用于定向背光源的光输入的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于从局部光源提供大面积准直照明的定向背光源，所述定向背光源可以包括光导设备，所述光导设备包括至少一个透明光学波导。所述波导以第一部分和第二部分布置，其中光注入孔介于相应部分之间。此类受控照明可以提供高效多用户自动立体显示器以及经改善的2D显示功能，包括提供高亮度显示器以及高显示器效率。
【专利说明】
用于定向背光源的光输入
[0001 ]相关专利申请的交叉引用:本专利申请涉及2013年10月14日提交的名称为"Light input for directional backlight(用于定向背光源的光输入)"的美国临时专利申请61/ 890，437 (代理人参考号95194936.354000)并且要求该专利申请的优先权，该专利申请全文 以引用方式并入本文。本专利申请还涉及2011年11月18日提交的名称为"Directional flat illuminators (定向平面照明器)"的美国专利申请13/300,293(代理人参考号 95194936.281001 )、2014年2月21 日提交的名称为"Directional backlight(定向背光源)" 的美国专利申请14/186,862(代理人参考号95194936.355001)、2013年3月15日提交的名称 为"Directional backlight(定向背光源)"的美国专利申请13/838,936(代理人参考号 95194936.314001)，所有这些专利申请全文均以引用方式并入本文。
技术领域
[0002] 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，以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。
【背景技术】
[0003] 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为空间光调制器例如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不同方向上，以在显示器的前 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 能够看到第一图像；而眼睛置于第二观察窗中时用来自第二组像素的光能够看到第二图 像。
[0004] 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，观察窗的结构是由像素孔形状和视差组件成像功能决定。在像素之间的间隙（例如对 于电极而言）通常产生不均匀观察窗。所不期望的是，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。可通过使得光学元件散焦而 减少此类闪烁;然而，此类散焦导致图像串扰水平增大并增加了观察者的视觉疲劳。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 光调制器中的电子装置进行寻址。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种定向背光源，该定向背光源可包括:波导，所 述波导包括用于沿所述波导来引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面;至少一 个光源，所述至少一个光源被布置用于在跨所述波导的横向方向上的预定输入位置处生成 输入光;所述波导还包括用于使所述输入光反射回穿过所述波导的反射端，所述第二引导 表面被布置用于将所述输入光在作为输出光从所述反射端反射穿过所述第一引导表面后 偏转，并且所述波导被布置用于将所述输出光在根据所述输入光的所述输入位置而定位在 横向方向中的输出方向上导向进入光学窗中，所述至少一个光源被布置用于使所述输入光 在中途穿过沿所述波导的所述第二引导表面注入所述波导。第二引导表面可包括至少两个 部分，所述至少两个部分各自在中途沿波导延伸，由输入孔近似垂直于横向方向分隔开，至 少一个光源被布置用于通过输入孔将输入光注入。至少一个光源可设置在第二引导表面的 部分中的一者后方。定向背光源还可包括光屏蔽件，所述光屏蔽件布置在至少一个光源与 第二引导表面的部分中的后方设置有所述至少一个光源的一者之间。定向背光源还可包括 相应后反射器，所述后反射器布置在第二引导表面的部分中的每者后方，每个后反射器包 括反射小平面阵列，所述反射小平面被布置用于使来自至少一个光源的透射穿过波导的多 个小平面的光反射回穿过波导，以便离开穿过第一引导表面进入所述光学窗中。输入孔可 包括在第二引导表面的两个部分之间延伸的输入小平面，至少一个光源沿所述输入小平面 布置。定向背光源还可包括注入波导部分，所述注入波导部分布置在至少一个光源与输入 孔之间，以将来自至少一个光源的输入光引导到输入孔来通过所述输入孔将所述输入光注 入。注入波导部分可为独立于波导的元件。注入波导部分可与波导折射率匹配。注入波导部 分可与波导整体形成。第二引导表面的两个部分可以在沿波导的方向上重叠。
[0006] 定向背光源还可包括:光组合器，所述光组合器布置在注入波导部分与输入孔之 间；以及另外至少一个光源，所述另外至少一个光源被布置用于在跨波导的横向方向上的 预定输入位置处生成输入光，所述另外至少一个光源被布置用于通过光组合器将输入光注 入波导，所述另外至少一个光源要比所最先提到的至少一个光源更靠近反射端。定向背光 源还可包括另外至少一个光源，所述另外至少一个光源被布置用于在跨波导的横向方向上 的预定输入位置处生成输入光，所述另外至少一个光源被布置用于在中途通过沿波导的第 二引导表面在不同于所最先提到的至少一个光源的位置处将输入光注入波导。波导可具有 面向反射端的面向端，并且该定向背光源还可包括被布置用于通过所述面向端将另外的输 入光注入波导的另外至少一个光源。定向背光源还可包括多组波导以及至少一个光源，它 们均以相同方式布置，所述波导是平铺的。波导可包括在垂直于所述横向方向的方向上被 平铺的波导，这样的波导的端部是与邻接的反射端相对。第一波导和第二波导可整体形成。
[0007] 定向背光源还可包括相应后反射器，所述后反射器布置在第二引导表面的部分中 的每者后方，每个后反射器包括反射小平面阵列，所述反射小平面被布置用于使来自至少 一个光源的透射穿过波导的多个小平面的光反射回穿过波导，以便离开穿过第一引导表面 进入所述光学窗中，所述后反射器一直延伸到邻接端后方。波导可包括在横向方向上平铺 的波导。在横向方向上平铺的波导可由铰接部连接以允许所述波导折叠起来。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波导。第二引导表面可具有阶梯形状，其包括作为 所述光提取结构特征的小平面以及中间区域。光提取结构特征在横向方向上可具有正的光 焦度。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 平坦的并以一定角度倾斜以在打破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，并且显示装置还可包括跨波导的第一引导表面延伸的偏转元件以用于使光 朝空间光调制器的法线偏转。反射端在横向方向上可具有正的光焦度。至少一个光源可包 括光源阵列，所述光源阵列被布置用于在跨波导的横向方向上的相应输入位置处生成输出 光。光源阵列可布置成曲线。
[0008] 根据本发明的第二方面，提供一种显示装置，该显示装置可包括:根据第一方面的 定向背光源；以及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器被布置用于接收来自第 一引导表面的输出光并且对其进行调制以显示图像。
[0009] 根据本发明的第三方面，提供一种显示设备，该显示设备可包括:定向背光源；以 及透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器被布置用于接收来自第一引导表面的输 出光并且对其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 作光源以将光导向进入对应于所述输出方向的不同光学窗中。显示设备可为自动立体显示 设备，其中控制系统还可被布置用于控制显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图 像，并且同步地将显示的图像导向到在对应于观察者的左眼和右眼的位置的光学窗中。控 制系统还可包括传感器系统，其被布置用于检测在显示装置对面的观察者的位置，并且控 制系统可被布置用于选择性地操作光源以将输出光导向进入根据被检测到的观察者的位 置选择的至少一个光学窗中。
[0010] 有利的是，来自光源阵列的光可导向到波导的反射镜，以独立于波导的输出端的 纵横比在整个反射镜上实现基本上高效且均匀的照明。因此，输入照明路径的纵横比可以 大于波导的输出端的纵横比。波导可为使用光提取结构特征的阶梯型波导，或可借助于全 内反射损耗来进行提取。光输入小平面的可见度可基本上消除。具有极小框的另外的显示 器可通过将发光元件阵列隐藏在波导后方来实现。波导可与增益反射性膜组合，以便结合 显示器亮度和偏振再循环来隐藏发光元件阵列。具有以不同窗平面距离布置的光学窗的显 示器可被布置用于实现扩展的纵向观察自由度。平铺光导阵列可被布置用于利用常规发光 元件实现具有期望亮度级的大尺寸显示器。在自动立体显示器中，可借助于将显示器照明 与相应波导瓦片的照明同步来减小显示器串扰。可提供具有小接缝尺寸和期望的纵横比的 另外折叠式显示器。这样的显示器可被布置用于提供自动立体2D图像以将2D图像平面隐藏 在显示器表面的后方，从而进一步减小显示器中的接缝的可见度。
[0011] 本发明的各个方面及其各种特征可以任何组合一起应用。
[0012] 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穿过光学阀传播，同 时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如美国专利申请13/300,293中所述， 该专利申请全文以引用方式并入本文。
[0013]本文的实施例可提供用于自动立体显示器、高效率显示器、用于以低功耗为环境 提供明亮照明的高亮度显示器和防窥显示器的定向背光源。高图像对比度可实现于明亮照 明环境。具有不同的纵横比的显示器的效率和均匀度可优化。与侧光式波导相比，框尺寸可 减小，并且大尺寸的波导可提供为适用于以期望亮度水平进行显示照明。显示像差可减小， 并且LED尺寸可优化以获得期望的光学窗间距。可增强定向显示器的另外的观察自由度。可 实现在折叠式显示器的部分之间的接缝的可见度减小的折叠式显示器。
[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；
[0017] 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；
[0018] 图2A是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的另一个实施例中的光传播的顶 视图示出；
[0019] 图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置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的定向显示装置的侧视图示出了光传播； [0021]图3是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；
[0022]图4A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中观察窗的生成， 并且包括弯曲光提取结构特征；
[0023]图4B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中第一观察窗和第 二观察窗的生成，并且包括弯曲光提取结构特征；
[0024] 图5是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置中第一观察窗的生成，并且包 括线性光提取结构特征；
[0025] 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；
[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定向显示装置 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；
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0031] 图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的结构；
[0032]图11是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；
[0033] 图12是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向显示装置的侧视图；
[0034] 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；
[0035]图14A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入表面；
[0036]图14B是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的正视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入表面；
[0037]图15A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间楔光输入表面；
[0038]图15B是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的正视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间楔光输入表面；
[0039]图16A-图16E是根据本发明的不意图，其不出了中间阀光输入表面的侧视图；
[0040] 图17是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的正视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括被布置用于减小框尺寸的中间阀光输入表面；
[0041] 图18A-18C是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器 包括定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入结构；
[0042]图19是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入结构；
[0043]图20-21是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包 括中间阀光输入结构；
[0044] 图22是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括 另一中间阀光输入结构；
[0045] 图23是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括 中间阀光输入结构和端阀输入结构；
[0046] 图24是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括 中间阀光输入结构和端阀输入结构；
[0047] 图25是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括 中间阀光输入结构和端阀输入结构；
[0048]图26是根据本发明的示意图，其示出了图23的布置方式的正视图；
[0049] 图27是根据本发明的示意图，其示出了可通过图26的布置方式实现的观察窗的顶 视图；
[0050] 图28是根据本发明的示意图，其示出了平铺定向光阀的正视图，该平铺定向光阀 包括中间阀光输入结构；
[0051] 图29是根据本发明的示意图，其示出了平铺定向光阀的顶视图，该平铺定向光阀 包括中间阀光输入结构；
[0052] 图30是根据本发明的示意图，其示出了用于包括中间阀光输入结构的平铺定向光 阀的控制系统；
[0053]图31A是根据本发明的示意图，其示出了另一平铺定向光阀的侧视图，该平铺定向 光阀包括中间阀光输入结构；
[0054] 图31B是根据本发明的示意图，其示出了另一平铺定向光阀的正视图，该平铺定向 光阀包括中间阀光输入结构；
[0055] 图32是根据本发明的示意图，其示出了包括平铺定向光阀的扫描照明定向显示 器，该平铺定向光阀包括中间阀光输入结构；
[0056]图33是根据本发明的示意图，其示出了另一平铺定向光阀的正视图，该平铺定向 光阀包括中间阀光输入结构；
[0057]图34是根据本发明的示意图，其示出了平铺定向光阀的一部分的侧视图，该平铺 定向光阀包括反射器元件；
[0058]图35是根据本发明的示意图，其示出了折叠式定向显示器的正视图，该折叠式定 向显示器包括中间阀光输入表面并被布置用于实现反射端的高效照明；
[0059]图36是根据本发明的示意图，其示出了呈折叠布置方式的折叠式显示器的侧视 图；
[0060] 图37是根据本发明的示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视 图，该折叠式显示器在显示器的平面中包括2D图像；
[0061] 图38是根据本发明的示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视 图，该折叠式显示器包括自动立体图像；
[0062]图39是根据本发明的示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视 图，该折叠式显示器包括针对偏轴观察者位置的自动立体图像；
[0063]图40是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括 中间阀光输入结构；以及
[0064]图41是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器的透视图，该定向显示器包括 定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入结构。
【具体实施方式】
[0065]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 中的光的观察者将越过多个时隙看到遍及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。
[0066] 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。
[0067] 为了在窗平面中实现高均匀度，期望提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。可 例如通过大小为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，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的类似的难题。另 外，此类装置可具有较低效率和较高成本，从而需要另外的显示组件。
[0068] 可便利地用宏观照明器(例如LED阵列）与通常具有Imm或更大大小的均匀化和漫 射光学元件的组合，来实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的大小增加意味着定向光学 元件的大小成比例地增加。例如，成像到65mm宽观察窗的16mm宽的照明器可采用200mm的后 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。 [0069]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式空间光调制器组合布置，以在薄型封装中实现时间多路复用自动立 体照明，同时提供高分辨率图像及无闪烁观察者跟踪和低串扰水平。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。
[0070]常规的非成像显示背光源通常采用光学波导并且具有来自光源(诸如LED)的边缘 照明。然而，应当理解，此类常规的非成像显示背光源与本发明中所述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异。
[0071] -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。可形成成像系统以将多个光源成 像为相应的观察窗。以此方式，来自多个光源中的每一者的光对于处于相应观察窗之外的 观察者眼睛而言基本上不可见。
[0072]相比之下，常规的非成像背光源或光引导板（LGP)用于2D显示器的照明。参见例 如，Killil KWintriret al. ,Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc · Inf.Display, Vol · 12, Issue 4 ,pp · 379_387(Dec · 2004) (KJ丨丨丨I Ki_ilj._mli._ix等人，双面发 光的背光源单元，《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 背光源通常被布置成将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多个光源中的 每一者而言基本上共用的观察区内，以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。以此方式，来自多个光源中的每一者的光对于处于跨观察区的基本上所有位 置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如，以便 与朗伯型照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜(诸如，来自3M的BEF?)提供。然而，此类 方向性对于相应光源中的每一者而言可基本上相同。因此，出于这些原因以及对于普通技 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膝上型计算机、监视器和电视中看到 的液晶显示系统。光从有耗波导的边缘传播，该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，所述局部压痕使得无论光的传播方向为何均导致光损耗。
[0073] 如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光 源和阀定向背光源（"v-DBL"）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 例子为可采用折叠式光学系统的光学阀。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，并导向到观察窗，如美国专利申请序列号13/300，293中所述，该专利 申请全文以引用方式并入本文。
[0074] 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、楔型定向背光源或光学阀。
[0075] 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；以及与第一光引 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。
[0076] 此外，如所使用，折叠式成像定向背光源可为楔型定向背光源或光学阀中的至少 一者。
[0077]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可操 作以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。
[0078]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 更薄的光学元件以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，所述光提取结构特征阵列被布置成提取在基本上平行的波导中反向传播的 光。
[0079]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 例如美国专利申请7，528，893;微软公司(Microsof t)的例如美国专利申请7，970，246，其在 本文可称为"楔型定向背光源"；RealD的例如美国专利申请13/300,293,其在本文可称为 "光学阀"或"光学阀定向背光源"，所有上述专利申请全文均以引用方式并入本文。
[0080] 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以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行进时，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，因此在这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，楔型成像定向背光源可允许 在具有连续内表面的楔形轮廓波导内引导光。因此，阶梯式波导(光学阀）并非是楔型成像 定向背光源。
[0081] 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。
[0082]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15η(其中 η是大于1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15η是可为发光二极管(LED)的光源。虽然LED在本文作为照明 器元件15a-15n来讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极管光源、半导体光源、激光光 源、局域场致发射光源、有机发光体阵列等。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中提供的侧视图为图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。
[0083] 另外，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与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。输入端2在跨 波导的横向方向上的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a至照明器元件15η设置在 跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
[0084] 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并且倾斜以在多 个方向上反射从反射端穿过波导1引导回的光中的至少一些光，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，所述输出被供应 至Ij SLM 48。
[0085] 在此例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射特征。光提取结 构特征12不引导光穿过波导，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。第二引导表面的那些区域是平坦的并且可平行于第一引导表面或以 相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向于这些区域延伸，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。
[0086] 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-l 5η被布置在不同输入位置处，所以来自相应照明元件15a-l 5η的光在那些不 同方向上反射。这样，照明元件15a-15η中的每个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一 般与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件15a-15n可选择性地操作以将光导向 到可选择的光学窗中。光学窗可单独或成组地用作观察窗。
[0087] 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。
[0088] 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。
[0089] SLM 48跨波导延伸，是透射的并且调制从其中穿过的光。虽然SLM 48可为液晶显 示器(IXD)，但这仅仅是举例，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LC0S、DLP装置 等，因为此照明器可以反射方式工作。在此例子中，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。
[0090] 可提供一维光学窗阵列的定向显示装置的操作在图IA中以正视图示出，且其侧面 轮廓在图IB中示出。在操作中，在图IA和图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15η的阵列，其沿着阶梯式波导1的输入端2的表面X = O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， 并且在到达弯曲以在横向方向上具有正的光焦度的反射端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，该组角度最高至但不超过引导材料的 临界角度。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。
[0091] 继续讨论图IA和图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 性材料诸如银涂布而实现，但可采用其他反射技术。光因此可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。角展度可在围绕主要传播 方向的xz平面中基本上保持，这可允许光撞击立板边缘并从引导件反射出来。在具有大约 45度倾斜的提取结构特征12的实施例中，可大约垂直于xy显示器平面有效地导向光，其中 相对于传播方向基本上保持xz角展度。当光通过折射离开阶梯式波导1时此角展度可增加， 但依据提取结构特征12的反射特性，可略有减小。
[0092]在具有未涂覆的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)失效时反射 可减少，从而挤压xz角轮廓并偏离法线。然而，在涂覆有银或金属化的提取结构特征的其他 实施例中，可保留增大的角展度和中心法线方向。继续描述具有涂覆有银的提取结构特征 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中的相 应照明器元件15a-15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿着输入端2具有 独立的照明器元件15a至照明器元件15η，进而使光能够从整个第一引导表面6离开并以不 同外角传播，如图IA中所示。
[0093]用此类装置照明空间光调制器(SLM)48(诸如快速液晶显示器(IXD)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中的正视图以 及图2C中的侧视图所示。图2A是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B 是以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是以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IOOHz)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15η(其中η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。在最简单的情况下，一起打开照明 器阵列15的多组照明器元件，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;并提供中心位置，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，可布置多个照明器以形成观察窗26和44。在图2Α 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15η形成，并且可因此包括单个光学窗440。以此方式，当观察者的 头部大约居中对准时可观看到3D。远离中心位置朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。 [0094]反射端4在跨波导的横向方向上可具有正的光焦度。在通常反射端4具有正的光焦 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的曲率中心的直线并 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处包括基本上圆柱形 反射表面的本发明实施例中，光学轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直线并且与侧 面4围绕X轴的反射对称轴重合。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以优化轴上和离轴观察位置的性能。可使用其他轮廓。
[0095]图3是以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可包括照明器输入端2、反射端4、可基 本上平坦的第一引导表面6,以及包括中间区域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,可借助通过第一引导表面6的全内反射和通过第二引导表面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可为镜面并且可反射 光，但在一些实施例中光也可穿过反射端4。
[0096]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15η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处输入的照明锥角确定。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。
[0097]图4Α是以正视图示出定向显示装置的示意图，该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4Α以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4Α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和侧面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 向上可具有正的光焦度。
[0098] 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 可具有正的光焦度。
[0099] 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。
[0100]图4B是以正视图示出定向显示装置的示意图，该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和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。
[0101] 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至观察窗26 中横向位置的成像的改善的像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展的观看自由 度，同时实现低串扰水平。
[0102] 图5是以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。另外，图5示出了与图1类似的组件布置方式(其中对应的元件 是类似的），其中一个差异是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此 类布置方式可跨显示表面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 相比制造起来可更方便。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。
[0103] 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。此外， 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导向的光锥17,该观察窗可包括单个光学窗260或光学窗260的阵列。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。如果与光方向输出对应地调整空 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 器元件群组31和33各自包括来自照明元件15a至15η的一个或多个照明元件，其中η为大于 一的整数。
[0104] 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15η提供了观察窗26、44的定向控制。可利用相机、运动传感器、运动检测器或任何 其他适当的光学、机械或电气装置来监控头部45位置，并且可打开和关闭照明器阵列15的 适当照明器元件以向每只眼睛提供基本上独立的图像而不考虑头部45位置。头部跟踪系统 (或第二头部跟踪系统)可提供对不止一个头部45、47(头部47在图7中未示出）的监控，并且 可向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，从而向所有观察者提供 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。
[0105] 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中所示，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的这两幅2D图像可以与相对于图7所述类似的方 式生成，因为这两幅图像将按顺序且与光源同步显示，所述光源的光朝这两个观察者导向。 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。与第一和第二阶段对应，调整输出照明以分别提供第一 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。
[0106] 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 可出于安全和效率目的而利用定向背光源，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如 图9中所示。另外，如图9中所示，虽然第一观察者45可以能够观察到装置50上的图像，但光 不朝第二观察者47导向。因此，防止了第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的实施 例中的每一者可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示功能。
[0107] 图10是示意图，其以侧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以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(例如，平行于X轴)的模糊，同时使在横向方向上的各个方向 上（例如，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)，其可例如为磷光体转换的蓝色LED，或可为单独的RGB LED。或者，照明器 阵列15中的照明器元件可包括被布置成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，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 照明器元件以提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且进一步提供散斑的减少。 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 磷光体，使得照明可在不同于可见输出光的波长处。
[0108] 因此，图1至图10以不同的方式描述:波导1、包括这样的波导1和照明器阵列15的 定向背光源，以及包括这样的定向背光源和SLM 48的定向显示装置。这样，上述结合图1至 图10公开的各个特征可以任何组合结合。
[0109] 图11是示意图，其示出了另一个成像定向背光源(如图所示的楔型定向背光源）的 正视图，图12是示意图，其示出了类似楔型定向显示装置的侧视图。楔型定向背光源由名称 为"Flat Panel Lens"（平板透镜)的美国专利申请7，660，047大体讨论，该专利申请全文以 引用方式并入本文。该结构可包括楔型波导1104,所述楔型波导具有可优先地用反射层 1106盖覆的底部表面并且具有也可优先地用反射层1106盖覆的末端波纹表面1102。如图12 中所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104,并且在反射离开端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楔型波导1104,并且可照明显示器面板1110。作为与 光学阀的比较，楔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，使得当光以 临界角入射到输出表面上时，光可逃逸。楔型波导中以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。楔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，使用反射镜折叠楔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，所述反射镜偏置楔型波导中的光锥方 向。此类带小平面的反射镜通常制造起来复杂，并且可导致照明均匀度误差以及杂散光。
[0110] 楔型定向背光源和光学阀进一步以不同方式处理光束。在楔型波导中，在适当角 度下输入的光将在主表面上的限定位置处输出，但光线将以基本上相同的角度并且基本上 平行于主表面而离开。相比之下，以一定角度输入至光学阀的阶梯式波导的光可从跨第一 侧面的点输出，其中输出角由输入角确定。有利的是，光学阀的阶梯式波导可不需要另外的 光重新导向膜以朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不会提供跨显示表面的不均 勾度。 Com]以下描述了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 置包括具有波导和SLM的定向背光源。在以下描述中，波导、定向背光源和定向显示装置基 于上面图1至图12的结构，并且包含所述结构。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以下波导、定向背光源和显示装置，但为了简洁起见将不再重复。
[0112] 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被描述并且在适当时修改那些元件的情况下可适用于本文所公 开的显示装置中的每者。如图13所示，定向显示设备100可包括本身可包括阶梯式波导1和 光源照明器阵列15的定向背光设备。如图13所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射端4、 引导结构特征10和光提取结构特征12。定向显示设备100还可包括SLM 48。
[0113] 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可被布置成与 反射端4配合以在观察者99所观察的观察平面106处实现观察窗26。透射式SLM 48可被布置 成接收来自定向背光的光。另外，可提供漫射体68以基本上除去波导1与SLM 48以及菲涅耳 透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。漫射体68可为被布置用于在竖直方向（诸如X轴） 上提供漫射的非对称漫射体，这个漫射大于横向方向（诸如y轴)上的漫射。有利的是，显示 均匀度可增加，并且在相邻的观察窗之间的串扰被最小化。
[0114] 控制系统可包括传感器系统，其被布置为检测观察者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72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,这两者均提供有由头部位置测量系统72提供的被检测到的观察者的位置。
[0115] 照明控制器74选择性地操作照明器元件15以配合波导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15,使得光导向进入对应于观察者99的左眼和右眼的位置的观察窗26内。这样，波导1 的侧向输出方向性对应于观察者位置。
[0116] 图像控制器76控制SLM 48以显示图像。为了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以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以将光导向进入相应观察窗中对应于观察 者左眼和右眼的位置，并且同时显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实 现了自动立体效果。
[0117] 与在一端包括光注入部的定向背光源相比，可能期望实现显示区域的照明的最佳 效率、减小的框尺寸以及具有期望亮度级的大尺寸显示器。如将在本文中所述，此类结果可 通过中间阀和中间楔注入实施例来实现。
[0118] 图14A是示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括定向背光源， 该定向背光源包括具有中间阀光输入表面，并且图14B是示意图，其示出了定向显示器的正 视图，该定向显示器包括定向背光源，该定向背光源包括中间阀光输入表面。该定向背光源 可包括光导1，该光导1包括用于将输入光沿波导1引导（例如类似于图2C所示的那样）的第 一引导表面6和相对的第二引导表面8。第一引导表面6被布置用于通过全内反射来引导光， 并且第二引导表面8包括多个光提取结构特征12以及位于光提取结构特征12之间的中间区 域10,这些光提取结构特征被取向为在允许作为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，该中间区域被布置用于在不提取光的情况下将光导向穿过波 导1。第二引导表面8可具有阶梯形状，其包括可作为光提取结构特征的小平面12以及中间 区域10。反射端4在横向方向（诸如y轴)上具有正的光焦度。透射式空间光调制器48被布置 用于接收来自第一引导表面6的输出光并且对其进行调制以显示图像。至少一个光源可包 括光源阵列，所述光源阵列被布置用于在跨波导的横向方向上的相应输入位置处生成输入 光。光源阵列可布置成曲线。
[0119] 具有至少一个光源的阵列201被布置用于在跨波导1的横向方向（y轴)上的不同输 入位置处生成输入光。在本实施例中，通常将布置有光源，然而如将描述，可布置有一个光 源。
[0120] 另外至少一个光源可被布置用于在跨波导1的横向方向上的预定输入位置处生成 输入光。波导1还包括用于使输入光反射回穿过波导1的反射端4,第二引导表面8被布置用 于将输入光在作为输出光从反射端4反射穿过第一引导表面6后偏转，并且波导1被布置用 于将输出光在根据输入光的输入位置而定位在横向方向（诸如y轴）中的输出方向上导向进 入光学窗260中。阵列201中的至少一个光源被布置用于使输入光在中途穿过沿光导1的第 二引导表面8注入光导1。
[0121] 第二引导表面可包括至少两个部分208、210,所述至少两个部分208、210各自在中 途沿波导1延伸，由输入孔垂直于横向方向（例如z轴)分隔开，阵列201中的至少一个光源被 布置用于通过输入孔将输入光注入。该输入孔包括在第二引导表面8的两个部分208、210之 间延伸的输入小平面200,具有至少一个光源的阵列201沿输入小平面200布置。
[0122] 具有至少一个光源的阵列201设置在第二引导表面8的部分210中的一者后方，并 且光屏蔽件202布置在具有至少一个光源的阵列201与第二引导表面8的部分210中的其后 设置有具有至少一个光源的阵列201的一者之间。光因此可在除了波导1的一个端部204外 的位置处输入波导1。在操作中，来自阵列201的光源201η的光线206可基本上无损耗地沿波 导1导向到反射端4,然后沿波导穿过第一部分208和第二部分210返回到第二部分210的光 提取小平面12,在此，光被导向到光学窗260。其他光线207可被提取在第一部分208中，并导 向到相同的光学窗260。
[0123] 阵列201中的至少一个光源可具有朗伯输出，并且因此一些光可从阵列直接导向 到光导1的第二部分210,并且还可被表面8和小平面200的结构特征散射。期望的是，最小化 或消除此类杂散光源的可见度。阵列201的发光元件对处于光学窗260处的观察者99的直接 可见度可通过提供光屏蔽件202来最小化，并因此源于小平面的杂散光伪影可减小，从而提 供最小尺寸照明接缝并使光导1的部分208、210之间具有高均匀度。
[0124] 可期望的是以不同的纵横比来实现显示器的有效照明。通常，阵列15中的至少一 个光源诸如LED可被布置用于在空气中操作并以视角实现发光强度的基本上朗伯型变化。 入射在波导上的此类LED通常将折射以在波导的材料的临界角度227下产生具有极限光线 229的光锥。期望的是，反射端4的孔233由用来自阵列15的光填充，实现相对小的过满部分 231，以便优化效率。根据孔233与部分208高度的比例而给出的此类照明条件的纵横比接近 16:9。可通过将漫射体结合在输入孔处实现较大的纵横比；然而，此类漫射体还可造成光损 耗。
[0125] 在一些实施例中，可期望的是，实现用于折叠式显示器中的较小的纵横比（例如1: 1纵横比），如下文将描述。如果至少一个光源被布置在波导的端部204处，那么这样的显示 器就可提供较大过满部分231，并且因此会低效地照明。本实施例可提供定位在与端部4相 距受控距离(其与波导总长无关）的位置处的阵列201，并且因此将阵列201放置在适当位置 以在具有小纵横比的显示器中实现有效照明。
[0126] 还可期望的是，减小LED尺寸，该LED尺寸可适合于提供期望的光学窗260间距。这 可通过在端部204、4之间提供阵列201以对观察窗260提供较大阵列201放大实现，这种放大 要比可在至少一个光源布置在端部204的情况下实现的更大。因此，本实施例可针对给定光 源尺寸来实现更大的光学窗260间距，从而减少光源成本并能够进一步调整在给定显示条 件下的光学窗几何形状。
[0127] 此定向背光源可用于与图13的控制系统协作，使得控制系统可被布置用于选择性 地操作阵列15中的至少一个光源以将光导向到对应于所述输出方向的不同的光学窗260。
[0128] 控制系统还可被布置用于控制显示装置48以显示时间上多路复用的左图像和右 图像，并且同步地将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗 中，以实现显示器的自动立体操作。
[0129] 本实施例的定向背光源可将光导向成比常规2D背光源更小的光锥。已经了解的， 此类显示器可被布置用于在给定功耗下提供比可在常规2D背光源中的相同功耗下实现的 亮度高得多的显示器亮度。在示例性的例子中，与可在相同功耗下实现500尼特亮度的常规 2D显示器背光源相比，使用在1.2W总功耗和6.5%LCD面板透射率下运行的两个50流明LED 的4〃对角显示器已表明实现了大于2000尼特显示器亮度的亮度。此外，减小该背光源功耗 可在比常规2D背光源更低的功率下实现给定的显示器亮度。因此，可由本定向背光源以 300mW的功耗提供500尼特亮度。因此，控制系统可被布置用于导向高亮度2D图象或低功耗 2D图像。
[0130] 控制系统还可包括传感器系统，其被布置用于检测在显示装置对面的观察者的位 置，并且控制系统可被布置用于选择性地操作阵列15中的至少一个光源以根据被检测到观 察者的位置将显示的左和右图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗 26中。
[0131] 图15A-图15B是示意图，其分别示出了定向显示器的正视图和侧视图，该定向显示 器包括定向背光源，该定向背光源包括中间楔光输入小平面1320。这种定向背光源显示器 可以与图12中所示类似的方式操作。第一引导表面1126被布置用于通过全内反射来引导 光，并且第二引导表面1128为基本上平坦的并以一定角度倾斜以在打破所述全内反射的方 向上反射光，以用于穿过所述第一引导表面1126输出光，并且显示装置还可包括跨波导 1100的第一引导表面1126延伸的偏转元件1108以用于使光朝空间光调制器1110的法线偏 转。输入孔由小平面1320提供，并且具有至少一个光源的阵列1315被布置用于将光线1322 导向观察窗260。波导1100的第一部分1306可提供有平面反射镜1300,并且第二部分1306还 可提供有平面反射镜1302。反射镜可操作以将透射穿过波导1100的后部的光沿光偏转元件 1108的方向并向光学窗260而导向回。在操作中，反射镜1302还可在阵列1315中的至少一个 光源与位于观察窗260处的观察者之间提供光屏蔽件。光吸收屏蔽件可布置在阵列1315与 反射镜1302之间，以进一步减少来自阵列1315的杂散光。
[0132] 图16A-图16E是示意图，其示出了位于用于光注入的输入孔的区域中的中间阀光 输入表面的侧视图。如所示的布置方式是针对中间阀注入实施例的，然而，其还可适用于中 间楔注入实施例。如图16A所示，阵列201可在输入孔处布置有输入小平面，该输入小平面是 基本平面的并与平面光导表面6正交。大角度光线241原则上可被引导在波导1内。然而，具 有缺陷和特征圆度的结构特征243可提供杂散光线245,该杂散光线可朝向光学窗260并在 输入孔的区域形成接缝伪影。
[0133] 图16B和图16C示出小平面242、246可旋转以使得偏轴光线略微偏轴导向，这可有 利地将系统中的杂散光的位置移动远离最佳观察位置，使得对于期望观察角度可减小接缝 可见度。
[0134] 图16D和图16E示出定向背光源还可包括注入波导部分236,该注入波导部分布置 在具有至少一个光源的阵列201与输入孔之间，以将来自至少一个光源的输入光引导到输 入孔来通过所述输入孔将所述输入光注入。注入波导部分236可为独立于波导1的元件。输 入小平面246可布置有斜面，该斜面与波导236的输出小平面237的斜面对准，并且所述斜面 还可被布置用于将杂散光导向远离观察窗，例如导向到定向背光源的后部。这种布置可有 利地进一步减小来自阵列201的杂散光接缝的可见度。具体地讲，光屏蔽件202可使具有最 高光源强度的区域以及因此杂散光无法被观察者99看到。
[0135] 图17是示意图，其示出了定向显示器的正视图，该定向显示器包括定向背光源，该 定向背光源包括被布置用于减小框尺寸的中间阀光输入表面。与其中在波导的端部2处布 置有光源阵列201的布置方式(例如如图2C所示)相比，阵列201可放置在波导1下方，并且因 此背光源的框400可进一步减小。另外，可将阵列201布置在波导1的最薄部分下方，从而针 对显示器诸如移动显示器实现紧凑设计。
[0136] 图18A-图18C是示意图，其示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括定向背 光源，该定向背光源包括中间阀光输入结构，并示出了后反射器操作。后反射器被描述于共 同待决的美国专利申请13/939，053(RealD参考号95194936.335001)该专利申请全文以引 用方式并入本文。相应后反射器300布置在第二引导表面8的部分208、210中的每者后方，每 个后反射器300包括反射小平面310阵列，所述反射小平面被布置用于使来自具有至少一个 光源的阵列201的透射穿过波导1的多个小平面12的光线418反射回穿过波导1，以便离开穿 过第一引导表面6进入所述光学窗260中。如图18B所示，在操作中，由光提取结构特征12发 射的光线418入射在反射小平面310上，被重新导向穿过波导1朝向光学窗260。后反射器312 还可包括小平面312以实现棱镜膜结构，该棱镜膜结构还可有利地被布置用于实现偏振再 循环和增大的亮度。后反射器可借助于已知制造方法(其包括浇注或压印）形成并可具有形 成在其表面上的金属层311。与不具有后反射器的布置相比，这样的反射器可有利地实现增 大的显示器亮度。此外，后反射器可提供光屏蔽件202的功能并增大在x-z平面上的均匀度。
[0137] 图18A另外示出注入波导部分236可与波导1折射率匹配或可与波导1整体形成。因 此，用于光注入的孔可不包括物理表面。阵列201可安装在具有连接器460和电缆408的金属 包层印刷电路板404上的封装402中。板404可布置在波导后方，因此其尺寸可增大，但不增 大框400尺寸。与其中阵列布置在波导1的端部2处的布置方式相比，板404可被布置用于实 现经改善的散热特性。因此，阵列201的发光元件的效率就可增大。
[0138] 在靠近输入孔和波导236的区域405中，光提取结构特征12的空间密度与其他区域 407中的光提取结构特征的空间密度相比可增大。此外，光吸收结构特征410可结合在光引 导表面6上。结构特征410可被布置用于减小来自输入孔附近的杂散光412的强度，并且区域 405中密度增大的结构特征12可被布置用于补偿从结构特征12和反射器300导向的光的量， 从而在光注入孔附近的区域中实现增大的显示器均匀度。
[0139] 图18C示出另一个实施例，其中结构特征12延伸到波导236以进一步实现偏轴结构 特征的高均匀度。因此，狭槽415被布置用于接收针对第二部分210的后反射器300。有利的 是，在光注入孔的区域中的均匀度可增大。
[0140]图19是示意图，其示出了另一定向显示器的侧视图，该定向显示器包括定向背光 源，该定向背光源可包括中间阀光输入结构。第二引导表面8的两个部分208、210可以在沿 波导1的方向上重叠。另一光屏蔽件202可被布置用于实现平坦后反射器300并防止光透射 穿过第二部分210中的反射器膜300。波导236可包括输入层235,该输入层235可包括漫射 体、滤色器、反射器或其他光管理层中的至少一者。可有利地组合或单独地使用此类层来增 大显示器亮度、减少串扰、改进显示器空间均匀度或改进观察窗26角均匀度。另一层411可 布置在输入小平面200与波导236之间的输入孔处。这一层可包括漫射体、滤色器或其他光 管理层中的至少一者，并且可被布置用于降低照明接缝处的杂散光可见度。
[0141]图20-图21是示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括中间阀光 输入结构。光提取结构特征12可以类似于图4A的方式弯曲，并且因此在横向方向上具有正 的光焦度，以使得在定向背光源中无需菲涅耳透镜62。图20示出处于输入孔的输入小平面 200可为线性，而图21示出输入小平面200可具有弯曲形状，该弯曲形状可补偿端部4和弯曲 提取结构特征12的场像差。有利的是，该定向背光源的光学像差可针对偏轴光学窗减小，从 而增大显示器观察自由度。
[0142] 定向显示器的纵向观察自由度至少由光学窗260大小、观察者99的两眼间隔、窗平 面106的标称距离、显示宽度和光学像差决定。期望的是，还增大定向显示器的纵向观察自 由度。
[0143] 本实施例教示了一种阶梯式结构以在第二次穿过光导板1后照亮显示区域。具有 回反射路径的此类结构有利地受益于暗中将从输入小平面200传播到反射端4的光的扇形 射出。本实施例有利地减小了输入小平面200的可见度。
[0144] 图22是示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括另一中间阀光 输入结构。光组合器234布置在具有至少一个光源的阵列232、注入波导部分236、输入孔和 具有至少一个光源的另一阵列230之间，所述至少一个光源被布置用于在跨波导1的横向方 向上的不同输入位置处生成输入光，另一阵列230中的至少一个光源被布置用于通过光组 合器将输入光注入波导，该具有至少一个光源的另一阵列要比所最先提到的具有至少一个 光源的阵列232更靠近反射端4。有利的是，至少一个光源232可布置在与反射端4相距不同 距离的两个位置处，并且因此光学窗可实现在与定向背光源相距不同距离的两个位置处。 如将描述，这样的窗可用于扩展纵向观察自由度。
[0145] 图23-图24是示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括中间阀光 输入结构和端阀输入结构。在图23中，波导1具有面向反射端4的面向端2,并且该定向背光 源还包括被布置用于通过面向端2将另外的输入光注入波导1的至少一个光源的另一阵列 215。定向背光源还可包括具有至少一个光源的另一阵列201，该阵列被布置用于在跨波导1 的横向方向上的不同输入位置处生成输入光，该具有另一阵列201的至少一个光源被布置 用于在中途通过沿波导1的第二引导表面8在不同于所最先提到的具有至少一个光源的阵 列215的位置处将输入光注入波导1。图24结合包括输入光源220和光屏蔽件221的另外部分 222。光学窗可形成在三个不同的窗平面中，并且与背光源相距不同相应距离。
[0146] 图25是示意图，示出结合有波导239的定向背光源的侧视图，该波导被布置用于通 过布置在波导输入孔处的小平面200将来自具有至少一个光源的阵列232的光导向到波导 1。与图10和图14A的布置方式相比，这种布置方式可实现以增大亮度来重叠光学窗。此外， 光学窗可偏移，以使得针对给定光源间距而控制的窗分辨率可增大。有利的是，可减小对于 移动观察者的串扰和观察者闪烁。
[0147] 图26为示意图，其示出了图23的布置方式的正视图，并且图27为示意图，其示出了 可通过图26的布置方式实现的观察窗的顶视图。阵列201可被布置用于针对标称观察者位 置506在窗平面500中实现光学窗514。对于观察者位置508,阵列215可被布置用于从结合有 图23的定向背光源的显示器100、在z方向上在不同纵向距离处的窗平面502中实现光学窗 518。从窗514向前的最大纵向观察自由度510由区域516示出，并类似地，区域520指示光学 窗518的最大纵向观察自由度，从而实现如线504所指示的最大纵向观察自由度。通过将照 明从阵列215切换到对应于已知观察者位置的阵列201，总纵向观察自由度由此可从距离 510增大到距离512。有利的是，这样的显示器可更方便在不同观察环境中操作。
[0148] 图28是示意图，其示出了平铺定向光阀的正视图，该平铺定向光阀包括中间阀光 输入结构。波导1瓦片551、555、559各自可具有相应的第一光源阵列552、556,560和第二光 源阵列550、554、558，这些光源阵列布置在与反射端4相距相应不同距离的位置处并且实现 类似于图27所示的那些的观察窗。
[0149] 图29是示意图，其示出了平铺定向光阀的顶视图，该平铺定向光阀包括中间阀光 输入结构。因此，每个瓦片551、555、559在显示器上方提供具有扩展的观察自由度的区域 516、520,这些区域宽于图27的单个瓦片。通过比较，具有组合瓦片551、555、559的宽度的单 个瓦片与图29的布置方式相比可具有基本上三分之一的纵向观察自由度。因此，在宽度增 大的显示器例如监视器和电视机中，纵向观察自由度可增强。
[0150] 图30是根据本发明的示意图，其示出了用于包括中间阀光输入结构的平铺定向光 阀的控制系统。与图13的布置方式相比，控制信号由光源控制器74提供到对应于测量出的 观察者99的横向和纵向位置的光源阵列550、552、554、556、558、560。有利的是，与具有单个 光注入孔的布置相比，观察者99的观察自由度可显著增大。
[0151] 定向背光源的光源的发光度受到发光技术诸如LED的可实现输出的约束。在示例 性的例子中，LED的发光度可限制为301m/mm2。此类LED通常无法实现在结合期望漫射特性 结合时，为对角线为50〃的透射TFT-LCD显示器提供500尼特的显示器亮度。可期望的是，在 增大显示器的面积的同时，维持高亮度输出。将各自带有具有至少一个光源的相关联的阵 列的波导平铺可用于在大显示器中递送期望照明特性。可期望的是，以使波导之间接缝不 可见的方式实现平铺波导阵列。
[0152] 图31A是示意图，其示出了另一平铺定向光阀的侧视图，该平铺定向光阀包括中间 阀光输入结构，并且图31B是示意图，其示出了另一平铺定向光阀的正视图，该平铺定向光 阀包括中间阀光输入结构。因此，该定向背光源可包括多组波导250、252以及具有至少一个 光源的阵列258、259,它们均以相同方式布置，波导1是平铺的。波导可包括在垂直于所述横 向方向的方向上被平铺的波导，这样的波导的端部是与邻接在线254处的反射端相对。光阻 挡层还可结合在线254处，以防止在相应波导250、252之间发生泄漏。或者，第一波导250和 第二波导252可整体形成。有利的是，在平铺波导阵列之间的接缝可减小或消除。
[0153] 在场序自动立体显示器中，分离的顶部照明和底部照明可显著地改善照明占空 比，因为逐行更新的LCD的半高区域在整个帧时间的大部分可实现稳定的成像。自动立体显 示器中的偏移堆叠的发光元件阵列的操作使用图31A-图31B的平铺布置在图32中示意性地 示出。在第一时隙中，SLM 48正在显示在其高度的大部分上方的右眼图像162,可包括切换 区域164的顶部部分除外。因此，观察者在时隙154可具有仅由底部阶梯式波导250照明的右 眼窗。在下一个时隙中，显示器显示右图像162、混合图像164和左图像166的混合。在时隙 156中，左图像出现在显示器的顶部，其中在底部具有混合区域，使得波导252可照明左眼窗 并且光学阀104可未被照明。在时隙157中，显示器的顶部和底部均显示混合图像，所以两个 光学阀可均未被照明。在时隙158中，底部阀可照明左窗。在时隙159和时隙161中，任一光学 阀可均未被照明，并且在时隙160中，顶部光学阀100对于右眼窗被照明。因此，通过时序，每 只眼睛可从光学阀阵列的顶部和底部看见左眼和右眼。有利的是，显示器亮度可通过使用 较大照明时隙来增大，并且显示器串扰可减小。
[0154]图33是示意图，其示出了另一平铺定向光阀的正视图，该平铺定向光阀包括中间 阀光输入结构。波导1因此包括在横向方向上平铺的波导。波导270、272和274、276可分别在 横向方向成对平铺，并且这些对可以类似于图31B所示的方式平铺在正交方向上。光提取结 构特征12可替代地弯曲。有利的是，大显示器可布置成具有低接缝可见度。
[0155] 图34是示意图，其示出了平铺定向光阀的部分的侧视图，该平铺定向光阀包括后 反射器，如美国专利申请13/939，053和14/186，862，所述，这两个专利申请全文以引用方式 并入本文。定向背光源还可包括相应后反射器300,所述后反射器布置在第二引导表面的部 分250、252中的每者后方，每个后反射器300包括反射小平面阵列312、310,所述反射小平面 被布置用于使来自至少一个光源的透射穿过波导1的多个小平面12的光线304、308反射回 穿过波导1，以便离开穿过第一引导表面6进入所述光学窗260中，后反射器300-直延伸到 区域254中的邻接端后方。光线302、306在光提取结构特征12处通过全内反射进行反射，并 结合漫射体68来分别与光线304、308组合以产生观察窗260,该漫射体可为非对称漫射体。 有利的是，后反射器300可进一步减小部分250、252之间的接缝可见度。此外，显示器亮度可 增大。
[0156] 图35是示意图，其示出了折叠式定向显示器的正视图，该折叠式定向显示器包括 中间阀光输入表面并被布置用于实现反射端的高效照明，如参考图14B所述。在横向方向上 平铺的波导422、426由铰接部425连接以允许所述波导422、426折叠起来。具体地讲，单独波 导422、426的纵横比可为约8:9,使得当两个波导彼此靠近布置时，总纵横比为约16:9。
[0157] 图36是示意图，其示出了包括成折叠布置的折叠式显示器的侧视图。波导422、426 分别被布置用于对空间光调制器420、424照明，并且这种组件利用铰接部425实现。有利的 是，当并未提供宽屏操作时，例如在移动显示器应用中，则可提供小显示器面积。铰接部取 向可翻转以使得SLM 420、424在折叠模式下受到保护。
[0158] 图37是示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视图，该折叠式 显示器在显示器的平面中包括2D图像。因此，观察者99的左眼430和右眼432分别可看到铰 接部区域440中的框400,并且任一眼睛都无法在区域440中看到图像。
[0159]图38是示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视图，该折叠式 显示器包括自动立体图像。自动立体图像被布置用于在左眼图像数据与右眼图像数据之间 的所有像素点的横向双眼像差下向每只眼睛提供基本上相同的2D图像。因此，分别通过空 间光调制器424、420,左眼430看到位置436、437中的2D图像，并且右眼看到位置438、439中 的2D图像。以此方式，在铰接部后方的区域442对于每只眼睛而言存在于不同位置中，并且 观察者可观察整个铰接部区域440上的连续图像数据。有利的是，实现铰接部可见度减小的 折叠式显示器。
[0160]图39是示意图，其示出了呈未折叠布置方式的折叠式显示器的侧视图，该折叠式 显示器包括针对偏轴观察者位置的自动立体图像。该未折叠显示器的铰接部可调整以使得 SLM 420、424提供在相对于观察者99的不同平面处。自动立体显示器420、422和424、426上 的双眼像差分别可调整以使得所得自动立体图像共平面。另外，可跟踪观察者99的位置450 并相应更新双眼像差数据，以便实现用于查看所得2D图像的环视功能。
[0161]图40是示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括中间阀光输入 结构。输入小平面200可包括结构特征801，这些结构特征被布置用于实现输出照明的增大 的均匀度。结构特征801可包括棱镜、透镜、衍射元件或其他光分布元件，这些结构特征尤其 是被布置用于不仅在x-y平面上而且在x-z平面上实现对输出方向的修改。此外，光学元件 诸如反射器可结合在侧22、24上，以提高亮度均匀度。有利的是，可增大对于中间阀注入的 显示均匀度。此外，侧4可包括菲涅耳反射镜，例如与图20的布置方式相比，该菲涅耳反射镜 有利地具有减小的框宽度。有利的是，例如与图11的布置方式相比，本实施例可实现减小的 框宽度。
[0162] 图41是示意图，其示出了定向显示器的透视图，该定向显示器包括定向背光源，该 定向背光源包括中间阀光输入结构。后反射器81可包括微结构化表面83，该微结构化表面 83被布置用于实现透射穿过光导板1的结构特征12的光的增大的反射性以及从包括反射性 偏振器的光学堆叠254反射的光的偏振再循环。堆叠254还可包括漫射体和延迟层。遮光层 110可被布置用于隐藏边缘区域。空间光调制器48可包括偏振器118、衬底120、具有像素区 域130、132、134的液晶层122、基板124和输出偏振器126。
[0163] 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〇%至10%的范围内。
[0164] 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/或光学设备。实际上，本发明的方面可同与光学和电气装置、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 可用于多种计算环境。
[0165] 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。
[0166] 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，本公开的广度和范围不应受到任何上述示范性实施例的 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结构特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全 部上述优点的过程和结构。
[0167]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公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体来说并且以 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 对本公开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一新颖点。可以根据产生于本公开的多项权利要求来阐述多个实施 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 本公开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。
【主权项】
1. 一种定向背光源，所述定向背光源包括： 波导，所述波导包括用于沿所述波导来引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导 表面， 至少一个光源，所述至少一个光源被布置用于在跨所述波导的横向方向上的预定输入 位置处生成所述输入光， 所述波导还包括用于使所述输入光反射回穿过所述波导的反射端，所述第二引导表面 被布置用于将所述输入光在作为输出光从所述反射端反射穿过所述第一引导表面后偏转， 并且所述波导被布置用于将所述输出光在根据所述输入光的所述输入位置而定位在横向 方向中的输出方向上导向进入光学窗中， 所述至少一个光源被布置用于使所述输入光在中途穿过沿所述波导的所述第二引导 表面注入所述波导。2. 根据权利要求1所述的定向背光源，其中所述第二引导表面包括至少两个部分，所述 至少两个部分各自在中途沿所述波导延伸，由输入孔垂直于所述横向方向分隔开，所述至 少一个光源被布置用于通过所述输入孔将所述输入光注入。3. 根据权利要求2所述的定向背光源，其中所述至少一个光源设置在所述第二引导表 面的所述部分中的一者后方。4. 根据权利要求3所述的定向背光源，还包括光屏蔽件，所述光屏蔽件布置在所述至少 一个光源与所述第二引导表面的所述部分中的后方设置有所述至少一个光源的一者之间。5. 根据权利要求2至4中任一项所述的定向背光源，还包括相应后反射器，所述后反射 器布置在所述第二引导表面的所述部分中的每者后方，每个后反射器包括反射小平面阵 列，所述反射小平面被布置用于使来自所述至少一个光源的透射穿过所述波导的多个小平 面的光反射回穿过所述波导，以便离开穿过所述第一引导表面进入所述光学窗中。6. 根据权利要求2至5中任一项所述的定向背光源，其中所述输入孔包括在所述第二引 导表面的所述两个部分之间延伸的输入小平面，所述至少一个光源沿所述输入小平面布 置。7. 根据权利要求2至5中任一项所述的定向背光源，其中所述定向背光源还包括注入波 导部分，所述注入波导部分布置在所述至少一个光源与所述输入孔之间，以将来自所述至 少一个光源的输入光引导到所述输入孔来通过所述输入孔将所述输入光注入。8. 根据权利要求7所述的定向背光源，其中所述注入波导部分是独立于所述波导的元 件。9. 根据权利要求8所述的定向背光源，其中所述注入波导部分是与所述波导折射率匹 配。10. 根据权利要求7所述的定向背光源，其中所述注入波导部分是与所述波导整体形 成。11. 根据权利要求7至10中任一项所述的定向背光源，其中所述第二引导表面的所述两 个部分在沿所述波导的方向上重叠。12. 根据权利要求7至11中任一项所述的定向背光源，还包括:布置在所述注入波导部 分与所述输入孔之间的光组合器；以及另外至少一个光源，所述另外至少一个光源被布置 用于在跨所述波导的横向方向上的预定输入位置处生成输入光，所述另外至少一个光源被 布置用于通过所述光组合器将所述输入光注入所述波导，所述另外至少一个光源要比所最 先提到的至少一个光源更靠近所述反射端。13. 根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述定向背光源还包括另外 至少一个光源，所述另外至少一个光源被布置用于在跨所述波导的横向方向上的预定输入 位置处生成输入光，所述另外至少一个光源被布置用于在中途通过沿所述波导的所述第二 引导表面在不同于所最先提到的至少一个光源的位置处将所述输入光注入所述波导。14. 根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述波导具有面向所述反射 端的面向端，并且所述定向背光源还包括被布置用于通过所述面向端将另外的输入光注入 所述波导的另外至少一个光源。15. 根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，包括均以相同方式布置的多组波 导以及至少一个光源，所述波导是平铺的。16. 根据权利要求15所述的定向背光源，其中所述波导包括在垂直于所述横向方向的 方向上平铺的波导，其中所述波导的端部是与邻接的反射端相对。17. 根据权利要求16所述的定向背光源，其中所述第一波导和所述第二波导是整体形 成。18. 根据权利要求16或17所述的定向背光源，还包括相应后反射器，所述后反射器布置 在所述第二引导表面的所述部分中的每者后方，每个后反射器包括反射小平面阵列，所述 反射小平面被布置用于使来自所述至少一个光源的透射穿过所述波导的所述多个小平面 的光反射回穿过所述波导，以便离开穿过所述第一引导表面进入所述光学窗中，所述后反 射器一直延伸到邻接端后方。19. 根据权利要求15至18中任一项所述的定向背光源，其中所述波导包括在所述横向 方向上平铺的波导。20. 根据权利要求19所述的定向背光源，其中在所述横向方向上平铺的所述波导由铰 接部连接以允许所述波导折叠起来。21. 根据权利要求1至20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。22. 根据权利要求21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，其 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。23. 根据权利要求21或22中任一项所述的定向背光源，其中所述光提取结构特征在所 述横向方向上具有正的光焦度。24. 根据权利要求1至20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 上平坦的并以一定角度倾斜以在打破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 显示装置还包括跨所述波导的所述第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使光朝空间 光调制器的法线偏转。25. 根据权利要求1至24中任一项所述的定向背光源，其中所述反射端在所述横向方向 上具有正的光焦度。26. 根据权利要求1至25中任一项所述的定向背光源，其中所述至少一个光源包括光源 阵列，所述光源阵列被布置用于在跨所述波导的横向方向上的相应输入位置处生成输入 光。27. 根据权利要求26所述的定向背光源，其中所述光源阵列被布置成曲线。28. -种显示装置，所述显示装置包括： 根据权利要求1至27中任一项所述的定向背光源；以及 透射式空间光调制器，所述透射式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其进行调制以显示图像。29. -种显示设备，所述显示设备包括： 根据权利要求26或27所述的定向背光源；以及 透射式空间光调制器，所述透射式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其进行调制以显示图像；以及 控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入对应于所述 输出方向的不同光学窗中。30. 根据权利要求28或29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 述控制系统还被布置用于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 且同步地将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的光学窗中。31. 根据权利要求30所述的显示设备，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输出光导向进入根据被检 测到的所述观察者的位置选择的至少一个光学窗中。
【文档编号】F21V8/00GK106062620SQ201480067006
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年10月13日
【发明人】M·G·鲁宾逊, G·J·伍德盖特, J·哈罗德
【申请人】瑞尔D股份有限公司