專利名稱：薄顯示器用的光學投影器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是在美國能源部簽訂的合同號DE-AC02-98CH10886之下利用政府的資助作出的。政府在本發(fā)明中擁有一定的權利。
背景技術：
本發(fā)明總體上涉及一種平面光學顯示器，更準確地說，涉及用于該顯示器的光投影系統(tǒng)。
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(fā)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，并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(shù)量級，容許該屏幕的高度顯著地大于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于各種應用，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。這種分辨率可簡單地通過相應地使用沿面板寬度連續(xù)疊置的525個波導來實現(xiàn)。因此，該面板的入口面擴展到面板的整個寬度，但是特別窄以對應于薄的面板。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。
在薄面板的最初研制中，激光束曾被利用來直接產(chǎn)準直光，沿入口面順序地進行橫向及側向掃描，用于分別沿水平及垂直方向在屏幕上產(chǎn)生相應的圖象。各種類型的透鏡可以與此激光束一起應用，以保證在屏幕上有高分辨率的圖象，但透鏡要求精確的對中和內(nèi)在地產(chǎn)生色差，這對所產(chǎn)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，以降低其復雜性和成本并消除色差。
發(fā)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(tǒng)。該顯示器包括許多疊層的光學波導，并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，并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(chǎn)生圖象。
附圖簡述根據(jù)優(yōu)選和示例性的實施例，本發(fā)明與其進一步的目的和優(yōu)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(jù)本發(fā)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(tǒng)并且大體上沿線3-3截取的橫向剖面圖；圖4為圖3所示光學系統(tǒng)的另一實施例，其中包括一光透射調(diào)制器。
優(yōu)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，并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的折射率低于芯12a的折射率，以使從入口面14到屏幕16透過芯的光18a產(chǎn)生完全內(nèi)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(xù)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(shù)量，以為屏幕16提供適合的垂直分辨率。例如，可以將525個波導12側向疊置在一起，以產(chǎn)生該面板的最大深度或厚度T。
屏幕16為平面或者平的，并且相對入口面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(shù)量級的小的銳角A相對于單獨一些波導12的縱軸斜削產(chǎn)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范圍內(nèi)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(xiàn)。
顯示面板10為美國專利5,381,502中原始授予專利的類型，并且享有其中公開的基于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，準直的激光束曾被公開在一系統(tǒng)中，用于既沿該面板的入口面對光束進行橫向掃描以水平區(qū)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(qū)分此光。
根據(jù)本發(fā)明，一種改進的光學投影系統(tǒng)或投影器20被示意表示在圖1中，用于將光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(chǎn)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(fā)光燈泡，如用于產(chǎn)生例如白光的亮鹵素燈泡。其它類型的光源也可以使用，甚至可包括激光器，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(tǒng)的濾色盤24可鄰近光源18安裝和旋轉，用于有選擇地使光著色，以在屏幕上產(chǎn)生彩色圖象22。
由于光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則適于在其間光學對準。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(fā)散光，然后沿第二軸線(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，用于沿第二軸線按水平方向將由第一反射鏡反射的光準直，并且阻止水平擴展以照明入口面14及在屏幕16上產(chǎn)生視頻圖象22。
對于發(fā)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(tǒng)中對于透鏡的需要，降低其復雜性和成本，并且消除透鏡中固有的色差。然而，為在屏幕26上產(chǎn)生適合的視頻圖象22，此發(fā)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(yōu)選為拋物面截面，用于使光18a準直以分布在入口面14的整個面積上。第一反射鏡26適于與光源18光學對準，用于首先將光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，用于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(chǎn)生圖象22。
因此，第一和第二反射鏡26及28對于光18a由其一次及二次反射時使之兩次準直是有效的，而且適于將此光分布在整個入口面14上。然后此光沿不同長度的波導12傳播，以照明屏幕16及在其上產(chǎn)生圖象22。
由于光18a是無區(qū)別地發(fā)散的，故其必須在強度方面適當進行調(diào)制，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之間并對準的光調(diào)制器30來完成。對于來自光源18的光18a在其于第一反射鏡26中首次反射之前有選擇地進行調(diào)制，光調(diào)制器30是有效的。
該調(diào)制器30可采取任何傳統(tǒng)的形式，例如可從TexasInstruments,Inc.,USA購置的數(shù)字式微型反射鏡器件(DMD)。DMD30的典型形式為640乘480個二進制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°的范圍內(nèi)耕作(tillable)。DMD在操作上與一適合的電控制器或處理器32相連，后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，并對產(chǎn)生所顯示的圖象22提供水平及垂直分辨率。
如上所述，濾色盤24可被配置在光源18和調(diào)制器30之間，用于有選擇地使來自光源的光在其于第一反射鏡26中首次反射之前被著色，以在屏幕16上產(chǎn)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(chǎn)生圖象22。
視頻圖象22一開始是在通常面積約為1平方厘米的小型器件的調(diào)制器30上產(chǎn)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(zhì)上不同于第一種縱橫比w/h并比它大。例如，第二種縱橫比基于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(qū)別，例如為4∶3以與調(diào)制器30第一種縱橫比相匹配。
沿從調(diào)制器30至屏幕16的光學系列傳送的光必須適當?shù)匮貦M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(diào)制器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(tǒng)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?shù)囟ㄓ?，以將來自調(diào)制器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(chǎn)生出同予選的第一、第二和第三種縱橫比一致的圖象22。由于圖象22是由面積比屏幕16顯著小的調(diào)制器30產(chǎn)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(diào)制器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(yōu)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的光并阻止其水平擴展，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?；蛘撸诙瓷溏R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。
由于圖3所示的第一反射鏡26為拋物面并且接收來自相鄰調(diào)制器30的光，所以調(diào)制器30適于對第一反射鏡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(diào)制器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(fā)明的第一實施例中，第一調(diào)制器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(fā)明的另一實施例，其中的光調(diào)制器為在光源18和第一反射鏡26之間光學對準的傳統(tǒng)液晶顯示器30a的形式，用于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(shù)量的象素單元可被單獨地接通或者斷開，以便如產(chǎn)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(diào)制器30a一起使用，以與上述第一實施例具有相同的性能和優(yōu)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(fā)散的光源18，用于準直和擴展來自調(diào)制器30,30a的光，以便照明顯示器入口面14并在屏幕26上產(chǎn)生適當?shù)膱D象22。該系統(tǒng)消除了對于精確的準直和聚焦透鏡的需要，并且消除了由其帶來的色差。該系統(tǒng)本來就緊湊，而且如果需要還可包括折疊式反射鏡，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。
雖然在此已對什么是所考慮的本發(fā)明優(yōu)選的典型性實施例進行了描述，然而本發(fā)明的其它變化從這里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，并落在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
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(qū)分的本發(fā)明。
權利要求
1．一種用于將光投影到-光學顯示面板10中的光學系統(tǒng)20，包括多個疊層的光學波導12，在其一端限定一入口面14，并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，用于沿第一軸線準直來自上述光源18的光，并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，用于準直沿上述第二軸線由之反射的上述光，并且分布上述光以照明上述入口面及在上述屏幕16上產(chǎn)生一圖象22。
2．根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述第一和第二反射鏡26。
3．根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，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(diào)制器。
4．根據(jù)權利要求3的系統(tǒng)，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(jù)權利要求3的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制器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(diào)制器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(chǎn)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(jù)權利要求5的系統(tǒng)，其中所述第一反射鏡26被成形為將來自上述調(diào)制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(jù)權利要求6的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制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(shù)字式微型反射鏡器件30，用于有選擇性地反射其間的光。
8．根據(jù)權利要求6的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制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，用于有選擇性地透過其間的光。
9．根據(jù)權利要求6的系統(tǒng)，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，用于有選擇性地使上述光著色，以在上述屏蔽上產(chǎn)生一彩色圖象22。
10．根據(jù)權利要求6的系統(tǒng)，其中所述光源18是非準直光。
11．一種用于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，并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(chǎn)生一圖象22。
12．根據(jù)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(jù)權利要求12的方法，進一步包括選擇性地調(diào)制來自上述光源18且在其被上述第一次反射之前的上述光。
14．根據(jù)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(tǒng)(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，并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，以照明該入口面并在該屏幕上產(chǎn)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(yōu)先權日1998年8月28日
發(fā)明者詹姆斯·T·沃里丹 申請人:布羅克哈文科學協(xié)會