专利名称：薄显示器用的光学投影器的制作方法
技术领域：
本发明是在美国能源部签订的合同号DE-AC02-98CH10886之下利用政府的资助作出的。政府在本发明中拥有一定的权利。
背景技术：
本发明总体上涉及一种平面光学显示器，更准确地说，涉及用于该显示器的光投影系统。
具有许多叠层光学波导的薄的光学显示面板，被公开在美国专利5,381,502中，本发明是对它的改进。该面板中的每个波导均包括一叠层在相对的包覆层之间的具有低折射率的透明芯。这些波导集中一起在其一端限定一入口面，并在与该入口面倾斜配置的相反一端限定一出口面或者屏幕。该屏与该波导的纵轴之间形成一特别小的锐二面角，约为1°或2°的数量级，容许该屏幕的高度显著地大于该面板的深度或厚度，以保持薄的面板。
这种薄的面板可被用于各种应用，例如具有525条垂直析象线的典型的4∶3宽高比的电视视频显示屏。这种分辨率可简单地通过相应地使用沿面板宽度连续叠置的525个波导来实现。因此，该面板的入口面扩展到面板的整个宽度，但是特别窄以对应于薄的面板。例如，在入口面上该面板的厚度可为约2.54cm，屏幕的高度为100cm，相应的宽度为133cm。每个波导的相应厚度约为48μ。
在薄面板的最初研制中，激光束曾被利用来直接产准直光，沿入口面顺序地进行横向及侧向扫描，用于分别沿水平及垂直方向在屏幕上产生相应的图象。各种类型的透镜可以与此激光束一起应用，以保证在屏幕上有高分辨率的图象，但透镜要求精确的对中和内在地产生色差，这对所产生的图象起不利的影响。
因此，需要提供一种与薄的波导面板一起使用的改进的光投影器，以降低其复杂性和成本并消除色差。
发明概述一种将光投影到一平面光学显示器上用的光学系统。该显示器包括许多叠层的光学波导，并由其在其一端限定一入口面及在其相反一端限定一出口屏幕。一第一反射镜将沿第一轴线来自一光源的光准直，并沿第二轴线将此光散布。一第二反射镜将沿第二轴线来自第一反射镜的光准直，以照明该入口面和在该屏幕上产生图象。
附图简述根据优选和示例性的实施例，本发明与其进一步的目的和优点一起，将结合附图在以下的详细描述中更具体地进行描述，其中
图1为根据本发明一示例性实施例示意表示的光学显示面板，其接收来自一光学投影器的光的透视图；图2为图1所示显示面板一部分的放大部分，图1中标记为2的虚线圆表示其中一示例性的光学波导；图3为通过图1所示的光学系统并且大体上沿线3-3截取的横向剖面图；图4为图3所示光学系统的另一实施例，其中包括一光透射调制器。
优选实施例描述图1所示为一光学显示面板10，其包括多个叠置的或叠层的光学波导12，集中起来在该面板的垂直下端限定一入口面14，并在与其倾斜配置的相反一端限定一出口面或者屏16。如图2中更详细表示的那样，每个波导12均为典型的长条或者片状，包括粘贴在相对的包覆层12b之间的透明的中央芯12a。包覆12b的折射率低于芯12a的折射率，以使从入口面14到屏幕16透过芯的光18a产生完全内反射。入口面14可被光学抛光以接收光，屏幕16可被磨砂以散射光。
如图1所示，波导12沿横向连续至该面板的整个宽度W。波导12沿侧向方向叠层或叠置足够的数量，以为屏幕16提供适合的垂直分辨率。例如，可以将525个波导12侧向叠置在一起，以产生该面板的最大深度或厚度T。
屏幕16为平面或者平的，并且相对入口面14倾斜或者实际上垂直。这是通过该波导的出口面例如以1°或2°的数量级的小的锐角A相对于单独一些波导12的纵轴斜削产生的。按照这种方式，入口面14可能特别窄或薄，例如约2.54cm，屏幕16在其全部宽度W范围内的高度H比较高。此高度H例如可为约100cm，宽度W约为133cm，这是在典型的4∶3宽高比的屏幕16下，虽然其它的宽高比例如16∶9也可以实现。
显示面板10为美国专利5,381,502中原始授予专利的类型，并且享有其中公开的基于叠层的薄面板设计的所有好处，包括平或弯曲的面板形式。然而在此专利中，准直的激光束曾被公开在一系统中，用于既沿该面板的入口面对光束进行横向扫描以水平区分(discriminating)此光，又沿该面板的深度或厚度进行侧向扫描以垂直区分此光。
根据本发明，一种改进的光学投影系统或投影器20被示意表示在图1中，用于将光18a投影到入口面14中而透过相应的波导12，以在屏幕16上产生可见的图象22。
投影器20包括一适合的白光光源18，它可以是比较简单的未被准直的发光灯泡，如用于产生例如白光的亮卤素灯泡。其它类型的光源也可以使用，甚至可包括激光器，如果需要的话。
可以以任何适合的方式将颜色引入被投影的光18a中。如果具有红、绿和兰色成份的传统的滤色盘24可邻近光源18安装和旋转，用于有选择地使光着色，以在屏幕上产生彩色图象22。
由于光18a未被准直，所以第一反射镜26与光源18光学上对准，滤色盘24则适于在其间光学对准。第一反射镜26的提供是用来沿第一轴线(其在图1中是垂直的)收集和准直来自光源18的发散光，然后沿第二轴线(其在图1中是水平的，且与第一轴线垂直)通过扩展使光分散。
第二反射镜28与第一反射镜26光学上对准，用于沿第二轴线按水平方向将由第一反射镜反射的光准直，并且阻止水平扩展以照明入口面14及在屏幕16上产生视频图象22。
对于发散的光源18使用第一和第二反射镜26及28，能够减少或消除该投影系统中对于透镜的需要，降低其复杂性和成本，并且消除透镜中固有的色差。然而，为在屏幕26上产生适合的视频图象22，此发散光必需准直和通过波导传送到屏幕16上。
因此，第一和第二反射镜26及28优选为抛物面截面，用于使光18a准直以分布在入口面14的整个面积上。第一反射镜26适于与光源18光学对准，用于首先将光18a由其反射及沿第二轴线将光横向或水平分布。第二反射镜28与第一反射镜26光学对准，用于二次反射横向分布的光，以沿与第二轴线垂直的第一轴线侧向或垂直分布此光，用以照明整个入口面14及在屏幕16上产生图象22。
因此，第一和第二反射镜26及28对于光18a由其一次及二次反射时使之两次准直是有效的，而且适于将此光分布在整个入口面14上。然后此光沿不同长度的波导12传播，以照明屏幕16及在其上产生图象22。
由于光18a是无区别地发散的，故其必须在强度方面适当进行调制，以在屏幕16中沿水平及垂直方向分辨(discriminating)图象要素或象素。这可通过利用如图1及3所示光学配置在光源18和反射镜26之间并对准的光调制器30来完成。对于来自光源18的光18a在其于第一反射镜26中首次反射之前有选择地进行调制，光调制器30是有效的。
该调制器30可采取任何传统的形式，例如可从TexasInstruments,Inc.,USA购置的数字式微型反射镜器件(DMD)。DMD30的典型形式为640乘480个二进制光偏转器或微型反射镜的元件阵列，单独地可被有选择地在±10°的范围内耕作(tillable)。DMD在操作上与一适合的电控制器或处理器32相连，后者的结构是有选择地将光18a反射至第一反射镜26或与之分开，并对产生所显示的图象22提供水平及垂直分辨率。
如上所述，滤色盘24可被配置在光源18和调制器30之间，用于有选择地使来自光源的光在其于第一反射镜26中首次反射之前被着色，以在屏幕16上产生彩色图象22。
再一次参见图1和3，第一和第二反射镜26及28依次与显示器的入口面14对准，以便沿入口面14的水平尺寸沿横向和沿入口面14的深度沿侧向提供准直的未聚焦光，以在屏幕16上相应地水平和垂直地产生图象22。
视频图象22一开始是在通常面积约为1平方厘米的小型器件的调制器30上产生的。例如该DMD具有宽度w和高度h以及相应的宽度与高度的第一种纵横比w/h。此第一种纵横比可能为方形或者矩形，例如4∶3的电视纵横比。
就此薄显示器10的本性而言，该显示器入口面14在其整个全部宽度W上的深度或厚度T都是窄的，相应的宽度与深度的第二种纵横比W/T实质上不同于第一种纵横比w/h并比它大。例如，第二种纵横比基于以上介绍的显示器典型尺寸约为52。
如上介绍的显示屏16具有相应的第三种纵横比W/H，需要与入口面14的第二种纵横比W/T相区别，例如为4∶3以与调制器30第一种纵横比相匹配。
沿从调制器30至屏幕16的光学系列传送的光必须适当地沿横向及侧向扩展，以便在屏幕16上形成正确比例的图象22。给出面板10和光调制器30的尺寸，所需要的第一和第二反射镜26及28的外形可按传统方式通过分析或者实验确定。对抛物面的第一和第二反射镜26及28进行适当地定影，以将来自调制器30的光跨过显示器入口面14沿横向及侧向分布，以跨过屏幕16产生出同予选的第一、第二和第三种纵横比一致的图象22。由于图象22是由面积比屏幕16显著小的调制器30产生的，所以一开始被压缩的图象必须沿此光学系使用第一和第二反射镜26及28被去压缩或扩展，以将此图象重新配置成具有均匀比例的屏幕16的纵横比。
如图1和3所示，第一反射镜26被成形为沿水平轴的适合的抛物面，使来自调制器30的光沿横向扩展或去压缩，以与入口面14的横向宽度匹配。第一反射镜26沿此第一轴线在垂直方向也是抛物面，以沿垂直方向使光准直。
与此相应，第二反射镜28优选沿水平或横向方向成形为一抛物面，以沿水平方向准直来自第一反射镜26的光并阻止其水平扩展，以沿其全部水平宽度W与入口面14相匹配。第二反射镜28可以是抛物面，以与第一反射镜26相结合沿垂直方向使光准直。或者，第二反射镜沿垂直方向可以是固定的或者直的，假如第一反射镜提供完全的准直。
由于图3所示的第一反射镜26为抛物面并且接收来自相邻调制器30的光，所以调制器30适于对第一反射镜26离轴定位，以让此光不受阻碍地从第一反射镜26反射到第二反射镜28。按照这种方式，调制器30可被偏置在第一反射镜26的下方，以从光源18提供不受阻碍的光路。
在图1及3所示本发明的第一实施例中，第一调制器30为在光源18和第一反射镜26之间进行光学对准的DMD形式，用来响应控制器32有选择性地反射其间的光。图4表示本发明的另一实施例，其中的光调制器为在光源18和第一反射镜26之间光学对准的传统液晶显示器30a的形式，用于有选择性地透过其间的光18a。液晶显示器30a可以具有适当数量的象素单元可被单独地接通或者断开，以便如产生屏幕图象22所需要地那样透过或者屏蔽光的一部分。同样的第一和第二反射镜26及28可与液晶调制器30a一起使用，以与上述第一实施例具有相同的性能和优点。
上述光投影器20利用的是比较简单的抛物面反射镜26及28，具有发散的光源18，用于准直和扩展来自调制器30,30a的光，以便照明显示器入口面14并在屏幕26上产生适当的图象22。该系统消除了对于精确的准直和聚焦透镜的需要，并且消除了由其带来的色差。该系统本来就紧凑，而且如果需要还可包括折叠式反射镜，以进一步改善该投影器包装使该显示面板10具有最小的体积。
虽然在此已对什么是所考虑的本发明优选的典型性实施例进行了描述，然而本发明的其它变化从这里的教导中本领域的普通技术人员将是清楚的，因而需要将所有这些变化包括在所附的权利要求书中，并落在本发明的精神和范围之内。
因此，美国已授权专利证书需要保护的，是以下权利要求书中所限定及区分的本发明。
权利要求
1．一种用于将光投影到-光学显示面板10中的光学系统20，包括多个叠层的光学波导12，在其一端限定一入口面14，并在与其倾斜配置的相反一端限定一出口屏幕16，包括一光源18；一第一反射镜26，用于沿第一轴线准直来自上述光源18的光，并使所述光沿第二轴线分布；以及一与上述第一反射镜26光学对准的第二反射镜28，用于准直沿上述第二轴线由之反射的上述光，并且分布上述光以照明上述入口面及在上述屏幕16上产生一图象22。
2．根据权利要求1的系统，其中所述第一和第二反射镜26。
3．根据权利要求2的系统，进一步包括一光学配置在上述光源18和上述第一反射镜26之间的光调制器。
4．根据权利要求3的系统，其中所述第一和第二反射镜26及28依次与上述显示器入口面14光学对准，以提供沿横向及侧向跨越的准直的未聚焦光。
5．根据权利要求3的系统，其中所述调制器30具有一宽度与高度的第一纵横比；所述显示器入口面14具有一宽度与深度的第二纵横比，其与上述第一纵横比，其与上述第一纵横比不同；所述显示屏16具有一宽度与高度的第二纵横比，其与上述第二纵横比不同；而且上述第一和第二反射镜26及28被成形为将来自上述调制器30的光跨过上述显示器入口面14分布，以跨过上述屏蔽16产生出与上述第一、第二和第三纵横比一致的上述图象。
6．根据权利要求5的系统，其中所述第一反射镜26被成形为将来自上述调制器的上述光横向扩展，以与上述入口面14相匹配；而且所述第二反射镜28被成形为阻止来自上述第一反射镜26的上述光的横向扩展，以与上述入口面14相匹配。
7．根据权利要求6的系统，其中所述调制器包括一光学对准在上述光源18和上述第一反射镜26之间的数字式微型反射镜器件30，用于有选择性地反射其间的光。
8．根据权利要求6的系统，其中所述调制器包括一光学对准在上述光源18和上述第一反射镜26之间的液晶显示器30a，用于有选择性地透过其间的光。
9．根据权利要求6的系统，进一步包括一光学对准在上述光源18和上述第二反射镜26之间的滤色盘24，用于有选择性地使上述光着色，以在上述屏蔽上产生一彩色图象22。
10．根据权利要求6的系统，其中所述光源18是非准直光。
11．一种用于将光投影在一光学显示面板10中的方法，包括多个叠层的光学波导12，在其一端限定一入口面14，并在与其倾斜配置的相反一端限定一出口屏幕16，包括首先反射来自一光源18的光，以使上述光沿一轴线横向分布；以及二次反射上述横向分布的光，以使上述光沿与上述一轴线垂直的另一轴线侧向分布，用以照明上述入口面14及在上述屏幕16上产生一图象22。
12．根据权利要求11的方法，进一步包括当上述光被首次和二次反射时使其准直。
13．根据权利要求12的方法，进一步包括选择性地调制来自上述光源18且在其被上述第一次反射之前的上述光。
14．根据权利要求13的方法，进一步包括选择性地使来自上述光源18且在其被上述第一次反射之前的上述光着色。
全文摘要
一种光学系统(20)，将光投影到一平面光学显示器(10)上。该显示器包括一些叠层的光学波导(12)，在其一端限定一入口面(14)及在其相反一端限定一出口屏幕(16)。第一反射镜(26)沿一第一轴线使来自一光源(18)的光准直，并使此光沿一第二轴线分布。第二反射镜(28)将沿第二轴线来自第一反射镜的光准直，以照明该入口面并在该屏幕上产生一图象。
文档编号G02B6/06GK1317097SQ99810549
公开日2001年10月10日 申请日期1999年7月14日 优先权日1998年8月28日
发明者詹姆斯·T·沃里丹 申请人:布罗克哈文科学协会