多功能便携式电子收发信机 本发明涉及一般的便携式电子收发信机，尤其涉及一种能通过多种接口来接收并发射通信数据的多功能便携式电子收发信机。
诸如蜂窝无线电话、寻呼机之类的便携式电子收发信机正变得越来越普遍。在某些场合，可能用新的设备来发送完整的包括字母数字和/或图形的信息。因此，这些信息可通过寻呼机之类装置由接收者接收，接收者可能要回送一个响应。在这些场合中会要求用一个特定的电子发射装置。在别的场合中可能需要与其它装置共享所接收到的信息，并/或简单地接收并/或发射通信数据给附加的电子设备。问题在于承载各种通信收发信机和电子装置时有困难同时又不便，这些收发信机以及装置如电话和/或双向无线电，还有寻呼机、电视机遥控器和其它装置。
在许多场合需要在通信收发信机上提供一可视显示，以向用户提供可视消息或图形图像。问题在于先前技术的图像接收机上的可视显示大小受到严格限制，要求的电源功率相对较高，同时显示占用了很大的地方，并且在大多数场合是显示给设备操作人员看的。另外，如前所述，目前希望传输给设备的图像不仅仅只能给设备使用人员看到。在本例中，需要有多少人能看到就能有多少人看到该显示器。
在以前的技术中，通常利用液晶显示、直接可视发光二极管等等来实现可视显示。这种显示大而笨重，使收发信机的尺寸大为增加，并且要求相对较大的功率。还有，那些用在便携式电子设备如寻呼机、蜂窝电话或类似设备上的直观显示器大大限制了能接收到的信息量。
在某个场合中，先前技术包括利用一扫描镜去产生一可视显示，同样，这也要求较高的功率，同时十分复杂，对振动又敏感。另外，扫描镜导致部件内震动，使显示不舒服，可读性变差。
因此，如果有一种便携式收发信机装置，它能接收通信和/或数据，可通过诸如微型虚拟显示器实现可视化，并且能通过一如红外数据接口的数据接口端口和/或可见激光投射显示器来接收和/发射数据，那它将是很有利的。
本发明的目的就是提供一种新地、经过改进的便携式通信收发信机，它包括一微型可视显示，如微型虚拟图像显示器；以及一激光投影显示器或自由空间数据传输链路。
本发明的另一目的是提供一种新的、经过改进的便携式通信收发信机，带有微型直观显示器和数据传输链路和/或激光投影图像显示器，它从根本上减小了所有部件需要的功率。
本发明的另一个目的是提供一种新的、经改进的便携式通信收发信机，它带有微型直观显示器和投影图像显示器和/或数据传输链路，它包括一单个半导体芯片，上有一双向光源和/或图像源，包括表面LEDs和表面发射激光器，如垂直腔表面发射激光器(VCSELs)。
在便携式电子收发信机中解决了上述的以及其它的问题，并实现了上述目的以及其它目的，而且它提供一微型可视显示器，如微型虚像显示器，以及一独立数据传输链路和/或投影图像显示器。微型虚像显示器利用发光设备阵列作为图像源或光源。数据传输链路和/或投影图像显示器利用至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)作为光源，并能通过一可视投影显示器或诸如自由空间数据通信链路的数据链路来发射数据。本发明的光源装置由一单个发光半导体芯片组成，此芯片由发光设备(LEDs)、一单个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或大量垂直腔表面发射激光器(VCSELs)来发光。
本发明的新特征将在权利要求书中列出。然而发明本身与它其它特征以及优点一样，和附图一起结合着看时，会对接下去的具体描述有最好的理解，其中：
图1是本发明的多功能收发装置的电视遥控/寻呼机实施例的等大小视图；
图2是本发明的多功能收发装置的蜂窝电话实施例的顶视图；
图3是本发明的多功能收发装置的蜂窝电话实施例的侧视图；
图4是本发明的多功能收发装置的寻呼机实施例的等大小视图；
图5是沿图1的线5-5的简化截面图；
图6是沿图2的线6-6的简化截面图；
图7到图10图示了半导体芯片不同部分的平面图，其上至少有一LEDs阵列以及至少一个VCSEL；以及，
图11是与本发明对应的双向光源构成的简化图。
在本描述中，相同的数字用于标识本发明例示的不同图形中的相同单元。在此所讨论的是一便携式电子收发信机，它提供一微型可视显示器，如一微型虚像显示器，以及一独立数据接口端口。该便携式电子收发信机可包括任何普通的便携式通信装置，如寻呼机、蜂窝电话或双向通信装置，也包括由便携式电子装置结合而成的装置。现参看附图，图1-4描述的是与本发明对应的便携式电子收发信机的三种实施例的结构图，分别标记为10、10′、10″。参看图1，图示的是电视遥控器形式的便携式电子收发信机10，它已经包括了一数据/通信收发信机(没有画出来)。便携式电子收发信机10包括一便携式机壳12，它根据人体工学设计，适于手持，也就是说机壳12握着舒服，并允许通过丰富的用户界面控制14来操作使用收发信机10。
机壳12包括一数据/通信收发信机(没有画出)，它用于通过一数据/通信输入终端来接收数据/通信，以及通过一数据/通信输出终端来发射数据/通信，输出终端可利用红外光或可见光垂直腔表面发射激光器(VCSELs)和/或其它如无机或有机发光二极管、液晶设备、激光器等等的发光器件。数据/通信收发信机可利用本技术中熟知的射频信号、标准寻呼/蜂窝通信信号，或通过数据接口端口接收红外光信号来接收数据/通信。另外在外壳12上装有一如微型虚像显示器之类的可视显示器16，用诸如字母数字和/或图形信息的图像数据格式，来显示此收发信机10接收到的数据/通信。可视显示器16利用发光阵列(在此讨论)作为光源或图像源。在外壳12上还有一投影图像显示器(没有画出)，它提供一投影图像，通过数据接口端口发射。该投影图像显示器用垂直腔表面发射激光器阵列(VCSELs)当光源或图像源。另外，它提供至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSELs)作为光源，借助红外光或可见光激光器数据传输链路，如自由空间数据传输链路、通过显示器端口、依靠用户接口来传输通信数据。外壳12包含一扬声器18，用于接收传送给便携式电子收发信机10的语音通信。
外壳12上装有包括与电路板、用户界面控制14和用于接收和/或发射数据/通信的数据/通信收发信机相连的电路(没有画出)。该电路板上还有电气连到电路上的光源，这些光源包括：在可视显示器16中提供全部图像的二维发光器件阵列；以及若干通过数据接口端口提供给传输链路或投影图像显示器的垂直腔表面发射激光器(VCSELs)。
现在参看图2和3，图示了便携式电子收发信机10′的另一种实施例的顶视图与侧视图，结合了蜂窝通信能力与数据通信接口。应该注意的是所有与第一种实施例中的相同的部件，将采用与图1所示的相同的数字加一撇，以区分不同的实施例。便携式电子收发信机10′包括一便携式外壳12′，它设计成蜂窝电话的形式，因此可以手提，外壳12′拿着舒服，装置操作使用方便。外壳12′一般是由可折叠的两部分组成，当收发信机10′处于关(OFF)或待机(STANDBY)模式时可以将它折叠起来，一片位于另一片之上便于携带。外壳12′包括大量用于便携式电子收发信机10′控制的用户界面控制14′。用户界面控制14布局是经精心设计的，图示的是该特定实施例的典型设计。
外壳12′包括一数据/通信收发信机(没有画出)，用它通过数据输入终端接收数据/通信，以及，通过数据/通信输出终端，利用红外光或可见光垂直腔表面发射激光器(VCSELs)和/或有机或无机发光二极管、液晶装置、激光器等等发光器件，发射数据/通信。另外，在外壳12′还装有一可视显示器16′，它包括：一装在其内的数据输入终端，用于提供便携式电子收发信机10′接收到的数据/通信的可视图像；以及一包括数据输入终端的投影图像显示器(没有画出)，用于提供收发信机10′接收到的数据/通信的可视图像。另外，外壳12′包括一扬声器18′和一麦克风20，用于从便携式电子收发信机10′接收音频信息数据，以及向它发射音频信息数据。外壳12′内的电路(没有画出)以电子方式与如下部件通信，与该电路通信的包括可视显示器16′、一个电路板(没有画出)、用户界面控制14′、数据/通信收发信机(没有画出)、投影图像显示器(没有画出)以及数据接口端口22′，它利用可见光VCSELs-用在投影图像显示器中，或，可见光或红外光VCSELs-用在向计算机、打印机、电视、传真机或类似设备发送数据时，发射/发送数据。含有这些电路的电路板也在外壳上装有光发生装置并且光发生装置与这些电路电连接，光发生装置包括一双向光源或光发射芯片(在此讨论)，由一个二维发光器件(LEDs)阵列和一组垂直腔表面发射激光器(VCSEL)构成，二维发光器件(LEDs)阵列向可视显示器16提供一完整的图像，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)利用红外光或可见光VCSELs馈送给数据链路或利用可见光VCSELs馈送给投影显示器。
现在参看图4，它图示了便携式电子收发信机10″的另一种可选实施例，结合了寻呼通信能力。应该注意的是所有与图1和图2所显示的相同的部件，将采用与图1、2所示的相同的数字，以加两撇区分不同的实施例。便携式电子收发信机10″包括一便携式外壳12″，它设计成普通寻呼装置的形式，说明可以手提，外壳12″拿着舒服，装置操作使用方便。外壳12″包括若干控制便携式电子收发信机10″的用户界面控制14″。用户界面控制14″布置是精心设计的，所图示的是便携式电子收发信机10″的本特定实施例的典型设计。显示表明界面控制14″，特别是可视显示器16″的聚焦控制可以是机械操作，也可以是电子操作的。
外壳12″有一包含数据输入终端的可视显示器16″装在其内，还有一投影显示器(没有画出)用于提供便携式电子收发信机10″所接收到的数据的虚像和/或投影可视图像。另外，外壳12′包括一扬声器18″用于接收传送给便携式电子收发信机10″的音频信息数据。外壳12″内的电子部分(没有画出)以电子方式与如下部件通信，与之通信的包括一个电路板(没有画出)、用户界面控制14″、数据/通信收发信机(没有画出)以及用于发射数据的数据接口端口22″。包括这些电子部分的电路板装在外壳上并接到光源上，光源包括一个二维发光器件阵列，以及至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，连接二维发光器件阵列是为可视显示器16″提供完整图像，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)馈送给红外光或可见光激光器数据传输链路或投影图像显示器。
应当理解，本发明的便携式电子收发信机的不同实施例10、10、10可以包含任何接收和/或发射能力与/或设备配置的组合，并且这不意味着仅有上面讨论的这些特定实施例。一般地，在所有实施例中，电子部分包括能和光源(在此讨论)一起工作的中央处理单元(CPU)和存储器(RAM或ROM)、可视显示器16、投影显示器、数据传输链路以及数据接口端口22。
现参看图5和6，显示的是简化截面图，图5是沿图1的线5-5画的，图6是沿图2的6-6线画的，图示的是本发明的光源与电视遥控/寻呼机实施例时的便携式电子收发信机10以及蜂窝电话实施例时的便携式电子收发信机10′的结构之间的联系。更明确地说，图5所示的是与前面的描述对应的便携式电子收发信机10的简化截面图。便携式电子收发信机10装在外壳12内部装有：可视显示器16、投影图像显示器17、电子部分39以及通常作为光源的光发生装置24、大量光学单元以及驱动电路。本发明装置的光发生装置24内的光源由一半导体芯片以及至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)组成，半导体芯片上有一发光器件(LEDs)阵列。应当理解的是，用于可视显示器16的发光器件(LEDs)包括大量不同类型的发光器件，有：液晶显示器(LCDs)、有机和无机发光二极管(LEDs)以及垂直腔表面发射激光器(VCSELs)等等，但在本发明的描述过程中，为简单起见，将一概使用发光器件这一术语。
根据VCSEL(s)光源的构造以及所发的光的波长，收发信机10可以在双模式下运作。更准确地说，第一种运作模式是利用由一可见光VCSELs全阵列或一减量的进行扫描产生一显示的 可见光VCSELs产生的投影显示，第二种运作模式是被利用来产生至少一个红外光或可见光VCSEL产生的数据传输链路。
如图5和6所示的光发生装置24由两分离的发射区组成，更明确地说是第一LED区28和第二VCSEL区26。装置24的半导体芯片的LED区28在其上形成一LEDs阵列。装置24的半导体芯片的VCSEL区26在其上形成一可见光VCSELs阵列，根据运作模式，用于产生一投影显示，并/或至少有一个VCSEL用于形成一数据传输链路。应该理解，尽管所示的VCSEL区26和LED区28是分开的，也可选择如下阵列设计：两个区26和28联系更紧密，也就是LED区28和VCSEL区26做在半导体芯片的两相对表面上(在此讨论)。
在运作过程中，由半导体芯片的LED区28中的LEDs阵列所发的光，通过一光放大系统，生成一完整的图像，由观察者的眼34观察，其中光放大系统在此图示中由光学元件30组成。更明确地说，光学元件30包括一光入口37和一光出口38，它引导光从光入口37到光出口38。光学元件30至少包括一用于偏差校正的非球表面(没有画出)，并定义了一条从光入口37到光出口38的、总平均光程大约在25到35毫米范围之内的光通道。在光通道中至少有一个光学衍射元件(没有画出)以进一步校正偏差。这些光学元件30放大第一个光学元件的光输入口37处的图像。在数据传输模式运作过程期间，由VCSEL区26发射的红外光或可见光由反射光学模块或元件32反射。如前所述，红外光或可见光由装置24的VCSEL区26发射，被反射以通过数据接口端口22发射。当需要生成一投影图像时，VCSEL区26发射的可见光VCSELs产生的光由投影图像显示器17反射并放大，投影图像显示器17一般包括一反射光学元件32，以及需要时还包括一外加光学元件31，籍此引导光穿过数据接口端口22，从而生成投影图像。投影图像显示器17包括一数据输入终端(没有画出)用于接收其上的图像数据。如上所述，可能会提供一组光学元件31，该光学元件31包括光输入口35和光输出口36，光输出口36与光输入口35成一定角度，有一个反射表面与反射光学元件32的类似，置此表面在光输入口35与光输出口36之间，引导光从光输入口35传输到光输出口36。这些光学元件至少包括一个非球面表面用于偏差校正。这些光学元件31形成了一条从光输入口35到光输出口36的光学通道。在此光通道中至少还会有一衍射光学元件(没有画出)以进一步校正偏差。
现在参看图6，它是沿图2的线6-6的简化截面图，图示了光源与蜂窝电话实施例时的便携式电子收发信机10′的结构的之间的关系。图6所示的据前面描述的便携式电子收发信机10′。便携式电子收发信机10′在外壳12′中有与上面描述的装置24′相似的光发生装置24′以及电子部分39′。类似地，本发明装置的光发生装置24′中的光源由一半导体芯片(没有画出)组成，半导体芯片上有发光器件(LEDs)阵列和至少一个VCSEL。应当理解的是，可见光VCSELs用于生成投影图像、可见光VCSELs全阵列或生成投影图像时需扫描的减量的可见光VCSELs都是在半导体芯片上形成的。
光发生装置24或图像生成装置包括发光器件阵列和至少一个VCSEL，它通常由一VCSEL区26′和一LED区28′组成，如前面对图6的描述。
如图5和6所示中，VCSEL区26和发光器件区28是在一衬底的一个表面上紧挨在一起，因此制造成本最小。可以理解，VCSEL区26和发光器件区28可做在衬底的一侧或一个表面上，就象上面例示的那样，也可以选择做在单个衬底相对的两个表面或两侧上(在此讨论)。在装置24的制造过程中，一般，半导体芯片做在玻璃衬底的下表面上，并且驱动电路板与此衬底粘接在一起。有关驱动电路板以及与它粘接的衬底的更多信息请参考专利号为5,432,358的美国专利“集成电光封装”，由同一受让人于1995年7月11日发行，在此它作为参考文献。在本发明的收发信机运作过程中，每个发光器件在大约1.8伏特时启动ON，此时电流大约是50微安；而每个VCSEL大约在1.5-2.5伏特时启动，此时电流大约与2-5毫安。
如上所述，可视显示器16′还包括一光放大器，它一般由光学元件30′构成，限定了一条从装置24′的LED区28′到可视显示器16′的观察孔33′的光通道，通过观察孔33′可由观察者用眼34′观察所生成的图像。这些光学元件30′用于放大在第一光学元件30′的光输入口处的、由装置24′的LED区28′产生的图像。因为光学通道的长度与装置24′的大小，光学范围的水平视场在放大11倍时大约为11度，在放大为20倍时大约为22度，而本实施例则是放大15倍，水平视场大约为16度。还有：一投影图像显示器17-它通常由一反射光学32′元件构成，以及，与VCSEL区26′在同一光路上的依据收发信机10′的运作模式附加的光学元件(没有画出)；它们用于接收并反射由VCSEL(s)产生的光，以及通过数据接口端口22′将其投射出观察通道。应当理解的是，当在数据传输模式下运作时，至少要有一个LED或VCSEL能充当自由空间的光通信源，用于数据传输链路应用，然而已经发现使用VCSELs比LEDs更快，也就是说效率更高。应当理解的是，在投影显示模式下运作时使用一VCSELs全阵列或一较小的VCSELs阵列加上一扫描仪，根据激光器的效率，因此可能需要比LED阵列要求更大的电源/电池作电源。
如前所述，装配装置24的半导体芯片是用于从其上的LEDs阵列和至少一个VCSEL来发射光。现参看图7-10，所示的是一些与本发明对应的半导体芯片阵列设计方案。更明确地说，图7-10每个所示的是半导体芯片的一部分40、40′、40″和40，其上分别有装置24的发光源。再更明确地说，图7所示的半导体芯片的一部分40，它的一个主表面41上做有大量的LEDs 42以及大量VCSELs 43。图示了两种型式，第一种，这些LEDs是相互挨着的，并且多个VCSELs也是相互挨着的，与前面在图5和6中描述的LED区28和VCSEL区26基本相似。做为选择，图示的另一种是LEDs42与VCSELs43排列在一起，但仍然是相互挨着的。
现参看图8，所示的是半导体芯片的一部分40′，其主表面41′上是多个LEDs 42′围着单个VCSEL 43′。做为选择，根据本发明收发信机10的运作模式，部分半导体芯片40′的主表面41上也可以是多个VCSELs 43′围着单个LED 42′。
现参看图9，所示的是半导体芯片的一部分40″其主表面41″上，多个LEDs 42″围着单个VCSEL 43″。类似的图示在图10中，半导体的一部分40的主表面41上，单个VCSEL 43′的两种变型被LEDs 42单个环或LEDs 42双环包围着。应当理解的是，所示的阵列设计方案要与本发明的收发信机10的设计与使用企图相一致。
如前所述，利用标准外延层生长技术，可将LEDs 42阵列与至少一个VCSEL43装配在单个衬底的相同的主表面上或相对的主表面上。现参看图11，所示的是部分显示装置50的构造，图示的是单个衬底53的相对的表面或两侧的标准可见光LED 51构造(与前面所述的LED 42类似)以及VCSEL 52构造(与前面所述的VCSEL 42类似)所使用的各层材料。利用不同构造的多择层的标准外延层沉积，加上为大家熟悉的技术如MBE、MOCVD或类似技术，来形成本发明的LEDs 51和VCSELs 52。这些技术可使许多材料沉积的层相对薄或厚，这些材料诸如砷化镓(GaAs)、砷镓铝(AlGaAs)、砷化铝(AlAs)、磷化铟(InP)、磷镓铟铝(InAlGaP)以及类似的材料。在生成从衬底的相对两侧或两边发光的光源的过程中，关键是保护晶片的下边上的外延结构免于刻痕及不必要的腐蚀。建议使用厚层砷化镓(GaAs)进行典型的刻痕与标记。LED阵列是利用标准的植入技术、腐蚀技术或两者的结合使用。有关LEDs阵列的构造的进一步详细的说明参看专利号为5,453,386的美国专利“植入式LED阵列构造方法”，1995年9月26日发行，以及专利号为5,449,926的美国专利“与半导体互连的高密度LED阵列”，1995年9月12日发行，两者均由同一人指定，在此皆作为参考文献。有关垂直腔表面发射激光器(VCSELs)的构造的进一步详细的说明参看专利号为5,258,316的美国专利“光栅镜垂直腔表面发射激光器”，1993年11月2日发行，以及专利号为5,293,392的美国专利“腐蚀停止层顶发射VCSEL”，1994年3月8日发行，两者均由同一人指定，在此皆作为参考文献。
因此，所描述的收发信机装置带有一可视显示器如由大量发光器件产生的微型虚像显示器、由大量VCSELs产生的投影显示器和/或由至少一个红外或可见光VCSEL产生的数据传输链路。光源做成单个半导体芯片，其上有大量的发光器件以及至少一个VCSEL。描述了半导体芯片的单个表面上装配LEDs和至少一个VCSEL时大量不同的阵列型式。还进一步描述了利用双边外延层生长，在半导体衬底相对的表面上装配LEDs阵列和至少一个VCSEL时其它的可选型式，从而可从相对的方向发光。
尽管在此描述了本发明的实施例例，对于本技术熟练人员来说可对它作进一步的优化与提高。因此希望您能理解，本发明不仅仅局限于我们所描述的特定型式，在所附的权利要求书中，我们将尽量覆盖所有的修正型式而不脱离本发明的本质与范围。