專利名稱：應用錐形波導的平板顯示器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種在錐形波導顯示器中消除失真的方法，其中光線進入錐形背板波導的平末端。
這種錐形波導顯示器包括一個視頻投影器，一個平直的背板波導，稱為“輸入”或“擴展”波導，用于沿寬度方向擴散來自投影器的光線，一個透明材料的錐形片用做一個泄露波導，光線從其表面的一點射出，該點是由光線入射的角度確定的。該錐形板開始處的厚度與擴展波導的厚度相同并逐漸減小為0。以接近臨界角的某一角度進入錐形板的光線更陡地來回反彈，直到在沿錐形板的某一個距離處射出，該距離依賴于入射的初始角。該系統(tǒng)描述在該申請人較早的申請WO01/72037中。
由于這些顯示器的屏幕不需要薄膜晶體管且可以用塑料制成，因此價格低且堅固耐用，但是入射的圖象可能會失真。具體而言，進入錐形板的一些射線，在臨界角處不能到達錐形輸出波導上存在的一些點，因此圖象被分割成中間具有陰影間隙的光帶。這樣在第n次回彈和第n+1次回彈之間沒有光線射出。這個問題是需要解決的。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種錐形波導顯示器裝置，其包括一個背板形式的輸入波導，入射到該波導一端的光線沿該波導回彈并從其另一端射出，該錐形波導顯示器裝置還包括一個錐形的輸出波導，用于在錐形板的厚端接收來自輸入波導的光線，并使其通過在錐形體內(nèi)的反射使光線傳播一定的距離，然后當錐形體內(nèi)的反射角超過臨界角時使光線從該錐形波導的一個表面發(fā)射；其中該錐形波導的厚度輪廓使得穿過兩個波導的光線在射出該錐形波導之前整體上回彈相同的次數(shù)。
在更早的申請中，錐形波導的楔形形狀是平面的，這就意味著可能存在一些間隙，在光線到達臨界角之前，隨著光線沿錐形板內(nèi)的輸入背板以及隨后沿錐形背板的內(nèi)反射，光線會在這些間隙內(nèi)不只一次地來回反彈。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與錐形波導的表面平直(flat)的輕微偏差通過確保回彈的次數(shù)總是相同的可以補償這個效應。這是由于已經(jīng)具有一個使回彈次數(shù)平衡的內(nèi)在趨勢以一個小角度入射的射線在輸入背板中經(jīng)常會回彈較少，但是在輸出背板中停留更長，反之亦然。
錐形背板的形狀可應用射線跟蹤計算，如果用于在一維上擴散圖象的輸入或擴展板在背板的平面上是一個(平直的)立方體，該計算將非常簡單。該輸入背板可以與錐形板是一體的，也可以與之是分開的；可以處于相同的平面上用光學裝置使之或“折疊”。通常，輸入和輸出波導具有大約相同的設計形狀，因此可對半折疊該裝置的端部。
雖然該裝置是按照顯示器來描述的，但是其也可以反向作為攝像機(camera)操作，如申請人較早的申請PCT/GB01/5266中所述。如果光源是一個簡單的點光源，則該裝置就成為一個簡單的光源，應用于LCD或全息照明。
為了更好地理解本發(fā)明，以下將通過例子并參考附圖描述本發(fā)明的實施例。


圖1所示為用于計算錐形波導的適當厚度輪廓的一個例示算法；圖2所示為應用圖1中的算法計算的錐形波導的輪廓；圖3所示為穿過錐形波導的射線的軌跡，其中圖3a所示為每個射線經(jīng)過574次回彈后的情況，圖3b所示為每個射線經(jīng)過575次回彈后的情況；圖4所示為成形的錐形板的一個實施例中厚度(t)相對于長度(z)的配置；圖5所示為如何折疊背板和錐形板，其中在背板的短邊沿具有一個大型鏡面校準器。
圖6所示為如何應用一系列隔柵和小散射區(qū)來降低模糊和提高反差比。
圖7所示為顯示器裝置的示意圖。
圖7示出了本發(fā)明采用的總體布置。一個投影器6(或如果該裝置反向操作時的一個攝像機(camera)，或只是一個用于產(chǎn)生區(qū)域照明的點光源)發(fā)射(或接收)將光線投入到矩形背板波導2的一個邊沿，該光線是由像素陣列構(gòu)成的圖象。在該波導中光線通過交替地在主表面上反射進行傳播。該背板通常具有平直的平行表面，雖然這一點不是必需的。當光線傳播時，其在背板的平面上并垂直于傳播的方向上橫向擴散，在遠端達到背板的整個寬度。這樣，圖象好象在寬度方向上被放大了。在那里，光線由一個柱面透鏡校準以進入相等寬度的背板波導1的平末端，但是該背板波導1在遠離投影器的高度方向上錐形化。這里，光線在不斷增加(更陡)的角度上進行內(nèi)反射，直到以Snell定律所給出的臨界角射出，例如可形成一個顯示器。該原理描述在WO01/72037中。
成形的錐形板是通過應用一個算法制成的，應用該算法計算錐形板的一系列厚度和這些厚度之間的距離，然后將這些數(shù)據(jù)輸入到一個數(shù)字控制機器中，該數(shù)字控制機器直接加工成形該錐形波導或加工成形一個模具以制作該錐形波導。也可以應用其他的加工方法制作該錐形波導。
該算法開始于對全部內(nèi)部反射確定射線角等于臨界角的射線，該內(nèi)部反射在背板/錐形板的邊界射離背板和錐形板的表面。當該射線沿輸入背板傳播時，將會回彈最大可能的次數(shù)，并且將在第一次回彈時射出該錐形波導。該算法確定射線在該輸入背板中少經(jīng)歷一個雙回彈時所需的射線角變化，然后計算該射線將要從該錐形板中射出的錐形板的厚度。然后，該算法計算從該錐形板的入口(即，厚端)到該射線射出的點之間所需的距離以使該射線在該錐形波導中多經(jīng)歷一個雙回彈，從而保持回彈的總數(shù)為常數(shù)，并且該算法將該錐形延伸配置為一個錐形厚度的新值。以上處理過程對于連續(xù)的射線角重復執(zhí)行，直到錐形板的厚度減小為0。
通過計算實驗射線穿過該背板的傳播情況可得到射線在該輸入背板中少經(jīng)過一個雙回彈時射線角所需的變化——該處理稱為射線跟蹤。在該實施例中，輸入或擴展背板具有平行的表面，并且射線角θin用以下的三角公式給出-cosθin=2Ltanθc-2btin2Ltanθc-2btin+4L2]]>其中b是比臨界角的射線回彈次數(shù)少的回彈次數(shù)，tin是擴展背板和錐形板輸入端的厚度，2L是擴展背板的長度，θc是臨界角。在此假定用玻璃制作背板，但是也可以應用任何適合的材料。
利用當射線進入該錐形板時，射線相對于玻璃/空氣界面的發(fā)現(xiàn)的射線角θin計算射線從錐形板中射出時的錐形板的厚度tc，其計算公式如下Δθ=2dtdz]]>Δz=2ttanθ]]>dθdz=1ttanθdtdz]]>tanθdθdz=1tdtdz]]>ddz(-lncosθ)=ddzlnt]]>tc=tincosθincosθc]]>通過跟蹤一個以角度θin穿過該錐形板的射線，可得到從該錐形板的入口到該射線射出的點之間所需的距離以使該射線在該錐形波導中多經(jīng)歷一個雙回彈。在任何雙回彈過程中，射線移動的距離可以用三角形式表示為在該點的楔形厚度t的兩倍乘以該點的射線角θ的正切。與厚度相關(guān)的射線角的正切計算如下tanθ=1-cos2θcosθ]]>=1cos2θ-1]]>=t2tin2cos2θin-1]]>圖1中示出了Mathworks公司用Matlab 4.2c.1版編寫的該實施例的一個算法。注意，在該例中，當折射率等于1.5時，θc的正切為 。
圖2示出了該實施例中錐形板的輪廓，該輪廓是應用圖1中所示的算法計算的，只是在可執(zhí)行代碼的第三行中有一處改變crit被設置為等于1/1.491756(即，光線在丙烯酸中的臨界角)的反正弦。四個實驗射線穿過1270mm長，起點為2.5mm厚的背板以及然后具有如圖2所示輪廓的錐形板時的兩個軌跡如圖3所示。圖3示出了射線在縱軸上沿錐形板并垂直于橫軸的平面?zhèn)鞑サ那闆r。在圖3a中，射線經(jīng)過574次回彈且不從錐形板中射出。在圖3b中，射線具有一個額外的回彈且所有射線，無論是錐形板起點附近的射線還是錐形板終點附近的射線，都從錐形板中射出。因此，輸入射線角的改變不會引起回彈次數(shù)的任何改變，這樣在任何點都不會產(chǎn)生陰影間隙。
圖1中的代碼稍有粗略，因此，錐形板的形狀還應該應用諸如Zemax的射線跟蹤程序通過實驗和校正來調(diào)整，以得到一個可以使所有射線經(jīng)過相同次數(shù)的回彈之后以大約相同的射出角度射離該錐形板的輪廓。以上實驗可通過跟蹤一個射線，使其在楔形的厚端射出，然后逐漸減小跟蹤射線的入射角度來實現(xiàn)。如果一個射線在射出時角度太小或回彈的次數(shù)太多，則該射線射出的位置與以前跟蹤射線射出的位置之間的錐形部分應該縮小。如果一個射線在射出時角度太大或回彈的次數(shù)太少，則該射線射出的位置與以前跟蹤射線射出的位置之間的錐形部分應該增長。
看起來在一定限制條件下錐形板的精確形狀是不重要的，重要的是沿長度方向的錐形板的厚度。錐形板的一個表面可以為平面，或兩個平面為波浪形，或其他任何形狀。
圖4示出了采用本發(fā)明的錐形板的厚度和長度的配置，其中錐形板的厚端厚度為15mm，錐形板的長度約為1130mm，與其相接的背板的長度為1270mm，厚度為15mm。圖5示出了正視的平面圖中的錐形板1以及擴展背板2，在背板2上有一個折疊3以合并背板2和成形的錐形板1的過渡，在背板/錐形板界面的任一側(cè)有一個44mm區(qū)，其是一個平滑的曲線4，該曲線的弧度半徑為8500mm。
如果需要一個較厚的錐形板，則背板和錐形板的厚度應該線性地調(diào)整。如果需要一個更長的錐形板，則背板和錐形板的長度應該線性地調(diào)整。
如果在所有投影角度上都要避免出現(xiàn)間隙，則重要的是當射線在背板和錐形板之間校準時，從投影器到楔形的光路長度不會被改變。因此，不適合應用菲涅耳反射鏡，但是傳統(tǒng)校準鏡將使顯示器的邊沿出現(xiàn)彎曲的效果。為了使該彎曲最小，射線被平行于顯示器(建議其為通常的矩形)的較長尺寸入射到位于較短側(cè)的鏡面5上，如圖5所示。至少對于一個顯示器來說，該波導的高寬比通常小于2。圖5中未示出背板內(nèi)的折疊，如果需要將視頻投影器6放置在顯示器的一個較長側(cè)的中央，且將半透明屏幕設在錐形波導的上部，則建議引入背板內(nèi)的折疊以使任何方向都可看到圖象。
當射線的入射角到達剛剛小于臨界角的角度時，射線只被部分傳播，且不需要的反射射線成分將以模糊了相鄰的象素的方式沿波導射出。但是，該反射成分以比開始時更陡的角度射出，避免模糊的一個方法是在距波導的一個距離處隔開該不透明的屏幕，從而當射線撞擊屏幕時其兩種成分是一致的。該方法的缺點是其將使整個顯示器更厚，在任何情況下，本發(fā)明中改進的顯示器需要比正常的顯示器更厚以保持寬域(étendue)。
因此，優(yōu)選為在錐形波導板7上設置一系列不透明的隔柵8，如圖6所示。以便當射線首先以小于臨界角的角度入射時所傳輸?shù)纳渚€成分10通過，但是這些隔柵可阻止反射的射線成分11。散射元件9如熒光體或折射表面應該放置在每個隔柵的端部，并使該散射元件很小，這樣大部分環(huán)境光12將被這些隔柵吸收。元件9可以選擇是放射的，如可被短波激發(fā)的熒光體，該短波可能是UV、輸入光線。本發(fā)明所得到的屏幕薄且沒有模糊，具有良好的反差比且不需要抗反射涂層。
權(quán)利要求
1.一種錐形波導顯示器裝置，包括一個背板形式的輸入波導(2)，入射到該波導一端的光線沿該波導回彈并從其另一端射出；一個錐形的輸出波導(1)，用于在錐形板的厚端接收來自輸入波導的光線，并通過在錐形體內(nèi)的反射使光線傳播一定的距離，然后當錐形體內(nèi)的角度超過臨界角時使光線從該錐形波導的一個表面發(fā)射出去；其中該錐形波導的厚度輪廓使得光線穿過兩個波導時整體上回彈相同的次數(shù)，然后射出該錐形波導。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯示器裝置，其中輸入波導(2)是平直的矩形立方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的顯示器裝置，其中兩個波導由相同的材料制成。
4.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的顯示器裝置，還包括一個在擴展波導和錐形波導之間引導光線的校準元件(5)，以便在該錐形波導的平面內(nèi)分解后，光線基本平行地傳輸。
5.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的顯示器裝置，還包括一個屏幕，該屏幕位于該錐形波導上，用于擴散射出的光線以增加視角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的顯示器裝置，其中該屏幕包括以一個適當?shù)慕嵌葍A斜的隔柵(8)，用于通過射出的射線，該屏幕還包括這些隔柵之間的散射元件(9)。
7.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的顯示器裝置，還包括一個用于入射圖象到輸入波導上的視頻投影器(6)。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求1-6中任何一個權(quán)利要求所述的顯示器裝置，還包括一個有效的點光源，因此該裝置可用做一個平面光源。
9.一種制作錐形波導顯示器的方法，包括一個背板形式的輸入波導(2)，入射到該波導一端的光線沿該波導回彈并從其另一端射出，該錐形波導顯示器裝置還包括一個錐形的輸出波導(1)，用于在其厚端接收來自輸入波導的光線，并使光線傳播一定的距離，然后當錐形體內(nèi)的角度超過臨界角時光線從其表面射出；其中從輸入波導內(nèi)的最大回彈次數(shù)開始，計算輸入波導內(nèi)每減少一個雙回彈的錐形板的厚度，直到該厚度到達下限，這樣就形成該錐形波導或該錐形波導的摸具。
全文摘要
一種錐形波導顯示器裝置包括一個背板形式的輸入波導(2)，從一個投影器(6)將光線入射到該波導一端，使得該光線沿該波導回彈并從其另一端射出，該錐形波導顯示器裝置還包括一個錐形的輸出波導(1)，用于在錐形板的平末端接收來自輸入波導的光線，并以更陡的角度回彈直到該角度到達臨界角，此時光線從該錐形板的表面發(fā)射出去；為了消除顯示器中的陰影間隙，改變該錐形波導的厚度輪廓以使所有光線在射出該錐形波導之前回彈相同的次數(shù)。
文檔編號G09F13/00GK1539245SQ02815227
公開日2004年10月20日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月2日
發(fā)明者艾德麗·羅伯特·利·特拉維斯, 艾德麗 羅伯特 利 特拉維斯 申請人:劍橋平投影顯示有限公司