专利名称：平板投影显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及3D显示器、头戴式(head-mounted)显示器和其它微型(compact)投影显示器。
传统上，投影显示器包含光发射器的二维阵列和投影透镜。透镜在空间的一些平面上形成阵列的图像，并且如果这个成像平面远离投影透镜，使得光线基本上为平行，则投影透镜的作用基本上是准直(collimate)来自二维阵列上的任何像素的光。
投影显示器在大多数情况下被配置成使得阵列的图像落到一个大型半透明屏幕上，且朝这个屏幕看的观看者将会在二维阵列上看到画面的放大很多的图像。但是，被安装在观看者头上的小型投影显示器正变得越来越普遍，使得投影显示器直接朝向观看者的眼睛，并且被投影透镜准直的、来自光发射器二维阵列上单个像素的光接着被观看者的角膜会聚到视网膜上，使得观看者看到通常已知为虚像的明显为远距离的图像。
为了合成三维图像，也可以把包含定向光发射器的二维阵列的大直径投影显示器放在液晶显示器或者一些其它空间光调制器的后面。例如，参见Travis，A.R.L.的“自动立体3-D显示器”，Applied Optics，卷29，29号，4341-3页(Travis，A.R.L.，“Autostereoscopic 3-D display”，Applied Optics，Vol.29，no.29，pp.4341-3)。当光发射器二维阵列上的一个像素被照明时，并且三维物体的合适视图以这样的方式同时显示在液晶显示器上只有在从被投影透镜准直的、来自像素的光的光线正在传送的方向观察时，才能看到三维物体的视图。一系列视图以比眼睛能够察觉到闪烁的速率快的速率进行重复，从而时分复用了三维图像。
这种显示是三维的而不是全息的。原则上可以通过以下方式来创建全息三维图像把点源光发射器的二维阵列放在投影透镜的聚焦平面中，依次照明每个点源，并且在放在投影透镜顶部上的液晶显示器上显示适当的全息图，使得每个全息图可以依次从不同的视点看到。
头戴式显示器很庞大而用户会更希望它们为扁平的。可以通过使用合并了弱全息图的板条形(slab)波导来把头戴式显示器做得更加扁平，如Amitai、Reinhorn和Friesem的“基于平面全息光学的Visor显示器设计”所示出，Applied Optics，卷34，8号，1352-1356页，1995年3月10日(Amitai，Reinhorn and Friesem，“Visor-display designbased on planar holographic optics”，Applied Optics Vol 34，No.8，pp.1352 to 1356，10 March 1995)。来自阴极射线管和全息图的光被耦合入波导中，且这个光将以由发射出这个光的阴极射线管中的像素所确定的方向被全息图衍射出波导(即垂直于这个平板)。
通过时分复用液晶显示器的照明而合成的三维图像要求液晶显示器具有快速切换的薄膜晶体管阵列，而这些是很昂贵的。美国5600454的Trayner和Orr描述了这样的一种设备其通过把全息图放在传统液晶显示器后面的方式来避免这种要求，该液晶显示器把交替行的照明引导向左眼或右眼的视野。但是这种设备和切换照明概念都很庞大，且没有展示出头戴式显示器所需的扁平性。
反之，可以通过把投影显示器与一屏幕组合的方式来制成平板三维显示器，在该屏幕上发亮的、与该屏幕的表面平行的光在沿屏幕的一组可选择的行中的一行上被射出(ejected)，如本发明人先前申请PCT/GB 97/02710(WO 98/15128)所描述。当屏幕上的一行被选中时，并且投影显示器同时投射出与屏幕平行的一行像素，从而使它们在所选择的行上被射出。当屏幕上的一系列行中的每一行以时分复用屏幕上完整图像的方式依次被选中时，投影显示器上同一行的像素被重复地改变。只有投影显示器的一行得到使用，因此，光发射器阵列只需一行的高度，并且如果发射光在屏幕的平面上被准直，则投影透镜只需要一或两毫米高，因此，组合的投影机和屏幕为扁平的。
如果光来自三维显示器，虽然该光的光发射器阵列仅具有一个像素的高度，但是该光被引向平行于可选择行的屏幕的表面，因此形成在屏幕上的图像是三维的。三维显示器可以包含位于投影透镜后面的光发射器阵列和具有位于投影透镜前面的液晶显示器，如上所述，但是，为了在显示器的一个行周期内显示出几个视图，液晶的切换速率需要等于视点个数乘以显示器的行速率，但很少有液晶混合物能够切换这么快。
现已存在很多其它类型的自动立体和全息三维显示器概念且任何一种都可以在平板系统中使用。特别令人感兴趣的是一个早期概念，其在物镜(field lens)的聚焦平面上包含一组小型视频投影机。每个投影机被放置为在物镜的平面上形成一个视图，就像透镜为半透明屏幕一样，但是，与半透明屏幕不同的是，物镜对光进行准直，使得只可以从单一方向看到图像。其它投影机形成由物镜可从其它方向看到的视图，因此，观看者可以看到自动立体三维图像。但是，观看者更希望三维图像在方位角位置和仰角上位置都是自动立体的，且现在很少有对使视图根据仰角而变化的这种概念进行考虑。
根据本发明，提供了一种平板投影显示器，包含板条形波导，其优选地在一个端面上带有凸出(emboss)的衍射光栅；透镜，其用于把光引导入波导的端部；以及在透镜的聚焦平面中的装置，其用于把光的强度调制为侧部位置和传送的仰角方向的函数。
这种排列方式把来自调制装置中的像素转换为以不同角度射到波导上的平面波，然后，其以相应的角度被衍射出波导的端面。因此，在波导上形成虚像，其例如能够用于抬头式显示器或3-D显示器。
为了把更多的光射入波导中，优选地，显示器包括一维屏幕，其用于把光扩展到包含板条边缘的宽度上。这个屏幕自身能够被并入波导中，且镜面能够与波导的端部或多个端部相关联，以保持光。输入波导也能够放大输入图像。能够通过使用棱镜波导端部来折叠显示器。也可以考虑使用波导透镜。
为了更好地理解本发明，现在将参考附图通过示例的方式对具体实施例进行描述，在附图中图1示出表示本发明背景的为把垂直入射光反射90°而摆成一角度的镜面；图2示出了与图1的单个镜面类似的一系列镜面；图3示出了如何由入射到波导中的光的方向和光栅的周期来确定被凸出在板条形波导的一个端面上的光栅耦合出板条形波导的光的方向；图4示出了体现本发明的平板投影显示器；图5示出了具有大屏幕的平板投影显示器，其中图像从微型投影机被放大；图6示出了如图5所示的显示器的一种样式，其使用反射式而非透射式的一维半透明屏幕；图7示出了如图6所示的显示器的折叠样式，其带有绕观看者而弯曲的屏幕，以满足观看者的周围视觉的需求；图8示出了行列复用式(row-and-column-multiplexed)的平板投影显示器；图9示出了棱镜如何把光线方向上的平面内(in-plane)变化(Kparalle1)转换成光线方向上的平面外(out-of-plane)变化(Ktransverse)；图10示出了棱镜如何用来折叠型平板投影显示器；图11是折叠型行列复用式平板投影显示器的扩大视图；图12是折叠型行列复用式平板投影显示器的压缩视图且示出了液晶显示器如何处于与平板面板的平面呈45°；图13示出了平板面板三维显示器；图14示出了使用诸如满足光学的空间光调制器的反射式液晶显示器的三维显示器的平板面板照明；图15示出了平板面板扫描行三维显示器；以及图16示出了具有可变厚度的波导如何用来起到透镜的作用。
实施例的具体描述把光沿垂直向上地照射到与水平转为45°的镜面上是个简单的实验，且图1示出了镜面如何把光反射进水平平面(虚线)。如果入射光的方向在远离反射光初始方向的垂直平面中旋转，则反射光的方向在水平平面中旋转。类似地，如果入射光的方向在由入射光和反射光共享的平面中旋转，则反射光的方向以相同的角度在相同垂直平面中旋转。
镜面可以做成是部分反射的，且如图2所示，可以以一个在另一个上面的方式来层叠一系列转为45°的镜面，使得垂直向上地照射到底部镜面上且没有被该镜面反射的光穿过层叠的连续镜面，直到光被全部反射为止。一系列镜面与单一镜面的作用方式相同，其方式为如果进入光的方向在合适的垂直平面中旋转，则反射光的方向在水平平面中旋转。如果这些镜面足够宽和薄，并且如果镜面足够多，则所得的结果是一种平板设备，来自其表面的所有部分的光能够被安排为以任何单一、可选择的水平方向传送。如果没有致使光偏离镜面层叠的平面，则不能在由入射光和反射光共享的平面中旋转入射光的方向，但是，如果层叠被封装在板条形波导中，则该波导将会把使光保持在限制于层叠内，且将变得可以在垂直平面中旋转反射光的方向。但是，在板条形波导两个壁之间反弹的光线将会交替地以两种方向之一传送，因此镜面层叠将会射出以两个不同方向传送的光线。
以垂直于波导表面的方向射出在板条形波导中传播的光的光线的另一方式是使适当空间频率的光栅凸出(embossed)在波导的表面上，如图3所示。与图1和图2的镜面一样，把被制导光线的方向围绕与波导表面垂直的轴旋转角度θ会致使被射出光线的方向在由法线和光栅的任一行共享的平面中旋转相同的角度。如图3所示，通过围绕与光栅的任一行平行的轴改变传播光线的角度，也可以使被射出光线的方向在正交方向上改变。光线只在反射期间与光栅相互作用，因此，光栅将只以一个方向传送的方式被射出(假定光栅是闪耀的(blazed)，或者其它第一衍射级(diffracted order)的方向位于临界角之内)。
假设光线的波长是λ，光栅间距是d，光栅周期的方向是j，光栅平面的法线是i且第三方向是k。如果光的光线线以任意角度入射到光栅上，且角度φ、ψ和θ如图3所描绘，则入射光的波向量βin可以表达为βin=2πλcosφ(cosψi+sinψj)+2πλsinφk]]>第一级衍射光线的波向量βout将是βout=2πλcosφ(cosθi+sinθj)+2πλsinφk]]>φ对于输入和输出都相同，因此，光线离开光栅的方位角角度不受光线的仰角角度的影响。但是θ与ψ不同，且这导致了在其它轴中的变形。
如图4所示的平板投影显示器体现使用上述原理的本发明的实施例。其包含板条形波导1、凸出在板条形波导上的弱衍射光栅2、透镜3、优选地用准直光照明的液晶显示器4、一维半透明屏幕5和前部镀银的镜面6。板条形波导1的一个端部放在透镜3的一个聚焦平面中，且液晶显示器4放在透镜3的另一聚焦平面上，因此，来自液晶显示器4上的任何像素的光将被准直为平面波，其一部分进入板条形波导1的端部。板条形波导1的一个表面凸出有弱衍射光栅2，使得当波传播到波导1的下面时，该波的一部分被持续地衍射出波导。波的衍射分量出自衍射光栅2的所有部分，且组合为单一波前，该波前的方向是由光从其中穿过的液晶显示器4上的像素所确定的。以另一方向传送的波由液晶显示器4上的其它像素来调制，所得的结果是完整(二维)的虚拟图像的投影来自细长的板条形波导1。
为了获得更高的效率，优选地，来自液晶显示器4的所有光被射入板条形波导1的端部。为了实现此目的，波导1的照明包含准直光线，其穿过靠近液晶显示器4的一维半透明屏幕5。屏幕5可以包含例如小型圆柱形单透镜(lenslets)阵列，其在一个(垂直)维数上在一个角度范围内漫射光线，但在另一维数上使它们准直，因此，在透镜3的另一聚焦平面上，板条形波导1的整个端部都被照明。
也是优选地，来自液晶显示器4的一个像素的光只被射入板条形波导1的一个模中。这要求当平面波被射入板条形波导1的端部时，也射入具有相等强度的平面波，其带有分解在波导1的平面中的方向上的相同分量和分解在垂直于波导1的方向上的相反分量。以光线来描述，该第二波的目的是填充板条形波导1前部上的空隙(gap)，否则这些空隙不会被初始波照明。第二波可以以这样的方式提供把前部镀银的镜面6的前部放成紧靠板条形波导1的前部，使得镜面6突出到波导1的端部之外。来自液晶显示器4的光必须在两个维数上充分地漫射，以照明波导1的端部和其在镜面6中的图像；这可以通过添加与第一弱一维半透明屏幕垂直的第二弱一维半透明屏幕、或者通过使液晶显示器4的像素足够小以致使衍射产生漫射的方式来实现。
作为投影显示器的一种类型，抬头式显示器(head-up display)通常在飞机上发现，且包含大(对角线方向上若干英寸)屏幕，来自该屏幕的所有部分都被投影为聚焦在远场的(虚的)图像。如上所述的平板投影显示器可以配置成实现这种头戴式显示器，但是，透镜3和液晶显示器4不方便地过大。图5示出了来自小型液晶显示器4的图像如何被具有相同维数的第二板条形波导7内的投影器放大到显示器波导1上。液晶显示器4被放在投影透镜3的一个平面上，而且这个板条形波导7的端部被放到另一平面上，且液晶显示器4由准直光来照明。来自液晶显示器4的单个行的光线具有处于板条形波导7内这样的方向，其分解在与液晶行(在对角线上从左到右)垂直的平面上时具有单个角度(有时称为平面外角度)。但是，来自液晶显示器4的单个列的光线被投射到放大波导7端部的单个区中，且一维半透明屏幕8被放在板条形波导7的端部上，以保持光线的平面外角度，但是把它们的角度散射在板条形波导7的平面中(有时称为平面内角度)。这实际上在平面8上产生了一维放大实像。
然后，这些光线被耦合入板条形波导9的第三长度，在该板条形波导9的端部是圆柱形透镜10，其优选地与波导自身组成整体，其轴与板条形波导的平面正交。一维半透明屏幕8在圆柱形透镜10的聚焦平面上，因此，来自屏幕8上任何点的光线在离开透镜10时被准直。不是使用透镜，而是可以把镜面结合适当重新配置的波导一起使用，镜面实际上降低了变形。
然后，光被传递进凸出有弱衍射光栅2的板条形波导1，且被衍射出，如上所述，以形成远场投影图像。为了自始自终把光线限制于相同的平面外角度，一维半透明屏幕8和圆柱形透镜10制成具有与板条形波导相同的厚度，且把前部镀银的镜面对11和12的前部放在接口元件8和10的上面和下面，以把光线限制在相同的平面外角度。一维半透明屏幕8能够形成为例如圆柱形单透镜阵列。
图5的大平板投影显示器是长的，且很难把用于作用于一维半透明屏幕8的圆柱形单透镜阵列切割和抛光至与相邻板条形波导7和9具有光学容差内的相同厚度。图6示出了如何通过使用半透明或一维反射(specular)镜面13而不是半透明屏幕8来进行改善。一维半透明镜面只简单地是涂敷有铝的圆柱形单透镜阵列，且这可以放成与放大板条形波导7的端部足够靠近，使得尽管不存在前部镀银的镜面11和12，但在从半透明镜面13向外反射期间内也存在光线的最小损耗。在此，通过使光两次通过波导7的方式，一个波导7既用作放大，又用作准直。
图6的平板投影显示器仍然很长。在波导中的具有小曲率半径的弯曲会改变光线的平面外角度，这是众所周知的，但是，具有足够大的曲率半径的弯曲不会破坏光线，且已通过实验发现5cm的曲率半径是没有破坏性的。图7示出了如何引入弯曲7a来折叠图6的系统，其实际上折叠了屏幕1背面的后面的波导7。在图7中，屏幕1也绕一垂直轴弯曲，因此，坐在弯曲中心近处的观看者会用他或她的周围视觉(peripheral vision)看到图像。弯曲屏幕1但没有进一步修改将会致使来自单个像素的光线会聚，而不是如所需的被准直。这种解决方案是把一维半透明镜面13移到靠近圆柱形透镜10；这会存在一距离，在该距离上这样做所丢失的会聚将抵偿由弯曲屏幕所造成的额外会聚。虽然抬头式显示器通常在飞机上使用，但是应该认为这种显示器的设计对于将构建的非常大型的(对角线上可能为若干米)显示器来说应当足够便宜，且这些显示器可以在办公室中使用或者用于显示虚-实图像，或者作为对于远视观看者来说会更加舒服的屏幕。
作为第二类型的投影显示器，头戴式显示器通常用于显示虚-实图像，但是，现有显示器都很庞大且奇形怪状的。用户更希望显示器是扁平且细长的，如一副太阳镜一样，但是，虽然迄今所描述的所有显示器都具有平坦的板条形波导，但是投影机相对较庞大。液晶显示器能够被微型化，但是很难使液晶像素小于两或三微米，且所得的显示器仍然很大。
图8示出了两个一维液晶显示器或设备如何用来在扁平设备中合成投影图像。第一液晶显示器14被配置成作为光栅，并且当用准直光照明时会把光衍射成相对于中心轴相等的平面内角度但相反的两个方向。然后，如图9中详细的示出，光经由透镜对17和18(其功能如下所述)穿过微型棱镜15，由于带有使用接连的45°镜面的三个立方体，因此其把进入的光旋转90°，以把光线方向的平面内变化转换成光线方向的平面外变化。光也在该方向上倒转，但是，为了方便，一点也没在图8中示出。
然后，光线被圆柱形透镜或镜面16a扩充，以照明靠近第二一维液晶显示器16的一维半透明屏幕8。第二液晶显示器16位于最末圆柱形透镜10的聚焦平面上，且调制进入最末板条形波导1的光的平面内角度。每个角度上的光线被凸出在板条形波导1上面的弱衍射光栅转换到远场投影图像的列中。第一液晶显示器14调制进入最末板条形波导1的所有光线的平面外角度，其被弱衍射光栅2转换到远场投影图像的行中。对于由第一液晶显示器14选择的每个平面外角度，第二液晶显示器16调制所有平面内角度，且远场投影图像是以与阴极射线管基本相同的方式逐行写入的。
虽然液晶像素能够做成具有2或3微米的尺寸，但是，更容易把像素做成具有20或30微米的尺寸，但是，可由这种像素实现的最大衍射角度大约是1°。在第一液晶显示器14与微型棱镜15之间的两个透镜17和18把该最大衍射角度放大至10°或更多。两个透镜中的第一个17具有至少比第二个18大十倍的焦距，且它们共有一个聚焦平面，因此，在位于第二透镜18的非共享聚焦平面上的微型棱镜15上，光线在固定点上但以各种角度进入棱镜15。
如果第一液晶显示器14以传统的方式调制振幅，则光将在零(无衍射)级和在第二及更高的衍射级以及在第一级上被透射。可以通过选择合适的光栅图形来使第二及更高的衍射级而达到最小，而可以通过在由两个透镜17和18共享的聚焦平面的中心上放置不透明材料来消除零级。如果液晶显示器14包含配置成把光相位调制0°和180°的铁电液晶，则不会出现零级，并且，由于两个液晶显示器14和16可能需要为铁电的，以足够快地进行切换，所以这种替换可以是优选的。
保持把图8的系统折叠到与软焦点透镜(spectacle lens)一样大小的区域中，但是把波导弯曲成5cm的曲率半径会使结果太庞大。反之，图10示出了一对直角棱镜19可以用于折叠波导；这种排列也可以用于前面的实施例中。为了把光线限制于正确的平面内角度中，必须在每个直角棱镜19的两个透射表面上放置低折射率材料，并且为了也以锐角来反射光，每个直角棱镜19的45°表面必须被镀银。
图11示出了图8的折叠系统每一层的展开图，且图12示出了压缩的系统。两个液晶显示器14和16是如图12所示的单个液晶设备的部分，其液晶层被夹在单一玻璃或硅衬底与可能由聚酯薄膜制成的透明顶层之间且保持尽可能薄，以避免光线的平面内角度被破坏或者避免使得光线漏出。
在这种设备中，光从第一板条的侧面进入，且被前部镀银的圆柱形镜面23散射或展开，以形成平面波，然后，其被光栅LCD 14分开并由第一棱镜对19a向上发送至下一板条。在此，光经由类似于图5中的透镜3的透镜18被会聚到等于微型棱镜15的一角落上，并且向上发送至带有一维半透明透镜8和第二LCD 16的第三板条，“放大”板条7。平面外反射在第三板条中开始，如图所示。第四板条9是圆柱形准直透镜10且最末板条是显示器或输出板条1。
作为第三类型的投影显示器，三维显示器被发现在娱乐厅和手术室中使用，但是，现有显示器都太庞大。这种三维显示器能够通过把大的投影显示器放在高帧速率的液晶显示器后面来制成，图13示出了如何通过在液晶显示器20的后面放置如图5所示的这种平板投影显示器的方式来制成平板三维显示器。在此，板条只是起到准直光的来源的作用，该准直光是通过与调制器20同步地横向移动或对光源进行横向扫描产生的输出角度范围内进行扫描的，如箭头所示。对于3-D显示器，在仰角位置上无需调制且光栅无需是规则的衍射光栅，而可以只简单地是一组平行散射线。液晶显示器的帧速率由构图层的导电性所限制，通过该构图层在每个像素两端上施加电压，且如果其厚度制得足以不透明，则该层的导电性能够增强。例如，可以通过在结晶硅集成电路上放置铁电液晶层来使微型显示器具有20kHz的帧速率，但是，该液晶显示器只有在反射中才能工作。
使液晶显示器具有高的帧速率的另一方式是把图像投影到满足光学的空间光调制器的感光侧上，但是，这种设备也只在反射中工作。图14示出了平板投影显示器如何用来通过使用具有体积全息图(volume hologram)板条形波导1、或与平面呈45°且轴平行于该板条1入口边缘的部分镜面的层叠，来提供前部照明。对于HUD应用，优选使用镜面—例如载玻片(glass slides)层叠，因为它们不会致使太阳光的伪衍射进入用户的眼睛，全息图倾向于会这样。来自源4的横向调制光由透镜3引导入板条1。它被部分镜面或全息图向后反射到实际上是镜面像素阵列的LCD 20。根据当前正在产生的特定视角上的图像，这些镜面像素由投影机30调制为亮(on)或不亮(off)。然后，图像穿过板条1传递回至观看者，在该板条1，图像的全部几乎都被透射。
平板投影显示器也可以用于通过把显示器配置成用被准直成单一方向的波照明全息图的方式，来对静止全息图进行正面照明。这种技术也可以被扩展至通过以下方式来提供宽视场(wide-field-of-view)全息视频显示器的平板照明当利用被准直成具有若干个离散方向中一个方向的波、使用平板投影显示器来照明液晶显示器20时，同时在液晶显示器上写入适当的全息图，以及在眼睛的闪烁响应时间之内重复该顺序。
很难在大型屏幕上淀积高的帧速率液晶显示器所需的薄膜晶体光，且WO 98/15128描述了如何通过平行于屏幕表面的照亮的光来制成三维显示器的另一种方式，该屏幕合并了一组行，该组行中的任何一行当被选中时则把光从屏幕射出。但是，该文件只解释了这种设备如何能够产生在方位角位置上是三维的图像。对于真正的三维或虚-实图像，需要对离开屏幕的任一点的光线强度进行控制，作为其同时在方位角和仰角上方向的函数。
图15示出了如何通过把投影显示器与屏幕21组合的方式来制成具有仰角控制的三维显示器，在该屏幕上，沿大致平行于屏幕21表面照亮的光在沿屏幕21的一组可选择的行中的一个上被射出。这一般遵循本发明人在先的WO 98/15128所陈述的方案。但是现在，屏幕21被配置成作为板条形波导，且投影显示器的所有行都被调制，因此，存在对板条形波导之内的光线的平面内角度和平面外角度的控制。在此，板条形波导的敷层包含分散有纳米滴聚合物的液晶，该液晶是一种其体折射率(bulk refractive index)在很大程度上能通过电压控制的材料。它被像素化(pixellated)为一系列行，使得光从板条形波导中其中敷层的折射率已降低的行上被射出。方位角位置上的光线方向将由板条形波导之内光线的平面内方向来控制，但是，仰角位置上的光线方向将由光线的平面外方向确定。如果投影显示器22组成视频全息图，则在所选中的行上射出的光图形也组成全息图，且这给出了放映在方位角位置和仰角位置上均为三维的视频全息图而无需薄膜晶体管的方式。但是，全息图在仰角位置上的视场是窄的。在仰角位置上的较宽视场能够通过这样的方式建立使用可切换的液晶光栅来射出光、改变液晶光栅的空间频率，以把若干个全息图逐一地投影到每个行的仰角位置上的不同角度。
至此所描述的实施例中的数个都要求在相邻波导之间使用圆柱形透镜，但是，包括作为独立元件的透镜就要求波导与透镜之间的表面必须被抛光，且这是很昂贵的。图16示出了如果波导逐渐变薄则波导内的光线的平面外角度如何变大。如果光线的平面外角度很大，则光线速度在波导平面中的分量下降。就像透镜通过拥有较厚的中间部分而使波的中间部分相对于外围减慢来聚焦准直光一样，能够通过使波导的中间部分薄于边缘的方式来使波导聚焦准直波。这种“透镜”可以在所有上述的实施例中使用，且确实可以用在任何需要透镜的平面光学系统中。
权利要求
1.一种平板投影显示器，包含波导系统，其包括具有光栅(2)的显示器板条形波导(1)，用作致使在波导中传播的光从波导的一个端面出来，透镜元件(3；18)，其用于把光引导入波导系统的边缘；以及在透镜元件的聚焦平面上的装置(4)，其用于把光的强度调制为侧部位置的函数，可选地，调制为传送的仰角方向的函数，相对于波导来说，光栅是用于根据所述侧部位置，如果适当的话，根据仰角方向，来把被引导入波导系统的光以一角度从板条射出到观看者。
2.如权利要求1所述的显示器，其中，调制装置(4)包括液晶调制器。
3.如权利要求1或2所述的显示器，进一步包括屏幕(5；8)，其用于把波导系统中的光以一维的方式扩展到板条(1)边缘的宽度上。
4.如前面的权利要求中的任一项所述的平板投影显示器，其中，调制器和透镜元件在侧部方向上小于板条，且波导系统包括放在透镜元件(3)与显示器板条形波导(1)之间的、匹配宽度的放大板条形波导(7)，以把来自透镜(3)的光扩充至显示器波导(1)的整个宽度。
5.如权利要求3和4所述的平板投影显示器，其中，屏幕(8)是位于放大波导端部的一维半透明带，其恒定平面外角度而把光在平面中扩展。
6.如权利要求4或5所述的平板投影显示器，其中，波导系统包括中间板条形波导(9；7)，其把来自放大波导(7)的光耦合入显示器波导(1)。
7.如权利要求4和6所述的平板投影显示器，其中，中间波导与放大波导(7)相同，光以一个方向穿过该波导，以进行放大，且以相反的方向传递回来，以耦合入显示器波导。
8.如权利要求7所述的平板投影显示器，其中，屏幕(13)是位于放大波导的端部的一维圆柱形镜面带，其恒定平面外角度而把光在平面中扩展。
9.如权利要求5-8中的任一项所述的平板投影显示器，其中，波导系统包括与中间波导(9)相关联的透镜(10)或镜面，其用于建立进入显示器波导(1)的远场(平行光线)图像。
10.如权利要求4-9中的任一项所述的平板投影显示器，其中，由覆盖相邻板条之间的线的镜面(6；11，12)来对任何一个或全部板条按照平面外方向进行连结。
11.如权利要求4-10中的任一项所述的平板投影显示器，其中，如果存在放大波导和/或中间波导的话，则其被折叠成位于显示器波导的后面。
12.如权利要求1-3中的任一项所述的平板投影显示器，其中，调制装置包括两个一维调制器(14，16)，第一调制器调制对应于最末图像的平面外角度的所需角度上的输入光，以及第二调制器调制针对最末图像的每个平面外角度的平面内角度。
13.如权利要求12所述的平板投影显示器，其中，从第一调制器(14)显露出来的光的平面例如被微型棱镜(15)所转动，因此，整个设备基本上为扁平的。
14.如权利要求13的12所述的平板投影显示器，其中，第一调制器的输出被圆柱形光学设备展开，因此，其照明了与第二调制器相邻的整个一维半透明屏幕(8)。
15.如权利要求13-14所述的平板投影显示器，其中，波导系统包含合并了光学元件的板条形波导。
16.如权利要求15所述的平板投影显示器，其中，波导被层叠，从一个到下一个的光在相邻端部上被棱镜(19a，15)耦合，且两个调制器被提供在单一衬底上。
17.如权利要求12-16中的任一项所述的平板投影显示器，且构成了抬头式显示器。
18.如前面的权利要求中的任一项所述的平板投影显示器，其中，从显示器板条显露出来的光被输出面板(20)调制，以提供三维显示。
19.如权利要求18所述的平板投影显示器，其中，输出面板(20)是由光源(30)调节的感光反射器阵列，且安装在显示器板条(1)的后面，使观看者能够所看到。
20.如权利要求19所述的平板投影显示器，其中，显示器板条包含部分反射器的层叠，其把输入光反射回朝向输出面板且允许再次被反射回朝向观看者。
21.如前面的权利要求中的任一项所述的平板投影显示器，其中，输出板条(21)自身是可调节的，因此，在任何一次上，只来自一个行的光被射出，一维调制器组(22)提供各个平面内角度上的输入光。
全文摘要
一种平板投影显示器，包含板条形波导1，其在一表面上带有优选为凸出的衍射光栅2；透镜3，其用于把光引导入波导的边缘；以及在透镜的聚焦平面中的液晶调制器4，其用于把光的强度调制为侧部位置和传送的仰角方向的函数。光被光栅以与输入角度对应的角度从板条形波导1射出，以提供了虚显示。来自调制器的光能够通过穿过放大波导7而在一维上展开，接着由屏幕13在平面中把位于波导7另一端部的透镜10的投影进行散射。抬头式和3－D显示器能够使用这种原理而构建。
文档编号G02B27/01GK1549946SQ01823653
公开日2004年11月24日 申请日期2001年9月25日 优先权日2001年9月25日
发明者阿德里安·罗伯特·利·特拉维斯, 阿德里安 罗伯特 利 特拉维斯 申请人:剑桥平投影显示有限公司