用于显示系统的屏幕配置的制作方法

本申请要求于2014年9月30号递交的美国临时申请第62/057,585号的权益，其内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本公开主要涉及一种显示系统，并尤其但不限于涉及一种显示系统中的前屏幕配置。

背景技术：

由于显示面板的制造成本随显示面积的增加而指数式增长，大显示器可能过分地昂贵。成本上的指数式增长是来自大单片显示器的增加的复杂度，与大显示器相关的良率下降(对于大显示器，更多的组件必须无缺陷)，以及运输、交付和安装成本的增加。将较小的显示面板拼接以形成较大的多面板显示器有助于降低与大单片显示器相关的许多成本。

可以通过投射子图像以形成统一图像生成大显示系统。然而，这些显示系统具有不同类型的挑战。包含投射图像的显示系统具有用于投射图像的屏幕。前屏幕的光学性质影响显示器的对比度和视角。在一些情况下，期望显示器甚至在多样的视角下具有非常高的对比度均匀的亮度。

附图说明

参考附图描述了本发明的非限制性的和非穷举式的实施例，其中通篇相似的附图标记指示相似的元件，除非另有限定。

图1A示出了根据本公开的实施例的包括设置于屏幕层和照明层之间的图像生成层的显示装置。

图1B是根据本公开一个实施例的图1A所示的的显示装置的一部分的配置的示意性侧视图。

图2示出了根据本公开的实施例的包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的屏幕层配置的示意性侧视图。

图3A-图3C示出了根据本公开的实施例的屏幕层配置的示例性实施例。

图4示出了根据本公开的实施例的屏幕层的示例性配置。

具体实施方式

本文描述了一种包括屏幕层的显示装置的实施例。在下面的说明书中，为了提供实施例的彻底理解，阐述了许多具体细节。然而，本领域的技术人员应当理解，可以在无一个或多个具体细节，或者在使用其它方法、元件、材料等的情况下实施本文描述的技术(方案)。在其他情况下，公知的结构、材料或者操作没有示出或者没有详细描述，以避免模糊某些方面。

本说明书中提及的“一个(one)实施例”或者“(an)实施例”表示与实施例相关的描述的特定的特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各种位置出现的短语“在一个(one)实施例中”或者“在(an)实施例中”不一定指示同一个实施例。此外，特定的特征、结构或者特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合。

图1A和1B示出了根据本公开的实施例的背面投射显示装置101的功能层。图1A是显示装置101的多层的透视图，图1B是图1A示出的显示装置的一部分的配置的示意性侧视图。图1A示出了显示装置101，其包括设置于屏幕层110和照明层130之间的图像生成层120。图1A示出了照明层130包括照明源131、132、133、134、135以及136的阵列。光源的阵列中的每个光源照射对应的像素阵列，以将由像素阵列生成的子图像投射到屏幕层110作为放大的子图像150。放大的子图像150组合以形成统一图像195。在图1A所示的实施例中，每个像素阵列是设置为行和列的透射式像素阵列(例如，100像素乘100像素)。在一个实施例中，每个像素阵列为1英寸乘1英寸。

图像生成层120的所示实施例包括由间隔区域128彼此分隔的透射式像素阵列121、122、123、124、125以及126。屏幕层110的所示的实施例划分为6个区域，用于显示总体统一图像195的子图像150。显示器101由多个像素体(pixlet)构成，每个像素体包括照明源(例如，134)、透射式像素阵列(例如，124)以及用于显示子图像150的屏幕区域，照明源、透射式像素阵列和屏幕区域在穿过显示器101的一个柱内对准。多个像素体被分开投射，使得它们一起在屏幕层110处形成拼接的、无缝的图像。

在所示的实施例中，每个照明源在对应的像素阵列下对准，以使用灯光照亮对应的像素阵列的背侧。例如，照明源131对应于像素阵列121，并且照明源134对应于像素阵列124。照明源131-136可以实现为独立的光源(例如，彩色或单色LED、量子点等)，独立的光源产生具有明确限定的角度范围或圆锥体的发散投射光束147，以完全照亮位于图像生成层120上方的它们所对应的透射式像素阵列。在一实施例中，投射光束147的角度范围为20度。投射光束147包括在行进穿过透射式像素阵列之后的图像光线，该图像光线包含子图像150，而该图像光线由驱动到透射式像素阵列上的子图像调制。每个光源对于其对应的像素阵列近似显现为一个点源。

照明层130和图像生成层120彼此间隔固定距离165(例如，8毫米)。此间隔可以使用透明媒介(例如，玻璃或塑料层)实现，并且还可以包括一层或多层的透镜层138(包括透镜、光圈、光束限定器等)，以控制或操纵从照明源发射的灯光的角度范围和截面形状。在一个实施例中，可以将照明控制器耦合到照明源131-136，以控制其照明强度。照明层130可以包含基板，基板之上设置照明源131-136。

透射式像素阵列121-126设置在图像生成层120上，并且各自包含透射式像素的阵列(例如，100像素乘100像素)。在一个实施例中，每个像素阵列为1平方英尺。在一个实施例中，透射式像素可以实现为背光液晶像素。每个透射式像素阵列为与邻近的透射式像素阵列在图像生成层120上由间隔区域128分隔的独立显示阵列。使邻近像素彼此间隔开的内部间隔距离162和164的宽度可以为周界间隔距离161和163的二倍，周界间隔距离161和163将给定的像素阵列与图像生成层120的外周界彼此间隔。在一个实施例中，内部间隔距离162和164的宽度为4毫米，而周界间隔距离161和163的宽度为2毫米。显然，可以实施其它尺寸。

如图所示，用间隔每个透射式像素阵列121-126的间隔距离162和164将透射式像素阵列121-126在图像生成层120上间隔为矩阵状。在一个实施例中，透射式像素阵列121-126各自表示显示像素分开且独立的阵列(例如，背光LCD像素)。间隔距离161-164显著大于给定的透射式像素阵列121-126的像素之间的像素间间隔。间隔区域128可以改善信号路由选择和/或为包含附加的电路(例如，显示控制器)预留空间。沿着外部周界设置的间隔区域128还为电源和/或通信端口提供空间。

尽管图1A将图像生成层120示出为包括六个透射式像素阵列121-126设置成两行三列，应当理解的是，在显示器101的各种实现方式可以包括组织为不同的行列组合的更多的或更少的透射式像素阵列。从而，在具有照明源131-136与透射式像素阵列121-126一比一的比例的实施例中，照明源的数目以及照明源在照明层130上的布局也可能改变。尽管为了清楚起见，图1A没有示出三个所示的层之间的中间层，应当理解的是，实施例可以包括多种中间光学或者结构子层，例如，透镜阵列、提供机械刚度和光学偏移的透明基板、保护层或者其它层。

透射式像素阵列121-126在显示控制器的控制下切换，以调制投射光束147，并将子图像150投射到屏幕层110上。子图像150全体地融合在一起，以从屏幕层110的观看侧向观众呈现实质上无缝的同一图像195。换句话说，随着由透射式像素阵列121-126生成的子图像通过投射在图像生成层120和屏幕层110之间的间隔166(例如，2毫米)上，子图像被放大。子图像150被放大足以延伸并覆盖间隔区域128，形成无缝统一图像195。放大倍数取决于间隔166以及由照明源131-136所发射的发散投射光束147的角度展开。在一个实施例中，子图像150的放大倍数约为1.5。统一图像195不仅覆盖内部间隔距离162和164，而且还覆盖周界间隔距离161和163。从而，显示器101可以设置在其他显示拼接体101的附近，并且通信地互联以形成更大的复合无缝显示器，此情况下由单个显示拼接体生成的统一图像195成为多拼接体的统一图像的子部分。

在拼接式背面投射架构中，例如如图1A和图1B所示的架构，入射到屏幕层110上的图像光线未准直。此发散光线可能导致屏幕层110上不同位置处的角度亮度差异。此差异在每个子图像150的周界周围可能最大。解决这种差异的现有技术已包括将菲涅尔(Fresnel)透镜设置于前屏幕的正后方，以在图像光线碰到前屏幕之前将其准直。然而，完全消除在菲涅尔(Fresnel)透镜之间缝隙处出现的可视伪影(artifact)。另外一种现有技术使用微透镜将图像光线聚焦在光线吸收屏幕层的小孔中。然而，在该方法中，小孔中填充有散射材料(主要是为了在法向于前屏幕的取向上散射图像光线)，散射材料反射大部分图像光线回向微透镜。图像光线反射回微透镜不仅效率低下，而且还可能为小孔之间的可能的光学串扰源，小孔起光线吸收屏幕层的像素的作用。对应地，图2-图4呈现了背面投射屏幕架构，其可以提供改善的光学效率以及图像光线在屏幕层110上角度分布的提升的均匀度。

图2示出了根据本公开的实施例的屏幕层配置210的示意性侧视图，屏幕层配置210包括前屏幕207、第一微透镜阵列220、第二微透镜阵列240。屏幕层配置210是屏幕层110的一个示例。如图所示，第一微透镜阵列220和第二微透镜阵列240之间可以设置封装材料作为中间层230。前屏幕207具有吸收环境光线(为不透明)的光学特性，其将提升显示器101的对比度。前屏幕207包括穿透其的小孔209的阵列。小孔的阵列穿透前屏幕207可以少于10％，从而前屏幕仍然能够吸收环境中的绝大部分环境光线。

第一微透镜阵列220光学地耦接为接收来自图像生成层120的像素阵列121-126的图像光线。第二微透镜阵列240设置于前屏幕207和第一微透镜阵列220之间。第二微透镜阵列240从第一微透镜阵列220偏移大约第一微透镜阵列220中的微透镜的焦距，但是偏移不小于第一微透镜阵列220中的微透镜的焦距。在一个实施例中，第二微透镜阵列240从第一微透镜阵列220偏移一偏移距离，偏移距离略大于第一微透镜阵列220中的微透镜的焦距(例如，在焦距的1.0倍到1.2倍之间)。光学实验表明，当第二微透镜阵列240从第一微透镜阵列220的偏移距离略大于第一微透镜阵列220中的微透镜的焦距时，实现了改善的角度光学校正。第二微透镜阵列240耦接为引导从第一微透镜阵列220接收的光线穿过小孔209的阵列。第二微透镜阵列240可以引导图像光线的主光线穿过小孔209，使得图像光线的主光线法向于前屏幕207的平面从小孔出射。具有引导图像光线的主光线穿过小孔209(而不是将图像光线聚焦在散射屏幕上)的第二微透镜阵列240可以实质上提升使用所公开光学配置的显示器的效率，因为在不必使用可能引入显著吸收和/或后向散射光线的散射材料的情况下实现了穿过每个小孔的光线的角度校正。

第一微透镜阵列220中的每个微透镜具有第二微透镜阵列240中的对应的微透镜，第二微透镜阵列240中的对应的微透镜与其第一微透镜阵列220中的对应的微透镜在轴向上对准。第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的照明的配置具有照明的数值孔径，其等于或小于配置的接收角度。换句话说，一旦来自图像生成层120的图像光线进入第一微透镜阵列的微透镜中，该图像光线将会保持在光路界限233中，光路界限233限制为第一微透镜阵列的微透镜、第二微透镜阵列中的对应的轴向上对准的微透镜，以及在对应的透镜之间的空间或者封装材料(如果存在的话)。此配置避免邻近的非对应微透镜之间的光学串扰，并且保证入射到第一微透镜阵列中的给定微透镜上的图像光线将最终从与给定微透镜对应的小孔209出射。

图2所示的透镜配置、微透镜的数目以及微透镜的曲率仅为了阐述概念，在实践中可能使用其它的配置或曲率。图2中的局部图290包括第一微透镜阵列220的一部分、第二微透镜阵列240的一部分以及前屏幕207的一部分。这些部分特别地设计为用从像素阵列124接收的图像光线生成放大的子图像150。显示装置101包括前屏幕207、微透镜阵列220、微透镜阵列240的六个部分，以用来自图像阵列121-126的图像光线生成六个子图像150。

图3A-图3C示出了根据本公开的实施例的屏幕层配置的示例性实施例，屏幕层配置给出了局部图290中屏幕层210的上述部分的更具体的示例。图3A将前屏幕207的一部分示出为前屏幕区域208，将第一微透镜阵列220的一部分示出为第一透镜子集225A，并将第二微透镜阵列240的一部分示出为第二透镜子集245A。屏幕层310A包括前屏幕区段208、第一透镜子集225A、第二透镜子集245A以及中间层230。中间层230可以是气隙或者可以是封装材料。封装材料可能具有与第一微透镜阵列和第二微透镜阵列不同的折射率。应当理解的是，也可以使用额外的不设置于第一透镜子集225A和第二透镜子集245A之间的封装材料。例如，如果层230具有与第一透镜子集225A和第二透镜子集245A相同的折射率，可以使用折射率较低的额外的封装材料以围绕第一透镜子集225A和第二透镜子集245A。

在图3A中，第二透镜子集245包括围绕中心小孔209C居中的中心透镜241。在一个实施例中，第二透镜子集245A具有微透镜之间的均匀间距(例如，60微米)，而围绕中心小孔209C的小孔209S之间的间距随着它们远离中心小孔209C而逐渐增加。因此，第二透镜子集245A中围绕中心透镜241的透镜从它们对应的小孔的中心的偏移一偏移距离，偏移距离随着它们与中心透镜241距离的增加而逐渐增加。尽管小孔209并非均匀间隔，但是如果间距非均匀度小于人眼分辨率，显示装置的观众可能不会注意到小孔209(其充当像素)的非均匀间隔设置。当第二透镜子集245A具有均匀间距时，第一透镜子集225A具有相同的均匀间距，以保持第一透镜子集225A中的透镜与第二透镜子集245A中的透镜在轴向上对准。

对准周界透镜242，使得它们对应的小孔与其中心相距最远，这是因为相比于第二透镜子集245A中其它微透镜，周界透镜242以最大的倾斜角接收图像光线。相比之下，中心小孔209C在轴向上对准于中心透镜241的中心，因为中心透镜241以最小倾斜角最小接收图像光线。微透镜的配置以及渐增地偏移的小孔设计为使得法向于前屏幕207的平面穿过小孔209出射的图像光线作为用于改善统一图像195观看的有效远心图像光线。

在图3A中，第一微透镜阵列220中的微透镜的曲面与第二微透镜阵列240中的微透镜的曲面面朝相同方向—两个曲面均面朝图像生成层120。图3B和图3C与图3A不同在于，第一微透镜阵列220中的微透镜的曲面与第二微透镜阵列240的微透镜的曲面面朝的方向相反。在图3B中，屏幕层310B包括前屏幕区段208、第一透镜子集225B、第二透镜子集245B以及中间层230。在图3C中，屏幕层310C包括前屏幕区段208、第一透镜子集225C以及第二透镜子集245C。然而，在图3C中，第一透镜子集225C和第二透镜子集245C整合成相同材料的连续部分231。具有单一的连续部分231可以节省制造成本。当连续部分231使用注塑成型制造时，连续部分231可以由诸如丙烯酸、聚碳酸酯或苯乙烯的塑料制成。连续部分231还使用紫外固化树脂制造。在一个实施例中，连续部分231由诸如BK7的玻璃制成。

图4示出了根据本公开实施例的屏幕层410的一部分的示例性配置。屏幕层410可以用作屏幕层110，尽管为了说明仅示出了将要设置于图像生成层120的一个像素阵列的上方的屏幕层410的一部分。前屏幕层410是屏幕层310A、310B以及310C的替代选择。屏幕410包括一种偏振方案，而不是依赖于具有小孔的前屏幕来发射图像光线(但通常是吸收环境光线)。屏幕层410包括第一透镜子集225A、第二透镜子集245A、四分之一波片420、线性偏振器层415以及可选的偏振保持漫射器430。连续部分231或者第一透镜子集225B和第二透镜子集245B可以替代图4中的第一透镜子集225A和第二透镜子集245A。出于描述的目的，将偏振保持漫射器430、四分之一波片420和线性偏振器415图示为其间具有间隔，尽管在实践中其间可能没有间隔。显然，所示的层之间也可能设置没有示出的中间层。

为了阐述屏幕层410的功能，非偏振的环境光线403入射到线性偏振器层415上。环境光线403的水平分量被线性偏振器415吸收，而环境光线403的垂直分量作为垂直偏振光404穿过线性偏振器415。当垂直偏振光404入射到四分之一波片420上，其变为圆偏振光405。圆偏振光405的一部分可以被第二透镜子集245A下方的显示部件吸收，而圆偏振光405的余下部分作为反射的圆偏振光407被反射。反射的圆偏振光407具有与圆偏振光405相反的旋转方向(例如，顺时针和逆时针)。然后，反射的圆偏振光407入射到四分之一波片420上，四分之一波片420将反射的圆偏振光407转化为可以被线性偏振器415吸收的水平偏振光408。因此，屏幕层410的偏振方案吸收环境光线403，其提升显示器101的对比度。第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间(以及穿过偏振保持漫射器430，如果使用的话)行进的图像光线具有偏振，当其入射到四分之一波片420上时转化为垂直偏振的图像光线，使得图像光线可以穿过线性偏振器415。因此，屏幕层410的有益效果是微透镜配置(以及偏振保持漫射器430，如果使用的话)提供的图像光线具有引导为法向于屏幕层410用于观看的主光线，并且图像光线以高的效率传播穿过四分之一波片420和线性偏振器415。与此同时，线性偏振器415和四分之一波片420有助于吸收环境光线403，从而前屏幕410显现为黑色(而不是反射环境光线)，用于提升对比度。

偏振保持漫射器430可以是工程级漫射器，其包括非均匀微透镜的阵列，非均匀微透镜的阵列设计为实现图像光线的特定的散射分布。非均匀微透镜的曲率设计为根据所需的散射分布来散射图像光线。来自纽约的罗切斯特的RPC光子(RPC Photonics)的工程级漫射器^TM是可用作偏振保持漫射器430的一种可行的漫射器。瑞士SUSS微光学(SUSS MicroOptics)、丹麦NIL科技以及亚拉巴马州的汉茨维尔的MEMS光学(MEMS Optical)也生产适用的工程级漫射器。

本发明所述实施例的上述说明，包括摘要中的描述，不旨在穷举本发明或者将本发明限制为所公开的确切形式。本文描述的本发明的具体实施例以及示例出于描述的目的，相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行各种修改。

基于以上详细说明，可以对本发明进行这些修改。所附的权利要求中使用的术语不应被解释成将本发明限制为说明书所公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附的权利要求确定，它们应当依照权利要求解释建立的教条进行解释。