用于定向显示器的超透镜组件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及对来自用于通过局部 光源提供大面积照明的光导的光的修改，以便在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器通常使视差组件（诸如柱状透镜屏幕或视差屏障） 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。视差组件将来自像素组的每组的光导向到相应的不同方向以在显示器前面提 供第一观察窗和第二观察窗。眼睛看向第一观察窗的观察者可以使用来自第一组像素的光 看到第一图像；且眼睛看向第二观察窗的观察者可以使用来自第二组像素的光看到第二图 像。
[0003] 与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器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确定。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。可通过使光学元件散焦来减少此 类闪烁；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并且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，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于将光提供 至成像定向背光源的照明器阵列以及改变成像定向背光源的光学系统以重新导向并且控 制自动立体显示器系统的观察窗的附加光学元件。成像定向背光源可包括用于引导光的波 导以及超透镜光学组件。波导可包括第一光引导表面以及与第一光引导表面相对的第二光 引导表面。
[0005] 显示器背光源一般采用波导和边缘发光源。某些成像定向背光源具有将照明导向 穿过显示器面板进入观察窗的另外的能力。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形 成。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠式光学系统的光学阀，因此也可以是折叠式 成像定向背光源的例子。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，同 时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请序列No. 13/300, 293中所 述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
[0006] 授予嘉宝（Gabor)的美国专利2, 351，034描述了由微透镜组成的光学系统且示出 了对准的第一和第二微透镜屏幕阵列。
[0007] 显示器背光源的观察窗可以较高的质量布置在定向显示器的前面，所述定向显示 器可用于自动立体显示器、防窥显示器或高亮度显示器。将期望从背光源进一步控制观察 窗以提供对观察窗的结构的进一步修改，例如，以便增加观察窗的数目、旋转观察窗、改变 光源阵列中的光源的间距、实现可切换的横向和纵向操作模式，和/或移除或部分移除轴 外观察的空隙区域。
[0008] 根据本发明，提供一种显示器装置，其包括：透射式空间光调制器，其包括布置成 调制穿过其的光的像素阵列；波导，其具有输入端和用于沿着波导引导光的第一和第二相 对的引导表面，所述第一和第二相对的引导表面从所述输入端跨空间光调制器而延伸，其 中所述波导被布置成通过所述第一引导表面输出光以用于通过所述空间光调制器进行供 应，所述波导被布置成从不同的输入位置在相对于所述第一引导表面的法线的取决于所述 输入位置的输出方向上跨所述输入端导向输入光；及光学元件，其安置在所述波导与所述 空间光调制器之间，包括第一和第二透镜阵列，所述第一和第二透镜阵列是各自在相应的 第一子午线中具有正光焦度且在垂直于所述第一子午线的相应的第二子午线中不具有光 焦度的透镜，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间光调制器的法线在所述第一 和第二透镜阵列之间的中间延伸的相应的焦平面，每一阵列的透镜具有平行的第二子午 线。
[0009] 所述光学元件能够操作以在下文描述的实施例中提供各种有利效果。具体来说， 所述光学元件修改从波导传送至空间光调制器的光。此效果可以用于控制观察窗在各种输 出方向上的形式。
[0010] 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。另外，如将描述， 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 中，以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以便得到高 效的自动立体显示器。
[0011] 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 /或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以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/或光学演示中使用的装置、视觉外围设备 等，并且可用于多种计算环境。
[0012] 在详细讨论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，可以不同的组合和布置来阐 述本发明的各个方面，以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。
[0013] 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LED光源，来提供对 从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制所发射的光定向分布可实现：用于安全功 能的单人观察，其中仅可由单个观察者在有限的角度范围内看到显示器；较高的电效率，其 中在较小的角度定向分布上提供照明；用于时序立体和自动立体显示器的交替的左眼和右 眼观察；以及低成本。
[0014] 本领域的普通技术人员在阅读本
【发明内容】
全文后，本发明的这些和其他优点以及 特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0015] 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组件，并 且其中：
[0016] 图1A是根据本发明的示意图，其示出了光学阀设备的一个实施例中的光传播的 正视图；
[0017] 图1B是根据本发明的示意图，其示出了图1A的光学阀设备的一个实施例中的光 传播的侧视图；
[0018] 图2A是根据本发明的示意图，其示出了光学阀设备的另一实施例中的光传播的 俯视图；
[0019] 图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的光学阀设备的正视图示出了光传播；
[0020] 图2C是根据本发明的示意图，其以图2A的光学阀设备的侧视图示出了光传播；
[0021] 图3是根据本发明的示意图，其以光学阀设备的侧视图示出；
[0022] 图4A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了位于光学阀设备中并且包括弯 曲光提取特征的观察窗的生成；
[0023] 图4B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了位于光学阀设备中并且包括弯 曲光提取特征的第一和第二观察窗的生成；
[0024] 图5为根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取特征的光学阀设备中第一 观察窗的生成；
[0025] 图6A是根据本发明的示意图，其示出了时间多路复用成像定向背光源设备中的 第一观察窗的生成的一个实施例；
[0026] 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光学阀设备 中的第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0027] 图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用光学阀设备中的第一观 察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0028] 图7是根据本发明的示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备的观察者跟 踪自动立体显示设备；
[0029] 图8是根据本发明的示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备的多观察者 显不设备；
[0030] 图9是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备的防窥显示设备；
[0031] 图10A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学阀设备的结 构；
[0032] 图10B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了时间多路复用光学楔形定向背 光源设备的结构；
[0033] 图10C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学楔形定向背 光源设备的结构；
[0034] 图11是根据本发明的示意图，其示出了能够在水平和竖直方向上提供观察者跟 踪且包括定向背光源和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；
[0035] 图12是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备、超透镜和透射式空间光 调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；
[0036] 图13是根据本发明的示意图，其示出了包括光学楔形定向背光源、超透镜和透射 式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；
[0037] 图14是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和透射式空间光调制器 的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0038] 图15是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备、超透镜和透射式空间光 调制器的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0039] 图16A是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的正视图；
[0040] 图16B是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0041] 图16C是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0042] 图17是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0043] 图18A是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0044] 图18B是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0045] 图19A是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第一观察位置的光学阀设备的 观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0046] 图19B是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第二观察位置的光学阀设备的 观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0047] 图19C是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备的 观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0048] 图20A是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第一观察位置的光学阀设备和 超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0049] 图20B是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第二观察位置的光学阀设备和 超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0050] 图20C是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备和 超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0051] 图20D是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备和 超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
[0052] 图21是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0053] 图22是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
[0054] 图23A是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备、可切换超透镜和透射 式空间光调制器的自动立体显示器的侧视图；
[0055] 图23B是根据本发明的示意图，其示出了可切换超透镜的侧视图；
[0056]图24是根据本发明的示意图，其示出了包括在第一操作模式中的光学阀设备和 可切换超透镜的自动立体显示器的正视图；
[0057]图25是根据本发明的示意图，其示出了包括在第二操作模式中的光学阀设备和 可切换超透镜的自动立体显示器的正视图；
[0058] 图26是根据本发明的示意图，其示出了包括竖直取向的超透镜和透射式空间光 调制器的自动立体显示器的正视图；
[0059] 图27是根据本发明的示意图，其示出了包括倾斜取向的超透镜和透射式空间光 调制器的自动立体显示器的正视图；
[0060] 图28是根据本发明的示意图，其示出了包括控制系统的自动立体显示器的正视 图，所述控制系统被布置成使用多个观察瓣中的光来寻址自动立体显示器；
[0061] 图29是根据本发明的示意图，其示出了具有多个观察瓣中的光的超透镜的侧视 图；
[0062] 图30是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显 示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征；
[0063] 图31是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显 示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征和菲涅尔镜；
[0064] 图32是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显 示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征，所述超透镜包括弯曲透镜；
[0065]图33是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显 示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征，所述超透镜包括弯曲倾斜透镜；以及 [0066] 图34是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显 示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征，所述超透镜包括弯曲透镜。
【具体实施方式】
[0067]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，眼睛被布置成接收第一观察窗和第二观察窗 中的光的观察者将通过多个时隙看