TW319832B - - Google Patents

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319832 Λ7 B7 五、發明説明（1) 已往申諸案 本申請案已於1995年2月24日以專利申請案號〇8/393,639在 美國提出。 發明之範圍 本發明係關於光學透鏡系统，及特別關於像顯示裝置中 之光學透鏡系統。 發明之背景 以往技藝中，光學元件或構件用於操縱通過其中之光， 以達成放大影像、聚焦影像、準直光、反射光及多種其他 .用途。 光像散體爲光不通過’但擴散光或依甚多不同方向再導 引光線之元件。光像散體用作甚多電子裝置之銀幕，如電 及電腦顯示器，因導致像散體之影像成直接觀察像出現。 某些目視系統中，二不同顯示器配置於單獨一電子裝置 中’一顯示器利用光學構件產生虚像，及一顯示器利用像 散體產生直視影像。此種裝置之一問題爲二顯示器實際分 開，及一操作員必須觀看電子裝置之不同區域而觀察不同 像，且一不同影像需要一不同影像產生器β此一情況在甚 多用途均不方便，及亦使用電子裝置之額外空間3 經清部中央樣準局—工消費合作社印裝 (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 極需要能用以產生一普通光學功能或一像散體功能之單 獨一可切換透鏡/像散器裝置。 因此，本發明之一目的爲提供能在光學構件狀態與像散 體狀態之間電切換之可切換透鏡/像散器裝置。 本發明之另一目的爲提供製造及使用較簡單之可切換透 -4 - ^度it用中關家辟（CMS) ( 21GX297公釐)~ 3x9832 ___B7_ 五、發明説明（2 ) 鏡/像散器裝置。 本發明之再另一目的爲提供能較簡易配置於電子裝置成 雙影像顯示裝置之可切換透鏡/像散器裝置。 本發明之再另一目的爲提供能製成實際配合任何光學構 件之可切換透鏡/像散器裝置3 發明之概要 一可切換透鏡/像散器中，上述及其他問題至少部分解決 及達成上述及其他目的。可切換透鏡/像散器包括構製成配 合導致其上之光而形成光學影像之一光學構件，及具有透 明狀態及擴散狀態之一層聚合物色散之液晶材料β材料層 配置成與光學構件相關連，故當聚合物色散之液晶材料層 處於透明狀態時’光學元件形成光學影像，及在擴散狀 態’聚合物色散之液晶材料層用作擴散屏，配合導致其上 之光而形成影像。 圖式之簡單説明 * 圖1爲包括處於第一工作模式之可切換透鏡/像散器之影 像顯示裝置之簡化概圖。 圖2爲大幅放大斷面圖，顯示圖1之一小斷面部分。 圖3與圖.1相同，顯示處於第二工作模式之顯示裝置〇 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖4及5爲分別處於第一及第二工作模式之另一種型式之 可切換透鏡/像散器。 圖6及7爲分別處於第一及第二工作模式之再另一種型式 之可切換透鏡/像散器。 圖8及9爲分別處於第一及第二工作模式之再另一種型式 本紙張尺度適用中國國家標隼ί CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3x9832 a? —_____ B7 五、發明説明（3) 之可切換透鏡/像散器3 圖10及11爲分別處於第—及第二工作模式之再另一種型 式之可切換透鏡/像散器。 圖12爲包括具有可切換透鏡/像散器之像顯示裝置之電予 裝置之簡化概圖》 輕佳具體實例之説明 特別參閲圖1之影像顯示裝置i 〇之簡化概圖，其中包括 處於第一工作模式之可切換透鏡/像散器12 β影像顯示裝置 10亦包括一影像源或影像產生器15 ’及放大並投射來自影 像產生器15之影像至可切換透鏡/像散器12上之投射透鏡 系統2 0。未包括具體安裝細節，以簡化圖式及説明。 影像產生器15包括無機發光二極體，有機發光二極體， 場發射裝置’半導體垂直空腔雷射，導光裝置及其他裝置 之任一種之發光元件之二維行列。一般言之，二維行列大 至足以包含充分圖素或發光元件，以在二維行列之表面土 顏示一完整圖面（亦即晝面，地圖，照相及/或多行文字）， 不需要振盪鏡或類似物》電子元件一般係配置成行列，每 一列及每—行可包含例如多達500至2000電子裝置*某些 例中’ 一個發光元件將界定一圖素，某些例中，將包含額 外功率及重複之額外元件，及某些例中，每一圖素使用二 或多個元件而產生彩色，且大多數用途中，影像產生器15 之尺度在一側將爲數公厘之級値（例如2_9mm)。例如，影 像產生器15由半導裝置行列形成時，係形成在單獨一半導 體晶片上。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS〉A4見格（2I0X 297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

•IT 蛵濟部中央標準局員工消費合作社印製 319832 A7 _ B7 五、發明説明（4) 此一具體實例中，可切換透鏡/像散器12爲一弗瑞斯諾透 鏡（Fresnel lens)，透鏡與投射透鏡系統2〇光學式工作而自影 像產生器15發生之小影像產生大虛像（例如8 5” X丨丨"）。大虛 像出現於影像顯示裝置10後之觀看者，如囷1所示。可切換 透鏡/像散器12構製有中央空腔21，空腔與弗瑞斯諾透鏡之 工作部份’亦即除可切換透鏡/像散器之用於安裝之外緣外 之全部同幅延伸。大幅放大之可切換透鏡/像散器12斷面圖 示於圖2，詳細顯示空腔21。如圖2所清晰顯示，前方部份 22與後方郅份23相配合而界定二者間之空腔21。應予説明 者，前方部份22及後方部份23係用適宜光學材料製成（例如 玻璃、光學塑膠等），以提供所需之透鏡功能。 前方部价22亦具有在其内表面上之薄光學透明導光材料 層24,及後方部份23具有在其内表面上之相同薄光學透明 導光材料層25。層24及25互相成電隔離，並具有經包含開 關32之電路30連接於其上之電池代表之電位源31 ^開關32 閉合時’電位源31直接連接於層24及25，產生在二者間通 過空腔21之一電場層24及25用任何便利之光學透明材料 製成’例氧化銦錫、極薄金屬、某些導電性聚合物或類似 物。 · 空腔21填充聚合物色散之液晶（PDLC)材料35 »材料35包含 眾多液晶，當適當激勵時，液晶本身相對準而傳送通過其 中之光，及當解教勵時，本身任意再對準而產生擴散或半 透明效應》如此，材料35及因而可切換透鏡/像散器12具有 兩種工作模式；第一種模式中，材料35透明及可切換透鏡/ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X 29?公釐） {請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁)

'IT 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（5) 像散器工作成普通弗瑞斯諾透鏡，及第二種模式中，材料 35半透明及透鏡/像散器12工作成像散器3應明瞭，激勵設 計可有甚多變化，包括：施加一電位通過材料35而使其透 明，施加一不同電位而使其半透明等。圖1中，材料35被激 勵成第一模式，及在距可切換透鏡/像散器一短距離之點40 之觀看者看到較大虛像3 參閲圖3，顯示可切換透鏡/像散器12之第二工作模式=> 此 模式中，開關32開斷而除去通過材料35之電場，故材料35 隨意取向及因而半透明或擴散。此一工作模式中，在與可 切換透鏡/像散器成短距離之點40之觀看者看到可切換透鏡/ 像散器12表面上較小直接觀察像，其尺度能不大於可切換 透鏡/像散器12之尺度（外側之表面面積）。 電子裝置如細胞式電話（cellular telephone)，呼叫器 (pagers) ’資料儲存裝置及他種裝置中，利用處於第一模式 (圖1)之影像顯示裝置1〇顯示大量資訊如畫面、地圖、照相 及/或多行文字。虚像一般係經一孔觀看，及具有無入侵周 圍光之黑色背景，故實質上不受背景或周圍光影響。因 此’處於第一工作模式之影像顯示裝置10能有效用於高周 圍光環境·。此等電子裝置中，處於第二模式（圖3)之影像顯 示裝置10用於顯示較小量資訊，如電話號碼、一或二行儲 備訊息（canned messages)等，或用於低周圍光及/或大視覺鮮 明用途（large eye relief application) 〇 參閲圖4及5，圖中顯示一種具體實例之可切換透鏡以象散 器45。此具體實例中，可切換透鏡/像散器45爲具有填充 本紙蒗尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐） (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁)

318832 at _B7_ 五、發明説明（6 ) PDLC材料之中央空腔46之雙凸透鏡。製作可切換透鏡/像散 器45之方法之舉例爲中央空腔46能製成薄圓盤或晶圓形狀 的容器，每一主要表面具有一層光學透明導電材料。然後 將一對平凸透鏡47及48固定於中央空腔46之相反主要表面 而完成結構。 如前文所説明，PDLC材料被致動時，液晶本身相對準而 傳輸通過其中之光，及解激能時，本身任意相對準而產生 擴散或半透明效應。如圖4所示，PDLC材料被致動使其透 明，及可切換透鏡/像散器45作用成標準雙凸透鏡。此例 -中，進入透鏡之準直光聚焦於點49。如圖5所示，PDLC材 料被解激能使其擴散或半透明，及可切換透鏡/像散器45作 用成像散器。進入可切換透鏡/像散器45之光被擴散而非聚 隹〇 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以相同方式，圖6及7顯示一種具體實例之可切換透鏡/像 散器50之兩種模式。可切換透鏡Η象散器50包括繞射光學元 件（DOE)51，及PDLC材料之空腔或容器52。圖8及9同樣顯示 一種具體實例之可切換透鏡/像散器55之兩種模式。可切換 透鏡/像散器55包括體積立體元件（volume hologram element)56 及PDLC材料之空腔或容器57=圖10及11亦顯示一種具體實 例之可切換透鏡/像散器60。可切換透鏡/像散器60包括經尖 形鏡61及PDLC材料之空腔或容器62。精於本藝之人士閱讀 本説明書將領悟甚多其他變化及變體。 參閲圖12，圖中顯示電子裝置62，例如呼叫器（pager)、行 動電話、細胞式電話、可攜帶資料基台等。裝置65包含概 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 Α7 Β7 五、發明説明（7) 括以67指示之包括儲存器及/或資料接收電路與設備之普通 資料源。影像產生器68位於裝置65之外殼中並連接於資料 源67,以利用來自資料源67之資料而在其表面發生影像a 如前文所説明’影像產生器68包括呈行列的大量發光裝 置，依某種選定順序定位址而隨發射之光發生影像。 影像產生器68發射之光被投射透鏡系統69投射在第一表 面7〇上，及表面70導引光至第二表面72上。第二表面72導 引光向外通過可切換透鏡/像散器76，及操作者在點76觀看 像。表面70與72能組合成如1993年6月29日授予之美國專利 5,224，198”Waveguide Virtual Image Display”所揭示者相同之波 導虛線顯示器。此專利連同其中揭示之波導顯示器之各種 具體實例引述於本説明書供參考。此具禮實例中，可切換 透鏡/像散器75包括弗瑞斯諾透鏡部份77，及塡充PDLC材料 及每一面具有一導電層（未示）之實質上同幅延伸空腔79 *導 電層與裝置65之概括以80指示之控制部份成電連接。 _ 裝置65之可能操作之一簡化例爲控制器so包括一直接影 像/虛像開關’圓心在直接影像與虛像之間切換。標準操作 模式中，裝置65對操作者提供在可切換透鏡/像散器75上之 直接影像。此模式中，PDLC之空腔或容器79不被致動而提 供一擴散表面3 —般言之，此_模式中，影像產生器68亦 可切換，使一組發光裝置並聯工作而形成像之每一圖素。 因此有較少的圖素且影像較爲簡單，通常爲阿拉伯數字（例 如電話號碼）或簡單備用訊息（canned message)等。雖然像幸交 簡單，但亦遠爲明亮，故能在大多數辦公室、家庭等之周 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） <請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 3iS832 A7 ______B7 五、發明説明（8 ) 圍光狀況中看到。 若操作者收到較大或較複雜訊息被送出之指示，或操作 者欲觀看來自資料儲存器67之較複雜影像時，操作者簡單 切換直接影像/虛像開關至虛像位置，施加通過PDlc材料空 腔或容器79而使材料變爲透明。同時，影像產生器砧中發 光裝置切離組合模式’故能發生整頁資訊之影像。此一模 式中，影像之亮度減弱，但因觀看之像爲虛像，無 周固光色散或干擾虛像。 — 因此，揭示能產生普通光學構件功能或像散體功能之一 單獨可切換透鏡/像散器，能在光學構件狀態與像散器狀態 之間簡易切換。此外，可切換透鏡/像散器之製造及操作簡 單’及能較簡易配置於如雙像顯示裝置之電子裝置内。已 舉例顯示數種具體實例，可切換透鏡/像散器裝置能製成配 合大多數光學構件》 已顯示及説明本發明之具體實例，精於本藝之人士將領 悟進-步變法及改良。因此’應㈣，本發明不限於所于 之特定形式，及所附"申請專利範圍"涵蓋不脱離本發明之 原則及範圍之全部變體。 ----------^ ^------訂 (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 -11 - 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局貝工消費合作社^裝 第85104733號專利申請案 锰，修止 | 中文申請專利範圍修正本(86年4月）g ··，..:、界作爲/ Η __D8 饰 7L ί 六、申請專利範圍 1. 一種可切換透鏡/像散器，包括： 一光學構件’構製成配合導致其上之光而形成一光學 像；及 一層聚合物分散之液晶材料，具有透明狀態與擴散狀 態’材料層之位置與光學構件相關連，故當聚合物分散 之液晶材料層處於透明狀態時，光學構件形成一光學 像，及在擴散狀態時，聚合物分散之液晶材料層用作一 擴散屏’配合導致其上之光而形成一影像；及 第一及第二電裝置’分別位於聚合物分散之液晶材料 層之相反兩側，以提供通過聚合物分散之液晶材料層之 一電位。 · 2 . —種像顯示裝置’用以選擇性提供一直接像或一虛像， 裝置包括： 像發生器裝置，用以發生二次元像； 一投射透鏡系統’配置成鄰近像發生器裝置，以投射 所發生之像至一遠處平面；及 一可切換透鏡/像散器，安裝於該遠處平面中，並包 括： 一光學構件’構製成配合投射其上之像而形成一虛 像，光學構件係選自包括一光學透鐃、—弗瑞斯諾透 鏡、一繞射透鏡、一全眞圖透鏡，一繞射光學元件及一 體積全眞圖之一組； 一層聚合物分散之液晶材料，具有透明狀態與擴散狀 態，材料層之位置與光學構件相關連，故當聚合物分散 本紙張尺度逍用中國國家揉隼（CNS )八4規洛（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   六、申請專利範圍 之液晶材料處於透明狀態時，光學構件形成一虛像，及 在擴散狀態時，聚合物分散之液晶材料層用作擴散屏， 配合投射於其上之所發生之像而形成一直接像；及 第一與第二電裝置，分別配置於聚合物分散之液晶材 料層之相反兩侧，以提供通過聚合物分散之液晶材料層 之一電勢而在透明狀態與擴散狀態之間切換聚合物分散 之液晶材料層。 3. 一種可切換透鏡/像散器，包括： 一光學構件，構製成操縱導致其上之光；及 一層聚合物分散之液晶材料，具有透明狀態及擴散狀 態，材料層之位置與光學構件湘關連，故當聚合物分色 散之液晶材料處於透明狀態時，光學構件以正常模式工 作，聚合物色散之液晶材料層無影響，及當聚合物分散 之液晶材料層處於擴散狀態時，聚合物色教之液晶^料 層用作光擴散元件。