gè)上被射出。這一般遵循本發(fā)明人在先的WO 98/15128所陳述的方案。但是現(xiàn)在，屏幕21被配置成作為板條形波導(dǎo)，且投影顯示器的所有行都被調(diào)制，因此，存在對(duì)板條形波導(dǎo)之內(nèi)的光線的平面內(nèi)角度和平面外角度的控制。在此，板條形波導(dǎo)的敷層包含分散有納米滴聚合物的液晶，該液晶是一種其體折射率(bulk refractive index)在很大程度上能通過(guò)電壓控制的材料。它被像素化(pixellated)為一系列行，使得光從板條形波導(dǎo)中其中敷層的折射率已降低的行上被射出。方位角位置上的光線方向?qū)⒂砂鍡l形波導(dǎo)之內(nèi)光線的平面內(nèi)方向來(lái)控制，但是，仰角位置上的光線方向?qū)⒂晒饩€的平面外方向確定。如果投影顯示器22組成視頻全息圖，則在所選中的行上射出的光圖形也組成全息圖，且這給出了放映在方位角位置和仰角位置上均為三維的視頻全息圖而無(wú)需薄膜晶體管的方式。但是，全息圖在仰角位置上的視場(chǎng)是窄的。在仰角位置上的較寬視場(chǎng)能夠通過(guò)這樣的方式建立使用可切換的液晶光柵來(lái)射出光、改變液晶光柵的空間頻率，以把若干個(gè)全息圖逐一地投影到每個(gè)行的仰角位置上的不同角度。
至此所描述的實(shí)施例中的數(shù)個(gè)都要求在相鄰波導(dǎo)之間使用圓柱形透鏡，但是，包括作為獨(dú)立元件的透鏡就要求波導(dǎo)與透鏡之間的表面必須被拋光，且這是很昂貴的。圖16示出了如果波導(dǎo)逐漸變薄則波導(dǎo)內(nèi)的光線的平面外角度如何變大。如果光線的平面外角度很大，則光線速度在波導(dǎo)平面中的分量下降。就像透鏡通過(guò)擁有較厚的中間部分而使波的中間部分相對(duì)于外圍減慢來(lái)聚焦準(zhǔn)直光一樣，能夠通過(guò)使波導(dǎo)的中間部分薄于邊緣的方式來(lái)使波導(dǎo)聚焦準(zhǔn)直波。這種“透鏡”可以在所有上述的實(shí)施例中使用，且確實(shí)可以用在任何需要透鏡的平面光學(xué)系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種平板投影顯示器，包含波導(dǎo)系統(tǒng)，其包括具有光柵(2)的顯示器板條形波導(dǎo)(1)，用作致使在波導(dǎo)中傳播的光從波導(dǎo)的一個(gè)端面出來(lái)，透鏡元件(3；18)，其用于把光引導(dǎo)入波導(dǎo)系統(tǒng)的邊緣；以及在透鏡元件的聚焦平面上的裝置(4)，其用于把光的強(qiáng)度調(diào)制為側(cè)部位置的函數(shù)，可選地，調(diào)制為傳送的仰角方向的函數(shù)，相對(duì)于波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，光柵是用于根據(jù)所述側(cè)部位置，如果適當(dāng)?shù)脑?，根?jù)仰角方向，來(lái)把被引導(dǎo)入波導(dǎo)系統(tǒng)的光以一角度從板條射出到觀看者。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示器，其中，調(diào)制裝置(4)包括液晶調(diào)制器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的顯示器，進(jìn)一步包括屏幕(5；8)，其用于把波導(dǎo)系統(tǒng)中的光以一維的方式擴(kuò)展到板條(1)邊緣的寬度上。
4.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，調(diào)制器和透鏡元件在側(cè)部方向上小于板條，且波導(dǎo)系統(tǒng)包括放在透鏡元件(3)與顯示器板條形波導(dǎo)(1)之間的、匹配寬度的放大板條形波導(dǎo)(7)，以把來(lái)自透鏡(3)的光擴(kuò)充至顯示器波導(dǎo)(1)的整個(gè)寬度。
5.如權(quán)利要求3和4所述的平板投影顯示器，其中，屏幕(8)是位于放大波導(dǎo)端部的一維半透明帶，其恒定平面外角度而把光在平面中擴(kuò)展。
6.如權(quán)利要求4或5所述的平板投影顯示器，其中，波導(dǎo)系統(tǒng)包括中間板條形波導(dǎo)(9；7)，其把來(lái)自放大波導(dǎo)(7)的光耦合入顯示器波導(dǎo)(1)。
7.如權(quán)利要求4和6所述的平板投影顯示器，其中，中間波導(dǎo)與放大波導(dǎo)(7)相同，光以一個(gè)方向穿過(guò)該波導(dǎo)，以進(jìn)行放大，且以相反的方向傳遞回來(lái)，以耦合入顯示器波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求7所述的平板投影顯示器，其中，屏幕(13)是位于放大波導(dǎo)的端部的一維圓柱形鏡面帶，其恒定平面外角度而把光在平面中擴(kuò)展。
9.如權(quán)利要求5-8中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，波導(dǎo)系統(tǒng)包括與中間波導(dǎo)(9)相關(guān)聯(lián)的透鏡(10)或鏡面，其用于建立進(jìn)入顯示器波導(dǎo)(1)的遠(yuǎn)場(chǎng)(平行光線)圖像。
10.如權(quán)利要求4-9中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，由覆蓋相鄰板條之間的線的鏡面(6；11，12)來(lái)對(duì)任何一個(gè)或全部板條按照平面外方向進(jìn)行連結(jié)。
11.如權(quán)利要求4-10中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，如果存在放大波導(dǎo)和/或中間波導(dǎo)的話，則其被折疊成位于顯示器波導(dǎo)的后面。
12.如權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，調(diào)制裝置包括兩個(gè)一維調(diào)制器(14，16)，第一調(diào)制器調(diào)制對(duì)應(yīng)于最末圖像的平面外角度的所需角度上的輸入光，以及第二調(diào)制器調(diào)制針對(duì)最末圖像的每個(gè)平面外角度的平面內(nèi)角度。
13.如權(quán)利要求12所述的平板投影顯示器，其中，從第一調(diào)制器(14)顯露出來(lái)的光的平面例如被微型棱鏡(15)所轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，整個(gè)設(shè)備基本上為扁平的。
14.如權(quán)利要求13的12所述的平板投影顯示器，其中，第一調(diào)制器的輸出被圓柱形光學(xué)設(shè)備展開(kāi)，因此，其照明了與第二調(diào)制器相鄰的整個(gè)一維半透明屏幕(8)。
15.如權(quán)利要求13-14所述的平板投影顯示器，其中，波導(dǎo)系統(tǒng)包含合并了光學(xué)元件的板條形波導(dǎo)。
16.如權(quán)利要求15所述的平板投影顯示器，其中，波導(dǎo)被層疊，從一個(gè)到下一個(gè)的光在相鄰端部上被棱鏡(19a，15)耦合，且兩個(gè)調(diào)制器被提供在單一襯底上。
17.如權(quán)利要求12-16中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，且構(gòu)成了抬頭式顯示器。
18.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，從顯示器板條顯露出來(lái)的光被輸出面板(20)調(diào)制，以提供三維顯示。
19.如權(quán)利要求18所述的平板投影顯示器，其中，輸出面板(20)是由光源(30)調(diào)節(jié)的感光反射器陣列，且安裝在顯示器板條(1)的后面，使觀看者能夠所看到。
20.如權(quán)利要求19所述的平板投影顯示器，其中，顯示器板條包含部分反射器的層疊，其把輸入光反射回朝向輸出面板且允許再次被反射回朝向觀看者。
21.如前面的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的平板投影顯示器，其中，輸出板條(21)自身是可調(diào)節(jié)的，因此，在任何一次上，只來(lái)自一個(gè)行的光被射出，一維調(diào)制器組(22)提供各個(gè)平面內(nèi)角度上的輸入光。
全文摘要
一種平板投影顯示器，包含板條形波導(dǎo)1，其在一表面上帶有優(yōu)選為凸出的衍射光柵2；透鏡3，其用于把光引導(dǎo)入波導(dǎo)的邊緣；以及在透鏡的聚焦平面中的液晶調(diào)制器4，其用于把光的強(qiáng)度調(diào)制為側(cè)部位置和傳送的仰角方向的函數(shù)。光被光柵以與輸入角度對(duì)應(yīng)的角度從板條形波導(dǎo)1射出，以提供了虛顯示。來(lái)自調(diào)制器的光能夠通過(guò)穿過(guò)放大波導(dǎo)7而在一維上展開(kāi)，接著由屏幕13在平面中把位于波導(dǎo)7另一端部的透鏡10的投影進(jìn)行散射。抬頭式和3－D顯示器能夠使用這種原理而構(gòu)建。
文檔編號(hào)G02B27/01GK1549946SQ01823653
公開(kāi)日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2001年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者阿德里安·羅伯特·利·特拉維斯, 阿德里安 羅伯特 利 特拉維斯 申請(qǐng)人:劍橋平投影顯示有限公司