專利名稱：可切換的透鏡/漫射體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學透鏡系統(tǒng)，具體涉及圖像呈現(xiàn)裝置(image man-ifestation apparatns)中的光學透鏡系統(tǒng)。
先有技術使用光學元件或部件使通過該光學元件或部件的光受到作用，借以放大圖像、聚焦圖像、校直光線、反射光線以及各種其它的應用。
光漫射體是使光不能夠通過的光學元件，但使光漫射或使光沿許多不同的方向散射。光漫射體在諸如電視機和計算機顯示器之類的許多電子裝置中用以作為顯示屏幕，因為投射到漫射體裝置上的圖像呈現(xiàn)出一個直接像。
在某些可視系統(tǒng)中，在單一電子裝置內綜合了兩個不同的顯示器，其中一個應用光學部件，來產生出虛像，另一個應用漫射體來產生直接像。這種裝置的一個問題是，兩個顯示器在物理上是分開的，一個操作者必須注視該電子裝置的不同區(qū)域來看不同的圖像。另外，每個不同的圖像需要一個不同的圖像發(fā)生器。在許多應用場合中，這是不方便的，并且還要使用附加的不動產的電子裝置(addi-tional estate of the electronic device)。
非常希望，生產一種單一的可切換的透鏡/漫射體裝置用以產生普通光學部件的功能，或產生漫射體的功能。
據此，本發(fā)明的一個目的是提供一種可切換的透鏡/漫射體裝置，可在光學部件狀態(tài)與漫射體狀態(tài)之間切換。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可相當方便地制造和操作的、可切換的透鏡/漫射體裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種可相當容易地綜合在例如雙圖像呈現(xiàn)裝置之類的電子裝置中的、可切換的透鏡/漫射體裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種能夠制造得實際上包括綜合任何光學部件的、可切換的透鏡/漫射體裝置。
上述的問題和其它問題可在下述的可切換的透鏡/漫射體中至少可部分地解決了，并且上述的目的和其它目的也可在其中實現(xiàn)了。這種可切換的透鏡/漫射體含有一個光學部件，它被構制得可在與直接投射在其上的光線一起作用下、形成一個光學圖像；一個聚合物薄層，由擴散的液晶材料組成，具有透明狀態(tài)和漫射狀態(tài)，該液晶材料薄層與光學部件接合在一起來就位，以在擴散的液晶材料組成的聚合物薄層處于透明狀態(tài)時該光學部件形成一個光學圖像，而在漫射狀態(tài)下，該擴散的液晶材料組成的聚合物薄層起漫射屏幕的作用，以與直接投射在其上的光線一起作用下形成一個圖像。


圖1示出圖像呈現(xiàn)裝置的簡化示意圖，它包括以第一工作方式工作的可切換的透鏡/漫射體；圖2示出圖1中一個小的橫截面部分放大的剖面圖；圖3示與圖1以第二工作方式工作的圖像呈現(xiàn)裝置類似的示意圖；圖4和圖5分別示出另一種類型的可切換的透鏡/漫射體在第一和第二工作方式下的示意圖6和圖7分別示出又一種類型的可切換的透鏡/漫射體在第一和第二工作方式下的示意圖；圖8和圖9分別示出再一種類型的可切換的透鏡/漫射體在第一和第二工作方式下的示意圖；圖10和圖11分別示出還有一種類型的可切換的透鏡/漫射體在第一和第二工作方式下的示意圖；圖12示出一種包含了帶有一個可切換的透鏡/漫射體的圖像呈現(xiàn)裝置的電子裝置的簡化示意圖。
參看圖1，圖中示出圖像呈現(xiàn)裝置10的簡化示意圖，它含有一個可切換的透鏡/漫射體12，示例可在第一工作方式下工作。圖像呈現(xiàn)裝置10還含有一個圖像源或圖像發(fā)生器15和一個投影物鏡系統(tǒng)20。用以放大來自圖像發(fā)生器15的圖像并投影到可切換的透鏡/漫射體12上。為了簡化附圖和便于說明起見，圖中未包括具體安裝細節(jié)。
圖像發(fā)生器15含有發(fā)光單元的一個二維陣列，發(fā)光單元可以是任何無機發(fā)光二極管、有機發(fā)光二極管、場致發(fā)光器件、半導體垂直腔激光器或光傳導器件等中的任一種。通常，該二維陣列大得足以包含足夠的像素或發(fā)光單元，以便在二維陣列的表面上顯示出一整幀(例如畫面、地圖、照片和/或多行的文本)，而無需擺動鏡子等。這些電子單元通常按行和列排列，每行和每列包含例如多達500到2000個電子裝置。在某些情況下，一個發(fā)光單元限定一個像素；在某些情況下，包含附加的單元，以提供額外的功率和冗余度；在某些情況下，每個像素中使用了兩個或多個單元以提供彩色。另外，在大多數應用中，圖像發(fā)光器15具有一邊幾毫米量級(例如2-9mm)的尺寸。例如，當圖像發(fā)生器15由一個半導體裝置的陣列組成時，它是在單一半導體芯片上形成的。
可切換的透鏡/漫射體12在這個具體的實施例中是一個Fres-nel(菲涅耳)透鏡，它在光學上與投影物鏡系統(tǒng)20一起工作，使圖像發(fā)生器15產生的小圖像形成一個大的(例如8.5″×10″)虛像。通常，這個大虛像顯現(xiàn)給位于圖像呈現(xiàn)裝置10后面的觀看者觀看，如圖1所示?？汕袚Q的透鏡/漫射體12構制得具有一個中央空腔21，中央空腔21與菲涅耳透鏡的工作部分亦即，可切換的透鏡/漫射體12除了外邊沿以外的全部一起延伸，這是用于安裝的目的。圖2示出可切換的透鏡/漫射體的放大剖面圖，示出了空腔21的細節(jié)。從圖2可以清楚地看出，前部22和后部23合作，以限定其間的空腔21。請注意，前部22和后部23用足量的光學材料(例如玻璃、光學塑料等)制造，以提供所需的透鏡功能。
前部22的內表面上還有一層薄的、光學上透明的導電材料層24，后部23的內表面上有一層類似地薄的、光學上透明的導電材料層25。層24和25在電氣上互相隔離，它們具有一個由電池表示的電勢源31，由一個帶有開關32的電路30連接到其上。當開關32閉合時，電勢源31直接連接到導電層24和25，它在兩導電層之間的空腔21上產生一個電場。層24和25由任一種方便的、透光材料形成，例如銦-錫-氧化物、很薄的金屬、某些導電聚合物或類似的材料。
空腔21填滿聚合物擴散液晶的(PDLC)材料35。材料35含有許多液晶，當對它適當地通電時，會使它們本身排齊，以使光線通過，當繼電時，會重新隨機地調整它們自身，以產生漫射或半透明效應。這樣，材料35和由此導致可切換的透鏡/漫射體12具有兩種工作方式第一工作方式是材料35處于透明狀態(tài)，可切換的透鏡/漫射體12起通常的菲涅耳透鏡的作用；第二工作方式是材料處于半透明狀態(tài)，可切換的透鏡/漫射體12起漫射體的作用?？梢岳斫猓S多種變型的通電方案都是可能的，包括橫跨材料35兩端施加一個電勢，以使它透明；橫跨材料35兩端施加一個不同的電勢，以使它半透明，等等。圖1中，使材料35通電而處于第一工作方式，在離開可切換的透鏡/漫射體12一個短距離處的點40處一個觀看者看到一個相當大的虛像。
參看圖3，圖中示出可切換的透鏡/漫射體12處于第二工作方式下。在這種工作方式下，開關32打開，以去掉跨在材料35上的電場，以使材料35隨機地取向，因而成為半透明狀或漫射狀。在這種工作方式下，在離可切換的透鏡/漫射體12一個短距離的點40處一個觀看者看到在可切換的透鏡/漫射體12的表面上的一個較小的直接可視圖像，它不會大于可切換的透鏡/漫射體12(外側表面積)的尺寸。
在諸如蜂窩電話、尋呼機、數據存儲器裝置等之類的電子裝置中，處在第一工作方式(圖1)下的圖像呈現(xiàn)裝置10可用來顯示大量的信息，例如畫面、地圖、照片和/或多行文本。另外，虛像通常是通過一個孔徑觀看，并有一個無環(huán)境光侵入的黑暗背景，以使虛像基本上不受背景光或環(huán)境光的影響。鑒此，處在第一工作方式下的圖像呈現(xiàn)裝置10能有效地應用在高環(huán)境光的環(huán)境中。在這種電子裝置中，處于第二工作方式(圖3)下的圖像呈現(xiàn)裝置10可用于顯示較小數量的信息，例如電話號碼、一或二行存儲的消息等，或在低環(huán)境光和/或大眼距應用場合中。
參看圖4和圖5，圖中示出可切換的透鏡/漫射體45的一個實施例?？汕袚Q的透鏡/漫射體45在這個具體例子中是一個帶有填滿PDLC材料的中央空腔46的雙凸透鏡。作為制造可切換的透鏡/漫射體45的方法的一個例子，中央空腔46可以形成為一個薄圓盤或膜片形狀的容器，其每一主體表面上敷一層透光、導電的材料。然后，將一對平凸透鏡47和48粘附到中央空腔46的相對主表面，以完成此結構。
如前所述，當PDLC材料被激活時，液晶使它們本身排齊，以使光通過，當斷電時，重新隨機地調整其自身，以產生漫射效應或半透明效應。如圖4所示，PDLC材料被激活時使它透明，可切換的透鏡/漫射體45的作用如同一個標準的雙凸透鏡。在這個例子中，進入該鏡的準直光聚焦在點49上。如圖5所示，PDLC材料不激活時使它呈漫射狀或半透明狀，可切換的透鏡/漫射體45的作用如同一個漫射體。使進入可切換的透鏡/漫射體45的光漫射，而不聚焦。
按照相似的方式，圖6和圖7示出可切換的透鏡/漫射體50一個實施例的兩種工作方式，它含有一個衍射光學單元(DOE)51和一個PDLC材料的空腔或容器52。類似地，圖8和圖9示出可切換的透鏡/漫射體55一個實施例的兩種工作方式，它含有一個體全息單元56和一個PDLC材料的空腔或容器57。另外，圖10和圖11示出可切換的透鏡/漫射體60一個實施例的兩種工作方式，它含有一個成形鏡面61和一個PDLC材料的空腔或容器62。本領域的技術人員在閱讀本文時，顯然可以作出許多變型和修改。
參看圖12，圖中示出電子裝置65，例如尋呼機、便攜式電話機、蜂窩電話機、便攜數據庫等。電子裝置65含有通常的數據源，它包括存儲器和/或數據接收電路以及設備，標號為67。圖像發(fā)生器68位于電子裝置65的殼體內，并連接到數據源67，以利用來自數據源67的數據在電子裝置65的表面上產生出一個圖像，如上所述，圖像發(fā)生器68含有許多按行和列排列的發(fā)光裝置，它們按某種選定的次序編址，以便借助發(fā)射的光產生圖像。
由圖像發(fā)生器68發(fā)射出的光利用投影物鏡系統(tǒng)69投影到第一表面70上，該第一表面70使光直接投向第二表面72。第二表面72使光通過可切換的透鏡/漫射體75向外投射，位于點76的觀看者可看到圖像。表面70和72能夠綜合在一個波導虛像顯示器中，波導虛像顯示器類似于1993年6月29日公開的、題目為“WaveguideVirtual Image Display”的美國專利5,244,198中公開的波導虛像顯示器，引用在這里連同其內公開的各種波導顯示器實施例一起作為參考。在這個具體實施例中，可切換的透鏡/漫射體75包含一個菲涅爾透鏡部分77和一個基本上共同延伸的、填滿PDLC材料的空腔或容器79，在空腔或容器72的各側有導電層(未示出)。這些導電層電連接到電子裝置65的控制器部分80。
作為電子裝置65一種可能工作的簡例，控制器80含有一個“直接/虛”開關，用以在直接像與虛像之間切換。在標準工作方式下，電子裝置65通過可切換的透鏡/漫射體75對操作者提供一個直接像。在這種工作方式下，PDLC空腔或容器79不被激活能，因而呈現(xiàn)為漫射表面。在這種工作方式下，圖像發(fā)生器68通常也可被切換，以使一組發(fā)光裝置平行地工作，形成圖像的每個像素。這樣，像素越少，圖像越簡單，通常是幾個字母數字符號，例如電話號碼或簡單的存儲消息等。盡管圖像較簡單，但它亮得多，以在大多數辦公室、家庭等環(huán)境光占優(yōu)的狀態(tài)下也能看清。
如果操作者接收到一個指示，指明一個較大或較復雜的消息正傳送，或如果操作者希望看見從數據存儲器67來的較復雜的圖像，則該操作者簡單地將“直接/虛”開關切換到虛像位置上，在PDLC材料的空腔或容器79兩端施加一個電場，以使PDLC材料變透光。同時，圖像發(fā)生器68中的發(fā)光裝置脫離開成組方式，以產生滿頁信息的圖像。在這種方式下，圖像的亮度減弱；但因這圖像是作為虛像看的，故無背景光或環(huán)境光有害地干擾該虛像。
據此，本文公開了一種單一的、可切換的透鏡/漫射體，可容易地在光學部件狀態(tài)與漫射體狀態(tài)之間電切換，用以產生出普通的光學部件功能或漫射體功能。此外，該可切換的透鏡/漫射體裝置在制造上和操作上相當簡單，能比較容易地綜合在電子裝置中成為雙圖像呈現(xiàn)裝置。雖然，描述的，幾個具體的實施例是作為例子，但該可切換的透鏡/漫射體裝置能夠制造得綜合大多數的光學部件。
盡管描述了本發(fā)明的具體實施例，但本領域的技術人員將能作出進一步的修改和改進。可以理解，本發(fā)明不受所示的特定形式的限制，所附的權利要求書覆蓋不偏離本發(fā)明的精神實質和范疇的所有一切修改。
權利要求
1.一種可切換的透鏡/漫射體，其特征在于一個光學部件，被構制得可與直接投射到其上的光一起配合來形成一個光學圖像；一個聚合物擴散液晶材料層，具有透明狀態(tài)和漫射狀態(tài)，該材料層與該光學部件一起就位，以在聚合物擴散液晶材料層處于透明狀態(tài)時該光學部件形成一個光學圖像，而在處于漫射狀態(tài)時，聚合物擴散液晶材料層起漫射屏幕的作用，與直接投射到其上的光線一起配合來形成一個圖像。
2.根據權利要求1所述的可切換的透鏡/漫射體，其特征在于，聚合物擴散液晶材料層位于該光學部件內的空腔中。
3.根據權利要求1所述的可切換的透鏡/漫射體，其特征在于，與聚合物擴散液晶材料層相關聯(lián)的裝置，用以在透明狀態(tài)與漫射狀態(tài)之間切換該聚合物擴散液晶材料層。
4.根據權利要求3所述的可切換的透鏡/漫射體，其特征在于，與聚合物擴散液晶材料層相關聯(lián)的裝置，有一對光學透明的導電層，其中的一個位于聚合物擴散液晶材料層的每個相對側面上，用以在聚合物層兩端提供一個電勢。
5.一種可切換的透鏡/漫射體，其特征在于一個光學部件，被構制得可與直接投射到其上的光一起配合來形成一個光學圖像，該光學部件可從以下的組中選擇光學透鏡、菲涅爾透鏡、衍射透鏡、全息透鏡、衍射光學部件、以及體積全息部件；一個聚合物擴散液晶材料層，具有透明狀態(tài)和漫射狀態(tài)，該材料層與該光學部件一起就位，以在該聚合物擴散液晶材料層處于透明狀態(tài)時，該光學部件形成一個光學圖像，而在漫射狀態(tài)時，聚合物擴散液晶材料層起漫射屏幕的作用，以與直接投射到其上的光一起配合來形成一個圖像；第一和第二電裝置，分別位于該聚合物擴散液晶材料層的相對側面上，用以在該聚合物擴散液晶材料層兩端提供一個電勢。
6.一種圖像呈現(xiàn)裝置用以有選擇性地提供直接像或虛像，該裝置其特征在于圖像發(fā)生器裝置，用以產生一個二維圖像；一個投影物鏡系統(tǒng)，位置與該圖像發(fā)生器裝置相鄰用以將所產生的圖像投影到一個遠處的平面上；一個可切換的透鏡/漫射體，安裝在遠處平面上，包括一個光學部件，被構制得可與投影在其上產生的圖像一起配合來形成一個虛像，該光學部件可從以下組中選擇光學透鏡、菲涅爾透鏡、衍射透鏡、全息透鏡、衍射光學部件、以及體積全息部件；一個聚合物擴散液晶材料層，具有透鏡明狀態(tài)和漫射狀態(tài)，該材料層與該光學部件一起就位，以在聚合物擴散液晶材料層處于透明狀態(tài)時，該光學部件形成一個虛像，而在漫射狀態(tài)時，聚合物擴散液晶材料層起漫射屏幕的作用，以與投影在其上的圖像一起配合來形成一個直接像；第一和第二電裝置，分別位于該聚合物擴散液晶材料層的相對的側面用以在該聚合物擴散液晶材料層兩端提供一個電勢，使得以在透明狀態(tài)與漫射狀態(tài)之間切換該聚合物擴散液晶材料。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，第一和第二電裝置的每個均為透光、導電的銦-錫-氧化物。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，圖像發(fā)生裝置具有從以下組中選擇的發(fā)光單元件組成的一個二維陣列無機發(fā)光二極管、有機發(fā)光二極管、場致發(fā)光裝置、半導體垂直腔激光器、以及光傳導裝置。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，圖像發(fā)生裝置具有切換裝置，用以在以下兩種方式之間切換低環(huán)境光、大眼距應用的低數據內容圖像方式和高環(huán)境光片用的高數據內容的圖像方式。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，圖像發(fā)生裝置被連接，與可切換的透鏡/漫射體一起工作，以在可切換的透鏡/漫射體處于漫射狀態(tài)時，圖像發(fā)生裝置處于低數據內容圖像方式，當可切換的透鏡/漫射體處于透明狀態(tài)時，圖像發(fā)生裝置處于高數據內容圖像方式。
全文摘要
可切換的透鏡/漫射體含有一個部件，它被構造得可與直接投射到其上的光一起形成一個光學圖像，和一個聚合物擴散液晶材料層，具有透明狀態(tài)和漫射狀態(tài)，該材料層與光學部件一起就位，以在該聚合物層透明狀態(tài)時該光學部件形成一個光學圖像，在漫射狀態(tài)時該聚合物層起漫射屏幕作用，使直接投射到其上的光形成一個圖像。
文檔編號G02B27/18GK1164045SQ9610023
公開日1997年11月5日 申請日期1996年4月30日 優(yōu)先權日1996年4月30日
發(fā)明者凱倫·E·亞齊莫維茨, 邁克爾·S·萊比 申請人:摩托羅拉公司