用于成像定向背光源的光学叠堆的制作方法
本公开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，以在2d、3d和/或自动立体显示装置中使用。
背景技术：
空间多路复用自动立体显示器通常使视差部件(诸如透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对齐，所述图像阵列被布置成在空间光调制器(例如lcd)上的至少第一组像素和至少第二组像素。视差部件将来自所述组像素中的每组像素的光导向到不同的相应方向，以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。观察者将眼睛置于第一观察窗中用来自第一组像素的光可看到第一图像；而将眼睛置于第二观察窗中用来自第二组像素的光可看到第二图像。
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部件成像功能决定。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，此类散焦导致图像串扰程度加大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使得对空间光调制器中的电子设备的寻址受到损害。
技术实现要素：
根据本公开，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于向成像定向背光源提供光的照明器阵列。成像定向背光源可包括用于引导光的波导。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。
显示器背光源通常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到观察窗中的另外的能力。成像系统可在多个源和相应的窗图像之间形成。成像定向背光源的一个示例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示例。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，如美国专利号9,519,153中所述，该专利全文以引用方式并入本文。
在gass等人的“privacylcdtechnologyforcellularphones”(sharptechnicaljournal，2007年第27号)中描述了使用可切换的ecb液晶盒提供弱防窥效果的显示器。
根据本公开的第一方面，提供了一种显示装置，该显示装置包括：背光源，该背光源被布置成输出包括多个光源的光；以及定向波导，该定向波导包括：输入端，该输入端沿着波导的侧面在横向方向上延伸，光源沿着输入端设置并且布置成将输入光输入到波导中；以及相对的第一引导表面和第二引导表面，这些相对的第一引导表面和第二引导表面从输入端跨波导延伸，用于沿着波导引导在输入端输入的光，该波导被布置成使引导通过波导的输入光偏转，以通过第一引导表面离开；透射式空间光调制器，该透射式空间光调制器被布置成接收来自背光源的输出光；输入偏振器，该输入偏振器被布置在背光源与空间光调制器之间的空间光调制器的输入侧上；输出偏振器，该输出偏振器被布置在空间光调制器的输出侧上；至少一个附加偏振器，这些至少一个附加偏振器被布置在输入偏振器与背光源之间的输入偏振器的输入侧上，或者被布置在输出偏振器的输出侧上；以及至少一个延迟片，在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，这些至少一个延迟片被布置在至少一个附加偏振器与输入偏振器之间，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，这些至少一个延迟片被布置在附加偏振器与输出偏振器之间。
有利地，与仅由定向背光源提供的相比，实现了对窥探者的图像的可视性降低的防窥显示。
至少一个延迟片可包括至少一个校正无源延迟片和至少一个可切换液晶延迟片。有利地，减少了窥探者可以感知显示的图像的视角。此外，在广角与防窥模式之间基本上维持了对主要用户的亮度。
波导可被布置成在横向方向上对光源进行成像，使得来自光源的输出光在根据光源的输入位置而分布的输出方向上被导向到相应的光学窗中。
有利地，在本实施方案中，与防窥背光源设备协作，期望地降低偏轴亮度以在某些观察方向上实现改善的防窥特性。此外，与不存在至少一个延迟片的显示器相比，在空间光调制器上所显示的图像对于在横向角和仰角偏轴的位置上的窥探者的可见性可能降低。此外，在零横向角或零仰角的位置处对用户的亮度可以基本上未改变，从而实现了高效率。可以提供另外的低厚度部件以实现薄的堆叠。
附加偏振器可以被布置在输入偏振器的输入侧，并且所述至少一个延迟片可以被布置在附加偏振器与输入偏振器之间。附加偏振器可以是反射偏振器。
有利地，与其中不存在至少一个延迟片并且存在反射偏振器的显示器相比，可以在迎面方向上不改变装置厚度和装置效率。
在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，附加偏振器具有可与输入偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，附加偏振器具有可与输出偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向。
有利地，与其中不存在至少一个延迟片的显示器相比，在迎面方向上的装置效率可以基本相同。
附加偏振器可以被布置在输入偏振器的输入侧，并且所述至少一个延迟片可以被布置在附加偏振器与输入偏振器之间。附加偏振器可以被布置在输出偏振器的输出侧，并且所述至少一个延迟片可以被布置在附加偏振器与输出偏振器之间。有利地，现有的显示偏振器可以提供一对平行偏振器中的一个，与两个附加偏振器相比，在实现提高的效率时降低了装置成本和厚度。
所述至少一个延迟片可以是一对交叉的a板中的至少一个，或者c板可以是一对交叉的a板。在本实施方案中，交叉的a板可具有基本正交的慢轴。
有利地，交叉的a板可各自包括比c板更便宜的单个拉伸材料。可以更容易地提供另外的消色差补偿。
至少一个延迟片可包括一对延迟片，这对延迟片在相交的延迟片的平面中具有慢轴。在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输入偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自以45°延伸的慢轴，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输出偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自以45°延伸的慢轴。这对延迟片可各自包括单个a板。有利地，可以降低成本和复杂性。
这对延迟片可各自包括多个a板，这些多个a板具有以相互不同的角度对齐的相应的慢轴。至少一个延迟片可包括具有垂直于延迟片的平面的慢轴的延迟片。具有垂直于延迟片的平面的慢轴的延迟片包括c板。有利地，可以降低厚度和复杂性。
至少一个延迟片还可包括c板和一对延迟片，这对延迟片在相交的延迟片的平面中具有慢轴。在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输入偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自分别以0°和90°延伸的慢轴，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输出偏振器的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自以0°和90°延伸的慢轴。
有利地，可以降低色度随视角的变化。
至少一个延迟片可包括具有慢轴取向的延迟片，该具有慢轴取向的延迟片具有垂直于延迟片的平面的分量以及在延迟片的平面中的至少一个分量。延迟片可包括o板。
有利地，可以在亮度视场分布的增加或减小的区域上提供亮度视场控制，与c板或交叉的a板相比，实现了对位置的增加的控制以降低防窥亮度。
至少一个延迟片可包括具有慢轴取向的延迟片，该具有慢轴取向的延迟片具有垂直于延迟片的平面的分量、在延迟片的平面中正交于输入偏振器的电矢量透射方向的分量以及基本上没有在延迟片的平面中平行于输入偏振器的电矢量透射方向的分量。有利地，与c板或交叉的a板相比，防窥亮度可以降低以降低仰角。防窥亮度可以在两个象限中降低，从而改善了在广角模式下对窥探者位置的可能性低的视角的性能。
至少一个延迟片可包括具有慢轴取向的延迟片，该具有慢轴取向的延迟片具有垂直于延迟片的平面的分量、在延迟片的平面中平行于输入偏振器的电矢量透射方向的分量以及基本上没有在延迟片的平面中正交于输入偏振器的电矢量透射方向的分量。有利地，可以降低垂直视角的防窥亮度。
延迟片可包括可切换液晶延迟片，该可切换液晶延迟片可通过跨可切换液晶延迟片施加的电压在o板延迟片与a板延迟片之间切换。可以在防窥模式下提供降低的防窥模式亮度，并且在广角模式下不降低由延迟片提供的偏轴亮度。有利地，可以改善防窥外观，并且可以基本上不受延迟片影响广角模式性能。
可切换液晶延迟片可包括至少一个垂直配向对齐层并且还可包括至少一个校正无源延迟片，在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，至少一个校正无源延迟片被布置在至少一个附加偏振器与输入偏振器之间，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，至少一个校正无源延迟片被布置在附加偏振器与输出偏振器之间。校正无源延迟片可包括负c板或交叉的正a板。
液晶延迟片可具有在500nm至1000nm之间，优选地在700nm至900nm之间，并且最优选地在775nm至825nm之间的光学厚度。至少一个校正无源延迟片具有在400nm至800nm之间，优选地在550nm至750nm之间，并且更优选地在625nm至675nm之间的光学厚度。
有利地，从其向窥探者提供降低的亮度的极区域可以增大尺寸，并且可以提高防窥性能。进一步的颜色变化可以最小化。
可切换液晶延迟片可包括至少第一区域和第二区域，这些区域利用第一施加电压和第二施加电压独立地寻址。有利地，可以向显示器的不同区域提供不同的防窥等级。在降低关键数据的防窥亮度时，可以为图像中提供的非关键数据提供增加的观察自由舒适度。
至少一个延迟片可包括可切换的第一o板延迟片和第二o板延迟片。有利地，可以提供第一防窥亮度降低区域和第二防窥亮度降低区域，其协作以(i)针对给定的横向角和仰角降低总的防窥亮度和/或(ii)增加针对其实现低防窥级别的极分布。可以减少防窥模式下的进一步功耗。
可以在第一o板延迟片和第二o板延迟片的界面处提供表面浮凸结构。有利地，可以在广角操作模式下提供增加的广角分布宽度，并且在防窥操作模式下提供降低的分布宽度。
根据本公开的第二方面，可以提供根据第一方面的显示装置，其中背光源包括：光源阵列；波导，所述波导被布置成在不同的输入位置处接收来自所述光源的输入光，并且包括：相对的第一引导表面和第二引导表面，相对的该第一引导表面和该第二引导表面用于沿着所述波导引导所述输入光；侧面，所述侧面在所述第一引导表面与所述第二引导表面之间延伸；以及反射端，所述反射端用于沿着所述波导将所述输入光反射回去；其中所述第二引导表面被布置成使反射的输入光偏转通过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成在所述波导的所述侧面之间的横向方向上对所述光源进行成像，使得来自所述光源的所述输出光在根据所述光源的输入位置而分布的输出方向上被导向到相应的光学窗中。第一引导表面可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面可包括光提取特征结构和在该光提取特征结构之间的中间区域，该光提取特征结构取向成使反射的输入光偏转通过第一引导表面作为输出光，并且中间区域被布置成引导光通过波导而不提取光。光提取特征结构可以是弯曲的，并且在第一引导表面与第二引导表面之间延伸的波导的侧面之间的横向方向上具有正光焦度。反射端可具有横向正光焦度，该横向正光焦度在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的波导侧面之间延伸。波导可包括与反射端相对的输入端，并且光源可被布置成通过输入端将光输入到波导中。光源可被布置成通过波导的侧面将光输入到波导中。
附加偏振器可以是布置在输入偏振器的输入侧的反射偏振器，并且可被布置成透射输出光的第一偏振分量，并且反射具有与第一偏振分量的偏振态正交的偏振态的输出光的第二偏振分量作为阻隔光；并且后反射器可设置在第二引导表面后方，该后反射器被布置成反射阻隔光以供应回空间光调制器，该后反射器包括在垂直于空间光调制器的法线的预定方向上延伸的成对的反射角小平面的线性阵列，使得后反射器将来自一对角小平面的具有两次反射的阻隔光的偏振转换为第一偏振分量的偏振。成对的反射角小平面可以是弯曲的，并且在横向方向上具有光焦度。
根据本公开的第三方面，可以提供根据第一方面或第二方面的显示装置。还包括控制系统，该控制系统被布置成控制光源。背光源可以在其中输出光被输出到不同宽度的观察窗的模式之间切换。有利地，可以向可切换的防窥显示器提供对窥探者的防窥图像的降低的可见性。
控制系统还可被布置成控制跨可切换液晶延迟片的施加电压。有利地，可以控制或去除可切换液晶o板的防窥降低。可以控制降低的防窥区域的极位置。
控制系统被布置成在以下之间提供切换：在第一操作模式中，控制光源以提供来自波导的具有第一角宽度的照明分布；以及跨可切换液晶延迟片的第一施加电压；在第二操作模式中，控制光源以提供来自波导的具有大于第一角宽度的第二角宽度的照明分布；以及跨可切换液晶延迟片的与第一施加电压不同的第二施加电压。第二施加电压可小于第一施加电压。
有利地，在广角操作模式下，角度分布可以与定向背光源相同。此外，对于给定的防窥等级，与不具有可切换液晶o板的显示器的宽度相比，角度分布的宽度可以增加。此外，对于背光源的给定角度分布，可以调谐防窥级别。
在附加偏振器被布置在输入偏振器输入侧的情况下，在附加偏振器与输入偏振器之间的可切换液晶延迟片，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，在附加偏振器与输出偏振器之间的可切换液晶延迟片可具有最大衰减极坐标，该最大衰减极坐标具有相对于空间光调制器的法线方向的方向大于零的仰角。最大衰减极坐标可具有在10度至50度之间，优选地在15度至35度之间，最优选地在20度至30度之间的仰角。最大衰减极坐标可具有30度至60度、优选地40度至50度并且最优选地45度的横向角。
有利地，可以增加图像对于典型的窥探者位置的可见性，并且降低电压控制系统的成本。
控制系统可以能够控制空间光调制器并且能够选择性地操作光源以将光导向到相应的光学窗中，其中定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到与选择性操作的光源相应的光学窗之外，控制系统被布置成彼此同步地控制空间光调制器和光源阵列，使得：(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观看者观察时，该空间光调制器显示主要图像，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像的情况下，在不同于至少一个主要光源的至少一个光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中时，该空间光调制器显示次要图像，由主要光学窗之外的次要观看者感知到的次要图像使调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像模糊不清。控制系统可被布置为以时间多路复用的方式控制跨可切换液晶延迟片的施加电压。
有利地，对于窥探者位置可以降低对比度和亮度。防窥性能可能会进一步增强。
显示装置还可包括确定窥探者相对于显示器的位置的装置，其中控制系统被布置成响应于窥探者的位置来调整第一施加电压。有利地，对于给定的窥探者位置，可以降低对窥探者的图像的亮度。
显示装置可被布置在车辆中。显示装置可被布置在车辆中的透明窗下方。显示装置被布置在车辆的座椅的前方。有利地，可以为汽车显示器提供降低的来自车辆的挡风玻璃和其他透明表面的反射的可见性。此外，迎面看到的光的透射可以与增加显示效率的未修改的显示器基本相同。
在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，在至少一个附加偏振器与输入偏振器之间的至少一个延迟片中的至少一个，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，在附加偏振器与输出偏振器之间的至少一个延迟片中的至少一个是通过寻址电极控制的。寻址电极可以被图案化以提供至少两个图案区域。图案区域可以是迷彩图案。图案区域中的至少一个可以是可单独寻址的，并且可以被布置成以防窥操作模式进行操作。有利地，由窥探者在防窥操作模式下观看到的图像可以具有迷彩，其级别可以被控制。
显示装置还可包括至少一个另外的附加偏振器和至少一个另外的校正无源延迟片以及至少一个另外的可切换液晶延迟层，在另外的附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟层被布置在至少一个另外的附加偏振器与输入偏振器之间，或者在另外的附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟层被布置在另外的附加偏振器与输出偏振器之间。第一可切换液晶层的上对齐层的对齐方向可与另外的可切换液晶层的上对齐层的对齐方向平行或反平行，并且第一可切换液晶层的下对齐层的对齐方向可与另外的可切换液晶层的下对齐层的对齐方向平行或反平行。至少第一校正无源延迟片的对齐方向可与至少一个另外的校正无源延迟片的对齐方向平行或反平行。有利地，向窥探者提供降低的亮度，从而在增加的极观察区域上提高了防窥性能。
第一可切换液晶层的上对齐层的对齐方向可与另外的可切换液晶层的上对齐层的对齐方向正交，并且第一可切换液晶层的下对齐层的对齐方向可与另外的可切换液晶层的下对齐层的对齐方向平行或反平行。至少第一校正无源延迟片的对齐方向可与至少一个另外的校正无源延迟片的对齐方向正交。有利地，防窥用户对于从主要观看者的头顶上方看到的图像可能具有降低的可见性。
根据本公开的第四方面，提供了一种显示装置，该显示装置包括：背光源，该背光源被布置成输出光；透射空间光调制器，该透射空间光调制器被布置成接收来自背光源的输出光；输入偏振器，该输入偏振器被布置在背光源与空间光调制器之间的空间光调制器的输入侧上；输出偏振器，该输出偏振器被布置在空间光调制器的输出侧上；附加偏振器，该附加偏振器被布置在输入偏振器与背光源之间的输入偏振器的输入侧上，或者被布置在输出偏振器的输出侧上；以及至少一个校正无源延迟片和可切换液晶延迟片，在附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，至少一个校正无源延迟片和可切换液晶延迟片被布置在至少一个附加偏振器与输入偏振器之间，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，至少一个校正无源延迟片和可切换液晶延迟片被布置在附加偏振器与输出偏振器之间，其中至少一个可切换液晶延迟片包括电极，并且可通过向可切换液晶延迟片的电极施加电压来切换。
与第一方面相比，可以提供非定向背光源，该非定向背光源在广角操作模式下实现观看锥的宽度增加。
显示装置可包括至少一个另外的附加偏振器和至少一个另外的校正无源延迟片以及至少一个另外的可切换液晶延迟片，在另外的附加偏振器被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟层被布置在至少一个另外的附加偏振器与输入偏振器之间，或者在另外的附加偏振器被布置在输入偏振器的输出侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟片被布置在另外的附加偏振器与输出偏振器之间，其中至少一个另外的可切换液晶延迟片包括电极，并且可通过向可切换液晶延迟片的电极施加电压来切换。
第一可切换液晶层的上对齐层的对齐可与另外的可切换液晶层的上对齐层的对齐平行或反平行，并且第一可切换液晶层的下对齐层的对齐可与另外的可切换液晶层的下对齐层的对齐平行或反平行。至少第一校正无源延迟片的对齐可与至少一个另外的校正无源延迟片的对齐平行或反平行。
第一可切换液晶层的上对齐层的对齐可与另外的可切换液晶层的上对齐层的对齐正交，并且第一可切换液晶层的下对齐层的对齐与另外的可切换液晶层的下对齐层的对齐平行或反平行。至少第一校正无源延迟片的对齐可与至少一个另外的校正无源延迟片的对齐正交。校正无源延迟片可包括负c板或交叉的正a板。可切换液晶延迟片可包括与液晶相邻设置的至少一个表面对齐层，以在相邻液晶中提供垂直配向对齐。液晶延迟片具有在500nm至1000nm之间，优选地在700nm至900nm之间，并且最优选地在775nm至825nm之间的光学厚度可。至少一个校正无源延迟片可具有在400nm至800nm之间，优选地在550nm至750nm之间，并且更优选地在625nm至675nm之间的光学厚度。
本公开的任一方面均可以任何组合应用。
本文的实施例可提供自动立体显示器，该自动立体显示器提供可允许定向观察和常规2d兼容性的广角观察。广角观察模式可用于观察者跟踪自动立体3d显示器、观察者跟踪2d显示器(例如用于防窥或节能应用)、用于宽视角2d显示器或用于宽视角立体3d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。此类部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，实施例可涉及定向背光源设备以及可结合该定向背光源设备的定向显示器。这种设备可用于自动立体显示、防窥显示、多用户显示以及可实现例如节能操作和/或高亮度操作的其他定向显示应用程序。
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，本公开的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学部件。此类部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。
本公开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，本公开的方面可以几乎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，本公开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。
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公开的各个方面，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。
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，其中主要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。
本领域的普通技术人员在阅读本公开的全文后，本公开的这些和其他优点以及特征将变得显而易见。
附图说明
实施例通过示例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并且其中：
图1a是示意图，其示出了在定向显示装置的一个实施方案中的光传播的前视图；
图1b是示意图，其示出了图1a的定向显示装置的一个实施方案中的光传播的侧视图；
图2a是示意图，其以顶视图示出了定向显示装置的另一个实施方案中的光传播；
图2b是示意图，其以前视图示出了图2a的定向显示装置的光传播；
图2c是示意图，其以侧视图示出了图2a的定向显示装置的光传播；
图3是示意图，其以侧视图示出了定向显示装置；
图4a是示意图，其以前视图示出了包括弯曲光提取特征结构的定向显示装置中观察窗的生成；
图4b是示意图，其以前视图示出了包括弯曲光提取特征结构的定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗的生成；
图5是示意图，其示出了包括线性光提取特征结构的定向显示装置中的第一观察窗的生成；
图6a是示意图，其示出了在第一时隙中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方案；
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方案；
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方案；
图7是示意图，其示出了观看者跟踪自动立体定向显示装置；
图8是示意图，其示出了多观看者定向显示装置；
图9是示意图，其示出了防窥定向显示装置；
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；
图11是示意图，其示出了包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备；
图12a是示意图，其示出了包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图；
图12b是示意图，其示出了由包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图；
图12c是示意图，其示出了包括在与反射侧面相邻的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图；
图12d是示意图，其示出了由包括在与反射侧面相邻的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图；
图13是示出了本公开中的其他附图的偏振器电矢量、延迟片慢轴和偏振态的取向的图例；
图14a是示意性的亮度视场图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度变化；
图14b是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度随视角的变化；
图14c是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的显示器亮度随视角的变化；
图15a是示意性的亮度视场图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度变化；
图15b是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化；
图15c是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的显示器亮度随视角的变化；
图16a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与定向背光源之间的交叉的a板的定向显示器；
图16b是示意图，其以透视前视图示出了用于包括定向波导和交叉的a板的定向显示器的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向；
图17a是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图16b的光学堆叠的亮度的变化；
图17b是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化；
图17c是示意图，其示出了包括图16b的光学叠堆的定向显示器的防窥操作模式的显示器亮度随视角的变化；
图18a是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图16b的光学堆叠的亮度的变化；
图18b是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度随视角的变化；
图18c是示意图，其示出了包括图16b的光学叠堆的定向显示器的广角操作模式的显示器亮度随视角的变化；
图19a是示意图，其以透视图示出了通过偏轴光对延迟层的照明；
图19b是示意图，其以透视图示出了延迟层通过0度处的第一线性偏振态的偏轴光的照明；
图19c是示意图，其以透视图示出了延迟层通过90度处的第一线性偏振态的偏轴光的照明；
图19d是示意图，其以透视图示出了延迟层通过45度处的第一线性偏振态的偏轴光的照明；
图19e是示意图，其以透视前视图示出了跨a板延迟片的同轴偏振控制的庞加莱球表示；
图19f是示意图，其以透视前视图示出了用于图16b的光学叠堆的包括复合延迟片的消色差a板延迟片的延迟片轴的取向；
图19g是示意图，其以透视前视图示出了图19e的第一复合a板延迟片对的同轴极化控制的庞加莱球表示；
图19h是示意图，其以透视前视图示出了图19e的第二复合a板延迟片对的同轴极化控制的庞加莱球表示；
图20a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明；
图20b是示意图，其以透视图示出了由具有负横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明；
图20c是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和负横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明；
图20d是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和正横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明；
图21a是示意性亮度视场图，其示出了图16b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是四分之一波片；
图21b是示意性亮度视场图，其示出了图16b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是半波片；
图21c是示意图，其以透视前视图示出了用于定向显示器的光学叠堆的延迟片和偏振器轴的取向，该定向显示器的光学堆叠包括以+/-45度布置的附加偏振器和输入偏振器以及交叉的a板；
图21d是示意性亮度视场图，其示出了图21c的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是四分之一波片；
图22a、图22b、图22c和图22d是示意图，其以侧视图示出了包括交叉的a板的光学叠堆；
图23a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器的前面的交叉的a板的定向显示器；
图23b是示意图，其以透视前视图示出了用于图23a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向；
图24a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与定向背光源之间的c板的定向显示器；
图24b是示意图，其以透视前视图示出了用于图24a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向；
图25a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器的前面的c板的定向显示器；
图25b是示意图，其以透视前视图示出了用于图25a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向；
图26a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对c板层的照明；
图26b是示意图，其以透视图示出了由具有负横向角的偏轴偏振光对c板层的照明；
图26c是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和负横向角的偏轴偏振光对c板层的照明；
图26d是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和正横向角的偏轴偏振光对c板层的照明；
图27a是示意性亮度视场图，其示出了图24b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是半波片；
图27b是示意性亮度视场图，其示出了图24b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是全波片；
图28a是示意性亮度视场图，其示出了图24b的包括高延迟层的光学叠堆的透射亮度的变化；
图28b和图28c是示意性亮度视场图，其示出了图24b的包括高延迟层的光学叠堆的色差坐标的变化；
图29a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对c板层和交叉的a板层的照明；
图29b是示意图，其以透视前视图示出了用于图29a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向；
图30a是示意性亮度视场图，其示出了图29b的包括高延迟层的光学叠堆的透射亮度的变化；
图30b和图30c是示意性亮度视场图，其示出了图29b的包括高延迟层的光学叠堆的色差坐标的变化；
图31是示意图，其以侧视图示出了包括第一定向波导、第二广角波导和布置在空间光调制器的后面的c板的定向显示器；
图32a是示意图，其以顶视图示出了汽车舱和来自居中安装的显示器的驾驶员的照明；
图32b是示意图，其以侧视图示出了汽车舱和来自居中安装的显示器的驾驶员的照明；
图32c是示意性亮度视场图，其示出了汽车中的显示器和挡风玻璃反射的亮度；
图33a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对o板层的照明；
图33b是示意性亮度视场图，其示出了布置在图33a的平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化；
图33c是示意性亮度视场图，其示出了还包括布置在图33a的平行偏振器之间的o板的广角显示器的透射亮度的变化；
图33d是示意图，其示出了广角显示器的亮度随视角的变化，该广角显示器还包括布置在图33a的平行偏振器之间的o板；
图34是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与定向背光源之间的o板的定向显示器；
图35是示意图，其以透视前视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向；
图36a是示意图，其以透视侧视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向；
图36b是示意图，其以透视前视图示出了图36a的布置中双折射分子的取向；
图36c是示意性亮度视场图，其示出了图34的光学叠堆的透射亮度的变化；
图36d是示意图，其示出了包括o板的定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化；
图36e是示意性亮度视场图，其示出了o板的透射亮度的变化；
图36f是示意性亮度视场图，其示出了定向背光源的透射亮度的变化；
图36g是示意性亮度视场图，其示出了图34的定向背光源的透射亮度在防窥观察的角度区域中的变化；
图36h是示意性亮度视场图，其示出了图34的光学堆叠的透射亮度在防窥观察的角度区域中的变化；
图37a是示意图，其以透视侧视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向，其中双折射分子被布置成在单个观察象限中提供对亮度的控制；
图37b是示意图，其以透视前视图示出了图37a的布置中双折射分子的取向；
图37c是示意性亮度视场图，其示出了图37a的光学叠堆的透射亮度的变化；
图37d是示意性亮度视场图，其示出了图37a的光学叠堆的透射亮度的变化；
图38a是示意图，其以透视侧视图示出了用于光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向，其中o板取向平行于横向方向对齐；
图38b是示意图，其以透视前视图示出了图38a的布置中双折射分子的取向；
图38c是示意性亮度视场图，其示出了布置在图38a的平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化；
图38d是示意性亮度视场图，其示出了图38a的光学叠堆的透射亮度的变化；
图39a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与定向背光源之间的均匀对齐的可切换液晶o板的定向显示器；
图39b是示意图，其以侧视图示出了图39a的定向显示器中均匀对齐的可切换液晶o板的切换；
图39c是示意图，其示出了施加电压的盒的液晶导向矢倾斜度与液晶盒厚度的图示；
图39d是示意图，其以透视前视图示出了用于图39a的光学堆叠的延迟片、对齐层和偏振器轴中的一些的取向；
图39e是示意图，其示出了控制包括可切换定向背光源、可切换延迟片和防窥显示控制系统的定向显示设备的流程图；
图39f是示意图，其示出了包括可切换定向背光源、可切换延迟片和防窥显示控制系统的定向显示设备的照明的变化；
图39g是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与输出偏振器之间的均匀对齐的可切换液晶o板的定向显示器；
图40a是示意图，其以透视侧视图示出了针对第一施加电压用于图39a的光学堆叠的延迟片、对齐层和偏振器轴中的一些的取向；
图40b是示意性亮度视场图，其示出了布置在图40a的平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化；
图40c是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图40a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图41a是示意图，其以透视侧视图示出了针对广角工作模式下不施加电压的用于图39a的光学堆叠的延迟片、对齐层和偏振器轴中的一些的取向；
图41b是示意性亮度视场图，其示出了针对不施加电压布置在图41a的平行偏振器之间的a板的透射亮度的变化；
图41c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图41a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图42a是描述与显示观察条件对应的均匀对齐的可切换液晶o板电压的调整的流程图；
图42b是示意性亮度视场图，其示出了针对不同电压布置在图41a的平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化；
图43是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与空间光调制器之间的多个平行的均匀对齐的可切换液晶o板的取向；
图44a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与空间光调制器之间的多个正交取向的均匀对齐的可切换液晶o板的取向；
图44b是示意性亮度视场图，其示出了针对施加电压的图44a的多个均匀对齐的可切换液晶o板的透射亮度的变化；
图44c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图44a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图45是示意图，其以透视侧视图示出了均匀对齐的可切换液晶o板和布置在定向背光源与空间光调制器之间的多个平行的c板的取向；
图46a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与空间光调制器之间的均匀对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的c板的取向；
图46b是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与输出偏振器之间的均匀对齐的可切换液晶o板以及布置在空间光调制器与附加偏振器之间的c板的定向显示器；
图47a是示意性亮度视场图，其示出了针对施加电压的图45a-b的多个均匀对齐的可切换液晶o板的透射亮度的变化；
图47b是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图45a-b的光学堆叠的透射亮度的变化；
图47c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图45a-b的光学堆叠的透射亮度的变化；
图48a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图48b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图48a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图48c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图48d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图48c的光学堆叠的透射亮度的变化；
图48e是示意性亮度视场图，其示出了定向背光源在极区域中的透射亮度的变化；
图48f是示意图，其示出了通过图40a的光学叠堆进一步调制的图48f的极区域中的定向背光源的透射亮度的变化；
图48g是示意图，其示出了通过图48c的光学叠堆进一步调制的图48f的极区域中的定向背光源的透射亮度的变化；
图48h是示意图，其以透视侧视图示出了多个平行的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在背光源与空间光调制器之间的校正无源延迟片的取向；
图48i是示意图，其以透视侧视图示出了多个正交的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在背光源与空间光调制器之间的校正无源延迟片的取向；
图48j是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图48i的光学堆叠的透射亮度的变化；
图49a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与在防窥操作模式下布置成包括可切换迷彩区域的空间光调制器之间的垂直配向对齐的图案化可切换液晶o板的取向；
图49b是示意图，其以透视前视图示出了由迷彩的亮度控制的防窥显示器对主要观察者和窥探者的照明；
图49c是示意图，其以透视侧视图示出了由迷彩的亮度控制的防窥显示器对窥探者的照明；
图50a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的交叉的a板的取向；
图50b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图50a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图50c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的交叉的a板的取向；
图50d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图50c的光学堆叠的透射亮度的变化；
图51a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的混合对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图51b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图51a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图51c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的混合对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图51d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图51c的光学堆叠的透射亮度的变化；
图52a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图52b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图52a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图52c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图52d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图52c的光学堆叠的透射亮度的变化；
图53a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的均匀对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的交叉的a板的取向；
图53b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图51a的光学堆叠的透射亮度的变化；
图53c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；
图53d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图51c的光学堆叠的透射亮度的变化；
图54是示意图，其以侧视图示出了可切换液晶o板和可布置有定向背光源和空间光调制器的固定o板的取向，其中o板之间的界面为基本上平面的；
图55是示意图，其以侧视图示出了可切换液晶o板和可布置有定向背光源和空间光调制器的固定o板的取向，其中o板之间的界面是粗糙的；
图56是示意图，其示出了包括定向波导的定向显示设备光学叠堆的侧视图，其中可切换延迟片被布置在波导与空间光调制器之间，并且表面被布置成通过外部压缩力提供减小的损坏；
图57是示意图，其示出了包括对空间光调制器、延迟层和光源阵列进行控制的定向显示控制系统的侧视图；
图58a、图58b、图58c、图58d和图58e是示意图，其示出了定向显示器在防窥模式下的操作，其中主要图像在至少一个操作阶段中在空间光调制器上提供；
图59a、图59b、图59c、图59d和图59e是示意图，其示出了定向显示器在防窥模式下的第二阶段中的操作，其中主要图像在第一阶段中在空间光调制器上提供，次要图像在第二阶段中在空间光调制器上提供；
图60是示意图，其示出了包括准直波导、广角波导、可切换液晶o板和校正无源延迟片的定向显示设备光学叠堆的侧视图；并且
图61是示意图，其示出了包括准直波导和可切换扩散器、可切换液晶o板和校正无源延迟片的定向显示设备光学叠堆的侧视图。
具体实施方式
时间多路复用自动立体显示器可通过以下方法有利地改善自动立体显示器的空间分辨率，即，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。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。
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。
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，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部件。
可便利地用宏观照明器(例如led阵列)与通常具有1mm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。
为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利号9,519,153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)方向上移动时包括相同图像。
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公开中所讨论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。
一般来讲，例如，根据本公开，成像定向背光源被布置成将来自多个光源的照明在至少一条轴上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在光源的至少一条轴上基本上形成为图像。成像系统可形成于多个光源和相应的窗图像之间。以此方式，来自多个光源中的每一个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。
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，
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。在本公开中，光学阀不同于空间光调制器(即便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示例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特征而被提取，并导向到观察窗，如美国专利号9,519,153中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀中的至少一个。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；和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成阶梯的多个提取特征结构的多个光引导特征结构。
在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入表面传播到反射侧并且可在基本上无损耗的情况下透射。光可在反射侧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，光可入射到光提取特征结构上，所述光提取特征结构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。
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窗平面。此类显示器可使用光提取特征结构阵列，所述光提取特征结构阵列被布置成提取在基本上平行的波导中反向传播的光。
用于与lcd一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7,528,893；微软公司(microsoft)的例如美国专利7,970,246，其在本文可称为“wedgetypedirectionalbacklight”(楔型定向背光源)；reald的例如美国专利号9,519,153，其在本文可称为“opticalvalve”(光学阀)或“opticalvalvedirectionalbacklight”(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。
本公开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特征。在光沿着阶梯式波导的长度行进时，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，且因此在这些内面处不能达到介质的临界角。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，但可被布置成从该结构提供光提取。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，光学阀不是楔型成像定向背光源。
图1a是示出定向显示装置的一个实施例中的光传播的前视图的示意图，并且图1b是示出图1a的定向显示装置中的光传播的侧视图的示意图。
图1a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15n(其中n是大于1的整数)。在一个示例中，图1a的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器尺寸的波导1。照明元件15a至照明元件15n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源、半导体源、激光源、局域场致发射源、有机发射器阵列等。另外，图1b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、slm48、提取特征结构12、引导特征结构10和阶梯式波导1。图1b中提供的侧视图为图1a中所示的正视图的替代视图。因此，图1a和图1b的照明器阵列15彼此对应，并且图1a和图1b的阶梯式波导1可彼此对应。
另外，在图1b中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端部2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端部2与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。输入端部2在跨波导的横向方向上的长度大于输入端部2的高度。将照明器元件15a-15n设置在跨输入端部2的横向方向上的不同输入位置。
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部2与反射端4之间延伸以用于沿波导1来回引导光。第二引导表面具有面向反射端4的多个光提取特征结构12，并且被布置成跨越不同方向上的输入端部从不同输入位置穿过第一引导表面反射穿过波导1从反射端引导回的光的至少一些，所述不同方向取决于输入位置。
在此例子中，光提取特征12是反射小平面，但可使用其他反射特征。光提取特征结构12不引导光穿过波导，而第二引导表面的介于光提取特征结构12中间的中间区域引导光，而不提取光。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。光提取特征结构12横向延伸至那些区域，使得第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状可包括光提取特征结构12和中间区域。光提取特征结构12被取向为使来自光源的光在从反射端4反射后反射穿过第一引导表面。
光提取特征12被布置成将来自在跨输入端部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-15n被布置在不同输入位置处，所以来自相应照明元件15a-15n的光在那些不同方向上反射。这样，照明元件15a-15n中的每个照明元件在分布在横向方向中的输出方向上将光导向到各自的光学窗中，所述输出方向取决于输入位置。对于输出光而言，跨输入位置分布在其中的输入端部2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端部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可被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。
slm48跨越波导延伸并且调制从其输出的光。虽然slm48可为液晶显示器(lcd)，但这仅仅作为示例，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。在此示例中，slm48跨波导的第一引导表面而设置并调制在从光提取特征结构12反射后穿过第一引导表面的光输出。
可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1a中以正视图示出，其侧面轮廓在图1b中示出。在操作中，在图1a和图1b中，光可从照明器阵列15，诸如照明器元件15a至15n的阵列发出，其沿着阶梯式波导1的薄端侧2的表面x＝0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4后可基本上或完全填充弯曲端侧4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度高达但不超过引导材料的临界角。链接阶梯式波导1的底侧的引导特征结构10的提取特征结构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特征结构12，从而确保了基本上无损耗的前向传播。
继续讨论图1a和图1b，可使阶梯式波导1的弯曲端侧面4具反射性，通常通过用反射性材料(诸如银)涂覆而实现，但也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度倾斜的提取特征结构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，但依据提取特征结构12的反射特性，可略有减小。
在具有未涂覆的提取特征12的一些实施例中，当无法进行全内反射(tir)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特征结构的其他实施例中，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特征结构的实施例，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。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a-15n于是使光能够从整个第一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图1a中所示。
用此类装置照明空间光调制器(slm)48(诸如快速液晶显示器(lcd)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，而图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100hz)lcd面板slm48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15n(其中n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，其中水平分开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。以此方式，当观察者的头部大约居中对齐时可观察到3d。远离中心位置朝侧面的移动可导致场景塌缩在2d图像上。
反射端4在跨波导1的横向方向上可具有正光焦度。换句话讲，反射端可在波导的侧面之间延伸的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面和第二引导表面之间以及在输入端部和反射端之间延伸。光提取特征结构12可在波导的侧面之间的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面6和第二引导表面8之间以及在输入端部2和反射端之间延伸。
波导1还可包括用于将来自光源的输入光沿波导1反射回的反射端4，第二引导表面8被布置成将所反射的输入光偏转通过第一引导表面6作为输出光，并且波导1被布置成使光源15a-n成像使得来自这些光源的输出光在输出方向上导向到相应的光学窗26a-n中，这些输出方向取决于光源的输入位置而横向地分布。
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的曲率中心的线并且与端4围绕x轴的反射对称的轴重合。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部件(例如光提取特征结构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。在通常在端4处包括基本上圆柱形反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过端4处的表面的曲率中心的线并且与侧面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。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。
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可包括照明器输入侧面2、反射侧面4、可基本上平坦的第一光导向侧面6、以及包括引导特征结构10和光提取特征结构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的全内反射和引导特征结构10的全内反射在阶梯式波导1中被引导至可为镜面的反射侧面4。虽然反射侧面4可为镜面且可反射光，但在一些实施例中光也可能穿过反射侧面4。
继续讨论图3，由反射侧面4反射的光线18可进一步通过反射侧面4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取特征12反射。入射在提取特征结构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和提取特征结构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特征结构12的反射锥角和输入侧面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。
图4a是以前视图示出可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取特征结构的定向显示装置的示意图。此外，图4a以正视图示出了在阶梯式波导1中进一步引导来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线。输出光线中的每一个从相应照明器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，光提取特征结构12可为细长的，并且光提取特征结构12在光导向侧面8(光导向侧面8在图3中示出，但在图4a未中示出)的第一区域34中的取向可不同于光提取特征结构12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。
图4b是以前视图示出可由第二照明器元件照明的光学阀的示意图。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、42。侧面4和光提取特征结构12上的反射端的曲率与来自照明器元件15h的光线协作地产生与观察窗26横向分开的第二观察窗44。
有利的是，图4b中所示的布置可在观察窗26处提供照明器元件15c的实像，其中反射侧面4中的光焦度与可由细长光提取特征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中所示。图4b的布置可实现照明器元件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察自由度，同时实现低串扰水平。
图5是以前视图示出具有基本上线性的光提取特征结构的定向显示装置的实施例的示意图。另外，图5示出了与图1类似的部件布置(其中对应的元件是类似的)，其中一个差异是光提取特征结构12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类布置可跨显示表面提供基本上均匀的照明，并且与图4a和图4b的弯曲提取特征结构相比制造起来可更方便。
图6a是示出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的示意图，图6b是示出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的示意图，并且图6c是示出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的示意图。此外，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可提供朝向观察窗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可提供朝向观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器的协作中，窗26和44可按顺序提供，如图6c中所示。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。用本文所述的所有定向背光源可实现类似的操作。应当注意，照明器元件组31和33各自包括来自照明元件15a至15n的一个或多个照明元件，其中n为大于一的整数。
图7是示出观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施例的示意图。如图7所示，沿着轴29选择性地打开和关闭照明器元件15a至15n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，用本文所述的所有定向背光源可实现类似的操作。
图8是示出作为包括成像定向背光源的一个示例的多观察者定向显示装置的一个实施例的示意图。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源同步显示，所述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。与第一阶段和第二阶段对应，调整输出照明以分别提供第一观察窗和第二观察窗26、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。
图9是示出包括成像定向背光源的防窥定向显示装置的示意图。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。本公开的实施例中的每一个可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示功能。
图10是以侧视图示出作为包括成像定向背光源示例的时间多路复用定向显示装置的结构的示意图。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，其被布置成对于跨越阶梯式波导1输出表面的基本上准直的输出提供距空间光调制器标称观察距离处的窗平面106中的观察窗26。竖直漫射体68可被布置成进一步延伸窗26的高度。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rgbled。另选地，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。另选地，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。在一个示例中，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。另选地，照明器阵列15可为激光发射元件的阵列。另外，在一个示例中，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。
另一个楔型定向背光源由美国专利7,660,047大体讨论，该专利全文以引用方式并入本文。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匀度。
现在将描述基于并且包含图1至图10的结构的一些波导、定向背光源和定向显示装置。除了现在将描述的修改形式和/或另外的特征结构，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。下文所述的波导可结合到如上文所述的定向背光源或定向显示装置中。类似地，下文所述的定向背光源可结合到如上文所述的定向显示装置中。
图11是示出包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备的示意图。控制系统的布置方式和操作现在将被描述并且在必要时加以更改的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个显示装置。定向背光源包括波导1和如上所述布置的照明元件15a-15n的阵列15。控制系统被布置成选择性地操作照明元件15a-15n以将光导向到可选择观察窗中。
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配合以在观察平面处实现观察窗。透射空间光调制器48可被布置成接收来自定向背光源的光。在slm48上显示的图像可与阵列15的光源的照明同步呈现。
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406，诸如被布置成确定观察者408的位置的相机；以及头部位置测量系统404，该头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。位置传感器406可包括已知的传感器，这些传感器包括具有被布置用于检测观察者脸部位置的相机和图像处理单元的传感器。位置传感器406还可包括立体传感器，其被布置成相比于单视场相机改善对纵向位置的测量。另选地，位置传感器406可包括对眼睛间距的测量以给出对来自定向显示器拼片的观察窗的相应阵列的要求位置的测量。
控制系统还可包括照明控制器和图像控制器403，这两者均提供有由头部位置测量系统404提供的观察者的检测位置。
照明控制器包括led控制器402，其被布置为与波导1配合来确定阵列15的哪些光源应被转换以将光导向至观察者408的相应眼睛；以及led驱动器400，该led驱动器被布置成通过驱动线407控制对光源阵列15的光源的操作。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，使得光导向进入的观察窗26位于对应于观察者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。
图像控制器403被布置为控制slm48以显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器403和照明控制器可按照如下方式操作。图像控制器403控制slm48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像并且led控制器402操作光源15以将光导向进入观察窗中对应于观察者的左眼和右眼的位置，并同步地显示左眼和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。在一个示例中，通过用驱动线410对光源409(其可包括一个或多个led)的操作可照明单个观察窗，其中其他驱动线并未如别处所述被驱动。
头部位置测量系统404检测观察者相对于显示装置100的位置。led控制器402根据头部位置测量系统404所检测到的观察者的位置来选择要操作的光源15，使得光导向进入其中的观察窗处于对应于观察者的左眼和右眼的位置。这样，可实现对应于观察者位置的波导1的输出方向性，使得在第一阶段第一图像可被导向到观察者的右眼，而在第二阶段导向到观察者的左眼。
因此，定向显示设备可包括定向显示装置和被布置成控制光源15a至光源15n的控制系统。
图12a是示出了包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图。
反射端4可由菲涅耳镜提供。另外，锥形区域204可布置在波导1的输入处，以增加来自照明器元件阵列15中光源15a-15n的输入耦合效率并增加照明均匀度。具有孔203的遮蔽层206可被布置成隐藏在波导1边缘处的光散射区域。后反射器300可包括小平面302，这些小平面可弯曲并布置成用于从阵列15的成像光源提供的光学窗组向窗平面提供观察窗。光学叠堆208可包括反射偏振器、延迟片层和漫射体。后反射器300和光学叠堆208在美国专利公布2014-0240828中进一步有所描述，该申请全文以引用方式并入本文。
空间光调制器48可包括液晶显示器，该液晶显示器可包括输入偏振器210、tft玻璃基板212、液晶层214、滤色器玻璃基板216和输出偏振器218。可将红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224成阵列地布置在液晶层214处。还可在液晶层中布置白色像素、黄色像素、附加的绿色像素或其他颜色像素(未示出)，以增加透射效率、色域或感知的图像分辨率。
图12b是示出了由包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图。因此，输入表面2可为波导1的与反射端相对的端部。
图12c是示出了由包括在邻近反射侧面的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图，如美国专利公布2016-0349444中在其他地方所述，该申请全文以引用方式并入本文。波导301包括输入侧面322、324，其中在相应侧面上具有对齐的光源317a-n和319a-n。与反射端304相对的端部302可被布置成为吸收端或反射端以分别提供低水平的串扰或提高的效率。
图12d是示出了由包括在与反射侧面相邻的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图。在输入小平面321处的光源317a-n和319a-n被布置成分别围绕轴线197提供光学窗27a-n和29a-n。菲涅耳镜304被布置有第一光轴和第二光轴287、289。因此，输入表面可为波导301的延伸离开反射端304朝向较薄端3020的侧表面322。
因此，定向背光源包括第一引导表面6和第二引导表面8，该第一引导表面被布置成通过全内反射来引导光，并且该第二引导表面包括多个光提取特征结构12以及位于光提取特征结构12之间的中间区域10，该多个光提取特征结构被取向为在允许离开穿过第一引导表面6的方向上导向沿波导1，波导301引导的光作为输出光，这些光提取特征结构被布置成沿波导1、301引导光。
考虑到图12a至图12d的布置方式，第二引导表面6可具有阶梯式形状，其中所述光提取特征结构12是中间区域10之间的小平面。光提取特征结构12可在波导1、301的侧表面22、24或322、324之间的方向上具有正光焦度，这些侧表面在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸。反射端4，304可在反射端4、304的侧面22、24或322、324之间延伸的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面和第二引导表面6、8之间延伸。
因此，所有侧面2、4、6、8、22、24都提供反射以在防窥操作模式下实现均匀照明和低串扰。如果特征结构被施加到表面的许多区域，则由于特征结构处波导提取损耗的空间位置，可提供不均匀度。
因此，定向显示装置可包括波导，其中输入表面322为波导1的远离反射端304延伸的一侧的表面。
期望优化定向显示设备中偏振再循环的效率。本公开涉及偏振光在定向背光源中的传播。
图13是示出了用于本公开中的其他附图的示出偏振电矢量取向、延迟片慢轴和偏振态以及光线传播方向的符号的图例，除非另外指明。所述符号位于本文附图中的相应光线之上或附近。
图14a是示意性的亮度视场图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度变化。等亮度轮廓518、544在极坐标中可以是基本上旋转对称的。
角观察位置520代表具有零度仰角和零度横向角的期望的同轴观察方向。
角观察位置522代表具有20度仰角和零度横向角的期望的偏轴观察方向。可为居中位置的用户提供此类观察位置，以使显示器绕水平轴旋转。
角观察位置524、525代表具有零度仰角和+/-45度横向角的偶尔期望的偏轴观察方向。在广角模式下，此类观察位置可能被期望的用户占据，因此期望相对较高的亮度。
角观察位置526、527代表偶尔期望的偏轴观察方向，其沿着与横向角和仰角方向成45度的相应轴590、592具有45度的偏轴位置。
图14b是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度随视角的横向变化。因此，如线542所示，在横向角位置544处的亮度分布540可以具有峰值亮度的一半。因此，在该例示性示例中，横向角亮度分布540的半高全宽可以是50度。此外，如线519所示，亮度分布可以在45度的横向角位置518处具有大于峰值亮度的10％。
图14c是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的显示器亮度随视角的变化。因此，当在视角位置520、522处以广角模式在空间光调制器上提供均匀的白色图像时，提供了显示器100的外观，使得从每个相应的视角位置，显示亮度均大于峰值亮度的50％。当从位置520观察时，所述峰值亮度可以被提供在显示器的中央。
有利地，在为在横向方向(0度横向角)上同轴的观察者维持舒适的亮度时，显示器可以方便地绕水平轴旋转。
此外，如图14a中所示的角度观察位置524、526、525、527可以具有在2％至50％之间的亮度。
因此可以为显示器提供亮度视场分布，使得可以从宽范围的视角方便地看到该显示器。
现在将描述在防窥操作模式下操作的显示器的角亮度分布。
图15a是示意性的亮度视场图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度变化；图15b是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化；并且图15c是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的显示器亮度随视角的变化。
现在将参照窥探者来描述在防窥操作模式下的期望和不期望的观察位置-也就是说，当显示器在防窥模式下操作时，那些观察者不期望地试图在显示器上观察图像。
角观察位置520、522代表在防窥模式下操作显示器的主要显示器用户通常期望的观察方向。
角观察位置524、525代表相对于显示器横向定位的窥探者的不期望的偏轴观察方向。期望在此类窥探者的防窥操作模式下降低显示亮度。
角观察位置526、527代表窥探者的其他不期望的和共同的偏轴观察方向。
在防窥操作模式下，可以通过控制定向背光源101来调整横向亮度分布，使得提供了50％的亮度的旋转不对称轨迹551和2％的亮度的旋转不对称轨迹553。
在45度横向角和0度仰角的角观察位置524处，亮度可以小于例如分布546的峰值亮度的2％，优选地小于1.5％，并且更优选地小于1％。在本例示性示例中，在40度的横向角和0度的仰角处的相对亮度555可以是2％。因此，显示器可以设置有角亮度分布，以实现横向偏轴观察者的低亮度，从而实现防窥操作。
因此，角观察位置520、522可以看到大于50％的亮度。有利地，可以在防窥操作模式下提供舒适的显示器外观，以使显示器绕水平轴旋转。
在具有零度仰角的角观察位置524、525处以及在与横向角和仰角方向成45度沿着相应轴590、592的偏轴位置具有45度的角观察位置526、527处，可以提供小于2％的亮度。有利地，显示器对于此类观察位置可能具有有限的可见性。
2％的亮度级别可能会不利地提供显示内容上信息的可见性。期望进一步降低上象限位置526、527处的窥视者位置的图像可见性，例如以期望将防窥等级降低到小于1％。
图16a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器48与定向背光源101之间的交叉的a板502、504的定向显示器；并且图16b是示意图，其以透视前视图示出了用于包括定向波导和交叉的a板502、504的定向显示器的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向。
因此，定向显示器包括定向背光源101和布置成接收来自背光源101的输出光的透射空间光调制器48。定向背光源101可包括后反射器300，该后反射器包括如美国专利公布2014-0240828和美国专利公布2017-0339398中所述的反射小平面303、305，这些专利全文以引用方式并入本文。隔层510可包括如在2018年1月3日提交的名称为“opticalstackforimagingdirectionalbacklights”的美国专利申请15/860,853(代理人参考号400001)中描述的延迟片，该专利全文以引用方式并入本文。
进一步考虑图12a、图12b和图16a，背光源还可包括：光源阵列15；波导1，该波导被布置成在不同的输入位置处接收来自光源15的输入光，并且包括：相对的第一引导表面和第二引导表面6、8，相对的该第一引导表面和该第二引导表面6、8用于沿着波导1引导输入光；侧面22、24，这些侧面在第一引导表面与第二引导表面6、8之间延伸；以及反射端4，该反射端用于沿着波导1将输入光反射回去；其中第二引导表面8被布置成使反射的输入光偏转通过第一引导表面6作为输出光，并且波导1被布置成在波导1的侧面之间的横向方向上对光源15进行成像，使得来自光源的输出光在根据光源15的输入位置而分布的输出方向上被导向到相应的光学窗26中。
第一引导表面6可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面8可包括光提取特征结构12和在该光提取特征结构12之间的中间区域10，该光提取特征结构12取向成使反射的输入光偏转通过第一引导表面6作为输出光，并且中间区域10被布置成引导光通过波导1而不提取光。
光提取特征结构可以是弯曲的，并且在第一引导表面与第二引导表面6、8之间延伸的波导1的侧面22、24之间的横向方向上具有正光焦度。反射端4可具有横向方向正光焦度，该横向方向正光焦度在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的波导1的侧面22、侧面24之间延伸。波导1可包括与反射端4相对的输入端2，并且光源15可被布置成通过输入端2将光输入到波导1中。如图12c所示，光源15可被布置成通过波导1的侧面22、24将光输入到波导中。
输入偏振器210被布置在背光源101与空间光调制器48之间的空间光调制器48的输入侧，并且输出偏振器218被布置在空间光调制器48的输出侧。
附加偏振器500被布置在输入偏振器210与背光源101之间的输入偏振器210的输入侧。附加偏振器可以是反射偏振器，诸如3m公司的dbeftm。
因此，显示装置可包括附加偏振器500，该附加偏振器是布置在输入偏振器210的输入侧的反射偏振器，并且被布置成透射来自波导1的输出光线700的第一偏振分量704，并且将具有与第一偏振分量704的偏振态正交的偏振态的输出光的第二偏振分量706反射为光线702作为阻隔光；并且后反射器300设置在波导1的第二引导表面8后方，并且该后反射器被布置成反射阻隔光以供应回空间光调制器48，该后反射器300包括在垂直于空间光调制器48的法线的预定方向上延伸的成对的反射角小平面303、305的线性阵列，使得后反射器300将来自一对角小平面的具有两次反射的阻隔光作为光线702的偏振转换为第一偏振分量704的偏振。如图16b进一步所示，成对的反射角小平面303、305可以是弯曲的，并且在横向方向上具有光焦度。
另外的校正延迟片506被布置成旋转由反射偏振器500反射的偏振分量706。在例示性示例中，延迟片506的慢光轴可以与反射附加偏振器500的电矢量透射方向成22.5度的角度，该角度可以相对于横向方向成0度。此类布置可以例如包括平面内切换lcd(ips-lcd)，其中输出偏振器218被设置成与横向方向成90度。在包括扭转向列型lcd(tn-lcd)的实施方案中，可以省略校正延迟片506。有利地，由反射偏振器反射的偏振分量706相对于横向方向成45度入射到后反射器的细长小平面303、305上，并且旋转到通过反射附加偏振器500和输入偏振器210透射的偏振分量704。
因此，附加偏振器500可以被布置成通过来自定向背光源101和后反射器300的光的再循环来提供增加的显示亮度。有利地，与其中附加偏振器500是吸收偏振器的实施方案相比，显示亮度可以增加。
如图11进一步所示，该显示装置还可包括根据前述权利要求中任一项所述的显示设备；以及控制系统400，该控制系统被布置成控制光源15。有利地，可以提供显示器，该显示器可以被布置成在广角模式与防窥模式之间切换。
现在将进一步描述显示器的角度防窥性能的修改。
可以是一对交叉的a板502、504的至少一个延迟片被布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间。在图16a的实施方案中，附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输入侧，并且所述一对交叉的a板502、504被布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间。在本实施方案中，至少一个延迟片可以是一对交叉的a板502、504或c板560中的一者，如将在本文其他地方描述的。
现在将相对于显示器的角亮度观察特性来描述图16a-b的显示器的操作。
图17a是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图16b的光学堆叠的亮度的变化；图17b是示意图，其示出了定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化；并且图17c是示意图，其示出了包括图16b的光学叠堆的定向显示器的防窥操作模式的显示器亮度随视角的变化。
在本公开中，极空间中的位置的坐标被描述为极坐标，其横向角是指横向方向(y轴)上的角度，而仰角是指垂直方向上的角度(x轴)。这些项在亮度视场图中提供坐标，如图17a所示。正横向角和负横向角分别对应于从右侧和左侧观察显示器；并且正仰角和负仰角分别对应于从上方或下方观察显示器。此处，极坐标的描述不是根据极角(从法线方向倾斜)或方位角(旋转坐标)来进行的。
交叉的a板502、504和附加的偏振器500可以被布置成在观察显示器的象限中提供减小的亮度区域557。亮度区域557是在具有非零的横向角和仰角的角度区域中亮度降低的区域。亮度象限可以被布置成关于亮度视场分布的45度轴590、592对称，例如以有利地降低到观看者角度位置526、527的亮度。
如图17b所示，沿着亮度视场图的45度轴，可以提供分布547，与具有亮度521的图15b的分布546相比，轨迹559处的亮度可以降低。
有利地，对于窥视者526、527在上观察象限中，降低了不期望输出的光的亮度。此外，如本文将描述的那样，可以最小地降低迎面角度观察位置520和偏轴观察位置522、524、525的亮度。因此，如图17c所示，对于窥探者在角度观察位置526、527处可以提高显示器的防窥性能，而不会降低对于期望的观察位置的显示效率。
在例示性示例中，可以将观察位置526、527处的显示器的亮度降低50％，从而可以将防窥级别从2％降低至1％。在操作中，发明人的经验是，此类感知亮度的差异可提供显示器的防窥性能的有效提高。
现在将描述图16a的显示器在广角模式下的性能。
图18a是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图16b的光学堆叠的亮度的变化；图18b是示意图，其示出了定向显示器的广角操作模式的亮度随视角的变化；并且图18c是示意图，其示出了包括图16b的光学叠堆的定向显示器的广角操作模式的显示器亮度随视角的变化。
因此，对于给定的极角位置，由位置557限定的象限中的亮度可以减小的比例与图17a所示的类似。沿45度极方向590、592的分布581可以有利地实现半高全宽最大宽度的小幅降低。由于上象限中的亮度可能大大高于操作的防窥模式，因此在角度观察位置526、527中，用户仍可以清晰看到显示器。此外，如将要描述的，亮度可以在横向(零仰角)和垂直(零横向角)方向上基本不变，这对于广角模式下的显示器用户来说是更常见的观察位置。
有利地，广角模式性能对于常规的显示器使用可以具有低的影响。
图19a是示意图，其以透视图示出了通过偏轴光对延迟层的照明。校正延迟片630可包括双折射材料，其由折射率椭圆体632表示，其具有与x轴成0度的慢轴方向634，并且具有厚度631。法线光线636传播使得材料中的路径长度与厚度631相同。在y-z平面上的光线637具有增加的路程长度；然而，材料的双折射与射线636基本相同。通过比较，位于x-z平面中的光线638在双折射材料中具有增加的路径长度，并且另外双折射不同于法线636。
因此，延迟片630的延迟量取决于相应光线的入射角，并且也取决于入射平面，即x-z中的光线638将具有与y-z平面中的法线636和光线637不同的延迟量。
现在将描述偏振光与延迟片630的相互作用。为了在定向背光源101的操作期间与第一偏振分量和第二偏振分量区分，以下解释将涉及第三偏振分量和第四偏振分量。
图19b是示意图，其以透视图示出了延迟层通过与x轴成90度的第三线性偏振态的偏轴光的照明，并且图19c是示意图，其以透视图示出了延迟层通过与x轴成0度的第四线性偏振态的偏轴光的照明。在此类布置中，入射线性偏振态与由椭圆形632表示的双折射材料的光轴对齐。因此，不提供第三正交偏振分量和第四正交偏振分量之间的相位差，并且对于每个光线636、637、638线性偏振输入的偏振态不产生变化。
图19d是示意图，其以透视图示出了延迟层630通过45度处的线性偏振态的偏轴光的照明。线性偏振态可被分解成分别正交于并平行于慢轴634方向的第三偏振分量和第四偏振分量。由折射率椭圆体632表示的延迟片厚度631和材料延迟可提供将入射在其上的第三偏振分量和第四偏振分量的相位在由光线636表示的法向方向上对于设计波长相对移动半波长的净效应。设计波长可例如在500nm至550nm的范围内。
在设计波长下并且对于沿着光线636通常传播的光，则在-45度处输出偏振可旋转90度至线性偏振态640。沿着光线637传播的光可看到相位差，该相位差类似于但不同于由于厚度变化而沿光线637的相位差，并且因此可输出椭圆偏振态639，其可具有类似于光线636的输出光的线性偏振轴的长轴。
相比之下，沿光线638的入射线性偏振态的相位差可显著不同，具体地讲可提供较低的相位差。此类相位差可提供在给定倾斜角642下为基本上圆形的输出偏振态644。
在本发明的实施方案中，慢轴通常是指正交于法线方向的取向，其中线性偏振光具有平行于慢轴的电矢量方向以最慢速度行进。慢轴方向是该光在设计波长下具有最高折射率的方向。
对于正电介质各向异性单轴双折射材料，慢轴方向是双折射材料的非常轴。此类材料中的普通轴通常平行于法向方向，并且正交于法向方向和慢轴。
术语半波长和四分之一波长是指延迟片对于可通常在500nm至570nm之间的设计波长λ0的操作。延迟片在入射在其上的光波的两个垂直偏振分量之间提供相移，其特征在于它赋予两个偏振分量的相对相位的量；其通过以下公式与延迟片的双折射δn和厚度d相关
γ＝2.π.δn.d/λ0等式1
其中δn定义为非寻常折射率与寻常折射率之间的差值，即
δn＝ne-no等式2
就半波延迟片而言，选择d、δn和λ0之间的关系，使得偏振分量之间的相移为γ＝π。对于四分之一波长延迟器，选择d、δn和λ0之间的关系，使得偏振分量之间的相移为γ＝π/2。
本文术语半波长延迟片通常是指垂直于延迟片传播并且垂直于空间光调制器的光。
在本公开中，“a板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，该双折射材料层的光轴平行于该层的平面。延迟片的平面是指延迟片的慢轴在一个平面即x-y平面中延伸。
“正a板”是指正双折射a板，即δn为正的a板。
在本公开中，“c板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，该双折射材料层的光轴垂直于该层的平面。“正c板”是指正双折射c板，即δn为正的c板。
在本公开中，“o板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，该双折射材料层的光轴具有平行于该层的平面的分量和垂直于该层的平面的分量。“正o板”是指正双折射o板，即δn为正的o板。
可以提供消色差延迟片，其中延迟片的材料具有随波长λ变化的光学厚度δn.d，如
δn.d/λ＝κ等式3
其中κ基本上是一个常数。合适的材料的示例包括来自teijinfilms的改性聚碳酸酯。在本实施方案中可以提供消色差延迟片，以有利地最小化具有低亮度降低的极角观察方向与具有增大的亮度降低的极角观察方向之间的颜色变化，如下所述。
现在将描述在本公开中使用的与延迟片和液晶有关的各种其他术语。
均匀对齐是指可切换液晶显示器中液晶的对齐，其中分子基本平行于衬底对齐。均匀对齐有时称为平面对齐。均匀对齐通常可以设置有小的预倾斜，诸如2度，使得液晶盒的对齐层的表面上的分子稍微倾斜，如下所述。预倾斜被布置成以最小化盒切换中的简并性。
在本公开中，垂直配向对齐是棒状液晶分子基本上垂直于衬底对齐的状态。在盘状液晶中，垂直配向对齐被定义为由其中盘状液晶分子形成的柱状结构的轴垂直于表面对齐的状态。在垂直配向对齐中，预倾斜是接近对齐层并且通常接近90度并且例如可以是88度的分子的倾斜角。
具有正介电各向异性的液晶分子通过施加的电场从均质对齐(诸如a板延迟片取向)切换为垂直配向对齐(诸如c板或o板延迟片取向)。
具有负介电各向异性的液晶分子通过施加的电场从垂直配向对齐(诸如c板或o板延迟片取向)切换为均匀对齐(诸如a板延迟片取向)。
棒状分子具有正双折射，使得ne>no，如等式2所述。盘状分子具有负双折射，使得ne<no。
正延迟片诸如a板、正o板和正c板通常可以通过拉伸膜或棒状液晶分子来提供。负延迟片(诸如负c板)可以通过拉伸膜或盘状液晶分子提供。
平行液晶盒对齐是指均匀对齐层平行或更典型地反平行的对齐方向。就预倾斜的垂直配向对齐而言，对齐层可以具有基本平行或反平行的分量。混合对齐的液晶盒可具有一层均匀对齐层和一层垂直配向对齐层。扭转的液晶盒可以由不具有平行对齐的对齐层提供，例如彼此成90度取向。
交叉的a板、c板和o板是已知的用于lcd中的延迟片元件，以补偿偏轴观察位置的对比度下降，例如在欧洲专利公开ep1726987中，该专利全文以引用方式并入本文。
因此，在现有技术的布置中，可以在输入偏振器与输出偏振器之间设置交叉的a板、c板和o板，以与也布置在输入偏振器与输出偏振器之间的液晶层协同操作。在此类现有技术布置中，所述延迟片被布置成补偿液晶分子的双折射随视角的变化。此类补偿被布置成为偏轴观察位置提供增加的显示对比度。因此可以提高显示器的对比度视角属性。
在本实施方案中，在附加偏振器500与输入偏振器210之间提供了交叉的a板、c板或o板。此类偏振器和延迟片布置不会改变显示设备的偏轴观察位置的对比度，并且不会像现有技术中的布置那样进一步降低偏轴亮度。此外，此类延迟层不与透射空间光调制器48中的液晶材料协同操作。
现在将相对于庞加莱球体图示来描述图16b的操作用于同轴光。
图19e是示意图，其以透视前视图示出了跨a板延迟片的同轴偏振控制的庞加莱球600表示，例如，如图16b所示，在用于a板的半波片的示例中。庞加莱球可以表示一般的椭圆偏振态，其中水平偏振态位置602，+45度线性偏振态位置604，垂直偏振态位置606和圆偏振态位置601、603。在操作中，输入的水平偏振态602由第一a板502绕庞加莱球中的轴610沿箭头614的方向旋转90度，这表示在真实空间中对于第一波长的偏振态606的45度取向。如果延迟片是色散的，则为第二波长提供偏振态616。此类偏振态是椭圆的，因此如果要对其进行分析，则会提供降低的亮度，从而为来自第一a板502的光产生色差输出。具有轴609的第二a板沿箭头618所示的相对方向旋转偏振态606、616，使得a板504的色度补偿了a板502的色度，并且在输入偏振器210处提供了消色差偏状态602。有利地，观察位置520的光的色度与输入光的色度基本相同。
图16b的一对延迟片502、504各自包括单个a板。可能希望在降低的亮度角度观察位置中提供对色度的进一步控制。现在将描述复合延迟片。
图19f是示意图，其以透视前视图示出了用于图16b的光学叠堆的包括复合延迟片的a板延迟片的延迟片轴的取向。a板502、504的功能可以分别由两个a板提供，这两个a板被布置成各自的取向，如将要描述的。在例示性示例中，a板502可以另选地由具有-22.5度和+22.5度的延迟片取向581、583的a板580、582提供。此外，a板504可以另选地由具有67.5度和+112.5度的延迟片取向585、587的a板584、586提供。因此，a板580与a板584交叉，而a板582与a板586交叉。
因此，一对延迟片502、504各自包括多个a板580、582和584、586，其具有以彼此不同的角度对齐的相应的慢轴581、583和585、587。
在本实施方案中，“交叉”是指慢轴成90°的角度，或足够接近90°以用作交叉的a板。因此，尽管图19f中的一对a板的慢轴确实以小于90°的角度相互交叉，但是从这个意义上讲，它们一起用作单个a板时不会“交叉”。
现在将相对于庞加莱球体图示来描述图19f的操作用于同轴光。
图19g是示意图，其以透视前视图示出了图19f的第一复合a板延迟片对580、582的同轴极化控制的庞加莱球600表示。在操作中，对于相应的第一波长和第二波长，第一延迟片580绕轴611在方向620上以角度610向偏振态604、622提供偏振态旋转。
由于对应于状态604、622的两个相应波长对延迟进行了补偿，因此第二延迟片582绕轴613以角度612向状态606提供了另外的偏振态旋转，该偏振态在方向624、626上基本上是消色差的。因此，复合延迟片580、582实现了基本上消色差的线性偏振态606，以入射到第二复合延迟片584、586上。
图19h是示意图，其以透视前视图示出了图19f的第二复合a板延迟片对584、586的同轴极化控制的庞加莱球600表示。因此，来自第一对580、582的线性偏振态606绕轴615沿方向628、630以角度614旋转，并且进一步绕轴617沿方向632以角度616旋转到水平线性偏振态602。因此，复合延迟片580、582、584、586以与图19e的单个a板类似的方式操作。
因此，有利地，可以提供复合延迟片来代替图16b布置的单个延迟片。有利地，可以提供用于延迟片堆叠的设计的进一步的自由度，以实现改善的偏轴色度补偿。
在本实施方案中，与防窥定向背光源101设备协作，期望地降低偏轴亮度以在某些观察方向上实现改善的防窥特性。
现在将针对各种偏轴照明布置来描述在附加的偏振器500与输入偏振器210之间的交叉的a板502、504的角亮度控制。
图20a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明。具有电矢量透射方向501的线性偏振器500用于在交叉的a板502、504的第一a板502上提供与横向方向平行的线性偏振态704。慢轴方向503对于横向方向倾斜+45度。延迟片502在正仰角方向上对于偏轴角θ1的延迟提供了合成的偏振分量650，其在输出时通常是椭圆形的。偏振分量650入射到交叉的a板502、504的第二a板504上，该第二a板具有与第一a板502的慢轴方向503正交的慢轴方向505。在图20a的入射平面中，第二a板504的离轴角θ1的延迟是相等的，并且与第一a板502的延迟相对。因此，为入射偏振分量704提供了净零延迟，并且输出偏振分量与输入偏振分量704相同。
输出偏振分量与lcd输入偏振器210的电矢量透射方向对齐，因此被有效地透射。有利地，对于具有零的横向角角度分量的光线基本上没有损失，使得实现了完全的透射效率。
图20b是示意图，其以透视图示出了由具有负横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明。因此，输入偏振分量被第一a板502转换为通常为椭圆偏振态的中间偏振分量652。第二a板504再次提供与第一a板相同且相对的延迟，使得输出偏振分量与输入偏振分量704相同，并且光有效地透射通过输入偏振器210。
因此，至少一个延迟片包括一对延迟片502、504，其在延迟片502、504的平面中具有相交的慢轴，在本实施方案中为x-y平面。在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输入侧的情况下，这对延迟片502、504具有可相对于与输入偏振器210的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自以45°延伸的慢轴503、505，或者在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输出偏振器218的电矢量透射平行的电矢量透射方向各自以45°延伸的慢轴。
有利地，对于具有零的仰角角度分量的光线基本上没有损失，使得实现了完全的透射效率。
图20c是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和负横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明。偏振分量704被第一a板502转换成椭圆偏振分量654。与图20a-b的布置相比，第二a板504的双折射材料未与第一a板502的双折射材料的补偿角对齐，并且因此从第二a板504输出所得的椭圆分量656。与第一偏振分量704的输入亮度相比，椭圆分量656由输入偏振器210以降低的亮度进行分析。
图20d是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和正横向角的偏轴偏振光对交叉的a板延迟层的照明。以与图20c例示类似的方式，由于第一延迟片和第二延迟片的净延迟不提供补偿，因此第一a板和第二a板502、504提供了偏振分量658和660。
因此，对于具有非零横向角和非零仰角分量的光线，亮度降低。有利地，对于布置在观察象限中的窥探者，可以提高显示器的防窥，而基本上不降低主要显示器用户的发光效率。
现在将相对于图21a来描述透射亮度视场的模拟变化，该图是示出图16b的光学叠堆的透射亮度的变化的示意性的亮度视场图，其中a板502、504是同轴光线在设计波长λo处的四分之一波片；并且图21b是示意性亮度视场图，其示出了图16b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是同轴光线在设计波长为λo处的半波片。
图21a以10％的步长示出了等亮度轮廓，使得角度观察位置526处的亮度是峰值亮度的80％。通过比较，对于图21b的布置，在角度观察位置526处的亮度大约是峰值亮度的65％。在两种布置中，用于角度观察位置520的迎面亮度均不变。
有利地，可以使用a板的延迟的选择来提供期望的观察象限中的亮度降低。此外，消色差延迟片可用于最小化随视角的颜色变化。
对于相对于显示器取向垂直和水平取向的偏轴角，可能期望进一步降低防窥显示器的亮度。
图21c是示意图，其以透视前视图示出了用于定向显示器的光学叠堆的延迟片和偏振器轴的取向，该定向显示器的光学堆叠包括以+/-45度布置的附加偏振器和输入偏振器以及交叉的a板。可以为扭转向列型(tn)lcd提供此类布置。任选地，平面内切换(ips)lcd还可包括延迟片(未显示)，这些延迟片被布置成相对于附加偏振器500和输入偏振器210来旋转偏振态。因此，附加偏振器500和输入偏振器210可以具有在+45度处的偏振器透射方向501、211取向，并且延迟片502、504可以分别在90度和0度处具有延迟片取向503、505。
图21d是示意性亮度视场图，其示出了图21c的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是四分之一波片。因此，可以为观察位置525、529提供降低的亮度透射，而可以为位置520、526提供基本上不降低的亮度。
有利地，垂直和横向观察位置可以具有降低的亮度，从而改善了垂直和水平观察方向上的防窥级别。
现在将描述包括交叉的a板的光学堆叠的构造。
图22a-d是示意图，其以侧视图示出了包括交叉的a板的光学叠堆。图22a示出了输入偏振器210和附加偏振器500可包括保护层550，其可以是tac(三乙酸纤维素)，例如围绕吸收偏振器层552，诸如碘掺杂的pva层。可以是光学透明的粘合剂层和/或压敏粘合剂层的粘合剂层556可以被布置成附接交叉的a板502、504。
图22b示出了吸收偏振器500可以由反射偏振器提供，并且可以如图16a-b所示那样提供另外的延迟层506。
期望降低输入偏振器层叠的厚度。
图22c示出了输入偏振器的保护层之一可以由第二a板504提供。例如，可以为双折射tac衬底提供组合的保护和a板属性。有利地，可以降低厚度和成本。
图22d示出了一种布置，其中附加偏振器500由(i)吸收偏振器552、550和包括a板502的保护层以及(ii)反射偏振器549提供。有利地，可以减少从反射偏振器549的泄漏。
现在将描述其中交叉的a板被布置在空间光调制器48的输出上的布置。
图23a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导1和布置在空间光调制器48的前面的交叉的a板502、504的定向显示器；并且图23b是示意图，其以透视前视图示出了用于图23a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向。
附加的偏振器500被布置在输出偏振器218的输出侧上；并且一对交叉的a板被布置在附加偏振器500与输出偏振器218之间。附加偏振器500被布置在输出偏振器的输出侧，并且所述一对交叉的a板502、504被布置在附加偏振器与输入偏振器之间。
显示器的操作和优点类似于参考图17a至图18c所描述的。此类布置可在没有反射偏振器的显示器中提供。
期望减少可切换定向显示器中的分离光学层的数量，该可切换定向显示器包括缓解观察象限中的窥探者。
图24a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器48与定向背光源101之间的c板560的定向显示器；并且图24b是示意图，其以透视前视图示出了用于图24a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向。
具有光轴方向561的c板560被布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间，其偏振透射方向211平行于附加偏振器500的偏振透射方向501。因此，附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输入侧，并且所述c板被布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间。
图25a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导1和布置在空间光调制器48的前面的c板560的定向显示器；并且图25b是示意图，其以透视前视图示出了用于图25a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向。附加的偏振器500被布置在输出偏振器218的输出侧上；并且c板560被布置在附加偏振器500与输出偏振器218之间。
具有光轴方向561的c板560被布置在附加偏振器500与输出偏振器218之间，其偏振透射方向219平行于附加偏振器500的偏振透射方向501。因此，附加偏振器500被布置在输出偏振器218的输出侧，并且所述c板被布置在附加偏振器500与输出偏振器218之间。
现在将描述平行偏振器500、210之间的c板的操作。
图26a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对c板层的照明。入射线性偏振分量704以与延迟片560的平面垂直的光轴方向507入射到c板560的双折射材料632上。偏振分量704在透射通过液晶分子时看不到净相位差，并且因此输出偏振分量与分量704相同。因此，通过偏振器210可以看到最大的透射。因此，至少一个延迟片包括延迟片560，该延迟片具有垂直于延迟片560的平面即x-y平面的慢轴561。具有垂直于延迟片的平面的慢轴的延迟片560包括c板。
c板可包括透明的双折射材料，诸如：聚碳酸酯或反应性液晶元，它们被浇铸到例如提供垂直配向对齐的衬底上；zeonextm环烯烃聚合物(cop)；盘状聚合物；以及nittodenkotm双拉伸聚碳酸酯。
图26b是示意图，其以透视图示出了由具有负横向角的偏轴偏振光对c板层的照明。与图26a的布置一样，偏振态704看不到净相位差并且以最大亮度透射。
图26c是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和负横向角的偏轴偏振光对c板层的照明。与图26a-b的布置相比，偏振态704相对于双折射材料632分解为本征态703、705，从而在透射通过延迟片560时提供净相位差。与图26a-b所示的光线相比，所得的椭圆偏振分量656以降低的亮度透射通过偏振器210。
图26d是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角和正横向角的偏轴偏振光对c板层的照明。以与图26c类似的方式，将偏振分量704分解为经历净相位差的本征态703、705，并且提供椭圆偏振分量660，其在通过偏振器透射后降低了相应偏轴射线的亮度。
与单板相比，有利地，交叉的a板可各自包括比c板更便宜的单个拉伸材料。可以更容易地提供另外的消色差补偿。
图27a是示意性亮度视场图，其示出了图24b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是半波片。因此，亮度视场分布与包括交叉的a板的图21b的类似。
在本公开中，亮度视场图示表示透射亮度随视角的极变化。
图27b是示意性亮度视场图，其示出了图24b的光学叠堆的透射亮度的变化，其中延迟层是全波片。例如，可以在图17a中的观看者角度位置226、227的观察象限中提供增加的亮度降低。
有利地，与在平行的输入或输出偏振器与附加偏振器之间不具有c板的布置相比，可以在观察象限中提供针对窥探者的增强的图像私密性，而不会降低迎面亮度。此外，可以降低光学堆叠的厚度和复杂性，从而降低成本。
期望提供相对于视角的色度变化的进一步减小。现在将描述高延迟c板的例示性示例模拟，其包括对于500nm标称波长的650nm延迟。
图28a是示意性亮度视场图，其示出了图24b的包括高延迟层的光学叠堆的透射亮度的变化。
图28b-c是示意性的亮度视场图，其示出了分别包括高延迟层的图24b的光学堆叠的cie1931x和y色差坐标的变化。不期望的是，对于从峰值亮度下降70％的亮度，可以提供在观察位置520与526之间的在x坐标上大约0.07和在y坐标上大约0.06的色移。观察象限中的此类彩色色移可能是清晰可见的并且是不期望的。
图29a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光对c板层和交叉的a板层的照明；并且图29b是示意图，其以透视前视图示出了用于图29a的光学堆叠的延迟片和偏振器轴的取向。与图16b的实施方案相比，a板502可以正交于偏振器500对齐，而a板504可以平行于偏振器504对齐。因此，至少一个延迟片还包括一对延迟片502、504，其在相交的延迟片502、504的平面(x-y平面)中具有慢轴。在附加偏振器500被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，这对延迟片502、504具有可相对于与输入偏振器210的电矢量透射平行的电矢量透射方向211分别各自以0°和90°延伸的慢轴503、505，或者在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，这对延迟片具有可相对于与输出偏振器218的电矢量透射的方向219平行的电矢量透射方向211分别各自以0°和90°延伸的慢轴。
图30a是示意性亮度视场图，其示出了图29b的包括高延迟层的光学叠堆的透射亮度的变化，并且图30b-c是示意性亮度视场图，其示出了包括高延迟层的图29b的光学堆叠的1931ciex色差坐标和y色差坐标的变化。
对于从峰值亮度下降70％的亮度，可以提供在观察位置520与526之间的在x坐标上大约0.01和在y坐标上大约0.02的色移。有利地，与图28b-c的布置相比，可以显著降低用于观察位置526的色移。
除了包括具有反射端4的成像波导1的那些显示器以外，本实施方案还可以布置有可切换定向显示器。
图31是示意图，其以侧视图示出了包括第一定向波导801a、第二广角波导1b以及布置在附加偏振器500与布置在空间光调制器48后面的输入偏振器210之间的c板560的定向显示器。另选地，附加偏振器和延迟层可以被布置在空间光调制器的前面，如本文其他地方所述。
光源815a可以沿着波导801a的至少一个边缘布置，并且光源815b可以沿着波导801b的至少一个边缘布置。
可切换定向显示器还可包括后散射反射器812、中间扩散层810以及包括第一输入小平面和第二输入小平面803、805的棱镜输入层804。
在以窄角模式操作时，光源815a可被布置成将光线820提供到第一波导801a中。波导801a的上表面806a和下表面808a可以设置有散射微结构，这些散射微结构被布置成沿基本掠射方向(接近平行于表面806a)从波导801a处提取光。光线820入射在棱镜输入层804的表面803上，并且由表面805的全内反射指导，以窄锥角的方向入射在空间光调制器上，以提供第一窄宽度的观察窗821。
在以广角模式操作时，光源815b可被布置成将光线822提供到第二波导801b中。波导801b的上表面806b和下表面808b可以设置有散射微结构，这些散射微结构被布置成从波导801b处提取具有锥角的光，该锥角具有接近于平行于表面806b的标称角度。光线822入射在棱镜输入层804的表面805上，并且由表面803的全内反射指导，以宽锥角的方向入射在空间光调制器上。散射光线在散射反射器812和扩散器810处的进一步扩散可以被布置成增加输出锥角，以提供宽度大于第一观察窗821的第二观察窗823。
此外，两个光源815a，815b都可以以广角模式照明以对输出方向性进行一些控制。
以这种方式，例如，可以提供与图12a相比不同类型的定向显示器。更一般地，提供了定向背光源101，其可以在模式之间切换，其中输出光被输出到不同宽度的观察窗821、823中。
此类布置使用散射来分别为射线820、822提供窄和宽定向的光锥。此类散射可能会在窄角操作模式下提供一些高角度的光，并且降低防窥性能。
本实施方案提供了窥探者可以观看到的视锥角的亮度的附加降低。有利地，如本文其他地方所述，可以增强防窥性能。
图32a是示意图，其以顶视图示出了汽车舱700和来自居中安装的显示装置704的驾驶员706的照明；并且图32b是示意图，其以侧视图示出了汽车舱700和来自居中安装的显示器704的驾驶员706的照明，其中显示装置被布置在车辆中，并且被布置在车辆中的窗702下方，并且被布置在车辆中的座椅701的前方。
在本公开中，观察窗不同于透明窗。观察窗是指在期望的观察距离处的显示装置的角度照明光锥。透明窗是指物理透明表面，诸如挡风玻璃、防风罩、侧窗或其他透明表面，并且通常由玻璃、玻璃复合材料或其他透明材料制成。
在任一实施方案中，显示装置704可以相对于驾驶员另选地布置在非中央区域，以在负的横向角方向上以横向角708从显示器704的中心向驾驶员706提供光线705的偏轴照明。在操作中，通过在挡风玻璃702处的反射，将光线705导向驾驶员706，并且将另外的光线707导向驾驶员706，从而形成虚像714。图像714可能会分散驾驶员的注意力，因此期望降低其亮度。
从显示器704处输出的光的横向角方向708对于光线705、707可以是相同的，然而相应的仰角方向710、712是不同的。
图32c是示意性亮度视场图，其示出了汽车舱700中的显示器和挡风玻璃反射的亮度。
在例示性示例中，两条光线705、707的横向角708可以是-30度，而相应的仰角可以是10度和45度。因此，直接观察的显示器704和显示器704的虚拟图像714的极坐标720、722处于不同的极坐标。与直接观察的光相比，由本实施方案的偏振控制布置的轨迹557提供的亮度衰减实现了从挡风玻璃反射的虚像714的亮度的显著降低。此外，来自挡风玻璃702的光线707的菲涅耳反射率提供了显示器704的虚像714的明显更低的亮度。
有利地，通过本实施方案的偏振器布置，对于驾驶员的观察方向，可以大大降低挡风玻璃的反射。
期望提供降低的偏轴亮度和降低的偏轴不均匀性在横向方向上的可见性，以实现对窥探者的用户图像内容的降低的可见性。
图33a是示意图，其以透视图示出了由具有正仰角的偏轴偏振光线638对o板层800的照明。通过与图26a进行比较，o板延迟层800包含双折射分子802，该双折射分子具有804绕y轴倾斜808的慢轴。分子802可以相对于x-z平面具有基本上为90度的角度806。因此，可以将o板视为倾斜的c板。下文将更详细地描述平行偏振器500、210之间的o板延迟片800的光学属性。
图33b是示意性亮度视场图，其示出了布置在平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化的示例。因此，提供表示10％增量等亮度的亮度视场轮廓811，使得亮度可以在横向方向上变化，并且可以在零横向角方向上设置有高透射率。
图33c是示意性亮度视场图，其示出了还包括布置在图33a的平行偏振器之间的o板的广角显示器的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
因此，轮廓811覆盖在图14a的广角分布上。因此，通过将图33b的亮度分布和图14a的亮度分布相乘来提供显示器的亮度分布。所得的亮度未在图33c中示出。
图33d是示意图，其示出了广角显示器的亮度随视角的变化，该广角显示器还包括布置在图33a的平行偏振器之间的o板。典型的广角显示器亮度分布540由图33a的o板延迟片800和偏振器210、500布置的横向角分布841修改。
现在将描述包括典型的广角显示器的显示器的观察属性，该显示器包括例如lcd和常规的散射广角非定向背光源，以及图33a的o板布置。
在典型的窥探者视角处，诸如在横向方向上偏轴45度，广角背光源的亮度可以是例如峰值迎面照明的20％。o板的亮度可以为10％或更小，从而实现小于2％的组合亮度。然而，在更宽的视角(诸如60度)下，背光源可能具有10％的亮度，但是o板的透射率可能是50％，从而为窥探者提供了5％的亮度。此类值可为窥探者提供防窥图像的高可见性。
期望提供在宽范围的横向窥视者观察方向上具有小于2％、并且更优选地小于1％的防窥图像。
图34是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器与定向背光源101之间的o板的定向显示器；并且图35是示意图，其以透视前视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向。
相对于图36a进一步描述了o板和显示器部件的布置，该图是示意图，其以透视侧视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向；并且图36b是示意图，其以透视前视图示出了图36a的布置中双折射分子的取向，还示出了布置在延迟层802中的o板的倾斜分子800。
延迟片800包括o板。因此，本实施方案的至少一个延迟片包括具有慢轴804取向的延迟片800，该具有慢轴804取向的延迟片具有垂直于该延迟片800的平面的分量831以及在该延迟片800的平面中的至少一个分量。此外，在本实施方案中，至少一个延迟片可包括具有慢轴804取向的延迟片800，该具有慢轴804取向的延迟片具有垂直于延迟片800的平面的分量531、在延迟片800的平面中正交于输入偏振器210的电矢量透射方向211的分量833以及基本上没有在延迟片800的平面中平行于输入偏振器210的电矢量透射方向的分量。
o板延迟层800可以例如由固化的反应性液晶元材料形成，该固化的反应性液晶元材料在交联之前已经在对齐的衬底上对齐，例如通过暴露于uv光。反应性液晶元材料的示例是默克公司(merck)的licriviewtm材料。如本文的c板和a板延迟片实施方案所示，延迟片800可以被布置在与吸收偏振器210对齐的反射偏振器500之间。有利地，可以减小厚度并且增加透射。o板还可以被布置在透明支撑衬底801上，以实现方便的对齐衬底并进行处理。另选地，可以将o板直接形成在偏振器210或反射偏振器500上，从而有利地实现减小的厚度。
图36c是示意性亮度视场图，其示出了图34的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是下面的定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积；并且图36d是示意图，其示出了包括o板的定向显示器的防窥操作模式的亮度随视角的变化。通过与图33d的非定向显示器布置比较，定向背光源101的角度分布546在高视角(例如小于2％)下具有显著降低的亮度。进一步提供本实施方案的o板延迟片可以提供对于宽范围的偏轴观察位置基本上保持小于2％的防窥级别。
现在将描述另一个例示性实施方案。
图36e是示意性亮度视场图，其示出了o板800的透射亮度的变化；图36f是示意性亮度视场图，其示出了定向背光源101的透射亮度的变化。
在操作中，用于偏轴防窥观察的关注区域在图36g中示出，该图是示意性亮度视场图，其示出了在防窥观察的角度区域569中图36f的定向背光源101的透射亮度的变化。
图36h是示意性亮度视场图，其示出了在用于防窥观察的角度区域569中图34的光学堆叠101、800的透射亮度的变化。因此，如图36c所示，可以降低防窥观察区域中的亮度。有利地，可以显著降低用于防窥观察的上述轴亮度，这是对于窥探者可能的方向。
有利地，降低了防窥级别。此外，降低了偏轴防窥图像中的不均匀性的亮度，从而实现了所述不均匀性的可见性的降低。
可能期望在显示器的单个象限中降低偏轴的亮度，例如在汽车应用中向乘客或驾驶员提供降低的光。
图37a是示意图，其以透视侧视图示出了用于图34的光学堆叠的延迟片800和偏振器轴中的一些的取向，其中双折射分子802被布置成在单个上观察象限中提供对亮度的控制。
图37b是示意图，其以透视前视图示出了图37a的布置中双折射分子的取向。至少一个延迟片可包括具有慢轴804取向的延迟片800，该具有慢轴804取向的延迟片具有垂直于延迟片800的平面的分量531、在延迟片800的平面中正交于输入偏振器210的电矢量透射方向211的分量833以及在延迟片800的平面中平行于输入偏振器210的电矢量透射方向211的分量835。
图37c是示意性亮度视场图，其示出了图37a的光学叠堆的透射亮度的变化；并且图37d是示意性亮度视场图，其示出了图37a的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
与定向背光源101的亮度视场分布相比，可以降低上象限的亮度。有利地，可以在上象限中减小显示器的防窥级别或杂散级别，从而为向下看显示器的用户提供了改善的性能。
可能期望提供一种在垂直方向以及横向方向上具有窄视角的防窥显示器，例如以针对更宽范围的观察位置提高防窥级别。
图38a是示意图，其以透视侧视图示出了用于光学堆叠的延迟片和偏振器轴中的一些的取向，其中o板延迟片800慢轴804取向平行于横向方向对齐；并且图38b是示意图，其以透视前视图示出了图38a的布置中双折射分子的取向。至少一个延迟片可包括具有慢轴804取向的延迟片800，该具有慢轴804取向的延迟片具有垂直于延迟片的平面的分量831、在延迟片的平面中平行于输入偏振器210的电矢量透射方向211的分量835以及基本上没有在延迟片800的平面中正交于输入偏振器210的电矢量透射方向211的分量。
图38c是示意性亮度视场图，其示出了用于例示性实施方案的布置在图38a的平行偏振器500、210之间的o板延迟片800的透射亮度的变化，其中o板可以包括0.12的双折射、10微米的层厚度和70度的倾斜角808。
图38d是示意性亮度视场图，其示出了图38a的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
因此，可以在垂直方向以及横向方向上控制亮度，从而有利地改善了显示器的全方位防窥性能。
可能期望在定向背光源101的防窥操作模式下向偏轴窥探者提供降低的亮度，同时在定向背光源101的宽操作模式下提供宽视场。此外，可能期望为显示器的夜间操作提供降低的杂散光；即使可能没有窥探者，也可以通过使用防窥模式显示来实现此类操作。现在将描述可切换的防窥显示操作。
图39a是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器48与定向背光源101之间的均匀对齐的可切换液晶o板延迟片800的定向显示器。均匀对齐的可切换液晶o板延迟片800可以由透明衬底812、816之间的可切换液晶层提供，如图39b所示，该图是示意图，其以侧视图示出了图39a的定向显示器中均匀对齐的可切换液晶o板800的切换。
可切换延迟片可以例如由平行的均匀对齐的液晶盒提供。如区域853所示，在未驱动状态下操作时，分子802通过对齐层852、854与预倾斜809一起倾斜，该对齐层例如可以是摩擦聚酰亚胺或光定向层。预倾斜可以例如为2度，并且可以被布置成最小化液晶延迟片800层的切换中的简并性。因此，此类延迟片基本上是平面内a板延迟片。
如区域851所示，当驱动器884通过电极850、856在液晶盒上提供电压时，不靠近对齐层852的分子重新取向以在液晶延迟片800层中提供倾斜808。因此，此类延迟片基本上是平面外o板延迟片。
图39c是示意图，其示出了施加电压的盒的液晶导向矢倾斜与液晶盒厚度的图示。在图39c的例示性实施方案中，延迟片的慢轴可以由液晶导向矢提供，并且可以具有在跨盒的厚度变化的倾斜度，如倾斜分布813所示。在对齐表面处，倾斜809例如可以是2度，而在盒的中心处，可以提供例如可以是68度的倾斜808。
因此，可以通过控制来自驱动器884的施加电压来提供均匀对齐的可切换液晶o板延迟片800的倾斜分布8113。有利地，如本文其他地方所述，可以提供对定向显示器的角度观察属性的控制。
图39d是示意图，其以透视前视图示出了用于图39a的光学堆叠的延迟片800、对齐层812、816和偏振器500、210、218中的一些的取向。可以反平行地提供对齐层812、816的摩擦方向并且将其布置成将慢轴分量833、835的方向取向在延迟片800的平面中。
电极850、856可以被图案化以提供具有针对偏轴观察位置的防窥亮度的不同级别控制的区域。可切换液晶延迟片800包括至少第一区域和第二区域851、853，这些区域利用第一施加电压和第二施加电压独立地寻址。
有利地，可以跨显示区域提供不同级别的防窥。
图39e是示意图，其示出了控制包括可切换定向背光源101、可切换延迟片800和防窥显示控制系统880的定向显示设备的流程图。如图11所示，防窥显示控制器可以控制背光源101和空间光调制器48。另外，控制器882可以被布置成提供从可切换延迟片驱动器884输出的电压。因此，控制系统880、882、884被布置成控制跨可切换液晶延迟片800的施加电压。
图39f是示意图，其示出了包括图39e的可切换定向背光源、可切换延迟片和防窥显示控制系统的定向显示设备的照明的变化。因此，控制系统可以被布置成提供第一操作模式与第二操作模式之间的切换。
在第一操作模式中，控制光源以从波导1处提供具有第一角宽度862(其对于期望的仰角可以是半高全宽)的照明分布842。跨可切换液晶延迟片提供第一施加电压，以实现期望仰角处的偏轴亮度的降低。
在第二操作模式中，控制光源以提供来自波导1的具有大于第一角宽度862的第二角宽度860的照明分布540；并且跨可切换液晶延迟片800提供与第一施加电压不同的第二施加电压。第二施加电压小于第一施加电压并且可以为零，使得由可切换延迟片800提供a板。
有利地，防窥操作模式可被布置成提供定向背光源与可切换的延迟片的协作，从而降低对窥探者的亮度并降低杂散光。
图39g是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导和布置在空间光调制器48与输出偏振器218之间的均匀对齐的可切换液晶o板延迟片800的定向显示器。此类布置可以具有与图39a的实施方案类似的光学属性。此外，均匀对齐的可切换液晶o板可以设置有触摸屏功能。
现在将进一步描述图39a和图39e的布置的光学属性。
图40a是示意图，其以透视侧视图示出了针对第一施加电压用于图39a的光学堆叠的延迟片、对齐层和偏振器轴中的一些的取向。因此，双折射分子802可以以与图36b所示类似的方式使其慢轴在x轴上对齐。与图36a的实施方案相比，分子802由液晶盒的电极850、856提供的电场对齐，而不是像固化的反应性液晶元膜那样被布置为固定的基质。
图40b是示意性亮度视场图，其示出了图40a的布置在平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化，并且图40c是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图40a的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
在图40b的例示性实施方案中，可以在具有2°预倾斜和3.1v施加电压的10微米厚的盒中提供具有双折射0.09的液晶。此类盒在仰角20度和+/-45°的横向角处提供最大的亮度降低。
因此，可以以与图33c所示类似的方式实现增强的防窥性能。
本实施方案在横向角为45度且仰角为22.5度的视角下提供最小的亮度。
现在将描述在广角模式下的显示器的操作。
图41a是示意图，其以透视侧视图示出了针对未施加电压用于图39a的光学堆叠的延迟片、对齐层和偏振器轴中的一些的取向。如图39e所示，在以广角模式运行时，可以控制施加电压以控制可切换延迟片800。通常，可以去除电压，使得分子802与对齐层852、854的预倾斜对齐。由于预倾斜通常较小，诸如2度，因此出于本公开的目的，分子基本上布置为a板。因此，该延迟片包括可切换液晶延迟片800，通过控制跨可切换液晶延迟片800的施加电压，该可切换液晶延迟片可在o板延迟片与具有平行于x轴的慢轴取向的a板延迟片之间切换。阵列15的另外的附加光源可以被照亮以提供来自背光源的广角亮度分布。
表1中给出了图41a和图40a的布置的例示性实施方案。
表1
图41b是示意性亮度视场图，其示出了针对不施加电压布置在图41a的平行偏振器之间的a板800的透射亮度的变化；并且图41c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图41a的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。因此，图41a的布置对于偏轴观察位置基本上不损失光。
有利地，与防窥操作模式相比，在大视角范围内的宽模式观察均实现了高效率。
在可切换定向背光源101的组装期间，可以提供光控制结构诸如波导的输入侧2处的光吸收区域，以减少从反射端4处反射的光的反射。本实施方案实现了降低的偏轴防窥级别，因此例如在保持期望的防窥级别的同时，可以降低在输入端2处吸收的光量。从输入端输入的光的效率因此可以增加，同时实现期望的防窥级别。有利地，与没有均匀对齐的可切换液晶o板的布置相比，可以增加偏轴观察位置的显示亮度。此外，在广角操作模式下，可以增加亮度分布的半高全宽最大值，从而在宽操作模式下实现提高的显示可见性。
可能期望提供对由均匀对齐的可切换液晶o板800提供的防窥级别降低区域的极位置的控制。
图42a是描述与显示观察条件对应的均匀对齐的可切换液晶o板电压的调整的流程图；并且图42b是示意性亮度视场图，其示出了针对从2.5v到4v的不同电压布置在图41a的平行偏振器之间的o板的透射亮度的变化。因此，所施加的电压可以在防窥操作模式下提供对亮度视场最小值位置的控制。此外，可以将亮度最小值控制在零以下的仰角与极坐标分布的上象限中的仰角之间。
在第一步骤870中，用户可以启用操作的防窥模式。可以通过手动设置(例如键盘操作)或通过使用传感器的自动感测来定位窥探者的存在来提供此类防窥模式设置，例如在美国专利公开2017-0236494，该申请全文以引用方式并入本文。
在第二步骤872中，可以例如通过相机或通过键盘设置或其他方法来检测窥探者位置。在例示性示例中，可以提供“office”设置，其中可能期望针对围绕共享办公室环境中移动的窥探者优化防窥性能，并且因此针对向下看观察象限优化性能。通过在flight设置中进行比较，可能期望为坐下的窥探者提供防窥级别优化，与低于office设置所期望的仰角相比，防窥级别得到了改善。
在第三步骤876中，可以调整o板盒电压，并且在第四步骤878中，可以利用如图39e所示的控制系统来调整led分布。
因此，控制系统还可包括确定窥探者相对于显示器的位置的装置，其中控制系统被布置成响应于窥探者的位置来调整第一施加电压。
有利地，可以控制显示器的防窥操作以优化窥探者观察几何形状。
可能还期望优化显示器的防窥外观，该显示器具有到电压驱动器844的单个控制线，其中没有提供用于窥探者位置的电压调谐。
典型的主要观看者位置具有接近零的横向角，例如在防窥操作模式下为+/-10度。典型的窥探者观看者位置具有较大角度的横向角，例如大于+/-30度。典型的主要观看者位置在防窥操作模式下具有例如/-25度的仰角，该仰角根据座位位置、期望的显示器倾斜并且最小化来自周围环境的反射。通过与已针对零仰角窥探者位置进行调谐的防窥显示器进行比较，在本实施方案中已经意识到，在公共场所中用于装置诸如膝上型计算机、蜂窝电话和平板电脑的典型窥探者观看者位置具有大于零度的仰角，并且通常在20度至60度之间，并且更通常在20度至45度之间。
在附加偏振器500被布置在输入偏振器210输入侧的情况下，在附加偏振器500与输入偏振器210之间的可切换液晶延迟片800，或者在附加偏振器512被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，在附加偏振器512与输出偏振器218之间的可切换液晶延迟片800的最大衰减亮度视场具有相对于空间光调制器48的法线方向大于零的仰角。在亮度分布是对称的实施方案中，则最大衰减极坐标875a、875b可以例如通过相等且相对的横向角来提供。
因此，最大衰减极坐标具有在10度至50度之间，优选地在15度至35度之间，最优选地在20度至30度之间的仰角。最大衰减极坐标具有30度至60度、优选地40度至50度并且最优选地45度的横向角。
有利地，用于电压驱动器844的控制系统可以具有降低的复杂度和降低的成本。此外，可以为窥探者的最可能的位置提供最低的亮度，从而降低可见性并提高防窥性能。
可能期望为窥探者提供更多降低的防窥图像可见性。此外，可能期望改善广角模式分布540的宽度860。
图43是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与空间光调制器48之间的多个平行的均匀对齐的可切换液晶o板中的一些的取向。
提供了第一均匀对齐的可切换液晶o板延迟片和第二均匀对齐的可切换液晶o板延迟片以及第一附加偏振器和第二附加偏振器500a、500b。另选地，可以在空间光调制器48的输出偏振器218的输出侧上提供一个或两个均匀对齐的可切换液晶o板延迟片。在防窥操作模式下的组合输出将由两个可切换延迟片800的相乘亮度提供。与例如图42b的布置相比，防窥模式下的显示亮度视场输出分布可以因此对于给定的横向角提供了增加的亮度减小，或者可以提供具有减小的亮度的仰角的扩展范围。
在附加的偏振器500a与输入偏振器210之间设置有另外的校正无源延迟片890a，在另外的附加偏振器500b与附加的偏振器890a之间设置有校正无源延迟片890b。校正延迟片890a、890b的操作增加了在其上亮度减少的极区域，这将在下面进一步描述。
有利地，对于给定的防窥级别，可以改善防窥性能的亮度或增加的极分布。除了由于附加的偏振器500b引起的损耗之外，基本上保持了另外的迎面亮度。
可以减少背光源中的光控制方法，从而提供更高的效率和更宽的分布540的宽度860并且具有更高的效率。
可能期望为零仰角操作的高海拔提供增强的防窥性能。
图44a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源与空间光调制器48之间的多个正交的均匀对齐的可切换液晶o板的取向；图44b是示意性亮度视场图，其示出了针对施加电压的图44a的多个均匀对齐的可切换液晶o板的透射亮度的变化；并且图44c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图44a的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
出于例示性目的，对于其中不包括将在下面描述的校正无源延迟片890a、890b的效果的布置，显示器的操作类似于图43中所示的操作。层中的一个的对齐方向正交以通过可切换延迟片800b提供旋转的防窥减少。
有利地，可以提供防窥操作，以使窥探者能够全面地观察显示器。
可能期望增强防窥级别以用于零海拔观察并且还用于从观察象限观察。
图45是示意图，其以透视侧视图示出了均匀对齐的可切换液晶o板800和布置在定向背光源101与空间光调制器48之间的多个平行的c板560的取向。
图46a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源101与空间光调制器48之间的均匀对齐的可切换液晶o板800和布置在空间光调制器与另外的附加偏振器512之间的c板560的取向。可以在附加偏振器500与输入偏振器210之间设置下面将要描述的另外补偿无源延迟片890。
图46b是示意图，其以侧视图示出了包括定向波导1和布置在空间光调制器输出偏振器218与另外的输出偏振器512之间的均匀对齐的可切换液晶o板以及布置在空间光调制器与附加偏振器之间的c板560的定向显示器。
c板560的操作和可切换液晶o板800的操作提供了相乘功能，如其他地方所述，然而这些功能分成显示器的前后两部分。c板560和偏振器512可以被布置成用于指状物775相互作用的前置触摸屏设备777的层，从而有利地降低了成本和复杂性。
图47a是示意性亮度视场图，其示出了针对施加电压的图45至图46b的均匀对齐的可切换液晶o板和c板的透射亮度的变化；图47b是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图45和图46b的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积；并且图47c是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图45和图46b的光学叠堆的透射亮度的变化，装置亮度是定向背光源101的亮度视场分布和延迟片亮度视场分布的乘积。
因此，显示装置可以包括背光源101，该背光源被布置成输出光；透射式空间光调制器48，该透射式空间光调制器被布置成接收来自背光源101的输出光；输入偏振器210，该输入偏振器被布置在背光源101与空间光调制器48之间的空间光调制器48的输入侧上；以及输出偏振器218，该输出偏振器被布置在空间光调制器48的输出侧上。附加偏振器500、512分别被布置在输入偏振器210与背光源101之间的输入偏振器210的输入侧和输出偏振器218的输出侧。在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输入侧的情况下，至少一个延迟片800被布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间。在附加偏振器512被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，至少一个延迟片560被布置在附加偏振器512与输出偏振器218之间。
除了如图42b所示的在较低仰角的亮度的可切换控制之外，还可以提供如本文其他地方所示的象限中的亮度降低，极分布是相乘的。与图43和图44a的布置相比，无源c板560可有利地具有减小的厚度、复杂性和成本。
例如，图42b的亮度视场分布提供了围绕坐标875的最大衰减极区域，它们是相对较小的极区域。当激活可切换液晶延迟片时，期望增加极区域的面积，该极区域的偏轴亮度减小。此外，期望在广角操作模式下基本上不降低亮度分布或增加功耗。
现在将描述其中可切换液晶延迟片包括至少一个垂直配向对齐层的实施方案。在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输入侧的情况下，至少一个校正无源延迟片被布置在至少一个附加偏振器500与输入偏振器210之间，或者在附加偏振器被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，至少一个校正无源延迟片被布置在附加偏振器512与输出偏振器218之间。校正无源延迟片包括负c板或交叉的a板。
图48a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下垂直配向对齐的可切换液晶o板892(因此基本上提供正c板)的取向；以及布置在空间光调制器的输入偏振器210与附加偏振器500之间的负c板校正无源延迟片890。因此，显示器可以设置有至少一个延迟片，该延迟片包括至少一个校正无源延迟片890和至少一个可切换液晶延迟片892。
图48b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图48a的光学堆叠的透射亮度的变化。负c板材料893被示为盘状液晶分子(可以在固化膜中)；如在别处描述的，负c板可另选地包括例如拉伸膜。
在偏轴入射光的操作中，通过可切换正o板的光线的双折射增加可通过穿过负c板的射线的双折射减少来补偿。因此，对于所有视角，基本上没有净双折射，并且该组合实现了宽视角。
有利地，零电压驱动并且因此对于广角模式实现零功率，并且基本上没有实现对广角亮度分布的改变。
图48c是示意图，其示出了当驱动器884在防窥操作模式下通过跨液晶材料891施加电压而将电压由驱动器施加到可切换液晶o板892上时的图48a的实施方案，并且图48d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图48c的光学堆叠的透射亮度的变化。
通过与例如图42b的布置进行比较，例如，具有小于20％的衰减的极区域的面积被大大增加。有利地，窥探者可以从中感知到显示器上的数据的极坐标可以大大减小。
图48e是示意性亮度视场图，其示出了定向背光源在极区域569中的透射亮度的变化，如图48d所示。该图像具有3％的防窥阈值设置，因此一些区域可能会大大高于该级别。
图48f是示意图，其示出了通过图40a的光学叠堆进一步调制的图48f的极区域中的定向背光源的透射亮度的变化。因此，虽然围绕45度横向角和20度仰角的图例窥探者视角的防窥级别有显著降低，但是在其他区域中基本图像亮度没有降低，因此窥探者可以更容易地感知图像。
图48g是示意图，其示出了通过图48c的光学叠堆进一步调制的图48f的极区域中的定向背光源的透射亮度的变化。
在本公开中，液晶延迟片可具有在500nm至1000nm之间，优选地在700nm至900nm之间，并且最优选地在775nm至825nm之间的光学厚度。此外，至少一个校正无源延迟片可具有在400nm至800nm之间，优选地在550nm至750nm之间，并且更优选地在625nm至675nm之间的光学厚度。
表2描述了图48a和图48c的布置的例示性实施方案。
表2
在另一个例示性示例中，有源lc延迟片892可以具有800nm的光学厚度，并且校正无源延迟片890可以是具有-650nm的光学厚度的c板。
在图48d的示例性视场图中看到的低亮度垂直带567在减小有源lc延迟片盒光学厚度和减小校正无源延迟片光学厚度的情况下转换为较高的横向角(即，被推开)。与表2的布置相比，在较大的水平视角处实现了最大衰减。此类布置将实现更宽的水平视角，使得有利地减少了亮度随视角和角度颜色变化的变化。
此外，可以在例如45度横向角和22.5度仰角处提供最佳防窥性能的优化。此类显示器为典型的窥探者角度位置提供了增加的防窥性能。
与图48f和图40a的例示性实施方案相比，有利地大大减少了窥探者可以感知图像的区域。降低了进一步的电压并且降低了功耗。
期望在具有常规广角背光源的显示器中提供高防窥级别。
图48h是示意图，其以透视侧视图示出了多个平行的垂直配向对齐的可切换液晶o板892a、892b和布置在背光源101与空间光调制器48之间的校正无源延迟片890a、890b的取向。背光源101可以例如是常规的(非定向的)背光源，或者可以是在至少两个不同的横向亮度分布之间不可切换的定向的背光源。来自每个堆叠890a、892a和堆叠890b、892b的对图48d所示的分布的亮度的相乘效应有利地在较大的视野上实现了892a、892b的防窥等级的显著降低。可以降低背光源的进一步成本和复杂性，并且获得扩展的广角性能。
因此，显示装置还可包括至少一个另外的附加偏振器500b和至少一个另外的校正无源延迟片890b以及至少一个另外的可切换液晶延迟层892b，在另外的附加偏振器500b被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟层被布置在至少一个另外的附加偏振器500b与输入偏振器210之间，或者在另外的附加偏振器500b被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，该至少一个另外的校正无源延迟片和至少一个另外的可切换液晶延迟层被布置在另外的附加偏振器500b与输出偏振器218之间。
第一可切换液晶延迟层892a的电极850a、856a还可具有设置在相应电极与液晶延迟层892a之间的相应对齐层(未示出)；并且第一可切换液晶延迟层892b的电极850b、856b还可具有设置在相应电极与液晶延迟层892b之间的相应对齐层(未示出)。
第一可切换液晶层892a的上对齐层的对齐方向822a可与另外的可切换液晶层892b的上对齐层的对齐方向822b平行或反平行，并且第一可切换液晶层892a的下对齐层的对齐方向820a可与另外的可切换液晶层892b的下对齐层的对齐方向820b平行或反平行。
此外，至少第一校正无源延迟片890a的对齐方向可与至少一个另外的校正无源延迟片890b的对齐方向平行或反平行。可以通过摩擦对齐层、光定向或其他已知的对齐方法来确定对齐方向。在膜中，对齐方向可以通过拉伸方向或分子预倾斜来确定。
可能期望在水平和垂直方向两者上在显示器中提供防窥。
图48i是示意图，其以透视侧视图示出了多个正交的垂直配向对齐的可切换液晶o板892a、892b和布置在定向背光源101与空间光调制器48之间的校正无源延迟片890a、890b的取向。每个堆叠上的相应层的对齐方向可以正交以提供旋转的亮度分布。
第一可切换液晶层892a的上对齐层的对齐方向822a可与另外的可切换液晶层892b的上对齐层的对齐方向822b正交，并且第一可切换液晶层892a的下对齐层的对齐方向820a可与另外的可切换液晶层892b的下对齐层的对齐方向820b正交。
此外，至少第一校正无源延迟片890a的对齐方向可与至少一个另外的校正无源延迟片890b的对齐方向正交。
图48j是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图48i的光学堆叠的透射亮度的变化。分布轮廓577a、577b被正交地提供并且一起倍增以提供高的同轴亮度，并且对于窥探者在仰角和横向角偏轴观察位置上均具有降低的亮度。有利地，可以减少从主要观察者的头部上方观察的窥探者的图像可见性。
可能期望进一步降低对窥探者47的防窥图像的可见性。
图49a是示意图，其以透视侧视图示出了布置在定向背光源101(未示出)与在防窥操作模式下布置成包括可切换迷彩区域的空间光调制器48(未示出)之间的垂直配向对齐的图案化可切换液晶o板892的取向。电极850、856中的至少一个可以被图案化，在该示例中，电极856被图案化为具有区域856a、856b、856c，并且由相应的电压驱动器884a、884b、884c以电压va、vb、vc来驱动。可以在电极区域856a、856b、856c之间提供间隙885。分子891a、891b、891c的倾斜因此可以被独立地调整以揭示具有不同亮度水平的迷彩图案以用于偏轴观察。
因此，在附加偏振器500被布置在输入偏振器的输入侧的情况下，在至少一个附加偏振器500与输入偏振器210之间的至少一个延迟片中的至少一个，或者在附加偏振器500被布置在输入偏振器210的输出侧的情况下，在附加偏振器500与输出偏振器218之间的至少一个延迟片中的至少一个是通过寻址电极856a、856b、856c和均匀电极850控制的。寻址电极可以被图案化以提供包括电极856a和间隙885的至少两个图案区域。
图49b是示意图，其以透视前视图示出了由迷彩的亮度控制的防窥显示器对主要观察者和窥探者的照明。显示器100可以具有在观察窗26p中对于主要观察者45可见的暗图像数据1601和白背景数据1603。通过比较，在观察位置1600中的窥探者47可以是如图49c所示的迷彩图像，该图是示意图，其以透视侧视图示出了由迷彩的亮度控制的防窥显示器对窥探者的照明。因此，在白背景区域1603中，可以提供具有白区域1603的混合亮度的迷彩结构。因此，电极856a、856b、856c的图案区域是迷彩图案。图案区域中的至少一个是可单独寻址的，并且被布置成以防窥操作模式进行操作。
图案区域可以被布置成通过控制在防窥操作模式期间提供哪些图案来提供针对多个空间频率的迷彩。在例示性示例中，可以向演示系统提供20毫米高的文本。具有类似图案尺寸的迷彩图案可以设置有电极图案的第一控制。在第二示例中，可以为窥探者47提供最可见的大面积内容的照片。通过组合第一电极区域和第二电极区域以提供电压并实现所得的较低空间频率图案，可以减小迷彩图案的空间频率以隐藏较大的区域结构。
有利地，可通过调整层892上的电压va、vb、vc来提供可控制的迷彩结构。对于迎面操作，几乎看不到迷彩结构的可见性。此外，可以通过提供相同的va、vb和vc来去除迷彩图像。
期望降低图48a和图48c的负c板校正无源延迟片890的成本。
图50a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器输入偏振器210与附加偏振器500之间的交叉的a板502、504的取向；并且图50b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图50a的光学堆叠的透射亮度的变化。图50c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板校正无源延迟片890和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的交叉的a板的取向；并且图50d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图50c的光学堆叠的透射亮度的变化。表3描述了例示性实施方案。
表3
与图49a和图49c的布置相比，交叉的a板可具有用于向下看操作的改善的防窥性能，同时保持低驱动电压用于低驱动系统成本并降低了防窥模式下的功耗。此外，与图48a和图48c的负c板相比，可以降低a板的成本。
可能期望在防窥操作模式下进一步增加窥探者的低亮度区域。
图51a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的混合对齐的可切换液晶o板897和布置在空间光调制器输入偏振器210与附加偏振器500之间的负c板的取向。提供高压状态vh以将液晶层897驱动至o板延迟片。图51b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图51a的光学堆叠的透射亮度的变化。
图51c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下布置在定向背光源与空间光调制器之间的混合对齐的可切换液晶o板897和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向。低电压状态vl使得液晶层897的延迟与固定的负c板校正无源延迟片890的延迟协作，以实现图51d的亮度视场分布。表4描述了例示性实施方案。可以通过与图50a和图50c类似的方式由交叉的a板来提供负c板校正无源延迟片890。
表4
有利地，实现了增加的观察区域减少了防窥。
通过比较，现在将通过图52a至图53d和表5的例示性实施方案描述不包括至少一个垂直配向对齐层的布置。
图52a是示意图，其以透视侧视图示出了在广角操作模式下布置在附加偏振器500与空间光调制器输入偏振器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板800和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板校正无源延迟片890的取向。图52b是示意性亮度视场图，其示出了对于从驱动器884输入的高电压vh在广角操作模式下图52a的光学堆叠的透射亮度的变化。图52c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下由低电压提供vl的布置在定向背光源101与空间光调制器输入偏振器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板800和布置在空间光调制器与附加偏振器500之间的负c板的取向。图52d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图52c的光学堆叠的透射亮度的变化。
图53a是示意图，其以透视侧视图示出了对于从驱动器884输入的高电压vh，在广角操作模式下，布置在附加偏振器500与空间光调制器输入偏振器210之间的均匀对齐的可切换液晶o板和交叉的a板502、504的取向；并且图53b是示意性亮度视场图，其示出了在广角操作模式下图53a的光学堆叠的透射亮度的变化。图53c是示意图，其以透视侧视图示出了在防窥操作模式下由低电压提供vl的布置在定向背光源与空间光调制器之间的垂直配向对齐的可切换液晶o板和布置在空间光调制器与附加偏振器之间的负c板的取向；并且图53d是示意性亮度视场图，其示出了在防窥操作模式下图53c的光学堆叠的透射亮度的变化。
表5
可能期望在宽操作模式下提供电压，而在防窥操作模式下不提供电压，例如，对于主要在防窥模式下使用的显示器，用户对此仰角重视防窥模式操作的节能。
图54是示意图，其以侧视图示出了均匀对齐的可切换液晶o板800和可布置有定向背光源101和空间光调制器48的固定o板807的取向，其中o板之间的界面为基本上平面的。与上述实施方案相比，固定的o板807的延迟片材料可以具有负的介电各向异性，即快轴的折射率被布置成倾斜。与诸如材料802所示的正介电各向异性材料的棒状材料相对，此类材料可称为盘状材料。o板807、800中的一个的分子可以设置为固定的延迟片，诸如固化的反应性液晶元层。在本实施方案中，延迟片807具有固定的延迟，而延迟片800是可切换的。
在针对区域855处于驱动状态的操作中，o板807的倾斜分子被布置成向o板800的倾斜分子提供相等且相对的延迟。因此，在驱动状态下，净延迟为零。通过在区域857的未驱动状态下的比较，延迟片800中的分子802松弛并且不再补偿延迟片807的o板，使得提供了适合于本文其他地方所述的防窥模式操作的角度分布。
有利地，未驱动状态具有较低的功耗，因此与例如图39b的布置相比，可以进一步降低防窥模式的总体功耗。
与防窥操作模式相比，可能期望在广角操作模式下提供增加的扩散。
图55是示意图，其以透视侧视图示出了均匀对齐的可切换液晶o板800和可布置有定向背光源和不施加电压的空间光调制器的固定o板807的取向，其中o板之间的界面845为粗糙的。
在驱动状态下的操作中，延迟片800、807的液晶分子是匹配的，使得对于给定的偏振态，界面在每一侧上具有基本相同的折射率，并且没有折射率是阶跃的。此类布置在粗糙表面845处不产生光学偏转，并且因此输入光线861基本上未偏转。
通过在未驱动状态下进行比较，在粗糙表面845上设置了反射率阶跃，使得光线863设置有扩散的角度分布。
有利地，在防窥模式下提供窄角扩散，而在广角模式下提供广角扩散。此外，还提供了针对图54所提供的角度亮度控制，从而实现了如本文其他地方所述的偏轴观察位置的图像可见性降低。
期望在组装和处理期间最小化对显示设备的损坏。
图56是示意图，其示出了包括定向波导1的定向显示装置光学叠堆1760的侧视图，其中可切换的液晶延迟片892、816、812被布置在波导1与空间光调制器48之间，并且界面1776、1770、1772和1774的表面被布置成通过外部压缩力718减少损坏，如在2017年9月29日提交的名称为“opticalstackforimagingdirectionalbacklights”(代理人参考号407000)的美国临时专利申请62/565,973中所描述的，该专利全文以引用方式并入本文。
因此，光学部件1726包括界面1776、1770、1772、1774，其表面属性被布置成提供：(i)在施加的压缩载荷1718下的高摩擦系数，这可以通过对表面6、1753的润湿或光学接触；(ii)当去除压缩载荷时从波导1的表面6释放；(iii)与波导1的材料类似的硬度和脆性特征，以最小化对确实发生的任何摩擦的损坏。层1724还可包括扩散功能，该扩散功能可以是与在正交于横向方向(x轴)的方向上的扩散相比在横向方向(y轴)上的扩散较少的不对称扩散器。
有利地，可以提供可以从宽范围视角以低图像可见性观察的防窥显示器。该显示器对外部施加的压缩力1718造成的损坏具有低敏感性，并且具有延长的寿命和改善的均匀性。
如本文其他地方所描述的，可能期望通过减小图像对比度以及图像亮度来进一步减小偏轴窥探者的图像可见性。结合有定向背光源的定向显示器中降低的偏轴对比度在美国专利公开2015-0378085中描述，该专利全文以引用方式并入本文。
图57是示意图，其示出了包括对空间光调制器、延迟层和光源阵列进行控制的定向显示控制系统的侧视图。控制系统可以包括定向显示控制器401，其被布置成向图像控制器403和光源阵列控制器402提供控制信号。此外，延迟片控制器405可以被布置成向减速片驱动器884提供控制信号。空间光调制器48可以被布置成具有高帧频，例如与60hz相比，其可以典型地用于本文其他地方所描述的其他实施方案，具有120hz或更高。显示控制器410可以被布置成向图像控制器403、光源阵列控制器402以及任选地向延迟片控制器405提供信号的至少第一阶段和第二阶段。现在将描述显示器的提供给偏轴窥探者减小的对比度的操作。
图58a至图58e是示出定向显示器在防窥模式下的操作的示意图，其中主要图像在至少第一操作阶段中在空间光调制器上提供。
图58a示出了光源阵列15中的光源15a-n相对于位置2260的相对光通量2262。此类照明结构将在显示器的窗平面中提供主要照明结构2272。窗平面是阵列15的光源的图像的平面，例如在图12b中的窗26n和光轴197的位置处。
因此，这是其中存在多个主要光源的例子。所以，单独的光源通量2264可以在靠近阵列中心的区域内是均匀的，而在其他区域内为零。或者，光源通量2264可跨被照明的元件变化，从而在主要观察锥体内提供随视角不同而分级的亮度。
图58b示出了空间光调制器48上显示的示例性主要图像2261，其包括低透射率区域2268(例如0％的透射率)和高透射率区域2266(例如100％的透射率)。
图58c示出了在窗平面中相对亮度和对比度随显示器100的视角2270的变化的曲线图。分布2272可以由包括例如有源延迟层892和附加偏振器的定向显示器提供，例如如图48d所示。
因此，亮度分布2272包括中心观察窗2247和杂散光区域2241，在该杂散光区域中亮度不为零，例如在以下示例性例子中，在角位置2251处为1％。在操作中，杂散光的量可在区域2241内变化，如图所示。
图58c还示出了在具有视角的空间光调制器48上看到的所感知图像的对比度的分布2274，该视角除了高视角之外可以基本均匀。分布2274的极视角属性由液晶层214和偏振器210、218的光学属性以及偏振器210、218之间的延迟片共同确定，因此基本上与背光源设备的光学属性无关。
图58d示出了主要观察窗2247中的主要观看者感知到的主要图像2280，其中区域2267、2269的相对亮度为100％和0％，分别基本上相当于区域2266、2268的相对透射率。
图58e使用透视图表示法示出了角位置2251处感知到的包括区域2271、2273的次要图像2282。区域2273可具有基本上为0％的亮度，而在该例示性示例中，区域2271可具有1％的亮度，该亮度为区域2266的由角位置2251处的杂散光亮度调制的透射率。
因此，图58a至图58e的布置可提供防窥模式操作，其中次要观看者看到的亮度是主要观看者看到的亮度的1％。此类图像亮度可以通过如本文中其他地方所述的亮度将主要图像的模糊提供给次要观看者。
主要图像在次要观察者看来的对比度可以基本上相同，因此图像特征可以依然可见。
可能期望进一步减少可见性图像，例如在黑暗的环境中，其中少量的光仍可为窥探者提供图像可读性。在本实施方案中，可在时间多路复用显示器的第一操作阶段中提供图58a至图58e的布置。提供第二阶段的操作以例如使用大于60hz(例如120hz)的帧更新速率来实现进一步的图像模糊。
图59a至图59e是示出定向显示器在防窥模式下的第二阶段中的操作的示意图，其中主要图像在第一阶段中在空间光调制器上提供，次要图像在第二阶段中在空间光调制器上提供。
这是其中存在多个次要光源的例子。图59a示出了阵列15的光源，这些光源被操作以使次要光源输出具有不同光通量分布2265的光。因此，实现了次要照明结构，使得光源通量2265被布置成提供与来自杂散光区域2241中的主要照明的杂散光基本上相同的亮度。
图59b示出了在区域2290中具有0％透射率和在区域2292中具有100％透射率的次要图像2263。因此，与所显示的主要图像2261相比，显示的次要图像2263例如可被反转。
如图59c所示，亮度结构2294可基本上匹配杂散光区域2241中的结构2272，因此在该例示性实施方案中，可在角位置2251处实现1％的亮度。第二阶段中的角对比度分布2274与主要阶段中的角对比度分布相同。
图59d示出了被主要观看者300感知到的包括具有0％亮度的区域2284和具有1％亮度的区域2286的次要图像2281，该次要图像包括来自次要光源的杂散光2295。图59e示出了感知到的包括具有0％亮度的区域2288和具有1％亮度的区域2290的次要图像2283的透视图表示，这些区域的亮度由区域2292的slm48透射率和位置2251处的亮度确定。
将会观察到，对于偏轴观察位置，第二阶段中的感知图像2283基本上是第一阶段中的感知图像2282的反转。将图像组合以获得对比度极低的感知到的次要图像。有利地，由于对比度降低，所以可使次要观看者在次要观看窗2241中看到的主要图像仰角模糊。
在操作中，可以在小范围的观察位置(例如位置2251)处实现感知的主要图像和次要图像2282、2283的匹配。在其他观察区域，偏轴观察区域2241的两个阶段中的亮度匹配可能不太好匹配，并且可以感知到残余图像对比度。在本公开中，降低了用于偏轴观察的亮度。
与不具有本公开的可切换液晶延迟片的定向显示器相比，在第一阶段和第二阶段的这些不匹配角度处的亮度差较小。减小了第一阶段和第二阶段中的残余图像亮度差，并且有利地，进一步减小了图像对比度，从而有利地减小了对窥探者的图像可见性。
换句话讲，控制系统401、403、402能够控制空间光调制器48，并能够选择性地操作光源15a-n以将光导向到相应的光学窗26a-n中，其中定向背光源中的杂散光在输出方向2251上被导向到与选择性操作的光源2264相应的光学窗26之外。
控制系统还被布置成控制空间光调制器48和光源15a-n阵列彼此同步，使得：(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观看者(不是窥探者)观察时，该空间光调制器48显示主要图像2261，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像2261的情况下，在不同于至少一个主要光源的至少一个光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中时，空间光调制器48显示次要图像2263，被主要光学窗之外的次要观看者(不是窥探者)感知到的次要图像2282使调制被导向到主要光学窗2247之外的杂散光的主要图像2282模糊不清。
可能期望进一步降低显示器的功耗。
控制系统可被布置为以时间多路复用的方式控制跨可切换液晶延迟片的施加电压。因此，延迟片控制器405还进一步被布置成与空间光调制器和光源的切换同步地控制跨可切换延迟片的电压。可以与光源15阵列上的光通量一起调整杂散光分布。在相对于图58a描述的第一操作阶段中，可切换延迟片可以在横向方向上设置有窄的输出亮度分布，而在第二操作阶段中，可以提供较宽的输出亮度分布。
在操作中，如果可切换延迟片在第二操作阶段中具有较高的偏轴输出，则可以在第二操作模式中提供减小的光通量。有利地，可以在操作的第二阶段中减少功耗，并且可以更不费力地驱动光源，从而延长寿命并提高效率。
现在将描述包括其他类型的波导的定向背光源。
图60是示意图，其示出了包括准直波导1901、广角波导1920、可切换液晶o板892和布置在附加偏振器500与输入偏振器210之间的校正无源延迟片890的定向显示设备光学叠堆的侧视图。
在操作中，光源1915在侧面1902上照射固定的准直波导1901。固定的准直波导设置有锥度，该锥度的横截面形状的宽度增大，以使光在波导中沿远离输入端的光源的方向传播。锥形波导可以另选地或附加地由锥形光重定向微结构提供，如将在图33中描述的。从上表面1906泄漏的光线1910并且入射在棱镜阵列1926上。棱镜阵列1927将掠射入射光1910朝法线方向偏转，从而在横向方向(y-z平面)上提供了窄锥角，该锥角可能会被扩散器1929部分扩射。射线1910的方向基本上与光源1915在输入侧1902上的位置无关，并且与提供光学窗的成像波导1相比，固定的准直波导1901不对光源1915成像。
因此，定向背光源可以包括波导1920，该波导还包括锥度，该波导被布置成使从光源1915引导通过波导1920的输入光线1910偏转，以通过第一引导表面1906离开。因此，光学部件726中的一个光学部件包括棱镜阵列1927，该棱镜阵列被布置成使穿过波导1901的第一引导表面1906离开的光线1910偏转。
为了提供广角操作模式，可以提供第二广角波导1920。广角波导1920在表面1921、1919上具有微结构(未示出)，以为来自光源1925的光线1930提供散射光。
可切换的液晶延迟片892和校正无源延迟片890可以有利地实现在防窥操作模式下对窥探者的偏轴图像可见性的显著降低。
图61是示意图，其示出了包括准直波导和可切换扩散器、可切换液晶o板和校正无源延迟片的定向显示设备光学叠堆的侧视图。
固定准直波导1951可以设置有微结构1953，该微结构通过棱镜阵列726的反射将来自光源1955的一些光线1970耦接到垂直方向。微结构以与图60的单个锥形波导类似的方式操作，因此至少一个锥形波导包括锥形微结构1953的阵列。
背光源还可以结合有可切换的扩散层1960，其包括聚合物分散的液晶(pdlc)1955。在窄角操作模式下，液晶被布置成透射穿过微结构1953的光线1972。光线1972由吸收层1962吸收，因此不通过空间光调制器48输出。
在广角操作模式下，pdlc1955中的液晶分子被切换以对周围的介质提供散射功能，因此光线1974被散射到宽范围的观察位置。
可切换的液晶延迟片892和校正无源延迟片890可以有利地实现在防窥操作模式下对窥探者的偏轴图像可见性的显著降低。
如在本文中可使用的，术语“基本上”和“大约”为其相应术语和/或术语之间的相对性提供业内可接受的公差。此类业内可接受的公差在0％至10％的范围内，并对应于但不限于分量值、角度等。在各项之间的此相对性在大约0％至10％的范围内。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但应理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非进行限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施方案的限制，而应该仅根据本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施方案中提供了上述优点和特征结构，但不应将发布的这些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。
除此之外，本文章节标题是为符合37cfr1.77的建议而提供，或者用于提供组织线索。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一个或多个实施方案。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一个或多个实施方案而言是现有技术。“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一个或多个实施方案的表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于辩称在本公开中仅有单一新颖点。可根据产生于本公开的多项权利要求的限制来阐述多个实施方案，并且此类权利要求因此限定由其保护的一个或多个实施方案及其等同物。在所有情况下，应根据本公开基于所述权利要求书本身的特点来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。
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