专利名称：用于图像显示装置的单折叠光学放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学放大器，特别涉及在光路径中装入单折叠的光学放大器。
随着通信时代的前进，光学装置的主要市场之一是便携式电子设备，诸如蜂窝电话机、寻呼机、双向无线电设备、数据库、计算机等。总的说来，希望这类设备中的光源装置要小型、低功率、便宜而且包括具有大角度放大的高质量镜片。但是，正如可从下面提出的角度放大功率(MP)的关系中看到的，大角度放大要求小的焦距长度。在下面的讨论中，为了叙述该关系方便起见，该光学系统通常作为单镜片看待。
MP＝V(b+f)/〔f(b+e)〕式中V是常数，清晰视觉(distinct vistion)的距离(大约10″或254mm)；b是从该镜片到虚拟图像的距离；e是从该镜片到眼睛的距离；和f是有效焦距长度。
小的有效焦距长度又要求光学系统具有小的F/NO，在所讨论的应用中它被翻译为快速系统。快速系统通常定义为F/NO小于或等于接近2的系统。正如本领域公知的，F/NO是由焦距与镜片直径的比值确定的。
为此，当焦距长度减少和系统制作的更小时，使用镜片的较大面积或镜片系统这是固有的。这种使用镜片系统较大的面积导致通过该系统传送的图像的较大的偏差(aberration)并且需要较大的偏差校正。正如本领域技术人员公知的，较大的偏差校正意味着该系统元件的较多，这又意味着体积较大而且成本较高。据此，在试图生产小巧的、便宜的、具有大角度放大的高质量镜片中固有的主要问题是偏差校正。
为便携电子设备提供光学系统业已进行了几种不同的尝试，其中之一包括所有的或具有单行像素和振动镜面的折射和反射镜片。单行像素通过光栅的行来排顺序，同时地，振动镜面扫描该行像素，在其合适的取向恰当地定位每个顺序行。这个系统的问题是要求高精度的定时，使用的功率总量和由镜面的振动引起的最后图像的混乱。再有，这个系统是极易损坏的，对于便携设备正常发生在恶劣条件下使用是不便于自适应的。
目前，通常使用的系统是使用大的图像源和直接可视图像或低放大镜片的系统。这个系统的主要问题是它极大地限制了所用的便携电子设备的尺寸。最基本的是，该图像必须是足够大以便操作者读出和/或理解所显示的信息。为此，例如如果要显示一张8.5″×11″的纸(一封标准信)，直观显示必须是容易读出的8.5"×11″的信。这种显示明显太大而不能装入大多数的便携通信设备中，诸如寻呼机、双向无线电设备、蜂窝电话机等。
据此，迫切希望设计一种光学系统，它具有小巧的和便宜的特性，而且包括具有大角度放大的高质量镜片，同时能校正偏差。
本发明的一个目的是提供一种非常小的、紧凑的和相当便宜的光学放大器。
本发明的另一个目的是提供一种非常小的、紧凑的和相当便宜的、包括具有相当大角度放大的高质量镜片的光学放大器。
本发明的又一个目的是提供一种非常小的、紧凑的和相当便宜的、包括具有偏差校正的相当大角度放大的高质量镜片的光学放大器。
本发明的再一个目的是提供一种非常小的、紧凑的和相当便宜的、包括具有偏差校正的相当大角度放大的高质量镜片的、且小得足以方便地固定在便携电子设备中的光学放大器。
上述的问题和其他的问题以及上述的目的和其它的目的在包括多个光学元件的单折叠光学放大器中基本上解决了和实现了，这些光学元件具有一个入口，该入口带有一个光出口，以一个角度朝着该入口，和一个反射表面，被放置得用于引导光从该入口到该出口。这些光学元件规定从该入口到该出口的一条光路径，总平均光路径长度约为15至35厘米。多个光学元件包括至少一个非球面表面用以校正偏差，和至少一个衍射光学元件，放置在该光路径中，用以提供附加的偏差校正。这些光学元件被构制得用以角度放大图像至少十的一次幂的倍数。
上述的问题和其他的问题以及上述的目的和其它的目的也在用于小的便携电子设备中的图像显示装置中基本上解决了和实现了。该图像显示装置包括一个图像发生器，该图像发生器具有在单个基底上形成的一个二维阵列的发光装置和耦合到该发光装置并包括一个数据输入端的驱动器电路。该发光装置可由该驱动器电路单独地寻址，以便根据该输入端接收的数据产生真实的图像，该图像包括多个字母数字行和图像之中的一个。
单折叠的光学放大器与一个图像入口一起与该图像发生器相邻放置，以便接收由该图像发生器产生的真实图像。该放大器包括多个光学元件，具有一个入口和一个光学出口，该入口规定单折叠光学放大器的图像入口，该光学出口以一个角度朝着该入口，一个反射表面在光学上设置在该入口和该出口之间，以便引导光从该入口到该出口。该光出口规定一个观看孔，多个光学元件根据该真实图像产生一个虚拟图象，在该观察孔可观看虚拟图像。
所述多个光学元件规定从该光入口到该出口的光路径，总的平均光路径长度大约在15至35厘米的范围内。该多个光学元件包括至少一个非球面的表面，用以校正偏差，和至少一个衍射光学元件，放置在该光路径中，以提供附加的偏差校正。这些光学元件被构制成以角度放大由该图像发生器产生的真实图像成为大于该真实图像十倍的虚拟图像。
图1示出采用根据本发明的单折叠光学放大器的图像显示装置的顶视图；图2示出图1所示的该图像显示装置的前视图；图3示出图1所示的图像显示装置的部分被切去并以截面表示的侧视图；图4示出图1所示的图像显示装置的侧视4x倍放大图；图5示出与图1所示的图像显示装置相关的图像发生器的简化方框图；图6示出发光装置阵列其部分被切去以形成图5的图像发生器的一部分的顶部放大图7示出采用图1的图像显示装置的便携通信设备的操作者所看到的典型视图的透视图。
图1、2和3示出根据本发明的包括一个单折叠光学放大器12的小型的图像显示装置10的顶视图、前视图和侧视图。图1、2和3示出小型的图像显示装置10的大约的实际尺寸，提供由本发明取得的在尺寸上减少的程度的一些指示。装置10包括一个发光装置的阵列，诸如有机的或无机的发光二极管LED、场致发光器件、垂直空腔表面发射激光器、液晶显示器件LCD等。在这个具体的实施例中，阵列15包括144个发光器件×240个发光器件。在一侧上，每个发光器件制成大约20微米，相邻器件之间的中到中间隔不大于20微米。每个发光器件以大约1.8伏接通，而当它接通时使用大约50μA的电流。阵列15产生约小于15fL亮度。
阵列15安装在玻璃基底16的下表面，而驱动板18压合在基底16上。有关驱动板和基底与驱动板的结合额外信息已在一九九四年三月二十四日提交的并转让给本发明的同一受让人的、序列号08/216995、名称为“综合电光封装”的未决美国专利申请中披露了，列在这里供参考。
单折叠光学放大器12也安装在基底16上，而且包括多个用于规定从阵列15到观察孔19的光路径，在图2中可更好地看出。多个光学元件被构制成有角度地放大由阵列15在第一光学元件的光入口产生的图象十倍以上。因光路径的长度和阵列15的尺寸(真实的图象)而使镜片观看的水平场的范围从放大10x倍的约11度到在放大20x倍的约22度，本实施例具有水平观察场约16度和放大15x倍。
具体参见图4，为了清楚起见，图中以4x倍放大示出图1的装置10的部分的侧视图。由这个图可看出，多个光学元件包括第一光学元件20，具有光入口22；一个球形表面，用以作为光出口23并以一个角度朝向光入口22，以及一个反射表面25，在光学上设置在光和口22和光出口23之间以便引导光从光入口22到光出口23。在这个具体的实施例中，元件20被形成为一个棱镜，并由光学质量的塑料模制。一般地应懂得，光学质量的塑料是具有在约1.5和1.6之间的高折射率的材料。反射表面25可以是一个分开的镀银的镜面，该镜面容易模制到光学元件20上，或者表面25可以在光学元件20成型之后镀银，或者表面25可以不涂覆并以完全内反射方式使用。
在这个实施例中，光入口22采用非球面视野平凹表面(aspheric field flattening concave surfae)的形式直接地模制到光学元件20上并形成一个完整的部分。但是，应该懂得，光入口22可以形成一个单独的透镜并且顺序地与光学元件20的较低表面在光学上对齐地放置。当然，分离的光学元件会导致增加部件和装配步骤，这些可能会增加最终结构的成本和尺寸。
反射表面25相对于该入口22和光出口23设置，以使光以约在80°至100°之间的角度来折叠或者弯曲通过第一光学元件20。更具体地说，在所述的实施例中，光是以约95°的角度反射。已经发现，例如，95°度的角度能避免在光学放大器12的出口在图像的较低部分上的不致产生渐晕。
第一光学元件20的设计的重要部分是使用一个具有凸出口面的实心的、单折棱柱体，这与空中使用简单的转动镜相比，在相同的空间体积中能够增加角度放大(减少有效聚焦长度)。
在很多应用中，希望含有用于聚焦最后图像的装置。为此，元件20(和所述的其它元件，如果希望的话)利用螺丝调节27安装在基底16上，该螺丝调节27可用蝶型螺钉、改锥等转动，以使光学元件20、30和40的固定组件垂直向着但离开基底16和阵列15地移动聚焦是通过简单的改变该入口22和在阵列25上产生的图像之间的距离来实现的。
所述多个光学元件进一步包括一个光学透镜30，该光学透镜具有一个该光入口32，放置得邻近第一光学元件20的光出口23，和一个光出口34。在所述的具体实施例中，光学透镜是一个双非球面的光学透镜，具有规定光入口32的一个非球面表面和规定光出口34的一个非球面表面。光学透镜30利用任何方便的装置相对于第一光学元件20固定安装，该方便的装置包括一个外壳(图示在图1至3中)、一个安装架、或者任何其它的方便的结构。非球面表面包括光出口34、光入口32、光出口23和视野补偿光入口22，用于减少和/或消除从光入口22通过光出口34的波前中的任何偏差。
多个光学元件包括第一元件20和光学透镜30，规定从第一元件20的光入口22到光学透镜30的光出口34的光路径。为了制造便携电子设备中有用的单折叠光学放大器，光路径的总平均光长度应该在大约15至35毫米的范围内。在这个实施例中，从光入口22到规定光出口34的非球面表面的光路径大约为20毫米。
多个光学元件还包括第一元件20和光学透镜30，被构制成含有放置在该光路径中的至少一个衍射光学元件，以提供附加的、主要的色度(在这个实施例中)、偏差校正。在所述的实施例中，衍射光学元件35放入规定光入口32的非球面表面中。当然，应该懂得衍射光学元件可代替或除外地可以包括在光学放大器12的多个光学元件的任何其它表面中。如果衍射光学元件包括在基本上正交于该光路径的表面中，与光以一个角度照射该表面相反，该衍射光学元件因转动对称而稍微容易构成，而光以一个角度照射的表面具有非转动对称。因该非球面表面和衍射光学元件35使得透镜30相当复杂，故业已发现利用注入模塑制造光学透镜30是最好的。
虽然第一元件20和透镜30可构制得形成一个完整的放大器，但在这个具体实施例中，包括一个低功率光学透镜40作为该放大器的可能的扩展的例子。光学透镜40包括规定光输入的一个球面表面41和规定光输出的一个球面表面42。表面41还具有在表面41中形成的一个衍射光学元件45，以提供附加的偏差校正。光学透镜40邻近光学透镜30安放并且形成一个出口光学元件，规定一个孔径，通过该孔可以观看角度放大的图像。附加的光学透镜40可能在一定程度上增加了放大器12的尺寸和复杂性，但是提供一些角度放大和偏差校正，这减少了许多其它元件的复杂性，在许多应用中能减少放大器12的总成本。因透镜40低功率也可用作封装窗口，或者观看孔。在只使用第一元件20和光学透镜30的应用中，可以方便地由玻璃或塑料窗口(它很清楚是一个光滤波器)等限定该观看孔。
下面仅仅作为例子列出图1的三元件放大器的典型设计技术规范或说明。
RDY THIRMDGLACCY THC GLCOBJ INFINITY-2000.000000 100 100STO INFINITY 35.000000 100 1002 15.726952.500000 586000.340000100 100 1003 27.150051.000000 100 100HOEHV1 REA HV2 REA HOR 1HX10.000000E+00 HY10.000000E+00 HZ1-.18000E+04CX1 100CY1100 CZ1 100HX20.000000E+00 HY20.000000E+00 HZ2-.180000E+04CX2 100CY2 100 CZ2 100HWL 605.00 HTO SPHHCT RHCO/HCCC13.4259E-03 C2-7.9305E-07 C3 -1.2095E-07C1 100 C2 100 C3100C46.5888E-10C4 1004 15.543957.000000 492000.572000 100 100 100ASPK 0.000000 KC100IC YES CUF0.000000 CCF100A-.518075E-04 B-.442014E-07 C-.379871E-09D0.000000E+00AC 100 BC 100 CC 100 DC 1005 -180.87992 0.439871 100100HOEHV1 REA HV2 REA HOR 1HX10.000000E+00 HY10.000000E+00 HZ1 -.18000E+04CX1 100CY1100 CZ1 100HX20.000000E+00 HY20.000000E+00 HZ2 -.180000E+04CX2 100 CY2 100 CZ2 100HWL 605.00 HTO ASP HCTRHCO/HCCC1 -7.6033E-03 C2 4.1511E-05 C3-4.7167E-07C1100C2 100 C3 100C4 2.5018E-09 C67 -4.9807E-05 C68 1.3538E-06C4100C67 100 C68 100C69-7.3037E-09C69 1006 20.00000 7.511300 492000.572000 100100 1007 1.0000E+11 5.540301 REFL 492000.572000 100100 100XDE 0.000000 YDE0.000000ZDE0.000000 BENXDC 100 YDC100 ZDC 100ADE47.500000 BDE0.000000CDE 0.000000ADC 100 BDC100 CDC 1008 -B7 S4867 -0.839287 100 1009 INFINITY0.000000 100 10010 INFINITY -0.900000 523000.550000 100 100 10011 INFINITY -0.030000 520000. 550000 100 100 10012 INFINITY0.000591 100 PIMIMGINFINITY0.000000 100 100
这里应该指出，因非常小的放大器12和阵列15以及使用虚拟图像而不是直接观看显示的事实，故小型图像显示设备10的总实际尺寸约为1.5英寸(3.8cm)宽×0.75英寸(1.8cm)高×1.75英寸(4.6cm)深，或者总体积约2立方英寸(32cm3)，其中镜片体积小于0.7立方英寸。
图5中更详细地示出阵列15，它包括例如半导体电子装置(诸如由数据处理电路57驱动的发光器件(LED)阵列55。LED例如可以是有机地或无机发光二极管，垂直空腔表面发射激光、场致发光器件等。数据处理电路57包括例如用于控制LED阵列35中的每个LED的逻辑与开关电路阵列、驱动器等。数据处理电路57除了或者代替该逻辑与开关阵列以外，还包括一个微处理器或者类似的电路，用于在输入端58接收数据并处理该数据，在一个装置(例如LED阵列55)上产生希望的真实的图像。
在这个具体的实施例中，使用LED阵列55，因其尺寸极小还因结构及操作简单。具体参见图6，它示出LED阵列55的平面视图，其中像素在单个基底(例如半导体芯片)60上以规则图形的行和列形成。每个像素包含至少一个LED，如果需要的话，为了颜色、附加亮度和/或冗余度还可具有附加的并行的LED。利用公知的方式使用行和列寻址特定的像素，这些特定的像素被赋能，以产生一个真实的图像。在输入端58接收数字或模拟数据并由数据处理电路57变换为能够赋能所选择的像素的信号，以产生预定的真实图像。数字或模拟数据从任何数据源诸如通信接收机、存储器或数据库、或其它便携电子设备等接收的。
本领域的技术人员懂得，LED阵列55和基底60在图6中大幅度地放大了，而且，虽然数据处理电路57以分开的方框表示，但是应该懂得，在有些应用中，它们在基底60上围绕阵列55的边缘形成。沿每一侧，基底60的实际尺寸在几微米(例如3至10微米)的数量级，每个LED是(或者如果该LED是圆的，则为直径尺寸)5至50微米的数量级。因基底60的尺寸极小，故LED之间的驱动线或金属连接的迹线具有很小的截面，这严格地限制它们的电流传送能力或者电流密度。参见图6，例如在关于典型的操作中，每次仅仅寻址或“接通”一行。因此，每列的金属迹线需要只传递一个LED(在那行接通的一个LED)足够的电流。但是，在接通行的所有LED应该可能同时地接通。因此，可能要求接通行的金属迹线为在该行的许多LED(例如100至1500个LED)传递电流，必需传递多倍于列金属的迹线的电流。
再参见图4，图中大概地示出了小型图像显示装置10的操作。该装置10的阵列15在基底的较低表面提供真实的图像源。规定光入口22的非球面视野平凹表面以与基底16按间隔的关系设置，和对图像进行一般地补偿，校正一些偏差问题，并在反射表面25的表面传播光。表面25通过光出口23反射光并反射到光学透镜30的光入口32。由于光通过规定光出口23的球表面，故引入的偏差比平表面少些。衍射光学元件35专门设计用于校正附加的色度偏差，而规定光入口32的非球面表面校正和/或均衡更多的偏差。光学透镜30提供基本的角放大而规定光出口34的非球面表面校正和/或均衡更多的偏差。
如果光学透镜40包括在该装置中，则衍射光学元件45和/或非球面表面41也可能被包括，以校正附加的偏差。光学透镜40也是提供少量的附加的角放大。规定该装置的观看孔的表面42可以是一个非球表面，如果需要的话可用于校正偏差。根据应用、放大和光路径的长度，该放大器的光学元件一般在光路径中包括至少一个非球面表面和至少一个衍射光学元件。在一些特别的应用中，它可能使用所有的非球面表面而无衍射光学元件，而在一些非常特别的应用中，可能只使用衍射光学元件校正偏差。应该指出，在任何情况下，本发明通过有时在相同表面上使用非球面和衍射结构允许偏差校正增强，因此避免了附加的常规元件。应该注意，为了在该光学元件的相同表面上经济地形成非球面和/或衍射光学元件，通常必须模制光学元件。
参见图7，图中示出便携的或手持的电子设备65的透视图，其中安装小型图象显示装置以致只有观看孔66可看到。图7进一步示出由操作者窥视电子设备65的观看孔66看到的典型视图70，视图70出现在电子设备65的后面。视图70例如可以是操作者(警察)正要进入一个大楼的楼面图。楼面图是警察局的文件，在警察要求帮助时，警察局可容易地传送先前记录的平面图。类似地，电子设备65可用于传送丢失的人或要逮捕的罪犯的照片、地图、很长的消息等。许多其它的变化例如无声接收机的操作，消息出现在观看孔66而不可闻是可能的。
据此，现已公开了一个光系统，该系统具有小型和便宜的特性，而且包括具有大的角放大的高质量镜片，同时校正偏差。因其新颖结构，故放大器可以制成非常小，具有高的角放大和非常便宜。还在注塑各种光学元件以构成衍射光元件和/或非球面表面被认为最佳制造方法以时，它也是最便宜的。另外，因放大器12的尺寸小，高的角放大和坚固的结构，故放大器12可结合小型的图像显示装置10和/或实际上任何便携电子设备一起使用。
虽然我们已说明和叙述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员可以进一步修改和改进。因此，我们希望懂得，本发明不限于所示的特定形式，所附的权利要求书包括了不脱离本发明的精神和范围的所有修改。
权利要求
1.一种单折叠光放大器，其特征在于多个光学元件，具有一个光入口和一个光出口，该光出口以一个角度朝着该入口，具有在该光入口和该光出口之间放置一个反射表面，以便引导光从该入口到该出口，所述光学元件包括用于偏差校正的至少一个非球面的表面；所述的多个光学元件规定从该光入口到该光出口的光路径，总平均光路径长度在约20到35毫米的范围内；和至少一个衍射光学元件，放置在该光路径中，以便提供进一步的偏差校正；和所述多个光学元件被构成以角度放大在第一光学元件的光入口的图像源，放大倍数大于十。
2.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，该光出口以约80°至100°范围内的一个角度朝着该光入口。
3.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，该光出口以约95°的角度朝向该光入口。
4.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，总平均光路径的长度约为20毫米。
5.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，多个光学元件规定观看的水平视野约大于11度。
6.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，所述多个光学元件被构成以角度放大在多个光学元件的光入口的图像源约十五倍。
7.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，多个光学元件规定观看的水平视野约大于16度。
8.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，多个光学元件包括具有一个非球面视场平的光入口的第一光学元件。
9.根据权利要求1的单折叠光放大器，其特征在于，多个光学元件包括具有以一个角度朝着该入口的一个非球面光出口的第一光学元件和放置在该入口和该出口之间以便从该入口引导光到该出口的一个反射表面。
10.根据权利要求9的单折叠光放大器，其特征在于，第一光学元件是在其一侧形成非球面视场平的光入口和在其第二侧形成一个反射表面的一个棱镜。
全文摘要
一个单折叠光放大器包括多个光学元件，所述光学元件有一个非球面视野平的光入口、以一个角度朝着该入口的光出口、和一个反射表面，被放置用于引导光从该入口到该出口。光学元件规定从该入口到该出口的光路径，总的平均光路径长度约15至35毫米。至少一个非球面的表面和一个衍射光学元件放置在该光路径中以提供偏差校正，和构成光学元件以便角度放大图像至少十的一次幂倍。
文档编号G02B27/02GK1164036SQ9610199
公开日1997年11月5日 申请日期1996年3月14日 优先权日1996年3月14日
发明者弗里德·V·理查德, 马克·H·威尔第 申请人:摩托罗拉公司