CN1169023A - 用于提高显示分辨率的视觉显示系统 - Google Patents

Abstract

一种包括光发射器件阵列的视觉显示系统，由一个图象源、一个相位空间光调制扫描器、驱动器/控制电路以及一个光学放大系统组成。显示系统被密封在一个机壳中，从而形成一个光学放大器。相位空间光调制扫描器或者以一种发射方式工作，或者以一种反射方式工作。在工作中，外接激励源例如电压施加到扫描器上，从而改变通过扫描器的所发射光的相位。扫描作用提高了所生成的最终图象的显示分辨率而不需要增加图象源的象素数目。

Description

用于提高显示分辨率的视觉显示系统

本发明涉及微型视觉显示领域，尤其涉及使用扫描技术将一个全集成图象投射到观察者视野里的微型视觉显示系统。

人的视觉系统是一种具有吸收以许多不同格式包括视觉显示格式发生的大量信息的巨大能力的复杂系统。今天，视觉显示以不断变化的尺寸和形式显示多种信息，从机场预告时间信息的大型视觉显示屏幕到诸如那些袖珍计算器中的小型视觉显示器。在减小视觉显示器特别是那些用在便携式电子设备例如便携式通信设备、灵巧卡阅读器装置等等里面的视觉显示器的尺寸方面，所关心的是显示分辨率质量以及维持小功耗要求和低制造成本。

与减小视觉显示器的尺寸和维持分辨质量相关的是人的视觉系统处理和综合信息的能力以及视觉系统能做这些事情的速度、人的视觉系统处理和解释信息的能力不快于60Hz左右。因此，在1/60秒内投射并扫描到视觉显示器中的不同位置上的图象就被观察者的眼睛看成是一个放大的集成图象。作为一个例子，通过以60Hz的速度将一个“ A”字图象移到视觉图显示器中的六个不同位置，观察者将看到一个由六个“A”字组成的集成图象。如果图象同时变换内容，例如说以60Hz的速度将六个字母“A”、“B”、“ C”、“D”、“E”和“F”按顺序分别移到六个不同的位置，则观察者将看到一个由六个字母组成的集成图象。这个过程(更一般地叫做时分复用成象)可以通过使用扫描器用到显示技术领域里来，更具体地说，是用来开发提高分辨率的微型视觉显示器。

大量的努力已经花在开发小巧、轻便、低功耗视觉显示器上。作为减小视觉显示器尺寸的显示技术，这种显示器的分辨率很难保持。在开发这些微型视觉显示器当中，最重要的是在维持和/或升降低制造成本的同时能够获得显示分辨率。已经表明，由于显示器有效面积的下降，必须降低象素尺寸以维持分辨率。随着所要求的分辨率越高，象素的数目以及材料和制造成本要增加，部分是因为用于所增加的象素数目所需要的电连接线的数量增多了。结果，制造产量大为降低。

今天使用的扫描装置有助于增加视觉显示器的分辨率。通过扫描装置可以有许多种形式，最普通的是诸如电流计量扫描器、多角形扫描器一类装有反射镜的机电式扫描器。这些型式的机电扫描器的尺寸普遍很大，因此不适合于并入小型、轻便、低功耗工作并且意味着事实上可以便携的显示装置中。此外，机械扫描器复杂，因而制造费用大并且在许多例子中工作期间要用大量的电能。

由此，需要有一种装有小型扫描装置的微型视觉显示器，该小型扫描装置通过扫描子象素、象素组和/或子阵列进行工作，允许产生一种直接式、投影式的，或者是虚拟式的高分辨率微型视觉显示器，从而用较少的象素数目(因而较少的连接线)，获得制造产量的增加，从而降低生产成本。

因此，迫切希望提供一种使用相位空间光调制扫描器进行相位调制的扫描装置，借此提供对各个子象素、象素组和/或子阵列的扫描，从而产生一种带有提高分辨率的低功耗微型视觉显示器。

本发明的一个目的是提供一种新型的和改进的相位空间光调制扫描器，用在微型视觉显示器中提高显示分辨率。

本发明的再一个目的是提供一种新型的和改进的视觉显示系统，用于使用相位空间光调制扫描器对图象源发射的光进行相位调制以提高显示分辨率，从而允许将扫描器结合到微型视觉显示器中。

本发明的另一个目的是提供一种使用相位空间光调制扫描器和外加激励源(可以合并到微型视觉显示器中)扫描子象素、象素组和/或子阵列的方法。

本发明的又一个目的是提供一种允许在维持被观察图象分辨率质量的同时扫描子象素、象素组和/或子阵列的新的改进的扫描方法。

在由图象源、相位空间光调制扫描器、驱动器/控制电路以及光学元件组成的视觉显示系统(它被结合到一个微型视觉显示器里)中，上述问题和其他问题即基本解决并实现上述目的和其他目的。在优选实施例中，相位空间光调制扫描器使用液晶材料在空间调制光发射器件(最普通的发光射二极管或垂直腔面发射激光器VCSEL)的阵列生成的光的相位，由此生成最终集成图象并提高被观察集成图象的分辨率。不用说，其他的光或图象生成器件可以使用诸如有机光发射二极管(LEDs)、阴极射线管(CRTs)、场发射显示器(FEDs)、电致发光显示器、等离子体显示器、液晶显示器等等，不过为简单起见，整个本发明将使用通用名词“发光器件”。

一般，本发明的相位空间光调制扫描器用来在空间调制光的相位，亦即通过它的光线的空间方向路径。在使用液晶相位空间光调制扫描器(下文称为液晶扫描器)的例子中，这个作用是根据组成液晶材料的分子的结构组织不是刚性(这意味着分子能够作为外接激励源的直接结果很容易重新取向)的原理而完成的。这种将外接激励源作用在液晶材料上造成液晶材料的分子结构重新取向，从而使通过它的光线产生一个相位变化。简单地说，相位变化是外接激励源的函数，或者说在本发明中是所加电压的函数，但不一定成正比。不用说，加到液晶上的不同电压量将产生不同的相位调制，因而通过液晶的光线的空间行进路线也不同。

在本发明的液晶扫描器工作期间，一个电压加到液晶扫描器上，从而改变液晶材料的分子取向并造成最终改变诸如双重折射/二次光折射效应、光旋转、二色性或是光散射之类的光学特性。液晶材料的分子结构的这种重新取向被转换成观察者观察时所生成的集成图象的占空因素和/或象素数目的可看得见的变化。更具体地说，所生成的光波的相位被空间调制得产生一个方向变化并产生出观察者看得到的集成图象。这个集成图象看起来具有更高的分辨率和更高的占空因素，但图象源上的有效象素数目仍然为同一个数。

在应用中，液晶扫描器可以根据光学显示器的结构以及所要求的结果被定位于工作于发射方式或反射方式。当工作于发射方式时，液晶扫描器被放置得让光发射器件阵列所产生的光直接通过扫描器并被扫描以借助相位调制生成一个集成图象。当扫描器以反射工式工作时，液晶扫描器形成在一个反射元件的表面上，并被放置得使阵列产生的光两次通过扫描器，从而产生一个几乎双倍于发射方式(具有差不多同一厚度的液晶材料层)工作时出现的相位变化。或者换句话说，当形成的液晶材料层差不多等于以发射方式工作时所用厚度的一半时，产生一个和用发射方式时相同的相位变化。

扫描器通过扫描子象素、象素组和/或子阵列工作，以借助相位调制生成一个集成图象。扫描用来在空间调制光的相位，即光的空间行进路线，从而在空间调制所发射的光并产生出集成图象的另一部分。图象源的有效象素数目保持不变，其中没有使用另外的有效区域或象素等等，但所产生的集成图象的分辨率和占空因素却通过扫描过程而奇迹般地增加了。

发明本身和它的其他性质与优点，通过参考下面的详细叙述，若结合附图阅读，将会很好理解，在附图中：

图1是一个阵列的简化顶视图，其中对子象素的扫描被用来提高分辨率；

图2是一个阵列的简化顶视图，其中根据本发明使用了象素组扫描；

图3是一个阵列的简化顶视图，其中根据本发明使用了子阵列扫描；

图4是一个光发射器件阵列的简化顶视图，示出了每个象素的作用区域，并具有形成在阵列象素的非作用区域内的金属线连接；

图5是本发明的反射式液晶扫描器结构的简化横截面视图；

图6是本发明的发射式液晶扫描器结构的简化横截面视图；

图7是带有集成驱动器电路的本发明反射式液晶扫描器结构的简化横截面视图；

图8是装有本发明发射式液晶扫描器的微型视觉图象显示器的简化原理图；

图9、10和11分别示出使用本发明液晶扫描器的图象显示装置的前视图、侧剖面视图以及顶视平面图；

图12是使用本发明反射式液晶发描器的图11的装置的侧剖面图的4倍放大视图；

图13是使用本发明发射式液晶扫描器的图11的装置的侧剖面图的4倍放大视图。

在本叙述过程中，相同的数字被用来表示根据示出本发明的不同附图的相同的元件。本发明的基础是利用各个可编址的可见光发射器件组成一个阵列，该阵列与驱动器/控制电路和光学元件结合在一起组成本发明的光发射器件显示芯片或图象源。为了提高已给数目的光发射器件的分辨率，或者说为了减少获得理想分辨率所必需的光发射器件数目，可以采用各种不同的扫描技术。光发射器件显示芯片充当视觉显示系统的图象源，利用它借助一个光调制扫描器扫描光发射器件阵列的各区段或元件形成一个最终的集成图象，从而在空间调制那个区段发射的光线的相位。这种相位调制用来改变空中行进路线并在本质上将光线“移”到显示器的另一区段。这一扫描动作形成了对观察者来说好象是一幅高分辨率的最终集成图象。那些熟悉这一技术的人员将认识到，扫描允许使用比生成全页显示所必须的数目小得多的显示器件数目产生全页显示。最终的集成图象可以用直接观察图象、虚拟图象或投影图象诸形式之一观察。

本发明使用的扫描过程的基础是相位调制从而改变阵列区段或元件所发射的光线路径的原理。尤其在优选实施例中，使用一个由多个液晶扫描器象素组成的液晶扫描器加上外接激励源，从而改变其中所含液晶材料的分子取向并产生对通过它的光线的相位调制。这样产生的相位调制允许具有最小的象素数目和低占空因素的图象源与液晶扫描器相结合，产生出一个好象是由多得多的象素数目组成的集成图象。不用说，在叙述使用液晶相位空间光调制扫描器(简称为液晶扫描器)的优选实施例的同时，其他型式的相位空间光调制扫描器例如充电扫描器、声光扫描器等等也都是可以使用的。

如前所述，本发明的目的是提供一种由光发射器件显示芯片、相位空间光调制扫描器、驱动器/控制电路，以及多个光学元件组成的微型视觉显示系统。在优选实施例中，使用微型液晶扫描器产生对显示芯片所发射的光线的相位调制允许显示系统保持小尺寸并允许将它合并到例如那些用在便携式电子设备等等之中的微型视觉显示器里。

现在参照附图所示，说明扫描光发射器件的三种方法，即根据本发明的子象素扫描，子阵列扫描以及象素组扫描。不用说，根据图象源和所要求的最终图象的不同，本文中所叙述的扫描技术可以单独或者结合起来使用。具体地说，考虑图1，所示出的是根据本发明的子象素扫描技术。在简化的顶视图中示出的是发光器件11有阵列10的一个区段。不用说，可以使用不同的光源或图象生成机构例如无机或有机发光二极管(LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、电致发光显示器、等离子体显示器、液晶显示器(LCD)等等可以组成二维阵列的器件。为简单起见，整个本发明将使用通用名词“光发射器件”。正如所说，光发射器件11的阵列10确定出多个象素12。阵列10的每个象素12被制造得确定出一个作用区13和一个非作用区14。非作用区14还可再分为第一非作用区15、第二非作用区16和第三非作用区17。在这一特定的例子中，每个象素12的作用区13覆盖各象素12的面积的25％，并用阴影表征出来。在扫描过程中，不同的外接电压加到相位空间光调制扫描器即优选实施例中被结合到视觉施显示系统的液晶扫描器(现在就来讨论)上。阵列10发射的光通过液晶扫描器产生对象素12的图象或者说每个象素12的作用区13的扫描作用，光线通过每一象素12的第一非作用区15，再到第二非作用区16和第三非作用区17，如图1的方向箭头大概所示。一般地说，每个象素12的作用区13被扫描，意味着那个象素12所代表的图象的光线或区段通过已加有电压的液晶扫描器，并且所发射的已经经受了相位变化的最终光线改变行进方向以图象的一个特定部分依次填满每个象素12有第一、第二和第三非作用区15、16和17。扫描动作通过扫描图象数据信息进行。如果同一个图象信息对非作用区14的每一区段扫描，则所得到的集成图象就显得具有一个较高的占空因素。如果不同的数据信息对非作用区14的每一区段扫描，则所得到的集成图象就显得既有较高的占空因素，又有较高的分辨率。尽管在任何一个例子中都没有实际增加象素12的数目或是图象源的占空因素。

现在参照图2，所说明的是根据本发明的象素组扫描技术。应当指出，所有与图1所示相同的元件均以相同的数字表示，具有一个附加的撇号表示使用不同的实施例或扫描技术。图2以简化的顶视图示出的是光发射器件11的一个局部阵列10’。在这一例子中，差不多25％的局部阵列10’(相当于整个阵列的25％)被认为有作用，在图2中表示成作用区13’，而其余没有作用，在图2中表示成非作用14’。在工作中，象素组12’一起被扫描以形成阵列10’的一个子区域。更具体地说，象素组12’所发射的光通过液晶扫描器的一个加有特定电压的特定区段。所通过的光线经受一个相位变化，从而改变行进路线。正如前面对图1所叙述的一样，该相位变化使得象素12’的图象移过非作用区14’，更具体地说，象素12’的图象移到第一非作用区15’，再移到第二非作用区16’，最后移到第三非作用区17’，如图2中的方向箭头所示。这些相位变化产生一个最终的集成图象，其特征在于提高了的占空因素和4倍的可编址象素数目。借助使用这种扫描技术，就形成一个具有较高分辨率的集成图象，但没有要求图象源增加任何额外的象素12’。

现在参照图3，所说明的是本发明的子阵列扫描技术的简化顶视图。应当指出，所有与图1和2所示元件相同的元件均用相同的数字表示，具有附加的双撇号表示使用不同的实施例或扫描技术。根据本发明的子阵列扫描技术使用光发射器件11”(可以构成一个二维阵列)的两个或两个以上的阵列，除了在这一技术中光发射器件11”的一个更大的阵列被划分为几个子阵列(这里标为子阵列18)以外，和前面所述的扫描技术一样，每个子阵列由最初安装在诸如玻璃一类的基底19之上的多个象素12”组成，为的是分别定出作用区和非作用区13”和14”。扫描过程期间，由多个象素12”组成的各个子阵列18均被扫描。在优选实施例中，所发射的光线穿过带电的液晶材料，从而产生一个预定的相位变化(现在就讨论)。从子阵列18发射的光扫描到非作用区14”上，更具体地说是扫描到多个接连的非作用区15”，16”和17”，为的是生成一个观察者可观察的最终集成图象。整个子阵列18的集合组成图象源，其特征在于一个25％的全阵列占空因素并有一个25％的阵列作用面积和一个75％的基底19面积。象在前面的扫描技术中一样，最终集成图象的特征在于一个较高的占空因素和4倍的可编址象素数目，不需要使用超出图象源提供的象素以外的任何附加象素12”。

现在参照图4，说明的是构造得用于子象素扫描的本发明光发射器件22的局部阵列20的简化顶视图。阵列20具有多条金属连接线24组成行/列地址布置在由阵列20的多个象素23确定出的非作用区25内。本发明的光发射器件阵列20被制造得通过独立编址每一个光发射器件22而工作。阵列20一般由多个光发射器件22组成，这些光发射器件布置成行列矩阵并具有和用于电荷耦合器件(CCD)阵列的那些接线相同的行/列地址接线。至光发射器件22的接线用常规的淀积法和/或腐蚀技术形成，其中例如说共用的行和列总线连接线26形成为对每个光发射器件22的单独地址，就象在这一技术中通常所知道的一样。提供多个驱动器/控制电路(未示出)，这些电路具有数据输入端子，还具有通过多个连接基座(未示出)连接到光发射器件阵列20的控制信号输出端子，用于激励和控制阵列20的每一个光发射器件22根据加到数据输入端子的数据信号生成一个图象。

在本发明中，只需要少量连接线，是因为使用了扫描技术，要求由阵列20确定出的只是少量的象素23。因为这个降低了的连接线数目，阵列20的制造产量提高了，从而降低了制造成本。阵列20与驱动器/控器电路以及多个光学元件的组合结构，即组合形成一个类似于本发明的光发射器件显示芯片的更详细叙述可在1995年7月11日发表且转让给同一受让人的名称为“集成式光电部件”的美国专利No.5,432,358中找到，并引用在本文中作为参考。

本发明的扫描装置使用一个相位空间光调制扫描器装置，如前所述，即优选实施例中的液晶扫描器。现在参照图5、6和7，示出的分别是一种反射式液晶扫描器30，一种发射式液晶扫描器30’以及一种带有驱动器电路的集成反射式液晶扫描器60的简化局部横截面视图。正象前面所述，在优选实施例中，本发明的视觉显示系统装有一个图象源，以及充当光调制介质的液晶材料，从而在空间调制通过它的光的相位。不用说，整个本说明当提到液晶扫描器时，各种液晶层叠制品以及各种液晶材料，包括铁电型和向列型液晶材料，均可假定它根据加于其上的不同信号或电位以不同的方式工作。扫描器的工作方式以及所用的扫描技术依赖于光发射器件显示芯片中光发射器件阵列的制造以及光学系统的结构(现在就讨论)。光发射器件显示芯片和光学系统两者都结合到本发明的视觉显示系统中。本发明的扫描器制造成或者按反射方式或者按射方式工作。不用说，优选实施例的液晶扫描器可以形成为不构成象素、一个单个象素或者液晶扫描器象素的一个阵列。

具体照图5，示出了用于以反射方式扫描(现在讨论)时反射式液晶扫描器30的一个简化并放的局部剖视图。反射式液晶扫描器30一般用层叠成型法制造，并包括一个由任何常规透光材料(例如玻璃)组成的基底32。多个焊接头或端压焊块(未示出)形成在靠近基底32的边缘处并与由多层导电材料(现在就讨论)组成的多层控制电路连通。第一导电材料层34形成在基底32的上表面。构成图案的第一导电材料层34用透光材料例如氧化铟锡(ITO)制造。从而允许照射其上的光线通过并确定出一种光学无遮栏的电接触层。第一分子取向层36置于透明导电材料层34的上表面。分子取向层36用来将组成液晶材料的分子适当定位和排列成行(现在就讨论)，以便当不存在任何外加激励源例如电压作用于液晶扫描器30之上时使分子按特定的方向排列。

一个普通的管状玻璃分隔器38通过任何常规方式例如粘接、化学键合、生长和腐蚀薄膜等等固定地连接到分子取向层36的上表面。当然不用说，管状玻璃分隔器38可以各种其他实施方式形成，并且本结构示出的仅是为了说明的目的。管状玻璃分隔器38具有一个被规定有足够穿通尺寸的内腔39以围住由透明电极图案(现在就讨论)形成的阵列。管状玻璃分隔器38中由腔39确定的空腔(具有对向的不透的表面，并与分子取向层36的上表面相连)被充以连续的液晶材料层40。能够用于本目的的液晶材料的典型例子发表在1987年9月22日分布的各称为“液晶化合物和含有液晶的复合物”的美国专利No.4,695,650以及1989年5月30日分布的名称为“铁电液晶化合物与复合物”的美国专利No.4,835,295中。

玻璃平板46有一个第二层导电材料44，构成图案以再定出一个第二接触层。不用说，导电材料丑34也能以另一种方式构图，并布置成与导电材料层44正交，以定出各个象素。层44形成在玻璃平板46的下表面，并确定出一个第二接触层，它与透明导电材料层34以及液晶材料相结合组成一个电光学无遮拦接触层和第二接触层确定的完全二维液晶象素阵列。不用说，液晶扫描器30也可用另一种方法制造成一维的或者由单个象素组成的。在优选实施例中，第二接触层由透光材料例如氧化铟锡等等组成。在另一个实施例中，第二接触层可以由反射材料例如铝组成，以此反射照到其上的光线。

导电材料层34和44通过导电引线连接到紧靠管状玻璃分隔器38的外边缘的焊接块(未示出)。焊接块再通过常规手段例如导线焊接、经由管状玻璃分隔器38边缘的连接器的馈线(未示出)等等连接到基底32上的焊接块。焊接块适于向其上施加一个公共电位例如地电位或者某些固定的电压，该电位与加到接触层的各种不同电位一起作用并用于将一个电压施加到各个液晶象素上。紧接着一个第二分子取向层42形成于构成图案的导电材料层44的下表面上。液晶材料层40被包含在由分子取向层36的上表面、管状玻璃分隔器38的内腔以及分子取向层42的下表面确定的空腔之中。对于那些熟悉这一技术的人员来说，显然分子取向层36和42可以组成为单独的或分立的薄膜简单地放置在管状分隔器38的两侧并在装配时插入其余的薄层之间。

在装有如图5所示两层透光层电材料的优选实施例中，一个单独的反射层50设在液晶层叠之中，使得通过液晶材料40的光线往回反射穿过液晶材料40并经受两次相位调制。反射层50由任何一种常规反射材料例如铝组成。在另一个实施例中，导电材料层之一例如图5的层44系由诸如铝-类的反射材料组成，接触层本身用来反射照于其上的光线，从而免去了对单独的反射层的需要。在这样一个实施例中，有反射作用的导电材料层可以由铝或者任何能够用常规方法构成图案或放置于玻璃平板46的表面上并反射照于其上的光线的反射金属组成，将光线往回反射通过液晶材料40并经受二次相位调制。在叙述本实施例使用液晶材料的同时，不用说也可以使用其他类型的光调制材料，包括例如说其他类型的光调制液体或固体材料。此外，在叙述优选实施例使用液晶相位空间光调制扫描器的同时，不用说本发明意味着包括其他种类的相位空间光调制扫描器，例如光电扫描器、声光扫描器、等等。

多个驱动器与控制电路(未示出)接通包括有一个二维反射式液晶象素元件阵列的反射式液晶扫描器30，每个象素元件均可通过连接基座单独编址。驱动器和控制电路具有数据输入端子以及借助多个连接基座或焊接块连接到液晶扫描器象素阵列的控制信号输出端子，用于激励和控制每一个液晶扫描器象素以及加于其上的电位或电压。液晶扫描器30的电接触层组成行和列的形式并对电路(未示出)包括行与列电连接总线进行编址和开关。电子开关耦合到接触层，使得每个接点、象素都能单独编址。行列电连接总线电连接到紧靠玻璃平板46边缘形成的多个连接基座用于各个象素的对外通信(编址与控制)。为了激励液晶材料40的特定区段分子结构的重新取向，必须将电位或电压加在该特定象素或区段的上下接触层之间。如果没有外加电位，液晶材料通常处于中性状态，并且任何通过它的光线均不会受到相位调制。在说明本实施例使用行和列驱动器的同时，不用说，按照另一种方法，薄膜晶体管(未示出)可以用作有源驱动器件放在每一个液晶扫描器象素的后方。薄膜晶体管驱动装置既可用在反射式液晶扫描器30(上面已述)中，也可用在发射式液晶扫描器(现在叙述的)中。

至少一个极化(偏振)部件或元件(未示出)被合并到本发明的视觉显示系统中。极化部件被放置得允许相同极化(偏振)的光发射器件显示芯片所发射的光线在经受相位变化之前穿过极化部件。如果例如说极化部件被水平极化，则相同极化的全部光线将通过它，而不同极化的光线则被吸收。如果极化部件被垂直极化，将出现类似结果。极化元件这样放置，使得极化元件的极化方向与液晶分子的长轴在同一平面内，从而允许通过它的光线被调制或控制方向。如果极化元件的极化方向被放置得垂直于液晶分子的长轴，相位将不受调制。极化部件还被这样放置，使得当显示系统被制造得按反射方式工作时，被反射回来穿过液晶扫描器30的光线不再等二次回穿过极化部件。

现在参照图6，示出的根据本发明的发射式液晶扫描器30’的一个简化局部横截面视图。应当指出，所有与图5示出的元件相同的元件均用相同的数字表示，具有一个附加的撇号表示用的不同的实施例或扫描技术。除了组成液晶扫描器30’的所有材料均透光之外，发射式液晶扫描器30’与前述反射式液晶扫描器30相同。使用透光材料允许将发射式液晶扫描器30’置于视觉显示系统之内，允许光发射器件显示芯片发射的光的通路直接穿过扫描器30’。光不象在前述反射式液晶扫描器30中那样反射回来通过扫描器。具体参照图6，示出的是发射式液晶扫描器30’，它由一个透光基底32’、透光导电材料层34’和44’、分子取向层36’和42’、玻璃分隔器38’、液晶材料40’、以及玻璃平板46’组成。液晶扫描器30’一般用类似图5的反射式液晶扫描器30的层叠方法制造。同反射式液晶扫描器30一样，有一个电压加到扫描器30’，用它激励液晶材料40’，从而根据所加电位调制所通过的光的相位。

像反射式液晶扫描器30一样，一个极化部件(未示出)放置在视觉显示系统中，或者换句话说，设置一个如图6示出的那样与液晶扫描器30’形成整体的极化层48。正如前面在反射式液晶扫描器30中所述的一样，极化部件或极化层48设置得让所发射的光的通路在通过液晶材料40并经受一个相位变化之前通过它。因为发射式液晶扫描器30’允许光线直接通过并且不允许光线反射回来通过扫描器30’，所以极化层48可以与液晶层叠组成整体。

图7示出的是带有集成驱动电路的反射式液晶扫描器(标为60)的又另一实施例的简化局部横截面视图。液晶扫描器60本质上按照上面对反射式液晶扫描器30所述的实施例形式。液晶扫描器30中的反射元件或反射层被用来代替导电材料层或者说与导电材料层相结合以确定出象素。在液晶扫描器60中，驱动电路通过在其内形成有驱动电路的硅芯片62的上表面直接形成多个金属基座64与扫描器集成整体。提供一个位于金属基座64和硅芯片62的上表面之上的分子取向层65。一个管状玻璃分隔器66设置在分子取向层65的上表面上，其内确定一个内腔67或者空腔。在腔67内放置液晶材料68，液晶材料68被分子取向层65、玻璃分隔器66以及第二分子取向层69密封。不用说，在两个分开的分子取向层被反射式和发射式液晶扫描器的不同实施例说明的同时，仅使用一个单一的分子取向层的制品也被本发明预计到了。位于分子取向层69的上表面之上的，是一个导电材料例如氧化铟锡(ITO)的一个透明层70，它充当由金属基底64确定出的每个象素的第二电连接层。玻璃平板72设在导电材料层70的上表面上。在工作期间，加上一个电压激励每个金属基座上方的区域，从而根据所加的电位重新取向分子结构并改变通过那里的光线的相位。金属基座64由铝或一些常导电反射材料组成，用它将光线如图7的有向箭头所示那样反射回来通过液晶材料68，以使光线经受二次相位调制。

如前所述，至少配备一个极化部件(未示出)并放置在显示系统内光线通过液晶材料68之前的地方。极化部件允许特定极化的光线在通过液晶材料68而经受一个相位变化之前通过极化部件一次，但放置得使反射回来通过液晶扫描器60的光线不第二次通过极化件部。

于是，说明了一种被结合到视觉显示系统中，更具体地说是被结合到一种又由光发发射器件显示芯片、驱动器/控制电路以及光学元件(现在就讨论)组成的光电系统中的新型改进扫描技术，这种技术制造相对容易且费钱较少。视觉显示系统包括各种光学元件，同时用常规方法集成至这些元件的电引线并提供对它的外接引线。光源、极化器、扩散器以及附加的光学元件(如果需要的话)通常被集成为系统，该系统很容易合并到便携式电子设备中。还要说明，附加的光学元件例如极化板或极化层，折射元件、衍射元件等等可以容易地放置在视觉显示系统的外面。

不用说，由光发射器件显示芯片、相位空间光调制扫描器、驱动器/控制电路以及各种光学元组成的视觉显示系统，它所生成的最终集成图象对于用人的眼睛看得很清楚(完全明白)来说是太小了，因而一般要求放大至少10倍以作舒适而圆满的观察。光学放大系统(它可以结合在本发明这里的视觉显示系统中)的一些例子示于下面就来说明的图8至13中。

参照图8，用简化原理视图的形式示出一种微型视觉图象显示器80。微型视觉图象显示器80包括图象发生装置81，它与上述光发射器件显示芯片相似，用于提供图象。配有多个驱动器/控制电路，并与图象发生装置81对接。用透镜系统83代表的光学系统，由多个光学元件84组成，并被放置得与微型视觉图象显示器80的图象发生装置81成彼此留有一定间隔的空间关系。具有一个整体形成的极化层的发射式相位空间光调制扫描器85(一般与上述发射式液晶扫描器30’相似)，被放置得允许图象发生装置81发射的光线通过并产生一个用眼睛87离开孔阑88一定间隔就可观察的图象。

工作中，图象发生装置81产生的光通过透镜系统83以及发射式相位空间光调制扫描器。在使用液晶相位空间光调制扫描器85的优选实施例中，不同的外加电压加到液晶扫描器85上，从而使其内所含液晶材料的分子结构重新取向，产生对图象发生装置81的象素的扫描效应。观察者的眼睛87通过孔阑88所观察的最终高分辨率集成图象就显得具有比图象发生装置81更高的分辨率和更高的占空因素，而图象发生装置81的象素数目仍然是同一个数。

由多个安装得与图象发生装置81彼此留有一定间隔的空间关系的光学元件所概略代表的透镜系统83，接收来自图象发生装置81的图象并将它放大一个附加的预定装置。当然不用说，如果需要的话，透镜系统可以调节焦距和附加的放大倍数，或者为简单起见，可以固定在一个单独的机壳中。应当指出，附加的光学元件可以设在微型视觉图象显示器80之外用于进一步的图象放大和/或校正。

眼睛的视距是眼睛87能够被放置得离开观察孔阑88并且仍能很好观察图象的距离。这个距离在图8中用“ d”表示。由于透镜系统83的尺寸关系，眼睛视距或距离d应足以提供舒适的观察，并且在本实施例中应大到足以允许观察者戴上正常的眼镜(如果需要的话)。由于改善了眼睛视距，操作员可以戴止常规的校正透镜(个人眼镜)，并且调焦和其他可调性能的复杂性可以降低，因而简化了微型视觉图象显示器80的结构。

提供一种光极化元件，放置得使所有进出光学放大器82的光线(由微型视觉图象显示器80确定)通过并被极化元件极化(偏振)。当然不用说极化元件可以淀积在安装基底(图象发生装置81即安装在它上面)的表面上，制成一个单独元件放置在图象发生装置81和液晶扫描器85之间，或者如图8所示，与液晶扫描器85组成整体。

现在参照图9，10和11，分别以正视图、侧剖视图以及顶视平面图示出根据本发明的另一个微型视觉图象显示器100。图9、10和11以接近实际的尺寸示出微型视觉图象显示器100，以表示本发明所达到的尺寸的缩小程度。微型视觉图象显示器100包括一个反射式相位空间光调制扫描器，即反射式液晶扫描器102(一般地说，与上述反射式液晶扫描器30和60相同)，一个图象发生装置104(一般地说，与上述光发射器件显示芯片相同)，多个驱动器/控制电路105，以及组成一个光学放大系统106的多个光学元件。图象发生装置104被安装在带有一块标准印刷电路板108的电路接口中。反射式液晶扫描器102安装到光学放大系统106上，从而允许图象发生装置104发射的光线通过反射式液晶扫描器102并当存在由光学放大系统的106形成的光学放大器时被反射回来通过扫描器102。

具体参照图12，为清楚起见，示出了图9的微型视觉显示器100的侧剖面图的4倍放大视图。由这个视图可以看出，极化部件110(一般好说，与结合图5途述的极化部件相同)被直接固牢到安装基座111(图象发生装置104即安装于其上)的上表面。安装一个棱镜112用来将反射式液晶扫描器102生成的图象反射通过一个折射面113。然后图象直达具有一个折射输入面115和一个折射输出面116的光学透镜114。由光学透镜114出来的图象直达具有一个输入折射面119和一个输出折射面120的光学透镜118。而且，在本实施例中，至少有一个衍射光学元件设置在一个面例如面113和/或折射输入面115上以校正色彩和其它象差。操作员注目光学透镜118的输出折射面120，就看得见一个即大又容易分辨的视觉图象呈现在微型视觉图象显示器100的后方。

图13示出图9的微型视觉图象显示器的另一个实施例侧剖面图的又一个4倍放大视图(这里标为100’，使用本发明的发射式液相位空间光调制扫描器)。应当指出，所有与图12所示的元件相同的元件均用相同的数字表示，有一个附加的撇号表示使用不同的实施例或扫描技术。由这个视图可以看出，发射式液晶扫描器102’(一般地说，和结合图6所述的发射式液晶扫描器30’相同)直接固牢到安装基底111’(图象发生装置104’即安装于其上)。安装一个光学棱镜112’用来将发射式液晶扫描器102’生成的图象反射通过一个折射面113’。然后图象直达具有一个折射输入面115’和一个折射输出面116’的光学透镜114’。从光学透镜114’出来的图象直达具有一个输入折射面119’和一个输出折射面120’的光学透镜118’。而且，在本实施例中，至少有一个衍射光学元件设置在一个面例如面113’和/或一个衍射入面115’上以校正色彩和其他象差。操作员注目光学透镜118’的输出折射面120’，就看得见一个既大又容易辨认的视觉图象呈现在微型视觉图象显示器100’的后方。

本发明预计到，图8-13所说明的多个光学元件，包括反射元件、折射元件、衍射元件、极化器、扩散器、或者全息透镜可以按叠置的关系安装到图象发生装置上，具体地说放置在光学放大器外面。还要说明的是，多个光学元件，包括反射元件、折射元件、衍射元件或扩散器可以按叠置的关系安装到光学放大器(光线或最终的集成图象就通过它输出)的面上，具有地说放置在光输出面之外，以形成一个用于所反射的光线(它组成最终集成图象)的图象平面。

于是，装有一个相位空间光调制扫描器(它用来在空间调制光发射器件显示芯片所发射的光的相位)的新型改善的视觉显示系统就被说明了，它的制造相对容易且成本较低，并且有附加元件为其部件。视觉显示系统牢固地安装一个图象源、各种光学元件以及一个相位空间光调制扫描装置例如液晶相位空间光调制扫描器。同时用常规方法集成至这些元件的电引线并提供对它的外接引线。光源、极化器、扩散器、以及和果需要的话，还有光学元件通常都集成到小型视觉显示系统中，后者又很容易集成到形成光学放大器的外壳中用在便携式电子设备里面。还要说明的是，附加的光学元件例如极化(偏振)板或极化层、折射元件、衍射元件等等可以很容易地放在外壳的外面。通过对具有低占空因素的光源使用光发射器件，光源被相位空间光调制扫描器扫描产生一个具有高分辨率特征的最终集成图象，系统的尺寸被进一步缩小而且所要求的电功耗也最小化了。

在我们示出和叙述本发明的具体实施例的同时，对于那些熟悉这一技术的人员，将会出现进一步的修改和改进。因此我们希望理解，本发明并不局限于已示出的特定形式，我们的意图是在所附权利要求书中覆盖所有不脱离本发明精神和范围的一切修改。

Claims (10)

1.一种视觉显示系统，其特征在于

一个由多个光发射器件组成的图象源，每个光发射器件都能发射特定相位的光线；

一个至少确定出一个相位空间光调制象素的相位空间光调制扫描器，被放置得接收和扫描由多个光发射器件发射的光线；以及

多个连接到光发射器件的驱动器/控制电路，以及多个连接到相位空间光调制扫描器的驱动器/控制电路，用于向相位空间光调制扫描器两端供给一个电压，以此改变由光发射器件发射并通过它的光线的相位，生成一个观察者可观察到的最终集成图象。

2.根据权利要求1的视觉显示系统，其中光发射器件的特征还在于它是无机光发射二极管、有机光发射二极管、场致发射显示器、阴极射线管、垂直腔面发射激光器、液晶显示器以及电致发光器件之一。

3.根据权利要求2的视觉显示系统，其中相位空间光调制扫描器的特征还在于它是光电扫描器、声光扫描器以及液晶扫描器之一。

4.根据权利要求3的视觉显示系统，其中液晶扫描器的特征还在于它是铁电型液晶材料和向列型液晶材料的一种。

5.根据权利要求4的视觉显示系统，其中液晶扫描器的特征还在于它被制造为不构成象素的、单象素以及象素阵列之一。

6.根据权利要求1的视觉显示系统，其中图象源的多个光发射器件的特征还在于它形成为一个二维阵列。

7.根据权利要求3的视觉显示系统，其中液晶相位空间光调制扫描器的特征还在于一个基底、导电材料、至少一个分子取向层、一个管状玻璃分隔器、一个玻璃平板，以及液晶材料。

8.根据权利要求5的视觉显示系统，其中液晶扫描器象素的阵列的特征还在于液晶材料层以横切整个阵列的连接薄层的形式置放在液晶相位空间光调制扫描器之内，并且形成在阵列之内用于每个液晶扫描器象素的每个控制电路均包括一个接触层，阵列还包括一个位于连续层对面的光学无遮拦接触层，以一个接触层和光学无遮拦接触层确定连续层里面的象素。

9.根据权利要求8的视觉显示系统，其中一个接触层的特征还在于它是光学无遮拦的，从而允许图象源发射的光通过它，并且液晶相位空间光调制扫描器以发射方式工作。

10.相位空间光调制的一种方法，其特征在于步骤：

提供一个电光发射器件的二维阵列组成的图象源，每个光发射器件都被制造得发射特定相位的光线；

提供一个液晶扫描器，由一个基底，一个导电材料层位于基底之上从而形成一个电接触层，一个第一分子取向层，一个在其内确定出一个空腔的玻璃分隔器，一种淀积在空腔内的液晶材料，一个叠置于液晶材料上表面的第二分子取向层，一层叠置于第二分子取向层上表面从而构成第二电接触层并确定出多个液晶象素的透光导电薄膜，以及一个叠置导电材料薄膜的玻璃板组成；

提供连接到图象源的光发射器件阵列的驱动器/控制电路；

提供连接到液晶扫描器的驱动器/控制电路；

将图象源放置并调准得距液晶扫描器一段距离，从而能够使光线直达液晶扫描器；

将极化元件放置在图象源和液晶扫描器之间；

激励图象源的驱动器/控制电路，使得向液晶扫描器发射光线；以及

通过向液晶扫描器两端施加不同的电压来扫描光发射器件发射的光线；以此激励多个液晶象素并对液晶材料的结构重新取向，产生对通过它的光线的相位调制并生成观察者可观察的最终集成图象。

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