CN103454847B - 平面波导显示器和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种平面波导显示器，包括：图像扩散区，所述图像扩散区允许光在其中进行全反射；屏幕区，所述屏幕区具有彼此相对的正面和背面以及多个侧边，其中所述屏幕区的一个侧边同所述图像扩散区的一个侧边光路相通；以及第一介质层，涂布于所述屏幕区的正面的整个表面上；其中，所述图像扩散区和所述屏幕区均由波导材料构成；其中，所述第一介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第一组区段，所述第一组区段中的各区段的折射率彼此不同。相应的，本发明还提出了一种平面波导显示器系统。

Description

平面波导显示器和系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种平面波导显示器和系统。本发明的平面波导显示器可用作平面波导显示屏、投影系统以及平面波导触摸屏、平面波导拼接而成的大屏幕显示系统等。
背景技术
大屏幕显示器广泛应用在各种商业和日用领域中。
例如，在中国专利CN1217539C中报道了应用常规投影仪的一种锥形波导显示器，其优点在于可以省去常规投影所需的光路，其厚度要比传统背投显示器来的薄，而可与液晶等离子等平板显示器相媲美。由于波导可由便宜的光学玻璃或透明塑料板制造，相比与液晶，等离子等传统平板显示技术，在制作大尺寸屏幕时，其成本将会非常低廉。此外由于波导本身不含任何电子元器件，相比液晶，等离子，光电二极管等显示器，波导显示器更为坚固，经久耐用。但其问题在于背面复杂的结构会引入严重的像差，使得投影系统难于设计，且复杂的几何结构不利于大规模生产制造。
发明内容
本发明创新地提出了一种平面波导显示器，包括：图像扩散区，所述图像扩散区允许光在其中进行全反射；屏幕区，所述屏幕区具有彼此相对的正面和背面以及多个侧边，其中所述屏幕区的一个侧边同所述图像扩散区的一个侧边光路相通；以及第一介质层，涂布于所述屏幕区的正面的整个表面上；其中，所述图像扩散区和所述屏幕区均由波导材料构成；其中，所述第一介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第一组区段，所述第一组区段中的各区段的折射率彼此不同。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，所述第一组区段中的各区段的折射率沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向依次递增。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，还包括：散射膜层，涂布于所述第一介质层之上。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，所述散射膜层进一步包括增透子膜层和/或抗反射子膜层。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，还包括：第二介质层，涂布于所述屏幕区的背面的部分表面上；其中，所述第二介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第二组区段，所述第二组区段中的各区段的折射率沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向依次递增。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，所述图像扩散区整体贴合于所述屏幕区的背面，且一光换向部件分别连接所述屏幕区的所述一个侧边和所述图像扩散区的所述一个侧边，以使所述屏幕区的所述一个侧边同所述图像扩散区的所述一个侧边光路相通。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，在所述图像扩散区中的与所述图像扩散区的所述一个侧边处设置投影界面接口。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，所述投影界面接口中设置有色散校正元件，用以补偿不同波长的光入射所述图像扩散区时产生的色差。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，所述屏幕区的背面涂布一层反射层。
较佳地，在上述的平面波导显示器中，还包括：图像传感器，设置于所述投影界面接口处或者设置于所述图像扩散区及所述屏幕区的任意侧。
根据本发明的另一方面，还提供了一种平面波导显示器系统，包括：多个平面波导显示器，每一平面波导显示器进一步包括：图像扩散区，所述图像扩散区允许光在其中进行全反射；屏幕区，所述屏幕区具有彼此相对的正面和背面以及多个侧边，其中所述屏幕区的一个侧边同所述图像扩散区的一个侧边光路相通；以及第一介质层，涂布于所述屏幕区的正面的整个表面上；其中，所述图像扩散区和所述屏幕区均由波导材料构成；其中，所述第一介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第一组区段，所述第一组区段中的各区段的折射率彼此不同，其中，所述图像扩散区整体贴合于所述屏幕区的背面，且一光换向部件分别连接所述屏幕区的所述一个侧边和所述图像扩散区的所述一个侧边，以使所述屏幕区的所述一个侧边同所述图像扩散区的所述一个侧边光路相通，其中，所述屏幕区的与连接光换向部件的侧边相对的另一侧边的顶端设计成斜面，其中，所述多个平面波导显示器经由所述光换向部件彼此抵接，以使所述多个平面波导显示器的屏幕区彼此相接。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1A～图1C示出了本发明的平面波导显示器的第一实施例。
图2示出了根据本发明的平面波导显示器的第二实施例。
图3A和图3B示出了根据本发明的平面波导显示器的第三实施例。
图3C、图3D和图3E示出了根据以上第三实施例的另一变形例。
图4示出了根据本发明的平面波导显示器的第四实施例。
图5和图6示出了根据本发明的平面波导显示器的其他实施例。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
图1A～图1C示出了本发明的平面波导显示器的一个实施例。如图所示，该平面波导显示器100主要包括：图像扩散区101、屏幕区102和第一介质层103。该平面波导显示器100的图像扩散区101的一侧可以接收来自一投影系统104的投射光，如图1A和图1B所示。例如，该投影系统104可以是为本发明的平面波导显示器100优化设计过的普通投影仪或全息投影仪。
图像扩散区101允许光(例如来自上述投影系统104的投射光)在该图像扩散区101中进行全反射。屏幕区102具有彼此相对的正面105和背面106以及多个侧边，其中该屏幕区102的一个侧边同图像扩散区101的一个侧边光路相通。此外，例如，第一介质层103由一系列镀膜构成，其涂布于屏幕区102的正面105的整个表面上。其中，图像扩散区101和屏幕区102均由波导材料构成。为与上述的投影系统104对接，可以在该图像扩散区101中的与该图像扩散区101的上述一个侧边相对的另一侧边处设置一投影界面接口(未图示)。较佳地，对于彩色投影，可在该投影界面接口中设置一色散校正元件，例如三棱镜或特殊镀膜器件，以纠正三色光由于波长不同射入图像扩散区101时产生的色差。
特别是，根据本发明，第一介质层103沿光从图像扩散区101进入屏幕区102的光路的方向(例如图1B中的箭头A所示的方向)依次分成第一组区段，例如以使这些区段中的每一区段整体上相对于该箭头A所示的方向基本垂直，参见图1C中的区段1～区段7。该第一组区段中的各区段的折射率是彼此不同的。较佳地，该第一组区段中的各区段的折射率沿光从图像扩散区101进入屏幕区102的光路的方向(例如图1B中的箭头A所示的方向)依次递增，以允许沿该方向的后一区段允许出射的光的入射角度大于前一区段允许出射的光的入射角度，即允许沿该方向的各区段的可出射光的入射角度逐渐增大。此外，可以在屏幕区102的背面涂布一层反射层。
此外，第一组区段可由不同区域分别镀上不同折射率的单层镀膜构成，也可由不同区域分别镀上等效折射率不同的复合膜系构成，还可在不同区域分别粘合上不同折射率的材料薄片，或粘合单片或多片镀有不同折射率镀膜的相同折射率材料薄片组成第一组区段。总之，其核心概念为通过各种实施方案实现第一组区段中各区段折射率不同。
根据本发明的一个优选实施例，还可以将一散射膜层107涂布于该第一介质层103之上，如图1C所示。该散射膜层107可以进一步包括增透子膜层和/或抗反射子膜层。
本发明的平面波导显示器100的基本工作原理如下。
光以大于界面全反射角的角度入射平面波导显示器100，在图像扩散区域101中做全反射。当光传播至屏幕区102时，由于屏幕区102上的第一介质层103的各区段分别为不同折射率的区段(例如，图1C中的区段1-7)，先期在波导中做全反射的光不再满足全反射条件，将根据入射角的不同，在屏幕区102上的不同区域(即第一介质层103的不同区段)分别出射至相关区域。而散射膜层107为单一或复合膜层，区段1-7中的光入射至散射膜层8后将发生散射从而成像。如图所示，光线1、2进入波导时都满足全反射条件，即nwsinθ1＞n0，nwsinθ2＞n0。其中nw为波导的折射率，n0为镀膜0的折射率(也可没有镀膜0，则n0为空气的折射率1)，θ1、θ2为界面处的入射角。当光线1、2传播至区段2所在区域时nwsinθ1＜n2，nwsinθ2＞n2，n2为区段2折射率，所以光线1不再满足全反射条件将入射至区段2，而光线2仍将在波导中传播。当光线2再经一次全反射传播至区段7时nwsinθ1＜n7，n7为区段7折射率，不再满足全反射条件，光线2将射入区段7。光线从区段1-7射入散射膜层107后将散射入空气中从而成像。当镀膜经过特殊设计并配合投影系统时，波导能够良好的还原出投影图像，从而成为一台显示器。
此外，本发明的平板波导显示器100的第一介质层103的区段的数量可以按需要而任意设定，例如图5示出了区段的数量为5个，该5个区段为5种不同介质的薄膜。根据本发明的优选实施例，这些区段呈弧形。投影系统104放置在波导底部，光在经过光扩散区域后，根据入射角度不同，分别在屏幕上折射率不同的镀膜处出射，从而成像。
现在转到图2，图2示出了根据本发明的平面波导显示器的另一实施例。该图2所示的结构与图1C所示的结构相类似，因此图2和图1C中用相同的标号来表示相同的部件或元素，且关于相同元素的描述将不再重复。
与图1C所示的实施例相比，图2所示的实施例中进一步包括一第二介质层108，该第二介质层108涂布于屏幕区102的背面106的部分表面上。例如，在图2所示的实施例中，第二介质层108与第一介质层107相比少一个区段。
特别是，与以上讨论的第一介质层103类似的是，该第二介质层108沿光从图像扩散区101进入屏幕区102的光路的方向依次分成第二组区段，例如以使这些区段中的每一区段整体上相对于该光从图像扩散区101进入屏幕区102的光路的方向基本垂直，参见图2中的第二介质层108中的区段1～区段6。该第二组区段中的各区段的折射率沿光从图像扩散区101进入屏幕区102的光路的方向依次递增，以允许沿该方向的后一区段允许出射的光的入射角度大于前一区段允许出射的光的入射角度，即允许沿该方向的各区段的可出射光的入射角度逐渐增大。
此外，第二组区段可由不同区域分别镀上不同折射率的单层镀膜构成，也可由不同区域分别镀上等效折射率不同的复合膜系构成，还可在不同区域分别粘合上不同折射率的材料薄片，或粘合单片或多片镀有不同折射率镀膜的相同折射率材料薄片组成第二组区段。总之，其核心概念为通过各种实时方案实现第二组区段中各区段折射率不同。
根据该实施例，屏幕区102的背面106也有介质层，即第二介质层108，从而消除二次反射造成的赘象，或将波导做成双面显示器。
图3A和图3B示出了根据本发明的平面波导显示器的第三实施例。其中，图3A和图3B所示的结构分别与图1A和图1B所示的结构相类似，因此图3A、3B和图1A、1B中用相同的标号来表示相同的部件或元素，且关于相同元素的描述将不再重复。
与图1A、1B所示的实施例相比，图3A、3B所示的实施例中，图像扩散区101整体贴合于屏幕区102的背面106，且一光换向部件109分别连接屏幕区102的一个侧边和图像扩散区101的一个侧边，以使该屏幕区102的该侧边同该图像扩散区101的该侧边光路相通。换言之，该光换向部件109可以让来自投影系统104的投射光经过该图像扩散区101的扩散之后传入屏幕区102。根据该实施例，光扩散区域101折叠至屏幕区102背后，使整个波导与普通显示器无异。
图3C、图3D和图3E示出了根据以上第三实施例的另一变形例。对于该变形例，更优选地，可以将屏幕区102的与连接光换向部件109的侧边相对的另一侧边的顶端设计成斜面，如图3C所示，从而允许实现多块波导无缝拼接组成超大尺寸屏幕，如图3D和图3E所示。
图4示出了根据本发明的平面波导显示器的第四实施例。由于光路可逆，该实施例用图像传感器110(例如摄像头)替换投影系统104，或将图像传感器110置于波导(即图像扩散区101和屏幕区102)侧边时，例如置于投影系统104旁，图像传感器110将能感知屏幕区102上的光线变化，通过计算机记录及处理后可将平面波导显示器100变为一块触摸屏或者照相摄像机。
此外，如图6所示，投影系统100的光射入波导时的界面可被设计成斜面。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (10)

1.一种平面波导显示器，包括：图像扩散区，所述图像扩散区允许光在其中进行全反射；以及屏幕区，所述屏幕区具有彼此相对的正面和背面以及多个侧边，其中所述屏幕区的一个侧边同所述图像扩散区的一个侧边光路相通；其特征在于，该平面波导显示器还包括：
第一介质层，涂布于所述屏幕区的正面的整个表面上；
其中，所述图像扩散区和所述屏幕区均由波导材料构成；
其中，所述第一介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第一组区段，所述第一组区段中的各区段的折射率彼此不同，
其中，所述第一组区段中的各区段的折射率沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向依次递增。
2.如权利要求1所述的平面波导显示器，其特征在于，还包括：
散射膜层，涂布于所述第一介质层之上。
3.如权利要求2所述的平面波导显示器，其特征在于，所述散射膜层进一步包括增透子膜层和/或抗反射子膜层。
4.如权利要求1所述的平面波导显示器，其特征在于，还包括：
第二介质层，涂布于所述屏幕区的背面的表面上；
其中，所述第二介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第二组区段，所述第二组区段中的各区段的折射率沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向依次递增。
5.如权利要求1所述的平面波导显示器，其特征在于，所述图像扩散区整体贴合于所述屏幕区的背面，且一光换向部件分别连接所述屏幕区的所述一个侧边和所述图像扩散区的所述一个侧边，以使所述屏幕区的所述一个侧边同所述图像扩散区的所述一个侧边光路相通。
6.如权利要求1所述的平面波导显示器，其特征在于，在所述图像扩散区中的侧边处设置投影界面接口。
7.如权利要求6所述的平面波导显示器，其特征在于，所述投影界面接口中设置有色散校正元件，用以补偿不同波长的光入射所述图像扩散区时产生的色差。
8.如权利要求1所述的平面波导显示器，其特征在于，所述屏幕区的背面涂布一层反射层。
9.如权利要求6所述的平面波导显示器，其特征在于，还包括：
图像传感器，设置于所述投影界面接口处或者设置于所述图像扩散区及所述屏幕区的任意侧。
10.一种平面波导显示器系统，其特征在于，包括：
多个平面波导显示器，每一平面波导显示器进一步包括：
图像扩散区，所述图像扩散区允许光在其中进行全反射；
屏幕区，所述屏幕区具有彼此相对的正面和背面以及多个侧边，其中所述屏幕区的一个侧边同所述图像扩散区的一个侧边光路相通；以及
第一介质层，涂布于所述屏幕区的正面的整个表面上；
其中，所述图像扩散区和所述屏幕区均由波导材料构成；
其中，所述第一介质层沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向分成第一组区段，所述第一组区段中的各区段的折射率彼此不同，所述第一组区段中的各区段的折射率沿光从所述图像扩散区进入所述屏幕区的光路的方向依次递增，
其中，所述图像扩散区位于所述屏幕区的背面，且一光换向部件分别连接所述屏幕区的所述一个侧边和所述图像扩散区的所述一个侧边，以使所述屏幕区的所述一个侧边同所述图像扩散区的所述一个侧边光路相通，
其中，所述屏幕区的一侧边的顶端设计成斜面，
其中，所述多个平面波导显示器彼此抵接，以使所述多个平面波导显示器的屏幕区彼此相接。
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