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。弯曲光提取特征12和超 透镜500可协作以实现到窗平面中的聚焦，这可提高光学系统的像差性能。
[0171] 在以上实施例中，显示器可用于自动立体显示器或其他定向显示器，诸如防窥操 作，或低功率操作，或高照度操作。后面的模式可提供自动立体功能或2D功能。在2013年10 月14日提交的标题为"能效型定向背光源（Energy efficient directional backlight)" 的美国临时专利申请案No. 61/890, 456 (代理人案号95194936. 355000B)中大体描述了低 功耗装置和高照度装置，所述申请案以全文引用的方式并入本文。在操作中，此类装置可具 备多个观察窗，所述观察窗相对于相应的空间光调制器的孔的取向是水平的、竖直的或倾 斜的取向。
[0172] 应当理解，在以上实施例中，全定向背光系统可包括另外的菲涅尔元件和漫射元 件。
[0173] 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〇%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。
[0174]虽然上文描述了根据本文所揭示的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅以举 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，但不应将此类发布的权利要求书的应用限于实现任何或全部 上述优点的过程和结构。
[0175] 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。这些 标题不应限制或表征可产生于本发明的任何权利要求中所列出的实施例。具体来说且以举 例的方式，虽然标题是指"技术领域"，但权利要求书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。另外，"【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】
"也并非要被视为是对发布的权利要求 书中所述的实施例的表征。此外，本发明中对单数形式的"发明"的任何引用不应用于辩称 在本发明中仅有单个新颖点。可以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 发明基于此类权利要求书本身来考虑权利要求的范围，而不应受本文给出的标题约束。
【主权项】
1. 一种显示装置，所述显示装置包括： 透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置 成调制传送穿过所述像素阵列的光； 波导，所述波导具有输入端，以及用于沿着所述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跨所述空间光调制器从所述输入端延伸，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；以及 光学元件，所述光学元件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，所述透镜各自在相应的第一子午线中具有正光焦度并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，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间 光调制器的所述法线在所述第一和第二透镜阵列之间延伸的相应的焦平面，每一阵列的所 述透镜具有平行的第二子午线。2. 根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列布置有重合的相应 的焦平面。3. 根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列布置有偏移的相应 的焦平面。4. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中被布置成从所述波导接收 光的所述第一透镜阵列的所述透镜的焦距大于所述第二阵列的所述透镜的焦距。5. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列 具有相同的间距。6. 根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有对准的光学 轴。7. 根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有偏移的光学 轴。8. 根据权利要求1到4中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵 列具有不同的间距。9. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，进一步包括第三透镜阵列，所 述第三透镜阵列在相应的第一子午线中具有正光焦度并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，所述第三透镜阵列具有与所述第一和第二透镜阵列相同 的间距，并且安置在所述第一和第二透镜阵列之间，并且被布置成将所述第一透镜阵列的 孔成像到所述第二透镜阵列的孔上。10. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述光学元件可在第一 状态与第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述第一和第二阵列的所述透镜在所述第 一子午线中具有所述正光焦度，并且在所述第二状态中，所述第一和第二阵列的所述透镜 在所述第一子午线中不具有光焦度。11. 根据权利要求10所述的显示装置，其中所述像素阵列以具有两条垂直的镜面对 称轴的形状布置在孔中，并且所述显示装置被布置成使得在所述光学元件的所述第一状态 中，观察窗跨所述镜面对称轴中的一者分布，并且在所述光学元件的所述第二状态中，所述 光学元件被布置成围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗，使得所述观察窗跨 所述镜面对称轴中的另一者分布。12. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中每个阵列的所述透镜具 有平行于所述波导的所述光学轴而延伸的第二子午线。13. 根据权利要求1到11中任一权利要求所述的显示装置，其中每个阵列的所述透镜 具有与所述波导的所述光学轴成非零锐角而延伸的平行的第二子午线。14. 根据权利要求13所述的显示装置，其中所述像素阵列以具有两条垂直的镜面对称 轴的形状布置在孔中，并且所述光学元件被布置成围绕所述空间光调制器的所述法线旋转 所述观察窗，并且所述输出观察窗以相对于所述孔的所述形状的所述轴中的一者以下列角 度延伸：范围在65度到115度，80度到100度，或90度。15. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵 列由一片共用的材料形成，所述相应的焦平面安置在所述共用的材料内。16. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一引导表面被布 置成通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面具有多个光提取特征，所述光提取特征 经倾斜以在允许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。17. 根据权利要求16所述的显示装置，其中所述第二引导表面具有介于所述光提取特 征之间的中间区域，所述中间区域被布置成引导光穿过所述波导，而不提取光。18. 根据权利要求17所述的显示装置，其中所述第二引导表面的所述中间区域平行于 所述第一引导表面而延伸。19. 根据权利要求17或18所述的显示装置，其中所述光提取特征是横向地延伸到所述 中间区域的反射小平面，并且所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状具有反 射小平面和所述中间区域。20. 根据权利要求1到15中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一引导表面 被布置成通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且以一定角度 倾斜以在多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射以便穿过所述第一引导表面输出 光， 所述显示装置进一步包括跨所述波导的所述第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使 光朝所述空间光调制器的所述法线偏转。21. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述波导具有面向所述 输入端的反射端，以便将穿过所述输入端输入的光穿过所述波导反射回，所述波导被布置 成在从所述反射端反射之后穿过所述第一引导表面输出光。22. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，进一步包括： 光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的所述输入端的不同输入位置处；及 控制系统，所述控制系统被布置成选择性地操作所述光源以将光导向到对应于所述输 出方向的观察窗中。23. 根据权利要求22所述的显示装置，其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使 得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光 而使来自所述给定光源的所述光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操 作进一步的分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。24. 根据权利要求22或23所述的显示装置，所述显示装置是自动立体显示装置，其中 所述控制系统被进一步布置成控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图 像，并且同步地将显示图像导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。25. 根据权利要求24所述的自动立体显示装置，其中所述控制系统进一步包括传感器 系统，所述传感器系统被布置成检测观察者跨所述显示装置的所述位置，并且 所述控制系统被布置成根据所述观察者的所检测到的位置将所述显示图像导向到处 于对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。26. 根据权利要求22或23所述的显示装置，所述显示装置是双视图显示装置，其中所 述控制系统被布置成进行控制以将相同的显示图像导向到处于至少第一和第二观察位置 的观察窗中。27. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述波导的所述提取特 征沿着所述提取特征为细长的方向是弯曲的。28. 根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵 列沿着所述第一和第二透镜阵列为细长的方向是弯曲的。29. -种显示设备，所述显示设备包括： 透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置 成调制传送穿过所述像素阵列的光； 波导，所述波导具有输入端，以及用于沿着所述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跨所述空间光调制器从所述输入端延伸，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； 光学元件，所述光学元件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，所述透镜各自在相应的第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于所述第一子午 线的相应第二子午线中不具有光焦度，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间光 调制器的所述法线在所述第一和第二透镜阵列之间延伸的相应的焦平面，每一阵列的所述 透镜具有平行的第二子午线； 光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的所述输入端的不同输入位置处；以及 控制系统，所述控制系统被布置成选择性地操作所述光源以将光导向到对应于所述输 出方向的观察窗中； 其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使得当光从给定光源导向到给定观察窗中 时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光而使来自所述给定光源的所述光被导向 到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操作进一步的分开的光源以将补偿光导向 到所述给定观察窗中。30. 根据权利要求29所述的显示设备，其中所述第一和第二透镜阵列沿着所述第一和 第二透镜阵列为细长的方向是弯曲的。31. 根据权利要求29所述的显示设备，其中所述波导的所述提取特征沿着所述提取特 征为细长的方向是弯曲的。32. 根据权利要求29所述的显示设备，其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使 得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光 而使来自所述给定光源的所述光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操 作进一步的分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。33. 根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统被进一步布置成控制所述显 示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将显示图像导向到处于对应 于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。34. 根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统进一步包括传感器系统，所 述传感器系统被布置成检测观察者跨所述显示装置的所述位置，并且 所述控制系统被布置成根据所述观察者的所检测到的位置将所述显示图像导向到处 于对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。35. 根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统被布置成将相同的显示图像 导向到处于至少第一和第二观察位置的观察窗中。
【专利摘要】本发明公开了一种成像定向背光源设备，其包括波导、光源阵列，以及另外的光学元件以用于通过局部光源提供大面积导向照明。所述成像定向背光源可包括阶梯式波导，所述阶梯式波导可包括阶梯式结构，其中阶梯可进一步包括提取特征，所述提取特征针对在第一前向方向上传播的引导光在光学上被隐藏。在第二后向方向上传播的返回光可被所述特征折射、衍射或反射，以提供从所述波导的顶部表面离开的离散照明束。通过将独立光源成像而形成观察窗。所述另外的光学元件可包括超透镜，所述超透镜包括第一和第二对准的透镜阵列，所述透镜阵列可被布置成修改所述输出观察窗以实现通过所述定向背光源的增强的窗成像。
【IPC分类】G02B27/22
【公开号】CN105008983
【申请号】CN201380073381
【发明人】G·J·伍德盖特, J·哈罗德, M·G·鲁宾逊
【申请人】瑞尔D股份有限公司
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】EP2936242A1, US20140177032, WO2014100753A1