CN1115452A - 风镜式的显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的风镜式显示装置包括提供图像给左眼的第一图像形成单元和提供图像给右眼的第二图像形成单元，第一和第二图像形成单元的每一个包含：将发自光源的光偏振的偏振光束分离器；以及反射型显示器件包括衬底，在这个衬底上形成开关电路，显示介质用以调制由偏振光束分离器偏振的光，以便提供具有图象信息的光，和一个电极层电连接到开关电路，用以将电压加到显示介质上，该电极层反射透过显示介质的入射在其上的光。

Description

风镜式的显示装置
本发明涉及一种风镜式的显示装置，更具体地说涉及一种为了实现视觉的真实性而安装在使用者头上的风镜式的显示装置。
近些年来，在实现高性能和低价格的计算机方面取得了迅速的进展。随着这种进展，长期不可能实现的想象的各种不同的技术现在已经实现，特别引人注目的和非常期待取得进步的一种技术是真实性(VR)(virtual reality)技术。
这种VR技术是由各种技术集合而成的，它包括显示技术，计算机技术，传感器技术和声学系统技术。其中，计算机性能的改进对实现VR技术起到了重要的作用，因此，计算机技术在VR技术中占有较大的部分，即使在VR技术中包含很多其他的新型工艺技术。
根据VR技术，通过诸如计算机这类的电子装置产生的图象，声音等等，使得观看者感到在现实中根本不存在的图象好象实际上存在似的。因此，观看者能够进入由计算机建立的图象空间，并且欣赏和享受各种不同的经受和体会。
根据VR技术，观看者自身的感觉起到计算机和观看者间的接口，因此观看者能够体验由计算机建立的纯自然方式的实际空间中的事件。在这种意义上说，VR技术也可以想象作为一种人-机(计算机)接口。
因此，VR技术能够提供一种轻松和自然地经历和体验，否则将体会不到。因此，在将来将VR技术应用在娱乐、教育、计算机接口等等方面是人们极大的期望。在M.Hirose的“真实性技术的趋势”的第二十一卷中的597至604页中有["Irend of virtual RedlityTechnology"，Kogaku，vol.21，No.9，pp.597-604(1992)]一般的描述。
视觉的感觉是人类的最重要的感觉。这就是说人类通过识别外部世界所获得的80％至90％的信息是通过视觉。因此，为了实现高水平的真实性，形成视觉信息的高水平的技术是必不可少的了。换言之，使用VR技术用以获得更自然的真实性，在VR显示中使用优异的显示系统是不可少的。
用于VR的显示技术，已经常规地提出了一些显示系统的建议。在这些系统中，风镜式显示系统或者类似的安装在观看者头上的头戴显示(HMD)系统作为非常有前途的系统越来越为人们所关注。用于HMD系统的风镜式显示装置中的下面叙述的显示方法是共知的。
1)CRT镜面反射方法
由于采用这种方法的显示装置提供有高精度的图象，作为划时代技术的现已研制的显示方法，使用它的驾驶间的飞行员在整体方式上能够处理大量的信息。在J.Sellers的“用于估价真实的全象显示系统的头盔安装的显示器电学仪器”将详细描述这种方法，该文章在SID91年摘要第491至494页。图15示出了真实全景显示(VPD)系统的构思，这是这种方法的典型的应用。
这种VPD系统已经建议用作提供给驾驶间飞行员各种信息的一种系统。作为VPD系统的显示装置的头盔101包括两个CRT102，光学系统和用于检测使用者头的位置和朝向的HPS或传感器。用于控制显示器的单元等安放在驾驶间100。VPD系统还包括用于冷却头盔101，图象发生计算机，控制计算机等等的冷却单元。用这种元件构成的VPD系统的尺寸是很大的，这种整个的VPD系统不可避免地变得大和笨重。这种用于冷却由CRT102产生的热的冷却单元也是需要的。因此，VPD系统的应用局限在特殊的工业领域和军事领域。
2)传输型LCD方法
由地传输型LCD既薄又轻，采用这种方法可以实现小和轻的HMD系统。采用这种方法的显示装置与视觉编程语言(VPL)公司用于商业方面。这种产品的名字为“眼风”(eyephone)这种显示方法在J.Nomura的电视学会报第46卷第689至693页[TelevislonSocietypaper，vol.46，No.6，pp689-693(1992)]和T.Uchida和T.Miyashi-ta的“使用LCD的立体显示”，SID86年的摘要440至443页中有详细描述。图16示出了这种显示方法的概念。虽然图16仅示出了用于一只眼睛的该装置中的主要部分中的一副中的一个，实际该装置应当包括用于左眼和右眼的一副中的两个。
用于左和右眼的LCD120由光学系统122照亮，该系统包含光导板(light guiding plate)122a和荧光灯122b。由LCD120显象的信息由观察者通过目镜光学系统121接收到。在左眼和右眼反射的拍应的图象已经由计算机产生，并由左眼和右眼同时看到这相应的图象。通过这种同时的观看，左右眼间的平行关系被用来实现立体显示。根据包括观看者的头的位置和朝向的信息，计算机产生这个图象，而且用磁传感器，光纤传感器等等检测观看者头的位置。
这种显示方法有如下的问题。由于这种方法使用了传输型LCD，因而增加象素的数目受到限制，从而不能获得高精确度的图象，从而图象的真实性也不令人满意。实际上“眼风”的象素数仅仅是360×240。使用如此少的象素，当在一个屏幕上同时显示大量的字符，每个字符就显示不清楚。此外，在这种方法中使用的LCD是直视型的，这里就出现了关于视觉感觉特性的问题，例如依赖于可视的角度和显示的均匀性。例如，为了根据观看者的视觉感觉特性，使得观看者满意地欣赏视觉的真实性，这就需要在从左至右50°的视觉角度，向上35°以及向下50°的视觉角度，向上35°以及向下50°的视觉角度的范围以保持好的显示状态。然而，使用直视型LCD不能作到如此大的视觉角度。
3)LED(发光二极管)扫描方法
图17示出了采用LED扫描方法的显示装置的显示方案。在这种显示装置中，从一维的LED陈列130发射出光的图形。这个图形通过摆动镜131而摆动，通过眼睛的余象获得两维图形。更具体地说通过LED陈列130中的LED的开/关而形成的Y方向上的一维图形由放大镜132放大和由振动镜131在X方向上扫描，因而将一维图形转变成两维图形。
虽然采用这种方法的显示装置既小又轻，但它存在如下的问题。由于仅仅允许两元(色调)的显示，而中间的色是不能得到的。此外，由于显示装置的显示精确性取决于LED陈列130的密度，或者是LED陈列中的LED的数目，因此不可能获得高精确度的显示。采用这种方法的显示装置在商业上生产出称作“私人眼睛”的产品(private eye)。
随后，用于HMD系统的典型的风镜式显示装置得以描述。这些通常的装置有如下的问题。
为了由HMD系统获得视觉的真实性，应当满足以下四个要求：1)的视觉范围，2)自然的立体显示，3)高精确度的显示，和4)既小又轻的装置。
CRT镜而反射方法满足第1至第3的要求，但由于CRT不能做得既薄又轻，所以它不能满足第四个要求。
传输型LED可以做得既小又轻，但不能得到宽的视角。而且在显示精确度方面的改进受到限制。这是由于透明型LCD的象素尺寸的减小，LCD的光的孔径较低，因此显示的亮度是较低的。因此，象素的尺寸不能减小超过一个预定的标准。
这种传输型LCD的显示精确度的有限的改进带来的问题将作详细的描述，下列举例说明使用通常的TFT的LCD。
通常，在TFT中使用多晶硅(p-Si)和非晶硅(a-Si)。使用这种TFT的LCD具有如下的问题。
a-SiTFT的电荷迁移率通常是0.1-0.5cm2 V-1 S-1。这就意味着晶体管的导通阻抗是高的。结果TFT的尺寸是大的。P-SiTFT的电荷迁移率比起a-SiTFT的要高些，但是它仍然是大约50-100cm2 V-1 S-1这样低。因此，p-SiTFT的尺寸也应当是大的。p-SiTFT还有是有小的关断阻抗的问题。这是需要大的尺寸的TFT的另外的因素。
对于a-SiTFT和p-SiTFT，当通过源和漏极施加的电压交替地转换，在不同极性间的TFT的特性是不同的。在LCD屏幕上产生一个不均匀的显示，引起了屏幕上的抖动和闪烁。为了解决这一问题，通常采用一种驱动方法，这种方法是每一扫描行(1H行翻转驱动)施加的电压的极性转换。然而，根据这一方法，由于每一扫描行加在象素上的电压的极性是不同的、在相邻象素间形成大的电场，将导致液晶排向的失真。实际上，当施加的驱动电压是±5伏(V)象素间的距离将是10微米或更多些。具有这样的距离，显示的图象免于受由相邻象素间产生的电场的影响。
如前所述，在使用TFT的通常的LCD，TFT的尺寸不能减少那么多。因此，当每个象素的尺寸做得较小，从而获得高精确度的显示，TFT占有象素的较大的面积，因此LSD的孔径比较小。当象素的间距是20微米或者更小，孔径基本上是零。因此，采用传输型LCD的方法的风镜式的显示装置不可能实现高精确度的显示，因而不能获得自然的图象显示。
另外，在通常的彩色LCD，在LCD上安置彩色滤光器，在红(R)、绿(G)和蓝(B)彩色中的一个颜色分配给每个象素。由于通过将R、G和B彩色的三象素合成产生一点的彩色，显示的图象粗糙的。
LED的扫描方法能够实现宽的视角，而且可以既小又轻。然而，由于仅能实现两色调显示，彩色的中等浓度不能获得，因而不能实现自然的图象。然而，显示的精确度依赖于LED陈列的宽度，而密度的增加是有限的，因而显示的高精确度是不可能的。因而不能获得天然的图象的显示。
风镜式本发明的显示装置包含第一图象和第二图象形成装置，第一图象形成装置为左眼提供图象，第二图象形成装置为右眼提供图象，第一和第二图象形成装置中的每一个包含：用于对光源发射的光进行偏振的光的偏振装置；反射型显示装置包含一个衬底，在衬底上形成开关装置，由光偏振装置偏振的偏振光由显示介质调制以提供具有图象信息的光，而且电极层电连接到开关装置，以便将电压加到显示介质上，在通过了显示介质下，电极层反射照在其上的光。
在一个实施例中，反射型显示装置的显示介质是液晶。
在另一个实施例中，反射型显示装置的衬底是由单晶硅制成的：
在另一个实施例中，第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个包含一个屏幕，在该屏幕上载有由反射型显示装置提供的图象信息的光被投影在该屏幕上。
在另一个实施例中，第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含一个光转换装置用以将投影在屏幕上的光转换。
在另一个实施例中，第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含投影装置，它用以放大和投影来自反射显示装置的电极层的反射的光。
在另一个实施例中，第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含光的准直装置用以将由光源发射的光准直。
在另一个实施例中，第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含光选择装置，它选择地转换来自光源的发射光成为红色光，绿色光和蓝色光。
在另一个实施例中，光选择装置包含含有青的二色性的色素的液晶层，含有红二色性的色素的液晶层以及含有黄的二色性的色素的液晶层。
在另一个实施例中，光选择装置包括允许红色光通过的第一滤光器，允许绿光通过的第二滤光器，允许蓝色光通过的第三滤光器，将来自光源的发射的光导至第一、第二和第三滤光器的第一光纤，以及将通过第一、第二和第三滤光器的光导至光的偏振装置的第二光纤。
在另一个实施例中，光选择装置包含机械RGB旋转滤波器。
在另一个实施例中，第一个图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含反射装置，它将来自反射型显示装置的载有图象信息的光反射到屏幕上。
在另一个实施例中，第一个图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含一个光纤它将载有来自反射型显示装置的图象信息的光导至反射装置。
在另一个实施例中，光源是一个单一的光源，第一和第二图象形成装置的光偏振装置的一个分离由单一光源发射的光，并发送该分离的光给第一和第二图象形成装置的显示装置。
在另一个实施例中，第一和第二图象装置的至少一个光偏振装置是偏振光束分离器。
由于目前没有比LCD更小更轻的显示器，LCD用于根据本发明的风镜式显示装置。用于本发明的LCD是反射型的，它包含反射膜，而不是利用光传输通过显示的LCD的通常的类型。反射型LCD允许反射膜形成在LCD的晶体管上。因此，甚至当诸如TFT的电路占有LCD的较大的部分，光的利用效率不减小。结果，LCD的象素的大小能减小。
当使用直视型LCD时，显示的质量依赖于视角，而不管LCD是传输型或反射型。在这种情形，当视觉范围很大，不可能获得好的视觉特性。为了解决这一问题，本发明的风镜式的显示装置使用一个屏幕，在屏幕上投影了在LCD上显示的和由投影装置放大的图象，而且使用者观看在屏幕上投影的图象。
然而，一般地说包括屏幕的显示装置需要大的投影光学系统，该光学系统使得整个装置变得很大。为了解决这个问题，投影光学系统和LCD应当尽可能地小。然而，当在小的LCD上显示的图象放大和投影在屏幕上时，每个象素的面积也被放大了，因而使得产生的图象更加不精确和自然。为了克服这一问题，本发明的风镜显示装置使用单晶硅作衬底，以便驱动LCD的晶体管形成在该衬底上，因此减少LCD的尺寸，同时也小型化了象素，并且增加了LCD上的象素的密度。
使用单晶硅的LSI(大规模集成电路)有着良好的晶体管特性。表1示出了在单晶硅、多晶硅和无晶硅上形成衬底的晶体管的特性。
(表1)
   单晶硅       多晶硅       无晶硅
   迁移率(cm2·V-1·S-1) 电子     1500     100     0.1～0.5
空穴     600     50        -
 Ion/Ioff     ＞109     107        106
    工作频率(CMOS移位寄存器)     几GHz(1μm)     20MHz(L＝10，W＝30μm)        5MHZ(L＝10，W＝30μm)
从表1可以清楚看到单晶硅的电子迁移率近似1500cm2·V-1·S-1，在导通的时候在单晶硅中的电流明显地大于在多晶硅和无晶硅中的电流。另外，在截止时单晶硅的阻抗明显地减少。因此，当预定的电压加到TFT的源极和漏极间，导通时的电流值与截止时的电流值之比(I ON/OFF)是明显地大，允许通过加小的电压使得晶体管转换状态。这意味着可以高密度地将晶体管安置在LCD上。结果，当单晶硅用作LCD的衬底时，LCD的象素可以小型化和高密度的安置。此外，在这样的LCD中，甚至当晶体管的源极和漏极间加的电压极性相反，也就获得相同的电特性。结果，由于在相反电压极性间的不同的晶体管特性所产生的抖动得以防止。这就消除了通常的1H反转驱动导通的必要性，因此，减少了相邻象素间的电场。因此，相邻象素间的距离可以明显地减少，因而在LCD上的象素密度可以增加。
当采用场顺序扫描方法的LCD与采用彩色顺序转换方法的选择装置相结合，每个象素可以顺序显示R.G.和B颜色。这将允许高清晰的彩色显示。因此，以前从未体验过的优良的真实性能得以实现了。
因此，这里叙述的本发明使得优点(1)和(2)成为可能。优点(1)是提供既小又轻的能显示高精确度的自然的图象的风镜式的显示装置，(2)是提供了能显示高精确度的彩色图象的风镜式显示装置。
当参照附图阅读和理解下面的详尽说明书时，这些和那些本发明的优点对于本领域的普通技术人员来说显而易见的。
图1是本发明的第一个示例的风镜式显示装置的外观图。
图2是根据本发明第一个示例的显示方案的示意图。
图3是使用本发明的单晶硅制造的反射型LCD的剖视图。
图4是本发明的第二示例的显示方案的示意图。
图5示出了作为本发明第三示例的光选择装置的彩色顺序滤光器的结构图。
图6是图5所示的本发明的彩色顺序滤光器工作的定时图。
图7是本发明第三示例的显示方案示意图。
图8示出了作为本发明第三示例的光选择装置的彩色光形成单元的结构。
图9示出了图8的本发明的另一个彩色光形成单元的结构。
图10是作为本发明的光选择装置的机械旋转滤光器的示图。
图11是用于本发明光选择装置的LCD的剖面图。
图12是本发明的第四示例的显示方案的示意图。
图13是本发明的第五示例的显示方案的示意图。
图14是本发明的第六示例的显示方案的示意图。
图15示出了使用通常的风镜式显示装置的VPD系统的概况图。
图16是通常的风镜式显示装置的显示方案示意图。
图17是另一个通常的风镜式显示装置的显示方案的示意图。
例1
结合图1描述本发明的第一示例。
这一示例的风镜式显示装置用于实现真实性VR的HMD(头戴式显示器)系统。这个显示装置和驱动系统，数据处理/控制计算机，等等这些未示出的部分结合起来构成HMD系统，并且象风镜似地由使用者戴上。
该示例的风镜式显示装置包括位于它的两侧的一对盒子。在盒子1的中间安置由左和右屏幕构成的一对屏幕2以及一对左右目镜(eyepiece)光学系统(光的会聚装置)3。屏幕2和目镜系统3由一对顶和底遮光板所覆盖。
通过盒子1形成投影窗口1a。在分别的盒子内有显示单元，通过投影窗口1a每个显示单元产生的视觉信息放大和投影在屏幕2上。屏幕2正好在使用者左眼和右眼的前方。因此使用者可以通过目镜光学系统3看到在屏幕上投影的图象。
在左和右屏幕2上投影的图象已经由数据处理/控制计算机处理过，因此能够看到合成的立体图象。屏幕2设计成为扩展开来以覆盖使用者的视野，因此，使用者可以获得满意的真实感。
这对目镜光学系统起到将眼前的显示图象聚集在眼睛上的作用。一对遮光板防止光从外而进入图象而恶化图象的显示质量。它还防止光或除去显示的图象的干扰进入使用者的视野而恶化真实感。
参照图2，这个示例的显示装置进行的图象显示的原理将进行描述。
本发明的风镜式的显示装置包括提供图象给使用者左眼的第一图象发生单元(第一图象形成装置)，以及提供图象给使用者右眼的第二图象发生单元(第二图象形成装置)。图2示出的仅仅第一图象形成单元是图1所示风镜式显示装置的左边的一部分。第一和第二图象发生单元的每一个包括具有投影窗口/a的盒子1，屏幕2以及作为光会聚装置的目镜光学系统3，它们在相同的显示机理下工作。因此，为了简单起见，在这个示例以及以后的示例中仅描述第一图象产生单元，该装置的左边部分的显示机理。
第一和第二图象产生单元的每一个还包括：用以发射光的灯(光源)5；用以准直光的准直光学系统(光准直装置)6；用以偏振光的偏振光束分离器(偏振装置)7；作为反射装置的LCD8；和用以投影光的投影光学系统(投影系统)9。所有这些元件组装在盒子1中。
由灯5发射的光由准直光学系统6准直成为平行光。通过偏振光束分离器7将平行光分成S偏振波和P偏振波。只有S偏振波转相大约90°，所以射入LCD8。
根据来自计算机的图象信息由LCD8调制入射光，并且该调制光返回到偏振光束分离器7。通过偏振和调制而获得的信息载在该返回的光上，于是通过或者从偏振光束分离器7折射。只有通过偏振光束分离器7的光由投影光学系统9投影在屏幕2上。在屏幕2上载有图象信息的投影光由目镜光学系统3所会聚。因此，显示装置的使用者能够通过目镜光学系统3看到在屏幕2上投影的放大了的图象。
现在，结合图3描述这一示例的LCD8。
LCD8包括由单晶硅制成的衬底17。在衬底17上形成硅栅NMOS的开关电路。开关电路包括形成在单晶硅上面部分的源极18和漏极19上的漏电极14b。在源极18和漏极19间的间隙上形成的由多晶硅制成的NMOS的栅极20由栅极绝缘膜21覆盖。
依次在衬底17上形成均氧化膜16和防护膜15。在通过对应源极18和漏极19的场氧化膜16的部位上形成接触孔16a和16b。源电极14c的部分和漏电极14b的部分分别形成在接触孔16a和16b内。
作为电极层的下电极14a，作为显示介质的液晶层13，透明电极12和透明玻璃衬底11依次形成化防护膜15上。透明电极12和下电极14a构成一对象素电极以施加电压给来在其间的液晶层13。下电极14a也起到光反射膜的作用。下电极14a最好是由具有好的反射性能和高的导电性能的铝制成。NMOS的漏电极14b通过穿过防护层15形成的接触孔15a连接到下电极14a上。防护膜15制成平面，从而提供给下电极14a好的平直度。
来自偏振光束分离器的光射入透明玻璃，基片11，透过透明电极12和液晶层13。光于是从下电极14a反射，并从透明玻璃基片11输出。在这一个过程中，入射光在液晶层13受到调制，从而携带了图象信息。
用于这一示例的LCD大约是9毫米长，16毫米宽和0.7英寸的对角线长度。这样的LCD具有大约是1000×1600个细小精密的象素，每个象素具有大约9微米长，10微米宽的大小。
在这个示例中，在LCD中使用了硅栅NMOS作为开关电路。然而不是NMOS结构的晶体管也能用作开关电路。而且，通常用于IC的诸如MOS结构，双极性结构，二极管，晶体管和电容器的一种或多种类型的元件可以用作开关电路的一部分。栅电极20的材料不限于多晶硅。而且下电极的材料也不限于铝。只要具有较优异的导电性和光反射性的任何其他材料也可以使用。
这个示例的显示装置使用LCD以显示图象。因此这种装置与使用CRT的装置相比较更具有轻和小型化特点。由于LCD是反射型，下电极可以象TFT一样做在开关电路上，而且开关电路的部分可以用作象素区域。因此，在相邻象素的边界不需要做开关元件，引线等等。允许安排多个象素紧靠在一起。结果，可以增加LCD上的象素的密度，而不降低光的利用率，而且象素可以小型化。用这些高密度的LCD上的精细象素，甚至当图象放大和投影在屏幕上，而能形成宽阔的视场，可以表现出高清晰度的图象。
此外，由于单晶硅用作将LCD的驱动电路做在其上的衬底，驱动电路的单元可以紧密地安排在一起，这就可以进一步减小LCD的尺寸以及减小LCD象素的尺寸。结果，可以提供可以提供高质量图象的小型的显示装置，尽管该装置另外包括屏幕。因此，根据这一示例，用作VR的既小又轻的显示装置实现可提供高精确度和满意的真实感的自然的图象。
没有硅衬底的反射型LCD也可以用以将当会精细的象素形成在其上，通过投影在屏幕上的图象获得满意的真实感。
例2
结合图2描述本发明的第二个示例。与示例1中功能相同的元件标以相同的数字。
这个示例的特征在于使用彩色顺序转换方法实现彩色显示。这个示例的风镜式显示装置在准直光学系统6和偏振光束分离器7之间另外包括一个光选择装置。光选择装置为显示的图象顺序提供彩色。其他的元件和示例1中的风镜式显示装置中的相同，因此在这里的描述中省略之。
在这个示例中，彩色顺序滤光器23用作光选择装置，它分别地允许红光，绿光和蓝光透过。在准直光学系统6和偏振光束分离器7间安排的彩色顺序滤光器将发自灯5的光顺序地转变成为红、绿和蓝。因此，可以获得具有高精确度的丰满色，从而获得明显地高真实感的图象。
图5示出了彩色顺序滤光器的构造。
该彩色顺序滤光器23依次包含青色滤光器，洋红色滤光器和黄色滤光器。青色滤光器29c具有包含青的二色性的色素的液晶层28，一对透明衬底24和25相对排列，以致液晶层28夹在其间。面向液晶层28的透明衬底24和25的表面由未示出的透明电极整个地覆盖。洋红色滤光器29M是有包含洋红的二色性色素的液晶层27，一对透明衬底24′和25′相对排列，以致液晶层27夹在其间。面向液晶层27的透明衬底24′和25′的表面由未示出的透明电极整个地覆盖。黄色滤光器29Y具有包含黄的二色性色素的液晶层26，一对透明衬底24″和25″相对排列，以致液晶层26夹在其间，面向液晶层26的透明衬底24″和25″的表面由未示出的透明电极整个地覆盖。
通过开关电路30C，30M和30Y分别将交流(AC)电压加到青色滤光器29C，洋红色滤光器29M和黄色滤光器29Y。开关电路30C，30M和30Y允许交流电压分别加到青色滤光器29C，洋红色滤光器29M和黄色滤光器29M，这是根据来自显示控制电路32的开关转换信号，所以分别驱动相应的滤光器。用滤光器的开关控制，允许分别在发射红色光、绿色光和蓝色光通过彩色顺序滤光器23而进入偏振光束分离器27。
表2示出了滤光器29C，29M和29Y的通/断(ON/OFF)状态与射入偏振光束分离器7的彩色光间的关系。
表(2)
    驱动状态 射入光的颜色
29C  29M  29Y
ON  OFF  OFF   红
OFF  ON  OFF   绿
OFF  OFF  ON   蓝
图6是彩色顺序滤光器23的工作原理的定时图。在时间t1至t3的周期期间，电压加到青色滤光器29C上，液晶分子的排列方向不立即改变，而是需要一个预定的过渡周期。过渡周期对应着响应电场液晶分子恢复速度。因此，在时间t1电压加到液晶分子上，青色滤光器29C实际上的响应该电压并且液晶分子的排列方向稳定了，这是在经过了过渡周期后的时间t2。因此，从时间t2至t3的时间周期TR，红色光发射通过彩色顺序滤光器23。
在上面的过程以后，电压顺序加到洋红色滤光器29M，黄色滤光器29Y，青色滤光器等等，沿这个顺序重复进行。从而变化通过顺序滤光器23的发射的光依次成为绿色光、蓝色光和红色光。
在上面的过程中，出现了关于液晶层的响应特性的问题。人眼能分辨的闪烁频率的下限大约是30Hz。因此，在上述示例中分配显示对应红、绿和蓝色的周期大约设定为10msec(毫秒)。为了在10毫秒内实际满意的彩色显示，彩色顺序滤光器23和LCD在对应的几毫秒或更短的响应时间内对每种颜色进行色调制和显示。
根据这个示例，由于将单晶硅用作LCD的衬底，使得快速驱劝成为可能。此外，在这个示例中，每LCD的每个数据行提供了一个行存储器，以致在一个时间变换对应一扫描行的数据，并且驱动频率设定为10MHZ。因此，变换数据给对应一屏的1000扫描行所需的时间是0.1毫秒。这完全满足前面的要求。用于这个示例的液晶是可以高速响应显示的，而且响应时间短于0.1毫秒。这种高速响应型的液晶也用于彩色顺序滤光器23，它的响应时间因此充分地短，以满足前面的要求。
根据这个示例，在LCD的每个象素上显示R，G和B三色，而这三色不需要分配给这些象素。因此，可以获得高精确度的图象。
彩色顺序滤光器23不限于这个示例的构造，但也能由含有红、绿和蓝三色素的液晶构成。其他的滤光器，诸如由彩色偏振板和彼此层叠在一起的液晶屏构成的滤光器以及由中性偏振板和彼此层叠在一起的液晶屏构成的滤光器，只要它们能高速转换所希望的彩色，也是可以使用的。
在这个示例中，彩色顺序滤光器23放在准直光学系统6和偏振光束分离器7之间。然而，彩色顺序滤光器23也可以安放在任何位置，例如灯5与准直光学系统间，偏振光束分离器7和投影光学系统9之间，LCD8与偏振光束分离器7之间和投影光学系统9与屏幕2之间，只要彩色顺序滤光器23能提供象光选择装置的满意的性能就可以了。
例3
参照图7将描述本发明的第三示例
这个示例的风镜式装置包含用作光选择装置的彩色光形成单元33，彩色光形成单元33将白色光源分离成红、绿和蓝光，并且顺序地转换这些颜色作为光源输出。这个示例的彩色光形成单元单独安放在离开风镜式显示装置的头部安装部位，并且通过光纤将彩色光提供给头安装部位的显示单元。除去彩色不形成单元外的其他元件和示例1中的相同，因此在这里就省略描述了。
图8更详细地示出了彩色光形成单元33。该彩色光形成单元33包含白色光源34，光纤35和37，以及由彩色滤光器36a，36b和36c以及光转换单元36d，36e和36f构成的光学光阀。来自白色光源34的发射的光被分成三路通过安放在白色光源34的输出端的光纤35。在光纤35的分别的输出端安放具有光学开关元件36d的红色滤光器36a，具有光学开关元件36e的绿色滤光器36b以及具有光学开关元件36f的蓝色滤光器36c。另一个光纤37用以导引由彩色滤光器36a、36b和36c滤过光的光到安置在光的开关单元36d，36e和36f的下游的显示单元。
使用颜料和色素的彩色滤光器或者由无机的或有机薄膜，叠制而成的干扰滤色镜用作滤色器36a，36b和36c。液晶或者类似PLZT的陶磁用作光开关元件36d，36e和36f。对于液晶，诸如散射型，旋转型，双折射型和光吸收型的典型显示类型的液晶可以使用。具体地说，当需要快速的响应时，最好使用聚合物弥散型(polymerdispersion)，相位过渡型，铁电体型和反铁电型的液晶。
用这个示例的光选择装置进行的光的分离可以用不同的方法实施。如图9所示，可以使用三组透镜38a，38b和38c以及光纤38d，38e和38来分离光，因此可以从来自单一白光源34的光的三种成分可以获得。光的分离也可以使用其他的方法进行，它包括一种分别从各自的光纤光导来自三个光源的光的方法，以及将单一的光源和光束分离器(或者二色性镜面)相结合的方法，这些方法没有图示出来。机械旋转滤光器和类似的，也能用作光的选择装置，它已达到在高速度下实现所需彩色的转换的程度。
图10示出了作为光选择装置的机械旋转滤光器单元63。这个滤光器单元63包括一个白色光源34，一个紫外线镜到的滤光器39，一个机械RGB旋转滤光器40和镜头41。来自白色光源的发射的光通过锐利的紫外线滤光器39以便从发射的光中除去紫外线。于是光射入RGB机械旋转滤光器40，以便给出R，G和B三色中的一种。该彩色光于是通过镜头41输出。
根据这个示例，象在示例2中一样，在LCD的每一个象素上显示R，G和B三色，这三色不需要分配给象素。结果，可以获得高精确度的图象。
另外，根据这个示例，光的选择装置安置在离开风镜式显示装置的头安装部分的部位，而且通过光纤提供光给头安装部分。因此，头安装部分的尺寸和重量可以减小。此外，光纤的端部是尖的，因而获得点光源，因此光的利用效率可以提高。
当光选择装置是一个小的单元，它可以安置在风镜式显示装置的头安装部分。而且一个光选择装置可以为左和右眼所分享，以将来自光选择器的光分离成为供给左和右LCD的两个。另外，在LCD的每个象素上安置彩色滤光器以分配R、G和B彩色给相应的象素。
图11示出了具有在这里具体化的R、G和B彩色滤光器的LCD的示例。这个LCD是反射型彩色LCD。它的每一个象素被划分为三个，三个部分的每一个具有红、绿和蓝彩色滤光器中的一个。LCD包含一个由单晶硅制成的衬底71和用来转换在这上面的液晶层72的开关电路区域42。该三个开关电路区域42对应一个象素。在相应的开关电路区域42上形成反射膜73，而且明胶膜43形成在覆盖反射膜73的衬底71的上表面。反射膜73起到LCD的下电极的作用。明胶膜43的三部分位于三个开关电路区域42的上面，开关电路区域42对应一个象素，明胶膜的三部分并染成红、绿和蓝，以分别形成红色滤光器43a，绿色滤光器43b和蓝色滤光器43c。位于开关电路区域42间的间隙上面的明胶膜40的其他部分不染色，以形成不染色的区域43d。在液晶层72上形成透明电极74，而且在透明电极74上形成透明玻璃衬底75。
由于明胶和染色明胶的技术已经开发应用到CCD(电荷耦合器件)，并且可以使用通常的设备和技术。除了明胶以外的材料也能用于彩色滤光器。另外，不是在硅衬底上形成明胶膜，形成在彩色滤光器上的膜等等可以附在透明玻璃衬底75上。
使用本发明的VR技术的上述的风镜式显示装置可以再现立体图象。结果，对于任何这类显示装置能获得良好的真实感的图象。虽然仅在上述示例中描述了显示装置，我们将容易理解用以传输显示数据给显示装置的长途通信装置和声音发生装置可以与显示装置结合在一起。
例4
在示例1至3中，通过光学系统在LCD上显示的图象投影在屏幕上。反射镜面还可以安置在LCD和屏幕之间。图12示出了使用本发明的反射镜面的风镜式显示装置的第四示例。与示例1至3中功能相同的元件标以相同的数字。
来自灯5的发射光由准直光学系统6使之平行。通过偏振光束分离器7可以将平行光分离成一个S偏振波和一个P偏振波。根据图象信号用反射型LCP8将光调制，并且返回到偏振光束分离器7。随后，光入射到作为反射装置的镜面45，这是通过投影光学系统的，然后从这里反射以便投影到屏幕2上。诸如彩色顺序滤光器的光选择装置可以适当地安置在例如准直光学系统6和偏振光束分离器7之间。
这种示例的风镜式显示装置的优点在于，从图12可以看到投影光学系统可以安置与屏幕2平行或垂直。结果，光学系统的定位就更自由，所以减小了显示装置的尺寸。
例5
图13示出了本发明的第五示例。与图1至图4中那些元件功能相同的元件标以相同的数字。
这个示例的风镜式显示装置的特征在于：灯5；准直光学系统6；偏振光束分离器7；LCD8等等象图象产生单元46那样安置与风镜式显示装置的头安装部分分离开来。用光纤46将图象产生单元与头安装部分连接起来。其他的构造与示例4的那些相同。光纤47导引载有由LCD8提供的图象信息的光绘镜面45。
根据这一示例，由于象LCD和光学系统这样比较地重的部分与风镜式显示装置的头安装部分分离开来，因此头安装部分的大小可以进一步减小。
例6
图14示出了本发明的第六个示例。
这个示例的风镜式显示装置比以前示例的那些装置要小和轻。根据这个示例，由单一光源50发射的光由准直光学系统60将其转变成平行光，然后入射到偏振光束分离器7a。这个入射光分离成第一偏振状态的光和第二偏振状态的光。第一偏振状态的光一直通过偏振光束分离器7a入射到LCD8a。入射在LCD8a的光的一部分被写入LCD8a的图象数据调制，而且调制成为第二偏振状态。由LCD8a输出的第二偏振状态的光由偏振光束分离器7a第一次反射，然后由反射镜面48反射并且通过目镜光学系统3a投影在左眼上。没有被LCD8a调制的第一偏振状态光通过偏振光束分离器7a后返回到光源50。这个光被安放在光源处的反射镜(未示出)反射以便再使用。
从光源50发射的以及由偏振光束分离器7a分离成为第二偏振状态的光通过偏振光束分离器7a反射入射到偏振光束分离器7b。光再次由偏振光束分离器7b反射入射到LCD8b。入射光的一部分根据写在LCD8b上的图象信息由LCD8b调制成为第一偏振状态，穿过偏振光束分离器7b，于是通过目镜光学系统3b投影在右眼上。没有被LCD8b调制的第一偏振状态的光由偏振光束分离器7b第一次反射，然后由偏振光束分离器7a反射，并且返回到光源50。由安放在光源50的未示出的反射镜反射的光再次使用。
如上所述，这个示例的风镜式显示装置仅需要一个光源，并且重复使用光源发射的光。因此，使用低输出的光源可以有明亮的显示。因此光源的尺寸可以减小，实现了既小又轻的风镜式显示装置。
在这个示例中，使用目镜光学系统将图象直接投影在眼睛上。另外，通过偏振光束分离器能将光投影在屏幕上，因此，使用者可以看到投影的图象。能够顺序转换的彩色滤光器可以安置在光路上，以便为左眼和右眼作彩色显示。光源本身也可以有彩色顺序转换的装置。在这种情形，可以获得更逼真的彩色图象。另外，彩色滤光器也可以如图11中所示结合在LCD中。而且，如在示例5中所述。这个示例的风镜式显示装置的较大部分可以安置分离于头安装部分。
因此，根据本发明，在晶体管上形成反射膜的反射型LCD可以用作视觉信息形成装置。因此，显示装置可以做得既小又轻。而且甚至当LCD的驱动电路占有象素的大部分，象素可以小型化而不降低光的利用效率。结果，可以实现具有高精确度和良好真实感的既小又轻的用于VR的显示装置。
根据本发明的风镜式显示装置，在LCD上显示的图象被放大和投影在屏幕上。因此，可以获得宽的视野和优良的显示特征。
另外，LCD的晶体管形成在单晶硅制成的衬底上。因此，LCD的尺寸可以做得更小，LCD的象素可以小型化。因此，甚至当屏幕等等需要使用时，也可以防止增加装置的尺寸，也防止了图象质量的减低。
然而，使用彩色顺序方法实施彩色显示，顺序地使每个象素显示R、G和B彩色。因此，可以获得高精确度的彩色显示。
在不离开本发明的发明构思情况下，这个领域的一般技术人员可以清楚和容易进行更种改进。因此，不打算将权利要求的范围局限于说明书所列举的，而宁可要权利要求的范围更广范。

Claims (15)

1.风镜式显示装置具有给左眼提供图象的第一图象形成装置和给右眼提供图象的第二图象形成装置，第一和第二图象形成装置的每一个包括：
偏振发自光源的光的光偏振装置；和
反射型显示装置，它包含衬底；开关转换装置，它形成在该衬底上；显示介质，用以调制由光偏振装置偏振的光以便提供具有图象信息的光；以及电极层电连接到开关装置，以便将电压加到显示介质上，电极层反射穿透过显示介质后的入射在其上的光。
2.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是反射型显示装置的显示介质是液晶。
3.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是反射型显示装置的衬底是由单晶硅制成的。
4.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包含一个屏幕，由反射型显示装置提供的载有图象信息的光投影在该屏幕上。
5.根据权利要求4的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括将投影在屏幕上的光作变换的变换装置。
6.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括投影装置，用以将来自反射型显示装置的电极层的反射光放大和投影。
7.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括将发自光源的光准直的准直装置。
8.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括光的选择装置，它选择地将发自光源的光变换成红色光，绿色光和蓝色光。
9.根据权利要求8的风镜式显示装置，其特征是光选择装置包含有含有青二色性色素的液晶层，含有洋红二色性色素的液晶层和含有黄二色性色素的液晶层。
10.根据权利要求8的风镜式显示装置，其特征是光选择装置包括允许红光透过的第一滤光器，允许绿光透过的第二滤光器，允许蓝光透过的第三滤光器，将发自光源的光导致到第一，第二和第三滤光器的第一光纤，和透过第一，第二和第三滤光器的光导致到光偏振装置的第二光纤。
11.根据权利要求8的风镜式显示装置，其特征是光选择装置包括一个机械的RGB旋转滤光器。
12.根据权利要求4的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括反射装置，用以反射载有由反射型显示装置提供的图象信息的光到屏幕上。
13.根据权利要求12的风镜式显示装置，其特征是第一图象形成装置和第二图象形成装置的每一个还包括用以将载有由反射型显示装置提供的图象信息的光导致到反射装置的光纤。
14.根据权利要求1的风镜式显示装置，其特征是光源是单一的光源，第一和第二图象形成装置的一个光偏振装置分离发自该单一光源的光，并且将分离的光传送给第一和第二图象形成装置的显示装置。
15.根据权利要求14的风镜式显示装置，其特征是第一和第二图象形成装置的至少一个光偏振装置是偏振光束分离器。
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