平板投影显示器制造技术

一种平板投影显示器，包含：板条形波导１，其在一表面上带有优选为凸出的衍射光栅２；透镜３，其用于把光引导入波导的边缘；以及在透镜的聚焦平面中的液晶调制器４，其用于把光的强度调制为侧部位置和传送的仰角方向的函数。光被光栅以与输入角度对应的角度从板条形波导１射出，以提供了虚显示。来自调制器的光能够通过穿过放大波导７而在一维上展开，接着由屏幕１３在平面中把位于波导７另一端部的透镜１０的投影进行散射。抬头式和３－Ｄ显示器能够使用这种原理而构建。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及3D显示器、头戴式(head-mounted)显示器和其它微型(compact)投影显示器。传统上，投影显示器包含光发射器的二维阵列和投影透镜。透镜在空间的一些平面上形成阵列的图像，并且如果这个成像平面远离投影透镜，使得光线基本上为平行，则投影透镜的作用基本上是准直(collimate)来自二维阵列上的任何像素的光。投影显示器在大多数情况下被配置成使得阵列的图像落到一个大型半透明屏幕上，且朝这个屏幕看的观看者将会在二维阵列上看到画面的放大很多的图像。但是，被安装在观看者头上的小型投影显示器正变得越来越普遍，使得投影显示器直接朝向观看者的眼睛，并且被投影透镜准直的、来自光发射器二维阵列上单个像素的光接着被观看者的角膜会聚到视网膜上，使得观看者看到通常已知为虚像的明显为远距离的图像。为了合成三维图像，也可以把包含定向光发射器的二维阵列的大直径投影显示器放在液晶显示器或者一些其它空间光调制器的后面。例如，参见Travis，A.R.L.的“自动立体3-D显示器”，Applied Optics，卷29，29号，4341-3页(Travis，A.R.L.，“Autostereoscopic 3-D display”，Applied Optics，Vol.29，no.29，pp.4341-3)。当光发射器二维阵列上的一个像素被照明时，并且三维物体的合适视图以这样的方式同时显示在液晶显示器上只有在从被投影透镜准直的、来自像素的光的光线正在传送的方向观察时，才能看到三维物体的视图。一系列视图以比眼睛能够察觉到闪烁的速率快的速率进行重复，从而时分复用了三维图像。这种显示是三维的而不是全息的。原则上可以通过以下方式来创建全息三维图像把点源光发射器的二维阵列放在投影透镜的聚焦平面中，依次照明每个点源，并且在放在投影透镜顶部上的液晶显示器上显示适当的全息图，使得每个全息图可以依次从不同的视点看到。头戴式显示器很庞大而用户会更希望它们为扁平的。可以通过使用合并了弱全息图的板条形(slab)波导来把头戴式显示器做得更加扁平，如Amitai、Reinhorn和Friesem的“基于平面全息光学的Visor显示器设计”所示出，Applied Optics，卷34，8号，1352-1356页，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)。来自阴极射线管和全息图的光被耦合入波导中，且这个光将以由发射出这个光的阴极射线管中的像素所确定的方向被全息图衍射出波导(即垂直于这个平板)。通过时分复用液晶显示器的照明而合成的三维图像要求液晶显示器具有快速切换的薄膜晶体管阵列，而这些是很昂贵的。美国5600454的Trayner和Orr描述了这样的一种设备其通过把全息图放在传统液晶显示器后面的方式来避免这种要求，该液晶显示器把交替行的照明引导向左眼或右眼的视野。但是这种设备和切换照明概念都很庞大，且没有展示出头戴式显示器所需的扁平性。反之，可以通过把投影显示器与一屏幕组合的方式来制成平板三维显示器，在该屏幕上发亮的、与该屏幕的表面平行的光在沿屏幕的一组可选择的行中的一行上被射出(ejected)，如本专利技术人先前申请PCT/GB 97/02710(WO 98/15128)所描述。当屏幕上的一行被选中时，并且投影显示器同时投射出与屏幕平行的一行像素，从而使它们在所选择的行上被射出。当屏幕上的一系列行中的每一行以时分复用屏幕上完整图像的方式依次被选中时，投影显示器上同一行的像素被重复地改变。只有投影显示器的一行得到使用，因此，光发射器阵列只需一行的高度，并且如果发射光在屏幕的平面上被准直，则投影透镜只需要一或两毫米高，因此，组合的投影机和屏幕为扁平的。如果光来自三维显示器，虽然该光的光发射器阵列仅具有一个像素的高度，但是该光被引向平行于可选择行的屏幕的表面，因此形成在屏幕上的图像是三维的。三维显示器可以包含位于投影透镜后面的光发射器阵列和具有位于投影透镜前面的液晶显示器，如上所述，但是，为了在显示器的一个行周期内显示出几个视图，液晶的切换速率需要等于视点个数乘以显示器的行速率，但很少有液晶混合物能够切换这么快。现已存在很多其它类型的自动立体和全息三维显示器概念且任何一种都可以在平板系统中使用。特别令人感兴趣的是一个早期概念，其在物镜(field lens)的聚焦平面上包含一组小型视频投影机。每个投影机被放置为在物镜的平面上形成一个视图，就像透镜为半透明屏幕一样，但是，与半透明屏幕不同的是，物镜对光进行准直，使得只可以从单一方向看到图像。其它投影机形成由物镜可从其它方向看到的视图，因此，观看者可以看到自动立体三维图像。但是，观看者更希望三维图像在方位角位置和仰角上位置都是自动立体的，且现在很少有对使视图根据仰角而变化的这种概念进行考虑。根据本专利技术，提供了一种平板投影显示器，包含板条形波导，其优选地在一个端面上带有凸出(emboss)的衍射光栅；透镜，其用于把光引导入波导的端部；以及在透镜的聚焦平面中的装置，其用于把光的强度调制为侧部位置和传送的仰角方向的函数。这种排列方式把来自调制装置中的像素转换为以不同角度射到波导上的平面波，然后，其以相应的角度被衍射出波导的端面。因此，在波导上形成虚像，其例如能够用于抬头式显示器或3-D显示器。为了把更多的光射入波导中，优选地，显示器包括一维屏幕，其用于把光扩展到包含板条边缘的宽度上。这个屏幕自身能够被并入波导中，且镜面能够与波导的端部或多个端部相关联，以保持光。输入波导也能够放大输入图像。能够通过使用棱镜波导端部来折叠显示器。也可以考虑使用波导透镜。 附图说明为了更好地理解本专利技术，现在将参考附图通过示例的方式对具体实施例进行描述，在附图中图1示出表示本专利技术背景的为把垂直入射光反射90°而摆成一角度的镜面；图2示出了与图1的单个镜面类似的一系列镜面；图3示出了如何由入射到波导中的光的方向和光栅的周期来确定被凸出在板条形波导的一个端面上的光栅耦合出板条形波导的光的方向；图4示出了体现本专利技术的平板投影显示器；图5示出了具有大屏幕的平板投影显示器，其中图像从微型投影机被放大；图6示出了如图5所示的显示器的一种样式，其使用反射式而非透射式的一维半透明屏幕；图7示出了如图6所示的显示器的折叠样式，其带有绕观看者而弯曲的屏幕，以满足观看者的周围视觉的需求；图8示出了行列复用式(row-and-column-multiplexed)的平板投影显示器；图9示出了棱镜如何把光线方向上的平面内(in-plane)变化(Kparalle1)转换成光线方向上的平面外(out-of-plane)变化(Ktransverse)；图10示出了棱镜如何用来折叠型平板投影显示器；图11是折叠型行列复用式平板投影显示器的扩大视图；图12是折叠型行列复用式平板投影显示器的压缩视图且示出了液晶显示器如何处于与平板面板的平面呈45°；图13示出了平板面板三维显示器；图14示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平板投影显示器，包含：波导系统，其包括具有光栅（２）的显示器板条形波导（１），用作致使在波导中传播的光从波导的一个端面出来，透镜元件（３；１８），其用于把光引导入波导系统的边缘；以及在透镜元件的聚焦平面上的装置（４），其用于把光的强度调制为侧部位置的函数，可选地，调制为传送的仰角方向的函数，相对于波导来说，光栅是用于根据所述侧部位置，如果适当的话，根据仰角方向，来把被引导入波导系统的光以一角度从板条射出到观看者。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里安罗伯特利特拉维斯，
申请(专利权)人：剑桥平投影显示有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]