MXPA01002124A - Proyector optico de panel de pantalla delgada. - Google Patents

Abstract

Un sistema optico proyecta luz en una pantalla optica plana; la pantalla incluye guias de onda opticas laminadas que definen una cara de entrada en un extremo y una pantalla de salida en un extremo opuesto; un primer espejo alinea la luz desde una fuente de luz a lo largo de un primer eje, y distribuye la luz a lo largo de un segundo eje; un segundo espejo alinea la luz a partir del primer espejo a lo largo del segundo eje para iluminar la cara de entrada y producir una imagen sobre la pantalla.

Description

PROYECTOR ÓPTICO DE PANEL DE PANTALLA DELGADA La invención se hizo con apoyo del gobierno bajo el contrato número DE-AC02-98CH 10886, premiada por el Departamento de Energía de E.U.A.. El gobierno tiene ciertos derechos en la invención.

ANTECEDENTES DE LA INVENOON La presente invención se refiere generalmente a pantallas ópticas planas, y, específicamente, a un sistema de proyección de luz para las mismas. Un panel de pantalla óptica delgada que tiene una pluralidad de guías de onda ópticas laminadas se describe en la patente de E.U.A. 5,381 ,502 sobre la cual la presente invención es una mejora. Cada una de las guías de onda en el panel incluye un núcleo transparente laminado entre capas de revestimiento opuestas que tienen un índice de refracción más bajo.

Las guías de onda colectivamente definen una cara de entrada en un extremo y una cara de salida o pantalla en un extremo opuesto dispuesta oblicuamente a la cara de entrada. La pantalla forma un ángulo de cara agudo extremadamente pequeño con los ejes longitudinales de las guías de onda, en el orden de aproximadamente 1 o 2 grados, que permite que la altura de la pantalla sea sustancialmente más grande que la profundidad o espesor del panel para mantener el panel delgado.

El panel delgado puede utilizarse para diversas aplicaciones tales como pantalla de visualización de video para televisión con una relación ejemplar de anchura a altura de 4:3 con 525 líneas verticales de resolución. Esta resolución puede efectuarse simplemente utilizando de manera correspondiente 525 guías de onda apiladas que son continuas a lo largo de la anchura del panel. La cara de entrada del panel, por lo tanto, se extiende al ancho total del panel pero es extremadamente estrecha correspondiendo a la delgadez del panel. Por ejemplo, el espesor del panel en la cara de entrada puede ser de aproximadamente 2.54 cm, con la altura de la pantalla siendo de 100 cm, y una anchura correspondiente de 133 cm. El espesor correspondiente de cada una de las guías de onda es de alrededor de 48 mieras. En el desarrollo original del panel delgado, se empleó un rayo láser para producir directamente luz alineada que es escudriñada en forma secuencial lateralmente y transversalmente a lo largo de la cara de entrada para producir una imagen correspondiente sobre la pantalla en las direcciones horizontal y vertical, respectivamente. Diversos tipos de lentes pueden utilizarse con el rayo láser para asegurar una imagen de alta resolución sobre la pantalla, sin embargo los lentes requieren alineación exacta e inherentemente efectúan aberraciones cromáticas que afectan de manera adversa la imagen producida.

Por lo tanto, resulta conveniente proveer un proyector de luz mejorado para usarse con el panel de guía de onda delgado para reducir la complejidad y el costo, y eliminar la aberración cromática.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un sistema óptico proyecta luz en una pantalla óptica plana. La pantalla incluye guías de onda ópticas laminadas que definen una cara de entrada en un extremo y una pantalla de salida en un extremo opuesto. Un primer espejo alinea la luz desde una fuente de luz a lo largo de un primer eje, y distribuye la luz a lo largo de un segundo eje. Un segundo espejo alinea la luz desde el primer espejo a lo largo del segundo eje para iluminar la cara de entrada y producir una imagen sobre la pantalla.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención, de acuerdo con modalidades preferidas y ejemplares, junto con otros objetivos y ventajas de la misma, se describe particularmente en la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos que la acompañan en los cuales: la figura 1 es una vista en perspectiva de un panel de pantalla óptica que recibe luz desde un proyector óptico mostrado esquemáticamente de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención.

La figura 2 es una porción agrandada de parte del panel de pantalla ilustrado en la figura 1 dentro del círculo punteado marcado 2 que ilustra las guías de onda ópticas ejemplares en el mismo. La figura 3 es una vista en sección transversal a través del sistema óptico ilustrado en la figura 1 y tomada generalmente a lo largo de la línea 3-3. La figura 4 es una modalidad alternativa del sistema óptico ilustrado en la figura 3 incluyendo un modulador de transmisión de luz en el mismo.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS En la figura 1 se ilustra un panel de pantalla óptica 10 que incluye una pluralidad de guías de onda ópticas laminadas o apiladas 12 que definen colectivamente una cara de entrada 14 en un extremo verticalmente inferior del panel, y una cara de salida o pantalla 16 en un extremo opuesto de la misma dispuesta oblicuamente con la misma. Como se muestra con mayor detalle en la figura 2, cada una de las guías de onda 12 está en la forma ejemplar de un listón o lámina incluyendo un núcleo central transparente 12a unido entre capas de revestimiento opuestas 12b. El revestimiento 12b tiene un índice de refracción que es menor que el del núcleo 12a para efectuar reflexión interna total de luz 18a transmitida a los núcleos desde la cara de entrada 14 a la pantalla 16. La cara de entrada 14 puede pulirse ópticamente para recibir la luz, y la pantalla 16 puede escarcharse para difundir la luz a la misma. Como se muestra en la figura 1 , las guías de onda 12 son lateralmente continuas para la anchura completa W del panel. Las guías de onda 12 son laminadas o apiladas en dirección transversa en un número suficiente para proveer resolución vertical adecuada de la pantalla 16. Por ejemplo, puede haber 525 guías de onda 12 transversalmente apiladas juntas para efectuar una profundidad máxima o espesor T del panel. La pantalla 16 es plana o llana, y oblicua o sustancialmente perpendicular a la cara de entrada 14. Esto se efectúa biselando las caras de salida de las guías de onda a un ángulo agudo pequeño A en el orden de 1 o 2 grados, por ejemplo, con relación a los ejes longitudinales de las guías de onda individuales 12. De esta manera, la cara de entrada 14 puede ser extremadamente estrecha o delgada, por ejemplo alrededor de 2.54 cm, con la pantalla 16 siendo relativamente alta en altura H sobre la anchura total W de la pantalla. La altura H puede ser de alrededor de 100 cm, por ejemplo, con la anchura W siendo de alrededor de 133 cm en una relación de aspecto de anchura a altura de 4:3 para la pantalla 16, aunque también pueden efectuarse otras relaciones, tales como 16:9. El panel de pantalla 10 es del tipo inicialmente patentado en la patente de E.U.A. 5,381 ,502 y disfruta todos los beneficios descritos ahí que se pueden atribuir al diseño de panel delgado, laminado incluyendo formas de panel planas o curvas. Sin embargo, en esa patente se describió un rayo láser alineado en un sistema para escudriñar el rayo tanto lateralmente a lo largo de la cara de entrada del panel para discriminar horizontalmente la luz, como transversalmente a lo largo de la profundidad o espesor del panel para discriminar verticalmente la luz. De acuerdo con la presente invención, un sistema de proyección óptico mejorado o proyector 20 se ilustra esquemáticamente en la figura 1 para proyectar la luz 18a hacia la cara de entrada 14 para transmisión a través de guías de onda respectivas 12 para producir una imagen 22 que se puede observar sobre la pantalla 16. El proyector 20 incluye una fuente de luz blanca adecuada 18 que puede ser un bulbo de luz no alineado relativamente simple, tal como un foco de luz de halógeno brillante, para producir luz blanca, por ejemplo. Pueden utilizarse otros tipos de fuentes de luz, e incluso pueden ¡ncluir láseres si se desea. El color puede introducirse en la luz proyectada 18a de cualquier manera adecuada. Por ejemplo, una rueda de color convencional 24 que tiene porciones rojas, verdes y azules puede montarse adyacente a la fuente de luz 18 y hacerse girar para colorear selectivamente la luz con el fin de producir una imagen a color 22 sobre la pantalla. Debido a que la luz 18a no está alineada, un primer espejo de reflexión 26 se alinea ópticamente con la fuente de luz 18, con la rueda de color 24 siendo ópticamente alineada de manera apropiada entre los mismos. El primer espejo 26 se provee para colectar y alinear la luz difusa desde la fuente 18 a lo largo de un primer eje que es vertical en la figura 1 , y luego distribuir por expansión la luz a lo largo de un segundo eje que es horizontal en la figura 1 , y ortogonal con el primer eje. Un segundo espejo de reflexión 28 se alinea ópticamente con el primer espejo 26 para alinear horizontalmente la luz reflejada desde el primer espejo a lo largo del segundo eje, y detiene la expansión horizontal para iluminar la cara de entrada 14 producir la imagen de video 22 sobre la pantalla 16. El uso del primer y segundo espejos 26, 28 con la fuente de luz difusa 18 reduce o elimina la necesidad de lentes en el sistema de proyección, reduce la complejidad y costos, y elimina la aberración cromática inherente en los lentes. Sin embargo, para poder producir una imagen de video adecuada 22 sobre la pantalla 16, la luz difusa deberá ser alineada y transmitida a través de las guías de onda a la pantalla 16. El primer y segundo espejos 26, 28, por lo tanto, son preferiblemente parabólicos en sección para alinear la luz 18a para distribución sobre el área total de la cara de entrada 14. El primer espejo 26 se alinea ópticamente de manera adecuada con la fuente de luz 18 para reflejar primeramente la luz 18a a partir del mismo con el fin de distribuir lateral u horizontalmente la luz a lo largo del segundo eje. El segundo espejo 28 se alinea ópticamente con el primer espejo 26 para reflejar de manera secundaria la línea lateralmente distribuida con el fin de distribuir transversal o verticalmente la línea a lo largo del primer eje ortogonal al segundo eje para iluminar la cara de entrada completa 14 y producir la imagen 22 sobre la pantalla 16. El primer y segundo espejos 26, 28 por lo tanto son efectivos para alinear la luz 18a conforme la luz es primaria y secundariamente reflejada desde los mismos a su vez, así como para distribuir de manera adecuada la luz sobre la cara de entrada completa 14. Después la luz viaja a lo largo de las diferentes guías de onda de longitud 12 para iluminar la pantalla 16 y producir la imagen 22 sobre la misma. Debido a que la luz 18a es difundida sin distinción, deberá modularse de manera adecuada en intensidad para discriminar los elementos de dibujo o pixeles tanto horizontal como verticalmente en la pantalla 16. Esto puede lograrse utilizando un modulador de luz 30 mostrado en las figuras 1 y 3 ópticamente dispuesto y alineado entre la fuente de luz 18 y el primer espejo 26. El modulador de luz 30 es efectivo para modular de manera selectiva la luz 18a a partir de la fuente 18 antes de su primera reflexión en el primer espejo 26. El modulador 30 puede tomar cualquier forma convencional tal como un dispositivo de microespejo digital (DMD) que está comercialmente disponible de Texas Instruments, Inc., E.U.A. El DMD 30 está en la forma ejemplar de una disposición de elementos de 640 por 480 de deflectores o microespejos binarios que son individualmente inclinados de manera selectiva sobre una escala de más y menos 10°. El DMD se une operativamente a un controlador o procesador eléctrico adecuado 32 configurado para reflejar selectivamente la luz 18a ya sea hacia el primer espejo 26 o lejos del mismo y proveer discriminación horizontal y vertical para producir la imagen visualizada 22. Como se indica con anterioridad, la rueda de color 24 puede colocarse entre la fuente de luz 18 y el modulador 30 para colorear selectivamente la luz desde la fuente antes del primer reflejo en el primer espejo 26 para producir una imagen a color 22 sobre la pantalla 16. Con referencia de nuevo a las figuras 1 y 3, el primer y segundo espejos 26, 28 se alinean ópticamente en secuencia con la cara de entrada de pantalla 14 para proveer luz alineada y no enfocada tanto lateralmente a lo largo del grado horizontal de la cara 14 como transversalmente a lo largo de la profundidad de la cara 14 para producir correspondientemente la imagen 22 tanto horizontal como verticalmente sobre la pantalla 16. La imagen de video 22 es ¡nicialmente generada en el modulador 30 que es típicamente un dispositivo pequeño de alrededor de un centímetro cuadrado en área. El DID, por ejemplo, tiene una anchura w y una altura h, con una primera relación de aspecto de anchura a altura correspondiente w/h. La primera relación de aspecto puede ser cuadrada o rectangular, tal como la relación de aspecto de televisión 4:3. La cara de entrada de pantalla 14 por la misma naturaleza de la pantalla delgada 10 es estrecha en profundidad o espesor T sobre la anchura total W con una segunda relación de aspecto de anchura a profundidad correspondiente W/T que es sustancialmente diferente y más grande que la primera relación de aspecto w/h. Por ejemplo, la segunda relación de aspecto es de alrededor de 52 con base en los tamaños ejemplares de la pantalla 10 introducida anteriormente. La pantalla de visualización 16 como se introdujo con anterioridad tiene una tercera relación de aspecto correspondiente W/H que es necesariamente diferente de la segunda relación de aspecto W/T de la cara de entrada 14, y por ejemplo es 4:3, que se acopla con la primera relación de aspecto del modulador 30. La luz que es desplazada a lo largo del tren óptico desde el modulador 30 a la pantalla 16 deberá expandirse de manera adecuada lateralmente y transversalmente para poder formar una imagen escalada apropiadamente 22 sobre la pantalla 16. Dadas las dimensiones del panel 10 y el modulador de luz 30, los contornos requeridos del primer y segundo espejos 26, 28 pueden determinarse convencionalmente por análisis o experimentación. El primer y segundo espejos parabólicos 26, 28 son contorneados de manera adecuada para distribuir la luz desde el modulador 30 tanto lateral como transversalmente a través de la cara de entrada de pantalla 14 para producir la imagen 22 a través de la pantalla 16 de acuerdo con la primera, segunda y tercera relaciones de aspecto preseleccionadas. Debido a que la imagen 22 surge del modulador 30 que es sustancialmente menor en área que la pantalla 16, la imagen es ¡nicialmente comprimida, y por lo tanto deberá descomprimirse o expandirse a lo largo del tren óptico utilizando el primer y segundo espejos 26, 28 para volver a configurar la imagen a la relación de aspecto de la pantalla 16 con escala uniforme en la misma. Como se muestra en las figuras 1 y 3, el primer espejo 26 es contorneado en una parábola adecuada a lo largo del eje horizontal para expandir o descomprimir lateralmente la luz desde el modulador 30 para alinear la anchura lateral de la cara de entrada 14. El primer espejo 26 también es verticalmente parabólico a lo largo del primer eje para alinear verticalmente la luz. De manera correspondiente, el segundo espejo 28 se contornea preferiblemente en una parábola horizontalmente o lateralmente para alinear horizontalmente la luz desde el primer espejo 26 y detener la expansión horizontal de la misma para acoplar la cara de entrada 14 a lo largo de su anchura horizontal completa W. El segundo espejo 28 puede ser parabólico para alinear verticalmente la luz en conjunto con el primer espejo 26. O, el segundo espejo puede ser constante o recto verticalmente si el primer espejo provee alineación completa. Debido a que el primer espejo 26 ilustrado en la figura 3 es parabólico y recibe luz a partir del modulador de unión 30, el modulador 30 se coloca de manera adecuada fuera del eje al primer espejo 26 para permitir reflexión no obstruida de la luz desde el primer espejo 26 al segundo espejo 28. De esta manera, el modulador 30 puede desviarse debajo del primer espejo 26 proveyendo una trayectoria de luz sin obstruir a partir de ia fuente de luz 18.

En la primera modalidad de la invención ¡lustrada en las figuras 1 y 3, el primer modulador 30 está en la forma del DMD ópticamente alineado entre la fuente de luz 18 y el primer espejo 26 para reflejar de manera selectiva la luz entre los mismos como respuesta al controlador 32. La figura 4 ¡lustra una modalidad alternativa de la presente invención, en la cual el modulador de luz está en la forma de una pantalla de cristal líquido convencional 30a ópticamente alineada entre la fuente de luz 18 y el primer espejo 26 para transmitir de manera selectiva la luz 18a entre los mismos. La LCD 30a puede tener un número adecuado de elementos de pixel que pueden encenderse y apagarse individualmente para transmitir o bloquear porciones de la luz como se desee para efectuar la imagen de pantalla 22. Los mismos primer y segundo espejos 26, 28 pueden utilizarse con el modulador de LCD 30a para el mismo rendimiento y ventajas que en la primera modalidad descrita con anterioridad. El proyector de luz 20 descrito antes utiliza espejos parabólicos relativamente simples 26,28 con una fuente de luz difusa 18 para alinear y expandir la luz a partir de los moduladores 30, 30a para iluminar la cara de entrada de pantalla 14 y producir una imagen adecuada 22 sobre la pantalla 26. Este sistema elimina la necesidad de lentes de alineación o enfoque precisos, y elimina la aberración cromática a partir de los mismos. El sistema es inherentemente compacto, y puede incluir, si se desea, espejos de doblamiento adicionales para mejorar también el empaque del proyector con el panel de pantalla 10 en un volumen mínimo.

Aunque aquí se ha descrito lo que se considera modalidades preferidas y ejemplares de la presente invención, otras modificaciones de la invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de las enseñanzas en la presente, y es, por lo tanto, conveniente confirmar en las reivindicaciones anexas que todas dichas modificaciones están dentro del espíritu y alcance de la invención. Por lo tanto, lo que se desea proteger mediante las cartas patente de los Estados Unidos es la invención como se define y diferencia en las siguientes reivindicaciones.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema óptico 20 para proyectar luz en un panel de pantalla óptica 10 incluyendo una pluralidad de guías de onda ópticas laminadas 12 que definen una cara de entrada 14 en un extremo y una pantalla de salida 16 en un extremo opuesto dispuesta oblicuamente a la misma, que comprende: una fuente de luz 18; un primer espejo 26 para alinear luz desde dicha fuente 18 a lo largo de un primer eje, y distribuir dicha luz a lo largo de un segundo eje; y un segundo espejo 28 ópticamente alineado con dicho primer espejo 26 para alinear dicha luz reflejada desde el mismo a lo largo de dicho segundo eje, y distribuir dicha luz para iluminar dicha cara de entrada y producir una imagen 22 sobre dicha pantalla 16.

2.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho primer y segundo espejos 26, 28 son parabólicos.

3.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende un modulador de luz 30, 30a ópticamente colocado entre dicha fuente de luz 18 y dicho primer espejo 26.

4.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque dicho primer y segundo espejos 26, 28 son ópticamente alineados en secuencia con dicha cara de entrada de pantalla 14 para proveer luz no enfocada, alineada lateralmente y transversalmente a través de la misma.

5.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque dicho modulador 30 tiene una primera relación de aspecto de anchura a altura; dicha cara de entrada de pantalla 14 tiene una segunda relación de aspecto de anchura a profundidad diferente de dicha primera relación de aspecto; dicha pantalla de visualización 16 tiene una tercera relación de aspecto de anchura a altura diferente de dicha segunda relación de aspecto; y dicho primer y segundo espejos 26, 28 son contorneados para distribuir dicha luz a partir de dicho modulador 30 a través de dicha cara de entrada de pantalla 14 para producir dicha imagen a través de dicha pantalla 16 de acuerdo con dichas primera, segunda y tercera relaciones de aspecto.

6.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque dicho primer espejo 26 es contorneado para expandir lateralmente dicha luz desde dicho modulador para acoplar dicha cara de entrada 14; y dicho segundo espejo 28 es contorneado para detener dicha expansión lateral de dicha luz a partir de dicho primer espejo 26 para acoplar dicha cara de entrada 14.

7.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicho modulador comprende un dispositivo de microespejo digital 30 ópticamente alineado entre dicha fuente de luz 18 y dicho primer espejo 26 para reflejar de manera selectiva la luz entre los mismos.

8.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicho modulador comprende una pantalla de cristal liquido 30a ópticamente alineada entre dicha fuente de luz 18 y dicho primer espejo 26 para transmitir de manera selectiva la luz entre los mismos.

9.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende una rueda de color 24 ópticamente alineada entre dicha fuente de luz 18 y dicho primer espejo 26 para colorear de manera selectiva dicha luz con el fin de producir una imagen a color 22 sobre dicha pantalla.

10.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicha fuente de luz 18 no está alineada.

11.- Un método para proyectar luz en un panel de pantalla óptica 10 que incluye una pluralidad de guías de onda ópticas laminadas 12 que definen una cara de entrada 14 en un extremo y una pantalla de salida 16 en un extremo opuesto dispuesta oblicuamente a la misma, que comprende: reflejar primero la luz desde una fuente 18 para distribuir lateralmente dicha luz a lo largo de un eje; y segundo reflejar dicha luz lateralmente distribuida para distribuir de manera transversal dicha luz a lo largo de otro eje ortogonal con dicho primer eje para ¡luminar dicha cara de entrada 14 y producir una imagen 22 sobre dicha pantalla 16.

12.- Un método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque comprende alinear dicha luz conforme dicha luz es primera y secundariamente reflejada.

13.- Un método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende modular de manera selectiva dicha luz a partir de dicha fuente 18 y antes de dicha primera reflexión de la misma.

14.- Un método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende colorear de manera selectiva dicha luz a partir de dicha fuente 18 y antes de dicha primera reflexión de la misma.