控制定向背光源的光源的制作方法

控制定向背光源的光源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种成像定向背光源，其包括光源阵列以及控制系统，所述控制系统被布置用于跨所述光源阵列提供光通量的可变分布，所述光通量在所述横向方向上与同所述相应光源相关联的所述宽度成反比缩放。输出光学窗的发光强度分布可被控制以在自动立体显示器的窗平面中提供所需的亮度分布，所述自动立体显示器是在宽角度2D模式、防窥模式和低功率消耗模式中操作的定向显示器。可改善图像质量并且降低功率消耗。
【专利说明】控制定向背光源的光源

【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及空间光调制器的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提 供大面积照明的定向背光源，W便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。

【背景技术】
[0002] 空间多路复用自动立体显示装置通常使视差组件诸如双凸透镜状屏幕或视差屏 障与图像阵列对准，所述图像阵列被布置成空间光调制器例如LCD上的至少第一组像素和 第二组像素。视差组件将来自所述组像素中每组的光导向至各自不同的方向W在显示器前 面提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗中的观察者用来自第一组像素的光 可看到第一图像；并且眼睛置于第二观察窗中的观察者用来自第二组像素的光可看到第二 图像。
[0003] 与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示装置具有降低的空间分辨率，并且 此外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙（例如对于 电极而言）通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此 类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散 焦而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁 可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光 调制器中的电子设备进行寻址。


【发明内容】

[0004] 根据本发明的第一方面，提供了控制定向背光源的光源阵列的方法。定向背光源 可包括具有输入端的波导，并且光源阵列可W设置于在横向方向上跨波导输入端的不同输 入位置处。波导可W具有用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。波导 可被布置用于将来自光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，在第一引导表面的 法线的横向方向中分布的输出方向上进入光学窗，该输出方向可主要取决于输入位置。该 方法可选择性地操作光源W将光导向至对应于输出方向的不同光学窗，并且可控制该光源 W输出光通量在光源阵列上变化的光，该光通量按照宽度成反比缩放，该宽度与横向方向 上相应的光源相关联。
[0005] 在一些实施例中，可修改随视角变化的显示器亮度W实现具有来自波导的朗伯型 特性的背光源，当被在整个光源阵列上具有均匀光通量的光源阵列照明时，该波导显示出 非朗伯型光学输出特性。有利的是，背光源可表现出与纸类似的视觉外观并且对于观察者 而言可是舒适的，因为观察者的每个眼睛均可感知到具有相同感知图像亮度的照明结构。
[0006] 在其他实施例中，背光源的亮度可被布置为针对离轴观察位置的下降速度大于针 对朗伯型特性的下降速度。通过比较，此类背光源可实现与朗伯型输出背光源相比大体更 低的功率消耗。
[0007] 在观察者跟踪的实施例中，对于给定观察位置背光源可实现朗伯型照明外观，同 时强度随观察位置的变化可W非朗伯型方式变化。有利的是，图像可具有高的观察舒适度， 同时与朗伯型显示器相比可降低背光源功率消耗。
[0008] 在另外的实施例中，背光源亮度可被布置为在整个观察窗上变化；可减少自动立 体图像的串扰，同时实现对于移动观察者而言可接受水平的图像闪烁。
[0009] 根据本发明的另一个方面，提供了定向显示设备，其中控制系统被布置用于实施 类似的方法。
[0010] 根据本发明的另一个方面，提供了控制定向背光源的光源阵列的方法。定向背光 源可包括具有输入端的波导，并且光源阵列设置于在横向方向上跨波导输入端的不同输入 位置处。波导还可包括用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，W及面 向输入端的用于使来自光源的输入光穿过波导反射回的反射端。波导可被布置用于将来自 光源的输入光在从反射端反射之后作为输出光导向穿过第一引导表面，在第一引导表面的 法线的横向方向中分布的输出方向上进入光学窗，该输出方向可主要取决于输入位置。该 方法可包括向光源提供驱动信号，其选择性地操作光源W将光导向至与输出方向对应的不 同的光学窗，并且感测来自光源的在从反射端反射之后入射在输入端上的光。可响应于感 测的入射在输入端上的光校准驱动信号。
[0011] 由于阵列的相应光源之间的亮度与色度的不均匀性，光源阵列的按比例缩放的光 通量可在空间上变化。本发明的实施例可有利地实现相应光源的通量之间的变化的校准， 使得可提供实现对光源按比例缩放的光通量的控制的光学输出，该光通量对于观察者可W 均匀方式变化。另外，按比例缩放的光通量可随时间变化，例如由于光源的老化效应而变 化。本发明的实施例可实现对光源老化效应的场内校正，从而有利地提供延长的设备使用 寿命和输出的均匀度。少量检测器可用于在校准步骤中监控整个阵列，从而降低成本。
[0012] 可使用传感器元件感测入射在输入端上的光，该传感器元件被布置为在横向方向 上在光源阵列外部的输入端的区域处。在另一个例子中，可使用传感器元件感测入射在输 入端上的光，该传感器元件被布置为在光源阵列两侧上的横向方向上在光源阵列外部的输 入端的区域处。在又一个例子中，可使用未同时工作的阵列的光源感测入射在输入端上的 光。可校准驱动信号的水平，使得光源W在整个光源阵列上具有预定分布的光通量输出光。
[0013] 根据本发明的另一个方面，提供了定向背光源设备，其中控制系统被布置用于实 施类似的方法。
[0014] 本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体显示器。此外，如将描述 的，本发明的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学组件。此类组件可用于定向背 光源，W提供包括自动立体显示器的定向显示器。此外，实施例可提供受控照明器W便得到 高效的自动立体显示器和高效的2D图像显示器。
[0015] 本发明的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影 系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和 /或视听系统W及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可W跟与光学和电气装置、光 学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。 因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备 等，并且可用于多种计算环境。
[0016] 详细进行所公开的实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示 的具体布置的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可W不同的组合和布置来阐述 本发明的各个方面，W限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了 说明的目的，而非限制。
[0017] 定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立L邸光源，来提供对 从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制发射光定向分布可实现安全功能的单人观 察，其中显示器可仅被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中仅在小角度 定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；W 及可实现低成本。
[0018] 本发明的各个方面及其各种特征可W任何组合一起应用。
[0019] 本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，本发明的该些和其他优点及特 征将变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 实施例通过举例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并 且其中：
[0021] 图IA是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播 的正视图；
[0022] 图IB是根据本发明的示意图，其示出了图IA的定向显示装置的一个实施例中的 光传播的侧视图；
[0023] 图2A是根据本发明的示意图，其W定向显示装置的另一个实施例中的光传播的 顶视图示出；
[0024] 图2B是根据本发明的示意图，其W图2A的定向显示装置的正视图示出了光传 播；
[00巧]图2C是根据本发明的示意图，其W图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传 播；
[0026] 图3是根据本发明的示意图，其W定向显示装置的侧视图示出；
[0027] 图4A是根据本发明的示意图，其W正视图示出了定向显示装置中且包括弯曲光 提取结构特征的观察窗的生成；
[0028] 图4B是根据本发明的示意图，其W正视图示出了定向显示装置中且包括弯曲光 提取结构特征的第一观察窗和第二观察窗的生成；
[0029] 图5是根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取结构特征的定向显示装置 中的第一观察窗的生成；
[0030] 图6A是根据本发明的示意图，其示出了时间多路复用定向显示装置中的第一观 察窗的生成的一个实施例；
[0031] 图6B是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装 置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0032] 图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一 观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0033] 图7是根据本发明的示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置；
[0034]图8是根据本发明的示意图，其示出了多观察者定向显示装置；
[00巧]图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0036] 图10是根据本发明的示意图，其W则视图示出了定向显示装置的结构；
[0037] 图11是根据本发明的示意图，其示出了模型定向背光源的正视图；
[0038] 图12是根据本发明的示意图，其示出了模型定向显示装置的侧视图；
[0039] 图13是根据本发明的示意图，其示出了用于观察者跟踪定向显示设备的控制系 统；
[0040] 图14A是根据本发明的示意图，其示出了包括定向背光源的定向显示器的顶视 图；
[0041] 图14B是根据本发明的示意图，其示出了在窗平面中的光学窗发光强度与观察位 置的曲线图；
[0042] 图15A是根据本发明的示意图，其示出了在窗平面中的光学窗发光强度与观察位 置的曲线图W及调整阵列中光源的光通量的方法；
[0043] 图15B是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的光通量分布图W及调整阵列 中光源的光通量的方法；
[0044] 图15C是根据本发明的示意图，其示出了图15B的细节；
[0045] 图1抓是根据本发明的示意图，其示出了光通量分布图W及与光通量分布对准的 定向背光源的正视图；
[0046] 图1祀是根据本发明的示意图，其示出了用于自动立体朗伯型显示系统的光通量 分布图；
[0047] 图15F是根据本发明的示意图，其示出了用于自动立体显示系统的光通量分布 图，该自动立体显示系统具有大于1的增益和轴向观察位置；
[0048] 图15G是根据本发明的示意图，其示出了用于自动立体显示系统的光通量分布 图，该自动立体显示系统具有大于1的增益和离轴观察位置；
[0049] 图15H是根据本发明的示意图，其示出了用于自动立体显示系统的另外的光通量 分布图，该自动立体显示系统具有大于1的增益和离轴观察位置；
[0050] 图16是根据本发明的示意图，其示出了光源寻址设备；
[0051] 图17是根据本发明的示意图，其示出了用于光学窗阵列和相应光学窗的发光强 度图；
[0052] 图18是根据本发明的示意图，其示出了用于波导的光学窗的发光强度与观察位 置的曲线图，包括光源的均匀发光强度；
[0053] 图19A是根据本发明的示意图，其示出了 W第一方向入射到波导的光提取结构特 征的光线的透视图；
[0054] 图19B是根据本发明的示意图，其示出了 W第二方向入射到波导的光提取结构特 征的光线的透视图；
[0055] 图20A是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中光学窗的发光强度与 观察位置的曲线图W及调整阵列中光源的光通量的方法；
[0056] 图20B是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的光通量分布图W及调整波导 的阵列中的光源的光通量的方法；
[0057] 图21A是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中光学窗的发光强度与 观察位置的曲线图W及调整阵列中光源的光通量的方法；
[0058] 图21B是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的光通量分布图W及调整波导 的阵列中的光源的光通量的方法；
[0059] 图22是根据本发明的示意图，其示出了在窗平面中的光学窗的发光强度与观察 位置的曲线图W及调整用于左眼和右眼照明相的阵列中的光源的光通量的方法；
[0060] 图23A是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度 与观察位置的曲线图W及调整用于右眼照明相的阵列中的光源的光通量的方法；
[0061] 图23B是根据本发明的示意图，其示出了用于左眼和右眼照明相的光源阵列的光 通量分布图W及调整用于右眼照明相的波导的阵列中的光源的光通量的方法；
[0062] 图24是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度 与观察位置的曲线图；
[0063] 图25是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度 与观察位置的另外的曲线图；
[0064] 图26A是根据本发明的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度 与观察位置的另外的曲线图；
[0065] 图26B是根据本发明的示意图，其示出了用于补偿光源退化的光源阵列的光通量 分布图；
[0066] 图27A是根据本发明的示意图，其示出了处于横向模式的定向显示设备的正视 图；
[0067] 图27B是根据本发明的示意图，其示出了处于纵向模式的定向显示设备的正视 图；
[0068] 图27C是根据本发明的示意图，其示出了在用于图27B的布置方式的波导的窗平 面中的光学窗的发光强度与观察位置的另外的曲线图；
[0069] 图28是根据本发明的示意图，其示出了用于观察者运动的波导和观察窗的侧视 图；
[0070] 图29是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的光通量分布图W及调整具有 图28的观察者运动的波导的阵列中的光源的光通量的方法；
[0071] 图30是根据本发明的示意图，其示出了在观察者在观察位置之间运动期间观察 窗的布置方式；
[0072] 图31是根据本发明的示意图，其示出了观察窗的布置方式的强度分布；
[0073] 图32是根据本发明的示意图，其示出了观察窗的布置方式的另外的强度分布；
[0074] 图33是根据本发明的示意图，其示出了观察窗的布置方式的另外的强度分布；
[0075] 图34是根据本发明的示意图，其示出了观察窗的布置方式的另外的强度分布；
[0076] 图35是根据本发明的示意图，其示出了由不均匀的窗强度分布引起的不均匀的 显示器照明；
[0077] 图36-41是根据本发明的示意图，其示出了来自光源的不均匀的光通量分布；
[0078] 图42是根据本发明的示意图，其示出了横向取向的2D定向显示器；
[0079] 图43是根据本发明的示意图，其示出了用于图42的显示器的按比例缩放的光通 量与光源位置的曲线图；
[0080] 图44是根据本发明的示意图，其示出了纵向取向的2D定向显示器；
[0081] 图45是根据本发明的示意图，其示出了用于图44的显示器的按比例缩放的光通 量与光源位置的曲线图；
[0082] 图46是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源设备的控制系统和正视图；
[0083] 图47是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源设备的控制系统和正视图；
[0084] 图48是根据本发明的示意图，其示出了驱动用于校准操作模式的光源的设备；
[0085] 图49是根据本发明的示意图，其示出了处于校准操作模式的光源阵列；
[0086] 图50是根据本发明的示意图，其示出了被布置用于实现颜色校正的光源阵列的 正视图；
[0087] 图51是根据本发明的示意图，其示出了被布置用于实现颜色校正的光源阵列的 另外的正视图；
[0088] 图52是根据本发明的示意图，其示出了光学窗色度变化图W及校正色度变化的 方法；
[008引图53是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的正视图拟及
[0090] 图54是根据本发明的示意图，其示出了光源阵列的正视图W及校正光源故障的 方法。

【具体实施方式】
[0091] 时间多路复用自动立体显示器可有利地通过在第一时隙中将来自空间光调制器 所有像素的光引导至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光引导至第二观察窗， 而改善自动立体显示器的空间分辨率。因此眼睛被布置用于接收第一观察窗和第二观察窗 中的光的观察者将经多个时隙看到整个显示器的全分辨率图像。时间多路复用显示器可有 利地通过使用定向光学元件将照明器阵列引导穿过基本上透明的时间多路复用空间光调 制器，而实现定向照明，其中定向光学元件在窗平面中基本上形成照明器阵列的图像。
[0092] 观察窗的均匀度可有利地与空间光调制器中像素的布置方式无关。有利的是，此 类显示器可提供具有低闪烁的观察者跟踪显示器，且对于移动观察者的串扰水平较低。
[0093] 为在窗平面中实现高均匀度，期望的是提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。 例如通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，可提供时序照明 系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言类似的困难。此 夕F，此类装置可具有较低效率和较高成本，需要另外的显示组件。
[0094] 可便利地用宏观照明器例如L邸阵列与通常具有Imm或更大尺寸的均匀化和漫射 光学元件的组合，实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的尺寸增加意味着定向光学元件 的尺寸成比例增加。例如，成像到65mm宽的观察窗的16mm宽的照明器可需要200mm后工 作距离。因此，光学元件的厚度增加可妨碍有效应用于例如移动显示器或大面积显示器。
[0095] 为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利申请No. 13/300, 293所述的光学阀有利 地可与快速切换透射空间光调制器组合布置，W在薄型封装中实现时间多路复用自动立体 照明，同时提供具有无闪烁观察者跟踪和低串扰水平的高分辨率图像。描述了观察位置或 窗的一维阵列，其可在第一（通常水平）方向上显示不同图像，但在第二（通常竖直）方向 上移动时包含相同图像。
[0096] 常规非成像显示器背光源通常采用光学波导并且具有来自光源诸如L邸的边缘 照明。然而，应当理解，此类常规非成像显示器背光源与本发明所讨论的成像定向背光源之 间在功能、设计、结构和操作方面存在许多根本差别。
[0097] -般而言，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置用于将来自多个光源的照明 沿至少一条轴线引导穿过显示面板到达各自的多个光学窗。每个光学窗通过成像定向背光 源的成像系统沿光源的至少一条轴线基本上形成为图像。可形成成像系统W将多个光源成 像为相应的观察窗。该样，来自多个光源每者的光对于处于各自观察窗之外的观察者眼睛 而言基本上不可见。
[0098] 相比之下，常规非成像背光源或光引导板（LG巧用于2D显示器的照明。参见例 女口，Kiilil Krtir"u;iret al., Backli 曲t Unit With Double 如 rface Li 曲t 血ission,J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4,卵.379-387 值ec. 2004) ( Kaiil 惊m;ir等人，双面发光的背 光源单元，《国际信息显示协会杂志》，第12卷，第4期，第379-387页，2004年12月）。非 成像背光源通常被布置用于将来自多个光源的照明引导穿过显示面板进入对于多个光源 每者而言基本上公共的观察区，W实现宽视角和高显示均匀度。因此，非成像背光源不形成 观察窗。该样，来自多个光源每者的光对于处于整个观察区的基本上所有位置的观察者眼 睛而言是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如W便与朗伯型照明相比 增加屏幕增益，该可通过增亮膜诸如得自3M的邸F?提供。然而，此类方向性对于各自光源 每者而言可基本上相同。因此，出于该些原因W及对于普通技术人员应当显而易见的其他 原因，常规非成像背光源不同于成像定向背光源。边缘照明式非成像背光源照明结构可用 于液晶显示系统，诸如2D笔记本电脑、监视器和电视中看到的那些。光从有损耗波导的边 缘传播，所述有损耗波导可包括稀疏结构特征；通常为引导件的表面中的局部压痕，所述局 部压痕引起光损耗而不论光的传播方向如何。
[0099] 如本文所用，光学阀是该样的光学结构，其可W是称为例如光阀、光学阀定向背光 源和阀定向背光源（"V-孤L")的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空 间光调制器（虽然空间光调制器有时在本领域中可一般称为"光阀"）。成像定向背光源的 一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传 播穿过光学阀，可入射到成像反射器上，并且可反向传播，使得光可通过反射离开倾斜的光 提取结构特征而被提取，并导向至观察窗，如专利申请No. 13/300, 293中所述，所述专利申 请全文W引用方式并入本文。
[0100] 如本文所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式波导成像定向背光源、折叠成像 定向背光源、模型定向背光源或光学阀。
[0101] 另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀。阶梯式波导是用于成 像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括第一光引导表面；W及与第一光引 导表面相对的第二光引导表面，还包括散布有被布置为阶梯的多个提取结构特征的多个引 导结构特征。
[0102] 此外，如所用的，折叠成像定向背光源可为模型定向背光源或光学阀中的至少一 者。
[0103] 在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入端传播到反射端并且可在 基本上无损耗的情况下传输。光可在反射端反射并且在与第一方向基本相对的第二方向上 传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取结构特征上，所述光提取结构特征是可 操作W将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且 可允许光在第二方向上传播时被提取。
[0104] 光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。此外，可采用比光学元件后工作距离 更薄的光学元件W将来自宏观照明器的光导向到标称窗平面。此类显示器可使用光提取结 构特征阵列，其被布置用于提取沿基本上平行的波导反向传播的光。
[0105] 用于与LCD-起使用的薄型成像定向背光源实现方式已由如下提出和说明；3M的 例如美国专利No. 7, 528, 893 ;微软公司（Microsoft)的例如美国专利No. 7, 970, 246,其在 本文可称为"模型定向背光源";RealD的例如美国专利申请No. 13/300, 293,其在本文可称 为"光学阀"或"光学阀定向背光源"，所有该些专利全文W引用方式并入本文。
[0106] 本发明提供了阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之 间来回反射，该阶梯式波导可包括第一引导表面W及包括多个光提取结构特征和中间区域 的第二引导表面。当光沿着阶梯式波导的长度传播时，光可不基本上改变相对于第一引导 表面和第二引导表面的入射角，因此在该些内表面处可不达到介质的临界角。可通过光提 取结构特征有利地实现光提取，所述光提取结构特征可为向中间区域（阶梯"踏板"）倾斜 的第二引导表面（"立板"）的小平面。应当注意，光提取结构特征可不为阶梯式波导的光 引导操作的部分，但可被布置用于由该结构提供光提取。相比之下，模型成像定向背光源可 允许光在具有连续内表面的模形轮廓波导内引导。因此，阶梯式波导（光学阀）并非是模 型成像定向背光源。
[0107] 图IA是示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图的示意图，并且 图IB是示出了图IA的定向显示装置中的光传播的侧视图的示意图。
[010引图IA示出了定向显示装置的定向背光源的xy平面中的正视图，并且包括可用于 照明阶梯式波导1的照明器阵列15。照明器阵列15包括照明器元件15a至照明器元件 15n (其中n是大于一的整数）。在一个例子中，图IA的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器 大小的波导1。照明器元件15a至照明器元件15n是可为发光二极管（LED)的光源。虽然 L邸在本文作为照明器元件15a至照明器元件15n讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于 二极管光源、半导体光源、激光源、局域场致发射光源、有机发射体阵列等。此外，图IB示出 了在XZ平面中的侧视图，并且包括如图所示布置的照明器阵列15、SLM(空间光调制器）48、 提取结构特征12、中间区域10和阶梯式波导1。图IB中提供的侧视图是图IA中所示的正 视图的替代视图。因此，图IA和图IB的照明器阵列15彼此对应，并且图IA和图IB的阶 梯式波导1可彼此对应。
[0109] 此外，在图IB中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此， 波导1在接收输入光的输入端2与将输入光穿过波导1反射回的反射端4之间延伸。在跨 波导的横向方向上的输入端2的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a至照明器元 件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
[0110] 波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反 射端4之间延伸，用于通过全内反射（TIR)沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。 第二引导表面具有多个光提取结构特征12,所述光提取结构特征面向反射端4并倾斜W在 多个方向上反射穿过波导I从反射端引导回的光的至少一些，所述多个方向破坏第一引导 表面处的全内反射并且允许穿过第一引导表面（例如图IB中朝上）输出，所述输出提供至 SLM 48O
[0111] 在该例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构特征。光 提取结构特征12不会将光引导穿过波导，而光提取结构特征12之间的第二引导表面的中 间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的该些区域是平坦的并且可平行于第一 引导表面或W相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向于该些区域延伸，使得第二引 导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括光提取结构特征12和中间区域。光提取结构 特征12被取向为在从反射端4反射后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。
[0112] 光提取结构特征12被布置用于将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置 的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于 照明元件15a至照明元件15n被布置在不同输入位置处，来自各自照明元件15a至照明元 件15n的光在该些不同方向上反射。该样，照明元件15a至照明元件15n每者在分布在横 向方向中的输出方向上将光导向进入各自的光学窗，所述输出方向取决于输入位置。对于 输出光而言，输入位置分布在其中的跨输入端2的横向方向对应于第一引导表面法线的横 向方向。如输入端2处限定且对于输出光而言的横向方向在该实施例中保持平行，其中反 射端4和第一引导表面处的偏转大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件 15a至照明器元件15n可选择性地操作W将光导向进入可选择光学窗。光学窗可单独地或 成组地用作观察窗。
[0113] 在本发明中，光学窗可对应于窗平面中单个光源的图像，该窗平面为标称平面，其 中光学窗跨整个显示装置而形成。或者，光学窗可对应于一起驱动的一组光源的图像。有 利的是，此类成组的光源可增加阵列121的光学窗的均匀度。
[0114] 通过比较的方式，观察窗是提供光的窗平面中的区域，包括来自整个显示区域的 基本上相同的图像的图像数据。因此，在控制系统的控制下，观察窗可由单个光学窗或由多 个光学窗形成。
[0115] SLM 48跨波导延伸，其为透射性的并调制从其中穿过的光。虽然SLM 48可为液晶 显示器（LCD),但该仅仅作为例子，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LC0S、DLP 装置等，因为该照明器可W反射方式工作。在该例子中，SLM 48跨波导的第一引导表面设 置并调制在从光提取结构特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。
[0116] 可提供一维光学窗阵列的定向显示装置的操作在图IA中W正视图示出，且其侧 面轮廓在图IB中示出。在操作中，在图IA和IB中，光可从照明器阵列15发出，诸如照明 器元件15a至照明器元件15n的阵列，其沿着阶梯式波导1的输入端2的表面X = 0位于 不同位置y。光可在阶梯式波导1内在第一方向上沿着+X传播，与此同时，光可在xy平面 中成扇形射出，并且在到达弯曲W在横向方向上具有正光焦度的反射端4时可基本上或完 全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在XZ平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不 超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的第二引导表面的中间区域10的提取结构特 征12可具有大于临界角的倾斜角，因此在第一方向上沿着+X传播的基本上所有光都可能 错过提取结构特征12,确保了基本上无损耗的前向传播。
[0117] 继续讨论图IA和1B，阶梯式波导1的反射端4可制成反射性的，通常通过用反射 性材料例如银涂布而实现，但可采用其他反射技术。光可因此在第二方向上重新导向，顺着 引导件在-X方向上返回并且可在Xy或显示器平面中基本上准直。角展度可在主要传播 方向相关的XZ平面中基本上保持，该可允许光射在立板边缘上并反射出引导件。在具有大 约45度倾斜的提取结构特征12的实施例中，可将光有效地导向至大约垂直于xy显示器平 面，且XZ角展度相对于传播方向基本上保持。当光通过折射离开阶梯式波导1时，该角展 度可增大，但根据提取结构特征12的反射特性，该角展度也可一定程度地减小。
[0118] 在具有未带涂层的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射（TIR)失效时反 射可减少，从而压缩XZ角轮廓并偏离法向。然而，在具有带银涂层或金属化的提取结构特 征的其他实施例中，增大的角展度和中也法线方向可保持。继续描述具有带银涂层的提取 结构特征的实施例，在XZ平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列 15中的各照明器元件15a至照明器元件15n离输入边缘中也的y位置成比例地导向偏离法 向。沿着输入端2具有独立的照明器元件15a至照明器元件15n，进而使光能够从整个第一 引导表面6离开并W不同外角传播，如图IA中所示。
[0119] 用此类装置照明空间光调制器（SLM)48诸如快速液晶显示器（LCD)面板可实现自 动立体3D，如图2A中的顶视图或从照明器阵列15末端观察的yz平面、图2B中的正视图 W及图2C中的侧视图所示。图2A是W顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图， 图2B是W正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，并且图2C是W侧视图示出光 在定向显示装置中的传播的示意图。如图2A、图2B和图2C所示，阶梯式波导1可位于显示 顺序右眼图像和左眼图像的快速（例如，大于l〇〇Hz)LCD面板SLM 48的后方。在同步中， 可选择性打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至照明器元件15n (其中n是大 于一的整数），从而借助系统的方向性提供基本上独立地进入右眼和左眼的照明光。在最简 单的情况中，一起打开照明器阵列15的各组照明器元件，从而提供在水平方向上具有有限 宽度但在竖直方向上延伸的一维观察窗26或光瞳，其中水平间隔的两只眼均可观察到左 眼图像；并提供另一个观察窗44,其中两只眼均可主要观察到右眼图像；并提供中也位置， 其中两只眼均可观察到不同图像。观察窗26可包括光学窗260的阵列，并且观察窗44可 包括光学窗440的阵列，其中每个光学窗由阵列15的单个照明器形成。因此，可布置多个 照明器W形成观察窗26和44。在图2A中，观察窗26显示为由单个照明器15a形成，并且 可因此包括单个光学窗260。相似地，观察窗44显示为由单个照明器15n形成，并且可因此 包括单个光学窗440。该样，当观察者的头部大约居中对准时可观察到3D。远离中也位置 朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。
[0120] 反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度 的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中也的直线并且 与末端4围绕X轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具 有光焦度的其他组件例如光提取结构特征12 (如果它们是弯曲的话）或下文所述的菲涅耳 透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。在通常在末端4处包括大致 圆柱形反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过末端4处的表面的曲率中也的直线并 且与侧面4围绕X轴的反射对称的轴线重合。光轴238通常与波导1的机械轴重合。末端 4处的圆柱形反射表面可通常为球形轮廓W优化轴向和离轴观察位置的性能。可使用其他 轮廓。
[0121] 图3是W侧视图示出定向显示装置的示意图。此外，图3示出了可为透明材料的 阶梯式波导1的操作的侧视图的另外细节。阶梯式波导1可包括照明器输入侧面2、反射 端4、可基本上平坦的第一引导表面6, W及包括中间区域10和光提取结构特征12的第二 引导表面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出）的 照明器元件15c的光线16,可通过第一引导表面6的全内反射和第二引导表面8的中间区 域10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射端4。虽然反射端4可为镜面 并可反射光，但在一些实施例中光也可W穿过反射端4。
[0122] 继续讨论图3,反射端4所反射的光线18可进一步通过反射端4处的全内反射在 阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线 18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过第一引导表 面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的 尺寸、照明的照明器元件15n的数目、反射端4和提取结构特征12中的输出设计距离和光 焦度决定。观察窗的高度可主要由提取结构特征12的反射锥角和输入端2处输入的照明 锥角决定。因此，每个观察窗26代表相对于与标称观察距离处的窗平面106相交的空间光 调制器48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。
[0123] 图4A是W正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第一照明 器元件照明并且包括弯曲的光提取结构特征。此外，图4A W正视图示出了来自照明器阵列 15的照明器元件15c的光线在具有光轴28的阶梯式波导1中的进一步引导。在图4A中， 定向背光源可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。每条输出光线从输入端2朝相同光 学窗260导向离开各自的照明器15c。图4A的光线可离开阶梯式波导1的反射端4。如图 4A所示，光线16可从照明器元件15c朝反射端4导向。光线18然后可从光提取结构特征 12反射并朝光学窗260离开反射端4。因此，光线30可与光线20相交于光学窗260中，或 在观察窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导1的侧面22、24 可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取结构特征12可为延长的，并且光提 取结构特征12在第二引导表面8 (在图3中示出但未在图4A中示出）的第一区域34中的 取向可不同于光提取结构特征12在第二引导表面8的第二区域36中的取向。与本文所讨 论的其他实施例类似，例如如图3中所示，图4A的光提取结构特征可与中间区域10交替。 如图4A所示，阶梯式波导1可包括反射端4上的反射表面。在一个实施例中，阶梯式波导 1的反射端在跨阶梯式波导1的横向方向上可具有正光焦度。
[0124] 在另一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12在跨波导的横向方向 上可具有正光焦度。
[0125] 在另一个实施例中，每个定向背光源可包括光提取结构特征12,所述光提取结构 特征可为第二引导表面的小平面。第二引导表面可具有与小平面交替的区域，所述区域可 被布置用于将光导向穿过波导而基本上不提取光。
[0126] 图4B是W正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第二照明 器元件照明。此外，图4B示出了来自照明器阵列15的第二照明器元件15h的光线40、42。 反射端4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率可与来自照明器元件15h的光线配合 形成与光学窗260横向间隔的第二光学窗440。
[0127] 有利的是，图4B中所示的布置方式可在光学窗260处提供照明器元件15c的实 像，其中反射端4中的光焦度和可由延长光提取结构特征12在区域34与36之间的不同取 向所引起的光焦度配合形成实像，如图4A所示。图4B的布置方式可实现照明器元件15c 到光学窗260中横向位置的成像的改善像差。改善像差可实现自动立体显示器的扩展观察 自由度，同时实现低串扰水平。
[012引图5是W正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置具有基 本上线性的光提取结构特征。此外，图5示出了与图1类似的组件布置方式（且对应的元 件是类似的），并且其中一个差别是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利 的是，此类布置方式可在整个显示表面上提供基本上均匀的照明，并且与图4A和图4B的弯 曲提取结构特征相比可更便于制造。定向波导1的光轴321可为反射端4处的表面的光轴 方向。反射端4的光焦度被布置成跨光轴方向，从而入射到反射端4上的光线将具有根据 入射光线与光轴321的横向偏移319而变化的角偏转。
[0129] 图6A是示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中的第 一观察窗的生成的一个实施例，图6B是示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用成像 定向背光源设备中的第二观察窗的生成的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了时 间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。此 夕F，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成观察窗26。照明器阵列15中的照明器元件 组31可提供朝观察窗26 (其可包括单个光学窗260或光学窗260的阵列）导向的光锥17。 图6B示意性地示出了观察窗44的生成。照明器阵列15中的照明器元件组33可提供朝观 察窗44(其可包括单个光学窗440或光学窗440的阵列）导向的光锥19。。在与时间多路 复用显示器配合的情况下，可按顺序提供观察窗26和44,如图6C所示。如果对应于光方向 输出来调整空间光调制器48 (图6A、图6B、图6C中未示出）上的图像，则对于处于适当位 置的观察者而言可实现自动立体图像。用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操 作。应当注意，照明器元件组31、33各自包括来自照明元件15a至照明元件15n的一个或 多个照明元件，其中n为大于一的整数。
[0130] 图7是示意图，其示出了包括时间多路复用定向显示装置的观察者跟踪自动立体 显示设备的一个实施例。如图7所示，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明器元件15a至 照明器元件15n提供了观察窗26、44的定向控制。头部45位置可用相机、运动传感器、运 动检测器或任何其他适当的光学、机械或电气装置监控，并且可打开和关闭照明器阵列15 的适当照明器元件W便为每只眼提供基本上独立的图像，而不必考虑头部45位置。头部跟 踪系统（或第二头部跟踪系统）可提供不止一个头部45、47 (头部47未在图7中示出）的 监控，并且可为每个观察者的左眼和右眼提供相同的左眼图像和右眼图像，从而为所有观 察者提供3D。同样地，用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操作。
[0131] 图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置（作为例子，包括成像定向背光 源）的一个实施例。如图8所示，至少两幅2D图像可朝一对观察者45、47导向，使得每个 观察者可观看空间光调制器48上的不同图像。图8的该两幅2D图像可与相对于图7所述 的类似方式生成，因为该两幅图像将按顺序且与光源同步显示，所述光源的光朝该两个观 察者导向。一幅图像在第一阶段中呈现于空间光调制器48上，并且第二图像在不同于第一 阶段的第二阶段中呈现于空间光调制器48上。对应于第一和第二阶段调整输出照明W分 别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于观察窗26中的观察者将感知到第一图 像，而两只眼处于观察窗44中的观察者将感知到第二图像。
[0132] 图9是示意图，其示出了包括成像定向背光源的防窥定向显示装置。2D显示系统 也可利用定向背光源W用于安全和效率目的，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛， 如图9所示。此外，如图9所示，虽然第一观察者45可能够观察到装置50上的图像，但光 不朝第二观察者47导向。因此，防止第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的每 个实施例可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示器功能。
[013引图10是示意图，其W则视图示出了时间多路复用定向显示装置（作为例子，包括 成像定向背光源）的结构。另外，图10 W侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括 阶梯式波导1和菲涅耳透镜62,其被布置用于为跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直的 输出提供观察窗26。竖直漫射体68可被布置用于进一步延伸观察窗26的高度，并且被布 置用于实现在竖直方向上的各个方向上（平行于X轴）的模糊，同时使在横向方向上的各 个方向上（y轴）的模糊最小化。然后可通过空间光调制器48对光成像。照明器阵列15 可包括发光二极管（LED)，其可例如为磯光体转换蓝色LED,或可为单独的RGBLED。或者，照 明器阵列15中的照明器元件可包括被布置用于提供单独照明区域的均匀光源和空间光调 制器。或者，照明器元件可包括一个或多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用振镜扫 描器或MEMS扫描器，而导向到漫射体上。在一个例子中，激光可因此用于提供照明器阵列 15中的适当照明器元件W提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且还提供散斑的 减少。或者，照明器阵列15可为激光发射元件的阵列。另外在一个例子中，漫射体可为波 长转换磯光体，使得可在不同于可见输出光的波长处照明。
[0134] 因此，图1至图10分别描述了；波导1 ;包括此类波导1和照明器阵列15的定向 背光源；W及包括此类定向背光源和SLM 48的定向显示设备。该样，上述结合图1至图10 公开的各个特征可W任何组合结合。
[0135] 图11是示意图，其示出了另一个成像定向背光源（如图所示的模型定向背光源） 的正视图，图12是示意图，其示出了类似模型定向显示装置的侧视图。模型定向背光源由 名称为"Flat Panel Lens"(平板透镜）的美国专利No. 7, 660, 047大体讨论，所述专利全 文W引用方式并入本文。该结构可包括模型波导1104,所述模型波导具有可优先地用反射 层1106涂布的底部表面并且具有也可优先地用反射层1106涂布的末端波纹表面1102。
[0136] 在一个实施例中，定向显示装置可包括具有输入端的波导、用于沿着波导引导光 的相对的第一引导表面和第二引导表面，W及面向输入端的用于将来自输入光的光穿过波 导反射回来的反射端。定向显示装置也可包括设置在跨波导输入端的不同输入位置处的光 源阵列。波导可被布置用于在从反射端反射后将来自光源的输入光作为输出光导向穿过第 一引导表面，在相对于第一引导表面的法线并且可主要取决于输入位置的输出方向上进入 光学窗。定向显示装置也可包括透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器可被布置 用于接收来自第一引导表面的输出光，并被布置用于调制具有第一偏振的输出光的第一偏 振分量。
[0137] 在模型定向背光源的一个实施例中，第一引导表面可被布置用于通过全内反射来 引导光，并且第二引导表面可为基本上平坦的并且W-定角度倾斜W在多个方向上反射 光，所述多个方向破坏全内反射，W便穿过第一引导表面输出光。模型定向背光源可为定向 显示装置的一部分。定向显示装置也可包括偏转元件，所述偏转元件跨波导的第一引导表 面延伸，W便使光朝空间光调制器的法线偏转。
[013引如图12中所示，光可从局部光源1101进入模型波导1104,并且在反射离开末端表 面之前光可在第一方向上传播。光可在其返回路径上时离开模型波导1104,并且可照明显 示面板1110。作为与光学阀的比较，模型波导通过锥形提供提取，所述锥形减小了传播光的 入射角，使得当光W临界角入射到输出表面上时，光可逃逸。模型波导中W临界角逃逸的光 基本上平行于表面传播，直到被重新导向层1108诸如棱镜阵列偏转。模型波导输出表面上 的误差或粉尘可改变临界角，从而形成杂散光和均匀度误差。此外，使用反射镜折叠模型定 向背光源中的光束路径的成像定向背光源可采用带小平面的反射镜，所述反射镜偏置模型 波导中的光锥方向。此类带小平面的反射镜一般制造复杂，并且可导致照明均匀度误差W 及杂散光。
[0139] 模型定向背光源和光学阀进一步W不同方式处理光束。在模型波导中，W适当角 度输入的光将在主表面上的限定位置处输出，但光线将W基本上相同的角度且基本上平行 于主表面离开。通过比较，W特定角度输入光学阀的阶梯式波导的光可W由输入角所决定 的输出角从整个第一侧面上的位点输出。有利的是，光学阀的阶梯式波导可不需要另外的 光重新导向膜W朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不会造成整个显示表面上的 不均匀度。
[0140] 然而，在本发明中，一般来讲模型波导（诸如模型波导1104)可用于定向背光源， 并且可替代上述图1至图10中所示的各种结构W及下述结构的阶梯式波导1。
[0141] 下面描述包括定向显示装置和控制系统的一些定向显示设备，其中定向显示装置 包括定向背光源，该定向背光源包括波导和SLM。在W下描述中，波导、定向背光源和定向显 示装置基于上述图1至图10的结构并包括该结构，但同样可适用于通过如上所述的模型波 导替代阶梯式波导1。除了现在将描述的修改形式和/或另外的特征，上述描述同样适用于 W下波导、定向背光源和显示装置，但为了简洁起见将不再重复。
[0142] 图13是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。控制系 统的布置方式和操作现在将进行描述并且在必要时加W修改的情况下可适用于本文所公 开的每个显示装置。
[0143] 定向显示装置100包括定向背光源，所述定向背光源包括如上所述布置的波导1 和照明器元件15n的阵列15。控制系统被布置用于选择性地操作照明元件15a至照明元件 15n W将光导向进入可选择光学窗。
[0144] 波导1按照上文所述那样布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置 用于与反射端4配合W在观察者99所观察的窗平面106处实现观察窗26。透射空间光调 制器（SLM)48可被布置用于接收来自定向背光源的光。此外，可提供漫射体68 W基本上去 除波导1与SLM 48的像素W及菲涅耳透镜62之间的莫尔条纹跳动（Moire beating)。
[0145] 控制系统可包括传感器系统，其被布置用于检测观察者99相对于显示装置100的 位置。传感器系统包括位置传感器70诸如相机，和头部位置测量系统72,所述头部位置测 量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明控制器74和图像控 制器76,该两者均提供有由头部位置测量系统72提供的检测到的观察者的位置。照明控制 器74向照明器元件15n提供驱动信号。通过控制驱动信号，照明控制器74选择性地操作 照明器元件15n，W配合波导1将光导向进入观察窗26。照明控制器74根据头部位置测量 系统72所检测到的观察者的位置，来选择要操作的照明器元件15n，使得光导向进入其中 的观察窗26处于对应于观察者99的左眼和右眼的位置。该样，波导1的横向输出方向性 对应于观察者位置。
[0146] 照明控制器74可被布置用于改变提供给相应照明器元件15的驱动信号，W控制 阵列15的相应光源发出的光的光通量，该光通量可被称为光的灰度值。光源的光通量是光 源发出的光学功率的度量，W流明进行测量。
[0147] 光通量的控制可由任何合适的驱动方案来实现，该些方案包括但不限于电压调 巧1|、电流调制、脉冲宽度调制、布置在光源和输入端2之间的空间光调制器的控制或其他已 知的灰度级驱动方案。另外，每个照明器元件15n发出的光通量可通过改变每个可寻址装 置中的电流，或通过脉冲宽度调制方案来变化，在该方案中改变一个或多个脉冲的长度W 改变由于视觉暂留而由观察者感知的亮度。还可结合该两种效应W实现所需的亮度控制。
[0148] 图像控制器76控制SLM 48 W显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器76 和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制SLM 48 W显示时间上多路复 用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15 W将光导向进入观察窗中对应于观 察者左眼和右眼的位置，并同步地显示左眼图像和右眼图像。观察窗的位置可主要取决于 检测到的观察者的位置。该样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。
[0149] 如现在将描述的，在用户控制或自动控制下操作的光通量控制器580可控制照明 控制器74 W实施控制定向背光源的照明器元件15n的方法，从而输出光通量跨照明器元件 15阵列变化的光，该光通量按照宽度成反比缩放，该宽度与横向方向上相应的照明器元件 15n相关联。
[0150] 跨阵列15变化的光通量的量为按比例缩放的各个照明器15的光通量。缩放与宽 度成反比，该宽度与横向方向上相应的照明器元件15n相关联。按比例缩放的目的是考虑 跨阵列15的照明器元件15n的间距的任何变化。因此，在简单情况下，照明器元件15n设 置在不同的输入位置，在跨波导1的输入端4的横向方向上具有恒定间距，从而按比例缩放 的光通量就是照明器元件15n的实际光通量，因为缩放是恒定的。在照明器元件15n的间 距在横向方向上可变的情况下，按比例缩放的光通量会考虑该变化的间距。
[0151] 按比例缩放的光通量可因此考虑光源之间的间隙和跨相应输出的光通量的不均 匀性。因此，与照明器元件15n相关联的宽度可被视为所考虑的照明器元件15n处的阵列 照明器元件15n的间距。相似地，与照明器元件15n相关联的宽度可被视为照明器元件15n 之间的间隙的中点之间的宽度。结合图53进一步描述按比例缩放的光通量。
[0152] 在本文考虑了按比例缩放的光通量，因为在显示装置100中该量会影响输出光的 发光强度，如下面进一步描述。显示装置的发光强度是显示装置在特定方向上的每单位立 体角中发出的功率的量度。因此，控制按比例缩放的光通量W提供所需的发光强度。
[0153] 该是有利的，因为观察者99感知的显示装置100的明度由亮度得出，其为在给定 方向中行进的光的每单位面积发光强度的光度测量。因此，光通量线密度的变化允许控制 感知的亮度，从而例如允许感知的明度（亮度）针对观察者99的不同位置而变化，和/或 针对给定的感知亮度使功率消耗最小化。
[0154] 所考虑的光通量为发出的总光通量。该可通过积分照明器元件15n在垂直于横向 方向的方向上发出的光通量而得到。
[01巧]在一些实施例中，光通量控制器580可控制光通量在光通量分布中跨照明器元件 15n阵列而变化，该光通量分布相对于横向方向上的位置是固定的。
[0156] 在其他实施例中，光通量控制器580可根据传感器系统检测到的观察者99的位置 来控制光通量跨照明器元件15n阵列变化。
[0157] 现在将描述光通量控制器580可控制光通量跨照明器元件15n阵列变化的一些具 体方法。
[0158] 首先将描述一些实施例，在该些实施例中光通量控制器580控制按比例缩放的光 通量在光通量分布中跨照明器元件15n阵列变化，该光通量分布相对于横向方向上的位置 是固定的。其具体优点在于，当操作显示装置100 W显示2D图像时，与定向操作模式（诸如 自动立体模式）相比，可从宽角度看到。在该种情况下，所有照明器元件15n可同时操作， 此时传感器系统可能未被使用或者被省略。
[0159] 或者，照明控制器74可操作光源15 W根据用SLM 48检测到的观察者的位置将光 导向至两眼均可见的单个观察窗，所述SLM 48被布置用于在防窥的2D观察的单相位中和 高效操作模式操作。此类观察窗足够宽W让观察者的左眼和右眼同时看到。或者，当操作 显示装置W提供自动立体3D显示时，也可应用固定的光通量分布。
[0160] 图14A是示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括波导1和照明 器元件15n的阵列，该照明器元件在窗平面106中提供光学窗260的阵列，输出方向W及每 个光学窗260的窗平面中的标称横向位置取决于阵列15中相应照明器的横向位置。因此， 在对应于跨窗平面106的横向（y轴）方向上的位置262的角度0处，从光学窗260看到的 显示器的发光强度可随观察者99的位置变化（随所示的右眼位置560和左眼位置562变 化）。理想的是实现朗伯型显示器发光强度的变化，使得显示器对于观察者99的每只眼睛 表现出相同的亮度；换句话讲，显示器的亮度在横向观察自由度内是基本上相同的。或者， 理想的是实现针对离轴观察位置实现减小的亮度的显示器发光强度的变化，从而实现节能 优势。
[0161] 照明器元件15n的阵列15的每个元件和光学窗的阵列的每个光学窗260之间的 传输功能将包括散射、漫射、衍射效应和布置在阵列15和窗平面106之间的光学组件的成 像性能。因此，光学窗260不是照明器元件15n的完美图像。然而，光学窗260的横向位置 262通常将与阵列15中照明器元件15n的横向位置261直接相关。
[0162] 因此，光通量控制器580可控制按比例缩放的光通量在光通量分布中跨照明器元 件15n阵列变化，其中照明器元件15的输入位置在横向方向上，该产生所需的发光强度分 布，该发光强度分布表示输出光的发光强度随输出方向的角度的变化，现在将描述其的例 子。
[0163] 图14B是示意图，其示出了在窗平面106中的输出光的发光强度264与观察位置 262的曲线图，所述观察位置262对应于输出方向的角度0。发光强度分布266为朗伯型 的，其具有随着视角0的余弦变化的发光强度，因此发光强度可跨显示器变化，同时在观 察窗内从观察位置500到502所观察到的显示器的亮度是恒定的。
[0164] 在本发明的实施例中，朗伯型发射器实现表面的相同外观亮度，与观察者的视角 无关。因此，表面具有各向同性亮度（W坎德拉/平方米，或流明/球面度/平方米为单 位测量），并且发光强度（W坎德拉或流明/球面度为单位测量）264的变化遵守朗伯余弦 定律，其中从理想的漫射福射体观察到的发光强度与观察者视线和表面法线之间的角度0 的余弦成正比。在本发明的实施例中，朗伯型用于描述显示器在限定的角度范围上的发射， 例如显示器的光学窗的总宽度。因此，在光学窗的宽度之外的窗平面中的位置处，发光强度 分布可W非朗伯型方式表现。
[0165] 通常可W针对背光源上的点，例如对应于SLM 48的中也的点，来考虑发光强度。 显示系统的亮度（每单位面积的发光强度）可由于输出的不均匀性而在显示区域上变化， 并且将随相应单位面积的对向视角进一步变化。
[0166] 图14B进一步示出了增益大于一的发光强度分布272的发光强度分布。具体而言， 发光强度分布272具有与光通量分布的全局最大值对应的最大发光强度，其大于朗伯型发 光强度分布266,其中两个发光强度分布266和272的总功率在所有输出方向500至502上 是相同的。因此，轴向位置的峰值发光强度较大，并且下降的速率大于朗伯型发光强度分布 266。因此，离轴观察位置的显示器亮度下降。分布272的亮度与分布266的峰值亮度的比 率通常被称为显示系统的增益。
[0167] 光通量控制器580可控制按比例缩放的光通量在光通量分布中跨照明器元件15n 的阵列变化，该光通量分布向输出光提供朗伯型发光强度分布266,或提供增益大于一的发 光强度分布272。
[0168] 图15A是示意图，其示出了在窗平面106中的输出光的发光强度与观察位置262 的曲线图，所述观察位置262对应于输出方向相对于光轴238的横向角度0，并示出了调整 阵列15的按比例缩放的光通量的方法。示出了发光强度分布266和272,但其峰值发光强 度相匹配，使得轴向亮度相匹配并且显示器对轴向观察位置表现出相同的亮度。
[0169] 在一个实施例中，朗伯型发光强度分布266可通过控制阵列15的所有照明器元件 具有基本相同的按比例缩放的光通量输出来实现。
[0170] 为了实现发光强度分布272,可相比于分布266减小离轴位置的发光强度，如箭头 270所示。该可通过控制照明器元件的按比例缩放的光通量在光通量分布中跨阵列15变化 来实现，如下所述。
[0171] 图15B是示意图，其示出了照明器元件的阵列的光通量分布图W及调整阵列15的 按比例缩放的光通量的方法。因此，按比例缩放的光通量263可根据跨波导1的输入端2的 横向方向中的横向位置261进行绘制。在光提取结构特征12为镜面的波导1的构造中，按 比例缩放的光通量263具有恒定的光通量分布269 W提供朗伯型发光强度分布266。箭头 271示出了与恒定的光通量分布269相比，对应于各自的光学窗位置262处的箭头270的相 应光源的按比例缩放的光通量下降，从而实现非线性光通量分布273,其提供增益大于一的 发光强度分布272。因此，光通量分布273具有光通量的全局最大值508并且在全局最大值 508的任一侧上减小。就与波导1的光轴对准的照明器元件而言，出现全局最大值508。在 一个实施例中，可控制阵列15的照明器元件，使得其按比例缩放的光通量根据非线性光通 量分布273变化，从而为显示装置100提供增益大于一的发光强度分布272。也就是说，输 出光的发光强度264随实际发光强度分布272中的输出方向的角度262变化，所述实际发 光强度分布272大于为朗伯型并且在所有输出方向上具有与实际发光强度分布272相同的 总发光强度的概念性发光强度分布266。
[0172] 图15C是示意图，其示出了图15B的细节，其中y轴绘制在垂直于横向方向的方向 上积分的实际光通量265。如上所述，在跨输入端2的给定横向位置261处的实际光通量 265是由垂直于横向方向（即平行于Z轴）的切片中的波导捕获的光的积分。假设来自相 应光源的所有光均由波导1捕获，则实际光通量265与Z轴中的光源的切片的积分通量输 出相同。如用于图15B的细节293的图15C所示，由于光源和光源内的结构之间的间隙，阵 列15的光源将通常在横向方向（y轴）上具有基本上不均匀的实际光通量265的分布。例 女口，如将在图50和图51中所述，光源可包括具有蓝色和黄色发光区域的LED。当在输入端 2的厚度上积分时可因此实现横向方向上不同的实际光通量265和色度输出。为了本发明 的目的，可W逐步方式布置光源，使得光源编号504与提供具有光通量分布273的按比例缩 放的光通量的给定光通量506相关。因此，光通量分布273可通过在与单个照明器元件15n 相关联的横向方向上的宽度上进行平均的实际光通量265提供。在操作中，照明器元件15n 未在窗平面106中精确成像，使得观察窗可包括横向漫射的重叠光学窗。因此，从光通量分 布273到发光强度分布272之间的转换可进一步考虑观察窗26内的相邻光学窗260之间 的模糊，并且可被布置用于实现所需的发光强度分布262。
[0173] 有利的是，对于轴向观察位置可保持显示器的输出亮度，并且对于离轴观察位置 降低。因此，对于不太有利的观察位置可降低显示器的功率消耗，从而改善显示效率、电池 续航时间并降低显示器成本。
[0174] 图1抓是示意图，其示出了光通量分布图W及与光通量分布对准的定向背光源的 正视图。为了便于说明，具有横向位置261的按比例缩放的光通量263的光通量分布273 显示为与阵列15的相应照明器元件对准。因此，照明器元件514、516具有相应的按比例缩 放的光通量510、512,包括与波导1的光轴232对准的分布273的全局最大值508。在501、 503的位置261之间提供分布273。因此，通量分布的全局最大值可能涉及与波导的光轴 232对准的照明器元件。通量分布的全局最大值可能涉及与波导1的光轴232对准的照明 器元件514、516。有利的是，在相对于显示器法线107(其可与光轴232对准）的轴向上提 供输出的峰值发光强度。因此，对于增益大于一的显示器的轴向位置亮度是最大的。轴向 位置通常是所需的观察位置，特别是对于移动显示器，从而显示器将看起来最亮W用于最 佳观察条件，同时实现离轴观察位置的减小的功率消耗。
[01巧]光通量分布的全局最大值508可能涉及与波导1的光轴232对准的照明器元件 514、516。该种布置方式可实现发光强度264的全局最大值259,该可用于与波导1的光轴 232对准的相应光学窗。
[0176] 图1抓的实施例示出了用于广角2D观察的照明器元件的一种布置方式；即照明器 元件可连续操作或在单相位中操作，并且空间光调制器48可包括单个2D图像。由于所有 照明器元件15n可同时操作，所W传感器系统可能未被使用或可被忽略。另外，可能需要提 供用于离轴观察位置的在自动立体模式中增加显示器增益的节能优势。
[0177] 图1祀至15F是示意图，其示出了自动立体朗伯型显示系统的光通量分布的图。在 该种情况下，按比例缩放的光通量在光通量分布中跨照明器元件15n的阵列变化，该光通 量分布相对于横向方向中的位置是固定的，另外如上所述操作显示装置，通过SLM 48显示 时间多路复用的左眼和右眼图像，并且将光导向进入观察窗中对应于观察者左眼和右眼的 位置，并同步地显示左眼图像和右眼图像，来提供自动立体3D显示。
[0178] 图1祀示出了该样的例子，在该例子中恒定光通量分布269用于提供如图14B所 示的朗伯型发光强度分布266。观察窗26可由左眼相位子阵列520和右眼相位子阵列522 中照明的照明器元件来形成。在观察者99的眼睛离开轴时，按比例缩放的光通量可具有恒 定的值，并且显示器可W视角保持朗伯型外观。有利的是，与图15D的布置方式相比，照明 的照明器元件的数量大幅减少。用于每个眼睛的照度将是基本上恒定的，从而减少自动立 体观察中的深度误差的出现，并提高观察者舒适度。
[0179] 图15F和15G示出了该样的例子，在该例子中非线性光通量分布273用于提供增 益大于一的发光强度分布272。因此，可控制照明器元件W输出具有按比例缩放的光通量 263的光，该按比例缩放的光通量根据检测到的观察者99的位置跨照明器元件变化。例如 图15F示出了检测到的观察者的位置与光轴对准的情况，并且图15F示出了检测到的观察 者的位置偏移的情况。可选择性地操作用于左眼和右眼的照明器元件的子阵列520、522,随 检测到的观察者的位置进行更改。照明器元件的子阵列520、522在其宽度上具有变化的发 光强度W实现增益。因此，可控制照明器元件W输出具有按比例缩放的光通量263的光，该 按比例缩放的光通量根据检测到的观察者99的位置W产生输出光的发光强度264的方式 跨照明器元件变化，该发光强度264随增益大于一的发光强度分布272中的输出光的角度 262变化。有利的是，与图1祀的布置方式相比，照明器元件的阵列15的功率消耗降低，该 是因为并非在任何时候都操作所有的照明器元件。
[0180] 有利的是，与轴向位置相比，离轴功率消耗降低，从而进一步降低了功率消耗。
[0181] 图1甜是示意图，其示出了用于自动立体显示系统的另外的光通量分布图，该自 动立体显示系统具有大于一的增益和离轴观察位置。在该实施例中，照明器元件的阵列 520、522被布置用于跟踪分布273,该分布273通过匹配位置524处的按比例缩放的光通量 示出，但在子阵列520和522上具有相同的光通量线密度。因此，按比例缩放的光通量在光 通量分布中跨照明器元件15n的阵列变化，该光通量分布相对于横向方向上的位置不是固 定的，而是根据检测到的观察者的位置变化。具体而言，该W产生输出光的发光强度264的 方式进行控制，该发光强度264在增益大于一的发光强度分布272中随检测到的观察者的 角度262而变化。
[0182] 因此，左眼和右眼观察窗可布置具有发光强度264分布，从而W朗伯型发光强度 分布的方式实现对于每只眼基本上相同的亮度。同样，与图1祀的布置方式相比，照明器元 件的阵列15的功率消耗降低，该是因为并非在任何时候都操作所有的照明器元件。与轴向 位置相比，离轴功率消耗可降低，并且每只眼可感知基本上相同的图像照度，从而减少自动 立体观察中的深度误差的出现，并提高观察者舒适度。
[0183] 图16是示意图，其示出了照明器元件寻址设备。因此，照明控制器74可被布置用 于通过向照明器元件的阵列提供驱动信号的驱动线路244对阵列15的照明器元件243进 行寻址。在跨阵列15的位置261处，照明器元件243可具有变化的按比例缩放的光通量，如 在其他地方所述。在操作中，可通过使用照明控制器74和控制系统控制进入相应光源243 的电流来实现按比例缩放的光通量变化。可通过例如电流控制或电压控制来实现光通量分 布的控制。另外，可根据用户需求来调整变化，因此用户可选择高增益、低功率消耗模式，或 者可选择宽视场模式。
[0184] 在本发明的实施例中，照明器元件的阵列15可布置在波导1的输入端2,例如如图 13所示，或者可在模型波导1104的输入端1103,如图12所示。
[0185] 图17是示意图，其示出了用于光学窗阵列和相应光学窗的发光强度的图，在另外 的例子中，如上所述操作显示装置W提供自动立体3D显示，并且按比例缩放的光通量根据 检测到的观察者跨照明器元件15n的阵列变化。因此，阵列15的照明器元件可提供恒定 的按比例缩放的光通量，并且在该种条件下光学系统可在窗平面处实现朗伯型发光强度分 布。阵列15的每个光源可在窗平面106中提供光学窗249。通过左眼光学窗的阵列530提 供左眼观察窗247,并且通过右眼光学窗的阵列532提供右眼观察窗251，分别在左眼和右 眼照明相位中。根据检测到的观察者的位置生成左眼观察窗247和右眼观察窗251。按比 例缩放的光通量根据光通量分布跨照明器元件15n的阵列变化，该光通量分布在光学窗中 产生输出光的发光强度，该发光强度在发光强度分布267中随输出方向的角度而变化。加 上光学窗阵列530、532,该在观察窗247、251中产生输出光的发光强度，该发光强度在发光 强度分布266中随在横向方向上检测到的观察者的位置的角度而变化。因此，显示装置100 可实现具有基本上朗伯型输出外观。因此，发光强度分布266、267可为朗伯型的。在本文 所述的实施例中，提供由光学窗形成的类似的观察窗。通过结合光学窗249的阵列，另外提 供了除了朗伯型之外的用于观察窗26的不同的发光强度分布。
[0186] 图18是示意图，其示出了在波导1的替代构造中的包括阵列15中的照明器元件 的均匀发光强度的波导1的光学窗发光强度264与观察位置262的曲线图。上述实施例假 设对于光通量分布269,实现基本上朗伯型发光强度分布266。在波导1的实施例中，波导 1可具有非朗伯型行为，如将结合图19A至图19B来描述的。更具体来说，包括卿趴状特征 540、542的发光强度分布268可由波导1来实现。因此，对于匹配的轴向发光强度507来 说，离轴发光强度基本上高于由朗伯型输出发光度分布266提供的发光强度；换句话说，显 示器的亮度可针对一些离轴观察位置而增大。将需要当W 2D模式操作时通过分布268的 补偿来降低照明器元件阵列15的功率消耗。
[0187] 图19A是示意图，其示出了 W第一方向入射到替代构造的波导1的光提取结构特 征上的光线的透视图，其中光提取结构特征12不是镜面的而是通过TIR反射光。波导1的 表面8可包括中间区域10和光提取结构特征12,其在本文中可称为光提取小平面。与结构 特征12的法线304成角度307并且平行于结构特征10的轴向光线300通过全内反射在结 构特征12处沿着光线302反射。然而，与结构特征12的表面法线304成较小角度307的 保持在与光线300相同的X-Z平面中的光线301可被透射成光线305。因此，光线305对于 输出发光强度分布来说可为损失的。
[018引图19B是示意图，其示出了 W第二方向入射到与图19A相同的构造的波导1的光 提取结构特征的光线的透视图。离轴光线308可由阵列15的离轴照明器元件提供，并且在 x-y平面中W与轴向光线成角度308入射。可由结构特征12透射的用于轴向入射的光线 309 W与法线304成角度312入射，所述角度312具有比角度307更大的分辨角度，因此在 结构特征12处经历全内反射。因此，光线311被反射而非透射。该意味着与输入光的光通 量成比例的由结构特征12反射的输出光的光通量针对不同照明器元件15n而变化。该有 助于在窗平面中的相应离轴位置262处增加发光强度264,并且产生卿趴状特征540、542。 控制系统被布置用于控制照明器元件输出具有按比例缩放的光通量的光，该按比例缩放的 光通量W补偿由小平面反射的输出光的光通量的该变化的方式跨照明器元件阵列变化，女口 下所述。
[0189] 图20A是示意图，其示出了在波导的窗平面中光学窗发光强度与观察位置的曲线 图W及调整照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。为了实现朗伯型发光强度分布 266,可如箭头270所示修改发光强度分布。该可如下通过控制照明器元件15n的按比例缩 放的光通量在光通量分布中跨阵列15变化来实现。
[0190] 图20B是示意图，其示出了照明器元件阵列的光通量分布的图W及调整波导1的 照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。箭头271示出了与恒定光通量分布269相 比，对应于相应光学窗位置262处的箭头270的相应光源的按比例缩放的光通量下降，W实 现提供朗伯型发光强度分布266的非线性光通量分布277。因此，可提供用于相应等效位置 262、261的长度可按比例地等于箭头270的长度的箭头271 W及光通量分布277。因此，在 阵列15上提供光通量分布277,其具有光通量的全局最大值508并且在全局最大值508的 任一侧上减小。就与波导1的光轴对准的照明器元件而言，出现全局最大值508。光通量分 布277还具有"反卿趴状"特征544、546 W补偿分布268中的卿趴状特征。
[0191] 另外，与图13的观察者跟踪布置方式结合，对应于未由观察者99看到的光学窗 的阵列15的照明器元件可被媳灭，从而有利地减少功率消耗。因此，可控制照明器元件W 输出具有按比例缩放的光通量263的光，该按比例缩放的光通量W产生输出光的发光强度 264的方式根据观察者99的检测位置跨照明器元件变化，所述发光强度264在朗伯型发光 强度分布266中随观察者99的检测位置的角度262而变化。
[0192] 有利的是，波导1的非朗伯型发光强度输出可被补偿，从而跨显示器的视角实现 基本上均匀的亮度。
[0193] 图21A是示意图，其示出了在波导的窗平面中光学窗发光强度与观察位置的曲线 图W及用于调整照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。在另一个实施例中，可调 整发光强度分布268 W实现增益大于一的发光强度分布272。具体来讲，可如箭头270所示 修改发光强度分布。该可通过控制照明器元件的按比例缩放的光通量在光通量分布中跨阵 列15变化来实现，如下所述。
[0194] 图21B是示意图，其示出了照明器元件的阵列的光通量分布图W及调整波导1的 照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。因此，可W与针对图20B描述的方式类似 的方式实现光通量分布275。箭头271示出了与恒定的光通量分布269相比，对应于各自 的光学窗位置262处的箭头270的相应光源的按比例缩放的光通量下降，从而实现非线性 光通量分布275,其提供增益大于一的发光强度分布272。因此，在阵列15上提供光通量分 布275,其具有按比例缩放的光通量的全局最大值508并且在全局最大值508的任一侧上减 小。就与波导1的光轴对准的照明器元件而言，出现全局最大值508。光通量分布277还具 有"反卿趴状"特征544、546 W补偿分布268中的卿趴状特征。
[0195] 另外，阵列15可包括如分布550所示变化的用于恒定驱动电流的光通量分布。可 在施加由箭头271所示的校正之前在W分布550的知识为基础校正由非线性光通量分布 275描述的按比例缩放的光通量期间移除此类变化。因此，在曲线272下方的总发光强度可 与在曲线266下方的总发光强度相同。
[0196] 在一个实施例中，可控制阵列15的照明器元件W使得其按比例缩放的光通量根 据非线性光通量分布273变化，从而向显示装置100提供增益大于一的发光强度分布272。 也就是说，输出光的发光强度264在比概念性发光强度分布266大的实际发光强度分布272 中随输出方向的角度262而变化，所述概念性发光强度分布266为朗伯型的并且在所有输 出方向上具有与实际发光强度分布272相同的总发光强度。
[0197] 在图示实施例中，15. 6"空间光调制器可由波导1照明，所述波导1包括86个照明 器元件的阵列15,每个照明器元件可在用于布置在空气中的照明器元件的朗伯型分布中W CW模式实现16流明/球面度的光学输出。此类照明器元件可在提供光通量分布269的情 况下各自用350mW的电功率驱动，从而产生30W的总阵列功率消耗。对于相同的轴向发光 强度（并因此亮度也相同），并且向发光强度施加分布272,并因此施加与分布275类似的 光通量分布，可将阵列15的总电功率消耗降低到16W。在自动立体操作模式中，照明器元件 W脉冲模式操作，例如具有25%占空比和50%电流过驱，因此照明器元件可具有与CW模式 相比基本上50%总亮度。通过匹配2D和3D轴向发光强度，可将阵列15的总功率消耗降低 到8W。
[019引图22是示意图，其示出了在如上所述操作显示装置W提供自动立体3D显示的例 子中的窗平面中的光学窗的发光强度与观察位置的曲线图，所述观察位置对应于输出光在 横向方向上的角度，W及调整左眼和右眼照明相位的照明器元件15n的按比例缩放的光通 量的方法。
[0199] 在图22中，标记增益大于一的发光强度分布272,并且在各个观察位置处针对观 察者99标记左眼位置560和右眼位置562。对于移动到光轴右侧的观察者99,指示左眼位 置遵循发光强度分布272。对于相同的显示器亮度，显示器应在观察者的左眼与右眼之间实 现朗伯型的发光强度差异。因此，朗伯型分布266可被布置用于穿过左眼560并且跨窗平 面106位置262在右眼位置562处提供所需的发光强度564。因此，可跨窗平面针对右眼内 插点564 W提供右眼发光强度分布280。对于移动到光轴左侧的观察者99,右眼可遵循发 光强度分布272,同时左眼可W类似的方式提供分布282。
[0200] 图23A是示意图，其示出了波导1的窗平面中的光学窗发光强度与观察位置的曲 线图W及调整右眼照明相位的照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。因此，在如 箭头所示校正之后，对于右眼562,可针对光轴左侧的位置将波导发光强度分布268修改为 发光强度分布272并且针对光轴右侧的位置将其修改为分布280。相似地，对于左眼560， 可针对光轴右侧的位置将波导发光强度分布268修改为发光强度分布272并且针对光轴左 侧的位置将其修改为分布282。该可通过根据检测到的观察者的位置并且根据输出光是由 左图像还是由右图像调制来控制照明器元件15n的按比例缩放的光通量跨阵列15变化来 实现，如下所述。
[0201] 图23B是示意图，其示出了左眼和右眼照明相位的照明器元件阵列的光通量分布 的图W及调整右眼照明相位的波导1的照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方法。因 此，右眼光通量分布279可不同于左眼光通量分布281。箭头271示出了与恒定的光通量分 布269相比，对应于各自的光学窗位置262处的箭头270的相应光源的按比例缩放的光通 量下降，从而在输出光由右图像调制时达到右眼光通量分布279,并且在输出光由左图像调 制时达到左眼光通量分布281。
[0202] 有利的是，阵列15的功率消耗可在2D模式中显著降低，同时在左眼与右眼之间维 持相同的亮度，从而改善显示器亮度。相似地，用于自动立体显示器、防窥显示器或高效2D 模式显示器的目的的观察者跟踪显示器可实现低功率消耗，同时针对左眼图像和右眼图像 维持显示器的舒适的亮度性能。
[0203] 在W上例子中，实现对按比例缩放的光通量的控制W提供朗伯型的发光强度分布 266或增益大于一的发光强度分布272。然而，该不是限制性的，并且可控制按比例缩放的 光通量W便提供其他形状的发光强度分布。现在给出一些例子。
[0204] 图24是示意图，其示出了波导1的窗平面中的光学窗发光强度与对应于输出方向 的角度的观察位置的曲线图。可需要进一步修改发光强度分布，例如W与分布272相比，在 轴向位置附近提供较宽的朗伯型行为区域，而在离轴位置中增加分布274的倾斜度。有利 的是，显示器可在轴向上具有基本上朗伯型行为，可针对离轴观察具有足够的光，同时针对 离轴观察实现低功率消耗。
[0205] 图25是示意图，其示出了波导1的窗平面中的光学窗发光强度与对应于输出方向 的角度的观察位置的另外的曲线图。因此，分布276可具有非常窄的中也区域并且快速下 降至背景照明分布。
[0206] 所述分布（例如266、272、274或276)可通过用户选择或通过控制系统的自动选 择来控制，例如使用图13所示的光通量控制器580。有利的是，可修改显示器的特性W满足 剩余的电池寿命、防窥要求、多个观察者、显示器亮度环境、用户体验和其他用户要求。
[0207] 图26A是示意图，其示出了波导1的窗平面中的光学窗发光强度与对应于输出方 向的角度的观察位置的另外的曲线图，并且图26B是示意图，其示出了用于补偿光源退化 的照明器元件阵列的光通量分布的图。照明器元件诸如LED (包括氮化嫁蓝光发射器和黄 色磯光体）可经历老化，其中按比例缩放的光通量和色度可随使用而变化。具体来讲，与离 轴照明器元件相比可更频繁地使用轴向照明器元件，离轴照明器元件可提供发光度的不均 匀降级。此类误差可如图所示由来自相应照明器元件的按比例缩放的光通量的分布279来 校正。有利的是，可在整个装置寿命中维持显示器的亮度分布。
[020引图27A是示意图，其示出了处于横向模式的定向显示设备的正视图。因此，显示器 290可提供竖直观察窗292。图27B是示意图，其示出了处于纵向模式的定向显示设备的正 视图。因此，在旋转显示器290时，观察窗292变为水平的，在此类显示器W防窥模式或省电 模式使用时，可需要调整发光强度分布，如图27C所示。图27C是示意图，其示出了在用于 图27B的布置方式的波导1的窗平面中的光学窗的发光强度与观察位置的另外的曲线图。 因此，分布294可与轴向位置偏置，从而针对优选的竖直观察位置实现高亮度，同时针对其 他观察角度实现低功率消耗，同时维持可见的显示器。
[0209] 图28是示意图，其示出了波导1和用于在距波导1相同距离（下文中称为"竖 直"）和/或沿波导1的第一引导表面的法线的垂直于横向方向的方向上的观察者运动的 观察窗26的侧视图。图29是示意图，其示出了照明器元件的阵列15的光通量分布图W及 在图28的观察者运动的情况下调整波导1的照明器元件15n的按比例缩放的光通量的方 法。在该种情况下，根据如上所述由传感器系统检测的观察者的位置来控制按比例缩放的 光通量，W提供输出光的发光强度，该发光强度随在横向方向上检测到的观察者的位置的 角度而变化，并且还随观察者的竖直位置和/或沿着波导1的第一引导表面的法线的观察 者的位置而变化。在第一实施例中，对于竖直观察位置601、603、605,可提供相应的光通量 分布600、602、604。有利的是，随着观察者移动远离优选的竖直观察位置，可相应地调整输 出光通量分布。分布600、602、604的轮廓在此处被示出为不同的形状；可修改所述分布的 形状，例如W针对优选的竖直视角实现高质量朗伯输出，而且针对不同视角实现较高的增 益性能，从而节省用于从那些方向观察的功率。相似地，远离窗平面106到平面607的观察 者运动可用W修改跨阵列15的光通量分布。
[0210] 观察者跟踪显示器针对移动的观察者可遭受图像闪烁。对于近似在窗平面处的观 察者，整个显示器可由于窗平面中的集成光学窗阵列121的不均匀性而同时改变强度。如 果观察者远离窗平面或照明系统输出异常，则显示器表面的不同区域可看起来不同量地闪 烁。需要跟踪系统和照明转向系统配合W移除针对移动的观察者的闪烁，该可通过降低感 知到的强度变化的幅度来实现。
[0211] 例如，移动到未照明光学窗中的眼睛可在显示器上看到大的强度变化。可需要在 移动之前增加该个窗的强度，使得可减少闪烁伪影。然而，增加光学窗的强度，尤其是增加 位于观察者双眼之间的两眼间光学窗的强度，可增加图像串扰，并且可使3D图像质量降 级。另外，在观察者基本上静止时、在需要低串扰时W及在观察者正在移动时、在需要低闪 烁时增加窗强度可导致另外的闪烁伪影。
[0212] 图30是示意图，其示出了在如上所述操作显示装置W提供自动立体3D显示器的 例子中在观察者在观察位置之间移动期间的观察窗的布置方式。另外，图30示出了在观察 者的运动期间并且被布置用于减少显示器闪烁同时基本上维持减少的图像串扰的光学窗 阵列721的另一种转换布置方式。
[0213] 在图30中，控制照明器元件15n W根据检测到的观察者的位置来将光导向至在对 应于观察者的左眼和右眼的位置中的左观察窗730和右观察窗732,所述观察窗各自包括 多个光学窗。在该个例子中，在左观察窗730与右观察窗732之间存在一个光学窗的间隙， 但或者，可不存在间隙或存在更大的间隙。在该个例子中，左观察窗730和右观察窗732中 的每一者均包括五个光学窗，但一般来讲，观察窗可包括任何数量的光学窗。
[0214] 在观察窗包括至少两个光学窗的情况下，可控制照明器元件15n W输出具有按比 例缩放的光通量的光，该按比例缩放的光通量在左观察窗730和右观察窗732中的每一者 上变化。在图30的例子中，在左观察窗730和右观察窗732中的每一者上的按比例缩放的 光通量的分布如下所述。
[0215] 该分布针对在左观察窗730和右观察窗732中也的光学窗730和734具有全局最 大值。另外，左观察窗730和右观察窗的分布在该全局最大值的两侧上减小，即在左观察窗 730的光学窗722和726中W及在右观察窗732的光学窗724和728中减小。图30的例子 示出了光学窗阵列730的每一侧上的单个光学窗722、724、726、728具有减小的按比例缩放 的光通量，但一般来讲，不止一个光学窗可具有相同或不同水平的减小的按比例缩放的光 通量。光学窗722、724、726、728的减小的按比例缩放的光通量可由照明水平、脉冲宽度或 脉冲图案或该些的任何组合的变化来实现。
[0216] 有利的是，使用图30的光通量转换可减少观察者感知的闪烁，同时基本上维持低 串扰，并且从而可改善显示质量。此类实施例可实现适合于静止观察者和移动观察者两者 的窗，同时减小由增大相邻或两眼间光学窗的强度引起的闪烁效应。尤其通过减少邻近另 一观察窗的观察窗的侧面上的按比例缩放的光通量来减少闪烁，即对于左观察窗730,在右 观察窗732的侧面上的光学窗726中，并且相似地，对于右观察窗732,在左观察窗730的侧 面上的光学窗724中减小到低于全局最大值。
[0217] 有利的是，在例如电池供电的设备中减少被照明的光学窗的数目，该可延长电池 操作时间。减少被照明的光学窗的数目可增加感知到的闪烁。
[021引图31至图35示出了可在窗平面处跨左观察窗和右观察窗施加的按比例缩放的光 通量的一些其他分布，是发光强度700与在横向方向（y方向）上的输入位置702的示意性 曲线图。
[0219] 图31示出了用于观察者i的左眼110和右眼108的分布708、710。眼睛位置704、 706可随后用于确定在跨窗平面的给定位置处的强度和串扰。图31的布置方式可用于近似 完美的窗，使得观察不到串扰，然而，此类窗通常是不存在的。
[0220] 图32示出了分布712、714,其具有倾斜侧使得眼睛看到来自相邻观察窗的一些 光，从而给用户造成不期望的图像串扰和视觉疲劳。
[0221] 图33示出了分布712、714,其类似于图32,但更宽地分离，例如，如可通过照明其 中具有基本上相同的按比例缩放的光通量的实现左观察窗730和右观察窗732的照明器元 件来实现。有利的是，减小了串扰。然而，观察者的小的运动可减小显示强度，该在观察者 跟踪显示器中形成针对移动的观察者的闪烁。
[0222] 图34示出了分布716、718,其类似于将在图30的布置方式中实现的分布。此类布 置方式针对移动的观察者增大了在观察者鼻部附近的窗的强度，而且针对静止的观察者具 有减小的图像串扰。
[0223] 图35示出了用于右眼的分布714,其示出了由不均匀窗强度分布引起的显示均匀 度的不均匀性。观察者的右眼108可W距离746定位在窗平面106与显示装置720之间。 因此，从显示区域742导向到眼睛108的光线是可被导向到窗714的均匀部分723的那些光 线，并且来自显示区域724的光线是可被导向到窗714的不均匀部分725的那些光线。该 样，不均匀的窗结构对于不在窗平面中的观察者可导致显示不均匀性，使得显示器720的 区域742和744具有不同的强度分布。因此，需要减少"生硬的"（坡度尖锐）窗边界W减 少显示器平面中伪影的可见度。因此，图30的灰度布置方式可有利地实现用于移动和未移 动的观察者的改善的均匀度可见度性能，同时实现减少的图像串扰。
[0224] 图36至图41是示意图，其示出了可在窗平面处在左观察窗和右观察窗上施加的 一些另外不均匀光通量分布，是按比例缩放的光通量263与在横向方向（y方向）上的输入 位置261的示意性曲线图。在各种情况下，左眼观察窗730包括具有光通量分布772的多 个光学窗770,并且右眼观察窗732包括具有光通量分布774的多个光学窗771。在各种情 况下，在左观察窗730和右观察窗732中的每一者内，光通量分布772、774是不均匀的，分 别具有全局最大值773、775,并且在那些全局最大值773、775的两侧上减小。在该些例子 中，左观察窗730和右观察窗732中的每一者包括五个光学窗，但一般来讲，可向包括任何 数目的至少H个光学窗的观察窗提供在全局最大值的两侧上减小的类似分布。
[0225] 照明器元件的全局最大值773、775可在观察者跟踪显示器中根据使用传感器系 统获得的观察者99的检测位置由光学系统朝向观察者的瞳孔导向。全局最大值773、775 可例如被布置用于定位在观察者99的测得的鼻部位置的每一侧上的32mm处。
[0226] 可W看到，图36的光通量分布基本上实现光学窗和观察窗布置方式的类似分布， 然而，与图36的分布相比，光学系统内的漫射和散射可用于使此类窗布置方式模糊。
[0227] 与具有基本上恒定的光通量分布的观察窗相比，可尤其在显示区域的中也区域中 获得所观察的图像的亮度。可减少系统中存在的光的量，因此可使来自杂散光的串扰减到 最小。可通过提供较宽的总窗宽度W用于类似或更小的串扰来进一步减小针对移动的观察 者的闪烁伪影的可见度。另外，可降低设备的总功率消耗，从而增加效率并降低成本。
[022引图36示出了观察者99的检测位置与波导1的光轴232对准的情况，而图37示出 了相对于波导1的光轴232横向移动的观察者99的情况。因此，左观察窗730和右观察窗 732的光通量分布772、774可根据观察者99的检测位置横向移位，同时维持观察窗上的强 度变化。有利的是，与用于观察窗的均匀的按比例缩放的光通量照明器元件相比，可减少外 部光学窗的强度变化，从而减少针对移动观察者99的闪烁。
[0229] 图38示出了用于相对于波导1的光轴232横向移动的观察者的左观察窗730和 右观察窗732的替代形式。在该种情况下，全局最大值773、775可被布置用于遵循光通量 分布777、779 W实现光学窗的朗伯型发光强度分布，并且可跟踪例如发光强度分布769。可 相应地W按比例缩放的光通量修改未在全局最大值773、775处的照明器元件770、771。有 利的是，从一系列视角来看显示器可表现出相同的亮度，同时实现减少的串扰、闪烁和功率 消耗。或者，可通过进一步针对离轴观察位置减小显示器亮度来实现另外的功率节省特性。 可修改分布769 W增加显示器的增益并且进一步针对离轴位置减小功率消耗。
[0230] 图39示出了用于观察者的左观察窗730和右观察窗732的替代形式，与图36相 比，该观察者沿波导1的光轴232纵向移动，即沿波导1的第一引导表面的法线移动。在该 种情况下，按比例缩放的光通量还根据检测到的纵向位置而变化，在该例子中用于提供包 括较平坦的光通量分布的相应的光学窗和观察窗。如图35所示，跨光学窗的发光强度的变 化可提供显示均匀度的变化。随着观察者相对于显示器纵向移动，不均匀度可增大，因为可 跨显示区域捕获更多的光学窗。因此，可需要减少跨光学窗的强度变化。
[0231] 另外，用户可选择用于整个显示器W及窗内的优选的增益分布，W适合对效率、串 扰、均匀度和图像闪烁W及所测得的眼间距的个人偏好。
[0232] 图40和图41示出了左观察窗730和右观察窗732的替代形式。此处，被导向到 观察者双眼之间的光学窗并且因此位于全局最大值773、775之间的照明器元件的按比例 缩放的光通量被减少的量小于位于最大值773、775外部的照明器元件的按比例缩放的光 通量的减少量。此类布置方式远离窗平面106朝向用于观察者99的显示器的边缘提供一 些光，同时针对显示器的中也处的区域实现相对均匀的亮度。有利的是，维持显示均匀度， 同时减少感知的图像闪烁。
[0233] 在W上例子中，操作显示装置W提供自动立体3D显示，而在操作显示装置W显示 2D图像并且控制系统操作光源15 W根据观察者99的检测位置将光导向到单个观察窗中的 情况下可施加跨观察窗的按比例缩放的光通量的类似变化。现将描述该种情况的例子。
[0234] 图42是示意图，其示出了横向取向的2D定向显示器。显示装置100被布置用于根 据在横向方向上观察者99的检测位置来提供单个观察窗790。控制光源W输出具有按比例 缩放的光通量的光，所述按比例缩放的光通量跨光源阵列变化，W提供在发光强度分布793 中随检测到的观察者的位置的角度而变化的发光强度，所述发光强度分布793具有与观察 者99的右眼791和左眼792基本上对准的全局最大值773、775。所述阵列15被布置有未 被照明的照明器元件797和阵列15的照明器元件的被照明的组804,从而在观察窗790中 实现全局最大值773、775。阵列15可被布置有基本上恒定的间距803 W在与显示器中的不 对称漫射体68和其他散射部件结合来成像时使观察窗中的不均匀度减到最小。
[0235] 因此，照明器元件的阵列15可设置在不同的输入位置261处，在跨波导的输入端 的横向方向上具有恒定的间距803,从而按比例缩放的光通量是照明器元件15n的实际光 通量。
[0236] 另外，可对应于离轴观察位置提供照明器元件802,所述离轴观察位置具有比用于 轴向观察位置的照明器元件大的间距和/或低的按比例缩放的光通量。与用于更多轴向位 置的照明器元件的按比例缩放的光通量的控制结合，此类照明器元件可在不损害所需的光 学窗输出的情况下降低照明器元件阵列的成本。
[0237] 图43是示意图，其示出了用于图42的显示器的按比例缩放的光通量与输入位置 的曲线图。因此，2D显示器的照明可被布置用于提供与朗伯型照明显示器相比降低的功率 消耗。该显示器的操作类似于针对图36至图41所示的操作，然而，组804被布置用于在双 眼的单个相位中被照明，并且可提供连续的操作。有利的是，可降低装置的功率消耗，同时 针对窗平面处的观察者实现显示器的中也的基本上相同的亮度，并且使针对移动观察者的 显示闪烁减到最小。另外，空间光调制器48可连续操作而非与左眼和右眼照明相位同步操 作，从而降低空间光调制器48的成本。
[023引图44是示意图，其示出了纵向取向的2D定向显示器。与在横向取向中的窗的宽 度806(在横向方向上）相比，在纵向取向中的窗795的高度808(在横向方向上）被减小， 因为眼睛被平行布置为在观察窗795的X轴中并且可提供发光强度分布796。因此，与图 42的布置方式相比可有利地进一步减小功率消耗。
[0239] 图45是示意图，其示出了用于图44的显示器的按比例缩放的光通量与输入位置 的曲线图。因此，光学窗812的光通量分布800可具有比图44的布置方式窄的宽度W形成 观察窗794,并且可提供单个最大值810使得有利地针对远离窗平面的轴向观察位置最佳 地照明显示器的中也。观察窗794可为静止的，或可对应于观察者99的检测位置来调整。
[0240] 因此，可执行选择性地操作照明器元件W将光导向到对应于所述输出方向的不同 光学窗中的步骤，W将光导向到包括至少两个同时照明的光学窗812的至少一个观察窗 794中，控制照明器元件W输出具有光通量线密度263的光，所述光通量线密度根据观察者 99的检测位置而变化并且进一步在所述至少一个观察窗794的跨多个光学窗812变化。
[0241] 图46是示意图，其示出了控制系统和包括如上所述的定向背光源的定向背光源 设备的正视图，所述定向背光源包括波导1和照明器元件的阵列15。定向背光源设备包括 控制系统，如上所述，该控制系统实施控制照明器元件15n如下进行驱动信号的校准的方 法。
[0242] 来自照明器元件216的光线210被导向到反射端4,发生反射并且朝向输入端2导 回。来自光源216的一些光将通过光提取结构特征12来提取，而一些光将入射于输入端2 的至少一部分上。传感器元件208、214可在阵列15的两侧上被布置在位于阵列15的横向 范围外部的区域209、215中的输入端处。在区域212中，存在照明空隙W使得来自光源216 的光将不会基本上入射于传感器214上；然而，来自光源216的光线将入射于传感器208 上。每个传感器208、214可包括光强度测量传感器。优选地，如图46所示，传感器208、214 可包括光学滤波器202、206 W及光强度传感器200、204。此类布置方式可有利地对来自光 源216的光提供光强度的测量W及色度坐标的测量。W类似方式，来自光源218的光线220 可不入射于传感器208上，而是将入射于传感器214上。对于轴向测量，传感器208、214均 可检测来自各自轴向照明器元件217的光。
[0243] 可将来自传感器208、214的测得信号传递到照明控制器74,该照明控制器74使 用照明器元件驱动器233驱动阵列15的照明器元件，该照明器元件驱动器233可为电流驱 动器，其对驱动线路244具有灰度控制，W向照明器元件的阵列提供驱动信号。照明控制器 74响应于表示所感测到的光的测得信号来如下校准提供至照明器元件15n的驱动信号。
[0244] 阵列光通量分布控制器224可包括例如来自屏幕前测量的所存储的参考灰度分 布230,其可在制造时提供，例如包括用于图21B中的分布550的光通量分布数据。该允许 控制系统输出具有跨光源阵列的预定分布的按比例缩放的光通量，例如W如上所述改变按 比例缩放的光通量。
[0245] 来自传感器208、214的数据可被提供至例如校准测量系统222,该校准测量系统 222可向光通量分布控制器224内的查找表226提供数据。可由选择控制器228提供对发光 强度分布的另外的选择（例如，W在发光强度分布266、272、274、276、294之间进行选择）。 选择控制器可具有用户输入或通过显示器观察条件的感测来确定的自动输入。例如，观察 者数目、室内亮度、显示器取向、图像质量设置和/或功率节省模式设置可用于改变所选择 的分布。
[0246] 在装置制造中，可将传感器208、214响应于阵列15的每个光源的输出与来自放置 在显示器的窗平面中的相机或检测器的信号进行比较。该实现了内部传感器相对于窗平面 中的光的初始校准或定位。此类校准可存储在查找表或类似装置中。
[0247] 在校准模式的操作中，阵列15的单个照明器元件被照明，并且传感器208、214可 测量所述照明器元件的信号。媳灭所述照明器元件，操作所述阵列的下一个光源并进行测 量。将测量阵列的输出与工厂校准进行比较，使得可内插用于给定光通量分布的输出发光 强度。接着由控制器224和照明器元件控制器233导出用于所需发光强度分布的适当光通 量分布，该照明器元件控制器233被适当地配置为实现所需的光通量分布。
[024引有利的是，来自整个阵列15的光可由传感器208、214的组合测量，并且可实现所 需的发光强度分布。
[0249]因此，所述对入射于输入端2上的光的感测可使用被布置于在横向方向上位于照 明器元件阵列15外部的输入端2的区域209处的传感器元件208。所述对入射于输入端 2上的光的感测可使用在照明器元件阵列的两侧上被布置于在横向方向上位于照明器元件 阵列15外部的输入端2的区域209、215处的传感器元件208、214。
[0巧0] 传感器系统可仅在显示器制造期间与波导1布置在一起W用于表征目的并且在 产品制造完成之后被移除。优选地，传感器系统可在正常操作期间与波导1布置在一起。现 场校准阶段可应用于显示器接通期间。空间光调制器可在校准期间被布置有黑色图像W去 除校准阶段对用户的可见度。可例如每天、每周或每月重复校准阶段，W补偿如图26A至图 26B所示的老化伪影。
[0251] 图47是示意图，其示出了控制系统和定向背光源设备的正视图，该类似于图47的 内容，但具有W下修改，其中传感器208、214被移除并且通过在感测模式中使用阵列15的 照明器元件来替代，如将描述的。因此，在操作的校准模式中，一个照明器元件被照明，并且 所有其他照明器元件被布置用于感测光而非发射光。W参照图46所述的相同方式使用输 入端上所感测到的光。
[0252] 在使用照明器元件15n来感测光时，进行积分强度测量W提供总检测强度的平均 化。因此，尽管照明器元件单独地可能不提供高质量测量，但阵列的信噪比可改善性能。一 旦已经进行性能校准并且将其与工厂设置进行比较，则可实现所需发光强度分布，如参照 图46所述。有利的是，可降低或消除传感器的成本，并且所述感测可在输入端处的广泛范 围的位置上发生，从而提供光学性能的平均化。
[0253] 图48是示意图，其示出了针对操作的校准模式驱动照明器元件的设备。在该种情 况下，照明器元件是LED 248,并且通过在反向偏压下操作LED 248来执行对光的感测。图 48示出了包括LED 248的半导体p-n结装置，该LED 248可使用第一正向偏压来作为照明 器元件操作，并且还可使用反向偏压来作为光电检测器操作。在使用正向偏压的操作中，从 驱动放大器244驱动LED 248,驱动放大器244具有信号输入243和启用输入251，使得当 开关253在GND位置254中时，放大器244被启用并且LED 248响应于信号输入243而发 射光252。
[0巧4] 当开关253在位置256中时，向LED 248的阴极施加正电压，使得其被布置为具有 反向偏压。在反向偏压中，LED 248操作W与光电放大器246配合检测光250。因此，电路 系统240可将p-n结装置248作为LED或光电检测器来操作。
[0巧日]有利的是，该使得同一 L邸阵列15能够通过合适的电路系统240来充当光电检测 器阵列。阵列的每个光源可具有图48的布置方式，并且阵列15中的每个单独p-n结装置 可具有其自身的光电放大器246。
[0256] 图49是示意图，其示出了处于操作的校准模式中的照明器元件阵列。还如图49所 示，阵列15的一个p-n结可由驱动放大器244使用正向偏压驱动为LED,其可通过开关249 来与被驱动为检测器的P-n结分离。可在阵列15中的其他位置处配置类似开关。有利的 是，一个W上p-n结装置248的电流输出可在光电放大器246的虚拟接地输入处汇总。有 利的是，可改善检测灵敏度并且可减少光电放大器246的数目。
[0巧7] 照明器元件可通常包括白光LED,尤其是包括氮化嫁蓝色发光芯片和波长转换层 的LED,该波长转换层通常是磯光体，其被布置用于将一些蓝光转换为黄光。蓝光和黄光组 合可实现白光输出。在操作中，蓝色发光元件和黄色发光元件可按不同速率改变输出，因此 白光输出的色温可随时间而变化。颜色变化可提供光学窗的色度变化，因此提供观察窗中 的所感知到的亮度和色度改变。此类改变可对移动的观察者增加显示器闪烁，并且在整个 显示区域上实现不均匀度。将需要针对此类色度改变来补偿照明器元件的输出。
[0巧引图50是示意图，其示出了被布置用于实现颜色校正的照明器元件阵列的正视图。 照明器元件阵列400可被布置成与波导1的输入端402对准。阵列的每个照明器元件封装 412可包括第一氮化嫁芯片404和第二氮化嫁芯片408 W及各自对准的磯光体406、410,其 中与输入孔402相比该对W纵向布置方式对准。单独的驱动线路405、407被布置用于提供 跨照明器元件的阵列15的所需光通量分布。磯光体可为稀±宏观磯光体或可为量子点磯 光体。
[0巧9]图51是示意图，其示出了被布置用于实现颜色校正的另一照明器元件阵列的正 视图。封装件可与输入端402相比被布置成横向取向，因此输入端可具有减小的高度，并且 可实现较高效率。在此类布置方式中，窗平面106中的相邻光学窗可具有不同色外观；然 而，在横向方向上由光学窗的不对称漫射体68产生的漫射可被布置用于减小窗平面中的 色变化。有利的是，该种布置方式与图50的布置方式相比可针对反射端4的给定高度实现 波导1的较高效率和较低串扰。
[0260] 图52是示意图，其示出了光学窗色度变化的图W及用于校正色度变化的方法。因 此，在具有光谱轨迹420和白点轨迹426的CIE 1931x-y色度图上，色度坐标的工厂设置 (为两个光源404、406和408、410的平均值）可被提供为点422。在老化之后，平均色度可 在方向430上移动到点424。此类色度可使用分别如图46所示的传感器204和200与滤波 器元件206和202来测量。图46的控制系统可进一步针对每个照明器元件沿着驱动线路 405、407提供不同的被校正的驱动信号，W校正所述输出色度变化，并且将色度坐标在方向 428上移回到点422。
[0261] 另外，照明器元件的色度和输出可随温度而变化。因此，例如对于轴向位置，阵列 15的使用率高的部分中的照明器元件可在比阵列的较少使用的部分更高的温度下操作。因 此，在操作中，照明器元件的亮度可由于温度效应而随时间变化。传感器208、214可被布置 用于在显示器操作期间操作W如上所述使用控制系统补偿所述温度变化。因此，非操作的 照明器元件或独立的传感器可被布置用于连续监视输出亮度并且动态地提供对照明器元 件输出的调整。
[0262] 图53是示意图，其示出了照明器元件阵列的正视图，并且图54是示意图，其示出 了照明器元件阵列的正视图W及用于校正照明器元件故障的方法。在操作中，观察窗26可 包括来自相邻光学窗249的光，使得针对窗平面中的给定观察位置，观察窗例如包括来自 至少两个并且优选地H个或更多个照明器元件的光，如由区域560所示。照明器元件的故 障可导致观察窗轮廓的倾斜，并且可由感测系统检测，例如图46中所描述的感测系统。此 类故障可如上所述来进行补偿，并且还可通过向相邻照明器元件增加至驱动线路566、568 的驱动，从而移除至驱动线路564的驱动来进行补偿。
[0263] 照明器元件15n的阵列15的光源420的间距421可包括光的宽度422、426,与具 有较高蓝光含量的包括GaN芯片区域的宽度424相比，所述宽度422、426由于主要为磯光 体发射而具有较高黄光含量。另外，间隙428 (其可包括光源机械、热和电封装的部分）可 没有光发射。按比例缩放的光通量因此是跨间距421的平均光通量的量度。间距421可跨 照明器元件15n的阵列15的横向宽度变化。
[0264] 如本文可能所用，术语"基本上"和"大约"为其相应的术语和/或术语之间的相 关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在0%至10%的范围内，并且对应 于但不限于分量值、角度等等。各项之间的此类相关性在大约0%至10%的范围内。
[0265] 虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅W举 例的方式示出，而并非限制。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的 限制，而应该仅根据产生于本发明的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施 例中提供了上述优点和特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上 述优点的方法和结构。
[0266] 另外，本文的章节标题是为了符合37CFR 1.77下的建议或者提供组织线索。该些 标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体地和W举例 的方式，虽然标题是指"【技术领域】"，但权利要求不应受到在该标题下选择用于描述所谓的 领域的语言的限制。此外，"【背景技术】"中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本发 明中的任何实施例而言是现有技术。"
【发明内容】
"也并非要被视为公开的权利要求中所述的 实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的"发明"的任何引用不应被用于辩称在该公开 中仅有一个新颖点。可W根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，并且此类 权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本发明基于 权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。
【权利要求】
1. 一种控制定向背光源的光源阵列的方法，所述定向背光源包括具有输入端的波导以 及在跨所述波导的输入端的横向方向上设置在不同输入位置处的所述光源阵列，所述波导 还包括用于沿着所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置 用于在相对于所述第一引导表面的法线的横向方向分布的输出方向上将来自所述光源的 输入光作为输出光导向穿过所述第一引导表面进入光学窗中，所述输出方向取决于所述输 入位置； 所述方法包括选择性地操作所述光源以将光导向到变化的光学窗中，控制所述光源以 输出光通量跨所述光源阵列变化的光，所述光通量在所述横向方向上与同所述相应光源相 关联的宽度成反比缩放。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通 量的光，所述光通量在具有跨所述输入端的所述输入位置的光通量分布中跨所述光源阵列 变化，所述光通量分布具有全局最大值且在所述全局最大值的任一侧上减小。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述光通量分布的全局最大值是就与所述波导的 光轴对准的所述光源而言的。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例 缩放的光通量的光，所述光通量在具有所述输入位置的光通量分布中随所述光源变化，所 述光通量分布产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在朗伯型发光强度分布中随所述 输出方向的角度而变化。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比 例缩放的光通量的光，所述光通量在具有所述输入位置的光通量分布中随所述光源变化， 所述光通量分布产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在实际发光强度分布中随所述 输出方向的角度而变化，所述实际发光强度分布具有对应于所述光通量分布的全局最大值 的最大发光强度，所述最大发光强度大于概念发光强度分布，所述概念发光强度分布是朗 伯型的并且在所有输出方向上具有与所述实际发光强度分布相同的总发光强度。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中 所述定向背光源是显示装置的一部分，所述显示装置还包括透射空间光调制器，所述 透射空间光调制器被布置用于从所述第一引导表面接收所述输出光并且对所述输出光进 行调制以显示图像，并且 所述方法还包括跨所述显示装置检测观察者的位置，执行所述选择性地操作所述光源 以将光导向到光学窗中的步骤以根据被检测到的观察者的位置将光导向到光学窗中，并且 控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量根据被检测到的观察 者的位置跨所述光源阵列变化。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通 量的光，所述光通量按这样的方式根据被检测到的观察者的位置跨所述光源变化，所述方 式产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在朗伯型发光强度分布中随在所述横向方向 上的被检测到的观察者的位置的角度而变化。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通 量的光，所述光通量按这样的方式根据被检测到的观察者的位置跨所述光源变化，所述方 式产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在实际发光强度分布中随在所述横向方向上 的被检测到的观察者的位置的角度而变化，所述实际发光强度分布具有大于概念发光强度 分布的最大发光强度，所述概念发光强度分布是朗伯型的并且在所有输出方向上具有与所 述实际发光强度分布相同的总发光强度。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通 量的光，所述光通量按这样的方式根据被检测到的观察者的位置跨所述光源变化，所述方 式产生所述输出光的发光强度，所述发光强度随在所述横向方向上的被检测到的观察者的 位置的角度并且随在沿着所述第一引导表面的法线的方向上的被检测到的观察者的位置 而变化。
10. 根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中执行所述选择性地操作所述光源以 将光导向到对应于所述输出方向的变化光学窗中的步骤以将光导向到包括至少两个被同 时照明的光学窗的至少一个观察窗中，控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量 的光，所述光通量根据被检测到的观察者的位置变化并且还跨所述至少一个观察窗的多个 光学窗变化。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个观察窗包括至少三个被同时照明 的光学窗，并且控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量在观 察窗分布中跨所述至少三个被同时照明的光学窗变化，所述观察窗分布具有全局最大值并 且在所述全局最大值的两侧上减小。
12. 根据权利要求6至8中任一项所述的方法，还包括控制所述空间光调制器以显示时 间多路复用的左图像和右图像，同步执行所述光源的选择性操作以将所述所显示的左图像 和右图像导向到对应于所述观察者的左眼和右眼的光学窗中，这根据被检测到的观察者的 位置来进行。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中控制所述光源以输出具有光通量线密度的光， 所述光通量线密度根据所述输出光是由左图像还是右图像调制而跨所述光源阵列变化。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光 通量的光，所述光通量按这样的方式根据所述输出光是由左图像还是右图像调制来跨所述 光源阵列变化，所述方式产生与朗伯型发光强度存在差异的所述输出光的发光强度，所述 发光强度随在所述横向方向上的所述观察者的左眼和右眼的角度而变化。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中执行所述选择性地操作所述光源以将光导 向到对应于所述输出方向的变化光学窗中的步骤以将光导向到包括至少两个被同时照明 的左光学窗的左观察窗和包括至少两个被同时照明的右光学窗的右观察窗中，控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量还跨所述左观察窗和右观察窗中 的每一个的所述至少两个光学窗变化。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光 通量的光，所述光通量在左观察窗分布中跨所述至少两个被同时照明的左光学窗变化并且 在观察窗分布中跨所述至少两个被同时照明的右光学窗变化，所述左观察窗分布具有全局 最大值并且在所述全局最大值的邻近于所述右观察窗的那侧上减小，所述观察窗分布具有 全局最大值并且在所述全局最大值的邻近于所述左观察窗的那侧上减小。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述左观察窗分布在所述全局最大值的两侧上 减小，并且所述右观察窗分布在所述全局最大值的两侧上减小。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中 所述定向背光源是显示装置的一部分，所述显示装置还包括透射空间光调制器，所述 透射空间光调制器被布置用于从所述第一引导表面接收所述输出光并且对所述输出光进 行调制以显示图像，并且 所述方法还包括控制所述空间光调制器以显示时间多路复用的左图像和右图像，同步 执行所述光源的选择性操作以将光导向到包括至少两个被同时照明的左光学窗的左观察 窗和包括至少两个被同时照明的右光学窗的右观察窗中，控制所述光源以输出具有所述按 比例缩放的光通量的光，所述光通量还跨所述左观察窗和右观察窗中的每一个的所述至少 两个光学窗变化。
19. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一引导表面被布置用于通过 全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征以及位于所述光提取 结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出光穿过所述 第一引导表面离开的方向上反射被引导穿过所述波导的光，所述中间区域被布置用于在不 提取光的情况下将光导向穿过所述波导。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，所述阶梯形 状包括作为所述光提取结构特征的小平面以及中间区域。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述第二引导表面的小平面被布置用于通过全 内反射来反射光，借此与所述输入光的光通量成比例、由所述小平面反射的所述输出光的 光通量针对不同光源具有变化，控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光， 所述光通量按这样的方式跨所述光源阵列变化，所述方式补偿由所述小平面反射的所述输 出光的光通量的所述变化。
22. 根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中 所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面是基本 上平坦的并且以一定角度倾斜以在破坏所述全内反射的方向上反射光，以用于穿过所述第 一引导表面输出光，并且 所述显示装置还包括跨所述波导的第一引导表面延伸的偏转元件，以用于将光朝向所 述空间光调制器的法线偏转。
23. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述波导还包括面向所述输入端的 反射端以用于将来自所述输入光的光反射回穿过所述波导，所述波导被布置用于将来自所 述光源的输入光在从所述反射端反射之后作为输出光导向穿过所述第一引导表面。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述反射端在跨所述波导的横向方向上具有正 光焦度。
25. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光源阵列在跨所述波导的输入 端的所述横向方向上设置在具有恒定间距的不同输入位置处，借此所述按比例缩放的光通 量是所述光源的实际光通量。
26. -种定向显不设备，包括： 显示装置，所述显示装置包括： 波导，所述波导具有输入端； 光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的输入端的横向方向上设置在不同输入位置 处， 所述波导还包括用于沿着所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所 述波导被布置用于将来自所述光源的输入光作为输出光在相对于所述第一引导表面的法 线的横向方向分布的输出方向上导向穿过所述第一引导表面进入光学窗中，所述输出方向 取决于所述输入位置；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置用于接收来自所述第一引导表面的 所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像；以及 控制系统，所述控制系统被布置用于选择性地操作所述光源以将光导向到变化的光学 窗中，并且控制所述光源以输出光通量跨所述光源阵列变化的光，所述光通量在所述横向 方向上与同所述相应光源相关联的宽度成反比缩放。
27. 根据权利要求26所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量在具有跨所述输入端的所述输入 位置的光通量分布中跨所述光源阵列变化，所述光通量分布具有全局最大值且在所述全局 最大值的任一侧上减小。
28. 根据权利要求27所述的定向显示设备，其中所述光通量分布的全局最大值是就与 所述波导的光轴对准的所述光源而言的。
29. 根据权利要求26至28中任一项所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用 于控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量在具有所述输入位 置的光通量分布中随所述光源而变化，所述光通量分布产生所述输出光的发光强度，所述 发光强度在朗伯型发光强度分布中随所述输出方向的角度而变化。
30. 根据权利要求26至28中任一项所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用 于控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量在具有所述输入位 置的光通量分布中随所述光源而变化，所述光通量分布产生所述输出光的发光强度，所述 发光强度在实际发光强度分布中随所述输出方向的角度而变化，所述实际发光强度分布具 有对应于所述光通量分布的全局最大值的最大发光强度，所述最大发光强度大于概念发光 强度分布，所述概念发光强度分布是朗伯型的并且在所有输出方向上具有与所述实际发光 强度分布相同的总发光强度。
31. 根据权利要求26所述的定向显示设备，其中 所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测在所述显示装置对 面的观察者的位置， 所述控制系统被布置用于选择性地操作所述光源以根据被检测到的观察者的位置将 光导向到光学窗中，并且 所述控制系统被布置用于控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所 述光通量根据被检测到的观察者的位置跨所述光源阵列变化。
32. 根据权利要求31所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量按这样的方式根据被检测到的观 察者的位置跨所述光源变化，所述方式产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在朗伯 型发光强度分布中随在所述横向方向上的被检测到的观察者的位置的角度而变化。
33. 根据权利要求31所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量按这样的方式根据被检测到的观 察者的位置跨所述光源变化，所述方式产生所述输出光的发光强度，所述发光强度在实际 发光强度分布中随在所述横向方向上的被检测到的观察者的位置的角度而变化，所述实际 发光强度分布具有大于概念发光强度分布的最大发光强度，所述概念发光强度分布是朗伯 型的并且在所有输出方向上具有与所述实际发光强度分布相同的总发光强度。
34. 根据权利要求31所述的定向显示设备，其中所述光源被控制用于输出所述按比例 缩放的光通量按这样的方式根据被检测到的观察者的位置跨所述光源变化的光，所述方式 产生所述输出光的发光强度，所述发光强度随在所述横向方向上的被检测到的观察者的位 置的角度并且随在沿着所述第一引导表面的法线的方向上的被检测到的观察者的位置而 变化。
35. 根据权利要求31至34中任一项所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用 于控制所述光源以将光导向到包括至少两个被同时照明的光学窗的至少一个观察窗中，并 且输出所述按比例缩放的光通量根据被检测到的观察者的位置变化并且还跨所述至少一 个观察窗的多个光学窗变化的光。
36. 根据权利要求35所述的定向显示设备，其中所述至少一个观察窗包括至少三个被 同时照明的光学窗，并且所述控制系统被布置用于控制所述光源以输出具有所述按比例缩 放的光通量的光，所述光在观察窗分布中跨所述至少三个被同时照明的光学窗而变化，所 述观察窗分布具有全局最大值并且在所述全局最大值的两侧上减小。
37. 根据权利要求31至33中任一项所述的定向显示设备，所述定向显示设备为自动立 体显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述空间光调制器以显示时间多路复用的 左图像和右图像，并且同步地选择性操作所述光源以根据被检测到的观察者的位置将所述 所显示的左图像和右图像导向到对应于所述观察者的左眼和右眼的光学窗中。
38. 根据权利要求37所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量根据所述输出光是由左图像还是 右图像调制而跨所述光源阵列而变化。
39. 根据权利要求38所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量按这样的方式根据所述输出光是 由左图像还是右图像调制来跨所述光源阵列而变化，所述方式产生与朗伯型发光强度存在 差异的所述输出光的发光强度，所述发光强度随在所述横向方向上的所述观察者的左眼和 右眼的角度而变化。
40. 根据权利要求38或39所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所 述光源以将光导向到包括至少两个被同时照明的左光学窗的左观察窗和包括至少两个被 同时照明的右光学窗的右观察窗中，并且所述控制系统被布置用于控制所述光源以输出具 有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量还跨所述左观察窗和右观察窗中的每一个的 所述至少两个光学窗而变化。
41. 根据权利要求40所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光 源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量在左观察窗分布中跨所述至少两 个被同时照明的左光学窗变化并且在观察窗分布中跨所述至少两个被同时照明的右光学 窗变化，所述左观察窗分布具有全局最大值并且在所述全局最大值的邻近于所述右观察窗 的那侧上减小，所述观察窗分布具有全局最大值并且在所述全局最大值的邻近于所述左观 察窗的那侧上减小。
42. 根据权利要求41所述的定向显示设备，其中所述左观察窗分布在所述全局最大值 的两侧上减小，并且所述右观察窗分布在所述全局最大值的两侧上减小。
43. 根据权利要求26所述的定向显示设备，所述定向显示设备为自动立体显示设备， 其中 所述控制系统被布置用于控制所述空间光调制器以显示时间多路复用的左图像和右 图像，所述控制系统被布置用于同步地控制所述光源以将光导向到包括至少两个被同时照 明的左光学窗的左观察窗和包括至少两个被同时照明的右光学窗的右观察窗中，并且所述 控制系统被布置用于控制所述光源以输出具有所述按比例缩放的光通量的光，所述光通量 还跨所述左观察窗和右观察窗中的每一个的所述至少两个光学窗变化。
44. 根据权利要求26至43中任一项所述的定向显示设备，其中所述第一引导表面被布 置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征以及位于 所述光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出 光穿过所述第一引导表面离开的方向上反射被引导穿过所述波导的光，所述中间区域被布 置用于在不提取光的情况下将光导向穿过所述波导。
45. 根据权利要求44所述的定向显示设备，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，所 述阶梯形状包括作为所述光提取结构特征的小平面以及所述中间区域。
46. 根据权利要求45所述的定向显示设备，其中所述第二引导表面的小平面被布置用 于通过全内反射来反射光，借此与所述输入光的光通量成比例、由所述小平面反射的所述 输出光的光通量针对不同光源变化，所述控制系统被布置用于控制所述光源以输出具有所 述按比例缩放的光通量的光，所述光通量按这样的方式跨所述光源阵列变化，所述方式补 偿由所述小平面反射的所述输出光的光通量的所述变化。
47. 根据权利要求26至43中任一项所述的定向显示设备，其中 所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面是基本 上平坦的并且以一定角度倾斜以在破坏所述全内反射的方向上反射光，以用于穿过所述第 一引导表面输出光，并且 所述显示装置还包括跨所述波导的第一引导表面延伸的偏转元件，以用于将光朝向所 述空间光调制器的法线偏转。
48. 根据权利要求26至47中任一项所述的定向显示设备，其中所述波导还包括面向所 述输入端的反射端以用于将来自所述输入光的光反射回穿过所述波导，所述波导被布置用 于将来自所述光源的输入光在从所述反射端反射之后作为输出光导向穿过所述第一引导 表面。
49. 根据权利要求48所述的定向显示设备，其中所述反射端在跨所述波导的横向方向 上具有正光焦度。
50. 根据权利要求26至49中任一项所述的定向显示设备，其中所述光源阵列在跨所述 波导的输入端的所述横向方向上设置在具有恒定间距的不同输入位置处，借此所述按比例 缩放的光通量是所述光源的实际光通量。
51. -种控制定向背光源的光源阵列的方法，所述定向背光源包括具有输入端的波导 以及在跨所述波导的输入端的横向方向上设置在不同输入位置处的所述光源阵列，所述波 导还包括用于沿着所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及用于将来 自所述光源的输入光反射回穿过所述波导的面向所述输入端的反射端，所述波导被布置用 于在相对于所述第一引导表面的法线的横向方向分布的输出方向上将来自所述光源的输 入光在从所述反射端反射之后作为输出光导向穿过所述第一引导表面进入光学窗中，所述 输出方向取决于所述输入位置，所述方法包括： 向所述光源提供驱动信号，所述驱动信号选择性地操作所述光源以将光导向到对应于 所述输出方向的变化光学窗中；以及 感测在从所述反射端反射之后从所述光源入射于所述输入端上的光，响应于入射于所 述输入端上的所述所感测到的光来校准所述驱动信号。
52. 根据权利要求51所述的方法，其中对入射于所述输入端上的光的所述感测使用在 所述横向方向上布置于所述输入端的在所述光源阵列外部的区域处的传感器元件。
53. 根据权利要求52所述的方法，其中对入射于所述输入端上的光的所述感测使用在 所述光源阵列的两侧上在所述横向方向上布置于所述输入端的在所述光源阵列外部的区 域处的传感器元件。
54. 根据权利要求51所述的方法，其中对入射于所述输入端上的光的所述感测使用所 述阵列的不被同时操作的光源。
55. 根据权利要求54所述的方法，其中所述光源是发光二极管，并且对入射于所述输 入端上的光的所述感测使用所述阵列的在反向偏压下操作的光源。
56. 根据权利要求51至55中任一项所述的方法，校准所述驱动信号的电平以使得所述 光源输出光通量具有跨所述光源阵列的预定分布的光。
57. 根据权利要求51至56中任一项所述的方法，其中所述第一引导表面被布置用于通 过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征以及位于所述光提 取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出光穿过所 述第一引导表面离开的方向上反射被引导穿过所述波导的光，所述中间区域被布置用于在 不提取光的情况下将光导向穿过所述波导。
58. 根据权利要求57所述的方法，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，所述阶梯形 状包括作为所述光提取结构特征的小平面以及所述中间区域。
59. 根据权利要求51至58中任一项所述的方法，其中 所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面是基本 上平坦的并且以一定角度倾斜以在破坏所述全内反射的方向上反射光，以用于穿过所述第 一引导表面输出光，并且 所述显示装置还包括跨所述波导的第一引导表面延伸的偏转元件，以用于将光朝向所 述空间光调制器的法线偏转。
60. 根据权利要求51至59中任一项所述的方法，其中所述反射端在跨所述波导的横向 方向上具有正光焦度。
61. 根据权利要求51至60中任一项所述的方法，其中所述定向背光源是显示装置的一 部分，所述显示装置还包括透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置用于从所述 第一引导表面接收所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像。
62. 根据权利要求61所述的方法，还包括控制所述显示装置以显示时间多路复用的左 图像和右图像，同步执行所述光源的选择性操作以将所述所显示的左图像和右图像导向到 处于对应于观察者的左眼和右眼的位置中的光学窗中。
63. 根据权利要求62所述的方法，还包括跨所述显示装置检测观察者的位置，根据被 检测到的观察者的位置执行所述光源的选择性操作以将所述所显示的左图像和右图像导 向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置中的光学窗中。
64. -种定向背光源设备，包括： 波导，所述波导具有输入端； 光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的输入端的横向方向上设置在不同输入位置 处， 所述波导还包括用于沿着所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以 及用于将来自所述光源的输入光反射回穿过所述波导的面向所述输入端的反射端，所述波 导被布置用于在相对于所述第一引导表面的法线的横向方向分布的输出方向上将来自所 述光源的输入光在从所述反射端反射之后作为输出光导向穿过所述第一引导表面进入光 学窗中，所述输出方向取决于所述输入位置；以及 控制系统，所述控制系统被布置用于向所述光源提供驱动信号，所述驱动信号选择性 地操作所述光源以将光导向到对应于所述输出方向的变化光学窗中， 所述控制系统被布置用于感测在从所述反射端反射之后从所述光源入射于所述输入 端上的光，并且响应于入射于所述输入端上的所述所感测到的光来校准所述驱动信号。
65. 根据权利要求64所述的定向背光源设备，其中所述控制系统还包括执行对光的所 述感测的被布置在所述输入端处的传感器元件。
66. 根据权利要求64所述的定向背光源设备，其中所述传感器元件在所述横向方向上 被布置于所述输入端的在所述光源阵列外部的区域处。
67. 根据权利要求66所述的定向背光源设备，其中所述传感器元件在所述光源阵列的 两侧上在所述横向方向上被布置于所述输入端的在所述光源阵列外部的区域处。
68. 根据权利要求64所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置用于使用所述 阵列的不被同时操作的光源执行对入射于所述输入端上的光的所述感测。
69. 根据权利要求68所述的定向背光源设备，其中所述光源是发光二极管，并且所述 控制系统被布置用于使用所述阵列的在反向偏压下操作的光源执行对入射于所述输入端 上的光的所述感测。
70. 根据权利要求64至69中任一项所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置 用于校准提供至所述光源的驱动信号，使得所述光源输出光通量具有跨所述光源阵列的预 定分布的光。
71. 根据权利要求64至70中任一项所述的定向背光源设备，其中所述第一引导表面被 布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征以及位 于所述光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为在允许作为所述输 出光穿过所述第一引导表面离开的方向上反射被引导穿过所述波导的光，所述中间区域被 布置用于在不提取光的情况下将光导向穿过所述波导。
72. 根据权利要求71所述的定向背光源设备，其中所述第二引导表面具有阶梯形状， 所述阶梯形状包括作为所述光提取结构特征的小平面以及所述中间区域。
73. 根据权利要求64至72中任一项所述的定向背光源设备，其中 所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面是基本 上平坦的并且以一定角度倾斜以在破坏所述全内反射的方向上反射光，以用于穿过所述第 一引导表面输出光，并且 所述定向背光源设备还包括跨所述波导的第一引导表面延伸的偏转元件，以用于将光 朝向所述空间光调制器的法线偏转。
74. 根据权利要求64至73中任一项所述的定向背光源设备，其中所述反射端在跨所述 波导的横向方向上具有正光焦度。
75. -种显不设备，包括： 根据权利要求64至74中任一项所述的定向背光源；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置用于接收来自所述第一引导表面的 所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像。
76. 根据权利要求75所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述 控制系统被布置用于控制所述显示装置以显示时间多路复用的左图像和右图像，并且同步 地选择性操作所述光源以将所述所显示的左图像和右图像导向到处于对应于观察者的左 眼和右眼的位置中的光学窗中。
77. 根据权利要求75或76所述的自动立体显示设备，其中 所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测所述显示装置对面 的观察者的位置，并且 所述控制系统被布置用于选择性地操作所述光源以将所述所显示的左图像和右图像 导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置中的光学窗中，所述操作是根据被检测到的 观察者的位置来执行的。
【文档编号】G02F1/13357GK104321686SQ201380026076
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】G·J·伍德盖特, M·G·鲁宾逊, J·哈罗德 申请人:瑞尔D股份有限公司