平板投影顯示器的製作方法
2023-05-05 04:36:21 1
專利名稱：平板投影顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及3D顯示器、頭戴式(head-mounted)顯示器和其它微型(compact)投影顯示器。
傳統上，投影顯示器包含光發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，並且如果這個成像平面遠離投影透鏡，使得光線基本上為平行，則投影透鏡的作用基本上是準直(collimate)來自二維陣列上的任何像素的光。
投影顯示器在大多數情況下被配置成使得陣列的圖像落到一個大型半透明屏幕上，且朝這個屏幕看的觀看者將會在二維陣列上看到畫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越普遍，使得投影顯示器直接朝向觀看者的眼睛，並且被投影透鏡準直的、來自光發射器二維陣列上單個像素的光接著被觀看者的角膜會聚到視網膜上，使得觀看者看到通常已知為虛像的明顯為遠距離的圖像。
為了合成三維圖像，也可以把包含定向光發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製器的後面。例如，參見Travis，A.R.L.的「自動立體3-D顯示器」，Applied Optics，卷29，29號，4341-3頁(Travis，A.R.L.，「Autostereoscopic 3-D display」，Applied Optics，Vol.29，no.29，pp.4341-3)。當光發射器二維陣列上的一個像素被照明時，並且三維物體的合適視圖以這樣的方式同時顯示在液晶顯示器上只有在從被投影透鏡準直的、來自像素的光的光線正在傳送的方向觀察時，才能看到三維物體的視圖。一系列視圖以比眼睛能夠察覺到閃爍的速率快的速率進行重複，從而時分復用了三維圖像。
這種顯示是三維的而不是全息的。原則上可以通過以下方式來創建全息三維圖像把點源光發射器的二維陣列放在投影透鏡的聚焦平面中，依次照明每個點源，並且在放在投影透鏡頂部上的液晶顯示器上顯示適當的全息圖，使得每個全息圖可以依次從不同的視點看到。
頭戴式顯示器很龐大而用戶會更希望它們為扁平的。可以通過使用合併了弱全息圖的板條形(slab)波導來把頭戴式顯示器做得更加扁平，如Amitai、Reinhorn和Friesem的「基於平面全息光學的Visor顯示器設計」所示出，Applied Optics，卷34，8號，1352-1356頁，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)。來自陰極射線管和全息圖的光被耦合入波導中，且這個光將以由發射出這個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(即垂直於這個平板)。
通過時分復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電晶體陣列，而這些是很昂貴的。美國5600454的Trayner和Orr描述了這樣的一種設備其通過把全息圖放在傳統液晶顯示器後面的方式來避免這種要求，該液晶顯示器把交替行的照明引導向左眼或右眼的視野。但是這種設備和切換照明概念都很龐大，且沒有展示出頭戴式顯示器所需的扁平性。
反之，可以通過把投影顯示器與一屏幕組合的方式來製成平板三維顯示器，在該屏幕上發亮的、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)，如本發明人先前申請PCT/GB 97/02710(WO 98/15128)所描述。當屏幕上的一行被選中時，並且投影顯示器同時投射出與屏幕平行的一行像素，從而使它們在所選擇的行上被射出。當屏幕上的一系列行中的每一行以時分復用屏幕上完整圖像的方式依次被選中時，投影顯示器上同一行的像素被重複地改變。只有投影顯示器的一行得到使用，因此，光發射器陣列只需一行的高度，並且如果發射光在屏幕的平面上被準直，則投影透鏡只需要一或兩毫米高，因此，組合的投影機和屏幕為扁平的。
如果光來自三維顯示器，雖然該光的光發射器陣列僅具有一個像素的高度，但是該光被引向平行於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於投影透鏡後面的光發射器陣列和具有位於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行周期內顯示出幾個視圖，液晶的切換速率需要等於視點個數乘以顯示器的行速率，但很少有液晶混合物能夠切換這麼快。
現已存在很多其它類型的自動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中使用。特別令人感興趣的是一個早期概念，其在物鏡(field lens)的聚焦平面上包含一組小型視頻投影機。每個投影機被放置為在物鏡的平面上形成一個視圖，就像透鏡為半透明屏幕一樣，但是，與半透明屏幕不同的是，物鏡對光進行準直，使得只可以從單一方向看到圖像。其它投影機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立體的，且現在很少有對使視圖根據仰角而變化的這種概念進行考慮。
根據本發明，提供了一種平板投影顯示器，包含板條形波導，其優選地在一個端面上帶有凸出(emboss)的衍射光柵；透鏡，其用於把光引導入波導的端部；以及在透鏡的聚焦平面中的裝置，其用於把光的強度調製為側部位置和傳送的仰角方向的函數。
這種排列方式把來自調製裝置中的像素轉換為以不同角度射到波導上的平面波，然後，其以相應的角度被衍射出波導的端面。因此，在波導上形成虛像，其例如能夠用於抬頭式顯示器或3-D顯示器。
為了把更多的光射入波導中，優選地，顯示器包括一維屏幕，其用於把光擴展到包含板條邊緣的寬度上。這個屏幕自身能夠被併入波導中，且鏡面能夠與波導的端部或多個端部相關聯，以保持光。輸入波導也能夠放大輸入圖像。能夠通過使用稜鏡波導端部來摺疊顯示器。也可以考慮使用波導透鏡。
為了更好地理解本發明，現在將參考附圖通過示例的方式對具體實施例進行描述，在附圖中圖1示出表示本發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的單個鏡面類似的一系列鏡面；圖3示出了如何由入射到波導中的光的方向和光柵的周期來確定被凸出在板條形波導的一個端面上的光柵耦合出板條形波導的光的方向；圖4示出了體現本發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所示的顯示器的摺疊樣式，其帶有繞觀看者而彎曲的屏幕，以滿足觀看者的周圍視覺的需求；圖8示出了行列復用式(row-and-column-multiplexed)的平板投影顯示器；圖9示出了稜鏡如何把光線方向上的平面內(in-plane)變化(Kparalle1)轉換成光線方向上的平面外(out-of-plane)變化(Ktransverse)；圖10示出了稜鏡如何用來摺疊型平板投影顯示器；圖11是摺疊型行列復用式平板投影顯示器的擴大視圖；圖12是摺疊型行列復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於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的空間光調製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如何用來起到透鏡的作用。
實施例的具體描述把光沿垂直向上地照射到與水平轉為45°的鏡面上是個簡單的實驗，且圖1示出了鏡面如何把光反射進水平平面(虛線)。如果入射光的方向在遠離反射光初始方向的垂直平面中旋轉，則反射光的方向在水平平面中旋轉。類似地，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，則反射光的方向以相同的角度在相同垂直平面中旋轉。
鏡面可以做成是部分反射的，且如圖2所示，可以以一個在另一個上面的方式來層疊一系列轉為45°的鏡面，使得垂直向上地照射到底部鏡面上且沒有被該鏡面反射的光穿過層疊的連續鏡面，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，其方式為如果進入光的方向在合適的垂直平面中旋轉，則反射光的方向在水平平面中旋轉。如果這些鏡面足夠寬和薄，並且如果鏡面足夠多，則所得的結果是一種平板設備，來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入射光的方向，但是，如果層疊被封裝在板條形波導中，則該波導將會把使光保持在限制於層疊內，且將變得可以在垂直平面中旋轉反射光的方向。但是，在板條形波導兩個壁之間反彈的光線將會交替地以兩種方向之一傳送，因此鏡面層疊將會射出以兩個不同方向傳送的光線。
以垂直于波導表面的方向射出在板條形波導中傳播的光的光線的另一方式是使適當空間頻率的光柵凸出(embossed)在波導的表面上，如圖3所示。與圖1和圖2的鏡面一樣，把被制導光線的方向圍繞與波導表面垂直的軸旋轉角度θ會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相同的角度。如圖3所示，通過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(diffracted order)的方向位於臨界角之內)。
假設光線的波長是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可以表達為in=2cos(cosi+sinj)+2sink]]>第一級衍射光線的波向量βout將是out=2cos(cosi+sinj)+2sink]]>φ對於輸入和輸出都相同，因此，光線離開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使用上述原理的本發明的實施例。其包含板條形波導1、凸出在板條形波導上的弱衍射光柵2、透鏡3、優選地用準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1的一個端部放在透鏡3的一個聚焦平面中，且液晶顯示器4放在透鏡3的另一聚焦平面上，因此，來自液晶顯示器4上的任何像素的光將被準直為平面波，其一部分進入板條形波導1的端部。板條形波導1的一個表面凸出有弱衍射光柵2，使得當波傳播到波導1的下面時，該波的一部分被持續地衍射出波導。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上的其它像素來調製，所得的結果是完整(二維)的虛擬圖像的投影來自細長的板條形波導1。
為了獲得更高的效率，優選地，來自液晶顯示器4的所有光被射入板條形波導1的端部。為了實現此目的，波導1的照明包含準直光線，其穿過靠近液晶顯示器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(垂直)維數上在一個角度範圍內漫射光線，但在另一維數上使它們準直，因此，在透鏡3的另一聚焦平面上，板條形波導1的整個端部都被照明。
也是優選地，來自液晶顯示器4的一個像素的光只被射入板條形波導1的一個模中。這要求當平面波被射入板條形波導1的端部時，也射入具有相等強度的平面波，其帶有分解在波導1的平面中的方向上的相同分量和分解在垂直于波導1的方向上的相反分量。以光線來描述，該第二波的目的是填充板條形波導1前部上的空隙(gap)，否則這些空隙不會被初始波照明。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1的前部，使得鏡面6突出到波導1的端部之外。來自液晶顯示器4的光必須在兩個維數上充分地漫射，以照明波導1的端部和其在鏡面6中的圖像；這可以通過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、或者通過使液晶顯示器4的像素足夠小以致使衍射產生漫射的方式來實現。
作為投影顯示器的一種類型，抬頭式顯示器(head-up display)通常在飛機上發現，且包含大(對角線方向上若干英寸)屏幕，來自該屏幕的所有部分都被投影為聚焦在遠場的(虛的)圖像。如上所述的平板投影顯示器可以配置成實現這種頭戴式顯示器，但是，透鏡3和液晶顯示器4不方便地過大。圖5示出了來自小型液晶顯示器4的圖像如何被具有相同維數的第二板條形波導7內的投影器放大到顯示器波導1上。液晶顯示器4被放在投影透鏡3的一個平面上，而且這個板條形波導7的端部被放到另一平面上，且液晶顯示器4由準直光來照明。來自液晶顯示器4的單個行的光線具有處於板條形波導7內這樣的方向，其分解在與液晶行(在對角線上從左到右)垂直的平面上時具有單個角度(有時稱為平面外角度)。但是，來自液晶顯示器4的單個列的光線被投射到放大波導7端部的單個區中，且一維半透明屏幕8被放在板條形波導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7的平面中(有時稱為平面內角度)。這實際上在平面8上產生了一維放大實像。
然後，這些光線被耦合入板條形波導9的第三長度，在該板條形波導9的端部是圓柱形透鏡10，其優選地與波導自身組成整體，其軸與板條形波導的平面正交。一維半透明屏幕8在圓柱形透鏡10的聚焦平面上，因此，來自屏幕8上任何點的光線在離開透鏡10時被準直。不是使用透鏡，而是可以把鏡面結合適當重新配置的波導一起使用，鏡面實際上降低了變形。
然後，光被傳遞進凸出有弱衍射光柵2的板條形波導1，且被衍射出，如上所述，以形成遠場投影圖像。為了自始自終把光線限制於相同的平面外角度，一維半透明屏幕8和圓柱形透鏡10製成具有與板條形波導相同的厚度，且把前部鍍銀的鏡面對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的，且很難把用於作用於一維半透明屏幕8的圓柱形單透鏡陣列切割和拋光至與相鄰板條形波導7和9具有光學容差內的相同厚度。圖6示出了如何通過使用半透明或一維反射(specular)鏡面13而不是半透明屏幕8來進行改善。一維半透明鏡面只簡單地是塗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7的端部足夠靠近，使得儘管不存在前部鍍銀的鏡面11和12，但在從半透明鏡面13向外反射期間內也存在光線的最小損耗。在此，通過使光兩次通過波導7的方式，一個波導7既用作放大，又用作準直。
圖6的平板投影顯示器仍然很長。在波導中的具有小曲率半徑的彎曲會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破壞光線，且已通過實驗發現5cm的曲率半徑是沒有破壞性的。圖7示出了如何引入彎曲7a來摺疊圖6的系統，其實際上摺疊了屏幕1背面的後面的波導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用他或她的周圍視覺(peripheral vision)看到圖像。彎曲屏幕1但沒有進一步修改將會致使來自單個像素的光線會聚，而不是如所需的被準直。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；這會存在一距離，在該距離上這樣做所丟失的會聚將抵償由彎曲屏幕所造成的額外會聚。雖然抬頭式顯示器通常在飛機上使用，但是應該認為這種顯示器的設計對於將構建的非常大型的(對角線上可能為若干米)顯示器來說應當足夠便宜，且這些顯示器可以在辦公室中使用或者用於顯示虛-實圖像，或者作為對於遠視觀看者來說會更加舒服的屏幕。
作為第二類型的投影顯示器，頭戴式顯示器通常用於顯示虛-實圖像，但是，現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長的，如一副太陽鏡一樣，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，但是投影機相對較龐大。液晶顯示器能夠被微型化，但是很難使液晶像素小於兩或三微米，且所得的顯示器仍然很大。
圖8示出了兩個一維液晶顯示器或設備如何用來在扁平設備中合成投影圖像。第一液晶顯示器14被配置成作為光柵，並且當用準直光照明時會把光衍射成相對於中心軸相等的平面內角度但相反的兩個方向。然後，如圖9中詳細的示出，光經由透鏡對17和18(其功能如下所述)穿過微型稜鏡15，由於帶有使用接連的45°鏡面的三個立方體，因此其把進入的光旋轉90°，以把光線方向的平面內變化轉換成光線方向的平面外變化。光也在該方向上倒轉，但是，為了方便，一點也沒在圖8中示出。
然後，光線被圓柱形透鏡或鏡面16a擴充，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位於最末圓柱形透鏡10的聚焦平面上，且調製進入最末板條形波導1的光的平面內角度。每個角度上的光線被凸出在板條形波導1上面的弱衍射光柵轉換到遠場投影圖像的列中。第一液晶顯示器14調製進入最末板條形波導1的所有光線的平面外角度，其被弱衍射光柵2轉換到遠場投影圖像的行中。對於由第一液晶顯示器14選擇的每個平面外角度，第二液晶顯示器16調製所有平面內角度，且遠場投影圖像是以與陰極射線管基本相同的方式逐行寫入的。
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，可由這種像素實現的最大衍射角度大約是1°。在第一液晶顯示器14與微型稜鏡15之間的兩個透鏡17和18把該最大衍射角度放大至10°或更多。兩個透鏡中的第一個17具有至少比第二個18大十倍的焦距，且它們共有一個聚焦平面，因此，在位於第二透鏡18的非共享聚焦平面上的微型稜鏡15上，光線在固定點上但以各種角度進入稜鏡15。
如果第一液晶顯示器14以傳統的方式調製振幅，則光將在零(無衍射)級和在第二及更高的衍射級以及在第一級上被透射。可以通過選擇合適的光柵圖形來使第二及更高的衍射級而達到最小，而可以通過在由兩個透鏡17和18共享的聚焦平面的中心上放置不透明材料來消除零級。如果液晶顯示器14包含配置成把光相位調製0°和180°的鐵電液晶，則不會出現零級，並且，由於兩個液晶顯示器14和16可能需要為鐵電的，以足夠快地進行切換，所以這種替換可以是優選的。
保持把圖8的系統摺疊到與軟焦點透鏡(spectacle lens)一樣大小的區域中，但是把波導彎曲成5cm的曲率半徑會使結果太龐大。反之，圖10示出了一對直角稜鏡19可以用於摺疊波導；這種排列也可以用於前面的實施例中。為了把光線限制於正確的平面內角度中，必須在每個直角稜鏡19的兩個透射表面上放置低折射率材料，並且為了也以銳角來反射光，每個直角稜鏡19的45°表面必須被鍍銀。
圖11示出了圖8的摺疊系統每一層的展開圖，且圖12示出了壓縮的系統。兩個液晶顯示器14和16是如圖12所示的單個液晶設備的部分，其液晶層被夾在單一玻璃或矽襯底與可能由聚酯薄膜製成的透明頂層之間且保持儘可能薄，以避免光線的平面內角度被破壞或者避免使得光線漏出。
在這種設備中，光從第一板條的側面進入，且被前部鍍銀的圓柱形鏡面23散射或展開，以形成平面波，然後，其被光柵LCD 14分開並由第一稜鏡對19a向上發送至下一板條。在此，光經由類似於圖5中的透鏡3的透鏡18被會聚到等於微型稜鏡15的一角落上，並且向上發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始，如圖所示。第四板條9是圓柱形準直透鏡10且最末板條是顯示器或輸出板條1。
作為第三類型的投影顯示器，三維顯示器被發現在娛樂廳和手術室中使用，但是，現有顯示器都太龐大。這種三維顯示器能夠通過把大的投影顯示器放在高幀速率的液晶顯示器後面來製成，圖13示出了如何通過在液晶顯示器20的後面放置如圖5所示的這種平板投影顯示器的方式來製成平板三維顯示器。在此，板條只是起到準直光的來源的作用，該準直光是通過與調製器20同步地橫向移動或對光源進行橫向掃描產生的輸出角度範圍內進行掃描的，如箭頭所示。對於3-D顯示器，在仰角位置上無需調製且光柵無需是規則的衍射光柵，而可以只簡單地是一組平行散射線。液晶顯示器的幀速率由構圖層的導電性所限制，通過該構圖層在每個像素兩端上施加電壓，且如果其厚度製得足以不透明，則該層的導電性能夠增強。例如，可以通過在結晶矽集成電路上放置鐵電液晶層來使微型顯示器具有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的空間光調製器的感光側上，但是，這種設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通過使用具有體積全息圖(volume hologram)板條形波導1、或與平面呈45°且軸平行於該板條1入口邊緣的部分鏡面的層疊，來提供前部照明。對於HUD應用，優選使用鏡面—例如載玻片(glass slides)層疊，因為它們不會致使太陽光的偽衍射進入用戶的眼睛，全息圖傾向於會這樣。來自源4的橫向調製光由透鏡3引導入板條1。它被部分鏡面或全息圖向後反射到實際上是鏡面像素陣列的LCD 20。根據當前正在產生的特定視角上的圖像，這些鏡面像素由投影機30調製為亮(on)或不亮(off)。然後，圖像穿過板條1傳遞迴至觀看者，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於通過把顯示器配置成用被準直成單一方向的波照明全息圖的方式，來對靜止全息圖進行正面照明。這種技術也可以被擴展至通過以下方式來提供寬視場(wide-field-of-view)全息視頻顯示器的平板照明當利用被準直成具有若干個離散方向中一個方向的波、使用平板投影顯示器來照明液晶顯示器20時，同時在液晶顯示器上寫入適當的全息圖，以及在眼睛的閃爍響應時間之內重複該順序。
很難在大型屏幕上澱積高的幀速率液晶顯示器所需的薄膜晶體光，且WO 98/15128描述了如何通過平行於屏幕表面的照亮的光來製成三維顯示器的另一種方式，該屏幕合併了一組行，該組行中的任何一行當被選中時則把光從屏幕射出。但是，該文件只解釋了這種設備如何能夠產生在方位角位置上是三維的圖像。對於真正的三維或虛-實圖像，需要對離開屏幕的任一點的光線強度進行控制，作為其同時在方位角和仰角上方向的函數。
圖15示出了如何通過把投影顯示器與屏幕21組合的方式來製成具有仰角控制的三維顯示器，在該屏幕上，沿大致平行於屏幕21表面照亮的光在沿屏幕21的一組可選擇的行中的一個上被射出。這一般遵循本發明人在先的WO 98/15128所陳述的方案。但是現在，屏幕21被配置成作為板條形波導，且投影顯示器的所有行都被調製，因此，存在對板條形波導之內的光線的平面內角度和平面外角度的控制。在此，板條形波導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將由板條形波導之內光線的平面內方向來控制，但是，仰角位置上的光線方向將由光線的平面外方向確定。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需薄膜電晶體的方式。但是，全息圖在仰角位置上的視場是窄的。在仰角位置上的較寬視場能夠通過這樣的方式建立使用可切換的液晶光柵來射出光、改變液晶光柵的空間頻率，以把若干個全息圖逐一地投影到每個行的仰角位置上的不同角度。
至此所描述的實施例中的數個都要求在相鄰波導之間使用圓柱形透鏡，但是，包括作為獨立元件的透鏡就要求波導與透鏡之間的表面必須被拋光，且這是很昂貴的。圖16示出了如果波導逐漸變薄則波導內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，則光線速度在波導平面中的分量下降。就像透鏡通過擁有較厚的中間部分而使波的中間部分相對於外圍減慢來聚焦準直光一樣，能夠通過使波導的中間部分薄於邊緣的方式來使波導聚焦準直波。這種「透鏡」可以在所有上述的實施例中使用，且確實可以用在任何需要透鏡的平面光學系統中。
權利要求
1.一種平板投影顯示器，包含波導系統，其包括具有光柵(2)的顯示器板條形波導(1)，用作致使在波導中傳播的光從波導的一個端面出來，透鏡元件(3；18)，其用於把光引導入波導系統的邊緣；以及在透鏡元件的聚焦平面上的裝置(4)，其用於把光的強度調製為側部位置的函數，可選地，調製為傳送的仰角方向的函數，相對于波導來說，光柵是用於根據所述側部位置，如果適當的話，根據仰角方向，來把被引導入波導系統的光以一角度從板條射出到觀看者。
2.如權利要求1所述的顯示器，其中，調製裝置(4)包括液晶調製器。
3.如權利要求1或2所述的顯示器，進一步包括屏幕(5；8)，其用於把波導系統中的光以一維的方式擴展到板條(1)邊緣的寬度上。
4.如前面的權利要求中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，調製器和透鏡元件在側部方向上小於板條，且波導系統包括放在透鏡元件(3)與顯示器板條形波導(1)之間的、匹配寬度的放大板條形波導(7)，以把來自透鏡(3)的光擴充至顯示器波導(1)的整個寬度。
5.如權利要求3和4所述的平板投影顯示器，其中，屏幕(8)是位於放大波導端部的一維半透明帶，其恆定平面外角度而把光在平面中擴展。
6.如權利要求4或5所述的平板投影顯示器，其中，波導系統包括中間板條形波導(9；7)，其把來自放大波導(7)的光耦合入顯示器波導(1)。
7.如權利要求4和6所述的平板投影顯示器，其中，中間波導與放大波導(7)相同，光以一個方向穿過該波導，以進行放大，且以相反的方向傳遞迴來，以耦合入顯示器波導。
8.如權利要求7所述的平板投影顯示器，其中，屏幕(13)是位於放大波導的端部的一維圓柱形鏡面帶，其恆定平面外角度而把光在平面中擴展。
9.如權利要求5-8中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，波導系統包括與中間波導(9)相關聯的透鏡(10)或鏡面，其用於建立進入顯示器波導(1)的遠場(平行光線)圖像。
10.如權利要求4-9中的任一項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)來對任何一個或全部板條按照平面外方向進行連結。
11.如權利要求4-10中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，如果存在放大波導和/或中間波導的話，則其被摺疊成位於顯示器波導的後面。
12.如權利要求1-3中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，調製裝置包括兩個一維調製器(14，16)，第一調製器調製對應於最末圖像的平面外角度的所需角度上的輸入光，以及第二調製器調製針對最末圖像的每個平面外角度的平面內角度。
13.如權利要求12所述的平板投影顯示器，其中，從第一調製器(14)顯露出來的光的平面例如被微型稜鏡(15)所轉動，因此，整個設備基本上為扁平的。
14.如權利要求13的12所述的平板投影顯示器，其中，第一調製器的輸出被圓柱形光學設備展開，因此，其照明了與第二調製器相鄰的整個一維半透明屏幕(8)。
15.如權利要求13-14所述的平板投影顯示器，其中，波導系統包含合併了光學元件的板條形波導。
16.如權利要求15所述的平板投影顯示器，其中，波導被層疊，從一個到下一個的光在相鄰端部上被稜鏡(19a，15)耦合，且兩個調製器被提供在單一襯底上。
17.如權利要求12-16中的任一項所述的平板投影顯示器，且構成了抬頭式顯示器。
18.如前面的權利要求中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，從顯示器板條顯露出來的光被輸出面板(20)調製，以提供三維顯示。
19.如權利要求18所述的平板投影顯示器，其中，輸出面板(20)是由光源(30)調節的感光反射器陣列，且安裝在顯示器板條(1)的後面，使觀看者能夠所看到。
20.如權利要求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.如前面的權利要求中的任一項所述的平板投影顯示器，其中，輸出板條(21)自身是可調節的，因此，在任何一次上，只來自一個行的光被射出，一維調製器組(22)提供各個平面內角度上的輸入光。
全文摘要
一種平板投影顯示器，包含板條形波導1，其在一表面上帶有優選為凸出的衍射光柵2；透鏡3，其用於把光引導入波導的邊緣；以及在透鏡的聚焦平面中的液晶調製器4，其用於把光的強度調製為側部位置和傳送的仰角方向的函數。光被光柵以與輸入角度對應的角度從板條形波導1射出，以提供了虛顯示。來自調製器的光能夠通過穿過放大波導7而在一維上展開，接著由屏幕13在平面中把位于波導7另一端部的透鏡10的投影進行散射。抬頭式和3－D顯示器能夠使用這種原理而構建。
文檔編號G02B27/01GK1549946SQ01823653
公開日2004年11月24日 申請日期2001年9月25日 優先權日2001年9月25日
發明者阿德裡安·羅伯特·利·特拉維斯, 阿德裡安 羅伯特 利 特拉維斯 申請人:劍橋平投影顯示有限公司