CN1226331A - 采用电压式光闸的大面积光导纤维显示器 - Google Patents

Abstract

压电式光闸(24)被配置成一个梳状件(26)并构成一个心部。该梳状件具有至少一个构成光闸的齿,孔具有凸部,通过压电效应可使光闸位移。装置的不平常之处在于,它包括至少一个配置在支承件上的双晶片(14),该双晶片利用压电效应可相对于支承件上升。

Description

采用压电式光闸的大面积光导纤维显示器

发明领域

本发明涉及利用光闸来切换光导纤维端部的光，具体涉及应用压电双晶片作显示屏上的光闸。

发明背景

大面积的显示器例如运动场所用的生动的记分牌等在这种技术中已是众所周知的。这种显示器一般称作为次级发射显示器，其中光从作为阴级射线管(CRT)和电视型屏幕射出。用这种显示器产生的问题是从显示屏幕发出的萤光强度受到限制，因此在环境照明强的情况下，显示器的反射度低，看起来吃力。

应用双晶片光调制器至少在理论上可看作为可以克服上述一些应用常规大面积显示器所产生问题的方法。在例如美国专利N0.4844577和5052777中已公开这种系统，这两个专利在发布时已转让给加拿大Burnaby市的Sportsoft Systems公司。这些系统的优点是，应用双晶片的显示器在每个像素区域的光强度不受任何次级发射型物质例如萤光物质的物理性质的限制。另外，这种显示器可以作得很大，因为光源发出的光可以利用光通道例如光学光导纤维引导到数目很大的像素，而且无需偏转电子束以光栅式扫描整个屏幕。

在Sportsoft专利所用的方法及其它类似方法所具有的问题是，这种双晶片系统的组装是极端复杂的和费工的，结果是系统很难于在市场上竞争。因此需要改进的双晶片系统，使这种系统比先有技术系统更简单，并有助于适应自动制造方法。

发明概要

本发明涉及以梳状模式设置的压电式光闸，具有一个中央结构，该中央结构装有至少一个构成光闸的齿，该中央结构可以升高，因此可利压电效应使光闸位移。这种解决途径对于减小劳力成本和提高大量生产的能力是很有效的。

已知的现代工艺的对应方法有很严重的缺点。本发明试图克服这些缺点。

由此本发明建议了至少一个双晶片，该双晶片配置在一个支承件上，并可以利用压电效应使双晶片相对于支承件升高，从而使光闸动作。

在优选实施例中，各个上述双晶片被粘接在上述梳状支承件上。

在有利的实施例中，以点滴方式涂粘接剂，以允许可以施加位移作用力的毛细作用。结果是，特轻的双晶片可以正确对准，因而可以获得准确的定位，使光闸系统更为可靠。

在较有利的实施例中，所选的粘接剂是可聚合的物质。因此当粘接操作后粘接材料发生聚合作用时，发生收缩效应。

在更有利的实施例中，粘接材料对紫外辐射是很灵敏的。因此当辐射照射粘接区域时有利于各个双晶片的粘接固定。

在本发明的具体实施例中，各个双晶片在其一个端部最好沿上述支承件的方向弯折一定角度，虽然，如果需要可以在任一方向都可以弯折。这种结构可以保证用双晶片本身直接关闭。压电效应使双晶片同时上升，因而保证光线的通过，或在另一方面，下降到静止位置，保证切断光线。

在本发明的较具体的实施例中，各个双晶片弯折成直角，因而可以确保方便地切断作用。

在更具体的实施例中，在装置中设置止动件，该止动件限制双晶片的上升行程，从而防止引起误差的振动。

在本发明的优选实施例中，上述止动件被设置成外伸，并从双晶片弯折端向其相对端部凹入，从而可防止上述弯角部分碰到该止动件。以这种方式，在打开和关闭光闸期间可以防止双晶片的角的边缘粘在该止动件上，从而避免干扰光闸的正常操作。

下面结合例示性的附图进行说明，由此可以更好地理解本发明及其附加的特征和优点。

附图的简要说明

图1按本发明原理制作的压电式光闸系统示意图；

图2是用作光纤光闸的压电双晶片的横截面图；

图3是位于光纤/光闸前方的光敏器件记录的波形曲线图；

图4是本发明优选实施例的透视图；

图5是示检图4的实施例的立视图，包括关于光源的其它细节；

图6是按照本发明原理制作的屏幕组件像素配置的示意图；

图7a是固定在安装插件上的一个双晶片的侧视图；

图7b是固定在安装插件上的一个双晶片的平面图；

图8a是按本发明原理制作的双晶片梳状构件的侧视图；

图8b是按本发明原理制作的双晶片梳状构件的平面图；

图9是前视图，示出凸出的止动件，不管是在打开还是关闭位置，该双晶片均与该止动件接触；

图10是本发明双晶片下侧的透视图，示出一个实施例，其中在光闸的后侧涂上红外涂层；

图11是类似于图10的本发明双晶片下侧面的透视图，示出另一个实施例，其中在光闸的后侧采用红外反射膜；

图12是本发明的双晶片的侧视横截面图，示出双晶片处于打开的位置；

图13是类似图12的本发明双晶片的横截面图，示出双晶片处于关闭的位置。

优选实施例的说明

很明显，本发明可以用在大面积光导纤维显示装置中，在这种装置中根据本发明采用了压电式光闸。新的聚合物压电材料的出现已使得有可能开发新的高亮度的光闸。在用于切换光纤端部处的光的情况下，可以构想出大型彩色可视显示装置。

设计用于有效和均匀馈入小光纤束的氙灯的开发使得在现在有可能开发很高亮度的显示装置。下面说明这种系统。

压电材料是周知的。它们是像石英那样的晶体或像PZT那样的陶瓷。压电现象起源于在电介质中存在永久的内部极化。机械张力改变了偶极矩，因而产生外部电场。相反，如果加上外部电场，则偶极矩本身将重新取向，引起机械形变。

最近已开发出压电聚合物。在市场上以片状或卷筒状出售，厚度在9μm和1mm之间，可以用于各种方面(特别是用作光闸)。

现在参考图1，两片具有相反极性的压电聚合物10、12被粘接在一起，形成弯曲元件或双晶片14。

当施加应力，导致外加电压时，其中一层10、12便伸长或扩张，而另一层则收缩，造成组件弯曲或变弯。当从相反的极施加应力时，双晶片沿相反方向弯曲。双晶片的结构将长度的小变化转变成双晶片的端部16的运动。

如果端部16弯折成直角并且将组件放在光纤18之上，如图1所示，则端部将切换分别从阻挡和打开的光纤射出的光线。

已进行关于双晶片弯曲/反弯曲的实验，显示了形成双晶片叠置层的金属的粘接剂的层叠效果，如图2所示。当根据后者求出模型时便可以获得选择长度、粘接剂和金属厚度的标准。

图3是曲线图，该图是放置在按本发明原理构成的光纤/光闸前方的光敏器件的输出端记录的波形。上升和下降时间被示出在3ms的范围内。对于25mm的活动长度和250V的外加电压该端部偏转25mm。还开发了厚度和宽度不恒定的模型。分析公式是很复杂的，采用近似法和符号编程求解。结果表明，采用非恒定的尺寸上升时间或偏转并无改进。

当使用装置时，起始的考虑是，屏幕由许多具有相对较小尺寸(例如180mm×180mm)的组件构成。

各个组件20(图5)的基本元件由板22构成。各个板22本身包括一定数目的例如30根光纤18以及30个双晶片形式的配置成梳形的光闸24、PCB印刷电路片和控制光闸要求的触点。该组件示于图4的放大图中。各个双晶片14安装在刚性的或柔性的安装插件27上(图7a、7b、8a、8b)，以便将许多双晶片组装成梳状组件26。最好用30块板构成如图5所示的组件20，由此形成30根光纤×30根光纤间距为6mm的光纤网络。这些光纤在组件的背面(在光传播方向的上游)被聚集成三个分开的束28，各个板连接于控制印刷电路片。另外，红、绿、蓝分色滤光片30配置在各个相应束的前面。

最好用60W金属卤素放电灯40提供照明(图5)。光线在混合器41中耦合，这样可以保证在各组件上最大和均匀地照亮红、绿、蓝束6。组件20在峰值白光的照度可达到20000尼特(新烛光/m2)的水平。各组件的表面由散光的如图5所示的光学网络保护，因而可以实现要求的反差和视角。光学网络被设计为还保证组件20的热绝缘，方法是采用有空气隙的夹层配置。

在组装时，组件之间的间隔保留了光纤之间约6mm的间隔，没有看得见的间隙或间距。

在像素50的配置和灰度的产生中，各个像素由9根光纤组成，每种颜色有3根光纤，如图6所示。颜色按对角模式配置，已知人眼对对角结构不太灵敏。连续像素之间的间隔最好约18mm。

因为本发明的双晶片基本上是一种开-闭式装置，所以通过调制脉冲宽度可以产生灰度。如果双晶片的动态特性有限，则采用数字过滤将像循环从PAL制或NTSC制系统转换到每秒40像。一般地讲，在已知设备中只能产生三级灰度。相对于像的更新速度因为双晶片的机械频率响应带宽的限制也产生问题。

由于该装置在一个像素中每种颜色采用不同尺寸的三种光纤，所以如果光纤的截面保持正确的比例以避免多余和使用间隔均匀不变，则可以增加灰度级。在此实施例中应用1∶3的表面比。因此如果每种光纤用三个水平，则每种颜色可产生27个水平。这近似转换成每种颜色5个比特。

在操作中，通过在上下位置之间驱动双晶体片14便可以有选择地打开和关闭(开关)各个光纤18，在上位置时双晶片靠着一个或多个上止动件或凸部60(图9和12)，此时光纤是开的，而在下位置时，双晶片靠着一个或多个下止动件或凸部62(图9和13)，此时光闸24盖住相应光纤18的远端，使光纤关闭，因而制止光射出。在打开和关闭位置双晶片只与凸出止动件接触。

本发明的重要方面示检图12。上凸部60设置在如图12所示延伸的临界区域内，从而可以保证抑制在运动双晶片中的任何寄生振动。

图10和11示出本发明另一个有利的概念，即采用红外涂层70(图10)或是红外反射膜80(图11)，该薄膜用粘合剂等连接在光闸24的背面。该红外涂层或薄膜反射由光源产生的热量，因而可以保护光闸24不因过热而损坏。

应用阀值调制分布多级误差扩散的算法可以得到另一实施例。像速度可以足够高而避免闪烁。临界闪烁频率随亮度或照明度和表面尺寸而增加。另外，当线是对角线时人眼对线的闪烁是不太敏感的。已经应用这种效果，如图6所示，它获得显著的效果。

对于屏幕的构造，组件20被配置成由48个组件组成的子屏幕，然后将子屏幕结合起来便可以形成具有任何尺寸或形状的屏幕。前表面是均匀的，因而在组件之间以及相应的子框架之间没有可见的接缝。

尽管已通过各种具体例子和实施例说明本发明，但应当明白，本发明不限于这些实施例，本发明可以在以下权利要求书的范围内以多种多样方式实施。

Claims (15)

1．一种压电式光闸设置成梳状模式，具有支承结构，并装有至少一个齿，该支承结构被设置成它可以被升高，从而可以通过压电效应使光闸移动，其特征在于，它包括至少一个构成上述光闸的双晶片，该双晶片设置在支承件上，并可以通过压电效应相对于支承件升高。

2．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，上述双晶片包括相互连接的和具有不同特性的两个片。

3．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，上述双晶片粘接在上述梳状支承上。

4．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，各个双晶片在其中一个端部处沿上述支承的方向弯折预定的角度。

5．如权利要求4所述的光闸，其特征在于，各个双晶片基本上弯折成直角。

6．如权利要求5所述的光闸，其特征在于，在上述装置中设置止动件，因此可以限制双晶片的行程而防止振动。

7．如权利要求6所述的光闸，其特征在于，上述止动件配置成外伸并从双晶片的弯折端部向其相对端部后缩，从而防止上述角部分碰到该止动件。

8．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，提供标记，以防双晶片移到它们的范围外面。

9．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，梳状构件包括一个单齿。

10．如权利要求9所述的光闸，其特征在于，梳状构件包括四个齿。

11．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，在临界止动区域范围内形成该止动件。

12．如权利要求11所述的光闸，其特征在于，止动件由最小的凸部构成。

13．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，双晶片支承件是透明的，从而允许穿过上述紫外线以获得即时的粘接。

14．如权利要求1所述的光闸，其特征在于，对双晶片提供另外的涂层，作为粘接的部件或涂层。

15．如权利要求14所述的光闸，其特征在于，该涂层强烈反射红外辐射和可见光。

Images