薄顯示器用的光學投影器的製作方法
2023-06-06 00:32:11
專利名稱：薄顯示器用的光學投影器的製作方法
技術領域：
本發明是在美國能源部籤訂的合同號DE-AC02-98CH10886之下利用政府的資助作出的。政府在本發明中擁有一定的權利。
背景技術：
本發明總體上涉及一種平面光學顯示器，更準確地說，涉及用於該顯示器的光投影系統。
具有許多疊層光學波導的薄的光學顯示面板，被公開在美國專利5,381,502中，本發明是對它的改進。該面板中的每個波導均包括一疊層在相對的包覆層之間的具有低折射率的透明芯。這些波導集中一起在其一端限定一入口面，並在與該入口面傾斜配置的相反一端限定一出口面或者屏幕。該屏與該波導的縱軸之間形成一特別小的銳二面角，約為1°或2°的數量級，容許該屏幕的高度顯著地大於該面板的深度或厚度，以保持薄的面板。
這種薄的面板可被用於各種應用，例如具有525條垂直析象線的典型的4∶3寬高比的電視視頻顯示屏。這種解析度可簡單地通過相應地使用沿面板寬度連續疊置的525個波導來實現。因此，該面板的入口面擴展到面板的整個寬度，但是特別窄以對應於薄的面板。例如，在入口面上該面板的厚度可為約2.54cm，屏幕的高度為100cm，相應的寬度為133cm。每個波導的相應厚度約為48μ。
在薄面板的最初研製中，雷射束曾被利用來直接產準直光，沿入口面順序地進行橫向及側向掃描，用於分別沿水平及垂直方向在屏幕上產生相應的圖象。各種類型的透鏡可以與此雷射束一起應用，以保證在屏幕上有高解析度的圖象，但透鏡要求精確的對中和內在地產生色差，這對所產生的圖象起不利的影響。
因此，需要提供一種與薄的波導面板一起使用的改進的光投影器，以降低其複雜性和成本並消除色差。
發明概述一種將光投影到一平面光學顯示器上用的光學系統。該顯示器包括許多疊層的光學波導，並由其在其一端限定一入口面及在其相反一端限定一出口屏幕。一第一反射鏡將沿第一軸線來自一光源的光準直，並沿第二軸線將此光散布。一第二反射鏡將沿第二軸線來自第一反射鏡的光準直，以照明該入口面和在該屏幕上產生圖象。
附圖簡述根據優選和示例性的實施例，本發明與其進一步的目的和優點一起，將結合附圖在以下的詳細描述中更具體地進行描述，其中
圖1為根據本發明一示例性實施例示意表示的光學顯示面板，其接收來自一光學投影器的光的透視圖；圖2為圖1所示顯示面板一部分的放大部分，圖1中標記為2的虛線圓表示其中一示例性的光學波導；圖3為通過圖1所示的光學系統並且大體上沿線3-3截取的橫向剖面圖；圖4為圖3所示光學系統的另一實施例，其中包括一光透射調製器。
優選實施例描述圖1所示為一光學顯示面板10，其包括多個疊置的或疊層的光學波導12，集中起來在該面板的垂直下端限定一入口面14，並在與其傾斜配置的相反一端限定一出口面或者屏16。如圖2中更詳細表示的那樣，每個波導12均為典型的長條或者片狀，包括粘貼在相對的包覆層12b之間的透明的中央芯12a。包覆12b的折射率低於芯12a的折射率，以使從入口面14到屏幕16透過芯的光18a產生完全內反射。入口面14可被光學拋光以接收光，屏幕16可被磨砂以散射光。
如圖1所示，波導12沿橫向連續至該面板的整個寬度W。波導12沿側向方向疊層或疊置足夠的數量，以為屏幕16提供適合的垂直解析度。例如，可以將525個波導12側向疊置在一起，以產生該面板的最大深度或厚度T。
屏幕16為平面或者平的，並且相對入口面14傾斜或者實際上垂直。這是通過該波導的出口面例如以1°或2°的數量級的小的銳角A相對於單獨一些波導12的縱軸斜削產生的。按照這種方式，入口面14可能特別窄或薄，例如約2.54cm，屏幕16在其全部寬度W範圍內的高度H比較高。此高度H例如可為約100cm，寬度W約為133cm，這是在典型的4∶3寬高比的屏幕16下，雖然其它的寬高比例如16∶9也可以實現。
顯示面板10為美國專利5,381,502中原始授予專利的類型，並且享有其中公開的基於疊層的薄面板設計的所有好處，包括平或彎曲的面板形式。然而在此專利中，準直的雷射束曾被公開在一系統中，用於既沿該面板的入口面對光束進行橫向掃描以水平區分(discriminating)此光，又沿該面板的深度或厚度進行側向掃描以垂直區分此光。
根據本發明，一種改進的光學投影系統或投影器20被示意表示在圖1中，用於將光18a投影到入口面14中而透過相應的波導12，以在屏幕16上產生可見的圖象22。
投影器20包括一適合的白光光源18，它可以是比較簡單的未被準直的發光燈泡，如用於產生例如白光的亮滷素燈泡。其它類型的光源也可以使用，甚至可包括雷射器，如果需要的話。
可以以任何適合的方式將顏色引入被投影的光18a中。如果具有紅、綠和蘭色成份的傳統的濾色盤24可鄰近光源18安裝和旋轉，用於有選擇地使光著色，以在屏幕上產生彩色圖象22。
由於光18a未被準直，所以第一反射鏡26與光源18光學上對準，濾色盤24則適於在其間光學對準。第一反射鏡26的提供是用來沿第一軸線(其在圖1中是垂直的)收集和準直來自光源18的發散光，然後沿第二軸線(其在圖1中是水平的，且與第一軸線垂直)通過擴展使光分散。
第二反射鏡28與第一反射鏡26光學上對準，用於沿第二軸線按水平方向將由第一反射鏡反射的光準直，並且阻止水平擴展以照明入口面14及在屏幕16上產生視頻圖象22。
對於發散的光源18使用第一和第二反射鏡26及28，能夠減少或消除該投影系統中對於透鏡的需要，降低其複雜性和成本，並且消除透鏡中固有的色差。然而，為在屏幕26上產生適合的視頻圖象22，此發散光必需準直和通過波導傳送到屏幕16上。
因此，第一和第二反射鏡26及28優選為拋物面截面，用於使光18a準直以分布在入口面14的整個面積上。第一反射鏡26適於與光源18光學對準，用於首先將光18a由其反射及沿第二軸線將光橫向或水平分布。第二反射鏡28與第一反射鏡26光學對準，用於二次反射橫向分布的光，以沿與第二軸線垂直的第一軸線側向或垂直分布此光，用以照明整個入口面14及在屏幕16上產生圖象22。
因此，第一和第二反射鏡26及28對於光18a由其一次及二次反射時使之兩次準直是有效的，而且適於將此光分布在整個入口面14上。然後此光沿不同長度的波導12傳播，以照明屏幕16及在其上產生圖象22。
由於光18a是無區別地發散的，故其必須在強度方面適當進行調製，以在屏幕16中沿水平及垂直方向分辨(discriminating)圖象要素或象素。這可通過利用如圖1及3所示光學配置在光源18和反射鏡26之間並對準的光調製器30來完成。對於來自光源18的光18a在其於第一反射鏡26中首次反射之前有選擇地進行調製，光調製器30是有效的。
該調製器30可採取任何傳統的形式，例如可從TexasInstruments,Inc.,USA購置的數字式微型反射鏡器件(DMD)。DMD30的典型形式為640乘480個二進位光偏轉器或微型反射鏡的元件陣列，單獨地可被有選擇地在±10°的範圍內耕作(tillable)。DMD在操作上與一適合的電控制器或處理器32相連，後者的結構是有選擇地將光18a反射至第一反射鏡26或與之分開，並對產生所顯示的圖象22提供水平及垂直解析度。
如上所述，濾色盤24可被配置在光源18和調製器30之間，用於有選擇地使來自光源的光在其於第一反射鏡26中首次反射之前被著色，以在屏幕16上產生彩色圖象22。
再一次參見圖1和3，第一和第二反射鏡26及28依次與顯示器的入口面14對準，以便沿入口面14的水平尺寸沿橫向和沿入口面14的深度沿側向提供準直的未聚焦光，以在屏幕16上相應地水平和垂直地產生圖象22。
視頻圖象22一開始是在通常面積約為1平方釐米的小型器件的調製器30上產生的。例如該DMD具有寬度w和高度h以及相應的寬度與高度的第一種縱橫比w/h。此第一種縱橫比可能為方形或者矩形，例如4∶3的電視縱橫比。
就此薄顯示器10的本性而言，該顯示器入口面14在其整個全部寬度W上的深度或厚度T都是窄的，相應的寬度與深度的第二種縱橫比W/T實質上不同於第一種縱橫比w/h並比它大。例如，第二種縱橫比基於以上介紹的顯示器典型尺寸約為52。
如上介紹的顯示屏16具有相應的第三種縱橫比W/H，需要與入口面14的第二種縱橫比W/T相區別，例如為4∶3以與調製器30第一種縱橫比相匹配。
沿從調製器30至屏幕16的光學系列傳送的光必須適當地沿橫向及側向擴展，以便在屏幕16上形成正確比例的圖象22。給出面板10和光調製器30的尺寸，所需要的第一和第二反射鏡26及28的外形可按傳統方式通過分析或者實驗確定。對拋物面的第一和第二反射鏡26及28進行適當地定影，以將來自調製器30的光跨過顯示器入口面14沿橫向及側向分布，以跨過屏幕16產生出同予選的第一、第二和第三種縱橫比一致的圖象22。由於圖象22是由面積比屏幕16顯著小的調製器30產生的，所以一開始被壓縮的圖象必須沿此光學系使用第一和第二反射鏡26及28被去壓縮或擴展，以將此圖象重新配置成具有均勻比例的屏幕16的縱橫比。
如圖1和3所示，第一反射鏡26被成形為沿水平軸的適合的拋物面，使來自調製器30的光沿橫向擴展或去壓縮，以與入口面14的橫向寬度匹配。第一反射鏡26沿此第一軸線在垂直方向也是拋物面，以沿垂直方向使光準直。
與此相應，第二反射鏡28優選沿水平或橫向方向成形為一拋物面，以沿水平方向準直來自第一反射鏡26的光並阻止其水平擴展，以沿其全部水平寬度W與入口面14相匹配。第二反射鏡28可以是拋物面，以與第一反射鏡26相結合沿垂直方向使光準直。或者，第二反射鏡沿垂直方向可以是固定的或者直的，假如第一反射鏡提供完全的準直。
由於圖3所示的第一反射鏡26為拋物面並且接收來自相鄰調製器30的光，所以調製器30適於對第一反射鏡26離軸定位，以讓此光不受阻礙地從第一反射鏡26反射到第二反射鏡28。按照這種方式，調製器30可被偏置在第一反射鏡26的下方，以從光源18提供不受阻礙的光路。
在圖1及3所示本發明的第一實施例中，第一調製器30為在光源18和第一反射鏡26之間進行光學對準的DMD形式，用來響應控制器32有選擇性地反射其間的光。圖4表示本發明的另一實施例，其中的光調製器為在光源18和第一反射鏡26之間光學對準的傳統液晶顯示器30a的形式，用於有選擇性地透過其間的光18a。液晶顯示器30a可以具有適當數量的象素單元可被單獨地接通或者斷開，以便如產生屏幕圖象22所需要地那樣透過或者屏蔽光的一部分。同樣的第一和第二反射鏡26及28可與液晶調製器30a一起使用，以與上述第一實施例具有相同的性能和優點。
上述光投影器20利用的是比較簡單的拋物面反射鏡26及28，具有發散的光源18，用於準直和擴展來自調製器30,30a的光，以便照明顯示器入口面14並在屏幕26上產生適當的圖象22。該系統消除了對於精確的準直和聚焦透鏡的需要，並且消除了由其帶來的色差。該系統本來就緊湊，而且如果需要還可包括摺疊式反射鏡，以進一步改善該投影器包裝使該顯示面板10具有最小的體積。
雖然在此已對什麼是所考慮的本發明優選的典型性實施例進行了描述，然而本發明的其它變化從這裡的教導中本領域的普通技術人員將是清楚的，因而需要將所有這些變化包括在所附的權利要求書中，並落在本發明的精神和範圍之內。
因此，美國已授權專利證書需要保護的，是以下權利要求書中所限定及區分的本發明。
權利要求
1．一種用於將光投影到-光學顯示面板10中的光學系統20，包括多個疊層的光學波導12，在其一端限定一入口面14，並在與其傾斜配置的相反一端限定一出口屏幕16，包括一光源18；一第一反射鏡26，用於沿第一軸線準直來自上述光源18的光，並使所述光沿第二軸線分布；以及一與上述第一反射鏡26光學對準的第二反射鏡28，用於準直沿上述第二軸線由之反射的上述光，並且分布上述光以照明上述入口面及在上述屏幕16上產生一圖象22。
2．根據權利要求1的系統，其中所述第一和第二反射鏡26。
3．根據權利要求2的系統，進一步包括一光學配置在上述光源18和上述第一反射鏡26之間的光調製器。
4．根據權利要求3的系統，其中所述第一和第二反射鏡26及28依次與上述顯示器入口面14光學對準，以提供沿橫向及側向跨越的準直的未聚焦光。
5．根據權利要求3的系統，其中所述調製器30具有一寬度與高度的第一縱橫比；所述顯示器入口面14具有一寬度與深度的第二縱橫比，其與上述第一縱橫比，其與上述第一縱橫比不同；所述顯示屏16具有一寬度與高度的第二縱橫比，其與上述第二縱橫比不同；而且上述第一和第二反射鏡26及28被成形為將來自上述調製器30的光跨過上述顯示器入口面14分布，以跨過上述屏蔽16產生出與上述第一、第二和第三縱橫比一致的上述圖象。
6．根據權利要求5的系統，其中所述第一反射鏡26被成形為將來自上述調製器的上述光橫向擴展，以與上述入口面14相匹配；而且所述第二反射鏡28被成形為阻止來自上述第一反射鏡26的上述光的橫向擴展，以與上述入口面14相匹配。
7．根據權利要求6的系統，其中所述調製器包括一光學對準在上述光源18和上述第一反射鏡26之間的數字式微型反射鏡器件30，用於有選擇性地反射其間的光。
8．根據權利要求6的系統，其中所述調製器包括一光學對準在上述光源18和上述第一反射鏡26之間的液晶顯示器30a，用於有選擇性地透過其間的光。
9．根據權利要求6的系統，進一步包括一光學對準在上述光源18和上述第二反射鏡26之間的濾色盤24，用於有選擇性地使上述光著色，以在上述屏蔽上產生一彩色圖象22。
10．根據權利要求6的系統，其中所述光源18是非準直光。
11．一種用於將光投影在一光學顯示面板10中的方法，包括多個疊層的光學波導12，在其一端限定一入口面14，並在與其傾斜配置的相反一端限定一出口屏幕16，包括首先反射來自一光源18的光，以使上述光沿一軸線橫向分布；以及二次反射上述橫向分布的光，以使上述光沿與上述一軸線垂直的另一軸線側向分布，用以照明上述入口面14及在上述屏幕16上產生一圖象22。
12．根據權利要求11的方法，進一步包括當上述光被首次和二次反射時使其準直。
13．根據權利要求12的方法，進一步包括選擇性地調製來自上述光源18且在其被上述第一次反射之前的上述光。
14．根據權利要求13的方法，進一步包括選擇性地使來自上述光源18且在其被上述第一次反射之前的上述光著色。
全文摘要
一種光學系統(20)，將光投影到一平面光學顯示器(10)上。該顯示器包括一些疊層的光學波導(12)，在其一端限定一入口面(14)及在其相反一端限定一出口屏幕(16)。第一反射鏡(26)沿一第一軸線使來自一光源(18)的光準直，並使此光沿一第二軸線分布。第二反射鏡(28)將沿第二軸線來自第一反射鏡的光準直，以照明該入口面並在該屏幕上產生一圖象。
文檔編號G02B6/06GK1317097SQ99810549
公開日2001年10月10日 申請日期1999年7月14日 優先權日1998年8月28日
發明者詹姆斯·T·沃裡丹 申請人:布羅克哈文科學協會