专利名称：小型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的共有技术特征部分所限定的显示装置，即涉及一种包括用于形成物像源的反射式显示装置、用于照明反射式显示装置的光源、和用于投射物像源的虚像的光学系统的显示装置。
小型显示器用于头戴式显示装置和一些例如个人数字辅助装置、移动电话和WAP电话等的小的个人装置。
从美国专利5,892,624中已知一种小型显示装置。该显示系统包括一个带棱镜的光学系统，该棱镜具有浸没光束分离器和反射镜元件；一个用来形成物源的反射式液晶显示板；和一个用来照明反射式液晶显示器的光源。工作时光源通过棱镜照明反射式液晶显示板。反射式液晶显示器对光线进行调制，并通过光束分离表面的反射性将辐射光反射到反射镜元件上。反射镜元件通过棱镜中的光束分离表面使源物在观察者的眼中成像。
在这种显示器中，可以采用镜面反射式液晶显示装置(LCD)，例如硅底板液晶(LCOS)显示板。然而，在这种情况下，可获得到的最大对比度受到限制。
本发明的目的是提供一个对比度改善的小型显示系统。此目的将通过由本发明的权利要求1限定的一种显示系统来实现。本发明的依椐是当照明基本垂直于反射式显示板平面时，镜面反射显示器的对比度最大。在已知的显示装置中，由于照明装置出现在光学系统的成像路径上，所以将产生出问题。在按本发明的显示系统中，在不干扰成像路径的情况下，照明光可通过一次或多次在光导向装置中的全内反射被引导成垂直于显示装置的平面。
按本发明的一种特殊实施形式由权利要求2限定。这种装置可提供一个小型显示装置。在本发明的另一实施形式中，平行六面体作为光导向装置。平行六面体形状的适配性可提供小型显示系统和反射式显示器的大致垂直的照明。
本发明的另一实施形式由权利要求6限定。在此实施形式中，垂直照明是通过安置在光学系统和反射式显示装置之间的光导向装置来实现的。该光导向装置可包含棱镜。
在从属权利要求中还限定了另一些有利的实施形式。
参照下面要描述的一些具体实施形式可以明了本发明的上述及其它的方面。
在附图中
图1示出了照明显示板的平行六面体的第一个显示器的例子，和图2示出了照明显示板的TIR棱镜的第二个显示器的例子。
图1为第一个显示器的例子，其中利用光导向装置的全内反射对显示器进行照明。第一显示器1包括照明源2和光学系统3，该光学系统包括偏振光束分离(PBS)棱镜4，四分之一波片15，和凹面镜5。此外，此第一显示器1还包括反射式显示板6。照明源2包含三个分别发射红、绿、兰光的LED 7，8，9，以用于反射式显示板6的彩色顺序照明。光导向装置放在LED 7，8，9和反射式显示板6之间。在这个第一显示器1中，光导向装置是由偏振光束分离棱镜4形成的，它包括一个玻璃制成的平行六面体。平行六面体4包含分别指向同一方向的第一对和第二对平行面10，11；17，18，以及垂直于另外两对面的第三对面。平行六面体4的第一对平行面10，11中的一个面作为入射面10，该入射面10与平行六面体4的第二对平行面17，18中的一个面之间的角度α最好是60°。这个角度α可用来减小第一显示装置1的厚度。此厚度是指平行六面体4第二对面17，18之间的距离。玻璃可以为BK7型。优选的是，平行六面体4设置一个光束分离表面13，它与平行六面体4第二对平行面17，18中的一个面所成的角度为30°。光束分离表面13包含一个丝网起偏振器，其可从Moxtek公司订货。或者也可以采用双亮度增强膜(DBEF)，其可向3M公司订货。LED 7，8，9安装在平行六面体4的入射面10处。在LED 7，8，9与平行六面体4之间可以安一个起偏振器14，以改善像的对比度。如需要，可以装一个漫射器(未示出)来改善反射式显示板6上的光分布。反射式显示板6装在与平行六面体4的入射面10平行的平行六面体4出射面11处。第一显示板6包括反射式液晶显示板，例如0.47″的硅底板液晶(LCOS)显示板。优选的是，在LCOS显示板6和平行六面体4的出射面11之间设置一个透镜12，以降低所形成像的场曲率和像畸变。在凹面镜5和面对它的平行六面体4的第二对面中的一个面17之间设置有四分之一波片15。
在工作中，红、绿、兰LED 7，8，9在一个周期内顺序启动，此周期与顺序传送到LCOS显示板6上的各个红、绿、兰图像信息相同步。LED 7，8，9通过起偏振器14将红、绿、兰色发射至平行六面体4的入射面15上。起偏振器14只传输沿第一方向偏振的那部分发射光。平行六面体4将发射光传送至光束分离表面13。此光束分离表面13通过透镜12将沿第一方向偏振的一部分发射光传送给LCOS显示板6。LCOS根据所提供的图像信息使红、绿、兰的发射光的偏振方向旋转，并把发射光反射回平行六面体4。平行六面体4把发射光传送给光束分离表面13。光束分离表面13借助于四分之一波片15将沿垂直于第一方向的第二方向偏振分量的一部分发射光反射到凹面镜5上。凹面镜5通过四分之一波片15将发射光反射回平行六面体4，并形成一个LCOS显示板6的虚像。由于发射光通过四分之一波片两次，使得发射光的偏振沿第一方向旋转。在平行六面体4中，偏振光束分离表面13将发射光传至观察者的眼睛16。使用第一显示器1的观察者将在2米距离和32°观察角处看到一个虚像。这相当于在3米的距离处观察一个对角线1.3米的屏，或在0.75米的距离处观察一个19″监视器。平行六面体的第一对面10，11和第二对面17，18之间的α角与平行六面体4内产生的全反射相适配，可使得显示装置较紧凑，并向反射式LCOS显示板6提供基本上垂直的照明。LCOS显示板6为基本垂直的照明使所成像的对比度得以改善。
图2所示为第二个显示装置的例子。在第二显示装置21中，光导向装置设置于反射式显示装置26和光学系统23之间。第二显示器21包括照明源22和光学系统23，该光学系统包括平行六面体24、四分之一波片42和凹面镜25。平行六面体24包括分别指向同一方向的第一对和第二对平行面24，31；43，44以及垂直于另外两对面的第三对面(未示出)。平行六面体的第一对平行面24，31中的一个面作为入射面31，该入射面31与第二对平行面43，44中的一个面之间的角度α最好是80°。此角度α可用来减小第二显示装置21的厚度。这个厚度是指平行六面体24第二对面43，44之间的距离。照明源22包括分别发射红、绿、兰光的三个LED 27，28，29，以用于显示装置26的彩色顺序照明。光导向装置由TIR棱镜35形成。TIR棱镜35包括一个顶角x大于90°的三角形棱镜和一底面39。TIR棱镜35安置在反射式显示屏6和光导系统之间，使得TIR棱镜35的入射面或底面39面对着平行六面体24的入射面31，并在这些面31，39之间形成一个空气隙。LED 27，28，29安装在TIR棱镜35的入射面39的一部分上。优选的是，在LED 27，28，29和TIR棱镜35之间设置一个起偏振器36和一个扩散片37。反射式显示板6，例如与应用于第一显示装置类似的LCOS显示板，被安装在TIR棱镜35出射面40上，此出射面处于入射面39和反射式显示板6之间。优选的是，在LCOS显示装置26和TIR棱镜35之间安装一个透镜，以降低所成像的场曲率和像畸变。此外，在平行六面体24和TIR棱镜35的底面39之间装有一个反射式起偏振器41。平行六面体24和TIR棱镜35的材料可用BK7型玻璃。一般而言，平行六面体24和TIR棱镜35的材料的折射率越高，系统就越紧凑。为减小色差，透镜32的材料的折射率可选得与平行六面体24和TIR棱镜35的材料的折射率不同。光束分离表面33和反射式起偏振器41可以是一个丝网起偏振器，其可从Moxtek公司订货。也可以采用双亮度增强膜(DBEF)，其可向3M公司订货。另外，在邻近平行六面体24的第二对面中一个面的位置处放置一个凹面镜，并可在出射面43和凹面镜25之间设置一块四分之一波片42。
在工作中，红、绿、兰LED 27，28，29在一个周期内顺序启动，此周期是与顺序传送到LCOS显示板26上的各个红、绿、兰光图像信息同步的。LED 27，28，29通过起偏振器36和扩散器37交替地把红、绿、兰发射光传至TIR棱镜35的入射面39的一部分上。起偏振器36只传送具有沿第一方向偏振的一部分发射光。TIR棱镜的面38不面对LCOS显示板26且处于TIR棱镜35的出射面40和底面39之间，该面38在平行六面体24的入射面31处将发射光反射至反射式起偏振器41。反射式起偏振器41通过TIR棱镜35和透镜32将具有沿第一方向偏振分量的发射反射至LCOS显示板26。LCOS显示板26则根据所提供的图像信息使红、绿、兰辐射的偏振方向旋转，并通过透镜32和TIR棱镜35将发射光反射回在平行六面体24的入射面31处的反射式起偏振器41。反射式起偏振器41把具有沿垂直于第一方向的第二方向偏振分量的那部分发射光传送至平行六面体24。平行六面体24的光束分离表面33通过四分之一波片42将具有沿第一方向偏振分量的那部分发射光反射至凹面镜25。凹面镜25通过四分之一波片42将发射光反射回平行六面体24并形成LCOS显示板26的一个虚像。由于发射光通过四分之一波片42两次，使得偏振沿第一方向旋转。此刻光束分离表面33把发射光传至观察者的眼睛46。采用第二显示装置21的观察者将在3米的距离和35°的观察角处看到一个虚像。这相当于在0.75米处观察一个19″的监视器。入射面31的角度α与平行六面体24的另一对平行边43，44中的一个相适配，可使显示器更紧凑，并且TIR棱镜35的顶角x的适配借助于TIR棱镜35的全反射向反射式LCOS显示板26提供大致垂直的照明。LCOS显示板26的这种垂直照明可改善所成像的对比度。由于光学系统的入射口在TIR棱镜35的底面39处，LCOS显示板26的所有像素都由同一面38照明，故能提供比图1所示的第一显示装置1更均匀的照明。另外，在第二显示装置21中的照明不是在光束分离表面33的眼睛侧，所以干扰所成像中照明系统反射的机会比第一显示装置1要少。
权利要求
1.一种显示装置，其包括用于形成物像源的反射式显示装置、用于照明该反射式显示装置的光源、和用于投射该物源的虚像的光学系统，其特征在于，该显示装置包括光导向装置，其借助于全反射以用于该反射式显示装置的大致垂直的照明。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该光学系统包括平行六面体、四分之一波片、和反射镜。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，该光导向装置包括平行六面体，其中该光源面对着该平行六面体的一个面，该反射式显示板定位成邻近该平行六面体的所述一个面的相对面。
4.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，该平行六面体包含一个偏振光束分离表面，其用于将具有第一偏振方向的发射光的一部分传送至该反射式显示装置并且将由该反射式显示装置反射的具有第二偏振方向的发射光的一部分反射至该四分之一波片和该反射镜，该第二偏振方向与该第一偏振方向垂直，并且将具有沿该第一方向偏振的被反射的发射光的一部分从该四分之一波片和反射镜传送至观察者。
5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该光导向装置定位在该光学系统和该反射式显示装置之间。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，该显示装置在光导向装置和光学系统之间设置有一反射式偏振装置，其用于将具有第一偏振方向的发射光从光导向装置传送至该反射式显示装置，并把具有垂直于该第一偏振方向的第二偏振方向的被反射的发射光的一部分从该反射式显示装置传送至该光学系统。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，该光导向装置包含棱镜。
8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于，面对该光学系统的入射面的棱镜的侧面的一部分与该光源光耦合。
9.如权利要求8所述的显示装置，其特征在于，该光学系统包括平行六面体、四分之一波片、和反射镜。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，该平行六面体包含一个偏振光束分离表面，其用于将来自于该反射式显示装置的具有沿第二方向偏振的发射光的一部分通过四分之一波片反射至该反射镜，并将具有沿第一方向偏振的反射的发射光的一部分从该四分之一波片和反射镜传送至观察者。
11.如上述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，另一偏振装置定位在发射光源和光导向装置之间，其用于传送具有沿第一方向偏振的发射光。
12.如上述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，该显示装置包括定位在该反射式显示装置和该光学系统之间的透镜。
13.如上述权利要求中任一项所述的显示装置，其特征在于，该显示装置包括反射式液晶显示器或数字型微镜式显示器。
14.一种安装在头部的显示装置，其设置有如上述权利要求中任一项所述的显示装置。
全文摘要
一种小型显示装置，其可用于小的个人装置，例如头载式显示装置、移动电话、和个人数字辅助装置(PDA)。该显示装置包括光源、用于形成物像的反射式显示板、以及用于投射物像的虚像的光学系统。为了改善反射式显示板的照明，在显示装置中设置一个光导向装置，其借助于全反射使反射式显示板获得大致垂直的照明。
文档编号G02F1/13GK1464987SQ02802249
公开日2003年12月31日 申请日期2002年4月18日 优先权日2001年4月27日
发明者W·罗斯特 申请人:皇家菲利浦电子有限公司