CN1164045A - 可切换的透镜/漫射体 - Google Patents

Abstract

可切换的透镜/漫射体含有一个部件，它被构造得可与直接投射到其上的光一起形成一个光学图像，和一个聚合物扩散液晶材料层，具有透明状态和漫射状态，该材料层与光学部件一起就位，以在该聚合物层透明状态时该光学部件形成一个光学图像，在漫射状态时该聚合物层起漫射屏幕作用，使直接投射到其上的光形成一个图像。

Description

可切换的透镜/漫射体

本发明涉及光学透镜***，具体涉及图像呈现装置(image man-ifestation apparatns)中的光学透镜***。

先有技术使用光学元件或部件使通过该光学元件或部件的光受到作用，借以放大图像、聚焦图像、校直光线、反射光线以及各种其它的应用。

光漫射体是使光不能够通过的光学元件，但使光漫射或使光沿许多不同的方向散射。光漫射体在诸如电视机和计算机显示器之类的许多电子装置中用以作为显示屏幕，因为投射到漫射体装置上的图像呈现出一个直接像。

在某些可视***中，在单一电子装置内综合了两个不同的显示器，其中一个应用光学部件，来产生出虚像，另一个应用漫射体来产生直接像。这种装置的一个问题是，两个显示器在物理上是分开的，一个操作者必须注视该电子装置的不同区域来看不同的图像。另外，每个不同的图像需要一个不同的图像发生器。在许多应用场合中，这是不方便的，并且还要使用附加的不动产的电子装置(addi-tional estate of the electronic device)。

非常希望，生产一种单一的可切换的透镜/漫射体装置用以产生普通光学部件的功能，或产生漫射体的功能。

据此，本发明的一个目的是提供一种可切换的透镜/漫射体装置，可在光学部件状态与漫射体状态之间切换。

本发明的另一个目的是提供一种可相当方便地制造和操作的、可切换的透镜/漫射体装置。

本发明的又一个目的是提供一种可相当容易地综合在例如双图像呈现装置之类的电子装置中的、可切换的透镜/漫射体装置。

本发明的再一个目的是提供一种能够制造得实际上包括综合任何光学部件的、可切换的透镜/漫射体装置。

上述的问题和其它问题可在下述的可切换的透镜/漫射体中至少可部分地解决了，并且上述的目的和其它目的也可在其中实现了。这种可切换的透镜/漫射体含有：一个光学部件，它被构制得可在与直接投射在其上的光线一起作用下、形成一个光学图像；一个聚合物薄层，由扩散的液晶材料组成，具有透明状态和漫射状态，该液晶材料薄层与光学部件接合在一起来就位，以在扩散的液晶材料组成的聚合物薄层处于透明状态时该光学部件形成一个光学图像，而在漫射状态下，该扩散的液晶材料组成的聚合物薄层起漫射屏幕的作用，以与直接投射在其上的光线一起作用下形成一个图像。

图1示出图像呈现装置的简化示意图，它包括以第一工作方式工作的可切换的透镜/漫射体；

图2示出图1中一个小的横截面部分放大的剖面图；

图3示与图1以第二工作方式工作的图像呈现装置类似的示意图；

图4和图5分别示出另一种类型的可切换的透镜/漫射体在第一和第二工作方式下的示意图；

图6和图7分别示出又一种类型的可切换的透镜/漫射体在第一和第二工作方式下的示意图；

图8和图9分别示出再一种类型的可切换的透镜/漫射体在第一和第二工作方式下的示意图；

图10和图11分别示出还有一种类型的可切换的透镜/漫射体在第一和第二工作方式下的示意图；

图12示出一种包含了带有一个可切换的透镜/漫射体的图像呈现装置的电子装置的简化示意图。

参看图1，图中示出图像呈现装置10的简化示意图，它含有一个可切换的透镜/漫射体12，示例可在第一工作方式下工作。图像呈现装置10还含有一个图像源或图像发生器15和一个投影物镜***20。用以放大来自图像发生器15的图像并投影到可切换的透镜/漫射体12上。为了简化附图和便于说明起见，图中未包括具体安装细节。

图像发生器15含有发光单元的一个二维阵列，发光单元可以是任何无机发光二极管、有机发光二极管、场致发光器件、半导体垂直腔激光器或光传导器件等中的任一种。通常，该二维阵列大得足以包含足够的像素或发光单元，以便在二维阵列的表面上显示出一整帧(例如画面、地图、照片和/或多行的文本)，而无需摆动镜子等。这些电子单元通常按行和列排列，每行和每列包含例如多达500到2000个电子装置。在某些情况下，一个发光单元限定一个像素；在某些情况下，包含附加的单元，以提供额外的功率和冗余度；在某些情况下，每个像素中使用了两个或多个单元以提供彩色。另外，在大多数应用中，图像发光器15具有一边几毫米量级(例如2-9mm)的尺寸。例如，当图像发生器15由一个半导体装置的阵列组成时，它是在单一半导体芯片上形成的。

可切换的透镜/漫射体12在这个具体的实施例中是一个Fres-nel(菲涅耳)透镜，它在光学上与投影物镜***20一起工作，使图像发生器15产生的小图像形成一个大的(例如8.5″×10″)虚像。通常，这个大虚像显现给位于图像呈现装置10后面的观看者观看，如图1所示。可切换的透镜/漫射体12构制得具有一个中央空腔21，中央空腔21与菲涅耳透镜的工作部分亦即，可切换的透镜/漫射体12除了外边沿以外的全部一起延伸，这是用于安装的目的。图2示出可切换的透镜/漫射体的放大剖面图，示出了空腔21的细节。从图2可以清楚地看出，前部22和后部23合作，以限定其间的空腔21。请注意，前部22和后部23用足量的光学材料(例如玻璃、光学塑料等)制造，以提供所需的透镜功能。

前部22的内表面上还有一层薄的、光学上透明的导电材料层24，后部23的内表面上有一层类似地薄的、光学上透明的导电材料层25。层24和25在电气上互相隔离，它们具有一个由电池表示的电势源31，由一个带有开关32的电路30连接到其上。当开关32闭合时，电势源31直接连接到导电层24和25，它在两导电层之间的空腔21上产生一个电场。层24和25由任一种方便的、透光材料形成，例如铟-锡-氧化物、很薄的金属、某些导电聚合物或类似的材料。

空腔21填满聚合物扩散液晶的(PDLC)材料35。材料35含有许多液晶，当对它适当地通电时，会使它们本身排齐，以使光线通过，当继电时，会重新随机地调整它们自身，以产生漫射或半透明效应。这样，材料35和由此导致可切换的透镜/漫射体12具有两种工作方式：第一工作方式是材料35处于透明状态，可切换的透镜/漫射体12起通常的菲涅耳透镜的作用；第二工作方式是材料处于半透明状态，可切换的透镜/漫射体12起漫射体的作用。可以理解，许多种变型的通电方案都是可能的，包括：横跨材料35两端施加一个电势，以使它透明；横跨材料35两端施加一个不同的电势，以使它半透明，等等。图1中，使材料35通电而处于第一工作方式，在离开可切换的透镜/漫射体12一个短距离处的点40处一个观看者看到一个相当大的虚像。

参看图3，图中示出可切换的透镜/漫射体12处于第二工作方式下。在这种工作方式下，开关32打开，以去掉跨在材料35上的电场，以使材料35随机地取向，因而成为半透明状或漫射状。在这种工作方式下，在离可切换的透镜/漫射体12一个短距离的点40处一个观看者看到在可切换的透镜/漫射体12的表面上的一个较小的直接可视图像，它不会大于可切换的透镜/漫射体12(外侧表面积)的尺寸。

在诸如蜂窝电话、寻呼机、数据存储器装置等之类的电子装置中，处在第一工作方式(图1)下的图像呈现装置10可用来显示大量的信息，例如画面、地图、照片和/或多行文本。另外，虚像通常是通过一个孔径观看，并有一个无环境光侵入的黑暗背景，以使虚像基本上不受背景光或环境光的影响。鉴此，处在第一工作方式下的图像呈现装置10能有效地应用在高环境光的环境中。在这种电子装置中，处于第二工作方式(图3)下的图像呈现装置10可用于显示较小数量的信息，例如电话号码、一或二行存储的消息等，或在低环境光和/或大眼距应用场合中。

参看图4和图5，图中示出可切换的透镜/漫射体45的一个实施例。可切换的透镜/漫射体45在这个具体例子中是一个带有填满PDLC材料的中央空腔46的双凸透镜。作为制造可切换的透镜/漫射体45的方法的一个例子，中央空腔46可以形成为一个薄圆盘或膜片形状的容器，其每一主体表面上敷一层透光、导电的材料。然后，将一对平凸透镜47和48粘附到中央空腔46的相对主表面，以完成此结构。

如前所述，当PDLC材料被激活时，液晶使它们本身排齐，以使光通过，当断电时，重新随机地调整其自身，以产生漫射效应或半透明效应。如图4所示，PDLC材料被激活时使它透明，可切换的透镜/漫射体45的作用如同一个标准的双凸透镜。在这个例子中，进入该镜的准直光聚焦在点49上。如图5所示，PDLC材料不激活时使它呈漫射状或半透明状，可切换的透镜/漫射体45的作用如同一个漫射体。使进入可切换的透镜/漫射体45的光漫射，而不聚焦。

按照相似的方式，图6和图7示出可切换的透镜/漫射体50一个实施例的两种工作方式，它含有一个衍射光学单元(DOE)51和一个PDLC材料的空腔或容器52。类似地，图8和图9示出可切换的透镜/漫射体55一个实施例的两种工作方式，它含有一个体全息单元56和一个PDLC材料的空腔或容器57。另外，图10和图11示出可切换的透镜/漫射体60一个实施例的两种工作方式，它含有一个成形镜面61和一个PDLC材料的空腔或容器62。本领域的技术人员在阅读本文时，显然可以作出许多变型和修改。

参看图12，图中示出电子装置65，例如寻呼机、便携式电话机、蜂窝电话机、便携数据库等。电子装置65含有通常的数据源，它包括存储器和/或数据接收电路以及设备，标号为67。图像发生器68位于电子装置65的壳体内，并连接到数据源67，以利用来自数据源67的数据在电子装置65的表面上产生出一个图像，如上所述，图像发生器68含有许多按行和列排列的发光装置，它们按某种选定的次序编址，以便借助发射的光产生图像。

由图像发生器68发射出的光利用投影物镜***69投影到第一表面70上，该第一表面70使光直接投向第二表面72。第二表面72使光通过可切换的透镜/漫射体75向外投射，位于点76的观看者可看到图像。表面70和72能够综合在一个波导虚像显示器中，波导虚像显示器类似于1993年6月29日公开的、题目为“WaveguideVirtual Image Display”的美国专利5,244,198中公开的波导虚像显示器，引用在这里连同其内公开的各种波导显示器实施例一起作为参考。在这个具体实施例中，可切换的透镜/漫射体75包含一个菲涅尔透镜部分77和一个基本上共同延伸的、填满PDLC材料的空腔或容器79，在空腔或容器72的各侧有导电层(未示出)。这些导电层电连接到电子装置65的控制器部分80。

作为电子装置65一种可能工作的简例，控制器80含有一个“直接/虚”开关，用以在直接像与虚像之间切换。在标准工作方式下，电子装置65通过可切换的透镜/漫射体75对操作者提供一个直接像。在这种工作方式下，PDLC空腔或容器79不被激活能，因而呈现为漫射表面。在这种工作方式下，图像发生器68通常也可被切换，以使一组发光装置平行地工作，形成图像的每个像素。这样，像素越少，图像越简单，通常是几个字母数字符号，例如电话号码或简单的存储消息等。尽管图像较简单，但它亮得多，以在大多数办公室、家庭等环境光占优的状态下也能看清。

如果操作者接收到一个指示，指明一个较大或较复杂的消息正传送，或如果操作者希望看见从数据存储器67来的较复杂的图像，则该操作者简单地将“直接/虚”开关切换到虚像位置上，在PDLC材料的空腔或容器79两端施加一个电场，以使PDLC材料变透光。同时，图像发生器68中的发光装置脱离开成组方式，以产生满页信息的图像。在这种方式下，图像的亮度减弱；但因这图像是作为虚像看的，故无背景光或环境光有害地干扰该虚像。

据此，本文公开了一种单一的、可切换的透镜/漫射体，可容易地在光学部件状态与漫射体状态之间电切换，用以产生出普通的光学部件功能或漫射体功能。此外，该可切换的透镜/漫射体装置在制造上和操作上相当简单，能比较容易地综合在电子装置中成为双图像呈现装置。虽然，描述的，几个具体的实施例是作为例子，但该可切换的透镜/漫射体装置能够制造得综合大多数的光学部件。

尽管描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员将能作出进一步的修改和改进。可以理解，本发明不受所示的特定形式的限制，所附的权利要求书覆盖不偏离本发明的精神实质和范畴的所有一切修改。

Claims (10)

1.一种可切换的透镜/漫射体，其特征在于：

一个光学部件，被构制得可与直接投射到其上的光一起配合来形成一个光学图像；

一个聚合物扩散液晶材料层，具有透明状态和漫射状态，该材料层与该光学部件一起就位，以在聚合物扩散液晶材料层处于透明状态时该光学部件形成一个光学图像，而在处于漫射状态时，聚合物扩散液晶材料层起漫射屏幕的作用，与直接投射到其上的光线一起配合来形成一个图像。

2.根据权利要求1所述的可切换的透镜/漫射体，其特征在于，聚合物扩散液晶材料层位于该光学部件内的空腔中。

3.根据权利要求1所述的可切换的透镜/漫射体，其特征在于，与聚合物扩散液晶材料层相关联的装置，用以在透明状态与漫射状态之间切换该聚合物扩散液晶材料层。

4.根据权利要求3所述的可切换的透镜/漫射体，其特征在于，与聚合物扩散液晶材料层相关联的装置，有一对光学透明的导电层，其中的一个位于聚合物扩散液晶材料层的每个相对侧面上，用以在聚合物层两端提供一个电势。

5.一种可切换的透镜/漫射体，其特征在于：

一个光学部件，被构制得可与直接投射到其上的光一起配合来形成一个光学图像，该光学部件可从以下的组中选择：光学透镜、菲涅尔透镜、衍射透镜、全息透镜、衍射光学部件、以及体积全息部件；

一个聚合物扩散液晶材料层，具有透明状态和漫射状态，该材料层与该光学部件一起就位，以在该聚合物扩散液晶材料层处于透明状态时，该光学部件形成一个光学图像，而在漫射状态时，聚合物扩散液晶材料层起漫射屏幕的作用，以与直接投射到其上的光一起配合来形成一个图像；

第一和第二电装置，分别位于该聚合物扩散液晶材料层的相对侧面上，用以在该聚合物扩散液晶材料层两端提供一个电势。

6.一种图像呈现装置用以有选择性地提供直接像或虚像，该装置其特征在于：

图像发生器装置，用以产生一个二维图像；

一个投影物镜***，位置与该图像发生器装置相邻用以将所产生的图像投影到一个远处的平面上；

一个可切换的透镜/漫射体，安装在远处平面上，包括：

一个光学部件，被构制得可与投影在其上产生的图像一起配合来形成一个虚像，该光学部件可从以下组中选择：光学透镜、菲涅尔透镜、衍射透镜、全息透镜、衍射光学部件、以及体积全息部件；

一个聚合物扩散液晶材料层，具有透镜明状态和漫射状态，该材料层与该光学部件一起就位，以在聚合物扩散液晶材料层处于透明状态时，该光学部件形成一个虚像，而在漫射状态时，聚合物扩散液晶材料层起漫射屏幕的作用，以与投影在其上的图像一起配合来形成一个直接像；

第一和第二电装置，分别位于该聚合物扩散液晶材料层的相对的侧面用以在该聚合物扩散液晶材料层两端提供一个电势，使得以在透明状态与漫射状态之间切换该聚合物扩散液晶材料。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，第一和第二电装置的每个均为透光、导电的铟-锡-氧化物。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，图像发生装置具有从以下组中选择的发光单元件组成的一个二维阵列：无机发光二极管、有机发光二极管、场致发光装置、半导体垂直腔激光器、以及光传导装置。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，图像发生装置具有切换装置，用以在以下两种方式之间切换：低环境光、大眼距应用的低数据内容图像方式和高环境光片用的高数据内容的图像方式。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，图像发生装置被连接，与可切换的透镜/漫射体一起工作，以在可切换的透镜/漫射体处于漫射状态时，图像发生装置处于低数据内容图像方式，当可切换的透镜/漫射体处于透明状态时，图像发生装置处于高数据内容图像方式。

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