CN100412683C - 便携多模式显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种带有光学引擎的便携装置，适合在四种不同模式下从像源形成图像而使观察者能够观看图像。像源是微显示器装置，可以是反射型、透射型或发射型的。显示模式包括近眼显示(NED)模式、近投影显示(NPD)模式、提供虚像给远处的观察者的窗口模式以及在远处表面上投影图像的投影显示模式。便携装置有内部光源，用于在前三种模式下提供照明给像源。便携装置还适合接收从外部光源输出的光以用于第四种模式。

Description

便携多模式显示装置
技术领域
一般来说，本发明涉及一种便携装置，更具体地说，涉及一种带有高分辨率显示器的便携装置，用于观看静态和视频图像，并具备多媒体功能。
背景技术
习惯于轻便生活方式的人们都希望能够通过一台诸如移动电话、个人数字助理、通信装置之类的便携装置即时访问大量信息。虽然习惯作法是使用低分辨率的液晶显示(LCD)板来显示网络信息和文本消息，但是最好是使用高分辨率显示器来浏览丰富的文本和图像信息内容。高分辨率显示器通常至少具有SVGA(800×600像素)分辨率，并且是有源矩阵类型的。它们可以用于直视显示器或者虚拟显示器。虚拟显示器被称为近眼显示器(NED)。直视显示器可以同时对几个观察者可见，而虚拟显示器只能供一个人观看。虚拟显示器一般由微显示器和成像光学器件组成。它们可以是单目的或双目的。在虚拟显示器中感知的图像可以比装置本身大一些。虚拟显示器的可用性很大程度上取决于微显示器和光学器件的性能。
从成像光学器件向眼睛发出的光束大小被称为出射光瞳。在NED中，出射光瞳的直径通常为大约10mm。如果扩大出射光瞳，则虚拟显示器的使用简易性会显著提高。当出射光瞳足够大时，装置就可以与眼睛隔开一定距离，显示器将不再是NED，但仍然是一种虚拟显示器。在本上下文中，这种操作模式被称为窗口模式。
人的眼睛能够分辨的像素间距决定了高分辨率直视显示器必需的尺寸。这意味着，实际上，显示器的尺寸将大于小型便携装置本身。除虚拟显示以外，图像的投影也提供了克服这一难题的方法。然而，即使投影图像的对角线仅有大约10英寸，照明的功耗对于用电池供电的便携装置来说还是太高了。提供一种能以合适的尺寸显示高分辨率图像的方法是有利和合乎需要的。对于用电池供电的装置，窗口或投影模式是可取的。窗口模式中的功耗略微大于NED模式中的功耗，但对于电池供电来说是合理的。投影模式的功耗取决于投影图像的尺寸。因此，在电池供电时，投影图像尺寸是受限的。如果投影图像的大小相当于典型计算机监视器的尺寸或更大，就需要连接外部光源。
发明内容
本发明的主要目的是使用一种具有显示系统的便携装置，所述显示系统可以在若干显示模式下工作，使用微显示器作为像源，并且通过对应于不同显示模式的不同光学配置来放大图像。
第一种工作模式是虚拟近眼显示(NED)，通常使用微显示器作为像源，并使用一种成像光学配置把图像送到观察者的眼中。
第二种模式是近投影显示(NPD)，使用近场投影光学配置在例如5-25cm的近距离处的屏幕上提供投影图像。
第三种模式是窗口模式显示(WMD)，其中，图像通过扩大成像光学配置的出射光瞳的特殊光学元件来呈现，使得呈现在微显示器上的图像被作为虚像提供给相隔一定距离的观察者。
第四种模式是投影显示(PD)，由此，例如，图像被投影到与装置相隔0.5m-2.5m的距离的屏幕上，而且实像看上去对角线长达1m。
根据本发明，一种光学引擎被用来根据装置的每种工作模式的光学配置来形成图像。这种光学引擎由如微显示器装置之类的像源、光源、一个或多个用于从照亮像源的光源收集光线的透镜、其它光学元件以及一个或多个构成成像光学器件的透镜组成。许多不同的透镜配置被用来实现所需的显示模式。由便携装置中的一个或多个电池供电的内部光源在前三种模式中用来照明。然而，为了在与便携装置相隔一定距离设置的屏幕上投影图像，可能需要外部光源。最好通过光学光导把照明光从外部光源导入便携装置。
所述外部光源包括控制装置，能够在下列模式中工作：
第一工作模式，用于阻止所述外部光源提供的光束被所述光导传递到所述便携电子装置，以及
第二工作模式，用于使来自所述外部光源的光束能够被所述光导传递到所述便携电子装置，以及其中所述便携电子装置还包括响应所述显示模式的部件，用于当所述选取的一种显示模式是所述虚拟近眼显示或窗口模式显示模式时向所述控制装置发送信号，以便选择所述第一工作模式，并且用于当所述选取的一种显示模式是所述投影或近投影模式时选择所述第二工作模式。
因此，本发明提供了一种便携装置，具有多种用于向观察者提供图像的可选显示模式，所述便携装置的特征在于：
像源；
照明光源，用于为像源提供照明光，以便从像源提供输出光；
第一光学配置，用于沿着第一光学配置的光路从输出光形成图像；以及
第二光学配置，设置在光路中，用于修改第一光学配置的成像。
根据本发明，可选的显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过把一只眼睛放在邻近于便携装置的光路上来感知图像；
第二模式，用于使观察者能够感知在邻近于便携装置的光路中设置的表面上形成的图像；
第三模式，用于使观察者能够通过把眼睛放在与便携装置相隔一定距离的光路中来感知图像；
第四模式，用于使观察者能够感知在与便携装置相隔一定距离的光路中设置的表面上形成的图像；
阅读了结合图1至7所作的说明之后，会理解本发明。
附图说明
图1是说明根据本发明的便携装置中的一些基本组件的框图。
图2a是说明具有反射型微显示器的光学引擎的图形表示。
图2b是说明具有透射型微显示器的光学引擎的图形表示。
图2c是说明具有发射型微显示器的光学引擎的图形表示。
图3是说明用来在NED配置中提供虚像的光学引擎的图形表示。
图4是说明用来通过反射镜在近距离的屏幕上提供实像的光学引擎的图形表示。
图5是说明用来提供要与便携装置相隔一定距离来观察的虚像的光学引擎的图形表示。
图6是说明用来在与便携装置相隔一定距离设置的屏幕上提供实像的光学引擎的图形表示。
图7是说明外部光源的图形表示。
具体实施方式
根据本发明的便携装置1采用光学引擎16和不同的光学配置，在不同显示模式下向观察者提供图像。便携装置1可以是移动电话、个人数字助理(PDA)、通信装置或者其它便携电子装置。便携装置1最好是具有外壳10，其中容纳了用于从外部装置接收信息和向外部装置发送信息的通信单元12、用于处理接收或发送的信息的控制和处理单元14。更具体地说，控制和处理单元14和光学引擎16可工作地相连，用于提供图像数据给微显示器装置32，32’或者32”，以便在其上显示图像(参阅图2a至2c)。另外，便携装置1包括内部光源20，用于提供照明光给光学引擎16，必要时，还包括内部电源22，用于提供电力给内部光源20。内部电源22可包含一个或多个电池。此外，当光学引擎16被用于在远处屏幕上投影实像时，可能需要从外部光源引入光束。因此，最好有连接器24把光导70的一端与便携装置1连接(图6和图7)。为了选择显示模式，最好有一个装置18为不同的显示模式选择不同的光学配置。
根据本发明的光学引擎16可包含反射型微显示器32、透射型显示器32’或者发射型显示器32”作为像源。如图2a所示，使用一个或多个透镜30从内部光源20收集光100或者光导70引入的光束100’，并将收集的光放大成宽束102，用于照亮微显示器32。使用一个或多个透镜36从微显示器装置32收集输出光，用于形成图像。
如图2a所示，使用分束器34来折叠照明光束102的光路。更具体地说，分束器34是偏振分束器(PBS)，反射光束102是s-偏振的。通过这样的配置，向观察者提供图像的光束104是p-偏振的。
当透射型微显示器装置32’被用作像源时，如图2b所示，不用折叠扩展光束102的光路，将微显示器装置32’放置在照明光学器件30和成像光学器件36之间是可能的。不同偏振轴的偏振器40和42最好是用来提供具有正交偏振的光束。
当发射型微显示器装置32”被用作像源时，如图2c所示，不需要照明光学器件，也不需要光源。采用发射型微显示器装置32”，光学引擎16可没有足够的光用于在远处屏幕上投影实像。
应当理解，成像光束104沿着成像光学器件36所定义的光路130传播。为了观察微显示器装置32、32’、32”上显示的图像，必须把眼睛或目标放在光路130上。成像光学器件36在最简单的情况下就是放大透镜。在更复杂的情况下，可能是若干光学元件。为了使光学引擎16中的成像光学器件36能够被重新安排或重新配置，从而根据装置1的工作模式形成图像，成像光学器件36最好包含多个透镜和其它光学组件。
光学引擎16是这样设计的，在NED配置中，观察者150可通过把眼睛放在邻近于便携装置1的光路130上，直接观看成像光学器件36形成的图像，如图3所示。在这种NED模式中，光学引擎16提供的图像是虚像。感知的图像尺寸可能略大于或者明显大于微显示器装置32本身。在NED模式中，功耗很少。因此，使用内部光源20照明是可能的。内部光源20可包含例如一个或多个由便携装置1中的一或两个电池供电的发光二极管，但是使用不同类型的照明装置也是可行的。
图4说明用于近投影显示(NPD)模式的光学配置。当便携装置1用于NPD模式时，成像光学器件36被重新安排或重新配置，从而在表面或者屏幕60上形成实像。反射面62、如第一表面反射镜被用来折叠成像光束106的光路。投影图像最好是对角线大约长10cm，并且屏幕是装置的组成部分。尽管NPD模式中的功耗预计大大高于NED模式中的功耗，使用内部光源20照明仍然是可能的。屏幕60最好具备这样的特性：可以在相当大的视角范围内观看图像。系统无需折叠式反射镜就可使用，或者，为了尽量减小装置尺寸，可以使用若干反射镜来折叠成像光束106。将另外的透镜和其它光学组件设置在光学引擎16和屏幕60之间以重新配置NED光学器件是可行的。
在第三显示模式(WMD)中，使用另外的光学组件来扩展光学引擎16中的成像光学器件36的出射光瞳，使得成像光学器件36形成的虚像能够在离装置更远的距离观察。如图5所示，出射光瞳扩展器54的输出光120将在与装置1相隔一定距离处形成虚像。在此WMD模式中被观察者感知的虚像可以大于扩展器54本身的物理尺寸，因为图像出现在稍远处。这种模式的功耗略高于NED模式的功耗，但是低于NPD模式的功耗。使用内部光源20照明是可能的。
在图6中说明根据本发明的便携装置1的第四显示模式。当装置在第四显示模式下使用时，成像光学器件36被重新安排或重新配置，从而通过成像光束108在相隔更远距离的更大屏幕64上投影实像。在这种显示模式中，要求使用外部光源来提供强光束以照明微显示器32、32’。为了实现这种显示模式，最好通过连接器24使用光导70从外部光源80(图7)向便携装置1传输照明光束。使用设置在光学引擎16和屏幕64之间的另外的透镜和其它光学组件来重新配置NED光学器件是可能的。
用于投影的光源通常是放电灯，例如超高压(UHP)汞灯。这种汞灯的效率通常仅大约10％，其余能量转化成热量。相当大的一部分热量是红外(IR)辐射，可使微显示器过热，导致对便携装置本身的严重损害，甚至在短时间内损坏它。这个问题与以下事实相混合：在便携装置中没有足够的空间包含有效的冷却系统以驱散与光源相关的热。因此，必须使用外部光源80，如图7所示的外部光源，替代内部光源20。
如图7所示，采用带有反射器的灯84作为光源。灯84由电源82供电。从灯输出的光被IR/UV滤光器86过滤并聚集到光导70中。最好在光路中提供光序列发生器88，从而在便携装置1的控制下把进入光导70的光束变成有序的颜色。如图7所示，连接便携装置1和外部光源80的电缆72允许便携装置1根据选择的显示模式向光序列发生器88发送控制信号。
总之，根据本发明的便携装置包含适合根据一个或多个显示模式形成图像的光学引擎。便携装置的设计使得不同显示模式之间的改变能够容易地实现。
尽管已参照优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上作出上述和其它各种变更、省略和偏离。

Claims (20)

1. 一种便携电子装置，能够提供用于向观察者提供图像的多种可选显示模式，所述便携电子装置包括：
像源；
用于向所述像源提供图像数据的电子单元；
为所述像源提供照明光、以便从所述像源提供输出光的光源，以及
光学配置，用于使所述像源提供的所述输出光沿着所述光学配置的光路形成图像，其中所述光学配置适合改变，使得所述图像形成是基于从所述显示模式中选取的一种模式，以及其中所述显示模式中的至少一种用来形成虚像。
2. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在所述光路上而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够感知在设置于所述光路中的表面上形成的图像。
3. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在邻近于所述便携电子装置的光路上而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够感知在邻近于所述便携电子装置的光路中设置的表面上形成的图像。
4. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在邻近于所述便携电子装置的光路中而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够感知在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中设置的表面上形成的图像。
5. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够感知在邻近于所述便携电子装置的光路中设置的表面上形成的图像。
6. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够感知在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中设置的表面上形成的图像。
7. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式包括：
第一模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在邻近于所述便携电子装置的光路中而感知图像；以及
第二模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中而感知图像。
8. 如权利要求3所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式还包括第三模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中而感知图像。
9. 如权利要求3所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式还包括第三模式，用于使观察者能够感知在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中设置的另一表面上形成的图像。
10. 如权利要求9所述的便携电子装置，其特征在于，所述可选显示模式还包括第四模式，用于使观察者能够通过将其眼睛放在与所述便携电子装置相隔一定距离的光路中而感知图像。
11. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述像源是反射型微显示器装置。
12. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述像源是透射型微显示器装置。
13. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于，所述像源是发射型微显示器装置。
14. 如权利要求2所述的便携电子装置，其特征在于所述光源包括：
第一照明装置，由所述便携电子装置内设置的一个或多个电池供电，以及
第二照明装置，具有用于向所述便携电子装置传递外部光源提供的光束的光导；以及其中
当所述选取的一种显示模式是所述第一模式时，采用所述第一照明装置向所述像源提供照明光，以及
当所述选取的一种显示模式是所述第二模式时，采用所述第二照明装置向所述像源提供照明光。
15. 如权利要求9所述的便携电子装置，其特征在于所述光源包括：
第一照明装置，由所述便携电子装置内设置的一个或多个电池供电，以及
第二照明装置，具有用于向所述便携电子装置传递外部光源提供的光束的光导；以及其中
当所述选取的一种显示模式是所述第一模式或所述第二模式时，采用所述第一照明装置向所述像源提供照明光，以及
当所述选取的一种显示模式是所述第三模式时，采用所述第二照明装置向所述像源提供照明光。
16. 如权利要求10所述的便携电子装置，其特征在于所述光源包括：
第一照明装置，由所述便携电子装置内设置的一个或多个电池供电，以及
第二照明装置，具有用于向所述便携电子装置传递外部光源提供的光束的光导；以及其中
当所述选取的一种显示模式是所述第一模式、所述第二模式或者所述第四模式时，采用所述第一照明装置向所述像源提供照明光，以及
当所述选取的一种显示模式是所述第三模式时，采用所述第二照明装置向所述像源提供照明光。
17. 如权利要求14所述的便携电子装置，其特征在于，所述外部光源包括控制装置，能够在下列模式中工作：
第一工作模式，用于阻止所述外部光源提供的光束被所述光导传递到所述便携电子装置，以及
第二工作模式，用于使来自所述外部光源的光束能够被所述光导传递到所述便携电子装置，以及其中所述便携电子装置还包括响应所述显示模式的部件，用于当所述选取的一种显示模式是所述第一模式时向所述控制装置发送信号，以便选择所述第一工作模式，并且用于当所述选取的一种显示模式是所述第二模式时选择所述第二工作模式。
18. 如权利要求1所述的便携电子装置，其特征在于还包括设置在所述像源附近的偏振装置，用于在所述照明光中选择进入所述像源的第一偏振态，以及在从所述像源输出的光中选择第二偏振态，其中所述第一偏振态与所述第二偏振态不同。
19. 如权利要求11所述的便携电子装置，其特征在于还包括设置在所述像源附近的偏振分束器，用于在所述照明光中选择进入所述像源的第一偏振态，以及在从所述像源输出的光中选择第二偏振态，其中所述第一偏振态与所述第二偏振态不同。
20. 如权利要求6所述的便携电子装置，其特征在于还包括光连接装置，用于从外部光源接收光以便以第二模式形成图像。
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