空间-光学以及时间空间-光学定向光调制器制造技术

本发明专利技术介绍了空间-光学定向光调制器和时间空间-光学定向光调制器。这些定向光调制器可以被用来产生具有延展的观看角度的3D显示器、超高分辨率2D显示器或者2D/3D可切换显示器。这些新颖的光调制器的实施例的时间空间-光学方面允许其在宽的观看角度内对其所发射的光的强度、颜色和方向进行调制。这些定向光调制器的固有的快速调制和宽角覆盖能力增大了可实现的观看角度和定向分辨率，从而使得由所述显示器产生的3D图像更加真实，或者替换地使得由所述显示器产生的2D图像具有超高分辨率。公开了替换实施例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】空间-光学以及时间空间-光学定向光调制器相关申请的交叉引用本申请要求2011年12月6日提交的美国临时专利申请号61/567,520的权益以及2012年3月27日提交的美国临时专利申请号61/616,249的权益。
本专利技术涉及定向光调制、3D显示器、发射性微显示器、2D/3D可切换显示器以及2D/3D自动立体可切换显示器的领域。
技术介绍
在3D显示器中，必须对所发射的光进行定向调制以便产生3D观看感知。在典型的3D显示器中，需要在多个照明方向上具有均匀照明的背光以从不同方向显示相同场景的图像，这是通过在空间光调制器中利用空间多路复用和时间多路复用的某种组合而实现的。在这些3D显示器中，通常来自定向背光的光通常在其到达空间光调制器像素之前由方向选择过滤器（诸如例如衍射板或全息光学板）处理，所述空间光调制器像素对光颜色和强度进行调制并且同时保持其方向性。在一些可切换2D/3D显示器中，需要定向背光以将显示器操作在不同显示模式下。在2D显示模式下，需要具有均匀照明和大角度覆盖的背光以利用空间光调制器（诸如液晶显示器（LCD））显示单一图像。在3D显示模式下，需要具有均匀照明和多个照明方向的背光以从不同方向显示相同场景的图像，这是通过在空间光调制器中利用空间多路复用和时间多路复用的某种组合而实现的。在2D和3D两种模式下，来自定向背光的光通常在其到达空间光调制器像素之前由方向选择过滤器（诸如衍射板、全息光学板等等）处理，以便均匀地扩展光束同时保持其方向性。当前可用的定向光调制器是包括多个光源的照明单元与把从光源发射的光导向指定方向的定向调制单元的组合（参见图1、2和3）。如描绘出现有技术的几种变型的图1、2和3中所图示的，照明单元通常与诸如扫描镜或旋转隔板之类的机电移动器件相组合（例如参见美国专利号6,151,167、6,433,907、6,795,221、6,803,561、6,924,476、6,937,221、7,061,450、7,071,594、7,190,329、7,193,758、7,209,271、7,232,071、7,482,730、7,486,255、7,580,007、7,724,210和7,791,810以及美国专利申请公开号2010/0026960和2010/0245957），或者与诸如液体透镜或偏振切换之类的电光器件相组合（参见图1、2和3以及美国专利号5,986,811、6,999,238、7,106,519、7,215,475、7,369,321、7,619,807和7,952,809）。在机电和电光调制的定向光调制器中都存在三个主要缺陷：1、响应时间：机械移动或光学表面改变通常不是瞬时实现的，并且影响调制器响应时间。此外，这些操作的速度通常会占用图像帧时间的某一部分，这降低所能达到的显示亮度。2、体积方面：这些方法需要光源与定向调制器件之间的一定距离来工作，这增大显示器的总体积。3、光损失：将光耦合到移动中的镜面上会产生光损失，光损失继而使显示系统功率效率降级并且产生热量，必须通过合并庞大的冷却方法来消除所述热量，从而增加了更多体积并且增加了功率消耗。除了慢、体积大并且在光学上有损失之外，现有技术的定向背光单元还需要具有窄频谱带宽、高准直以及单独可控性以便与方向选择过滤器组合用于3D显示目的。实现窄频谱带宽和高准直需要器件层级的创新和光学的光调节，从而增加了总体显示系统的成本和体积方面。实现单独可控性需要附加的电路和多个光源，从而增加了系统复杂度、体积和成本。因此，本专利技术的目的是引入一种克服现有技术的缺陷的空间-光学光调制器，从而使得产生提供实际的体积和观看体验的3D显示器成为可行。本专利技术的另一个目的是引入一种克服现有技术的限制的延展角度覆盖的时间空间-光学光调制器，从而使得产生提供体积优点加上宽观看角度上的观看体验的3D和高分辨率2D显示器成为可行。根据后面参照附图进行的对于本专利技术优选实施例的详细描述，本专利技术的其他目的和优点将变得显而易见。附图说明在附图的图中通过举例的方式而非通过限制的方式图示了本专利技术，附图中相同的附图标记指代类似的元件。图1图示了使用液体透镜的现有技术定向光调制器。图2图示了使用扫描镜面的现有技术定向光调制器。图3图示了现有技术定向调制3D光调制器。图4图示了时间空间-光学定向光调制器的空间-光学定向光调制方面。图5是空间-光学定向光调制器的定向光调制原理的等距视图。图6图示了空间-光学定向光调制器的示例性准直晶片层级光学元件设计。图7图示了使用在图6中图示的晶片层级光学元件的示例性设计的空间-光学定向光调制器的示例性设计。图8图示了时间空间-光学定向光调制器的一个空间调制像素组内的定向可寻址性的示例性实施例。图9图示了时间空间-光学定向光调制器的一个空间调制像素组内的定向调制的示例性实施例。图10是解释空间-光学定向光调制器的数据处理方框图的方框图。图11图示了通过平铺多个空间-光学定向光调制器而实施的3D/2D可切换显示器的示例性实施例的等距视图。图12图示了时间空间-光学定向光调制器的原理方面的等距视图。图13A图示了通过时间空间-光学定向光调制器的时间铰接（temporalarticulation）方面而成为可能的角度发射扩展。图13B图示了时间空间-光学定向光调制器的角度时间铰接。图14图示了时间空间-光学定向光调制器的已延展角度覆盖剖面。图15图示了时间空间-光学定向光调制器的一个实施例的等距视图、侧视图和顶视图。图16图示了时间空间-光学定向光调制器的另一个实施例的等距视图、侧视图和顶视图。具体实施方式后面的详细描述中对“一个实施例”或“某一实施例”的提及意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本专利技术的至少一个实施例中。在这个详细描述中的各处出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指代相同的实施例。近来已引入新类别的发射性微尺度像素阵列器件。这些器件的特征在于，在包括所欲驱动电路的非常小的单个器件尺寸中具有高亮度、非常快速的多色光强度以及空间调制能力。一个这样的器件的固态发光像素可以是发光二极管（LED）或激光二极管（LD），其开-关状态由包含在CMOS芯片（或器件）内的驱动电路控制，发射性微尺度像素阵列被结合在所述CMOS芯片（或器件）上。构成这样的器件的发射阵列的像素的尺寸通常将处于近似5-20微米的范围内，其中所述器件的典型的发射表面积处于近似15-150平方毫米的范围内。所述发射性微尺度像素阵列器件内的各个像素可以在空间、颜色和时间方面被单独寻址，这通常是通过其CMOS芯片的驱动电路而实现的。这样的器件的一个实例是在后面描述的示例性实施例中所提到的QPI器件（参见美国专利号7,623,560、7,767,479、7,829,902、8,049,231和8,098,265以及美国专利申请公开号2010/0066921、2012/0033113）。这样的器件的另一个实例是基于OLED的微显示器。但是应当理解的是，QPI器件仅仅是可以用在本专利技术的实施例中的各种类型的器件的实例。因此，在后面的描述中，对QPI器件的提及应当被理解为是出于所公开的实施例中的具体性的目的，而不是为了对本专利技术的任何限制。本专利技术将QP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光调制器，包括：具有像素的微阵列的发射性微发射器阵列器件；以及微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每一个微透镜跨越所述发射性微发射器阵列的像素组，由此微透镜阵列中的微透镜将在不同方向上引导来自对应的像素组中的每一个发射性微发射器的照明。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.06 US 61/567，520;2011.12.16 US 13/329，107;1.一种用于显示3D图像的光调制器，包括：具有像素的二维微阵列的发射性微发射器阵列器件，每一个像素能够被单独寻址并且在由相应像素发射的光的强度和颜色方面能够被单独控制，所述像素的二维微阵列被组织成多个像素组，每个像素组包括多个像素；以及微透镜阵列，具有二维模式的个体微透镜，所述微透镜阵列中的每一个微透镜跨越所述发射性微发射器阵列器件的对应的像素组，微透镜阵列中的每个微透镜在不同方向上引导从对应的像素组中的发射性微发射器阵列器件中的每一个像素接收的光，其中所述像素组是二维像素组。2.根据权利要求1的光调制器，其中，所述发射性微发射器阵列器件的像素的每一个是固态光发射器。3.根据权利要求2的光调制器，其中，所述发射性微发射器阵列器件的每一个像素可以发射多种颜色的光，并且每一个像素能够被单独寻址以便发射对应的所选颜色和强度的光。4.根据权利要求2的光调制器，其中，所述发射性微发射器阵列器件的像素具有十微米或更小的线性尺寸。5.根据权利要求2的光调制器，其中，所述微透镜阵列由多个层叠的微透镜阵列构成。6.根据权利要求3的光调制器，其中，所述光调制器的方向、颜色和强度可寻址性利用针对光调制器的多字段数据输入而实现，由此对于像素组的空间阵列内的每一个指定的像素组地址，至少一个输入数据字段被用来规定所发射的光的方向，并且至少一个数据字段被用来规定在所规定的方向上发射的光的颜色和强度。7.根据权利要求3的光调制器，多个所述光调制器构成光调制器的平铺阵列。8.根据权利要求3的光调制器，多个所述光调制器构成平铺阵列中的光调制器的总体集合，其中在每一个光调制器中，所述发射性微发射器阵列器件的各个像素是多色像素并且能够被单独寻址以便各自发射具有所选颜色和强度的光，所述微透镜阵列由多个层叠的微透镜阵列构成，所述微透镜阵列的微透镜中的每一个与对应的发射性微发射器阵列器件的对应像素组内的多个像素相关联并且对准，其中每一个微透镜把从所述多个像素发射的光在光学上映射到该微透镜的数值孔径内的对应的离散方向集合中，以便实现在所述离散方向集合中的每一个单独方向上发射的光的颜色和强度的单独控制，从而使得所述光调制器能够横跨跨越所述光调制器的总体集合的整个孔径生成在颜色、强度和方向方面受到调制的光。9.根据权利要求3的光调制器，其中，所述光调制器的每一个像素的方向、颜色和强度可寻址性利用针对各个单独光调制器的多字段数据输入来实现，由此对于像素组的空间阵列内的每一个指定的像素组地址，至少一个输入数据字段被用来规定所发射的光的空间方向，并且至少一个数据字段被用来规定在所规定的方向上发射的光的颜色和强度。10.根据权利要求6的光调制器，其中，通过将所述多字段数据输入的格式适配成与所期望的操作模式相称，所述光调制器能够被切换成作为3D显示器操作或作为2D显示器操作。11.根据权利要求3的光调制器，在液晶显示器中作为用以显示3D或2D图像的液晶显示器的背光。12.根据权利要求2的光调制器，其中：所述发射性微发射器阵列器件的各个像素是多色像素并且能够被单独寻址，以便发射具有所选颜色和强度的光；所述微透镜阵列具有多个层叠的微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每一个微透镜与所述发射性微发射器阵列器件的像素组内的多个像素相关联并且对准，其中每一个微透镜把从相应的多个像素发射的光在光学上映射到相应微透镜的数值孔径内的对应的离散方向集合中，以便实现在所述离散方向集合的每一个单独方向上发射的光的颜色和强度；从而使得光调制器能够生成在颜色、强度和方向方面受到调制的光。13.根据权利要求1的光调制器，多个所述光调制器构成光调制器的平铺阵列。14.根据权利要求1到13当中的任一项的光调制器，其中，来自各个发射性微发射器的不同照明方向定义一角度范围，并且其中所述发射性微发射器阵列器件和微透镜阵列被组装在一起并且关于至少一个轴作为单一组件被角度铰接，以便在所述发射性微发射器阵列器件的发射表面的平面内并且在正和负最大角度铰接的范围内发射光，所述铰接具有重复周期，所述重复周期被选择成与显示器输入数据帧持续时间成比例并且与之同步。15.根据权利要求12的光调制器，其中，所述发射性微发射器阵列器件和微透镜阵列被配置成关于两个正交轴在关于对应的轴的正和负最大角度铰接的范围内作为单一组件被角度铰接，所述铰接具有重复周期，所述重复周期被选择成与显示器输入数据帧持续时间成比例并且与之同步。16.根据权利要求14的光调制器，其中，所述角度铰接被配置成增加不同方向之间的角度分辨率，或者增加来自所述发射性微发射器的照明的不同方向的角度范围。17.根据权利要求13的光调制器，其中，所述平铺阵列中的邻近光调制器在邻近像素组中的活跃像素之间具有一些非活跃边缘像素。18.一种定向光调制器，包括：二维发射性微发射器阵列器件；具有微透镜元件的微透镜阵列；所述二维发射性微发射器阵列器件和微透镜阵列被组装在一起，并且作为单一组件被角度铰接，以便围绕两个轴在所述二维发射性微发射器阵列器件的发射表面的平面内并且在每个相应的轴上的正和负最大角度铰接的范围内发射光，其中，所述二维发射性微发射器阵列器件包括像素阵列，其中每一个像素是单独可寻址的固态光发射器。19.根据权利要求18的定向光调制器，其中，所述二维发射性微发射器阵列器件的每一个像素具有不超出20乘20微米的尺寸。20.根据权利要求18的定向光调制器，其中，每一个像素能够被单独寻址以便在颜色和强度两方面对其发射的光进行调制。21.根据权利要求18的定向光调制器，其中，所述角度铰接由用于所述二维发射性微发射器阵列器件和微透镜阵列的组装的万向节支持件提供，以便通过所述万向节支持件的角度铰接在时间上扩展所述两个轴当中的每一个轴上的角度范围，从而沿着所述两个轴当中的每一个轴在时间上扩展所述光方向集合。22.根据权利要求21的定向光调制器，其中，时间上扩展的角度范围在时间上是连续的或离散的，并且具有与图像输入数据帧速率成比例并且同步的重复速率，由此围绕所述两个轴当中的每一个轴的最大角度铰接决定所述定向光调制器的扩展角度范围、角度覆盖、形状和长宽比。23.根据权利要求22的定向光调制器，其中，围绕所述两个轴当中的每一个轴的角度铰接的铰接速率至少等于输入图像数据的帧速率乘以一个因数，所述因数等于沿着每一个相应轴的扩展角度范围与角度范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：HS埃尔古罗里，ZY阿尔帕斯兰，蔡靖波，M迈尔斯，P瓦纳，DA麦克奈尔，
申请(专利权)人：奥斯坦多科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US