定向光源的控制系统的制作方法

定向光源的控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种包括光引导阀设备的自动立体显示设备，所述光引导阀设备包括成像定向背光源、照明器阵列和观察者跟踪系统，所述观察者跟踪系统被布置为实现对照明器阵列的控制，所述照明器阵列可在具有低闪烁的宽的横向和纵向观察范围内为观察者提供定向显示器。
【专利说明】定向光源的控制系统

【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，涉及用于从局部光源提供 大面积照明的光导，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IXD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相应不同的方向以在显示器前面 提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗的观察者用来自第一组像素的光可看 到第一图像；而眼睛置于第二观察窗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，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且另 夕卜，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] 根据本发明的一个方面，提供了自动立体显示设备，其可包括显示装置，所述显示 装置包括透射空间光调制器。透射空间光调制器可包括像素阵列，所述像素阵列被布置用 于调制穿过所述像素阵列的光。显示装置还可包括波导，所述波导具有输入端以及用于沿 波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。相对的第一引导表面和第二引导表面 可从输入端跨空间光调制器延伸。显示装置还可包括在跨波导输入端的横向方向上不同输 入位置处的光源阵列。波导可布置为将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光 导向作为穿过第一引导表面的输出光，以用于穿过空间光调制器而提供进入分布在横向方 向中的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置。自动立体显不设备也 可包括传感器系统和控制系统，该传感器系统可被布置为检测观察者相对于显示装置的位 置，该控制系统可被布置为控制空间光调制器和光源。控制系统可布置为控制空间光调制 器以利用在彼此交替的左图像相位和右图像相位中时间上多路复用的左图像和右图像来 调制光。另外，控制系统可布置为在左图像相位和右图像相位中操作光源，以选择性地将左 图像和右图像导向进入观察窗，所述观察窗可包括至少一个在对应于观察者的左眼和右眼 的位置的光学窗，所述位置取决于被检测到的观察者的位置。当观察窗的位置为基本上静 态时，控制系统可被布置为在单个相位上操作单独光源，使得光通量的时间平均值具有预 定值。当观察窗的位置响应于被检测到的观察者的位置变化而移动时，控制系统可被布置 为控制对应于左观察窗和右观察窗的光学窗的光源，所述光学窗通过左图像相位和右图像 相位中的一者的给定光源的停止操作以及左图像相位和右图像相位中的另一者的相同或 不同光源的起始操作而彼此最靠近。这可以这样的方式进行，其中在左图像相位和右图像 相位的每个相邻对上，给定光源的光通量和相同或不同光源的光通量的时间平均值可大于 零并且小于预定值的两倍。
[0005] 通过将波形处理为左相位和右相位之间的过渡区中的发光元件照明器阵列的 LED，在观察者跟踪期间可补偿可能导致亮度伪影的条件。
[0006] 如本文所述修改LED驱动波形对于观察者而言可减少亮度闪烁效果的出现，从而 提高对于跟踪观察者的显示质量。另外，可修改波形以使得插入脉冲可在时间上大致等距 地布置在之前和之后的脉冲之间。此类实施例对于移动观察者而言可实现闪烁伪影的出现 进一步减少。
[0007] 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光学系统的光学阀，因此也可以是折叠成像 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No.13/300, 293中所述，该专 利申请全文以引用方式并入本文。
[0008] 美国专利No.6, 377, 295大体讨论了由于跟踪控制延迟，预测可用于校正坐标，该 专利全文以引用方式并入本文。这应用于机械移动的视差光学元件，其位置必须一直或连 续控制。通过比较，本发明实施例在由显示照明脉冲设置的限定未来时间提供了观察者位 置的预测生成，而不是跟踪器延迟。有利的是，连续确定位置可能是不合适的，而是在照明 的离散未来时间确定。美国专利No.5, 959, 664大体讨论了对观察者的纵向跟踪以及通过 调整显示SLM的内容来转向，该专利全文以引用方式并入本文。通过比较，以下所述的实施 例可通过调整光学阀的照明来实现纵向跟踪，而无需调整或切割显示SLM上的图像。
[0009] 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 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 光源中，以提供包括自动立体显示器的定向显示器。另外，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。
[0010] 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。
[0011] 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 的具体布置方式的细节，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方 式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。
[0012] 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；以 及可实现低成本。
[0013] 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。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 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：
[0015] 图IA是示意图，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；
[0016] 图IB是示意图，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；
[0017] 图2A是示意图，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；
[0018] 图2B是示意图，其以图2A的定向显示装置的正视图示出光传播；
[0019] 图2C是示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出光传播；
[0020] 图3是示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；
[0021] 图4A是示意图，其以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；
[0022] 图4B是示意图，其以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；
[0023] 图5是示意图，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；
[0024] 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；
[0025] 图6B是示意图，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；
[0026] 图6C是示意图，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；
[0027] 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。
[0028] 图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置；
[0029] 图9是示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0030] 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的结构。
[0031] 图IlA是示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；
[0032] 图IlB是示意图，其示出了楔型定向背光源的侧视图；
[0033] 图12是示意图,其示出了包括显示装置和控制系统的定向显示设备；
[0034] 图13是示意图，其以顶视图示出了观察窗的形成；
[0035] 图14A是示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式；
[0036] 图14B是示意图，其以正视图示出了对于移动观察者的第二观察窗布置方式；
[0037] 图15是示意图，其示出了在观察者移动期间窗平面中图14A的窗的出现；
[0038] 图16是示意图，其示出了在观察者移动期间窗平面中另外的观察窗的出现；
[0039] 图17是示意图，其示出了照明相位的时序和观察者位置更新；
[0040] 图18是示意图，其示出了照明相位的时序和非同步观察者位置更新；
[0041] 图19是示意图，其示出了照明相位的时序和同步观察者位置更新；
[0042] 图20A是示意图，其示出了灰度的脉冲振幅调制；
[0043] 图20B是示意图，其示出了灰度的脉冲宽度调制；
[0044] 图21A是示意图，其示出了适用于弱发射器的完全照明脉冲；
[0045] 图21B是示意图，其示出了适用于大功率发光元件的斩波照明脉冲；
[0046] 图21C是示意图，其示出了适用于大功率发光元件的较短脉冲；
[0047] 图21D是示意图，其示出了适用于大功率发光元件的较短脉冲；
[0048] 图22是示意图，其示出了相位脉冲位置调制；
[0049] 图23是示意图，其示出了定向显示装置的另一个实施例，所述定向显示装置包 括被布置为提供扇形光束以照明观察者并且提供观察者跟踪功能的集成红外发光元件阵 列；
[0050] 图24是照明脉冲的示意性时序图，所述照明脉冲包括在对于跟踪观察者而言的 一种情况下出现的双脉冲；
[0051] 图25是照明脉冲的示意性时序图，所述照明脉冲包括在对于跟踪观察者的而言 一种情况下出现的漏脉冲；
[0052] 图26至图31是照明脉冲的示意性时序图，其示出了减少双脉冲的视觉效果的另 外实施例；
[0053] 图32是示意图，其示出了用修改的输出驱动切换LED以减少图像闪烁的控制方 法；
[0054] 图33是用于在第一照明位置和第二照明位置之间的第一图案中切换LED阵列的 示意性时序图；
[0055] 图34是用于在第一照明位置和第二照明位置之间的第二图案中切换LED阵列的 示意性时序图；
[0056] 图35是示意图，其示出了实现第一位置和第二位置之间的LED阵列的统一切换的 控制系统；
[0057] 图36是示意图，其示出了在没有中心LED控制的情况下在第一照明位置和第二照 明位置之间的第二图案中的LED阵列的切换；
[0058] 图37是示意图，其示出了在没有中心LED控制的情况下在第一照明位置和第二照 明位置之间的第二图案中的LED阵列的切换；
[0059] 图38至图42是照明脉冲的示意形时序图，所述照明脉冲减少了双脉冲的视觉效 果；
[0060] 图43是示意图，其示出了识别切换LED组的控制方法；
[0061] 图44是示意图，其示出了识别第一照明布置方式中的切换LED组的另一种控制方 法；以及
[0062] 图45是示意图，其示出了识别第二照明布置方式中的切换LED组的另一种控制方 法。

【具体实施方式】
[0063] 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 所有像素的光导向至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光导向至第二观察窗， 而改善自动立体显示器的空间分辨率。因此，眼睛被布置为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导向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。
[0064] 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，并且对于移动观察者的串扰水平较低。[0065] 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。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的类似的困难。另 夕卜，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。
[0066] 可便利地用与通常具有Imm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件结合的宏观照 明器（例如LED阵列）来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地增加。例如,成像到65mm宽观察窗的16mm宽的照明器可需要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。
[0067] 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，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（通常坚直）方向 上移动时包含相同图像。
[0068] 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。
[0069] 一般来讲，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置为将来自多个光源的照明沿 至少一条轴线导向穿过显示器面板到达相应的多个观察窗。每个观察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。成像系统可形成于多个光源与相 应的窗图像之间。这样，来自所述多个光源中的每个的光对于相应观察窗外部的观察者眼 睛而言基本上不可见。
[0070] 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 Kali! Kaiantaretal. ,BacklightUnitWithDoubleSurfaceLightEmission,J.Soc.Inf.Display,Vol. 12,Issue4,pp. 379-387 (Dec. 2004) (EJiUiKiiliaiir等人，双面发 光的背光源单元，《国际信息显示学会会志》，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为将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多 个光源中的每个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。这样，来自所述多个光源中的每个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， 例如以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自3M的BEFtm提供。然而， 此类方向性对于相应光源中的每个而言可基本上相同。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 式非成像背光照明结构可用于液晶显示器系统中，诸如2D膝上型计算机、监视器和电视中 所见的那些。光从有损耗波导的边缘传播，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，所述局部压痕引起光损耗而不论光的传播方向如何。
[0071] 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（其有时称为"光阀"）。成像定向背光源的一个例子为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，如美国专利申请No. 13/300, 293中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。
[0072] 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。
[0073] 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，所述成像定向背光源包括用于引导光的波导，所述波导可包括第一 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，还包括散布有多个被布置为阶 梯的提取结构特征的多个光引导结构特征。
[0074] 此外，如所用的，折叠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。
[0075] 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上相对的第二方向 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。
[0076] 光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件的后工作距 离更薄的光学元件，以将来自宏观照明器的光导向至标称窗平面。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被布置为提取沿基本上平行的波导反向传播的光。
[0077] 用于与IXD-起使用的薄型成像定向背光源具体实施已由如下所述提出和说明： 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"楔型定向背光源";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"，所有上述专利全文以引用方式并入本文。
[0078] 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，所述阶梯式波导可包括第一侧面和第一组结构特征。当光沿着阶梯式波导的 长度传播时，光可基本上不改变相对于第一侧面和第一组表面的入射角，因此在这些内面 处可不达到介质的临界角。光提取可有利地由第二组表面（阶梯"立板"）实现，所述第二 组表面斜向于第一组表面（阶梯"踏板"）。应当注意，第二组表面可不为阶梯式波导的光 引导操作的部分，但可被布置为由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允 许光在具有连续内表面的楔形轮廓波导内引导。因此，光学阀不是楔型成像定向背光源。
[0079] 图IA是示意图，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，并且 图IB是示意图，其示出了图IA的光学阀结构中的光传播的侧视图。
[0080] 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为大于一的整数）。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-照明器元件15η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、局域场发射光源、有机发射器阵列等。另外，图IB示出 了在ΧΖ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、引导结构特征10和阶梯式波导1。图IB中提供的侧视图为图IA中所示 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。
[0081] 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。将照明器兀件15a-照明器兀 件15η设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
[0082] 波导1具有第一和第二相对的引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之 间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面为平坦的。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并斜向于在多个方向上反 射穿过波导1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SLM48。
[0083] 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为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横向延伸至那些区域，使得第二引导表 面具有包括光提取结构特征12和中间区域的阶梯式形状。光提取结构特征12被取向为从 反射端4反射之后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。
[0084] 光提取结构特征12被布置为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-照明元件15η被布置在不同输入位置处，来自相应照明元件15a-照明元件15η 的光在这些不同方向上反射。这样，照明元件15a-照明元件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相应的光学窗，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，照明器兀件15a-照明器元件15η可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗内。
[0085] 在本发明中，光学窗可对应于窗平面中的单个光源的图像，所述窗平面为其中在 整个显不装置上形成光学窗的标称平面。作为另外一种选择，光学窗可对应于一起驱动的 一组光源的图像。有利的是，此组光源可增加阵列121的光学窗的均匀度。
[0086] 通过比较，观察窗为其中提供光的窗平面中的区域，包括来自整个显示区域的基 本上相同图像的图像数据。因此，观察窗可由单个光学窗或由多个光学窗形成。
[0087]SLM48跨波导延伸，透射并调制从其中穿过的光。虽然SLM48可为液晶显示器 (LCD)，但这仅仅作为例子，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置 等，因为该照明器可以反射方式工作。在该例子中，SLM48跨波导的第一引导表面设置并 且调制在从光提取结构特征12反射之后穿过第一引导表面的光输出。
[0088] 可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图IA中以正视图示出，并且其 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的薄的端侧面2的表面X =〇位于不同位置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远处弯曲端侧面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的底部侧面的引导结构特征10的提取结构特征12可具有大于临界 角的倾斜角，并且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该提取结构 特征12,从而确保了基本上无损耗的前向传播。
[0089] 继续讨论图IA和图1B，阶梯式波导1的弯曲端侧面4可制成反射性的，通常通过 用反射性材料（例如银）涂覆而实现，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χζ平面中基本上保持，这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，并且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 时该角展度可增加，但根据提取结构特征12的反射特性，其可一定程度地减小。
[0090] 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角轮廓并偏离法线。然而，在具有带银涂层或金属化提取结构特征 的其他实施例中，可保持增加的角展度和中心法线方向。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 中的相应照明器元件15a-照明器元件15η离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法 线。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a-独立照明器元件15η进而能够使光从整个 第一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图IA中所示。
[0091] 在一个实施例中，显示装置可包括阶梯式波导或光阀，其继而可包括可被布置为 通过全内反射引导光的第一引导表面。光阀可包括第二引导表面，其可具有倾向于在多个 方向上反射穿过波导引导的光的多个光提取结构特征，所述多个方向允许光穿过第一引导 表面作为输出光离开。第二引导表面也可具有光提取结构特征之间的区域，所述区域可被 布置为导向光穿过波导而不提取光。
[0092] 在另一个实施例中，显示装置可包括具有至少第一引导表面和第二引导表面的波 导，所述第一引导表面可被布置为通过全内反射引导光，所述第二引导表面可为基本上平 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用于通 过第一引导表面输出光。显不装置可包括跨波导的第一引导表面延伸的偏转兀件以用于使 光朝SLM48的法线偏转。
[0093]在又一个实施例中，显示装置可包括波导，所述波导可具有面向输入端的反射端 以用于将来自输入光的光反射回穿过波导。波导还可被布置为从反射端反射后穿过第一引 导表面输出光。
[0094]用此类装置照明SLM48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l〇〇Hz)IXD面板SLM48的后方。在同步中，可选择性地 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 坚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。这样，当观察者的头部大约居中对准时可观察到3D。远离中心位 置朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。
[0095]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 上圆柱形的反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直 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包括球形轮廓以优化同轴和离轴观察位置的性能。可使 用其他轮廓。
[0096]图3是以侧视图示出定向显示装置的示意图。另外，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光导向侧面6、以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的 第二光导向侧面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,可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导结构特征 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。
[0097]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所示导向穿过侧面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、侧 面4和提取结构特征12中的输出设计距离和光焦度确定。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平面相交的SLM48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。
[0098] 图4A是以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。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。另外，图4A以正视图示出了来自照明器阵列15的照明器元件15c 的光线在阶梯式波导1中的进一步引导。每条输出光线从相应照明器14朝相同观察窗26 导向。因此，光线30可与光线20相交于窗26中，或在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在光导向侧面8 (光导向侧 面8在图3中示出，但在图4A中未示出）的第一区域34中的取向可不同于光提取结构特 征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。
[0099] 图4B是以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。另外，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。 侧面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 成与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。
[0100] 有利的是，图4B中所示的布置方式可在观察窗26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 观察窗26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。
[0101] 图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图,所述定向显示装置包括具 有基本上线性光提取结构特征的波导1。另外，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加便于制造。
[0102] 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即光学 阀设备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。图6C是示意图，其 示出了在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。另外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成照明窗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。图6B示意性地示出了照明窗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导向的光锥19。在与时间多 路复用显示器的配合中，窗26和44可按顺序提供，如图6C所示。如果SLM48 (图6A、图 6B、图6C中未示出）上的图像对应于光方向输出进行调整，则对于处于适当位置的观察者 而言可实现自动立体图像。用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操 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15η的一个或 多个照明元件，其中η为大于一的整数。
[0103] 图7是示意图，其示出了包括时间多路复用定向背光源的观察者跟踪自动立体定 向显示装置的一个实施例。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，并且照明器阵列15的适当照明器元 件可打开和关闭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，从而为所有观察 者提供3D。同样地，用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。
[0104] 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SLM48上的不同图像。图8的这两个2D图像可与相对于图7所述的类似方 式生成，因为这两个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。 一个图像在第一阶段中呈现于SLM48上，并且第二图像在不同于第一阶段的第二阶段中 呈现于SLM48上。对应于第一阶段和第二阶段调整输出照明以分别提供第一观察窗26和 第二观察窗44。两只眼处于窗26中的观察者将感知到第一图像，而两只眼处于窗44中的 观察者将感知到第二图像。
[0105] 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图像显示 系统也可利用定向背光源以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功能。
[0106] 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，该装置可 包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62,其被布置为对于跨阶梯式波导1输出表面的基本上准 直的输出提供观察窗26。坚直漫射体68可被布置为进一步延伸窗26的高度。光然后可通 过SLM48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RGBLED。作为另外一种选择，照明器阵列15中的照明器元件可包括均 匀的光源和SLM48,其被布置为提供单独的照明区域。作为另外一种选择，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）导向 到漫射体上。在一个例子中，激光因此可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，并且还提供散斑减少。作为另外一种选择，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 得可在不同于可见输出光的波长处照明。
[0107] 图IlA是示意图，其示出了另一个成像定向显示装置（如图所示，楔型定向背光 源）的正视图，并且图IlB是示意图，其示出了相同楔型定向显示装置的侧视图。楔型定向 背光源由名称为"FlatPanelLens"（平板透镜）的美国专利No. 7, 660, 047大体讨论，该 专利全文以引用方式并入本文。该结构可包括具有底部表面的楔型波导1104,该底部表面 可优先涂覆有反射层1106,并且具有末端波纹形表面1102,该表面也可优先涂覆有反射层 1106。如图IlB所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104并且光可在反射离开端表 面之前在第一方向上传播。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。通过与光学阀比较，楔型波导通过锥形提供提取，该锥形减小传播光的入射角， 使得当光以临界角入射在输出表面上时可逃逸。在楔型波导中以临界角逃逸的光基本上平 行于该表面传播，直至由重新导向层1108(诸如棱镜阵列）偏转为止。楔型波导输出表面 上的误差或粉尘可改变临界角，从而产生杂散光和均匀度误差。另外，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小平面化反射镜，该小平面化反射镜使 楔型波导中的光锥方向偏置。此类小平面化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。
[0108] 楔型定向背光源和光学阀进一步以不同方式处理光束。在楔型光导中，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 平行于主表面离开。通过比较，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 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 重新导向膜来提取朝向观察者的光，并且输入的角不均匀度可不提供跨显示表面的不均匀 度。
[0109] 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IlB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 特征之外，上述描述同样适用于以下波导、定向背光源和显示装置，但为了简单起见，将不 再重复。
[0110] 图12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 统的布置和操作现在将进行描述并且在加以必要变更的情况下可适用于本文所公开的每 个显示装置。如图12所示，定向显示装置100可包括本身可包括阶梯式波导1和光源照明 器阵列15的定向背光源装置。如图12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。定向显示装置100还可包括SLM48。
[0111] 波导1如上所述布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置为与反射 端4配合以实现由观察者99观察到的观察平面106处的观察窗26。透射性SLM48可被布 置为接收来自定向背光源的光。另外，可提供漫射体68以基本上除去波导1与SLM48以 及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹振动。
[0112] 控制系统可包括传感器系统，该传感器系统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。
[0113] 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。这样，波导1的横向输出方向性对应于观察者位置。
[0114] 图像控制器76控制SLM48以显示图像。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SLM48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，并同步地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。
[0115] 图13是不意图，其以正视图不出了观察窗的形成。另外，图13以顶视图不出了图 12的实施例。显示器100可在窗平面106 (其为标称平面）中产生扇形光锥102和观察窗 104阵列。具有鼻部位置112的观察者99可看到来自显示器100的照明。当左眼110与窗 116大致对准，并且右眼108与窗114大致对准，并且存在于窗114和116的图像数据为立 体像对时，观察者便可感知到自动立体3D图像。窗114和116可交替显示基本上相同的数 据，所以显示装置100可作为2D图像显示装置而发挥功能。窗114和116可在单独时隙中 与左眼和右眼图像数据的面板上的显示器同步被照明。
[0116] 现在将描述观察窗的各种布置方式。如上所述，这些观察窗中的每个可通过控制 系统的适当操作提供，例如通过选择性地操作照明器元件15,以与SLM48上的图像显示同 步将光导向进入观察窗26。定向显示设备可为可操作的，以在相同或不同的时间，例如以定 向显示设备的不同操作模式，提供这些观察窗布置方式中的任何一者，或这些观察窗布置 方式的任何组合。
[0117] 在示出观察窗的布置方式的各图中，光学窗的结构示出光学窗的标称位置，而不 是可采取各种形式并且可重叠的实际光分布。
[0118] 图14A是示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式。另外，图14A以正视图 示出了图12的实施例。观察者99被示为在垂直于显示器100的大致中心的平面118的略 微右侧。因此，左眼观察窗114和右眼观察窗116可在显示器的略微右侧生成。在图14B 中，观察者99被示为重新定位在向右的方向120上，所以作为响应，窗114、116可向右转 向。图14B是示意图，其以正视图示出了对于移动观察者的第二观察窗布置方式。有利的 是，观察者的左眼和右眼可在观察者移动期间用左眼和右眼图像数据照明。
[0119] 窗移动可通过对应于窗平面106中观察者99移动的照明器阵列15的机械移动提 供。然而，此类移动是复杂和昂贵的。因此，期望在控制系统的控制下，通过切换离散照明 器元件来实现照明器阵列15的照明器元件的成本和复杂性降低。
[0120] 图15是示意图，其示出了图14A中的用于第一跟踪观察者位置和第二跟踪观察者 位置的窗平面106的窗的出现。另外，图15示意性地示出了光学窗（也可称为子窗）的阵 列121，其可被布置为实现观察窗的可切换阵列。阵列121的每个光学窗可对应于窗平面 106中的图像，诸如照明器阵列15的照明器元件的图12和图13中所示，如上所述。
[0121] 窗平面106中的光学窗阵列121的照明结构可大致对应于观察者99的横向位置， 如图14A中所不。在本发明实施例中，左眼的观察窗116可包括光学窗122和光学窗阵列 134。右眼观察窗114可包括光学窗124和光学窗阵列136。光学窗125、126和128可不被 照明，使得相应照明器元件可不被照明。
[0122] 另外，图15示出了在沿方向120移动后，大致对应于如图14B中所示的观察者99 位置的光学窗阵列121的细节。标记窗边界131以示出照明光学窗的相对位置。左眼观察 窗116可被布置为包括光学窗126和光学窗阵列134。因此，光学窗122可关闭。相似地， 对于右眼观察窗，光学窗128可打开并且光学窗124可关闭，使得右眼观察窗114被布置为 包括光学窗128和光学窗阵列136。窗125对于所不的观察者移动保持未照明，以减少串 扰。
[0123] 有利的是，此类实施例可关闭远离观察者眼睛的光学窗，使得随着观察者99移 动，可实现观察自由度极大提高的显示装置100的出现。光学窗，诸如可大致对应于例如眼 睛之间的位置的光学窗125可关闭，以改善显示图像的串扰。低串扰可有利地增加3D立体 图像的感知质量。
[0124] 另外，观察者的二维或三维位置和运动特性，诸如速度、加速度、方向和头部取向， 可由传感器70和控制单元72确定。这继而可用于在未来照明时隙中生成可能的观察者眼 睛位置。因此，光学窗的阵列121的适当照明结构可被确定，以优化给定照明时隙中来自显 示器100的光的输出方向性，并且可通过对于时隙设置照明器阵列15的相应照明器元件的 照明结构来确定。
[0125] 另外，SLM48上的图像数据可被调整为有利地实现环顾功能、二维图像或其他图 像特性，如本文所述。
[0126] 图16是示意图，其示出了在观察者移动期间窗平面中另外的观察窗的出现。与图 15相比，对于所有观察者位置，观察者99的眼睛之间的光学窗可被照明。在跟踪移动观察 者期间，光学窗127可从左眼光学窗变为右眼光学窗。有利的是，增加观察者眼睛之间的照 明光学窗的数目可减少移动观察者99所看到的图像闪烁，特别是对于照明SLM48边缘处 的区域以及对于远离窗平面106的观察者位置而言。图像闪烁的出现可为比可通过未照明 轴间光学窗125实现的串扰改善更显著的图像退化伪影。
[0127] 在本发明的时间多路复用实施例中，如图16所示，光学窗127从左眼相位变为右 眼相位。此类变化可形成不期望的闪烁，如下所述。
[0128] 现在将描述通过上述控制系统实现的控制的方面，所述控制可在本文所述的显示 设备中实施。
[0129] 图17是示意图，其示出了特定条件下照明相位的时序和控制系统中的观察者位 置更新。具体地讲，图17示出了控制系统提供给照明器元件的控制信号形式，其采取以下 形式。照明脉冲3001在左图像相位期间提供给照明器元件，所述照明器元件被选为将光导 向进入左眼观察窗。相似地，照明脉冲3002在右图像相位期间提供给照明器元件，所述照 明器元件被选为将光导向进入右眼观察窗。左图像相位和右图像相位可具有相等的周期。
[0130] 另外，图17示出了其中显示装置可设有例如SLM的实施例，所述SLM是在120Hz 下运行的IXD，其具有交替的左眼图像视图和右眼图像视图。在阵列15的给定照明器元件 的该实施例中，时间轴3000上的照明脉冲300U3002可比显示器的全场时间3003更短，以 在LCD面板基本上完全响应时，照明基本上整个显示器。在该实施例中，应当理解观察者左 眼或右眼的位置可在对应照明脉冲的时间采用。因此，图12中的转向系统74可在闪烁和 串扰最小化时照明观察者的眼睛。应当理解，图12中的跟踪系统传感器70可体现为摄像 机，所述摄像机可产生在时间轴3012中的时间3004上隔开的图像帧更新3008、3010,并且 速率小于显示场速率3003。在这种情况下，图12中的控制器72可使用先前的位置以及那 些位置的时间，以便确定观察者的运动参数，诸如速度和加速度。此外，该数据可用于预测 观察者在未来时间的位置。
[0131] 如本文所讨论，全场时间可称为顺序寻址方案中时间多路复用空间光调制器的像 素寻址之间的时间间隔。照明器元件可被布置为与空间光调制器的寻址同步被照明，因此 在正常操作中（除与照明相位变化相关联的照明器元件之外），全场时间为例如相邻照明 间隔中相应照明器元件的点上的相应切换之间的时间。正如通常在显示装置中，由于视觉 暂留，场时间被选择为足够短的，以使正常操作中的闪烁最小化。
[0132] 有利的是，该实施例可提供观察者位置比跟踪传感器70本身产生观察者位置的 次数更多。
[0133] 有利的是，预测位置可与图12的跟踪传感器和控制器70、72配合使用，以使图像 帧搜索区域局域化，从而减少要处理或搜索的数据量，以便确定来自传感器70的图像帧中 的观察者位置。
[0134] 图18是示意图，其示出了不同条件下照明相位的时序和控制系统的非同步观察 者位置更新。另外，图18示出了其中观察者的位置可在任何显示场时间3003内的时间3005 和一个或优选地更多个时间上生成或计算的实施例。
[0135] 有利的是，这可实现这样的实施例，其中跟踪系统可频繁地将观察者位置更新至 转向系统，使得当照明脉冲300U3002出现时，与仅使用在时间3004上隔开的更新相比误 差减少。可以很容易地理解，更新3005越频繁，照明时间300U3002上观察者的位置误差 越小。应当理解，跟踪和位置生成系统可能不必同步到图像显示系统76或照明74。应当注 意，生成可以指生成或计算时间位置而非空间位置。
[0136] 图19是示意图，其示出了在其他不同条件下照明相位的时序；和控制系统的同步 观察者位置更新。另外，图19不同于图18的实施例，因为来自跟踪系统70、72的时间轴 3012上的位置更新可与显示器寻址76以及转向和照明系统74基本上同步。有利的是，这 意味着与图18的实施例中相比，时间轴3000上的许多较少外推位置3006可为所需的，并 且可减少观察者位置精度误差。有利的是，整个时间周期3007可用于跟踪系统70、72,以提 供时间3006处的生成位置。
[0137] 在图18和图19的实施例中，应当理解，控制系统72可将未来时间的生成观察者 位置与随后在该时间或该时间附近确定的实际位置比较，以便产生误差值。该误差值的大 小可被系统用作对"跟踪锁定程度"的测量，并且系统可根据该值采取行动，包括但不限于 改变图15中光学窗阵列121的照明尺寸或性质。光学窗阵列121中的照明可切换至例如 2D模式。应当注意，该行动可以在可视场中的任何点进行，而不仅仅是在极限处。
[0138] 传感器，例如摄像机，可通过多种方法校准，诸如将照明窗中的光转向指由相机识 别的检测器（诸如光电检测器或人眼）的多个固定位置。作为另外一种选择，检测器可以 移动并且与由不同的照明器元件阵列图案限定的多个固定位置对准。在另一个例子中，相 机视觉系统本身可查看例如观察者面部上的照明器元件阵列的光条图像，并且将其调整为 落在正确的眼睛上。
[0139] 本领域的技术人员将认识到，来自跟踪系统的输出坐标值可采用显著的处理时 间，并且所产生的坐标值可具有一定滞后或延迟。换句话说，产生坐标的时间可反映观察者 在较短时间以前的位置。该滞后或延迟可影响观察者可在不在照明器元件位置中引入误差 的情况下移动的最大速度，所述误差可被感知为闪烁。
[0140] 有利的是，先前采样位置可用于确定观察者的速度和/或加速度，并且这些图可 用延迟的知识处理，以更准确地报告观察者在图18中所示的当前时间3005或在图19中所 示的对应于显示器照明相位的未来所需时间3006的位置。有利的是，系统可生成单眼位 置，或从所生成的鼻部位置和眼睛间隔的知识确定双眼位置。可从相机图像确定每个特定 观察者的眼睛间隔。
[0141] 在上述例子中，照明脉冲300U3002是提供至照明器元件的控制信号，以使其 输出具有光通量的周期和大小的光脉冲，所述光通量的周期和大小分别取决于照明脉冲 300U3002的周期和振幅。在所有例子中，上述照明脉冲300U3002具有相同的周期和振 幅，因此使光源输出具有相同周期和光通量的光。由于视觉暂留，随着场时间足够短而使闪 烁最小化，观察者所感知到的光强度可视为取决于光通量在场时间或在单个相位上的时间 平均值。在场时间足够短以使闪烁最小化的程度上，这是适当的。
[0142] 一般来讲，控制系统可布置为使得当观察窗的位置为静态时，单独照明器元件在 单相（右图像相位或左图像相位）上操作，使得光通量在该相位上的时间平均值具有预定 值。因此，由观察者所感知到的光强度随时间推移而保持基本上恒定，从而将闪烁最小化到 场时间足够短以使闪烁最小化的程度。
[0143] 上述照明脉冲300U3002是其中此类控制作为具有相同周期和振幅的照明脉冲 300U3002的结果而实现的实施例的例子。预定值可基本上为在未检测到观察者移动时，单 独照明器元件在时间周期内实现的光通量时间平均值。此类预定值可被设置为通过定向背 光源和SLM48使光传播至观察窗之后实现所需显示器亮度，其中照明器元件与图像数据 的显示同步操作，该图像数据可设置在时间多路复用SLM48上。
[0144] 现在将描述用于改变照明脉冲形式，并且因此改变由可应用于控制系统的照明器 兀件输出的光的光通量的技术的例子。
[0145] 图20A是示意图，其示出了灰度的脉冲振幅调制。另外，图20A示出了对于照明器 阵列15中可具有略微不同的性能特性的不同照明器元件，相同周期1000的照明脉冲如何 可被布置为调整振幅以具有不同振幅1002、1004,所述振幅提供具有相应不同大小的光通 量的光脉冲。因此，光通量的时间平均值相应地变化。这可用于例如通过振幅调制实现光 通量匹配。
[0146] 图20B是示意图，其示出了灰度的脉冲宽度调制。另外，图20B示出了对于照明器 阵列15中的不同照明器元件，相同振幅1002的照明脉冲如何可通过脉冲宽度调整以具有 不同周期1〇〇〇、1〇〇6,所述周期提供具有相应不同长度的周期的光脉冲。因此，光通量的时 间平均值相应地变化。
[0147] 可组合脉冲振幅和脉冲宽度调制效果（图20B中未示出）。
[0148] 有利的是，这些脉冲振幅和/或脉冲宽度调制技术可实现基本上均匀的光通量光 学窗阵列121。有利的是，单独LED的不同性能特性可基本上匹配。另外，有利的是，此类匹 配可在窗平面106处校准，并且在显示装置的寿命期间定期执行。另外，有利的是，匹配可 通过观察者定位系统70 (例如相机）实现。
[0149] 图21A是示意图，其示出了适用于弱发射器的完全照明脉冲。另外，图21A示出了 用于照明器阵列15的元件的周期1008的LED脉冲。此类脉冲可适用于照明器阵列15的 最弱元件。
[0150] 图21B是示意图，其示出了适用于大功率照明器元件的斩波照明脉冲。另外，图 21B示出了例如实现灰度照明或匹配光通量的脉冲宽度调制如何可在脉冲内进行，而不是 在末端处进行。斩波1010可在照明器阵列15较强的照明器元件之一的脉冲中进行，对于 图21A的较弱照明器元件，所述照明器元件可实现基本上相同的输出光通量。不同的斩波 可用于将所有较强的照明器元件与最弱的照明器元件匹配。有利的是，对于照明器阵列15 的大多数至所有照明器元件，这可实现基本上相同的起始和结束时间。有利的是，显示装置 可在任何SLM48响应时间期间更均匀地被照明。
[0151] 图21C是示意图，其示出了适用于大功率照明器元件的较短脉冲。另外，图21C示 出了脉冲起始的脉冲斩波1010。
[0152] 图21D是示意图，其示出了适用于大功率照明器元件的较短脉冲。另外，图21D示 出了脉冲结束的脉冲斩波1010。
[0153] 图22是示意图，其示出了相位脉冲位置调制。另外，图22示出了光通量匹配可如 何使用脉冲位置调制方案来进行。每个照明脉冲可包括单独照明子脉冲1012的梳形。另 夕卜，子照明脉冲的相位可被布置为基本上"正交的"，也就是说，在不同时间出现至少一些发 光元件，如两组子脉冲1012和1014所示。有利的是，这可减少照明器电源上的峰值电流负 载（图22中未示出），从而降低成本。
[0154]在上述实施例中，图像控制单元76可使用来自传感器70和控制单元72的观察者 位置数据以实现响应于观察者99位置而变化的图像显示。有利的是，这可用于提供"环顾" 设施，其中例如SLM48上显示的图像透视可响应于观察者99的移动而变化。此类移动可 被放大以故意产生错误透视。
[0155] 在其中SLM48使用液晶材料并且逐行寻址的示例性实施例中，LC材料的电光响 应特性可为重要的。此外，脉冲照明可与扫描和LC响应相互作用，通过这种方式，可使位于 SLM48上不同空间位置处的像素产生不同的外观，即使它们使用相同的原始数据进行寻 址。该效果可通过预处理原始图像数据以作出纠正来消除。也可对图像数据作出修改，以 补偿左视图和右视图之间的预测串扰。
[0156] 另外，有利的是，对观察者99位置的了解可用于提供对SLM48的图像数据的更有 效的调整，以便补偿上述效果。
[0157] 在图23中所示的另外实施例中，发光元件的照明器阵列15可与发光元件515的 照明器阵列对齐，例如不用于视觉照明，但可被布置为与传感器70配合，以帮助检测观察 者99位置的红外LED。图23是示意图,其示出了另一个实施例,所述实施例包括被布置为 提供扇形光束以照明观察者并且提供观察者跟踪功能的集成红外发光元件阵列。红外LED 可提供观察者瞳孔599通过从视网膜的反射的易识别位置。因此，就显示器照明而言，元件 514可通过相同光学系统导向至与窗26大致对准的窗526,从而基本上共同定位于观察空 间中。有利的是，LED可被布置在相同的封装中，以降低相应照明器阵列515和发光元件照 明器阵列15的对准和封装成本。有利的是，发光元件515的照明器阵列可从照明器阵列15 单独寻址。有利的是，此类布置方式可实现可提供观察者平面照明的扇形红外光束的自动 对准。扇形光束可以光通量时间扫描，所以可测量回射光束的时序，从而实现与相机传感器 相比的低成本测量系统，并且处理照相机实施例的开销。作为另外一种选择，单独的红外检 测器可用于检测瞳孔位置。
[0158]现在将考虑当响应于被检测到的观察者的位置跨显示装置100横向变化而使观 察窗位置移动时，控制系统的操作。在这种情况下，控制系统控制对应于左观察窗和右观察 窗的光学窗的照明器元件，所述光学窗通过左图像相位和右图像相位中的一者中给定照明 器元件的停止操作以及左图像相位和右图像相位中的另一者中相同或不同照明器元件的 起始操作而彼此最靠近。
[0159] 图24是示意图，其示出了脉冲波形5002、5004的例子，所述脉冲波形可提供给至 少一个发光元件照明器阵列15,所述照明器阵列可在自动立体显示设备中操作期间提供。 适用于在对应于左光学窗的照明的左图像相位中驱动照明器元件（其在该示例性实施例 中为LED)的示例性波形是5002,并且对应于右光学窗的右图像相位的示例性波形是5004。 因此，虚线表示对应于连续左图像相位的起始之间的时间间隔5021，其对应于组合的左图 像相位和右图像相位。
[0160] 在该例子和本文所述的后续例子中，操作在左图像相位中停止，并且在右图像相 位中起始。这响应于检测观察者99在显示装置100对面从右到左移动而进行。停止右图 像相位中的操作和起始右图像相位中的操作的反转控制响应于检测观察者99在显示装置 100对面从左到右移动而进行。响应于观察者99的不同横向移动的控制是完全对称的，因 此该例子和后续例子可通过反转右图像相位和左图像相位同样应用于观察者在相对方向 上的移动。因此，反转控制未单独描述或示出。然而，基准（a)左和（b)右可推广到（a)左 或右中的任一者，以及（b)左或右中的另一者。
[0161] 一般来讲，取决于左观察窗和右观察窗是否分离，波形5002、5004可施加到相同 的照明器元件或不同的照明器元件。也就是说，如果左观察窗和右观察窗之间不存在分离， 则波形5002、5004可施加到相同的照明器元件，使得观察者99鼻部区域中的照明器元件停 止左图像相位中的操作，而起始右图像相位中的操作。相反地，如果左观察窗和右观察窗之 间存在分离，则波形5002、5004可施加到不同的照明器元件，使得观察者99鼻部区域后侧 的照明器元件停止左图像相位中的操作，而观察者99鼻部区域前侧的另一个照明器元件 起始右图像相位中的操作。然而，为了易于理解，左图像相位和右图像相位中的脉冲分隔为 图24中的两个波形5002、5004,而与它们是否施加到相同的照明器元件无关。
[0162] 时间间隔5021由左图像到SLM48的更新速率确定。波形5002、5004中的脉冲 5006、5012的时序是相移的，并且对应于SLM48上左图像数据和右图像数据的显示时序而 布置。ON或照明、脉冲5006的长度可小于SLM48的相应场长度，以实现改善的串扰和显示 图像对比度。在操作中，至少一组照明器元件导向至例如由波形5002驱动的左眼，并且至 少一组照明器元件导向至例如由波形5004驱动的右眼。对左眼组和右眼组之间的边界作 出特殊处理是有利的，例如以下将要描述。
[0163] 因此，静止观察者可接收来自由左图像相位中的脉冲5006照明的照明器阵列15 的相应照明器元件的光。当观察者跨窗26移动位置，使得右眼朝左眼的原始位置移动时， 那么控制系统（如上所述）可确定由相应照明器元件照明的窗26应与右眼图像基本上同 步，而不是左眼图像。如本文所讨论，脉冲，诸如图24的脉冲波形5002、5004的各自脉冲 5006、5012,可分别称为左图像相位的脉冲和右图像相位的脉冲。因此，SLM48的左图像相 位与左脉冲5006同步，并且SLM48的右图像相位与右脉冲5012同步。过渡区的时间间隔 可与时间间隔5021相同，并且可由SLM48的更新时序确定。
[0164] 因此，相应照明器元件可将照明相位从与左图像同步改为与右图像同步。因此，光 可利用观察者的鼻部区域中的左至右过渡而转向至移动观察者的正确位置（如上所述）。 照明波形在图24中示为照明的左相位和右相位的实线，其中虚线示出了不切换相位情况 下的照明相位。因此，最后一个左脉冲从时间5014起始，而第一个右脉冲从时间5016起始。
[0165] 图24示出了其中左图像相位中操作的结尾阶段和右图像相位中操作的初始阶段 在相邻对的左图像相位和右图像相位中出现的例子。图24中还示出了波形5018,其表示随 着观察者99移动至一侧，由于波形5002、5004施加所造成的观察者99感知到的光强度（应 当注意，当波形5002、5004施加到相同照明器元件时，这对应于施加于其上的波形）。应当 注意，该波形显示出从左相位中的照明至右相位中的照明的过渡，并且在过渡区5020处可 出现密集间隔脉冲或双脉冲5022。图24中的波形5018可导致过渡区5020中的感知亮度 伪影，所述伪影可被观察者99视为亮闪烁。
[0166] 相反地，图25示出了类似于图24的例子，但其中右图像相位中操作的初始阶段与 图24相比延迟至下一个可用的右图像相位，结果其中根本无脉冲的周期5023中存在相邻 对的左图像相位和右图像相位。因此，在过渡区5020中可出现宽间隔脉冲或漏脉冲。在这 种情况下，在时间间隔5025可与时间间隔5021相同的过渡区5020中，在时间5024会出现 的脉冲未出现，而是在时间5026出现下一个脉冲。因此，图25中的波形5018可导致过渡 区5020中的感知亮度伪影，所述伪影可被观察者99视为暗闪烁。
[0167] 因此，无论施加图24和图25的替代波形中的哪个，观察者均可感知被视为亮闪烁 或暗闪烁的过渡区5020中的亮度伪影。
[0168] 现在将描述和示出一些实施例，其中控制系统执行的控制被修改为减少此类亮度 伪影。
[0169] 在图26至图31中，示出了一些实施例，其中在左图像相位中操作的照明器元件在 照明器元件在右图像相位中操作的照明器元件的阵列中是连续的，使得相同的照明器元件 在左图像相位中停止操作并且在右图像相位中起始操作。因此，图26至图31示出了提供 至给定照明器元件使其输出光的控制信号的波形，该波形由左图像相位和右图像相位中的 照明脉冲组成，如上所述。
[0170] 图26示意性地示出了补偿双脉冲（亮）伪影的一个例子。提供至照明器元件的控 制信号具有波形5030,其在区域5020中使左图像相位中的操作停止，并且使右图像相位中 的操作起始。在该例子中，类似于图24中示出的波形5018,左图像相位中操作的结尾阶段 在由脉冲5032进行的右图像相位中操作的初始阶段之前，并且左图像相位中操作的结尾 阶段是由具有正常脉冲周期的脉冲进行，使得在该相位上，光通量的时间平均值为预定值。 然而，与图24中示出的波形5018相比，右图像相位中操作的初始阶段由具有短周期的脉冲 5032进行，使得在该相位上，光通量的时间平均值小于预定值。
[0171] 有利的是，在本发明的实施例中，通过将波形处理为左相位和右相位之间的过渡 区中照明器阵列15的照明器元件，可补偿可能导致亮度伪影的条件。
[0172] 图27示意性地示出了补偿双脉冲（亮）伪影的另一个例子。提供至照明器元件 的控制信号具有波形5035,其在区域5020中使左图像相位中的操作停止，并且使右图像相 位中的操作起始。在该例子中，类似于图24中示出的波形5018,由脉冲5033进行的左图 像相位中操作的结尾阶段在由脉冲进行的右图像相位中操作的初始阶段之前，所述脉冲本 身具有正常脉冲周期，使得在该相位上，光通量的时间平均值为预定值。然而，与图24中示 出的波形5018相比，左图像相位中操作的结尾阶段由本身具有短周期的脉冲5033进行，使 得在该相位上，光通量的时间平均值小于预定值。因此，脉冲5033可被布置为在图26的脉 冲5032的相对图像相位中，使得例如在过渡时间可看到右图像而非左图像。有利的是，此 类实施例可实现减少的图像闪烁。
[0173] 图28示意性地示出了补偿区域5020的原始波形5018中的漏（暗）脉冲的一个 例子，如图25中所示。提供至照明器元件的控制信号具有波形5031，其在区域5028中使左 图像相位中的操作停止，并且使右图像相位中的操作起始。在该例子中，波形5031类似于 图27的波形5035。
[0174] 图29是示意图，其示出了包括中间脉冲5040居中的另一个实施例。提供至照明 器元件的控制信号具有波形5036,其在区域5038中使左图像相位中的操作停止，并且使右 图像相位中的操作起始。在该例子中，波形5036类似于图26的波形5030,不同的是脉冲 5040右图像相位中操作的初始阶段偏移，以便与前后脉冲之间相同时间间隔5042在时间 上大致等距地布置，如图29所示。有利的是，此类实施例对于移动观察者而言实现闪烁伪 影的出现的进一步减少。
[0175] 图30是示意图，其示出了包括中间脉冲5040围绕照明相位的起始的布置的另一 个实施例。提供至照明器元件的控制信号具有波形5037,其在区域5038中使左图像相位中 的操作停止，并且使右图像相位中的操作起始。在该例子中，中间脉冲5040通过右图像相 位中操作的初始阶段和左图像相位中操作的结尾阶段有效地形成。因此，左图像相位中操 作的结尾阶段在右图像相位中操作的初始阶段之后。此外，左图像相位中操作的结尾阶段 和右图像相位中操作的初始阶段各自通过具有正常周期一半的短周期的脉冲执行，使得在 每个相应相位上，光通量的时间平均值为预定值的一半。有利的是，修改图30中所述的驱 动波形可实现SLM48在过渡时的左眼和右眼照明的混合，从而减少显示器那些部分中的 闪烁伪影，从所述部分可见来自过渡照明器元件的光。
[0176] 在所有上述例子中，图24类型的亮闪烁或图25类型的暗闪烁的亮度伪影通过改 变控制信号的波形而减少，所述改变以与图24相比减少区域5020中光通量的总时间平均 值，并且与图25相比增加区域5020中光通量的总时间平均值的方式进行。其他波形可用 于产生类似的效果。
[0177] 因为过渡导致相邻对的左图像相位和右图像相位具有所述预定值两倍的照明器 元件光通量时间平均值，所以会出现图24中示出的情况。在减少闪烁的一般情况下，修改 控制信号以使得在每个相邻对的左图像相位和右图像相位上，照明器元件的光通量时间平 均值小于所述预定值的两倍，所述光通量时间平均值从左图像相位和右图像相位之间的操 作改变。这通过图26至图30中示出的波形中的每个实现。
[0178] 相似地，因为过渡导致相邻对的左图像相位和右图像相位具有为零的照明器元件 光通量时间平均值，所以会出现图25中示出的情况。在减少闪烁的一般情况下，修改控制 信号以使得在每个相邻对的左图像相位和右图像相位上，照明器元件的光通量时间平均值 大于零，所述光通量时间平均值从左图像相位和右图像相位之间的操作改变。这通过图26 至图30中示出的波形中的每个实现。
[0179] 在所有上述例子中，脉冲的光通量时间平均值通过减小脉冲的周期，也就是说通 过时间调制而控制为小于预定值。一般来讲，对脉冲的光通量时间平均值的此类控制可使 用图20A至图21D中示出的技术中的任何一者或任何组合进行，例如通过改变脉冲5032的 振幅、位置和/或持续时间。
[0180] 图31是示意图，其示出了包括提供过渡区5020中脉冲的增加光通量的另一个实 施例。提供至照明器元件的控制信号具有波形5018,其在区域5020中使左图像相位中的操 作停止，并且使右图像相位中的操作起始。在该例子中，波形5018与图25中所示相同，不 同的是左图像相位中操作的结尾阶段和右图像相位中操作的初始阶段分别由脉冲5043和 5045执行，所述脉冲具有增加的振幅，使得在那些相位的每个上，光通量的时间平均值大于 预定值。因此过渡区5020上的时间积分光通量与在其他时间的时间积分光通量匹配，从而 减少图25中出现的暗闪烁的亮度伪影。有利的是，修改图31中所述的驱动波形可实现显 示器那些部分中的闪烁伪影减少，从所述部分可见来自过渡照明器元件的光。
[0181] 有利的是，修改图26至图31所述驱动波形对于观察者而言可减少亮度闪烁效果 的出现，从而提高对于跟踪观察者的显示质量。
[0182] 控制的此类修改可在控制系统中以仅修改由此生成的控制信号形式的直接方式 实施。一些可能的技术如下。
[0183] 图32是示意图，其示出了包括用修改输出驱动切换照明器元件以减少图像闪烁 的另一种控制方法的另一个实施例。
[0184] 第一步骤500是识别候选照明器元件，所述元件可能会受到亮或暗脉冲伪影的潜 在影响。这些照明器元件对应于区域中的那些元件，所述区域物理成像至对应于观察者鼻 部位置的眼睛之间的区域。该步骤可例如如图43中所述来进行。
[0185] 下一个步骤502是确定亮脉冲（脉冲之间的短间隙）或暗脉冲（脉冲之间的长间 隙）是否需要纠正。这可以例如通过图44和图60C中示出的方法实现。可使用其他检测 方法，诸如利用计数器/定时器电路计时或测量脉冲间隙。就亮脉冲事件而言，块506用于 减少施加到所影响的照明器元件的脉冲。脉冲可将长度减少为例如先前应用的脉冲宽度的 50%，或可减少振幅或它们二者的组合，使得亮脉冲伪影的效果减小。
[0186]就暗脉冲伪影而言，块504用于插入短脉冲，例如标准照明脉冲宽度的长度50% 的脉冲。作为另外一种选择，脉冲可减少振幅或宽度和振幅的组合，以补偿暗脉冲伪影。然 后将修改照明器元件脉冲信息通过块508，所述块控制照明器元件阵列的驱动。
[0187] 图33是示意图，其示出了包括第一照明位置和第二照明位置之间的第一图案中 照明器元件阵列的切换的另一个实施例。包括照明器元件的单独可寻址阵列的照明器阵列 400利用未照明的照明器元件406、左相位照明的照明器元件402和右相位照明的照明器元 件404布置。在观察者移动之后，照明器元件410和412分别代替402、404使用。如图24 和图25所述，此类切换和位置414可形成闪烁伪影。对于照明器元件位置416、418而言可 观察到类似的但通常损害较少的伪影。然而，与位置414相比，此类位置通常从眼睛位置移 除，并且重要性较小。然而，如果需要，本文所述的纠正方法可有利地应用于纠正窗位置中 对应于照明器兀件416、418的光通量变化。
[0188] 图34是示意图，其示出了包括第一照明位置和第二照明位置之间的第二图案中 照明器阵列切换的另一个实施例。在该实施例中，中央照明器元件420未被照明。有利的 是，此类布置方式可改善图像串扰。然而，来自位置424、426的光可渗透至左眼和右眼二 者。此类渗透可导致类似于图24和图25中所述的闪烁伪影的闪烁伪影，即使两个照明器 元件切换。因此，本发明实施例的纠正机构可有利地应用于使用非连续左LED402和右 LED404的布置方式。
[0189] 图35是示意图，其示出了包括实现第一位置和第二位置之间照明器阵列的统一 切换的控制系统的另一个实施例。照明控制器74可包括包含关于观察者的位置信息的 数据输入440、根据显示器运行的照明模式确定照明器元件左相位控制线442和右相位控 制线444的信息控制器428、识别潜在闪烁伪影并对其进行补偿的过渡照明器元件控制器 430,并且还可包括被布置为驱动连接至阵列15的照明器元件的线446的照明器元件驱动 器432。作为另外一种选择，过渡照明器元件控制可利用控制线446而非单独的预处理控制 元件执行。有利的是，此类控制系统可实现过渡照明器元件切换的实时纠正，从而以低成本 和高速度减少图像闪烁。
[0190] 期望识别哪组照明器元件可从左眼相位切换至右眼相位，从而形成图24和图25 中识别的闪烁伪影。此类照明器元件组可以是鼻部区域或其他区域中的那些，其中照明器 元件或密集间隔照明器元件的相位从左眼相位改变为右眼相位。此类照明器元件在本文中 可称为过渡照明器元件。注意到它们不必处于照明器阵列15的中心，并且过渡照明器元件 随着观察者的位置移动。
[0191] 图36是示意图，其示出了第一照明位置和第二照明位置之间的第二图案中照明 器阵列的切换步骤，其中无需中央照明器元件控制。图24和图25以类似的方式示出，可以 看到在第一切换序列中，左眼组402在右眼组404之前移动，使得组403与组404连续布置。 在组404移动至组412之前，这移除了短周期窗的之间的间隙。这样，对应的窗将看到高亮 度的脉冲。
[0192] 图37是示意图，其示出了第一照明位置和第二照明位置之间的第二图案中照明 器阵列的切换步骤，其中无需中央照明器元件控制。因此，在第二切换序列中，左眼组402 在右眼组404之后移动，使得组405与未照明的组421 -起布置。在组402移动至组410 之前，这使短周期窗的之间的间隙加倍。这样，对应的窗将看到低亮度的脉冲。
[0193] 因此可以看出，对中央照明器元件的切换的控制对于照明器元件的连续组402和 非连续组404二者是必须的。
[0194] 虽然图26至图31示出了其中左图像相位中操作停止时，相同照明器元件在右图 像相位中起始操作的实施例，但作为替代，不同的照明器元件可随着左图像相位中操作的 停止而在右图像相位中起始操作。这在左图像相位和右图像相位中操作的照明器元件在照 明器阵列中分离成不同的情况下出现。通过此类控制，亮度伪影减少可以类似于上述的方 式实现，不同的是在左图像相位中停止操作的照明器元件和在右图像相位中起始操作的照 明器由单独的控制信号而不是公用控制信号控制。与图38至图43的那些实施例等同的实 施例可通过将本文示出的控制信号分成此类单独的控制信号来实施。其中两个不同的照明 器元件在右图像相位中起始操作并且在左图像相位中停止操作的实施例的一些其他例子 如下。
[0195] 图38和图39是示意图，其示出了施加到不同照明器元件的控制信号的脉冲波形 420、422,所述控制信号等同于图24和图25中示出的控制信号，并且其在左图像相位和右 图像相位之间的照明器元件的切换期间分别产生亮闪烁伪影和暗闪烁伪影。
[0196] 相比之下，图40和图41是示意图，其示出了施加到不同照明器元件的控制信号脉 冲波形420、422,所述控制信号分别通过引入脉冲5047、5049减少此类亮度伪影，这缩短了 减少亮度伪影可见度的周期，但保持面板照明。
[0197] 就图40而言，另外的脉冲5047在具有波形420的控制信号中提供，以执行左图 像相位中操作的结尾阶段。结果类似于图27,如下所述。由波形420的控制信号提供的脉 冲5047进行的左图像相位中操作的结尾阶段在由提供给不同的照明器元件的波形422的 控制信号提供的右图像相位中操作的初始阶段之前。右图像相位中操作的初始阶段由波形 422中的脉冲执行，所述波形本身具有正常脉冲周期，使得在该相位上，光通量的时间平均 值为预定值。然而，由波形420中脉冲5047进行的左图像相位中操作的结尾阶段具有短周 期，使得在该相位上，光通量的时间平均值小于预定值。
[0198] 图42是示意图，其示出了其中脉冲5051插入的另外脉冲波形420、422,包括多于 一个照明时间，其中总宽度与图42的脉冲5049相同。有利的是，插入的照明脉冲可被布置 为与顺序寻址的空间光调制器的不只顶部区域的照明重合，从而增加SLM48的整个区域 的均匀度。图43是示意图，其示出了可任选地在控制系统中实施以识别过渡LED的控制方 法。参考包括LED的照明器阵列，但类似的技术可应用于其他类型的光源。
[0199] 与系统控制器内相反，期望实施局限于LED驱动系统的过渡LED的控制，从而减少 成本和复杂性。图43描述了实现过渡LED(即给定时间过渡区5020中的LED)的局部控制 的方法。过渡LED可在照明阵列控制电路中通过例如以下方法识别。阵列6050和6052包 括例如对应于第一位置中照明LED以及分别对应于左眼和右眼的照明的组6060和6062。 在第一步骤中，阵列6054中的组6060移动至右侧，以实现具有组6064的阵列6054,同时组 6062移动至阵列6052的左侧，以实现具有组6066的阵列6056。在第二步中，逻辑AND操 作可在阵列6054、6056之间执行，以形成具有组6072的阵列6070,该阵列6070识别过渡 LED，并且对其进行闪烁伪影的纠正可能是有利的。
[0200] 在例如图8所示的布置方式中，LED阵列可提供多个照明LED组。可能期望识别 多个LED组之间的相应切换LED图案，所述多个LED组以类似的方式切换至过渡LED。有利 的是，可减少在移动观察者左眼和右眼相位之间切换的LED阵列区域的闪烁。
[0201] 图44是示意图，其示出了识别对应于亮脉冲伪影的第一照明布置方式中的切换 LED组的另一种控制方法。图45是示意图，其示出了识别对应于暗脉冲伪影的切换LED组 的另一种控制方法。过渡LED中的哪些受益于纠正可通过例如图44和图45中示出的以下 方法在照明阵列控制电路中识别。具有施加到发光元件阵列15的右眼照明组6100的最后 照明阵列6080 (例如LED阵列）和具有左眼组6102的建议下一阵列6082是逻辑XNOR(异 或非），它们一起产生识别LED组6085的阵列6084,该LED组6085不改变左右照明相位之 间的状态。将显而易见的是，不改变状态的多个LED未照明任何一个相位，并且这些可通过 对阵列6084与阵列6070进行逻辑与操作来识别，其通过参照图43描述的方法识别过渡 LED组 6072。
[0202] 阵列6088包含可施加纠正以减少闪烁伪影的LED6108。查看阵列6080，LED6108 的原始状态为打开，然后低亮度纠正脉冲（如宽度减少脉冲）可适于纠正亮闪烁伪影。这 参照图30的控制流程和图35的电路块施加。相似地，如果具有右眼照明组6200的阵列 6090与具有左眼照明组6202的建议下一阵列6092的关系为同或，以得到表示不改变状态 的LED的阵列6094,并且该组与阵列6070的过渡LED组6072的关系为逻辑与，则所得的阵 列6098包含从所施加的纠正受益的LED(在这种情况下为6110)。由于阵列6090中该LED 的原始状态为关闭，则需要另外的脉冲来纠正暗闪烁伪影。
[0203] 图36和图37中示出的伪影纠正的具体实施可通过在表征切换LED之前插入组 402、404的数据偏移实现。这样，可通过纠正后的间隙再插入实现相同的过程。
[0204] 有利的是，本发明的实施例易于与通过电路的具体实施兼容，所述电路包括但不 限于ASIC和FPGA，例如图30流程图的具体实施。
[0205] 图24-图45的布置方式可应用于时间多路复用显示器，其中照明器元件被布置为 改变相位，以从左窗图像切换至右窗图像。此类显示器可包括但不限于光学阀定向背光源、 菲涅耳透镜、微透镜阵列、楔型照明系统等。
[0206] 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。
[0207] 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。
[0208] 另外，本文的章节标题是为了符合37CFR1.77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。具体地和以举例 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 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. 一种自动立体显示设备，包括： 显示装置，所述显示装置包括： 包括像素阵列的透射空间光调制器，所述像素阵列被布置为调制传递穿过所述像素阵 列的光； 具有输入端和相对的第一引导表面和第二引导表面的波导，所述第一引导表面和第二 引导表面用于沿所述波导引导光，所述第一引导表面和第二引导表面从所述输入端跨所述 空间光调制器延伸；以及 在跨所述波导的所述输入端的横向方向上的不同输入位置的光源阵列，所述波导被布 置为将来自跨所述输入端的所述不同输入位置处的光源的输入光导向作为穿过所述第一 引导表面的输出光，以用于穿过所述空间光调制器而提供进入分布在所述横向方向中的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置； 所述自动立体显示设备还包括： 被布置为检测观察者相对于所述显示装置的位置的传感器系统；以及 被布置为控制所述空间光调制器和所述光源的控制系统， 其中所述控制系统被布置为控制所述空间光调制器以利用在彼此交替的左图像相位 和右图像相位中时间上多路复用的左图像和右图像来调制光，并且 所述控制系统被布置为在所述左图像相位和右图像相位操作所述光源，以选择性地将 所述左图像和右图像导向进入相应观察窗，所述观察窗包括至少一个在对应于观察者的左 眼和右眼的位置的光学窗，所述位置取决于被检测到的观察者的位置， 当所述观察窗的位置为静态时，所述控制系统被布置为在单个相位上操作单独光源， 使得光通量的时间平均值具有预定值，并且 当所述观察窗的位置响应于所述被检测到的观察者的位置变化而移动时，所述控制系 统被布置为控制对应于左观察窗和右观察窗的光学窗的光源，所述光学窗通过所述左图像 相位和右图像相位中的一者的给定光源的停止操作以及所述左图像相位和右图像相位中 的另一者的相同或不同光源的起始操作而彼此最靠近，这可以这样的方式进行，其中在左 图像相位和右图像相位的每个相邻对上，所述给定光源的光通量和所述相同或不同光源的 光通量的时间平均值大于零并且小于所述预定值的两倍。
2. 根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中当所述观察窗的位置响应于所述被 检测到的观察者的位置变化而移动时，所述控制系统被布置为控制所述给定光源这样的操 作，即在所述左图像相位和右图像相位中的一者中的所述给定光源的操作的结尾阶段中的 操作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值小于所述预定值，并且控制所述相同或不 同光源这样的操作，即在所述左图像相位和右图像相位中的另一者的所述相同或不同光源 的操作的初始阶段中的操作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值为所述预定值。
3. 根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中当所述观察窗的位置响应于所述被 检测到的观察者的位置变化而移动时，所述控制系统被布置为控制所述给定光源这样的操 作，即在所述左图像相位和右图像相位中的一者中的所述给定光源的操作的结尾阶段中的 操作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值为所述预定值，并且控制所述相同或不同 光源这样的操作，即在所述左图像相位和右图像相位中的另一者的所述相同或不同光源的 操作的初始阶段中的操作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值小于所述预定值。
4. 根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中当所述观察窗的位置响应于所述被 检测到的观察者的位置变化而移动时，所述控制系统被布置为控制所述给定光源这样的操 作，即在所述左图像相位和右图像相位中的一者的所述给定光源的操作的结尾阶段中的操 作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值小于所述预定值，并且控制所述相同或不同 光源这样的操作，即在所述左图像相位和右图像相位中的另一者的所述相同或不同光源的 操作的初始阶段中的操作，使得在该相位上，所述光通量的时间平均值小于所述预定值。
5. 根据权利要求4所述的自动立体显示设备，其中所述给定光源的所述左图像相位和 右图像相位中的一者的所述操作的结尾阶段在所述相同或不同光源的所述左图像相位和 右图像相位中的另一者的所述操作的初始阶段之前。
6. 根据权利要求4所述的自动立体显示设备，其中所述给定光源的所述左图像相位和 右图像相位中的一者的所述操作的结尾阶段在所述相同或不同光源的所述左图像相位和 右图像相位中的另一者的所述操作的初始阶段之后，并且在所述左图像相位和右图像相位 中的一者的所述操作的结尾阶段上光通量的时间积分以及在所述左图像相位和右图像相 位中的另一者的所述操作的初始阶段上光通量的时间平均值中的每个小于所述预定值的 一半。
7. 根据权利要求1至5中任一项所述的自动立体显示设备，其中在所述左图像相位中 操作的所述光源在所述光源阵列中与所述右图像相位中操作的所述光源是连续的，使得所 述相同或不同的光源与所述给定光源是相同的光源。
8. 根据权利要求1至5中任一项所述的自动立体显示设备，其中在所述左图像相位中 操作的所述光源在所述光源阵列中与所述右图像相位中操作的所述光源是分离的，使得所 述相同或不同的光源与所述给定光源是不同的光源。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的自动立体显示设备，其中所述第一引导表面被 布置为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提 取结构特征被取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，所述多个方向允许所述 光作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开。
10. 根据权利要求9所述的自动立体显示设备，其中所述第二引导表面具有在所述光 提取结构特征之间的中间区域，所述中间区域被布置为导向光通过所述波导，而不提取光。
11. 根据权利要求10所述的自动立体显示设备，其中所述第二引导表面具有包括构成 所述光提取结构特征的小平面和所述中间区域的阶梯式形状。
12. 根据权利要求1至8中任一项所述的自动立体显示装置，其中所述第一引导表面被 布置为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面基本上是平坦的，并且倾斜一定角度 以在多个方向上反射光，所述多个方向破坏所述全内反射以用于通过所述第一引导表面输 出光， 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，以用于使光朝所述 空间光调制器的法线偏转。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的自动立体显示设备，其中所述波导具有面向 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 为在从所述反射端反射之后通过所述第一引导表面输出光。
14. 根据权利要求13所述的自动立体显示设备，其中所述反射端在所述横向方向上具 有正光焦度。
【文档编号】H04N13/04GK104380176SQ201380026059
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】J·哈罗德, G·J·伍德盖特, M·G·鲁宾逊, R·兰道夫斯基 申请人:瑞尔D股份有限公司