提高显示清晰度的向列型液晶相空间光调制器的制作方法

专利名称：提高显示清晰度的向列型液晶相空间光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光扫描器或光束控制器领域，具体涉及到调制非偏振光以在观察者视场内产生全集成图像。
人的视觉系统是一复杂系统，它有很大能力去吸收来自许多不同形式的大量信息，包括来自显示器的信息。显示器当前有各种不同的规格和形式，显示多种类型的信息，从机场中公布调度信息的大型显示屏到例如安装在便携式计算器内的小型显示屏。与减小显示器尺寸，特别是与减小用于便携式电子器件例如便携式通信设备等的显示器尺寸有关的，是显示清晰度的质量、使所需功率保持到最小以及低的制造费用。
制造微型显示器的一种可供选择的方法是利用扫描技术，以构成由具有最少像素的像源所产生的集成图像。在减小到利用扫描技术的显示器的尺寸和保持清晰度质量方面，有关的是人的视觉系统的处理和集成信息的能力以及此视觉系统能进行上述工作的速度。人的视觉系统能够处理信息的速度不会快于约60Hz。因此，在1/60秒内投射和扫描到显示器上不同位置上的图像，可以由观察者的眼看作一放大集成图像。举例来说，在60Hz频率下使图像“A”在显示器中移动到六个不同位置时，观察者将看到由六个“A”组合的集成图像。要是此图像被同时地对其内容进行调制，例如六个字母“A”、“B”、“C”、“D”、“E”与“F”分别和依序地于60Hz速度下移至六个不同位置时的图像，则观察者将看到由这六个字母组合的集成图像。这一过程，周知为时分成像法(time-multiplexed imagery)，可以用于采用扫描器或光束控制器的显示工艺领域，更确切地说，可以用于开发高清晰度的微型显示器。
当前所用的扫描或光束控制器件能帮助提高显示器的清晰度。这类扫描器件能以多种形式出现，最普通的装配有反射镜的机电型扫描器，例如电流计式扫描器与多角镜扫描器。这类机电型扫描器一般有较大的尺寸，因此不适合于小型、轻量、以低功耗运转、从本质上说是便携式的显示器件。此外，机械型扫描器复杂，因而生产费用高，且在多数情形下工作时要耗用很大功率。
许多当前所用的扫描器件，特别是其中采用液晶材料的，只能线性地控制偏振光。对当前的扫描器件来说，必须把非偏振光经偏振器改变为线性偏振光。在这种情形下，假定偏振器是与扫描器件整体形成，则100％的光将入射到偏振器和/或扫描器件上。工作中，将有约50％的光和/或能量透射，而其余约50％则为偏振器吸收。
于是需要有用来控制或扫描所通过的100％的非偏振光的小型扫描器，由此来制得高清晰度的微型显示器。
为此，极其希望提供能将向列型液晶相空间光调制器用于调相的扫描器，由此来实现对100％所通过的非偏振光的扫描。
本发明的目的之一在于提供用于高清晰度显示的新型和改进的液晶相空间光调制器，它能空间调制100％所通过的非偏振光。
本发明的另一目的在于提供并装入用于高清晰度显示的新型和改进的显示系统中的向列型液晶相空间光调制器，据此可把扫描器装入微型显示器中。
本发明的又一目的在于提供用来扫描由一个采用了向列型液晶相空间调制器和外加的激励源的像源所发射出的100％非偏振光的方法，它们可以装入微型显示器中同时保持所观察图像的清晰度质量。
将一种用于非偏振光的向列型液晶相空间光调制器装入由像源、上述调制器或扫描器、驱动/控制电路和光学元件组成的显示系统中，实质性地解决上述的和其它的问题和实现上述的和其它目的。在最佳实施形式中，这种相空间光调制器用到至少两个向列型液晶元件，它们定向成使得两者的非寻常光轴，即光通过其出现非寻常折射率的光轴相互垂直。所述扫描器或光束控制器制造成能空间地调制像源产生的基本上是100％的光的相位，此像源一般包括由许多发光器件，最普通的是由发光二极管组成的阵列，由此产生最终的集成图像并提高了所观察的集成图像的清晰度。应知可以采用其它的光或图像产生器件，例如有机的发光二极管(LED)、垂直腔的表面发射激光器(VCSEL)、阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、电致发光显示器、等离子显示器、液晶显示器(LCD)，等等，但为简明起见，在此说明书中将采用通用名词“发光器件”。
一般地说，本发明的向列型液晶相空间光调制器(以后称之为向列型液晶扫描器)用来空间地调制或控制基本上是100％由像源发射的光的相位，这样便调制或控制着光的定向路径。实现上述目的的原理是，构成各个液晶元件的向列型液晶材料的分子结构组织并非是刚性的，这就是说，这类分子易在外部激励的直接作用下重新定向。外部激励对液晶材料的这种作用使得液晶材料的分子结构重新定向，由此导致所通过的光经受一个取决于输入的光偏振的相变。简单地说，这种相变乃是外部激励即本发明中所加电压的函数，但并不要求是正比关系。应知施加到液晶元件上的不等大小的电压将形成不同的调相，由此而改变着所通过的光的定向传播。
某些液晶扫描器或光束控制器工作中受关注的问题是因偏振器吸收约50％所通过的光而造成的能量损耗。本发明的向列型液晶扫描器制造成可使所通过的非偏振光基本上100％通过。其中并不要求首先由偏振器将光线性偏振化以供液晶材料扫描或控制。
在本发明的向列型液晶扫描器工作期间，对此扫描器施加一电压，由此来改变各液晶元件中所含向列型液晶材料的分子定向。由于通过的光改变了方向，当观察者观看时，向列型液晶材料分子结构的这种重新定向便转换为所产生的最终的集成图像的填充系数和/或像素数目的可见改变。说得具体些，即利用叠层的液晶元件定向从空间上调制基本上是100％所生成的光波，以产生方向上的变化而形成观察者可看见的最终集成图像。这一最终的集成图像呈现出较高的清晰度和较高的填充系数，但是像源中的有效像素数目则仍然相同。
在上述的最佳实施形式中，向列型液晶扫描器制作成两个向列型液晶元件，它们用某种光学上透明的折射来匹配材料作物理上的组合，使其中的一个装附于另一个的顶部上，或者制作成共用一层中间的基片层。这种向列型液晶扫描器设置于微型显示系统中，取决于此显示系统的结构和所需结果，可依透射或依反射方式工作。当依透射方式工作时，向列型液晶扫描器定位成使得由发光器件阵列产生的光直接通过扫描器，经扫描通过调相而形成最终的集成图像。当此扫描器依反射方式工作时，这种向列型液晶扫描器形成在反射元件的表面上或者具有反射性质，并且定位成使得上述阵列产生的两次通过此扫描器。
上述扫描器借助于扫描像源的像素而工作，一般借助于扫描子像素、像素组和/或子阵列通过调相而生成集成图像。这样的扫描或光束控制是从空间上调制光的相位和传播方向，由此来产生最终的集成图像的另一部分。像源上的有效像素数保持不变，即不需用另加的有效区或像素等，而可通过此扫描过程使所生成的最终集成图像的清晰度和填充系数大大提高。
本发明的新颖之处与可信特征列述在权利要求书中。本发明本身及它的其它特点与优点则可以结合附图参看后面的详细说明以获得清楚的理解，附图中

图1是本发明的透射式向列型液晶元件结构的简化横剖图；图2是本发明的反射式向列型液晶元件结构的简化横剖图；图3是在硅片上制作的本发明的反射式液晶元件结构的简化横剖图；图4是一种向列型液晶元件在未对其加电压时的简化立体图；图5是一种向列型液晶元件对其加有单一电压时的简化立体图；图6是一种向列型液晶元件对其加有不等电压时的简化立体图；图7是本发明的向列型液晶扫描器或光束控制器的简化部件分解立体图，说明所制造的两个独立的液晶元件；图8是本发明的向列型液晶扫描器或光束控制器的简化立体图，说明所制造的共用公共中间基片元件的整体成形的两个单元的结构；图9是装备有本发明透射式向列型液晶扫描器的微型图像显示器的简化示意图；图10、11与12分别表明应用本发明的向列型液晶扫描设备的图像显示器的前视图、侧面立视图与顶视图；图13是应用本发明的反射式向列型液晶扫描器的图10中设备的放大4倍的侧面立视图；而图14是应用本发明的透射式向列型液晶扫描器的图10中设备的放大4倍的侧面立视图。
在整个描述过程中，在阐明本发明的不同附图中是以相同的标号标明相同的部件。本发明的基础在于利用具有阵列形式的各个可寻址的发射可见光的器件，使它们与驱动/控制电路和光学元件相结合而构成本发明的发光显示器或像源。为了在给定数目的发光器件下提高清晰度或是减少所需的发光器件数来实现所需的清晰度，应用了向列型液晶相空间光调制器的扫描技术，后者在下面也称之为向列型液晶扫描器。上述发光显示器用作显示系统的像源，由此借助这类发光器件阵列的扫描部分或扫描元件，通过液晶扫描器，由上述扫描部分对所发射的光进行空间调相，而形成最终的集成图像。这种调相用来改变定向传播，实质上是使光“移动”到显示器的另一部分。这样的扫描作用便形成了从观察者看来是高清晰度的最终集成图像。内行的人当知，扫描的结果能由远比产生整版显示所需显示器件数目为少的器件来形成整版显示。最终的集成图像可以作为直接的观察图像、微型的虚像或是投影像之一而观看。
本发明中所用的扫描方法的根据是空间调相原理，由此来改变发光器件阵列的若干部分或若干元件所发射的光的定向路径。在利用扫描技术来制作最终集成图像时，关注到通过扫描器发射的光的偏振性质以及扫描器本身的偏振性质所引起的能量或光的损失。一般地说，当前所用的液晶扫描器只扫描或控制线性偏振光，因此非偏振光在其能有效地为液晶扫描器调制之前必须改变成线性偏振光。于是就出现了这样的问题入射到偏振器和/或扫描器上的光只有约50％通过，而其余的约50％则为偏振器吸收。
在本发明的向列型液晶扫描器的最佳实施形式中，基本上可使100％的光通过和加以控制。这种向列型液晶扫描器包括至少两个液晶元件，装定成使它们的非寻常光轴正交。由于按此方式将液晶元件装配成使其非寻常光轴相互正交，当给这两个液晶元件分别施加相等的电压时，就能基本上消除所有的偏振效应。换 种说法，这两个液晶元件装定成使它们的分子取向相互正交。因此，进入第一元件内的非偏振光在其进入第二元件中并经受第二次调相之前经受了第一次调相。对所通过的光调相可将所有的光调整到选定的定向路径上。
在这种最佳实施形式中，每个液晶元件是由一批液晶子元件或确定的像素构成，对它们施加外部激励，由此来改变其中所含液晶的分子取向同时使通过其中的光调相。调相的结果使得具有最少像素数和低填充系数的像源同由至少两个液晶元件组成的液晶扫描器一起工作，生成看来似乎是由多得多的像素组成的集成图像。
如前所述，本发明的目的在于提供这样一种向列型液晶扫描器，它能用于由发光显示器件、扫描器、驱动/控制电路以及一批光学元件构成的微型显示系统中。在此最佳实施形式中，采用了微型液晶扫描器来实现显示器件发出的光的调相，使得这种显示系统能保持小的尺寸而可以安装到便携式电子设备或类似设备中所具有的微型显示器中，应知可以采用种种光源或图像生成装置的，例如有机或无机的发光二极管(LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、电致发光显示器、等离子显示器、液晶显示器(LCD)，等等，它们可以构成二维阵列。需知在采用上述可供选择的光源或像源时，除此最佳实施形式中所述的之外，可能还需有其它另设滤光装置和/或光学元件。为简明起见，在整个说明书中将采用通用名词“发光器件”。
下面参看附图，其中公开了本发明的向列型液晶调制器或扫描器或器件。应知本发明的液晶扫描器的最佳实施形式一般包括两个液晶元件，它们独立地或整体地成形，装定成一个在另一个的顶部上。下面以简单的局部横剖图表明的图1、2与3来描述形成所述扫描器时可以采用的液晶元件的具体结构，这三个图中分别示明了透射式液晶元件10、反射式液晶元件10′以及具有集成驱动电路的液晶元件10″。
具体参看图1，它以简化和放大的局部剖面图示明用于透射方式扫描(即将讨论)中的完全由光学透明材料组成的透射式液晶元件10。光学透明材料的应用可使透射式液晶元件10定位到显示系统内，允许由发光显示器件发出的光直接通过元件10。透射式液晶元件10一般制成叠层形式，包括由任何方便的光学透明材料例如玻璃形成的基片12。邻接基片12的边缘形成有一批控制终端(未示明)，它们同多层导电材料(即将讨论)形成的一批控制电路电连。第一图案化的导电材料层14是由光学透明材料例如氧化铟锡(ITO)制成，可使照射于其上的光通过同时确定出一种光学透明的电接点。第一分子取向或定向层16位于透明导电材料层14的上表面上。此定向层16用来使组成液晶材料(即将讨论)的分子合适地定位与定向，以便当没有任何外部激励例如电压作用到液晶元件10之上时，各液晶元件10中的分子取特定方向。更确切地说，定向层16与液晶元件10的第二定向层(即将讨论)相结合时，有助于使本发明的扫描器中的两个液晶元件10中的各个元件的分子定向成相互正交(即将讨论)。
可以用任何传统的方式例如用粘合剂、化学结合、生长与腐蚀层等将大致为管状的玻璃隔件固定地接附到定向层16的上表面。自然应知这种玻璃隔件18可以用种种其它实施形式形成，而这里的结构只是用于进行说明的目的。管状玻璃隔件18中界定出一个内部通孔19，其大小足以包围由透明电极图案(即将讨论)形成的子元件或像素的阵列。管状玻璃隔件18中通孔19所限定出的空腔具有内部相对的平直表面，它们与定向层16的上表面相结合，在此空腔内填充向列型液晶材料20的连续层。可以用于上述目的的液晶材料的典型例子已公开于1987年9月22日公布的名为“液晶化合物与包含这类化合物的组成”的美国专利4695650号中。
玻璃板22具有第二层导电材料层24以确定第二电接点。导电材料层14与24在一起界定液晶元件10的一批子元件(即将讨论)。自然应知也可将导电材料层14形成为基本均匀的涂层，而将导电层24图案化来界定这批子元件。需知导电材料层24也可在图案化导电材料层14之外再图案化，并在这样的情形下构型成与导电材料层14正交而确定出各个液晶像素。层24形成在玻璃板22的下表面上而确定第二电接点，后者与透明的导电材料层14一起可被激励来改变本发明液晶元件10中液晶材料20的分子定向。在这一最佳的透射式实施形式中，上述第二接点是由光学透明的材料例如氧化铟锡或类似材料形成。
导电材料层14和24是由导线连接到与管状玻璃隔件18的外边缘相邻的结合片(未示明)上。然后将此结合片用任何方便的装置例如引线结合器，即在管状玻璃隔件18边缘中的一种馈通连接器(未示明)电连到基片12上的结合片上。这种结合片适合于在其上施加一公用电势例如接地或某种固定电压，后者同施加到前述两种接点的各种电势协同起作用以激励并用来给各液晶像素施加电压。在导电材料层24的下表面上设有第二定向层26。液晶材料20装盛在由定向层16上表面、管状玻璃隔件18的内孔19和定向层26的下表面所限定的空腔内。内行的人可知，定向层16和26可以形成独立的或分离开的层，在组装时它们只是定位于管状玻璃隔件18的相对侧并夹在其余各层之间。
由一批驱动和控制电路(未示明)来完成透射式液晶元件10，元件10包括一个液晶子元件阵列，由导电材料层14和24限定，这些子元件都可通过一批连接片(未示明)个别地寻址。上述驱动与控制电路有数据输入端和控制信号输出端，它们通过一批连接片或结合片连接液晶扫描器子元件阵列，用来激励和控制各液晶扫描器子元件并对它们施加电势或电压。或者，当各液晶扫描器像素通过使两个导电材料层14和24图案化而确定时，液晶元件10的电接点则按行与列形成，而寻址与开关电路(未示明)则包括与这些接点耦连的行与列的母线以及电子开关，使得可以个别地访问各接点、像素。此行与列的母线电连到相邻于玻璃板22边缘而形成的那批连接片上，用来同各个像素作外部通连(寻址与控制)。为了激励液晶材料20的特定部分中的分子结构去重新定向，必须对此种特定的像素或子元件在上、下接点间施加电势或电压。在不加电势时，液晶材料20通常是在中性状态下，分子则沿非寻常光轴(Ne)定向，换言之，非寻常光轴乃是光通过时出现非寻常折射率且任何通过它的光会从空间上经受不同的调相的轴线。虽然此实施例是用行与列的驱动器件进行说明，但应知也可把薄膜晶体管(未示明)设于各液晶扫描器像素或子元件之后用于激励驱动器件。薄膜晶体管驱动器件可以用于透射式晶体元件10(已如上述)，也可用于反射式液晶扫描器(即将描述)中。除此应知本发明的向列型液晶元件10可以形成为非像素式的，含有一个像素、一批像素的，或分成子元件的。
现参看图2，其中示明了本发明的反射式液晶元件10′的类似的局部横剖图。应该注意到，所有与图1中所示部件相似的部件都标有类似的标号，但在左上方加有撇“′”以表明应用了不同的实施例或不同的扫描方法。反射式液晶元件10′与前述透射式液晶元件10类似，不同处只是存在某些显示反射性质的器件作为元件10′。图2中示明的反射式液晶元件10′包括光学透明基片12′、光学透明导电材料层14′与24′、分子定向层16′与26′、玻璃隔件18′、液晶材料20′与玻璃板22′。液晶元件10′一般以叠层方式制作，与图1的透射式液晶元件10类似。与透射式液晶元件10相同，给元件10′施加电压来激励液晶材料20′，这样便可根据所加的电压对通过的光进行调相。
在这一实施形式中，设有如图2所示的两个光学透明的导电材料层14′与24′，而在液晶的叠层中则设有独立的反射层28，使通过液晶材料20′的光经过此材料反射回并在单一液晶元件10′中经受两次调相。反射层28是由任何方便的反射材料例如铝或类似材料形成。在另一实施形式中，导电材料层中之一例如层24′由反射材料例如铝形成，这一电接点本身用来反射照射到它上面的光而不需另设独立的反射层。在这一实施例中，反射的导电材料可以采用铝或任何可以方便地形成图案或定位于玻璃板22′表面上的反射金属，它们将反射投射于其上的光，使光反射回通过液晶材料20′，在单一元件10′中经受第二次调相。
图3所示是具有集成驱动电路的反射式液晶元件10″的另一种实施形式的简化局部横剖图。应该注意到，所有的与图1和2所示部件类似的部件采用相同的标号，但在标号的右上角加双撇“″”以表明不同的实施形式。液晶元件10″实质上是依据上面公开的有关反射式液晶元件10′的实施形式形成的，其中用反射元件或反射层来取代或结合导电材料层以确定子元件或液晶像素。在液晶扫描器10″中通过在其中已形成有驱动电路的硅片30的上表面上直接形成一批金属垫29，可使此驱动电路与扫描器一体化。在金属垫29和硅片30的上表面上设置分子定向层16″。准直层16″的上表面上设有管状玻璃隔件18″，其中界定内部孔口19″或空腔。孔口19″内设有液晶材料20″，它由分子定向层16″、玻璃隔件18″和第二定向层26″包围。在这一特定实施形式中，光通过玻璃板22″进到液晶元件10″内，这同前述液晶元件10和10′相反，它们被制造成使像源发出的光通过基片12′进入元件10或10′的。
虽然在所公开的有关反射式和透射式液晶元件制造的不同实施例中采用了两个分开的定向层，但应认识到，根据本发明是可以允许另一种只采用单一定向层的制造方法。在定向层26″的上表面上设有导电材料例如氧化铟锡(ITO)的透明层24″，用作由金属片29所确定的各个子元件或像素的第二电连接件。在导电材料层24″的上表面上设有玻璃板22″。工作时，加电压激励各金属片上面的区域，根据所加的电压使分子结构重新取向并改变所通过的光的相位。金属片29是由铝或某种方便的导电反射材料制成，由此使光反射回通过液晶材料20″以促使光在元件10″内经受第二次调相。
图4至6以简化的立体图分别表明未加电压、加有电压、加有不等电压时液晶元件40的分子定向。参看图4，其中所示的液晶元件40主要包括两层导电材料层42和43、两层分子定向层44和45及位于其中的由许多分子组成的向列型液晶材料46。液晶元件40的制法大致与相对图1至3所述的相同。
图中所示的液晶元件40在例如由示向箭头50指明的非寻常光轴Ne的方向内排设着分子48的长轴。图4表明在没有外部激励或电压V加到液晶元件上时分子48的定位。图5所示的液晶40加有恒定的电压V。在存在电压V时，液晶材料46的分子48倾斜一定角度，据此来调制通过的光的相位。在图6所示的液晶元件40中，对于由导电材料层42和43所确定的第一子元件52来加有电压V，这样，液晶材料46的分子48则沿非寻常光轴Ne的方向排列。对于由带图案的导电材料层42和43所限定的第二子元件53则加有第一电压V1，由此使液晶材料46的分子结构重新组织，使分子48倾斜某个角度。对图案化的导电材料层42和43所界定的第三子元件54施加大于第一电压V1的第二电压V2，这样就改变了子元件54内的液晶材料46的分子取向，使分子48倾斜角度大于子元件53内分子所倾斜角度。由此可知，可以对单一的液晶元件施加不等的电压来实现分子不等的定向以进行不同的调相。
如前所述，本发明的液晶扫描器是由第一液晶元件和至少一个另设的液晶元件组成，它们布置成使得各元件的非寻常光轴Ne正交或垂直于与其邻接的元件的非寻常光轴Ne。简言之，这些元件根据它们的非寻常光轴的排列或正交关系。现在参看图7，它以简化的部件分解立体图示明了本发明的液晶扫描器60。液晶扫描器60包括第一液晶元件62和第二液晶元件64。如图中方向箭头66和67例示，第一液晶元件62有许多限定在液晶材料70内的分子68，它们基本上是与其如方向箭头66所示的落入方向箭头图69所示x子平面内的非寻常光轴Ne一致，同时具有如方向箭头图69所示的落入y子平面内的寻常光轴No。第二液晶元件64如图示见有许多限定于液晶元件64的液晶材料74内的分子72，基本上与其如方向箭头图67所示的落入y子平面内的非寻常光轴Ne一致，同时具有如方向箭头图69所示落入x子平面内以方向图67所示的寻常光轴No。这样，如图所示，元件62和64具有成正交关系的非寻常光轴Ne，而它们根据施加到元件62和64上的各子元件上的电压而变化。这两个非寻常光轴Ne的正交定向允许所通的光作有实质意义的调相而与其偏振无关，这样就能使由向列型液晶扫描器调控方向的光的总输出提高到约100％。应知有小百分比的极少一部分光或能量有可能通过反射、衍射或散射而损失。
在以部件分解图所示的图7中的扫描器60中，液晶元件62和64是独立制作并可利用任何光学透明折射率匹配粘接料，例如光学透明的环氧树脂等，而将一个安装于另一个之上的。取决于扫描器60的应用需要，它可以制作成按透射或按反射方式工作。当依透射方式工作时，扫描器60是用两个透射式液晶元件62和64制成，每个都与前述的液晶元件10相似。这样，由发光显示器件所发出的光通过扫描器60而经受两次调相。
在另一种实施形式中，当需将液晶扫描器60·用于反射方式下工作时，即可把液晶元件60或64中之一，根据光入射到扫描器60内的方向制作成大致类似于前面结合图2和3所述液晶元件10′或10″的反射方式。在将扫描器60制成以反射方式工作时，所通过的上述反射出的光经受四次调相，这是因为光一旦通过扫描器60，在出射时又反射回通过扫描器60。
在图8所示的另一实施例中，制成的液晶扫描器60′具有共用一中间基底层或部件75的第一与第二液晶元件62′与64′。液晶扫描器60′制成类似于液晶扫描器60，大致由包括一批液晶材料70′的分子68′的液晶元件62和包括一批液晶材料74′的分子72′的液晶元件64′制成，例外的是在此实施例中设有中间基片层75，在它的两个相对面上叠置有或以图案构成为各元件62′和64′的导电材料层。因此，元件62′和64′是整体成形的，它们的非寻常光轴Ne取相互正交方向，如箭头图66′和67′所示。
在本发明的液晶扫描器60工作时，将一例如由外电源提供的电压加到元件62和64上，而使扫描器60的元件62和64中所含液晶的分子重新定向。特别是对由各元件62和64的图案化的导电材料所界定出的各个子元件加上不同电压。当元件62和64如图8所示形式制造时，可以借助公用的中间基片75而利用公用的接地电压。所加的电压对两个元件62和64来说可以沿同一方向。此种电压可以沿x轴变化以用于一维光束控制，同时沿y轴则为均匀的。施加这样的电压可改变各元件62和64的有效非寻常折射率Ne。由所加压引起的相移依公式〔Ne(V)-Ne(O)〕·k·l给定，式中k＝2π/λ，λ＝波长，而l＝液晶元件厚度。
为了实现一维光束控制，将两个与元件62和64大致类似的液晶元件一个叠置于另一个之上，同时利用一维或二维的发光器件为像源。通过扫描器60的光在所加电压调控下于x方向经受相变，在空间上被调制而使最终的集成图像提高其显示清晰度。这一最终的集成图像可由观察者作为二维图像观看。
为了完成二维光束控制，在此公开了本发明的液晶扫描器的另一实施形式(未示出)。具体地说，所公开的这一实施形式包括两对液晶元件，每对都同本发明的扫描器60大致类似，更具体地说，这四个液晶元件定向和叠置成使得它们的非寻常光轴Ne相互正交。能够发出通过四个已定向好的液晶元件的光的像源则沿扫描器的光轴定位。工作时，对这两对液晶元件中之一的子元件或像素沿x方向而对另一对液晶元件的子元件或像素沿y方向施加不同电压。因此，进入扫描器的光在x与y两个方向经受相变，能够在空间上调制而提高最终集成图像的显示清晰度。此最终的集成图像可作为二维图像为观察者观看。
应该认识到，施加到构成要发明的扫描器的各液晶元件中各个子元件上的电压必须在相同的x或x-y位置上大小相等，以消除任何偏振效应。此外应知，在此所公开的内容并不限于扫描器件，而能应用于可编程的聚集/散焦透镜。扫描器件的材料也不限于采用在此最佳实施形式中所公开的向列型液晶，根据所公开的内容，可以期望采用其它类型的液晶材料以及利用其它调相材料的扫描器。应知这里所述的光束控制原理是可以用在依赖于双折射效应控制的各种光束控制器中，例如PLZT控制器或类似装置等。
于是，提供了由多个液晶元件和驱动/控制电路构成的新型改进了的向列型液晶相空间光调制器。本发明的这种液晶扫描器用来装入显示系统中，更确切地说用来装入光电系统中，此种系统另外还包括有用作像源的发光显示器件、驱动/控制电路以及光学元件(即将讨论)。此显示系统包括不同另外的光学部件，同时能方便地将电连接件与这些部件集成为整体，并对此提供外部连接件。光源、偏振器、漫射器以及光学器件方便地集合成一个易于统一装入便携式电子设备内的系统。本发明还公开了下述结果，即易将另外的光学元件例如偏振片或偏振层、折射元件、衍射元件等设于显示系统之外。
应该认识到，由所述像源或发光显示器件、相空间光调制器、驱动/控制电路与种种光学元件构成的显示系统所产生的最终集成图像小到难以用眼睛恰当地察觉出(完全看清)，为了能够舒适和完整地观察，一般需要至少放大10倍。因此，本发明的显示系统通常是在一机壳内形成，此机壳确定一光学放大器，其中整体地形成一光学放大系统。此光学放大器通常是由构成上述机壳的许多侧边构成。内中可安装本发明的液晶扫描器60且具有光学放大系统的光学放大器的几个例子示明于图9至14中并说明于下。
参看图9，它以简化的示意形式示明一微型图像显示器80。微型图像显示器80由机壳82定界同时包括有用来提供图像的图像发生设备81。由光学元件84表示的光学系统相对于微型图像显示器80分隔设置。与前述液晶扫描器60大体上类似的透射式相空间光调制器85定位成允许图像发生设备81发射的光通过其中，而产生可为与一观察孔88相分开的人眼87观看的图像。
工作中，图像发生设备81产生的光通过光学元件84与扫描器85。给扫描器85施加不等的外部电压，这样就形成了由图像发生设备81的一批发光器件所发出的光的扫描效应。观察者的眼87通过观察孔88可观看的最终集成图像看起来具有更多的像素和宽高比，即使此图像发生设备81的像素数目不改变也如此。
由与图像发生设备81分开安装的一批光学元件示意性表明的光学元件84从图像发生设备81接收图像并把它依预定倍数进一步放大。自然应知可以由任意个数或任意类型的光学元件来提供放大和/或校准，并在需要时可以调焦和进一步放大。应知可在微型图像显示器80之外设置另外的光学元件来进一步使图像放大和/或校准。
所谓眼睛间距指的是眼87可以与观察孔相分开的一段而仍能恰当地观察图像的距离，这一距离由图9中的d表示。由于透镜系统83的尺寸，眼睛间距或距离d足以提供舒适的观察，而在本实施形式中它们更足以让观察者在需要时戴上正常的眼镜进行观察。
现来参看分别以前视图、侧面立视图与顶视平面图示明了本发明的另一种微型图像显示器100的图10、图11与图12。图10、11与12以接近实际的尺寸示明了微型图像显示器100，用以说明由本发明能使尺寸减小的程度。微型图像显示器100包括反射式液晶相空间光调制射器102，它在以后称为液晶扫描器102(一般与前述液晶扫描器60类似)；图像发生设备104；若干驱动/控制电路105；以及包括光学放大系统106在内的一批光学元件。图像发生设备104以标准的印刷电路板安装于电界面上。反射式液晶相空间光调制器102安装到光学放大系统106上，使得由图像发生设备104发出的光能通过液晶扫描器102，并在由光学放大系统106所形成的折叠式光学放大器射出时能反射回并通过液晶扫描器102。
具体参看图13，为清楚起见，其中示明了图9中微型图像显示器100的放大4倍的侧面立视图。从此图可以看到，反射式液晶扫描器102是安装在一光学棱镜112上，以使扫描器102发生的图像能通过一折射面113。然后此图像被导引到具有折射进口面115和折射出口面116的光学透镜上。此图像从光学透镜114再导引到具有进口折射面119和出口折射面120的光学透镜118。此外，在此实施形式中，在上述两面之一例如进口折射面115上还设有至少一个衍射光学元件用来校正色差和其它像差。操作人员观察光学透镜118的出口折射面120时，可以看到似乎在微型图像显示器100后方的一种大型的易于辨清的图像。
图14以放大4倍的侧面立视图示明图10中微型图像显示器的另一种实施形式，在此以100′标明，其中，应用了本发明的透射式液晶相空间光调制器。应注意，所有与图13所示部件相似的部件均标以相同的数号，但在数号右上角加“′”以示实施形式不同或采用了不同的扫描技术。从图14可以看到，透射式液晶扫描器102′(大致与上述透射式液晶扫描器60类似)直接固定于安装着图像发生设备104′的安装基片111′的上表面之上。安装的光学棱镜112′将透射式液晶扫描器102′产生的图像反射通过折射面113′。然后此图像被导引入具有进口折射面115′和出口折射面116′的光学透镜114′上。此图像再从光学透镜114′导引到具有进口折射面119′和出口折射面120′的光学透镜118′。同样，在此实施形式中于上述两表面之一例如表面113′和/或进口折射面115′之上设有至少一个衍射光学元件，用来校准色差和其它像差。操作人员观察光学透镜118′的出口折射面120′时，可以看到似乎在微型图像显示器100′后方的一种大型的易于辨清的图像。
根据以上公开内容可以预料，图9至14所揭示的这批光学元件包括以叠置关系安装到图像发生设备中的，具体说来是位于光学放大器内面上的反射元件、折射元件、衍射元件、偏振器、漫射器或全息透镜。在此还公开了可将包括反射元件、折射元件、衍射元件或漫射器在内的一批光学元件以叠置关系安装到光学放大器的表面上，使光或最终集成图像经其输出，具体说来是位于光输出表面的外面之上，以对于形成此最终集成图像的光形成一像平面。
本发明的液晶相空间光调制器60设计用来安装到许多不同的图像显示系统中，其中某些已于前面叙及到。这几种图像显示系统最终拟用于各种电子设备中，包括便携式通信设备，例如蜂窝和携带式电话以及智能式卡片阅读器或类似装置。
这样就公开了一种较易使用和能廉价生产的新颖和改进了的液晶相空间的光调制器，由至少两个用来对发光显示器件发出的光进行空间调相的液晶元件组成。本发明的液晶相空间光调制器计划用于微型显示系统中。这种显示系统的部件牢靠地安装有像源、各种光学元件以及液晶相空间光调制器扫描器件，同时能方便地将电连接件与上述部件集成到一起并对此提供与其连接的外部连接件。在此，光源、偏振器、漫射器以及需要时其它的光学器件都能简便地集成到小型的易于总装到一机壳内的显示系统中，形成光学放大器，用于便携式电子设备中。还公开了可将另外的光学元件例如偏振片或偏振层、折射件、衍射件等容易地设置于机壳之外。通过把由所述液晶相空间光调制器扫描的发光器件用作具有低充填系数的光源来产生最终的集成图像，就能具有如下的特征高的清晰度、系统的尺寸可以进一步减小、同时可使所需功率最少。
上面虽然申请人业已用图示出并且说明了本发明的具体实施形式，但内行的人是可以给出其它的变更与改进的。为此应知本发明并不局限于所示的具体形式，而需认为后附的权利要求书概括了不脱离本发明实质与范围的所有变更。
权利要求
1.一种相空间光调制器，特征在于具有第一元件，包括调相材料和与其连接的驱动/控制电路；至少一个包括调相材料的另设元件，它与第一元件定位或能使光通过其中，同时有与之连接的驱动/控制电路；以及用来给此第一元件和至少一个另设元件施加电压的装置，由所加电压来改变此第一元件和至少一个另设元件中所含调相材料的结构。
2.如权利要求1所述相空间光调制器，特征在于由第一元件限定的非寻常光轴和由至少一个另设元件限定的非寻常光轴定位成使得由第一元件限定的非寻常光轴和由至少一个另设元件限定的非寻常光轴定向为相互正交。
3.如权利要求2所述相空间光调制器，特征在于所述调相材料包括液晶材料。
4.如权利要求3所述相空间光调制器，特征在于所述液晶材料是向列型液晶材料。
5.如权利要求4所述相空间光调制器，特征在于所述用来给第一元件和至少一个另设元件施加电压的装置包括与此第一元件和至少一个另设元件相面接的外部电源。
6.一种相空间光调制器，特征在于具有第一液晶元件，此元件制造成能使一批分子定向成与它们落入x子平面和y子平面之一内的非寻常光轴一致；至少一个另设液晶元件，此元件制造成能使一批分子定向成与它们落入y子平面和x子平面之一内的非寻常光轴一致，而得以与第一液晶元件的非寻常光轴正交；以及一批驱动/控制电路，它能对此第一液晶元件施加至少一个电压并能对至少一个另设液晶元件施加至少一个电压，由此使此第一与至少一个另设元件中所含这批液晶材料分子重新定向。
7.如权利要求6所述相空间光调制器，特征在于所述液晶材料为向列型液晶材料。
8.如权利要求6所述的相空间光调制器，特征在于所述第一液晶元件和至少一个另设液晶元件经制造成共用一中间的基片层。
9.如权利要求6所述的相空间光调制器，特征在于所述第一液晶元件和至少一个另设液晶元件是独立制成的，然后利用折射率匹配粘合材料定向并定位。
10.如权利要求6所述的相空间光调制器，其中的第一液晶元件的特征在于包括多层导电材料，每一层被图案化以形成许多确定于所述液晶材料中的像素。
全文摘要
由第一液晶元件与一或多个另设液晶元件构成的相空间光调制器。各液晶元件定位成使其非寻常光轴Ne与邻接的液晶元件正交，而这组元件则沿像源发出的光的光轴定位。上述调制器或扫描器能控制基本上100％的所通过的非偏振光。该调制器拟用于另包括像源、驱动/控制电路与光学放大系统的显示系统中。工作时施加外部激励例如外电源提供的电压，以对所发射光作空间调相。扫描的作用提高了所得图像的显示清晰度而不需增加像源中的像素。
文档编号G09G3/36GK1166613SQ9711157
公开日1997年12月3日 申请日期1997年5月16日 优先权日1996年5月17日
发明者迪亚纳·陈, 弗雷德·V·理查德, 非尔·莱特 申请人:摩托罗拉公司