專利名稱：小型顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的共有技術(shù)特征部分所限定的顯示裝置，即涉及一種包括用于形成物像源的反射式顯示裝置、用于照明反射式顯示裝置的光源、和用于投射物像源的虛像的光學(xué)系統(tǒng)的顯示裝置。
小型顯示器用于頭戴式顯示裝置和一些例如個人數(shù)字輔助裝置、移動電話和WAP電話等的小的個人裝置。
從美國專利5,892,624中已知一種小型顯示裝置。該顯示系統(tǒng)包括一個帶棱鏡的光學(xué)系統(tǒng)，該棱鏡具有浸沒光束分離器和反射鏡元件；一個用來形成物源的反射式液晶顯示板；和一個用來照明反射式液晶顯示器的光源。工作時光源通過棱鏡照明反射式液晶顯示板。反射式液晶顯示器對光線進行調(diào)制，并通過光束分離表面的反射性將輻射光反射到反射鏡元件上。反射鏡元件通過棱鏡中的光束分離表面使源物在觀察者的眼中成像。
在這種顯示器中，可以采用鏡面反射式液晶顯示裝置(LCD)，例如硅底板液晶(LCOS)顯示板。然而，在這種情況下，可獲得到的最大對比度受到限制。
本發(fā)明的目的是提供一個對比度改善的小型顯示系統(tǒng)。此目的將通過由本發(fā)明的權(quán)利要求1限定的一種顯示系統(tǒng)來實現(xiàn)。本發(fā)明的依椐是當(dāng)照明基本垂直于反射式顯示板平面時，鏡面反射顯示器的對比度最大。在已知的顯示裝置中，由于照明裝置出現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)的成像路徑上，所以將產(chǎn)生出問題。在按本發(fā)明的顯示系統(tǒng)中，在不干擾成像路徑的情況下，照明光可通過一次或多次在光導(dǎo)向裝置中的全內(nèi)反射被引導(dǎo)成垂直于顯示裝置的平面。
按本發(fā)明的一種特殊實施形式由權(quán)利要求2限定。這種裝置可提供一個小型顯示裝置。在本發(fā)明的另一實施形式中，平行六面體作為光導(dǎo)向裝置。平行六面體形狀的適配性可提供小型顯示系統(tǒng)和反射式顯示器的大致垂直的照明。
本發(fā)明的另一實施形式由權(quán)利要求6限定。在此實施形式中，垂直照明是通過安置在光學(xué)系統(tǒng)和反射式顯示裝置之間的光導(dǎo)向裝置來實現(xiàn)的。該光導(dǎo)向裝置可包含棱鏡。
在從屬權(quán)利要求中還限定了另一些有利的實施形式。
參照下面要描述的一些具體實施形式可以明了本發(fā)明的上述及其它的方面。
在附圖中

圖1示出了照明顯示板的平行六面體的第一個顯示器的例子，和圖2示出了照明顯示板的TIR棱鏡的第二個顯示器的例子。
圖1為第一個顯示器的例子，其中利用光導(dǎo)向裝置的全內(nèi)反射對顯示器進行照明。第一顯示器1包括照明源2和光學(xué)系統(tǒng)3，該光學(xué)系統(tǒng)包括偏振光束分離(PBS)棱鏡4，四分之一波片15，和凹面鏡5。此外，此第一顯示器1還包括反射式顯示板6。照明源2包含三個分別發(fā)射紅、綠、蘭光的LED 7，8，9，以用于反射式顯示板6的彩色順序照明。光導(dǎo)向裝置放在LED 7，8，9和反射式顯示板6之間。在這個第一顯示器1中，光導(dǎo)向裝置是由偏振光束分離棱鏡4形成的，它包括一個玻璃制成的平行六面體。平行六面體4包含分別指向同一方向的第一對和第二對平行面10，11；17，18，以及垂直于另外兩對面的第三對面。平行六面體4的第一對平行面10，11中的一個面作為入射面10，該入射面10與平行六面體4的第二對平行面17，18中的一個面之間的角度α最好是60°。這個角度α可用來減小第一顯示裝置1的厚度。此厚度是指平行六面體4第二對面17，18之間的距離。玻璃可以為BK7型。優(yōu)選的是，平行六面體4設(shè)置一個光束分離表面13，它與平行六面體4第二對平行面17，18中的一個面所成的角度為30°。光束分離表面13包含一個絲網(wǎng)起偏振器，其可從Moxtek公司訂貨?；蛘咭部梢圆捎秒p亮度增強膜(DBEF)，其可向3M公司訂貨。LED 7，8，9安裝在平行六面體4的入射面10處。在LED 7，8，9與平行六面體4之間可以安一個起偏振器14，以改善像的對比度。如需要，可以裝一個漫射器(未示出)來改善反射式顯示板6上的光分布。反射式顯示板6裝在與平行六面體4的入射面10平行的平行六面體4出射面11處。第一顯示板6包括反射式液晶顯示板，例如0.47″的硅底板液晶(LCOS)顯示板。優(yōu)選的是，在LCOS顯示板6和平行六面體4的出射面11之間設(shè)置一個透鏡12，以降低所形成像的場曲率和像畸變。在凹面鏡5和面對它的平行六面體4的第二對面中的一個面17之間設(shè)置有四分之一波片15。
在工作中，紅、綠、蘭LED 7，8，9在一個周期內(nèi)順序啟動，此周期與順序傳送到LCOS顯示板6上的各個紅、綠、蘭圖像信息相同步。LED 7，8，9通過起偏振器14將紅、綠、蘭色發(fā)射至平行六面體4的入射面15上。起偏振器14只傳輸沿第一方向偏振的那部分發(fā)射光。平行六面體4將發(fā)射光傳送至光束分離表面13。此光束分離表面13通過透鏡12將沿第一方向偏振的一部分發(fā)射光傳送給LCOS顯示板6。LCOS根據(jù)所提供的圖像信息使紅、綠、蘭的發(fā)射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)，并把發(fā)射光反射回平行六面體4。平行六面體4把發(fā)射光傳送給光束分離表面13。光束分離表面13借助于四分之一波片15將沿垂直于第一方向的第二方向偏振分量的一部分發(fā)射光反射到凹面鏡5上。凹面鏡5通過四分之一波片15將發(fā)射光反射回平行六面體4，并形成一個LCOS顯示板6的虛像。由于發(fā)射光通過四分之一波片兩次，使得發(fā)射光的偏振沿第一方向旋轉(zhuǎn)。在平行六面體4中，偏振光束分離表面13將發(fā)射光傳至觀察者的眼睛16。使用第一顯示器1的觀察者將在2米距離和32°觀察角處看到一個虛像。這相當(dāng)于在3米的距離處觀察一個對角線1.3米的屏，或在0.75米的距離處觀察一個19″監(jiān)視器。平行六面體的第一對面10，11和第二對面17，18之間的α角與平行六面體4內(nèi)產(chǎn)生的全反射相適配，可使得顯示裝置較緊湊，并向反射式LCOS顯示板6提供基本上垂直的照明。LCOS顯示板6為基本垂直的照明使所成像的對比度得以改善。
圖2所示為第二個顯示裝置的例子。在第二顯示裝置21中，光導(dǎo)向裝置設(shè)置于反射式顯示裝置26和光學(xué)系統(tǒng)23之間。第二顯示器21包括照明源22和光學(xué)系統(tǒng)23，該光學(xué)系統(tǒng)包括平行六面體24、四分之一波片42和凹面鏡25。平行六面體24包括分別指向同一方向的第一對和第二對平行面24，31；43，44以及垂直于另外兩對面的第三對面(未示出)。平行六面體的第一對平行面24，31中的一個面作為入射面31，該入射面31與第二對平行面43，44中的一個面之間的角度α最好是80°。此角度α可用來減小第二顯示裝置21的厚度。這個厚度是指平行六面體24第二對面43，44之間的距離。照明源22包括分別發(fā)射紅、綠、蘭光的三個LED 27，28，29，以用于顯示裝置26的彩色順序照明。光導(dǎo)向裝置由TIR棱鏡35形成。TIR棱鏡35包括一個頂角x大于90°的三角形棱鏡和一底面39。TIR棱鏡35安置在反射式顯示屏6和光導(dǎo)系統(tǒng)之間，使得TIR棱鏡35的入射面或底面39面對著平行六面體24的入射面31，并在這些面31，39之間形成一個空氣隙。LED 27，28，29安裝在TIR棱鏡35的入射面39的一部分上。優(yōu)選的是，在LED 27，28，29和TIR棱鏡35之間設(shè)置一個起偏振器36和一個擴散片37。反射式顯示板6，例如與應(yīng)用于第一顯示裝置類似的LCOS顯示板，被安裝在TIR棱鏡35出射面40上，此出射面處于入射面39和反射式顯示板6之間。優(yōu)選的是，在LCOS顯示裝置26和TIR棱鏡35之間安裝一個透鏡，以降低所成像的場曲率和像畸變。此外，在平行六面體24和TIR棱鏡35的底面39之間裝有一個反射式起偏振器41。平行六面體24和TIR棱鏡35的材料可用BK7型玻璃。一般而言，平行六面體24和TIR棱鏡35的材料的折射率越高，系統(tǒng)就越緊湊。為減小色差，透鏡32的材料的折射率可選得與平行六面體24和TIR棱鏡35的材料的折射率不同。光束分離表面33和反射式起偏振器41可以是一個絲網(wǎng)起偏振器，其可從Moxtek公司訂貨。也可以采用雙亮度增強膜(DBEF)，其可向3M公司訂貨。另外，在鄰近平行六面體24的第二對面中一個面的位置處放置一個凹面鏡，并可在出射面43和凹面鏡25之間設(shè)置一塊四分之一波片42。
在工作中，紅、綠、蘭LED 27，28，29在一個周期內(nèi)順序啟動，此周期是與順序傳送到LCOS顯示板26上的各個紅、綠、蘭光圖像信息同步的。LED 27，28，29通過起偏振器36和擴散器37交替地把紅、綠、蘭發(fā)射光傳至TIR棱鏡35的入射面39的一部分上。起偏振器36只傳送具有沿第一方向偏振的一部分發(fā)射光。TIR棱鏡的面38不面對LCOS顯示板26且處于TIR棱鏡35的出射面40和底面39之間，該面38在平行六面體24的入射面31處將發(fā)射光反射至反射式起偏振器41。反射式起偏振器41通過TIR棱鏡35和透鏡32將具有沿第一方向偏振分量的發(fā)射反射至LCOS顯示板26。LCOS顯示板26則根據(jù)所提供的圖像信息使紅、綠、蘭輻射的偏振方向旋轉(zhuǎn)，并通過透鏡32和TIR棱鏡35將發(fā)射光反射回在平行六面體24的入射面31處的反射式起偏振器41。反射式起偏振器41把具有沿垂直于第一方向的第二方向偏振分量的那部分發(fā)射光傳送至平行六面體24。平行六面體24的光束分離表面33通過四分之一波片42將具有沿第一方向偏振分量的那部分發(fā)射光反射至凹面鏡25。凹面鏡25通過四分之一波片42將發(fā)射光反射回平行六面體24并形成LCOS顯示板26的一個虛像。由于發(fā)射光通過四分之一波片42兩次，使得偏振沿第一方向旋轉(zhuǎn)。此刻光束分離表面33把發(fā)射光傳至觀察者的眼睛46。采用第二顯示裝置21的觀察者將在3米的距離和35°的觀察角處看到一個虛像。這相當(dāng)于在0.75米處觀察一個19″的監(jiān)視器。入射面31的角度α與平行六面體24的另一對平行邊43，44中的一個相適配，可使顯示器更緊湊，并且TIR棱鏡35的頂角x的適配借助于TIR棱鏡35的全反射向反射式LCOS顯示板26提供大致垂直的照明。LCOS顯示板26的這種垂直照明可改善所成像的對比度。由于光學(xué)系統(tǒng)的入射口在TIR棱鏡35的底面39處，LCOS顯示板26的所有像素都由同一面38照明，故能提供比圖1所示的第一顯示裝置1更均勻的照明。另外，在第二顯示裝置21中的照明不是在光束分離表面33的眼睛側(cè)，所以干擾所成像中照明系統(tǒng)反射的機會比第一顯示裝置1要少。
權(quán)利要求
1.一種顯示裝置，其包括用于形成物像源的反射式顯示裝置、用于照明該反射式顯示裝置的光源、和用于投射該物源的虛像的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該顯示裝置包括光導(dǎo)向裝置，其借助于全反射以用于該反射式顯示裝置的大致垂直的照明。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，該光學(xué)系統(tǒng)包括平行六面體、四分之一波片、和反射鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的顯示裝置，其特征在于，該光導(dǎo)向裝置包括平行六面體，其中該光源面對著該平行六面體的一個面，該反射式顯示板定位成鄰近該平行六面體的所述一個面的相對面。
4.如權(quán)利要求2所述的顯示裝置，其特征在于，該平行六面體包含一個偏振光束分離表面，其用于將具有第一偏振方向的發(fā)射光的一部分傳送至該反射式顯示裝置并且將由該反射式顯示裝置反射的具有第二偏振方向的發(fā)射光的一部分反射至該四分之一波片和該反射鏡，該第二偏振方向與該第一偏振方向垂直，并且將具有沿該第一方向偏振的被反射的發(fā)射光的一部分從該四分之一波片和反射鏡傳送至觀察者。
5.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，該光導(dǎo)向裝置定位在該光學(xué)系統(tǒng)和該反射式顯示裝置之間。
6.如權(quán)利要求5所述的顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置在光導(dǎo)向裝置和光學(xué)系統(tǒng)之間設(shè)置有一反射式偏振裝置，其用于將具有第一偏振方向的發(fā)射光從光導(dǎo)向裝置傳送至該反射式顯示裝置，并把具有垂直于該第一偏振方向的第二偏振方向的被反射的發(fā)射光的一部分從該反射式顯示裝置傳送至該光學(xué)系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6所述的顯示裝置，其特征在于，該光導(dǎo)向裝置包含棱鏡。
8.如權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其特征在于，面對該光學(xué)系統(tǒng)的入射面的棱鏡的側(cè)面的一部分與該光源光耦合。
9.如權(quán)利要求8所述的顯示裝置，其特征在于，該光學(xué)系統(tǒng)包括平行六面體、四分之一波片、和反射鏡。
10.如權(quán)利要求9所述的顯示裝置，其特征在于，該平行六面體包含一個偏振光束分離表面，其用于將來自于該反射式顯示裝置的具有沿第二方向偏振的發(fā)射光的一部分通過四分之一波片反射至該反射鏡，并將具有沿第一方向偏振的反射的發(fā)射光的一部分從該四分之一波片和反射鏡傳送至觀察者。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的顯示裝置，其特征在于，另一偏振裝置定位在發(fā)射光源和光導(dǎo)向裝置之間，其用于傳送具有沿第一方向偏振的發(fā)射光。
12.如上述權(quán)利要求中任一項所述的顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置包括定位在該反射式顯示裝置和該光學(xué)系統(tǒng)之間的透鏡。
13.如上述權(quán)利要求中任一項所述的顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置包括反射式液晶顯示器或數(shù)字型微鏡式顯示器。
14.一種安裝在頭部的顯示裝置，其設(shè)置有如上述權(quán)利要求中任一項所述的顯示裝置。
全文摘要
一種小型顯示裝置，其可用于小的個人裝置，例如頭載式顯示裝置、移動電話、和個人數(shù)字輔助裝置(PDA)。該顯示裝置包括光源、用于形成物像的反射式顯示板、以及用于投射物像的虛像的光學(xué)系統(tǒng)。為了改善反射式顯示板的照明，在顯示裝置中設(shè)置一個光導(dǎo)向裝置，其借助于全反射使反射式顯示板獲得大致垂直的照明。
文檔編號G02F1/13GK1464987SQ02802249
公開日2003年12月31日 申請日期2002年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者W·羅斯特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司