CN1611989A - 用于背投显示器环境的光导装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种包括多个光导(203)的显示装置和生产这种装置的方法。显示装置包括多个基本上全内反射(TIR)的光导(203)，所述光导适合于将来自每个光导输入端(201)的小的原始光学图示扩展成每个光导输出端(202)的较大的光学图示输出。用折射率比芯材料低的材料(401)将多个基本上全内反射(TIR)光导(203)中的每一个与其它基本上全内反射光导分隔开。

Description

用于背投显示器环境的光导装置
技术领域
本发明一般涉及显示装置领域，更具体地说，涉及在背投显示器类型环境中所采用的屏幕和有关硬件。
背景技术
当前背投显示装置通常采用广角投影透镜，结合一系列反射表面例如镜面一起工作，将从广角投影透镜接收到的光线投射到屏幕的背面。这种透镜-镜面投影结构在广角投影透镜处放大了所接收的图像。对于屏幕对角线通常大约为75到150cm的大屏幕投影电视型显示器，这种背投显示器结构通常的宽度或厚度大约为30-60cm，重量为10到50公斤。在许多环境下，这种背投显示装置会暴露在各种不利的条件下，尤其是在工作环境下的磨损。
某些背投显示装置在某些环境下呈现出平均或低于平均的图像质量。例如，当从某个角度观看时，或当环境中的光线改变或达到环境中的极端强度时，这种装置看起来就很困难。光输出和对比度是这些类型环境的经常问题，并会不利地影响观看体验。观众也日益习惯增强型显示器，包括但不限于等离子显示器和液晶显示器(LCD)，它们比传统背投显示器更受青睐，但价格却会高得多。为了解决和提高在较高级消费者心中的背投质量，在背投显示系统中已采用了某种增强的透镜装置，但上述基本的透镜/反射器的设计一般仍未改变，在整体图像质量和整个系统厚度方面还会是一个限制因素。
包括提供这种属性的光导的先有技术装置的具体实例包括授予Glennd的美国专利4,116,739，题目为”Method of Forming anOptical Fiber Device”，和授予Valigdan的美国专利5,381,502，题目为”Flat or Curved Thin Optical Display Panel”。美国专利4,116,739的光纤装置对于家用电视机市场所使用的大屏幕来说成本太昂贵，无法制造。美国专利5,381,502的显示屏则会受到所谓”梯形失真”的光学效应影响，除非投影系统距显示屏的输入表面相当远，而这是不理想的。比较小型的显示屏和投影光学部件的组合会产生不可接收的图像。
重量、厚度、耐用性、成本以及质量都是背投电视显示器和显示屏的关键问题。最好能提供一种背投设计，比以前的背投设计更轻、更薄、价廉并提供增强的观看效果。
发明内容
本发明的第一方面提供一种显示装置。所述显示装置包括多个基本上全内反射(TIR)的光导，用于将来自每个光导输入端的较小的原始光学图示扩大为每个光导输出端的较大的光学图示输出。
本发明的第二方面提供一种生产显示装置的方法。所述方法包括：设置光导材料层；在光导材料上设置低折射率材料层；在光导材料上交替地淀积预定数量的光导材料附加层和低折射率材料的附加层，形成分层的薄层堆叠；以及在所述分层的薄层堆叠中切割沟道，从而形成多个基本上全内反射(TIR)的光导。
本发明的第三方面提供用于向显示器提供光线的装置。所述装置包括多个基本上全内反射(TIR)的光导，所述光导定向为将来自每个光导输入端的较小的原始光学图示扩大为每个光导输出端的较大的光学图示输出。用折射率比每个基本上全内反射(TIR)光导要低的材料将多个基本上全内反射(TIR)光导中的每一个与其它基本上全内反射(TIR)光导分隔开。
对于本专业的技术人员来说，在读了以下附图中示出的优选实施例的详细说明后，本发明的这些和其它目的以及各方面的优点就显而易见。
附图说明
现利用附图中的各图作为实例(而非作为限制)对本发明加以说明，附图中：
图1示出典型的先有技术的背投设计；
图2示出作说明用的概念性的理论性的光导设计图示，其中实际光导会具有曲率或弯曲，其曲率半径至少是光导输入侧宽度的10倍；
图3示出光导的另一实施例，其中利用平缓曲率来提供利用全内反射(TIR)显示的信号；
图4示出包层材料、核心材料和任选的衬底的截面图；
图5示出单个光导的结构；
图6示出通过单个光导的光线，通常具有最小的损耗和TIR；以及
图7示出附加透镜-反射结构，用来使从光导输出端倾斜区发射的光线改变方向。
具体实施方式
本发明适用于许多不同的屏幕组件，具体地说，适用于背投系统所使用的屏幕。虽然为了便于解释和理解本发明的方方面面，本文提供这种屏幕组件的具体实例，但所提供的说明以及发明本身并不限于这些实例特例。
图1示出先前背投设计的典型设计，它包括源101，它可以提供以比特形式、单个像素形式、整个图像形式或其它适用的输入形式的模拟信号或数字信号。输入形式可以由转换器102转换成整体图像，转换器102通常接收数字信号并将其转换成模拟信号，或接收电视信号并将其转换成图像。转换器102是接收特定形式的输入信号并将这些信号转换成图像或系列图像的装置的通称。广角投影透镜103接收已转换的图像并将其发送到一系列反射表面104和屏幕105。可以采用多个广角反射透镜，例如三个或多组三个用于显示器的红，绿蓝等色。应当指出，图1所示的侧视图只示出一个反射表面104。可以采用不止一个的反射表面。
本发明的设计针对利用一系列由具有图案的塑料层构成的光导来制造的屏幕，这些光导用来将来自源或输入端的像素传送到显示器或显示屏上。图2示出概念性的理论性的光导设计图示，用以说明光导元件，不是具体的设计。输入位置201在一系列点或输入位置上，例如图2中标有1-8和A-D的各个方块处，接收单个光导203的像素、图像部分或光能。也可以采用其它光导几何形状，例如三角形、矩形和六边形。输出位置202可以采用倾斜切口以形成所接收输入图像的放大视图。倾斜角度可变，在所示实施例中，大约在小于10度左右。可以理解，倾斜角度越大，在屏幕上光导占据和/或显示的面积越小。与倾斜角度正交方向上的放大倍数通过调节相邻光导间的间隔来实现。在此结构中的放大倍数等于输出端对输入端的光导间的间隔比。中心区域的放大倍数可能不同于周边区域的放大倍数。
图2中提供的图解说明，除了光导末端倾斜以显示所接收的输入信号之外，一般示出了所有光导203的比较严格的90度曲率。实际上，这样的弯曲的曲率半径大约至少为任何给定光导输入侧宽度的10倍左右。虽然不需要有所示的大约90度角，所述设计确实采用了光导203的弯曲或转动，以便在输出位置202提供增大的尺寸。图3示出光导设计的一个实施例，具有更缓和的曲率，也可得到与所接收的输入角度相差90度的结果。可以理解，光导203的长度可以通过将光导延伸段放置在输入位置201或输出位置202上而线性延伸，或者用其它方式改变其长度，以便能采用各种光导几何形状，将来自源或输入位置201的光信号传送到输出位置202以及显示器或显示屏上。
曲率、弯曲或光导输入和输出之间的差异可各不相同，取决于构成光导所采用的介质和/或包层材料、用途、光导输出端的倾斜(若有的话)以及各种其它因素。关键的参数是系统和设计能提供基本上全内反射(TIR)的光导(在下面讨论)，以便在每个光导输入位置201所接收的光基本上以最小的损耗发送到所述光导的输出位置202。
可以理解，可以采用比图2所示的12个光导更多的光导，以实现全电视型显示器，具体地说，当每个光导代表高分辨率的一个像素时，在单个显示器中可以采用数百，数千，甚至更多的光导203。输出位置202可以形成显示屏的一部分，或者可以采用另一显示屏，这样输出位置就不会暴露在装置的外部。
光导的结构和关联元件可因环境而各有不同。在所示实施例中，有许多单个光导芯的光导片可由光学透明塑料或塑料型材料形成，包括但不限于诸如聚丙烯、有机玻璃或聚碳酸酯材料。光导芯材料可以根据其使用环境提供较低的双折射。构造光导的材料可以极化或不极化，因为有极化或无极化对特定的设计有利。聚丙烯片可以层叠在衬底上，衬底可以是适用于支持和固定到聚丙烯或用作芯材料的任何其它塑料型材料上的任何类型的衬底。通过模压加工、丝网印刷、喷墨打印或其它可用的技术，将形成光导芯402的塑料或塑料型材料形成在任选衬底405上，如图4所示。光导203可以采用折射率低于芯材料402的材料，例如包层材料401，将各个光导分隔开，这些单个元件的截面图如图4所示。包层材料401可以是例如折射率比芯402要低些的胶或某种其它类型的粘接剂。这种胶或粘接剂可以由硫化粘接剂或硅胶形成，例如可由General ElectricCorporation或Dow Corning Corporation购得。应当指出，包层材料可以包围所有光导芯，例如光导芯402，或可以以某种方式分布，例如位于每一水平光导层之间有一层包层材料，比方说一层胶。垂直分隔中可以有不同的包层材料，例如空气、或真空、或其它适合的材料。可以采用不同的包层材料布局，包括但不限于使用多于一层或两层包层材料来分隔各个光导。
正如其名称所示，任选衬底405可用可不用。如果任选衬底不用，则光导形成底部水平层，且由芯材料形成。多于一种芯材料可用于光导203。由分层材料形成的光导203可以将每一层分段形成如图2所示的光导。利用包层材料或空气使光导在光学上相互隔离。包层材料401提供捕获光能的能力并在某些几何形状中提供全内反射，即TIR。
全内反射(TIR)是反射从边界来的所有入射光。TIR仅发生在光线在较致密的介质中并到达不太致密的介质，同时光线的入射角大于”临界角”时。临界角的定义是当光线从较致密的介质侧打到边界上时能提供90度的折射出射角的入射角。对于大于临界角的任何入射角，在较致密介质中传送的光就会发生全内反射。临界角的数值取决于在边界各侧的材料组合。
对于本设计的入射介质和折射介质，例如光导材料和分层材料，临界角就是入射介质的入射角θi，它给出的折射介质的入射角θr为90度。通常，临界角等于折射率的反正弦，或：
θi＝sin-1(nr/ni)              (1)
式中nr和ni分别为折射材料和入射材料的折射率。由于TIR仅发生在折射介质比入射介质更不致密的情况下，所以ni的值必定大于nr的值。在本设计中，光导的折射率必需大于包层材料的折射率。在本设计中，使在水平和垂直方向上的内部散射程度达到最小。
光导的形成方法可以是：提供任选的初始层或衬底，将包层材料或光导材料片固定到任选的初始层上，在所形成的层上交替地形成光导材料层和包层材料。利用热或层叠技术就可加上光导片。然后在完成的分层堆叠上刻出沟道，形成仅含空气、或相间的更多的分层材料、或具有合适的折射率的任何材料的一系列沟道，以便提供所需的TIR。沟道通常不是直线取向，而可以在输入和输出端之间有实质性的角度，可能包括大于45度或大约90度的角度差。利用上述的沟道切割，在输入和输出之间可以提供不止一种弯曲或改变方向。这样形成的光导阵列的末端中至少一个可具有大约小于10度角的倾斜切口。
在形成包层材料和芯材料(即，光导材料)的各层时，包层材料通常不能溶解芯材料。如果包层材料，例如活性胶或粘接剂，溶解了芯材料，则光导中光的反射就是随机的或不可预测的，TIR也就不会发生。
输入端和输出端201和202处的光导排列成能保持像素间的相对位置，例如矩形输入被传送到具有相同或类似长宽比的矩形输出。光导输入端和输出端的长宽比在某些情况下可不相同。例如，根据光导输入端和输出端的不同长宽比，投影在光导输入端的图像被各个光导分成像素，并在具有不同长宽比的输出端得到放大的分像素图像。水平方向上的放大倍数可能不同于垂直方向上的放大倍数，具体地说，在如图2所示的几何形状下有不同的倾斜角时。当把放大倍数差和倾斜角都考虑到时，最终结果，或传送到屏幕上的光导输出，可以产生具有各向同性比例的图像。在图2的图示中，光导203中所示的数字和字母是用来表示连线并标识各个光导，而不是表示每个光导中的图像或像素保有或放大倍数/长宽比。
如果采用多层芯材料，可以用空气间隙将每个光导和每层上的其它光导分隔开。而且，光导的衬底可以是包层材料。在形成整个光导和显示器时，可将多片层叠起来，形成堆叠的各层。多片可以由芯材料、包层材料和衬底形成，或者由芯材料和包层材料形成。在一个实施例中，层数通常最少要等于在显示器一个方向上(垂直或水平)所需的像素数。在数片芯材料层叠后用例如激光切割叠层材料各层的方法来形成各单个光导。
单个光导的实施例实例示于图5。在图5中，输出端501的宽度大于输入端，并也可以使输出端倾斜以获得适当的放大倍数。输入端502接收小尺寸的图像，将其通过弯曲503传送到输出端501，输出端501已倾斜，在所示方向提供接收图像的大约5到50倍的放大。根据情况，例如可用的间隔，可以采用5到50的线性放大倍率。虽然图5示出的是一个90度的弯曲503，但在单个光导中可以采用不止一个弯曲，视所需的几何形状而定。
各个光导的工作使用内反射并根据所呈现的的几何形状而可各有不同。图6示出光线通过各光导的情况，通常具有最小的损耗和TIR。光线在倾斜区多次反射后逸出输出端601的倾斜区。输出端601的倾斜将光线内角减小到临界角以下。在以前的设计中通常只有一小部分光线从与锥形端正交的方向到达看屏幕的观众。目前的结构中，很大一部分光能被引向观众。在图6的设计中，倾斜角大约为5度，光线以相对倾斜输出端表面不到25度的角度逸出倾斜端。
图7示出附加透镜-反射结构，用来使从输出端601的倾斜区发射的光线改变方向。反射装置701接收从倾斜端反射的光并采用一系列的反射器701a-e将从光导输出端601的倾斜区或倾斜表面接收的光向观众或假想观众反射。图7的设计增加了显示器的亮度。而且，利用反射装置701消除光导输出倾斜端的反射，能够在某些方向上防止光线在远距观众或假想观众一侧逸出光导。倾斜的反射器701a-e捕获环境光并增加显示器的对比度。虽然图7中所有反射器701a-e的定向角都相同，但也可提供其中各反射器的角度可根据从倾斜输出端所接收的光能的所需入射角而改变的反射装置701。这种不同角度的反射器设计可以提供光能到观众或假想观众的更好方向性。而且，反射器表面可以用比像素尺寸小得多的间隔呈波浪或不规则形状。这种波浪或不规则的构造可以产生漫反射而不是镜面反射，增加了观看角度。
反射装置可以用和光导芯材料相同的材料制造，或用折射率基本上与光导芯材料匹配的材料制造，具有在其中形成的反射表面。反射表面由在整个可见光光谱上基本上均匀反射的材料构成。此外，虽然在反射装置701中示出的是平直表面，但也可采用曲面型反射器，例如凹面反射器，以便更好地捕捉光能并使其改变方向指向观众或假想观众。
而且，也可以在亮度增强层的倾斜表面的输出表面上加上附加后输出层，例如反射装置701，以增加抗划伤能力并延长屏幕寿命。这种附加层或装置可包括例如聚碳酸酯层。
本专业技术人员应理解，本设计可应用于显示静态或动态图像的其它系统，例如计算机显示器，或具有小投影图像但可有利地扩展成较大的投影图像且质量损失很小的其它投影装置。具体地说，应当指出，各种显示器和/或背投显示器的设计均可用本文中说明的功能和关联方面加以解决。
虽然以上对利用一系列光导将图像投影到显示器上的装置和方法作了说明，这是为了示明有利的使用本发明的方式，应当指出，本发明并不限于此。因此，应当认为，本专业的技术人员可能想到的任何修改、变更或等效结构均属于如权利要求书所定义的本发明范围之内。

Claims (10)

1.一种显示装置，它包括：
多个基本上全内反射(TIR)光导，用于将来自每个光导输入端的小的原始光学图示扩展成每个光导输出端的较大的光学图示输出。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述多个基本上全内反射(TIR)光导中每个都由光导材料形成，以及用折射率比所述光导材料的折射率低的材料将所述多个基本上全内反射(TIR)光导中的每一个与其它基本上全内反射(TIR)光导分隔开。
3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述多个基本上全内反射(TIR)光导在输入端和输出端之间提供角偏移。
4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述原始光学图示包括图像的像素。
5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：所述每个基本上全内反射光导的输出端包括倾斜表面。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于还包括位于所述倾斜表面附近并通过使用与所述光导材料的折射率类似的透明材料在光学上与所述倾斜表面相结合的反射元件，所述反射元件包括至少一个反射器，所述反射器定向为从所述倾斜表面接收光能并使所述光能重新定向到更加垂直于所述倾斜表面的方向。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于：所述反射元件包括多个反射器，所述反射器定向为从所述倾斜表面接收多个光束并以预定角度反射所述多个光束。
8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于：所述反射元件中的所述多个元件防止光线从远离所述倾斜表面一侧逸出光导。
9.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于：所述反射元件中的所述多个元件捕获环境光，从而提高所述显示装置的对比度。
10.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于：所述反射元件的输出面涂敷有材料以增强耐用性并且被构造成增强观看效果。
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