可切换透镜显示装置的制作方法

专利名称：可切换透镜显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据附加的权利要求1的前序部分的显示装置。
当开发新型电子装置时，显示技术是关键因素之一，如今在很多情况下，将电子装置设计成便携式的，并且典型以声音和数据的无线连接为特点。将来，显示器需要逐渐地能够在黑白和彩色模式中再现高质量的静态和动态图像。
为了使显示质量更接近于纸张印刷物，特别地必须进一步改进显示器的亮度和对比度连同颜色饱和度。为了能够观看动态视频图像，显示器的速度也必须在不牺牲能耗的条件下得到提高。要使显示器批量生产可行，制造技术应该足够简单以便实现低价位。为了适合小型装置，显示器的尺寸和重量都应该很小。
另一方面，显示技术最好还应该能用于构造较大面积的显示器，这种显示器可以作为例如体育比赛地点的室外显示板、展览大厅的室内显示板或类似显示板。
适用于小型便携式装置中或作为大型显示板的显示器的现有技术解决方案包括例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、场致发射显示器(FED)、等离子显示板(PDP)和基于微反射镜或其它微机电系统(MEMS)的投影显示器。
传统CRT主要用在非便携式装置中，在这些装置中，显示器能耗和相当大的体积结构并不作为限制因素。除了将几个单个的CRT单元组合在一起之外，CRT不适用于构造大面积显示器。
基于LCD技术的平板显示器主要用于许多需要低能耗和小尺寸的应用中。LCD以某些有机分子、液晶的使用为基础，这些有机分子、液晶可以通过电场重新取向，从而使得通过包含液晶材料的层的光传输发生变化。LCD的主要缺点是它们的亮度，色再现和速度有限。
FED与传统CRT具有很多相似点。在FED中，在真空中将电子朝着将被激活并发光的磷光体加速。不同的磷光体材料可以用来分别产生基本的红、绿和蓝(RGB)颜色。与CRTs相比主要的不同在于电子是通过场致发射而不是热发射产生的，所以FED消耗的能量比CRT少并且在观看之前不需要大量的预热时间。代替一根单独的电子枪，每个象素包括数千个亚微米的尖端(tip)，电子从该亚微米尖端发射。FED的主要缺点是获得足够低的使FED能够用于便携式装置中的操作电压的问题。由于制造工序复杂，FED还是很昂贵的显示器，因此它们的使用只限于特定的应用。
等离子显示板(PDP)实质上可表征为以复杂方式控制的微荧光管的矩阵。在PDP的象素中，等离子放电首先由电场引起。放电产生了包含有离子和电子的等离子，该离子和电子从存在的电场中获得动能。这些粒子高速与氖和氙原子发生碰撞，从而使氖和氙原子进入较高激发状态并且在退激发至较低状态的基础上发射紫外辐射。该辐射又激发了磷光体材料，该磷光体材料发光。不同的磷光体材料可用来分别产生红、绿和蓝(RGB)颜色。PDP的主要缺点是高能耗和制造用于小型便携式装置中的足够薄并具有足够小象素的显示器的局限性。尽管在制造技术上没有例如就FED来说那么严格的要求，PDP的价格目前还是相对比较高。
基于MEMS的投影显示器使用静电驱动的微小结构(例如，微反射镜)以影响光路。硅表面显微机械加工是最新的并迅速发展的用于制造光学MEMS装置的技术，但是它仍旧是相当苛刻的制造技术，因而MEMS装置也非常昂贵。
本发明的主要目的是制作一种新型的显示装置，它提供了明显优于上述已有显示装置的优点。本发明的显示装置的主要优点是高光效率(light efficiency)和高对比度。这些非常令人满意的属性可以通过简单的结构实现，这使得使用足够简单的制造技术从而实现低价位成为可能。本发明可用于大面积显示装置，但也适用于小尺寸显示器，例如，适用于例如移动电话的便携装置，其中的显示器在尺寸和重量上都应该很小。
为了获得上述属性和目的，本发明的显示装置的主要特征将下面得到体现。
本发明的基本要点如下透明基片设置成包含可电切换(electricallyswitchable)并可单独寻址的透镜阵列。当所述透镜打开时，它们将通过透明基片从背面射入的光聚焦进入设置在该基片前面的针孔掩膜的针孔中。因此多数入射光将被会聚到针孔中并穿过针孔掩膜。当透镜关闭时，光将基本不受干扰地(即，不改变发散度地)通过基片而可切换透镜并落到针孔掩膜上。在这种情况下，大部分光将被阻挡，而只有一小部分光通过针孔掩膜。从光射出所述掩膜的一侧观察针孔掩膜，根据单个透镜的切换状态，观察者将看到亮或暗的象素区域。
使用本发明能获得高光效率，因为如果是这样作的话，在开和关状态之间切换象素并不需要光转化或偏振过滤。
通过利用电调整相应透镜以产生不同的焦距(发散度)来调整入射到针孔的光的焦斑(focus spot)尺寸，从而象素的亮度可以在暗(象素关)和亮(象素完全打开)状态之间变化。另一种可以影响象素亮度的因素是调整相应透镜的开-关占空比(duty cycle)。
本发明的优选实施例和它们的优点将通过如下的说明和示例以及附加的权利要求，使得对于本领域技术人员来说更加显而易见。
下面，本发明将结合附图进行更加详细地说明，其中

图1a，1b示意性的说明了开和关状态下的本发明的第一实施例，图2a，2b示意性的说明了开和关状态下的本发明的第二实施例，以及图3a，3b示意性的说明了开和关状态下的本发明第三实施例。
可以理解下面给出的附图只是用于说明的目的，因此并不用于例如表示装置的各种具有恰当的相对比例和/或外形形式的结构和组件。为清楚起见，对解释本发明的精神所不必要的组件和细节已经在附图中省略了。
图1a和1b示意性的说明了根据本发明的透射式显示器10。
透明基片S具有可电切换透镜L的阵列，这些透镜可分别单独寻址，以便电改变它们的折射或衍射光焦度(optical power)从而改变从透镜L穿过的光的发散度。为了产生可视图像，透射式显示器10需要在基片S后面设置适当的光源LS(即，背光)。所述背光可以是任何适当的光源(自然光源或人造光源)，最好是通过准直光或近似准直光向基片S提供基本均匀照射的光源。
当透镜L打开时(图1a)，它们将通过基片S从背面射入的光聚焦到针孔掩膜M的针孔H中。因此，大部分入射光将通过针孔掩膜M并且当从附图的右侧观察时，针孔H可以看成亮象素。
当透镜L关闭时(图1b)，光将基本不受干扰地(发散度没有明显改变地)通过基片S连同可切换透镜L，并落在针孔掩膜M上。在这种情况下，大部分光将被阻挡并且只有一小部分光通过针孔掩膜M。因此，针孔H可以看成暗象素。
从光射出所述掩膜的一侧观看针孔掩膜M，根据单个透镜L的切换状态，观察者将看到亮或暗的象素区域。
单个透镜L的目的是提供将光会聚/聚焦到明显小于透镜L的孔本身的区域内的电控手段。因此，很多类型的可电切换透镜L可用于本目的。
例如，透镜L可以基于可切换全息图(例如，可从美国加利福尼亚DigiLens公司购得的可切换全息图)。还可以使用本申请人的早期芬兰专利申请FI20000917中描述的并基于使用电变形黏弹性的凝胶体(聚合体)的可切换菲涅尔带透镜。。在不脱离本发明范围的情况下，可以使用任何已知的并基于折射或衍射的其他的电控变焦透镜或相应的可切换光学器件。
原则上，本发明适用于构造具有各种显示区域的显示器，用于小型便携式装置的小型显示器，或者是用于电视机或公共显示板的大型显示器。可切换透镜L的孔径(横截面直径)可以根据应用变化。如果是非常小直径的透镜L，就可能产生一个下限，处于该下限时，透镜的数值孔径(NA)变得太小而且光会聚系数(即，开和关状态之间的差异)太小以致不能提供充足的对比度。
本显示器的性能，特别是对比度，主要取决于所使用的透镜L的数值孔径(NA)NA越高光在焦点处聚焦得越好。焦点越紧密意味着可以使用更小的针孔而不损失打开状态下的光。较小的针孔减小了关闭状态下的背景。因此，数值孔径越高导致了对比度越好。
下面的示例给出了本发明显示装置的潜在性能的概念。
考虑具有直径d＝1mm、焦距f＝5mm、所导致的数值孔径N.A.＝0.1的衍射微透镜L。衍射率为60％的透镜L将入射光的60％聚集在衍射限焦斑内。
只透射经过尺寸为衍射限焦斑大小的针孔H的光的透射式显示器10的理论对比度可通过以下方法计算。
横截面透镜面积A通过公式(1)给出A=2π(d2)2=0.785mm2----(1)]]>当波长λ＝500nm时，衍射限焦斑的面积由公式(2)给出
a=2π(0.61λNA)2=2π(0.61*0.50.1)2=58μm2----(2)]]>因此前述焦斑面积和透镜面积的比值是aA=58785000=113500----(3)]]>如果为透镜L假设一个非常合理的60％的衍射率，则象素的关(暗)和开(亮)状态之间的对比度将大于1∶8000。
上面给出的粗略的计算假设了使用相干和准直的照射并且没有考虑任何杂散光或相邻象素之间的串扰。不过它表示了本发明可以很容易地获得非常高的对比度。
显示器的响应时间取决于电控透镜L的切换速度和它们的驱动方案。一般来说，如果本发明的显示器设计成使用基于LCD的可切换透镜，这自然导致切换速度接近于普通LCD的性能。例如，在前述早期的申请FI20000917中由申请人所描述的可切换聚合体透镜可保证更快的运行速度。
本发明的重要优点是显示装置可以设计成在没有偏振光的情况下进行工作。当然，这取决于所使用的可切换透镜L的类型。不需要偏振光可以获得高光效率和高亮度。
在本发明的精神和范围中除了透射式显示器10，还可以构造其他类型的显示器。例如，本发明可以用于构造反射式显示器或基于荧光的显示器。
图2a和2b示意性的描述了本发明的反射式显示器20。朝向透镜L的针孔掩膜M的表面设置成至少部分吸光。针孔H装配有反光镜R。当通过透镜L的光入射到针孔掩膜M和针孔/镜R并使光被聚焦在镜子R上(图2a)时，大部分光通过透镜L朝向现处在本装置左侧的观察者反射回来。当透镜L没有激活时(图2b)，大部分光由针孔掩膜M吸收。反射式显示器20可以在不需要显示装置自身设置任何光源的情况下在周围环境的自然光或人工光下工作。
图3a和3b还示意性的描述了本发明另一个可能的实施例。在基于荧光的显示装置30中，通过针孔掩膜M中的针孔H的传输的照射用于激发磷光体材料P。不同的磷光体材料P可以用来产生不同的颜色，例如RGB型原色。例如，图3a和3b中的磷光材料P可以设置成C1＝(红色)、C2＝G(绿色)和C3＝B(蓝色)。
可以理解，说明书和权利所使用的用词“针孔”具有广泛的意义，并是指适用于限定通过针孔掩膜(M)的光的空间限制路径的任何孔或相应结构。
在磷光体材料P的激发是非线性的情况下(即，例如需要所谓的双光子激发)，由于荧光只在光强度足够高能引起荧光激发的光线的焦点处产生，因此可能根本不需要针孔H。
一般来说，本发明的显示器10，20，30的象素几何形状是任意的并且仅受透镜L的物理尺寸和操作所述透镜L的电子驱动电路的性能的限制。象素几何形状(即，显示器中的象素相互之间如何排列)不必是矩形。因此，象素可以按环形或任何其他的适当几何形状排列，以适应特定的应用。
透镜L的尺寸和外形可以变化并且这些参数只受所述透镜的操作原理限制。任何本领域中为人们所熟知的电控透镜类型都可以使用。唯一的共同方面是将光会聚到小于透镜L的横截面尺寸的区域内。。
本发明适用于制造黑白或彩色的显示器。例如，通过以图3a和3b所说明的方式产生原色，可以构造全色显示器。任何其他颜色可以通过以所要求的比率混合原色而从原色中产生。
单个象素的亮度可以通过调整透镜L以产生适当的聚焦度来控制。在最简单的实施例中，透镜L仅有两种不同的状态开和关。更大范围的灰度级(或原色级)可以通过使用透镜的有效焦距可以逐步或以连续的方式控制的电控透镜L来得到，。
调整象素亮度的优选方法是调整可切换透镜L的开-关占空比。当象素内的透镜L的电压或相应的电控制以足够高的频率(例如大于25HZ)激活/停用时，人的视觉不能区分最大亮度(象素开)和黑度(象素关)之间的闪烁，而是观察到具有某种中间亮度的象素。
尽管本发明已经通过特定类型的实施例进行了表示和说明，但是可以理解，这些实施例仅仅是示例，并且在本发明的精神和范围内，本领域技术人员可以利用除这里特别公开的技术以外的技术构造其它的显示装置。因此，可以理解，在不脱离本发明的精神情况下，本领域技术人员可对所示的显示装置的形式和细节以及其操作进行各种删除、替换以及改变。。
例如，特别强调的是所有那些以基本相同的方式实现基本相同的功能并达到相同的效果的组件的组合都在本发明的范围内。而且，可以认识到，所表示和/或描述的与本发明的任何已公开的形式或实施例相关的结构和/或组件可以作为设计选择的一般常识与任何其他已公开或描述或建议的形式或实施例相结合。因此，仅以附加的权利要求的范围所表明的方式来限制本发明。
权利要求
1.一种包括象素(P)阵列的显示装置，其特征在于，所述显示装置(10，20，30)至少包括基本透明的基片(S)层，针孔掩膜(M)，它具有针孔(H)或相应的限制孔的阵列并设置在所述基片(S)前面，每个针孔(H)对应单个象素，电控折射或衍射透镜(L)或相应的光学组件的阵列，它设置在所述基片(S)和所述针孔掩膜(M)之间，以便利用电控方式影响通过所述基片(S)和所述透镜(L)向所述针孔掩膜(M)传输的光的发散度。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述针孔掩膜(M)内的针孔(H)设置成透光，以便组成透射式显示装置(10)。
3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述针孔掩膜(M)内的针孔(H)设置成至少部分反光，并且所述针孔掩膜(M)设置成至少部分收光，以便组成反射式显示装置(20)。
4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述针孔掩膜(M)内的针孔(H)设置成确定朝向磷光体材料(P)的光路，以便组成荧光显示装置(30)。
5.如权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置(30)包括若干不同类型的磷光体材料(P)以便组成彩色显示装置。
6.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述电控透镜(L)是基于电变形黏弹性凝胶体的使用。
7.如前述权利要求1-5中任何一个权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述电控透镜(L)是基于液晶的可切换透镜。
8.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述电控透镜(L)是变焦透镜，每个变焦透镜都具有两个或更多的独立电选择焦距值。
9.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述电控透镜(L)设置成通过影响它们的开-关占空比来对其进行控制。
10.如前述权利要求中任何一个权利要求所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置(10，20，30)是用于无线移动基站或移动电话的平板显示装置。
全文摘要
本发明的显示装置(10，20，30)至少包括基本透明的基片(S)层；具有针孔(H)阵列并设置在所述基片(S)前面的针孔掩膜(M)，每个针孔(H)与单个象素相对应；以及设置在所述基片(S)和所述针孔掩膜(M)之间的电控折射或衍射透镜(L)或者相应光学组件的阵列，以便利用电控方式影响通过所述基片(S)向所述针孔掩膜(M)传播的光的发散度。本发明可以用来制造具有高对比度和高亮度的透射式、反射式或荧光显示装置。
文档编号G02F1/29GK1650221SQ02829480
公开日2005年8月3日 申请日期2002年8月21日 优先权日2002年8月21日
发明者M·施拉德尔 申请人:诺基亚有限公司