处理之后，光可入射在菲涅尔透镜62和非对称漫射体412上，之后被导向到观 察窗26。如将在下文描述，超透镜500可有利地修改观察窗的光学输出。
[0117] 波导1按照上文参考图1到10B所述那样布置。因此，第一引导表面6可被布置 成通过全内反射引导光，并且第二引导表面可具有多个光提取特征12,所述多个光提取特 征经倾斜以在允许输出光穿过第一引导表面6离开的方向上反射被引导穿过波导1的光。 第二引导表面8可具有介于光提取特征12之间的中间区域10,所述中间区域被布置成将光 导向穿过波导1而不提取光。第二引导表面的中间区域10可平行于第一引导表面6而延 伸。光提取特征12可为横向延伸至中间区域10的反射小平面，并且第二引导表面8可具 有阶梯式形状，所述阶梯式形状可包括反射小平面12和中间区域10。
[0118] 波导1可具有面向输入端2的反射端4,以用于将光从阵列15的输入光源反射回 穿过波导1，波导1被布置成在从反射端反射光之后穿过第一引导表面6输出光。
[0119] 透镜阵列502和504中的每一者均包括各自在相应的第一子午线中具有正光焦度 且在垂直于第一子午线的相应第二子午线中不具有光焦度的透镜阵列。所述透镜因此是圆 柱形透镜，但第一子午线中的透镜表面的轮廓可具有圆形或非圆形的形状，因此在此上下 文中的词语"圆柱形"并不意指数学上对圆柱形形状的严格约束。透镜阵列502和504中 每一者的透镜的第二子午线彼此平行地延伸。在此例子中，两个透镜阵列502和504的间 距是相同的，且透镜阵列502和504的相应透镜彼此对准。
[0120] 第一透镜阵列502和第二透镜阵列504被进一步布置成在第一透镜阵列502与第 二透镜阵列504之间具有焦平面，所述焦平面各自垂直于SLM 48的法线而延伸。如将示出， 一般来说，第一透镜阵列502和第二透镜阵列504的焦平面可重合或偏移。
[0121] 在此例子中，为方便示出，超透镜500经取向以使得透镜阵列502、504的第二子午 线与波导1的光学轴正交地延伸。如将示出，通常，透镜将包括平行于波导的光学轴或与所 述光学轴成锐角倾斜的子午线轴。
[0122] 图13是示意图，其示出了包括光楔1104、超透镜500和透射式空间光调制器48 的观察者跟踪自动立体显示装置的侧视图。所述显示装置如上文参考图10C所描述那样布 置，其具有以下修改。
[0123] 所述显示装置具有与如图12中所示以及与如上文所述相同的构造，不同之处在 于用光楔1104和棱镜元件1108取代了波导1。更具体来说，如图10C中所示，具有楔角 1107的光楔的波导1104的输出被超透镜500、菲涅尔透镜62和漫射体412重新导向，从而 与在没有超透镜26的情况下实现的那些窗相比实现具有修改的性质的观察窗26。
[0124] 因此，第一引导表面1105可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面 1106为基本上平坦的并且以一定角度1107倾斜，以在破坏所述全内反射的方向上反射光， 从而用于在反射端1102处反射（借助所述端1102处的棱镜结构）之后穿过第一引导表面 1105输出光。跨波导的第一引导表面延伸的棱镜元件1108充当用于朝向空间光调制器48 的法线9偏转光的偏转元件。
[0125] 图14是示意图，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 自动立体显示装置的正视图。因此，此显示装置对应于图12的显示装置，但其中通过阐释 省略了超透镜500和空间光调制器。因此，阵列15的光源被具有提取特征12的光学阀1 成像，并且通过菲涅尔透镜62和非对称漫射体412 (具有主漫射轴方向414)导向到观察窗 26的阵列，所述观察窗通过漫射体竖直延伸且具有由阵列15的光源的间距和波导1的成像 性质限定的横向范围。因此，所实现的窗26的数目与阵列15中的诸如LED等光源的数目 相同。此外，观察窗26的总横向宽度27受到阵列15的长度限制。将期望在阵列15中有 更少的光源的情况下增加宽度27以便降低成本。
[0126] 图15是示意图，其示出了包括光学阀设备、超透镜500和透射式空间光调制器48 的观察者跟踪自动立体显示装置的正视图。因此，此显示装置对应于图12的显示装置，但 超透镜500经取向以使得第二子午线平行于波导1的光学轴而延伸。此取向经选择以使得 观察窗不旋转。
[0127] 如将描述，超透镜可重新导向来自单个光源阵列的光，且将所述光导向到多个观 察瓣中。因此，阵列502、504的轴可平行于竖直方向而对准（独立的观察窗的范围），以便 接收将被导向到观察窗26的光。如将示出，在操作中，超透镜可用于实现多个观察瓣300、 302、304。因此，来自阵列15的源将在没有超透镜500的情况下在瓣300中提供多个观察 窗。如果减少光源的数目以降低成本，那么此类瓣会具有有限的范围。添加超透镜500可 在横向移位的位置处在瓣300中实现窗的重复图像，从而实现瓣302、304。因此，可在与图 14的布置相比减少了光源的数目的情况下从阵列15实现增加的横向观察自由度。成本便 可有利地降低。通过图13的显示装置中的超透镜来实现相同效果。
[0128] 现在将描述超透镜500的各种构造。这些构造中的任一者均可应用于图12的显 示装置或图13的显示装置中。
[0129] 图16A是示意图，其示出了超透镜的正视图。所述超透镜包括微透镜元件的第一 和第二阵列502,所述两个阵列分别包括第一和第二表面起伏。超透镜可由一片共用的材料 503形成，所述材料可以是例如塑料或玻璃材料。或者，超透镜500可包括单独的空气间隔 的透镜。第一和第二透镜阵列502、504各自在相应第一子午线310中具有正光焦度，且在 垂直于第一子午线310的相应第二子午线308中不具有光焦度，并且每一阵列502、504的 透镜均具有平行的第一子午线310。第一和第二透镜阵列502、504具有相应的焦平面，所述 焦平面垂直于空间光调制器的法线9在第一和第二透镜阵列502、504中间延伸。在图15 中所示的显示装置中，每一阵列502、504的透镜均具有平行于波导1的光学轴延伸的第一 子午线310。
[0130] 图16B是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502和504 具有基本上相等的焦距。
[0131] 在图16B中，第一透镜阵列502的透镜的光学轴516与第二透镜阵列504的透镜 的光学轴517对准，且第一透镜阵列的间距320与第二透镜阵列的间距322相同。来自定 向背光源1的轴上光束508的平行轴上光线入射在第一透镜阵列502上，且聚焦到第一透 镜阵列502的焦平面506。本文中，焦点可指旁轴焦点或非旁轴焦点，其中焦点例如通过光 线扇面截点分析来确定，以便优化所需照明角度上的标称透镜性质以及相应透镜表面的数 值孔径，这在光学设计中是众所周知的。因此，平面506是代表标称典型焦点条件的标称平 面。为了保留光线的方向性，可通常不通过光学元件（诸如漫射体）形成平面506。然而， 在其中轴508垂直且平行于窗的范围的实施例中，可并入漫射体以增加输出锥角。
[0132] 第二透镜阵列504具有基本上与焦平面506重合的焦平面507。穿过焦平面506、 507的光可入射在第二阵列504的透镜上，且以与光束508基本上相同的方向输出为光束 510〇
[0133] 轴上入射到超透镜500的光束508入射在透镜阵列508处，且通过光学系统510 成像，以便在基本上没有光的几何损耗的情况下产生输出准直束510。
[0134] 来自与轴516成角度514的离轴光束512的光线入射在阵列504的两个透镜处， 且因此形成两个单独的输出束518、520。光束518与轴516具有角度514,且与光线512方 向具有角度517,角度517在此实施例中是角度514的两倍，因为第一和第二透镜阵列的焦 距相等。因此，单个光源可分别通过光束518、520在瓣300、302中实现两组窗。有利的是， 可针对给定观察角度范围减少光源的数目。
[0135] 相反，在操作给定光源以便将光导向到对应于光束518和520中的一者的给定观 察窗中的情况下，于是分光也导致将光导向到对应于束518和520中的另一者的另一个观 察窗中。考虑到给定观察窗的亮度，这表示进入侧瓣507和509的光的损耗，这在某些应用 中可为不期望的。然而，此类损耗可通过超透镜500的如下设计来减少，或可在如下文所描 述的控制中得到补偿。
[0136] 现在将描述对图16B中所示的超透镜500的各种修改。可以任何组合应用这些修 改。
[0137] 图16C是示意图，其示出了超透镜500的侧视图，其中第一阵列502的焦距小于第 二阵列504的焦距。此类布置实现被分别导向单独的瓣300、302、304的三个（或更多个） 单独的输出束301、303、305。因此，被布置成从波导1接收光的第一透镜阵列502的透镜的 焦距小于第二阵列504的透镜的焦距。有利的是，可针对给定数目的光源进一步增加显示 器的观察角度。
[0138] 图17是示意图，其示出了其中焦平面506、507被偏移或分隔的超透镜500的侧视 图。因此，与在平面506、507重合的情况下将实现的光束510相比，输出束511略有扩展。 以此方式，可实现另外的横向窗漫射（在y方向上）。此类漫射可有利地减少对来自漫射 体412的横向漫射的需要，且因此降低其复杂度和成本。此外，可有可能增加阵列15中的 光源的传号-空号比率，这可实现改善的串扰特性。因此，第一和第二透镜阵列502、504可 布置有偏移的相应的焦平面506、507。
[0139] 图18A是示意图，其示出了超透镜500的侧视图，其中在平面506、507重合时，第 一透镜阵列502的焦距大于第二透镜阵列504的焦距。因此，距离523小于距离521，且阵 列504的透镜的表面的曲率大于阵列502的透镜的表面的曲率。以此方式，光线508输出 为具有相同的方向性但具有来自阵列504的透镜的较小横向宽度的光束510。因此，被布置 成从波导1接收光的第一透镜阵列502的透镜的焦距大于第二阵列504的透镜的焦距。对 于离轴照明阵列531，可有利地实现单个光束518,但其具有比角度514高的角度517。因 此，可增加可通过给定长度的阵列15实现的总观察角度，从而降低LED成本。此外，对于轴 上观察位置附近的位置，存在不产生二阶光束518的位置（如针对与光学轴516成角度529 的光线所示出）。因此，与图16B和图16C的布置相比，轴上位置的归因于此渐晕效应的光 损耗得以减少，且所述显示器可用于高效率和防窥操作模式中。
[0140] 图18B是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502、504具 有偏移了距离336的光学轴516、517。如果间距320与间距322相同，那么偏移距离336可 例如为间距320的一半。轴上束508因此被分裂为两个输出束332、334,而角度514下的 光束512则实现单个输出束330。此类布置可因此实现中央束508的偏移。如将在下文描 述，此类布置可有利地用于实现对空隙的离轴可见性的修改。
[0141] 图19A是示意图，其示出了包括用于第一观察位置340的光学阀设备的观察者跟 踪自动立体显示器的正视图，所述第一观察位置表示观察者的单个瞳孔在窗26阵列中的 位置。图19B是示意图，其示出了包括用于第二观察位置342的光学阀设备的观察者跟踪自 动立体显示器的正视图。图19C是示意图，其示出了包括用于第三观察位置344的光学阀 设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图19A到19C的实施例不包括超透镜，且跨 显示区域看到的输出包括空隙346、348,所述空隙在观察者12的瞳孔的最大横向位置344 处具有宽度350。所述空隙是未被阵列15的光源照明的波导1的区域且因此是不期望的， 因为它们减少了波导1对于离轴位置的可用区域，从而增加了斜面大小。因此期望减少空 隙346、348的可见性。
[0142] 图20A是不意图，其不出了包括用于第一观察位置340的光学阀设备和超透镜500 的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图20B是示意图，其示出了包括用于第二观察位 置342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。图20C是示意图， 其示出了包括用于第三观察位置344的光学阀设备和超透镜500的观察者跟踪自动立体显 示器的正视图。超透镜可被布置成使得轴316、317不重合，进而使得对于轴上观察而言，光 来自波导1内的不同准直方向。此布置偏置了空隙区域的位置和大小，使得在第一中央观 察位置可看到小空隙352,在离轴观察位置（例如，65mm离轴）看不到空隙354,且在较高的 离轴位置（例如，130mm离轴）看到小空隙356。以此方式，可减小给定离轴移动的总空隙 大小，且可减小斜面大小。
[0143] 图20D是示意图，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。在超透镜500产生多个瓣时，波导内的多个准直方向对 最终的输出强度分布作出贡献。因此，在观察位置344中，当区域358可能是单个LED照明 的空隙时，两个区域358和360均可作为部分空隙被观察到，其中总强度是两个照明结构的 组合。以此方式，可增加显示器的总照明均匀度，且减少空隙区域的可见性，因此有利地减 小了斜面大小并降低了成本。
[0144] 图21是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502和504 具有不同的间距。因此，第一透镜阵列502的间距320大于第二透镜阵列504的间距。输 出束方向362、364和366因此被布置成跨超透镜500的输出孔的宽度提供有效聚焦性质。 有利的是