CN102323700A - 降低显示器中的色移的系统及方法 - Google Patents

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CN102323700A
CN102323700A CN2011103037555A CN201110303755A CN102323700A CN 102323700 A CN102323700 A CN 102323700A CN 2011103037555 A CN2011103037555 A CN 2011103037555A CN 201110303755 A CN201110303755 A CN 201110303755A CN 102323700 A CN102323700 A CN 102323700A
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optical element
display system
light
substrate
display
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CN2011103037555A
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杰弗里·B·桑普塞尔
卡伦·泰格尔
米特兰·马修
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Qualcomm MEMS Technologies Inc
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Qualcomm MEMS Technologies Inc
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Abstract

本发明揭示一种降低显示器中的色移的系统和方法，其包括一干涉式调制器显示器，所述干涉式调制器显示器配置成沿一自至少一光源且经所述显示器而至一观察者的光学路径自所述光源穿过至少一会聚光学元件反射光。在一实施例中，所述会聚光学元件包含一衍射光学元件。

Description

降低显示器中的色移的系统及方法
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2005年9月21日、申请号为200510103554.5、发明名称为“降低显示器中的色移的系统及方法”的发明专利申请案。
技术领域
本发明的技术领域涉及微机电系统(MEMS)。
背景技术
微机电系统(MEMS)包括微机械元件、激励器及电子元件。微机械元件可采用沉积、蚀刻或其他可蚀刻掉衬底及/或所沉积材料层的若干部分或可添加若干层以形成电和机电装置的微机械加工工艺制成。一种类型的MEMS装置被称为干涉式调制器。干涉式调制器可包含一对导电板，其中之一或二者均可全部或部分地透明及/或为反射性，且在施加一个适当的电信号时能够相对运动。其中一个板可包含一沉积在一衬底上的静止层，另一个板可包含一通过一空气间隙与该静止层隔开的金属隔板。上述装置具有广泛的应用范围，且在此项技术中，利用及/或修改这些类型装置的特性、以使其性能可用于改善现有产品及制造目前尚未开发的新产品将颇为有益。
发明内容
本发明的系统、方法及装置均具有多个方面，任一单个方面均不能单独决定其所期望特性。现在，对其更主要的特性进行简要说明，此并不限定本发明的范围。在查看这一说明，尤其是在阅读了标题为“具体实施方式”的部分之后，人们即可理解本发明的特性如何提供优于其他显示装置的优点。
一实施例为一种用于显示图像的显示系统。所述显示系统包括复数个配置成调制入射于其一表面上的光的干涉式调制器。所述显示系统进一步包括一会聚光学元件，其相对于复数个干涉式调制器中至少一个干涉式调制器的一表面定位成使所述光学元件的焦距大于所述光学元件与所述表面之间的距离。
另一个实施例为一种制造一显示系统的方法。所述方法包括在一第一衬底上形成复数个干涉式调制器。所述方法进一步包括在一第二衬底上形成一会聚光学元件。所述光学元件相对于复数个干涉式调制器中至少一个干涉式调制器的至少一个表面定位成使所述光学元件的焦距大于所述光学元件与所述至少一个表面之间的距离。另一个实施例为一根据这一方法制造的显示系统。
另一个实施例为一种用于显示图像的显示系统。所述显示系统包括：用于以干涉方式调制入射于其上的光的构件；及用于会聚光的构件，该会聚构件经调适以限制所述图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移。
另一实施例为一种通过一包括以下步骤的方法制造的显示系统：在一第一衬底上形成复数个干涉式调制器；在一第二衬底上形成一会聚性衍射光学元件，所述光学元件定位成重定向入射于所述复数个干涉式调制器中至少一个干涉式调制器的至少一个表面上的光。
另一个实施例为一种用于显示图像的显示系统，所述显示系统包括：用于以干涉方式调制入射于其上的光的构件；及用于衍射光以重定向入射于所述用于以干涉方式调制光的构件上的光的构件，其中所述用于衍射光的构件配置成会聚所述光。
另一实施例为一种用于显示一图像的显示系统，所述显示系统包括：复数个配置成调制入射于其上的光的干涉式调制器；及一配置成重定向入射于所述复数个干涉式调制器中至少一个干涉式调制器上的光的会聚性衍射光学元件。
另一个实施例为一种用于显示图像的显示系统，所述显示系统包括：用于以干涉方式调制入射于其上的光的构件；及用于衍射光以重定向入射于所述用于以干涉方式调制光的构件上的光的构件。
附图说明
图1为一等角图，其显示一干涉式调制器显示器的一实施例的一部分，其中一第一干涉式调制器的一可移动反射层处于一释放位置，且一第二干涉式调制器的一可移动反射层处于一受激励位置。
图2为一系统方框图，其显示一包含一3×3干涉式调制器显示器的电子装置的一实施例。
图3为图1所示干涉式调制器的一实例性实施例的可移动镜位置与所施加电压的关系图。
图4为一组可用于驱动干涉式调制器显示器的行与列电压的示意图。
图5A及图5B显示可用于向图2所示3×3干涉式调制器显示器写入一显示数据帧的行与列信号的一实例性时序图。
图6A为一图1所示装置的剖面图。
图6B为一干涉式调制器的一替代实施例的一剖面图。
图6C为一干涉式调制器的另一替代实施例的一剖面图。
图7为一干涉式调制器显示器的一实施例的一示意性侧面轮廓图，其显示经所述显示器的一干涉式调制器元件自一光源至一观察者的光学路径。
图8为干涉式调制器显示器的另一实施例的一示意性侧面轮廓图，与图7中所示的干涉式调制器显示器相似，所述干涉式调制器显示器在经干涉式调制器元件自光源至观察者的光学路径中包含一透镜。
图9为干涉式调制器显示器的另一实施例的一示意性侧面轮廓图，与图8中所示的干涉式调制器显示器相似，所述干涉式调制器显示器在经干涉式调制器元件自光源至观察者的光学路径中包含一衍射光学元件。
图10为干涉式调制器显示器的另一实施例的一示意性侧面轮廓图，与图8中所示的干涉式调制器显示器相似，所述干涉式调制器显示器在经干涉式调制器元件自光源至观察者的光学路径中包含一单级二元光学元件。
图11A及11B为系统方块图，其显示一包含复数个干涉式调制器的视觉显示装置的一实施例。
具体实施方式
以下详细说明涉及本发明的某些具体实施例。不过，本发明可通过许多种不同的方式实施。在本说明中，会参照附图，在附图中，相同的部件自始至终使用相同的编号标识。
在较佳实施例中，本发明包括一定位于干涉式显示器与显示器观察者之间的光学元件，例如透镜、菲涅尔透镜、衍射光学元件或二元光学元件。所述光学元件经配置以降低在观察角或光角度变化时可看到的色移。
以下详细说明涉及本发明的某些具体实施例。不过，本发明可通过许多种不同的方式实施。在本说明中，会参照附图，在附图中，相同的部件自始至终使用相同的编号标识。根据以下说明容易看出，本发明可在任一配置用于显示图像-无论是动态图像(例如视频)还是静态图像(例如静止图像)，无论是文字图像还是图片图像-的装置中实施。更具体而言，本发明可在例如(但不限于)以下等众多种电子装置中实施或与这些电子装置相关联：移动电话、无线装置、个人数据助理(PDA)、手持式计算机或便携式计算机、GPS接收器/导航器、照像机、MP3播放器、摄录机、游戏机、手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、汽车显示器(例如，里程表显示器等)、驾驶舱控制装置及/或显示器、摄像机视图显示器(例如，车辆的后视摄像机显示器)、电子照片、电子告示牌或标牌、投影仪、建筑结构、包装及美学结构(例如，一件珠宝的图像显示器)。与本文所述MESE装置具有类似结构的MEMS装置也可用于非显示应用，例如用于电子切换装置。
在图1中显示一种包含一干涉式MEMS显示元件的干涉式调制器显示器实施例。在这些装置中，像素处于亮状态或暗状态。在亮(“开(on)”或“打开(open)”)状态下，显示元件将入射可见光的一大部分反射至用户。在处于暗(“关(off)”或“关闭(closed)”)状态下时，显示元件几乎不向用户反射入射可见光。视不同的实施例而定，可颠倒“on”及“off”状态的光反射性质。MEMS像素可配置成主要在所选色彩下反射，以除黑色和白色之外还可实现彩色显示。
图1为一等角图，其显示一视觉显示器的一系列像素中的两相邻像素，其中每一像素包含一MEMS干涉式调制器。在某些实施例中，一干涉式调制器显示器包含一由这些干涉式调制器构成的行/列阵列。每一干涉式调制器包括一对反射层，该对反射层定位成彼此相距一可变且可控的距离，以形成一至少具有一个可变尺寸的光学谐振空腔。在一实施例中，其中一个反射层可在两个位置之间移动。在本文中称为释放状态的第一位置上，该可移动层的位置距离一固定的局部反射层相对远。在第二位置上，该可移动层的位置更近地靠近该局部反射层。根据可移动反射层的位置而定，从这两个层反射的入射光会以相长或相消方式干涉，从而形成各像素的总体反射或非反射状态。
在图1中显示的像素阵列部分包括两个相邻的干涉式调制器12a和12b。在左侧的干涉式调制器12a中，显示一可移动的高度反射层14a处于一释放位置，该释放位置距一固定的局部反射层16a一预定距离。在右侧的干涉式调制器12b中，显示一可移动的高度反射层14b处于一受激励位置处，该受激励位置靠近固定的局部反射层16b。
固定层16a、16b导电、局部透明且局部为反射性，并可通过例如在一透明衬底20上沉积将一个或多个各自为铬及氧化铟锡的层而制成。所述各层被图案化成平行条带，且可形成一显示装置中的行电极，如将在下文中所进一步说明。可移动层14a、14b可形成为由沉积在支柱18顶部的一或多个沉积金属层(与行电极16a、16b正交)及一沉积在支柱18之间的中间牺牲材料构成的一系列平行条带。在牺牲材料被蚀刻掉以后，这些可变形的金属层与固定的金属层通过一规定的气隙19隔开。这些可变形层可使用一具有高度导电性及反射性的材料(例如铝)，且该些条带可形成一显示装置中的列电极。
在未施加电压时，空腔19保持位于层14a、16a之间，且可变形层处于如图1中像素12a所示的一机械弛豫状态。然而，在向一所选行和列施加电位差之后，在所述行和列电极相交处的对应像素处形成的电容器被充电，且静电力将这些电极拉向一起。如果电压足够高，则可移动层发生形变，并被压到固定层上(可在固定层上沉积一介电材料(在该图中未示出)，以防止短路，并控制分隔距离)，如图1中右侧的像素12b所示。无论所施加的电位差极性如何，该行为均相同。由此可见，可控制反射与非反射像素状态的行/列激励与传统的LCD及其他显示技术中所用的行/列激励在许多方面相似。
图2至图5显示一个在一显示应用中使用一干涉式调制器阵列的实例性过程及系统。图2为一系统方框图，该图显示一可体现本发明各方面的电子装置的一个实施例。在该实例性实施例中，所述电子装置包括一处理器21一其可为任何通用单芯片或多芯片微处理器，例如ARM、
Figure BSA00000588088100051
Pentium
Figure BSA00000588088100052
Pentium
Figure BSA00000588088100053
PentiumPro、8051、
Figure BSA00000588088100055
Power
Figure BSA00000588088100056
或任何专用微处理器，例如数字信号处理器、微控制器或可编程门阵列。按照业内惯例，可将处理器21配置成执行一个或多个软件模块。除执行一个操作系统外，还可将该处理器配置成执行一个或多个软件应用程序，包括网页浏览器、电话应用程序、电子邮件程序或任何其他软件应用程序。
在一实施例中，处理器21还配置成与一阵列控制器22进行通信。在一实施例中，该阵列控制器22包括向一像素阵列30提供信号的行驱动电路24及列驱动电路26。图1中所示的阵列的横截面在图2中以线1-1示出。对于MEMS干涉式调制器，行/列激励协议可利用图3所示的这些装置的滞后性质。其可能需要(例如)10伏的电位差来使可移动层自释放状态变形至受激励状态。然而，当所述电压自该值降低时，随着所述电压降回至10伏以下，所述可移动层保持其状态。在图3的实例性实施例中，在电压降低至2伏以下之前，可移动层不会完全释放。因此，在图3所示的实例中，存在一大约为3-7伏的电压范围，在该电压范围内存在一施加电压窗口，在该窗口内所述装置稳定在释放或受激励状态。在本文中将其称为“滞后窗口”或“稳定窗口”。对于一具有图3所示的滞后特性的显示阵列而言，行/列激励协议可设计成使得在行选通期间，使选通行中将被激励的像素遭受约10伏的电压差，并使将被释放的像素遭受接近0伏的电压差。在选通之后，使像素遭受约5伏的稳态电压差，以使其保持在行选通使其所处的状态。在写入之后，在该实例中，每一像素均承受一处于3-7伏“稳定窗口”内的电位差。该特性使图1所示的像素设计在相同的施加电压条件下稳定在一既有的受激励状态或释放状态。由于干涉式调制器的每一像素，无论处于受激励状态还是释放状态，实质上均是一由固定及移动反射层所构成的电容器，因此该稳定状态可在一滞后窗口内的电压下得以保持而几乎不消耗功率。如果所施加的电位固定，则基本上没有电流流入像素。
在典型应用中，可通过根据第一行中所期望的一组受激励像素来确定一组列电极而形成一显示帧。此后，将行脉冲施加于第1行的电极，从而激励与所确定的列线对应的像素。此后，将所确定的一组列电极变成与第二行中所期望的一组受激励像素对应。此后，将脉冲施加于第2行的电极，从而根据所确定的列电极来激励第2行中的适当像素。第1行的像素不受第2行的脉冲的影响，且保持其在第1行的脉冲期间所设定的状态。可按顺序性方式对整个系列的行重复此过程，以形成所述帧。通常，通过以某一所需帧数/秒的速度连续地重复该过程来用新的显示数据刷新及/或更新这些帧。还有很多种用于驱动像素阵列的行及列电极以形成显示帧的协议为人们所熟知，且可与本发明一起使用。
图4及图5显示一种用于在图2所示的3×3阵列上形成一显示帧的可能的激励协议。图4显示一组可用于那些展现出图3所示滞后曲线的像素的可能的列及行电压水平。在图4的实施例中，激励一像素包括将适当的列设定至-Vbias，并将适当的行设定至+ΔV，其可分别对应于-5伏及+5伏。释放像素则是通过将适当的列设定至+Vbias并将适当的行设定至相同的+ΔV以便在所述像素两端形成0伏的电位差来实现。在那些其中行电压保持为0伏的行中，像素稳定于其原先所处的状态，而与该列处于+Vbias还是-Vbias无关。
图5B为一显示一系列行及列信号的时序图，该些信号施加于图2所示的3×3阵列，其将形成图5A所示的显示布置，其中受激励像素为非反射性。在写入图5A所示的帧之前，像素可处于任何状态，在该实例中，所有的行均处于0伏，且所有的列均处于+5伏。在这些所施加电压下，所有的像素稳定于其现有的受激励状态或释放状态。
在图5A所示的帧中，像素(1，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)及(3，3)受到激励。为实现这一效果，在第1行的一“行时间”期间，将第1列及第2列设定为-5伏，将第3列设定为+5伏。此不会改变任何像素的状态，因为所有像素均保持处于3-7伏的稳定窗口内。此后，通过一自0伏上升至5伏然后又下降回至0伏的脉冲来选通第1行。由此激励像素(1，1)和(1，2)并释放像素(1，3)。阵列中的其他像素均不受影响。为将第2行设定为所期望状态，将第2列设定为-5伏，将第1列及第3列被设定为+5伏。此后，向第2行施加相同的选通脉冲将激励像素(2，2)并释放像素(2，1)和(2，3)。同样，阵列中的其他像素均不受影响。类似地，通过将第2列和第3列设定为-5伏，并将第1列设定为+5伏对第3行进行设定。第3行的选通脉冲将第3行像素设定为图5A所示的状态。在写入帧之后，行电位为0，而列电位可保持在+5或-5伏，且此后显示将稳定于图5A所示的布置。应了解，可对由数十或数百个行和列构成的阵列使用相同的程序。还应了解，用于实施行和列激励的电压的定时、顺序及电平可在以上所述的一般原理内变化很大，且上述实例仅为实例性，任何激励电压方法均可与本发明一起使用。
按照上述原理运行的干涉式调制器的详细结构可千变万化。例如，图6A-6C显示移动镜结构的三种不同实施例。图6A为图1所示实施例的剖面图，其中在正交延伸的支撑件18上沉积一金属材料条带14。在图6B中，可移动的反射材料14仅在隅角处在系链32上附接至支撑件。在图6C中，可移动反射材料14悬吊在一可变形层34上。由于反射材料14的结构设计及所用材料可在光学性质方面得到优化，且可变形层34的结构设计和所用材料可在所期望机械特性方面得到优化，因此该实施例具有优点。在许多公开文件中，包括例如第2004/0051929号美国公开申请案中，描述了各种不同类型干涉装置的生产。可使用很多种人们所熟知的技术来制成上述结构，此包括一系列材料沉积、图案化及蚀刻步骤。
图7为一干涉式调制器显示器100的一实施例的一示意性侧面轮廓图，其显示经显示器100自一光源102至一观察者130的光学路径。图7中所示的光源102自包括(例如)位置104或106在内的一系列位置发射光。干涉式调制器显示器100包括一由110a、110b、和110c构成的干涉式调制器阵列。尽管在图7中显示了一个由三个光调制器构成的阵列，但是显示器100的实施例可包含成千个或上百万个调制器。光调制器110a、110b、和110c中的每一个均包含一对镜112和114。镜112和114定位成彼此基本上平行且间隔一距离116，以在其间界定一光学空腔。自所述光学空腔所反射的光的颜色至少部分地取决于距离116。在配置成产生一彩色图像的显示器100的一实例实施例中，为每个光调制器110a、110b、和110c选择的距离116使每个光调制器110a、110b、和110c反射基本上为一特定颜色(例如红色、蓝色、或绿色)的光。在其他实施例中，显示器100中所有调制器110的距离可基本上相同。
在一实施例中，显示器100通过反射从多个源沿多个光学路径到达显示器100的光来产生一显示图像。在一实例性光学路径中，来自位置104的光沿路径120到达显示器100。干涉式调制器元件110a对该光进行调制，以将沿路径120的光的一部分沿一路径122反射至观察者130。沿路径120的入射光与沿路径122的反射光彼此之间界定一角度θ。被镜114反射而由源102传播至观察者130的光所传播过的路径(未示出)较被镜112反射而由源102传播至观察者130的光所传播过的路径短。这两条路径之间的路径长度差连同其他几个因素决定了观察者130感觉到的自调制器元件110a反射的光的峰值波长。这一路径长度差大致与角度θ/2的余弦乘以距离116成正比。在θ＝0时，cosθ/2＝1，且路径长度差为距离116的两倍。随着角度θ的增大，cosθ/2减小，且由这两个镜112和114为沿路径120与122的光界定的路径长度距离(距离118的两倍)由此事实上变得短于距离116的两倍。形成于调制器元件110a中的这一缩短的光学路径距离118对应于由调制器元件110a反射的光的色移。在角度θ足够大时，观察者130可以在显示器120所产生的颜色中感觉到这一色移。
图8为干涉式调制器显示器100的另一实施例的一示意性侧面轮廓图，干涉式调制器显示器100包含一跨越显示器100的整个观看表面的会聚透镜200。透镜200沿光轴201定位在距调制器110一小于透镜200的焦距的距离上。在图8所示包含透镜200的实施例中，一光学路径包含一路径段202，光沿路径段202自位置106传播至显示器100。在一实施例中，透镜200具有一大于显示器100的两个或多个干涉式调制器的总孔径的光学孔径。在一实施例中，透镜200具有一大于干涉式调制器阵列的总孔径的光学孔径。来自路径段202的光的至少一部分透射过透镜200并通过干涉式调制器110a的镜的表面反射。反射光再次透射过透镜200到达观察者130。从概念上讲，透镜200选择来自源102上一位置106的输入光透射过调制器元件110a到达观察者130。因此经透镜200到达观察者的光的光学路径选择成与调制器的反射表面的入射角(接近90°)大于在没有透镜200的实施例中到达观察者的光学路径的入射角度。该光透射至观察者130会通过改变光学空腔内的路径长度差以使所传播距离更接近沿光轴201传播的光所遵循的距离而降低所感觉到的色移。
在一实施例中，透镜200配置成实质上通过一包含光学路径段202、220、222和122的光学路径将光导引至观察者130。沿路径202传播的光的源为源102上的位置106。选定的位置106比发出沿路径120传播的光的位置104更靠近显示系统的中心轴线。在显示器100的这一实施例中，光源角度的减小实质上致使调制器元件110内的光线的角度更小。反射路径段222与入射路径段220界定一角θ′。透镜200选择成使角θ′小于由路径段120与122(对应于在没有透镜的实施例-如图7所示的显示器-中存在的光路径)界定的角θ。干涉式调制器元件110a处变小的对角θ′对应一两倍于距离224的路径长度差，且由于θ′小于θ，因而路径长度224将长于图7中的路径长度118。变长的路径长度相应地降低被显示器100反射的离轴光的所感觉到的色移。
在一实施例中，显示器100为一使用具有宽带环境光照射的光源102来观看的直视式干涉式显示器，其中观察者背后的场内基本上所有的点均受到相似的照射，以使来自一个源位置的光平均来说与来自任何其它源位置的光差别不大。因此透镜200选择来自所述场内这样一个点的光：其相对于观察者130的对角小于没有透镜200时所选择的角度。
在一实施例中，会聚透镜200为一凸透镜。所属技术领域的技术人员可使用所属技术领域所熟知的技术得出用于将透镜200构造成具有所期望特性的形状和材料。然而，在许多典型的显示器应用中，例如在手持式或其他便携式显示装置中，透镜200通常庞大且笨重，这是人们所不希望的。此外，用于透镜200的结构支撑件(未示出)可增加显示器100的成本和复杂度，并由此会使将透镜200集成至这样一个典型产品内变得不切实际。
作为会聚透镜200的一替代物，例如，为减小这种大的体积，各实施例可包含任何其他适用的会聚光学元件，包括菲涅尔透镜。如人们所希望，菲涅尔透镜比简单的曲面透镜实施例(如图8中所示的透镜200)小且轻巧。然而，对于许多便携式应用来说，甚至是体积减小的菲涅尔透镜也仍然往往大得不切实际。透镜200的其它实施例可包含所属技术领域已知的任何其他类型的会聚透镜或光学元件。
对在光控制应用中使用透镜的一种替代方式是使用衍射光学元件，包括全息光学元件。在概念上可视为逐步接近一光学功能(例如一菲涅耳透镜)的衍射光学元件为光调制元件，其在一实施例中包含已使用光刻技术图案化和蚀刻在一衬底上的结构，以便以一预确定的方式使光衍射，例如使光会聚或聚焦。在一实施例中，所述结构的尺寸为几个微米大小，此视将受到影响的光的波长而定。通常使用一适当的计算机程序来计算可界定一用于执行一特定光学功能(例如一会聚透镜的功能)的DOE的结构的图案和形状。这种软件的实例包括可从位于Pasadena，CA的Optical ResarchAssociates，Inc获得的CODE V、可从位于Rochester NY的Lambda Resarch Associates，Inc获得的OSLO、及可从位于Tucson，AZ的Focus Software获得的ZEMAX。例如，关于衍射光学元件的更多详情，包括对适用的透镜结构的计算，可见于由Thomas J.Sulski、Alan D.Kathman、Dennis W.Prather所著的“衍射光学元件：设计、制造和测试(Diffractive Optics：Design，Fabrication，&Test)，Donald C.O’Shea(Society ofPhoto-Optical Instrument Enginerring 2003)。
一种类型的DOE为二元光学元件(“BOE”)。二元光学元件为一种包含离散数量个衍射表面的衍射光学元件。最简单的形式是由具有两个衍射表面的单步骤元件(例如由单个光刻步骤形成)构成。这两个表面在入射波前中引入一为0或为π的相差。一多级二元元件包括N级材料-例如通过N个光刻步骤形成。这N个级可产生2N个相位级。
图9为干涉式调制器显示器100的一实施例的一示意性侧面轮廓图，干涉式调制器显示器100在经干涉式调制器元件110a自光源102的位置106至观察者130的光学路径中包含一衍射光学元件302。所示的DOE 302的实施例为一N＝3的二元光学元件。在其他实施例中，N可为任何数字。在某些实施例中，N可为1、2、3、4、或5。在其他实施例中，N可处于1-10的范围之内。
DOE 302包含一会聚DOE。一会聚DOE为一配置成执行一会聚透镜的光学功能的DOE，即使光朝DOE 302的光轴201会聚。应了解，在图7-10的各个图中所显示的元件既不是按比例绘制的，也无意于作为任何用于执行赋予所述元件的光学功能的结构的精确例证。衍射光学元件(DOE)302通常包含大量的小元件304。每个元件304包含一由单个或多个元件构成的叠层。某些该类元件304可界定一阶梯状形状。如上所述，元件304的尺寸和位置通常是使用计算机和适用的软件来计算。在一实施例中，所述元件布置为一界定一组同心圆环的图案。在另一实施例中，元件302分组成可共同实现本文所述光学功能的局部结构。元件304可利用光刻技术、使用例如以下等适当的材料形成：光阻剂、硬化的光阻剂(例如在一烘箱中硬烘焙)、硅石、石英玻璃、或塑料。在一实施例中，沉积和蚀刻一系列具有一特定厚度和折射率的材料层以形成DOE 302的元件304。因此，同透镜200一样，DOE 302选择源于光源102的位置106的光线。该光的至少一部分被干涉式调制器元件110a沿路径段122反射至观察者130。
在一实施例中，DOE 302形成于一附装至显示器100的独立衬底上。在一实施例中，所述独立衬底包含一膜。显示器100可包含一漫射体(未示出)，以用于以一大体的朗伯图案来散射由干涉式调制器元件110a反射的反射光。在一实施例中，漫射体包含DOE 302。在另一实施例中，DOE 302与显示器100的干涉式调制器110a、110b、和110c形成于同一衬底上。例如，干涉式调制器110a、110b、和110c可形成于一玻璃衬底上。在一实施例中，各个干涉式调制器110a、110b、和110c形成于所述玻璃衬底的一第一侧上，且DOE 302形成于所述玻璃衬底的对置侧上。
在另一实施例中，DOE 302与调制器110形成于同一侧上。在一个这样的实施例中，元件304形成于所述衬底上且被一平面化层覆盖。此后，在所述平面化层上形成干涉式调制器110a、110b、和110c。在一实施例中，平面化材料的折射率与用于制作衍射元件304的材料的折射率不同。DOE 302内的衍射元件304的图案是根据用于形成衍射元件304的材料及用于形成平面化层的材料二者的折射率来计算。
在一实施例中，衍射光学元件302由一简单的、N＝1的二元光学元件形成。图10为干涉式调制器显示器100的另一实施例的一示意性侧面轮廓图，干涉式调制器显示器100在经干涉式调制器元件110a自光源102的位置106至观察者130的光学路径中包含N＝1的DOE 302的一实施例。图10所示DOE 302的实施例是利用一组BOE结构404形成，这一组BOE结构404通常形成为彼此具有大致相同的高度或厚度。尽管图10中的实例性DOE 302显示为具有均匀相间的结构404，但是也可调节各结构404的宽度和间隔以获得期望的光学功能。在所示的实施例中，DOE 302可由单个材料层经光刻图案化和蚀刻而形成。DOE 302的这一实施例的形成步骤少于图9中的多级二元光学元件302。可将单级DOE 302置于不同的位置和不同的衬底上，并以与上文针对多级DOE 302所述的相同的方式进行平面化。
例如DOE 302等二元光学元件仅界定一与所期望光学功能接近的光学功能。一般说来，二元光学元件中的层数越多，便会越好地接近所期望光学功能。不过，与会聚透镜200的光学功能的接近至少部分地降低了来自光源102并被干涉式调制器110a反射至观察者130的光的色移。在某些实施例中，色移的这种部分降低足以改善对于离轴光源和离轴观看而言所感觉到的显示器100的颜色精度。
与以上结合DOE 302所论述的任何实施例相同，可与显示器100相关地形成DOE302的实施例。例如，DOE 302可形成于一漫射体上、一独立的衬底上、或干涉式调制器110a、110b和110c的衬底的任一侧上。
对于更大的显示器，例如对角线尺寸大于约30英寸的显示器，在典型的室内观看距离(例如几米)处，即便在位于显示器的中心处时，观察者仍可感觉到显示器的一部分的角向色移。应了解，例如衍射光学元件302等光学元件的实施例可配置成降低显示器的至少一部分的这种色移。
衍射光学元件302的实施例可配置成执行其他光学功能。例如，在某些实施例中可能需要将光自显示器导引至一较佳观看位置范围内。因此，在这样的实施例中，衍射光学元件302也可配置成导引来自显示器100的光以控制视场、限制或扩展图像的观看方向、或控制图像的尺寸。在一实施例中，光学元件包括一双凸透镜组件，该双凸透镜组件配置成通过将来自显示器的光的一部分导引至一角度范围(例如，使来自显示器100的光围绕显示器100的水平轴线分布)在水平方向(相对于观察者)控制显示器的视场。在一实施例中，光学元件使光沿水平轴线分布的角度范围大于沿垂直轴线分布的角度范围。这会增加在离轴观看位置处，例如在一房间内显示器周围的座席位置范围处所接收的光量。在一实施例中，衍射光学元件302进一步配置成执行一双凸透镜的光学功能。
在另一实施例中，显示器100可包含或配置成使用特定的一个或一组相对于显示器100的位置已知的光源。在这一实施例中，衍射光学元件302定制成根据位置、光照量、或光源的孔径来导引光。在一实施例中，所述光源包含一个或多个围绕显示器100的正面布置的发光二极管以便对显示器进行照明。在这一实施例中，DOE 302配置成通过(例如)改变穿过DOE 302透射至显示器100的表面上的光的量来补偿所述光源对显示器的不均匀照射或补偿所述光源的其他不良特性的影响。
图11A及11B为显示一显示装置2040的一实施例的系统方块图。显示装置2040例如可为蜂窝式电话或移动电话。然而，显示装置2040的相同组件及其稍作变化的形式也可作为例如电视及便携式媒体播放器等各种类型显示装置的例证。
显示装置2040包括一外壳2041、一显示器2030、一天线2043、一扬声器2045、一输入装置2048及一麦克风2046。外壳2041通常由所属技术领域的技术人员所熟知的众多种制造工艺中的任一种工艺制成，包括注射成型及真空成形。此外，外壳2041可由众多种材料中的任一种材料制成，包括但不限于塑料、金属、玻璃、橡胶及陶瓷、或其一组合。在一实施例中，外壳2041包括可拆式部分(未图示)，这些可拆式部分可与其他具有不同颜色的、或包含不同标识、图片或符号的可拆式部分换用。
实例性显示装置2040的显示器2030可为众多种显示器中的任一种，包括本文所述的双稳显示器。在其他实施例中，显示器2030包括例如上文所述的等离子体显示器、EL、OLED、STN LCD或TFT LCD等平板显示器、或例如CRT或其他管式装置等非平板显示器，这些显示器为所属技术领域的技术人员所熟知。然而，为便于说明本实施例，显示器2030包括一如本文所述的干涉式调制器显示器。
图11B示意性地显示实例性显示装置2040的一实施例中的组件。所示实例性显示装置2040包括一外壳2041，并可包括其他至少部分地封闭于其中的组件。例如，在一实施例中，实例性显示装置2040包括一网络接口2027，该网络接口2027包括一耦接至一收发器2047的天线2043。收发器2047连接至处理器2021，处理器2021又连接至调节硬件2052。调节硬件2052可配置成对一信号进行调节(例如对一信号进行滤波)。调节硬件2052连接至一扬声器2045及一麦克风2046。处理器2021还连接至一输入装置2048及一驱动控制器2029。驱动控制器2029耦接至一帧缓冲器2028并耦接至阵列驱动器2022，阵列驱动器2022又耦接至一显示阵列2030。一电源2050根据具体实例性显示装置2040的设计的要求为所有组件供电。
网络接口2027包括天线2043及收发器2047，以使实例性显示装置2040可通过网络与一个或多个装置进行通信。在一实施例中，网络接口2027还可具有某些处理功能，以降低对处理器2021的要求。天线2043是所属技术领域的技术人员所知的用于发射及接收信号的任一种天线。在一实施例中，该天线根据IEEE 802.11标准(包括IEEE 802.11(a)，(b)，或(g))来发射及接收RF信号。在另一实施例中，该天线根据蓝牙(BLUETOOTH)标准来发射及接收RF信号。倘若为蜂窝式电话，则该天线被设计成接收CDMA、GSM、AMPS或其他用于在无线移动电话网络中进行通信的习知信号。收发器2047对自天线2043接收的信号进行预处理，以使其可由处理器2021接收及进一步处理。收发器2047还处理自处理器2021接收到的信号，以使其可通过天线2043自实例性显示装置2040发射。
在一替代实施例中，可由一接收器取代收发器2047。在又一替代实施例中，可由一图像源取代网络接口2027，该图像源可存储或产生拟发送至处理器2021的图像数据。例如，该图像源可为数字视盘(DVD)或一含有图像数据的硬盘驱动器、或一产生图像数据的软件模块。
处理器2021通常控制实例性显示装置2040的总体运行。处理器2021自网络接口2027或一图像源接收数据(例如压缩的图像数据)，并将该数据处理成原始图像数据或处理成一种易于处理成原始图像数据的格式。然后，处理器2021将处理后的数据发送至驱动控制器2029或发送至帧缓冲器2028进行存储。原始数据通常是指可识别一图像内每一位置处的图像特性的信息。例如，所述图像特性可包括颜色、饱和度及灰度级。
在一实施例中，处理器2021包括一微控制器、CPU、或用于控制实例性显示装置2040的运行的逻辑单元。调节硬件2052通常包括用于向扬声器2045发送信号及用于自麦克风2046接收信号的放大器及滤波器。调节硬件2052可为实例性显示装置2040内的离散组件，或者可并入处理器2021或其他组件内。
驱动控制器2029直接自处理器2021或自帧缓冲器2028接收由处理器2021产生的原始图像数据，并适当地将所述原始图像数据重新格式化以便高速传输至阵列驱动器2022。具体而言，驱动控制器2029将原始图像数据重新格式化成一具有光栅类格式的数据流，以使其具有一适合于扫描显示阵列2030的时间次序。然后，驱动控制器2029将格式化后的信息发送至阵列驱动器2022。尽管驱动控制器2029(例如LCD控制器)通常是作为一独立的集成电路(IC)而与系统处理器2021相关联，然而这些控制器也可按许多种方式进行构建。其可作为硬件嵌入于处理器2021中、作为软件嵌入于处理器2021中、或以硬件形式与阵列驱动器2022完全集成在一起。
通常，阵列驱动器2022自驱动控制器2029接收格式化后的信息并将视频数据重新格式化成一组平行的波形，该组平行的波形每秒许多次地施加至来自显示器的x-y像素矩阵的数百条、有时数千条引线。
在一实施例中，驱动控制器2029、阵列驱动器2022、及显示阵列2030适用于本文所述的任一类型的显示器。举例而言，在一实施例中，驱动控制器2029是一传统的显示控制器或一双稳显示控制器(例如一干涉式调制器控制器)。在另一实施例中，阵列驱动器2022是一传统驱动器或一双稳显示驱动器(例如一干涉式调制器显示器)。在一实施例中，一驱动控制器2029与阵列驱动器2022集成在一起。这种实施例在例如蜂窝式电话、手表及其他小面积显示器等高度集成的系统中很常见。在又一实施例中，显示阵列2030是一典型的显示阵列或一双稳显示阵列(例如一包含一干涉式调制器阵列的显示器)。
输入装置2048使得用户能够控制实例性显示装置2040的运行。在一实施例中，输入装置2048包括一小键盘(例如，QWERTY键盘或电话小键盘)、一按钮、一开关、一触敏屏幕、一压敏或热敏薄膜。在一实施例中，麦克风2046是实例性显示装置2040的输入装置。当使用麦克风2046向该装置输入数据时，可由用户提供语音命令来控制实例性显示装置2040的运行。
电源2050可包含许多种能量存储装置，此在所属技术领域众所周知。例如，在一实施例中，电源2050为一可再充电的蓄电池，例如镍-镉蓄电池或锂离子蓄电池。在另一实施例中，电源2050是一可再生能源、电容器或太阳能电池，包括塑料太阳能电池及太阳能电池涂料。在另一实施例中，电源2050配置成自墙上插座接收电力。
在某些实施方案中，控制可编程性如上文所述驻存于一驱动控制器中，该驱动控制器可位于电子显示系统中的数个位置上。在某些情形中，控制可编程性驻存于阵列驱动器2022中。所属技术领域的技术人员将知，可以任意数量的硬件及/或软件组件及以不同的配置中实施上述优化。
鉴于以上所述，人们将了解，本发明的实施例通过为一干涉式调制器显示器提供一可降低在观察角或光线角改变时所显现的色移的光学元件而克服了所属技术领域的许多问题。另外，通过使用几个附加的光刻步骤，即可以成本有效的方式将这种光学元件包含在显示器中。
尽管上文详细说明是显示、说明及指出本发明的适用于各种实施例的新颖特征，然而应了解，所属技术领域的技术人员可在形式及细节上对所示装置或工艺作出各种省略、替代及改变，此并不背离本发明的精神。应知道，由于某些特征可与其他特征相独立地使用或付诸实践，因而可在一并不提供本文所述的所有特征及优点的形式内实施本发明。

Claims (72)

1.一种用于显示一图像的显示系统，所述显示系统包括：
一反射显示，其包括复数个干涉式调制器，所述复数个干涉式调制器经配置以调制入射于其一表面上的光；
一会聚光学元件，其相对于所述复数个干涉式调制器中的至少一个干涉式调制器的一表面定位成使所述光学元件的一焦距大于所述光学元件与所述表面之间的距离；
所述光学元件具有一透镜孔径，其大于所述复数个干涉式调制器中的两者的总孔径；
所述光学元件配置成限制所述图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移；以及
其中所述色移产生于来自与所述图像相关联的所述干涉式调制器中的至少一些干涉式调制器的光在所述不同观看位置处的反射。
2.如权利要求1所述的显示系统，其中所述光学元件包含一具有一凸起表面的透镜。
3.如权利要求1所述的显示系统，其中所述光学元件包含一衍射光学元件。
4.如权利要求1所述的显示系统，其中所述光学元件具有一孔径，其大于所述复数个干涉式调制器的总孔径。
5.如权利要求3所述的显示系统，其中所述光学元件包括一个二元光学元件。
6.如权利要求3所述的显示系统，其中所述光学元件包括一漫射体。
7.如权利要求1所述的显示系统，其中所述光学元件包括一双凸透镜。
8.如权利要求3所述的显示系统，其中所述光学元件配置成使所述经调制的光沿所述显示系统的一第一轴线的分布不同于沿所述显示系统的一第二轴线的分布，其中所述第一轴线为一水平轴线，且所述第二轴线为一垂直轴线。
9.如权利要求3所述的显示系统，其进一步包括：
一光源，其中所述光学元件配置成补偿所述光源的至少一种光学性质。
10.如权利要求1所述的显示系统，其进一步包括：
一衬底，其支撑所述复数个干涉式调制器并支撑所述光学元件。
11.如权利要求10所述的显示系统，其中所述衬底位于所述光学元件与所述复数个调制器之间。
12.如权利要求10所述的显示系统，其中所述光学元件位于所述复数个干涉式调制器与所述衬底之间。
13.如权利要求10所述的显示系统，其中所述复数个干涉式调制器位于所述光学元件与所述衬底之间。
14.如权利要求1所述的显示系统，其中所述复数个干涉式调制器配置成输出彩色光。
15.如权利要求1所述的显示系统，其中所述显示系统具有一大于30英寸的对角线尺寸。
16.一种制作一显示系统的方法，所述方法包括：
形成一反射显示，其包括在一第一衬底上的复数个干涉式调制器；及
在一第二衬底上形成一会聚光学元件，所述光学元件相对于所述复数个干涉式调制器中的至少一个干涉式调制器的至少一表面定位成使所述光学元件的焦距大于所述光学元件与所述至少一个表面之间的距离；
所述光学元件具有一透镜孔径，其大于所述复数个干涉式调制器中的两者的总孔径；
所述光学元件配置成限制所述图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移；以及
其中所述色移产生于来自与所述图像相关联的所述干涉式调制器中的至少一些干涉式调制器的光在所述不同观看位置处的反射。
17.如权利要求16所述的方法，其中形成所述至少一个光学元件包括在所述衬底上沉积至少一层材料。
18.如权利要求17所述的方法，其中形成所述至少一个光学元件进一步包括将所述至少一层材料图案化。
19.如权利要求16所述的方法，其中形成所述至少一个光学元件包括形成一衍射光学元件。
20.如权利要求19所述的方法，其中形成所述衍射光学元件包括在所述衬底上形成一个二元光学元件。
21.如权利要求19所述的方法，其中形成所述衍射光学元件包括将一材料图案化以形成复数个衍射器件。
22.如权利要求16所述的方法，其中所述第一衬底包含所述第二衬底。
23.如权利要求16所述的方法，其中所述光学元件及所述复数个调制器形成为使所述第一衬底位于其间。
24.如权利要求16所述的方法，其中所述光学元件形成为位于所述复数个干涉式调制器与所述第一衬底之间。
25.如权利要求16所述的方法，其中所述复数个干涉式调制器形成为位于所述光学元件与所述第一衬底之间。
26.如权利要求16所述的方法，其中形成所述光学元件包括形成一双凸透镜。
27.如权利要求19所述的方法，其中形成所述光学元件包括将所述光学元件配置成使所述经调制的光沿所述显示系统的一第一轴线的分布不同于沿所述显示系统的一第二轴线的分布。
28.如权利要求19所述的方法，其进一步包括：
布置一光源以照射所述光学元件；及
将所述光学元件配置成补偿所述光源的至少一种光学性质。
29.如权利要求16所述的方法，其中所述复数个干涉式调制器配置成输出彩色光。
30.如权利要求16所述的方法，其中所述显示系统具有一大于30英寸的对角线尺寸。
31.一种通过权利要求16至30中任一权利要求所述的方法制造的显示系统。
32.一种制造一用于显示一图像的显示系统的方法，所述方法包括：
在一第一衬底上形成复数个干涉式调制器；及
在一第二衬底上形成一会聚性衍射光学元件，所述光学元件定位成将入射于所述复数个干涉式调制器中的至少一个干涉式调制器的至少一个表面上的光重定向，其中所述光学元件配置成限制所述图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移。
33.如权利要求32所述的方法，其中形成所述光学元件包括在所述衬底上沉积至少一层材料。
34.如权利要求33所述的方法，其中形成所述光学元件进一步包括将所述至少一层材料图案化。
35.如权利要求32所述的方法，其中形成所述光学元件包括在所述第二衬底上形成一个二元光学元件。
36.如权利要求32所述的方法，其中形成所述光学元件包括将一材料图案化以形成复数个衍射器件。
37.如权利要求32所述的方法，其中所述第一衬底包含所述第二衬底。
38.如权利要求32所述的方法，其中所述光学元件及所述复数个调制器形成为使所述第一衬底位于其间。
39.如权利要求32所述的方法，其中所述光学元件形成为位于所述复数个干涉式调制器与所述第一衬底之间。
40.如权利要求32所述的方法，其中所述复数个干涉式调制器形成为位于所述光学元件与所述第一衬底之间。
41.如权利要求32所述的方法，其中形成所述光学元件包括形成一双凸透镜。
42.如权利要求32所述的方法，其中所述光学元件配置成使所述经调制的光沿所述显示系统的一第一轴线的分布不同于沿所述显示系统的一第二轴线的分布。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述第一轴线为一水平轴线，且所述第二轴线为一垂直轴线。
44.如权利要求32所述的方法，其进一步包括：
布置一光源以照射所述光学元件；及
进一步将所述光学元件配置成补偿所述光源的至少一种光学性质。
45.一种通过权利要求32至44中任一权利要求所述的方法制造的显示系统。
46.一种用于显示一图像的显示系统，所述显示系统包括：
复数个干涉式调制器，其配置成调制入射于其上的光；及
一会聚性衍射光学元件，其配置成将入射于所述复数个干涉式调制器中的至少一个干涉式调制器上的光重定向，其中所述光学元件配置成限制所述图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移。
47.如权利要求46所述的显示系统，其中所述光学元件包括一正焦度光学元件。
48.如权利要求46所述的显示系统，其中所述光学元件包括一个二元光学元件。
49.如权利要求46所述的显示系统，其中所述光学元件包括一漫射体。
50.如权利要求46所述的显示系统，其进一步包括：
一衬底，其支撑所述复数个干涉式调制器并支撑所述光学元件。
51.如权利要求50所述的显示系统，其中所述衬底位于所述光学元件与所述复数个调制器之间。
52.如权利要求50所述的显示系统，其中所述衍射光学元件位于所述复数个干涉式调制器与所述衬底之间。
53.如权利要求50所述的显示系统，其中所述复数个干涉式调制器位于所述光学元件与所述衬底之间。
54.如权利要求50所述的显示系统，其中所述光学元件配置成使所述经调制的光沿所述显示系统的一第一轴线的分布不同于沿所述显示系统的一第二轴线的分布。
55.如权利要求54所述的显示系统，其中所述第一轴线为一水平轴线，且所述第二轴线为一垂直轴线。
56.如权利要求46所述的显示系统，其进一步包括：
一光源，其中所述光学元件配置成补偿所述光源的至少一种光学性质。
57.一种用于显示一图像的显示系统，所述显示系统包括：
用于反射显示一图像的构件，所述构件包括：用于以干涉方式调制入射于其上的光的调制构件；及
用于选择光的构件，所述构件以一比不用所述光的选择构件的情况下更靠近垂直于所述调制构件的角度来选择周围的光，以限制所述经反射的图像的至少一部分在不同观看位置之间的色移。
58.如权利要求57所述的显示系统，其中所述反射显示构件包括一反射显示且所述调制构件包括一个或一个以上反射干涉式调制器。
59.如权利要求57所述的显示系统，其进一步包括用于使所述经调制的光沿所述显示系统的一第一轴线的分布不同于沿所述显示系统的一第二轴线的分布的构件。
60.如权利要求57所述的显示系统，其中所述用于选择光的构件包括一正焦度光学元件。
61.如权利要求57所述的显示系统，其进一步包括照射构件，其中所述用于选择光的构件还包括用于补偿所述照射构件的至少一种光学性质的影响的构件。
62.如权利要求57所述的显示系统，其中所述光选择构件包括用于使光衍射以将入射于所述用于以干涉方式调制光的构件上的光重定向的构件。
63.如权利要求62所述的显示系统，其中所述调制构件包括一个或一个以上干涉式调制器。
64.如权利要求62所述的显示系统，其中所述衍射构件包括一衍射光学元件。
65.如权利要求62所述的显示系统，其进一步包括用于使所述经调制的光以与沿所述显示系统的一第二轴线不同的方式沿所述显示系统的一第一轴线分布的构件。
66.如权利要求62所述的显示系统，其进一步包括用于照明的构件，其中所述衍射包括用于对所述用于照明的构件的至少一种光学性质的影响进行补偿的构件。
67.如权利要求1、46和57中任一权利要求所述的显示系统，其进一步包括：
一与所述复数个干涉式调制器电相通的处理器，所述处理器配置成处理图像数据；及
一与所述处理器电相通的存储装置。
68.如权利要求67所述的显示系统，其进一步包括：
一驱动电路，其配置成向所述复数个干涉式调制器发送至少一信号。
69.如权利要求68所述的显示系统，其进一步包括：
一控制器，其配置成将所述图像数据的至少一部分发送至所述驱动电路。
70.如权利要求69所述的显示系统，其进一步包括：
一图像源模块，其配置成向所述处理器发送所述图像数据。
71.如权利要求70所述的显示系统，其中所述图像源模块包括一接收器、收发器、及发射器中的至少一者。
72.如权利要求67所述的显示系统，其进一步包括：
一输入装置，其配置成接收输入数据并将所述输入数据传送至所述处理器。
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