专利名称：小入口的光学面板以及制造小入口光学面板的方法
相关申请的交叉参考本申请是序列号为09/118,270，申请日为07/17/98，名称为“SmallInlet Optical Panel”的美国专利申请的部分继续。有关联邦资助的研究及开发的声明本发明是在和美国能源部签订的合同号DE-AC02-98CH10886下利用政府的支持作出的。在本发明中，政府享有一定的权利。
背景描述在本领域中已知由多个叠层的波导构成一光学面板。所述波导在其一端集中在一起限定一入口面，而在其相对端限定一出口面。出口面可以相对于入口面被倾斜地设置。出口面相对于波导的纵轴线可以形成一小的锐二面角，因而可以使屏的高度远大于面板的深度或厚度。面板的入口面基本上沿着相应于出口面的宽度的面板的整个宽度延伸，但是由于面板薄使得所述入口面非常窄。例如，当入口面具有133cm的宽度时，现有技术中的相应的长度是2.54cm。
窄的入口面必须使用复杂的光投射系统，以便使光跨过面板的整个宽度和深度分布和聚焦，借以在出口面上进行精确的显示。这种复杂的光投射系统增加了整个系统的复杂性和成本，并且增加了显示面板的空间要求。
因此，需要一种具有小孔径入口的波导的光学面板，其能够简化光在所述入口的投射和聚焦，而不损失在出口面的图像分辨率。
发明概述本发明的目的在于一种小入口的光学面板，其包括构成具有出口面的出口面本体的第一组多个叠层的光波导，其包括构成具有入口面的入口面本体的第二组多个叠层的光波导，以及与第一组多个和第二组多个叠层的光波导相连的光学连接元件，其中该光学连接元件沿着入口面的平行轴线把光改变方向到出口面的平行轴线。在本发明的优选实施例中，入口面相对于出口面被倾斜地和歪斜地设置。
本发明的目的还在于一种制造小入口光学面板的方法，其包括以折射率小于玻璃片的折射率的物质分别涂敷多个玻璃片，叠置所述被涂敷的多个玻璃片，其中利用黏合剂把每个被涂敷的玻璃片固定到邻接的玻璃片上，对层叠体施加压力，固化所述黏合剂，切割所述层叠体，以形成一在其上具有出口面的呈第一楔形的出口面本体，重复所述分别地涂敷、叠置、施加压力、固化而形成第二层叠体，切割所述第二层叠体，以形成一在其上具有入口面的呈相应于第一楔形的第二楔形的入口面本体，利用光学连接元件把出口面本体和入口面本体连接在一起，其中出口面相对于入口面被歪斜地设置，以便把入射到入口面本体内的光的方向改变为入射到出口面本体中的方向。
本发明通过提供具有小孔径入口的波导光学面板解决了现有技术中遇到的困难，其简化了光在入口的投射和聚焦，同时又不损失在出口面的图像分辨率。
发明详述应当理解，本发明的这些附图和说明已被简化，以说明适用于清楚地理解本发明所需的相关元件，同时为了清楚起见，省略了许多在一般的光学面板中具有的许多其它元件。本领域的普通技术人员能够理解，为了实施本发明，其它这些元件是所希望的和/或所要求的。不过，因为这种元件在本领域内是公知的，并且因为它们无助于更好地理解本发明，所以本发明并不提供对这些元件的讨论。
图1是表示小入口光学面板10的示意的轴侧图。显示面板10包括用于接收光14的入口面12，以及相对于入口面12被倾斜地和歪斜地设置的用于显示光14的出口面16。所述光14由光发生器17产生。入口面12和出口面16由多个波导12a,16a构成，其中每个波导12a,16a的一端形成波导12a,16a的入口，每个波导12a,16a的相对端形成波导12a,16a的出口。
入口面12相对于出口面16优选被基本上垂直且歪斜地设置，用于接收来自调制器20和投射器22的光14。入口面12的水平延伸的每个波导12a被设置在出口面16的水平延伸的每个波导16a的下方，并基本上垂直于每个波导16a。入口面12的多个叠层的波导12a垂直地延伸。
每个波导16a水平地延伸，多个叠层的波导16a沿着出口面16垂直地延伸。光14例如但不限于以视频图像14a的形式在出口面16上被显示。出口面16一般被制成三角楔，其具有在出口面16的层叠体32的底部30和出口面16的层叠体32的背面34之间的锐二面角A。例如，锐二面角A的范围可以是5°到10°，此时面板10的厚度从出口面16的层叠体32的顶部36的最小值增加到出口面16的层叠体32的底部30的最大值。在给定的应用中，应当选择尽可能小的最大厚度。面板10具有从出口面16的顶部到出口面16的底部的高度，和从出口面16的从左边到右边的宽度。所述宽度和高度可以这样选择，使得例如对于一般的电视应用具有4∶3或16∶9的宽高比。在本发明的出口面16a的一个示例的实施例中，可以选择大约在8cm范围内的最大厚度，此时的高度和宽度可以分别为100cm和133cm。选择入口面12的左侧到右侧的宽度和面板10的最大厚度T相同。入口面12具有合适的垂直高度h，这在设计时进行选择。为了容易和出口面16进行连接，入口面12最好具有4∶3的宽高比。相应地，面板10被分为两个楔形，一个从出口面层叠体32的底部30到顶部36，第二个位于出口面层叠体32的底部30，从界面40的左侧到入口面12。
入口面12相对于出口面16的配置必须能够使光14改变方向，所述光14沿着基本上水平的方向入射到入口面12上，并且必须通过出口面16的波导16a改变为垂直向上的方向。这个潜望镜式的光路使得能够在面板10的底部使用面积相当小的调制器20，用于提供相当小的小孔径光源，其通过面板10扩展，从而以大大增大的观看面积在出口面16上显示。
光发生器17发出光14，并使光14输入到入口面12。直接和入口面12相邻的光发生器的表面积最好和入口面12的表面积相等。光发生器17可以包括光源22、光调制器20或成像光学系统。光14可以首先由光源22发出。光源22例如可以是白炽灯泡、激光器、多个荧光体、至少一个LED、至少一个OLED、至少一个FED或投射器。来自光源22的光14最好被准直。光14可以被调制器20调制，以便限定在本领域中被称为像素的各个图像元素。调制器20可以采取在本领域中已知的形式，例如但不限于液晶显示器(LCD)、数字微镜器件(DMD)、GLV、光栅扫描器、向量扫描、PDLC、LCOS、MEMS和CRT。成像光学系统可以包括使光弯折的反射镜或透镜。成像光学系统可以从光学上在入口面12和光调制器20之间对准，用于根据需要使光14压缩或扩展和聚焦，以便和入口面12配合。被调制过的光14一般从成像光学系统作为通过入口面12被水平传输的压缩的图像入射到入口面12上，然后转弯以便通过出口面层叠体32垂直向上传输，并以合适的水平和垂直比例和分辨率扩展，从而进行显示。
图2是表示图1的小入口光学面板的水平和垂直截面的示意的轴侧图。面板10包括形成出口面16的第一(或顶部)多个叠层光波导16a，第二(或底部)多个叠层波导12a，它们被垂直于出口面16叠置，使得在出口面16的层叠体32的底30的下方形成入口面12，以及改变光的方向的元件50，它们被设置在面板10的内部，位于入口面波导12a和出口面波导16a之间，用于改变光14的方向，以便通过波导12a,16a进行潜望镜式传输。
波导12a,16a以两个独立的组构成，其中第一组多个波导16a形成一限定出口面16和界面40的楔。第二组多个波导12a被设置在位于界面40上的改变光的方向的元件50的下方，并形成一限定入口面12的楔。第二组多个波导12a以相应于出口面本体32的楔形的楔被构成。出口面16的层叠体32接收光14，用于垂直向上地向出口面16传输。出口面16的层叠体32沿着和改变光的方向的元件50相邻的层叠体32的底30的表面接收光14。在层叠体32的底30上接收的光14被传输到层叠体32，并在出口面16上被显示。入口面12的层叠体60的楔体在其垂直的入口面12上接收光14，用于基本上水平地传输到改变光的方向的元件50。入口面12的尺寸可以和调制器20的面积匹配，以便接收光14，并且入口面12的面积大大小于在改变光的方向的元件50处的界面40的面积。出口面16的楔体的角度A大约为5°到10°，入口面12的楔体的第二角B此时可被适当减小。
用于形成入口面12和出口面16的多个叠层波导12a,16a可以由本领域中已知的适合于在其中通过电磁波的任何材料制成，例如但不限于塑料、聚合物或玻璃。本发明的优选实施例使用各个玻璃片实施，其厚度大约为2-40微米。在本发明的给定的应用中，可以同时使用两种不同厚度的玻璃片，一种用于形成出口面16，另一种用于形成入口面12。在本发明的优选实施例中，在入口面12中使用的玻璃片具有基本上相同的厚度，在出口面16中使用的玻璃片具有基本上相同的厚度。使用的玻璃可以是但不限于BK-7型玻璃，或者是合适的塑料叠层，例如可以从通用电气公司购买的Lexan。波导12a,16a将参照图3更详细地说明。
改变光的方向的元件50被设置在入口面12的层叠体60和出口面16的层叠体32之间。改变光的方向的元件50例如可以是光学连接元件，并且可以利用本领域中已知的方法，例如在光学上透明的环氧被固定到每组波导12a,16a上。连接器50的功能是把来自底部的多个波导12a的起始水平方向的光14改变为垂直向上进入顶部的一组多个波导16a的方向的光。本发明的波导12a,16a和连接器50是无源光学器件。改变光的方向的元件50将参照图3详细说明。
图3示意地表示图2所示的小入口光学面板10的放大的水平截面和垂直截面。改变光的方向的元件50用于改变进入入口面12的光14的方向，进入入口面12的光14然后通过底部一组波导12a入射到改变光的方向的元件50，并进入顶部一组波导16a，从而入射到出口面16上。改变光的方向的元件50最好包括多个菲涅尔棱镜槽50a，所述的槽50a沿着底部波导12a的宽度在面板厚度T的方向是直的，用于改变图像光14的方向，使其垂直向上进入顶部一组波导16a。在优选实施例中，改变光的方向的元件50是呈直角传输膜(TRAF)Ⅱ型的光学连接器50，其可以从3M Company ofSt.Paul,Minnesota买到。TRAFⅡ连接器50能够使图像光以接近90度的角度拐弯。在本发明的另一个实施例中，改变光的方向的元件50可以是衍射光栅50的形式，所述衍射光栅50包括一系列极小的直的光栅，用于对光14进行衍射，以便使基本上水平地进入底部一组波导12a的光垂直地拐弯进入顶部一组波导16a。衍射光栅50具有比TRAFⅡ实例的转折角低的转折角。
在本发明中使用的各个波导12a,16a通常包括被叠层在包覆层102之间的中心芯100、接收端104和出口端106。中心芯100通过波导12a,16a传输图像光14，其被设置在包覆层102之间，并从接收端104延伸到出口端106。在优选实施例中，中心芯100是厚度T的范围为2到40微米的玻璃片，如上所述。中心芯100具有第一折射率。包覆层102也从接收端104延伸到出口端106。包覆层102可以是黑色的，以便改善对比度和亮度。此外，在邻接的包覆层102之间可以设置黑色层，用于在出口面106上吸收环境光，在出口面106上邻接的包覆层102是透明的。此处所用的术语黑色不仅包括纯黑色，而且包括适用于本发明任何在功能上比较暗的颜色，例如深蓝色。包覆层102具有小于中心芯100的折射率的第二折射率，以便确保图像光14从接收端104向出口端106行进时的全内反射。
可以用若干方法制造叠层波导的顶部组16a和底部组12a。多个玻璃片可以利用其折射率小于玻璃的折射率的物质被单独地涂敷或浸渍，然后使用粘合剂或者热固环氧把多个被涂敷的玻璃片固定在一起。此外，粘合剂或环氧可以形成包覆层，并被直接施加在玻璃片上。在本发明的一个实施例中，第一个被涂敷的或者未被涂敷的玻璃片被置于一个槽中，所述槽的尺寸略大于所述玻璃片，在槽中充满热固的黑色环氧，然后重复地叠置被涂敷的或未被涂敷的玻璃片，从而在每个涂敷的或未被涂敷的玻璃片之间形成环氧层。所述叠置被重复进行，直到叠置大约500-800个玻璃片为止。选择用于叠置成出口面16a的波导16a的数量，使得提供出口面16a的相应的垂直分辨率。例如在出口面16中可以叠置525个波导16a，从而在出口面16中产生525条线的垂直分辨率。然后可以对层叠体施加均匀的压力，接着使环氧固化，并把层叠体锯成楔形，其角度根据将其用于出口面16或入口面12而定。楔形可以被锯成曲面或平面，并且在锯后可以被消光或者被抛光。
图4是表示面板10的另一个实施例的小入口光学面板10的水平和垂直截面图。在所述实施例中，顶部一组波导16a沿垂直方向延伸，从出口面16到侧部的入口面12是连续的，界面40是水平的，并被设置在出口面16的底部边缘30上。
在所述实施例中，改变光的方向的元件50被设置在面板10的底部，并在出口面16的右侧从入口面12向出口面16的相对侧倾斜。因此，多个波导16a的底部以及元件50c以小的锐角B相对于面板10的的底部倾斜，借以限定一底部楔形部分。此外，在这个另外的实施例中，元件50c包括多个斜的反射小面或反射镜50c，它们从光学上在入口面12和界面40之间对准，用于把基本上为水平方向的光14垂直向上地向出口面16反射。
图5是表示小入口光学面板10的另一个实施例的示意的轴侧图，其中包括改变光的方向的元件50d，它们呈全息光学元件50d的形式，用于把来自入口面12的光朝向界面40反射，以便在出口面16上显示。全息连接器50d可以是现有技术中已知的常规形式，用于使光14从基本上水平的方向转向垂直的方向，以便通过顶部一组波导16a朝向出口面16反射。
图6是表示小入口光学面板10的另一个实施例的示意的轴侧图，包括顶部一组波导16a，其构型和上面的实施例相同。图7的另一个实施例也包括底部一组波导12a，它们沿着出口面16的整个宽度W是连续的，并且被垂直地叠置。在这个实施例中，入口面12在面板10的前方在出口面16的正下方沿出口面16的整个宽度W延伸。
图7是表示小入口光学面板10的另一个实施例的示意的轴侧图，其中入口面12沿出口面16的整个宽度W延伸，但是被设置在面板10的背面。
本领域的普通技术人员应当理解，可以实施本发明的许多改变和改型。例如，可以使用在现有技术中已知的多种物质作为光连接材料，同时仍然能够制造基本相同的总的面板。上面的说明和下面的权利要求旨在包括所有这些改变和改型。
权利要求
1．一种光学面板，包括第一组多个叠层的光波导，每个第一光波导具有一第一端和一第二端，其中所述第一组多个形成一出口面本体，并且其中所述第一组的多个第一端形成一出口面；第二组多个叠层的光波导，每个第二光波导具有一第一端和一第二端，其中所述第二组形成一入口面本体，并且其中所述第二组的多个第二端形成一入口面，所述入口面的表面积小于出口面的表面积；与所述第一组的多个第二端和所述第二组的多个第一端相连的改变光的方向的元件，其中所述改变光的方向的元件把沿着入口面的平行轴线的光改变为沿着出口面的平行轴线的光。
2．如权利要求1所述的光学面板，其中所述入口面相对于出口面被歪斜地设置。
3．如权利要求1所述的光学面板，还包括一用于发光的光发生器。
4．如权利要求3所述的光学面板，其中光发生器的表面积直接和入口面相邻，并等于入口面的表面积。
5．如权利要求3所述的光学面板，其中光发生器包括一光源；一光调制器；以及多个成像光学系统。
6．如权利要求5所述的光学面板，其中该光源从由白炽灯泡、激光器、多个荧光体、至少一个LED、至少一个OLED和至少一个FED构成的组中选择。
7．如权利要求5所述的光学面板，其中所述光源和光调制器位于一投射器内。
8．如权利要求5所述的光学面板，其中从所述光源发出的光被准直。
9．如权利要求5所述的光学面板，其中所述光调制器从由液晶显示器、数字微镜器件、GLV、激光光栅扫描器、PDLC、LCOS、MEMS以及CRT构成的组中选择。
10．如权利要求5所述的光学面板，其中所述多个成像光学系统包括使光弯折的反射镜和透镜。
11．如权利要求5所述的光学面板，其中所述多个成像光学系统从光学上在入口面和光调制器之间对准，用于根据需要对光进行聚焦，以便配合入口面。
12．如权利要求1所述的光学面板，其中所述第一组波导中的每个波导沿水平方向延伸，并且所述第一组波导沿出口面垂直地延伸。
13．如权利要求1所述的光学面板，其中光在出口面上作为视频图像被显示。
14．如权利要求1所述的光学面板，其中所述第二组波导中的每个波导在所述水平延伸的第一组波导的下方并基本上垂直于所述水平延伸的每个第一组波导沿水平方向延伸。
15．如权利要求14所述的光学面板，其中所述第二组波导垂直地延伸。
16．如权利要求1所述的光学面板，其中光从入口面被扩展，以便在出口面上被显示。
17．如权利要求1所述的光学面板，其中所述出口面本体是在出口面和出口面本体的背面之间的三角楔，并且所述三角楔的厚度从出口面本体的顶部到所述改变光的方向的元件增加。
18．如权利要求17所述的光学面板，其中三角楔形具有大约为5°到10°的角度。
19．如权利要求1所述的光学面板，其中出口面本体具有跨过出口面垂直方向的高度和跨过出口面水平方向的宽度。
20．如权利要求19所述的光学面板，其中所述宽度对高度的宽高比为4∶3。
21．如权利要求1所述的光学面板，其中所述入口面本体是在入口面和所述光连接元件之间的三角楔，并且所述三角楔的厚度从所述改变光的方向的元件到入口面增加。
22．如权利要求1所述的光学面板，其中所述入口面本体具有跨过入口面垂直方向的高度和跨过入口面水平方向的宽度。
23．如权利要求22所述的光学面板，其中所述宽度对高度的宽高比为4∶3。
24．如权利要求1所述的光学面板，其中所述光学面板被分为两个三角楔，一个所述三角楔的厚度从出口面本体的顶部到底部而增加，另一个三角楔的厚度从入口面本体的左侧到入口面本体的右侧而增加。
25．如权利要求1所述的光学面板，其中所述第一组波导的每个波导和所述第二组波导的每个波导由聚合物、塑料和玻璃构成的组中选择的材料制成。
26．如权利要求25所述的光学面板，其中选择的材料是玻璃，并且所述玻璃具有范围大约为2到40微米的厚度。
27．如权利要求26所述的光学面板，其中所述第一组波导的每个波导具有第一厚度，所述第二组波导的每个波导具有第二厚度。
28．如权利要求26所述的光学面板，其中所述玻璃从由BK7玻璃和塑料叠层构成的组中选择。
29．如权利要求1所述的光学面板，其中所述第一组波导中的每个波导和所述第二组波导中的每个波导包括至少两个包覆层；被叠层在两个包覆层之间并具有两个端部的中心芯；在所述中心芯的一端的接收端；以及在所述中心芯的第二端的出口端。
30．如权利要求29所述的光学面板，其中中心芯具有第一折射率，至少两个包覆层具有第二折射率，其中第二折射率小于第一折射率。
31．如权利要求1所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件是一光学连接器。
32．如权利要求1所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件包括多个菲涅尔棱镜槽。
33．如权利要求1所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件是一直角透射膜。
34．如权利要求1所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件是一衍射光栅。
35．如权利要求1所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件是一全息光学元件。
36．如权利要求1所述的光学面板，其中所述入口面在出口面上出口面本体的正下方，其中入口面沿出口面的水平方向水平地延伸。
37．如权利要求1所述的光学面板，其中所述入口面在和出口面相对的面板一侧的出口面本体的正下方，并且其中入口面平行于出口面的水平方向水平地延伸。
38．一种光学面板，包括多个叠层的光波导，每个第一波导具有第一端，所述第一端具有两个边缘；以及第二端，所述每个光波导的第二端在第一端的一个边缘的下方相对于第一端被歪斜地设置，其中所述多个第一端形成一出口面，其中所述多个第二端形成一入口面，所述入口面的表面积小于出口面的表面积；以及用于改变光的方向的元件，其被连接用于把沿着入口面的平行轴线的光改变为沿着出口面的平行轴线的光。
39．如权利要求38所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件被设置在面板的底部，并且在出口面的右侧相对于出口面的左侧倾斜。
40．如权利要求39所述的光学面板，其中所述改变光的方向的元件包括多个倾斜的反射小面，其从光学上在入口面和出口面之间对准。
41．如权利要求38所述的光学面板，其中入口面向着出口面的边缘倾斜。
42．一种制造光学面板的方法，包括用折射率小于玻璃片的折射率的物质分别涂敷多个玻璃片；叠置被涂敷的多个玻璃片，其中每个被涂敷的玻璃片利用黏合剂被固定到邻接的玻璃片上；对所述层叠体施加压力；固化所述黏合剂；切割所述层叠体，以形成呈第一楔形并在其上具有出口面的出口面本体；重复所述的分别涂敷、叠置、施加压力和固化，从而形成第二层叠体；切割所述第二层叠体，从而形成呈相应于第一楔形的第二楔形并在其上具有入口面的入口面本体；以及利用改变光的方向的元件把入口面本体和出口面本体连接在一起，其中出口面相对于入口面歪斜地被设置，以便把入射到入口面本体的光改变为入射到出口面本体的方向。
43．如权利要求42所述的方法，其中重复所述叠置直到被叠置大约500到800个玻璃片为止。
44．如权利要求42所述的方法，还包括抛光入口面和出口面。
45．如权利要求42所述的方法，还包括消光所述出口面。
46．如权利要求42所述的方法，还包括产生光并把所述光入射到所述入口面。
47．如权利要求42所述的方法，还包括在所述叠置期间在被涂敷的玻璃片之间设置黑色层。
全文摘要
本发明公开了一种具有小入口的光学面板和用于制造所述面板的方法,所述光学面板制造方法包括:分别涂敷、叠置、和切割第一组叠层的光波导(16a),从而形成一具有出口面(16)的出口面本体(32);分别涂敷、叠置和切割第二组叠层的光波导(12a),从而形成一具有入口面(12)的入口面本体,以及把一光学连接元件连接到第一和第二组光波导上,使得所述光学连接元件把沿着入口面的平行轴线的光改变为沿着出口面的平行轴线的光。在本发明的优选实施例中,入口面(12)相对于出口面(16)被倾斜地并歪斜地设置。
文档编号G02B6/00GK1309779SQ99808756
公开日2001年8月22日 申请日期1999年7月14日 优先权日1998年7月17日
发明者詹姆斯·T·沃利丹, 戴维·斯劳博丁 申请人:布罗克哈文科学协会