用于成像定向背光源的光源调节的制作方法

用于成像定向背光源的光源调节的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于从局部光源提供大面积均匀定向照明的成像定向背光源设备。在示例性光学阀系统内，波导包括阶梯式结构，其中所述阶梯包括隐藏至引导光的提取结构特征，所述引导光在第一向前方向上传播。在第二向后方向上传播的返回光可由所述结构特征折射、衍射或反射以提供从所述波导的顶部表面离开的离散照明光束。此类受控照明可提供高效的多用户自动立体显示器以及改善的2D显示功能。照明均匀度通过单个输入光源的所述定位、封装和光学改性提供。所述后者采用非成像和折射光学器件。
【专利说明】用于成像定向背光源的光源调节

【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及空间光调制器的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提 供大面积照明的光导，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装置通常使视差组件（诸如透镜状屏幕或视差屏障） 与图像阵列对准，该图像阵列被布置为空间光调制器（例如LED)上的至少第一组像素和第 二组像素。视差组件将来自所述各组像素中每一者的光导向至相应不同的方向内以在显示 器前方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，并且此 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看自由度。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] 本发明涉及用于从局部光源提供空间光调制器的大面积均匀定向照明的定向背 光源。在示例性定向背光源内，波导包括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，以及用于将来自输入光源的输入光穿过波导反射回来的面向输入端的反射端。 波导可被布置为将来自光源的输入光从反射端反射之后导向为穿过第一引导表面的输出 光，例如使用对于在第一向前方向上传播的引导光隐藏的光提取结构特征。输出光可沿在 垂直于第一引导表面的横向方向上分布的输出方向导向至光学窗内，所述输出方向取决于 跨波导输入端的横向方向上的光源的输入位置。此类受控照明可提供高效的多用户自动立 体显示器以及改善的2D显示功能。
[0005] 显示器背光源通常采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明穿过 显示面板导向到观察窗内的额外能力。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，并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。
[0006] 本发明的方面涉及控制从波导输出并且导向到观察窗内的光的横向亮度分布，所 述光通常在定向背光源形成显示装置的一部分时穿过空间光调制器。
[0007] 根据本发明的方面，提供了定向背光源，其包括：具有输入端的波导；以及设置在 跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处的光源阵列。。波导还可包括用于沿波导引 导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及用于将来自输入光源的输入光穿过波导 反射回来的面向输入端的反射端。波导可被布置为将来自光源的输入光从反射端反射之后 作为穿过第一引导表面的输出光导向到沿垂直于第一引导表面的横向方向分布的输出方 向上的光学窗内，所述输出方向取决于输入位置。定向背光源可被布置为使得来自相应光 源的波导中的输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，其在横向方向上随光源的 输入位置而变化。
[0008] 在操作中，相应光源发光强度的角分布可被映射到跨相应端宽度的横向强度分布 上。此类横向强度分布还可被映射到从波导输出并且穿过空间光调制器导向至光学窗的光 的横向亮度分布。可控制从（a)发光强度分布至（b)横向亮度分布的映射中的变化，该变 化取决于光源的横向位置。有利的是，当观察者相对于显示器移动横向位置时，横向亮度分 布中的变化减少。显示器亮度、均匀度和横向观看自由度的范围可增加。针对观察者跟踪 系统中的移动观察者的显示器闪烁可减少。
[0009] 有利的是，显示器亮度随视角的变化可以某种方式变化，以使随视角的亮度变化 的可见度最小化，并且使得来自光源的光有效地导向至反射端，从而增加显示效率并降低 功率消耗和成本。
[0010] 所需的按照角度以横向方式的发光强度分布可通过提供布置在光源与波导之间 的光学结构来实现。此类光学结构可改变按照来自相应光源的光输出的角度以横向方式的 发光强度分布。可通过波导的输入端和/或通过附加光学元件形成此类光学结构。在那些 情况中的任一种情况下，光学结构可包括具有正光焦度的场透镜表面，或可为非成像结构， 例如小平面阵列或光漫射结构。
[0011] 另外，场光学兀件可为非成像光学器件，该光学兀件被修改以基于发光兀件相对 于波导中心的位置产生分布方向上的变化。非成像光学器件可被布置为将光能从发光元件 转移至反射端的宽度，而不在反射端形成发光元件的图像。有利的是，光在反射端处的分布 可变得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，并且可实现增加的效率和改善的窗 均匀度，从而针对移动观察者减少闪烁。另外，光在非成像光学器件出口表面处的分布可变 得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，包括亮度和颜色中的结构。另外，可通过 非成像光学元件有效收集光，从而降低成本、改善能量效率并且增加亮度。另外，可选择发 光元件以紧密匹配光学波导的集光率（在至少一个平面中），并且非成像光学器件可提供 保持集光率的面积和角度转化功能，从而改善能量效率，同时降低成本并且保持或增加亮 度。另外，可减小波导的数值孔径，使得像差性能可被改善，从而增加自动立体显示器中的 观看范围。
[0012] 在其他相关方面，本发明涉及改善成像定向背光源的照明均匀度。来自定向背光 源的照明均匀度可根据眼睛位置的变化而改变，并且可主要由从系统波导输入表面发出的 非理想空间和角光线分布引起。成像背光源系统的性质是使该表面中的光分布成像到观察 窗平面内，从而再现任何非均匀度。在简单的示例性情况下，LED光源仅抵靠该表面放置， 从而借助LED封装和物理空间间隔得到显著的空间非均匀度。相比之下，角分布通常近似 均匀，从而接近于朗伯分布。然而在进入波导时发生折射并且所得的减小角展度可太小或 偏离中心或者两种情况都存在而不能填充相对的反射端，就光学阀而言，该反射端为弯曲 和反射的。
[0013] 本文描述了用于修改这些和其他相关非理想空间和角光源分布以改善成像定向 背光源照明均匀度的方法和设备。
[0014] 根据本发明的又一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定 向光学波导、照明器和多个非成像光学元件。照明器阵列具有多个照明器元件。所述多个 非成像光学元件将定向光学波导光学耦合至相应的照明器元件。每个非成像光学元件将来 自相应照明器元件的光导向到定向光学波导内的相应预定定向分布内。
[0015] 根据本发明的另一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定 向光学波导、照明器和多个非成像光学元件。定向光学波导具有可操作以照明空间光调制 器的出射面。照明器阵列具有多个照明器元件，并且非成像光学元件将定向光学波导光学 耦合到至少一个照明器元件。非成像光学元件将来自至少一个照明器元件的光导向到定向 光学波导内的预定定向分布内，其中定向光学波导将来自预定定向分布的光穿过出射面朝 预定区导向。
[0016] 根据本发明的又一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定 向光学波导、照明器阵列和场光学元件。定向光学波导具有近端和反射远端，并且反射端处 波导的厚度大于近端处的厚度。照明器阵列具有近端附近的多个照明器元件。场光学元件 位于照明器阵列与定向光学波导之间，并且被布置为将来自照明器元件中每一者的光导向 到定向光学波导内的相应不同定向分布内，使得来自照明器兀件中每一者的定向分布基本 上集中于反射远端。
[0017] 场光学元件可以是位于发光元件附近的成像透镜。另外，场光学元件可以是位于 波导与收集来自发光元件的光的非成像光学元件之间的成像透镜。
[0018] 可通过场光学元件实现按照角度以横向方式的发光强度分布的均匀变化，使得有 利的是，显示器亮度随视角的变化可以某种方式改变，以使随视角的亮度变化的可见度最 小化，并且使得来自光源的光有效地导向至反射端，从而增加显示效率并降低功率消耗和 成本。
[0019] 另外，场光学兀件可为非成像光学器件，该光学兀件被修改以基于发光兀件相对 于波导中心的位置产生分布方向上的变化。非成像光学器件可被布置为将光能从发光元件 转移至反射端的宽度，而不在反射端形成发光元件的图像。有利的是，光在反射端处的分布 可变得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，并且可实现增加的效率和改善的窗 均匀度，从而针对移动观察者减少闪烁。另外，光在非成像光学器件出口表面处的分布可变 得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，包括亮度和颜色中的结构。另外，可通过 非成像光学元件有效收集光，从而降低成本、改善能量效率并且增加亮度。另外，可选择发 光元件以紧密匹配光学波导的集光率（在至少一个平面中），并且非成像光学器件可提供 保持集光率的面积和角度转化功能，从而改善能量效率，同时降低成本并且保持或增加亮 度。另外，可减小波导的数值孔径，使得像差性能可被改善，从而增加自动立体显示器中的 观看范围。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，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】
[0025] 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：
[0026] 图1A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播 的正视图；
[0027] 图1B是根据本发明的示意图，其示出了图1A的定向显示装置的一个实施例中的 光传播的侧视图；
[0028] 图2A是根据本发明的示意图，其以定向显示装置中的光的光学阀设备传播的顶 视图示出；
[0029] 图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传 播；
[0030] 图2C是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传 播；
[0031] 图3是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置；
[0032] 图4A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中并且包括弯曲 光提取结构特征的观察窗的生成；
[0033] 图4B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中并且包括弯曲 光提取结构特征的第一观察窗和第二观察窗的生成；
[0034] 图5是根据本发明的示意图，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；
[0035] 图6A是根据本发明的实施例，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生成的一个实施例；
[0036] 图6B是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装 置中的第二观察窗生成的另一个实施例；
[0037] 图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一 观察窗和第二观察窗生成的另一个实施例；
[0038] 图7是根据本发明的示意图，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；
[0039] 图8是根据本发明的示意图，其示出了多观察者定向显示装置；
[0040] 图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0041] 图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置的 结构；
[0042] 图11A是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；
[0043] 图11B是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的侧视图；
[0044] 图11C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；
[0045] 图12A是根据本发明的示意性剖面图，其示出了 x-z平面中的阶梯式波导；
[0046] 图12B是根据本发明的示意图，其示出了图12A的阶梯式波导的简化光学模型，其 中提取结构特征已组合到单个反射表面内并且TIR面组合到两个表面内以用于分析目的；
[0047] 图13A是根据本发明的示意图，其示出了 x-y平面中的定向背光源的顶视图，该定 向背光源包括波导和输入光源，并且还包括输入非成像光学器件（ΝΙ0);
[0048] 图13B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图；
[0049] 图14A和图14B是根据本发明的示意图，其分别示出了填充空气的非成像光学器 件和填充电介质的非成像光学器件；
[0050] 图15A和图15B是根据本发明的示意图，其示出了示例性锥形光导管的侧视图；
[0051] 图16A-图16E是根据本发明的示意图，其示出了复合聚光器的各种示例性实施 例；
[0052] 图17是根据本发明的示意图，其示出了具有空气间隔非成像光学器件的定向背 光源的透视图；
[0053] 图18是根据本发明的示意图，其示出了具有光学耦合非成像光学器件的定向背 光源的透视图；
[0054] 图19A-图19C是根据本发明的示意图，其示出了若干集光透镜形式；
[0055] 图20是根据本发明的示意图，其示出了具有光学耦合集光透镜的定向背光源；
[0056] 图21-图22B是根据本发明的示意图，其示出了光源的各种光再循环光学布置方 式；
[0057] 图23是根据本发明的示意图，其示出了示例性不对称非成像光学器件（ΝΙ0);
[0058] 图24是根据本发明的示意图，其示出了具有不对称非成像光学器件的定向背光 源；
[0059] 图25A和图25B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的示例性构型，各自 包括波导、漫射体和块；
[0060] 图26是根据本发明的示意图，其示出了在出射面处具有漫射体的定向背光源；
[0061] 图27A是根据本发明的示意图，其示出了光导管和非成像光学器件的侧视图；
[0062] 图27B是根据本发明的示意图，其示出了光导管和非成像光学器件的透视图；
[0063] 图28A是根据本发明的示意图，其示出了示例性半球状透镜具体实施；
[0064] 图28B是根据本发明的示意图，其示出了具有定向背光源的系统，该定向背光源 具有光源阵列、半球状浸没透镜阵列和阶梯式波导；
[0065] 图28C是根据本发明的示意图，其示出了另一个示例性LED封装，包括光源和半柱 面透镜；
[0066] 图29A是根据本发明的示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向 背光源；
[0067] 图29B是根据本发明的示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向 背光源；
[0068] 图30是根据本发明的照明器布置方式的示意图，其示出了荧光体或量子点涂覆 的非成像光学器件；
[0069] 图31A-图31C是根据本发明的示意图，其示出了包括积分腔和光再循环设备的定 向背光源的各种不例性实施例；
[0070] 图32A和图32B是根据本发明的示意图，其示出了集光率偏移光学系统的两个透 视图；
[0071] 图33是根据本发明的示意图，其示出了用于改善空间均匀度的LED光源的纵向填 充方案；
[0072] 图34是根据本发明的曲线图，其示出了与图33的示例性实施例有关的抵靠水平 位置的LED发射的发射分布；
[0073] 图35是根据本发明的示意图，其示出了用于实现改善的空间均匀度的替代LED放 置；
[0074] 图36是根据本发明的曲线图，其示出了与图35的示例性实施例有关的抵靠水平 位置的LED发射的发射分布；
[0075] 图37是根据本发明的示意图，其示出了双阵列放置方案，其中使用双芯片LED封 装以实现改善的均匀度；
[0076] 图38是根据本发明的曲线图，其示出了与图37的示例性实施例有关的抵靠水平 位置的LED发射的发射分布；
[0077] 图39是根据本发明的示意图，其示出了用于实现改善的空间均匀度的倾斜填充 方案；
[0078] 图40是根据本发明的示意图，其示出了 LED阵列，其中发射器芯片成对封装；
[0079] 图41A是根据本发明的示意图，其示出了 LED阵列，其中对物理上较小发射器芯片 成对寻址；
[0080] 图41B是根据本发明的示意图，其示出了使用倾斜封装的LED阵列；
[0081] 图42A是根据本发明的示意图，其示出了具有减小的源到源间隙的LED封装的横 截面；
[0082] 图42B是根据本发明的示意图，其示出了具有减小的源到源间隙的替代LED封装 的横截面；
[0083] 图43是根据本发明的示意性透视图，其示出了共享的非成像光学元件，该光学元 件布置在定向背光源的波导的输入处以实现改善的输入均匀度；
[0084] 图44是根据本发明的示意性透视图，其示出了另一个共享的非成像光学元件，该 光学元件布置在定向背光源的波导的输入处以实现改善的输入均匀度；
[0085] 图45是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有立方体非成像光学元件的分 离LED光源，该光学兀件布置在定向背光源的波导的输入处；
[0086] 图46是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有梯形面非成像光学元件的分 离LED光源，该光学兀件布置在定向背光源的波导的输入处；
[0087] 图47是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有梯形面非成像光学元件的横 向取向上的分离LED光源，该光学兀件布置在定向背光源的波导的输入处；
[0088] 图48A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包 括具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器照明均匀 度；
[0089] 图48B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的一部分的顶视图，该定向 背光源包括具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器照 明均匀度；
[0090] 图49是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的定向波导的输入耦合元件 的一部分的正视图；
[0091] 图50A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包 括具有输入耦合元件的波导；
[0092] 图50B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包 括在输入端上具有输入小平面阵列的波导；
[0093] 图50C-图50E是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的细节的正视图，该 定向背光源包括在输入端上具有输入小平面阵列的波导；
[0094] 图51A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包 括具有平坦输入端的波导；
[0095] 图51B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包 括在输入端上具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器 照明均匀度；
[0096] 图52A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包 括波导和光重新导向输入漫射体，所述漫射体被布置为实现增加的显示器照明均匀度；
[0097] 图52B是根据本发明的示意图，其示出了图52A的漫射体的侧视图；
[0098] 图52C是根据本发明的示意图，其示出了图52B的漫射体的侧视图；
[0099] 图52D是根据本发明的示意图，其示出了衍射元件的侧视图，该衍射元件被布置 为实现随跨输入孔的横向位置而变化的发光强度的变化；
[0100] 图52E是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包 括其输入端包括高角度漫射体的波导；
[0101] 图52F是根据本发明的示意图，其示出了高角度漫射体操作的正视图；
[0102] 图53A是根据本发明的示意图，其示出了来自在空气中并且在波导内的朗伯光源 的光的发光强度分布的曲线图；
[0103] 图53B-图53D是根据本发明的示意图，其示出了来自在跨波导输入端的横向方向 上分布的光源的光的发光强度分布的曲线图；
[0104] 图53E是根据本发明的示意图，其示出了来自抵靠波导输入端处的光源的横向位 置的光源的光的角度偏转的曲线图；
[0105] 图54A-图54C和图55是根据本发明的示意图，其示出了采用场透镜的各种定向 背光源；
[0106] 图56是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括 具有平坦输入端和倾斜光源的波导；
[0107] 图57是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的边缘视图，该定向背光源包 括具有平坦输入端和倾斜光源的波导；
[0108] 图58A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源中的光传播的顶视图，该定 向背光源包括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；
[0109] 图58B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包 括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；
[0110] 图58C是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的边缘视图，该定向背光源 包括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；
[0111] 图59是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中由单个光源发出的光的 偏振局部恢复；
[0112] 图60是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图59的照明和光源；
[0113] 图61是根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中由单个光源发出 的光的偏振局部恢复；
[0114] 图62是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图61的照明和光源；
[0115] 图63是根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中由单个光源发出 的光的偏振局部恢复；
[0116] 图64是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图63的照明和光源；以及
[0117] 图65是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的细节，该定向背光源包括偏 振输入光源阵列。

【具体实施方式】
[0118] 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。
[0119] 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。
[0120] 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 如可通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列组合来提供时序照明系 统的照明器元件。然而，此类像素会遭受关于空间多路复用显示器的类似的困难。另外，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。
[0121] 可便利地用与通常具有1mm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。
[0122] 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。
[0123] 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。
[0124] 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 至少一个轴导向穿过显示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 观察窗图像之间。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。
[0125] 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，Kiilil KiilantSr et al. , Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004) ( Kiilil KiilSntiir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BEF?)而提供。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，所述局部压痕使得无论光的传播方向为何均导致光损耗。
[0126] 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。
[0127] 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。
[0128] 另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀。阶梯式波导是用于成 像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括：第一光引导表面；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为阶梯的多个提取结构特征的多个光 引导结构特征。
[0129] 此外，如本文所用，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 一个。
[0130] 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。
[0131] 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。
[0132] 用于与LCD -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。
[0133] 本发明提供阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之间 来回反射，该阶梯式波导可包括具有多个光提取结构特征和中间区域的第一引导表面和第 二引导表面。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引导表面 和第二引导表面的入射角，因此在这些内表面处可不达到介质的临界角。光提取可有利地 通过光提取结构特征来实现，该光提取结构特征可为向中间区域（阶梯"踏板"）倾斜的第 二引导表面的小平面（阶梯"立板"）。应当注意，光提取结构特征可不为阶梯式波导的光 引导操作的一部分，但可被布置用于由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源 可允许在具有连续内表面的楔型轮廓波导内引导光。因此，阶梯式波导（光学阀）不是楔 型成像定向背光源。
[0134] 图1A是示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中光传播的正视图，并且图 1B是示意图，其示出了图1A的定向显示装置中光传播的侧视图。
[0135] 图1A示出了光学阀的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1Α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形成光源并且可为发光二极管（LED)。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、有机发光体阵列等。另外，图1Β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、弓丨 导结构特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图为图1A中所示正视图的替代视图。 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。
[0136] 另外，在图1B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。
[0137] 波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反 射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导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并倾向于在多个 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1Β中朝上）输出光，所述输出提供至 SLM48。
[0138] 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。
[0139] 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 的输入光在相对于取决于输入位置的第一引导表面的不同方向上导向。由于照明元件 15a-照明兀件15η被布置在不同输入位置处，来自相应照明兀件15a-照明兀件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-照明器兀 件15η可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗内。
[0140] 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。
[0141] 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，观察窗可在控制系统的控制下由单个光学窗或由多个光 学窗形成。
[0142] SLM 48延伸跨波导，其为透射性的并且调制从其中通过的光。虽然SLM 48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LC0S、 DLP装置等，因为该照明器可以反射方式工作。在该例子中，SLM 48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。
[0143] 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，并且其 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发出，诸如 照明器元件15a至照明器元件15η的阵列，其沿着阶梯式波导1的输入端2的表面X = 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+χ传播，与此同时，光可在xy 平面中成扇形射出，并且在到达被弯曲成具有正光焦度的反射端4时可基本上或完全填充 该反射端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的第二引导表面的引导结构特征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,从而确保基本上无损耗的前向传播。
[0144] 继续讨论图1A和图1B，阶梯式波导1的反射端4可制成反射性的，通常通过用反 射性材料（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xz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。
[0145] 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，从而挤压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。沿着输入端2具有独立照明器元件15a-照明器元件15η进而能够使光从整个第一引 导表面6离开并以不同外角传播，如图1Α中所示。
[0146] 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平面和图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SLM 48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，其中两只眼均可观看到不同图像。这样，当观察者的头部大约居中对准时可观看到 3D。远离中心位置朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。
[0147] 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轴向和离轴观察位置的性能。可使 用其他轮廓。
[0148] 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引导表面6以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二 引导表面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出）的 照明器元件15c的光线16,可通过第一引导表面6的全内反射和第二引导表面8的引导结 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。
[0149] 继续讨论图3,反射端4所反射的光线18可进一步通过反射端4处的全内反射在 阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线 18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过第一引导表 面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的 尺寸、反射端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处输入的照明锥角来确定。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SLM 48的表面法线方向而言的一系列单独的 输出方向。
[0150] 图4A是以正视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置可由第一照明器 元件照明并且包括弯曲的光提取结构特征。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，光学阀的侧面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可为细长的，并且光提取结构特征12在光导向第二引导表面8(该 第二引导表面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在引导表面8的第二区域36中的取向。
[0151] 图4B是以正视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置可由第二照明器 元件照明。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。反 射端4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率与来自照明器元件15h的光线配合产生 与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。
[0152] 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像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展观看自由 度，同时实现低串扰水平。
[0153] 图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，该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。此外，图5示出了与图1类似的组件布置方式（其中 对应的元件是类似的），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。
[0154] 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 向显示装置中第二观察窗生成的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了时间多路复 用成像定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗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 向观察窗26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SLM 48(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。
[0155] 图7是示意图，其示出了包括时间多路复用定向显示装置的观察者跟踪自动立体 显示设备的一个实施例。如图7所示，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明器元件15a至 照明器元件15η提供了观察窗的定向控制。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未在图7中示出）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。
[0156] 图8是示意图，其示出了包括定向背光源的多观察者定向显示装置的一个实施 例。如图8所示，至少两个2D图像可朝向一对观察者45、47,使得每个观察者可观看SLM 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 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SLM 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SLM 48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。
[0157] 图9是示意图，示出了包括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。本发明的实施 例中的每个可有利地提供自动立体双重图像或防窥显示功能。
[0158] 图10是示意图，其以侧视图示出了包括定向背光源的时间多路复用定向显示装 置的结构。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SLM 48成像。 照明器阵列15可包括发光二极管（LED)，其可例如为荧光体转换的蓝色LED，或可为单独的 RGB LED。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SLM 48， 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扫描仪）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荧光体，使得可在不同于可 见输出光的波长处照明。
[0159] 因此，图1至图10多方面地描述了 ：波导1 ;包括此类波导1和照明器阵列15的 定向背光源；以及包括此类定向背光源和SLM 48的定向显示装置。因此，以上参考图1至 图10所公开的各种结构特征可以任何组合进行组合。
[0160] 图11A是示意图，其示出了另一个成像定向背光源（如图所示，楔型定向背光源） 的正视图，并且图11B是示意图，其示出了相同楔型定向背光源的侧视图。楔型定向背光 源一般是由名称为"Flat Panel Lens"（平板透镜）的美国专利No. 7, 660, 047讨论的，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11B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。
[0161] 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，在一定角度下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。
[0162] 然而，在本发明中，一般来讲，楔型波导（诸如楔型波导1104)可用于定向背光源 中，并且可在上述图1至图10中所示的各种结构中以及在下述结构中替代阶梯式波导1。
[0163] 下面描述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 并且包含以上图1至图10的结构，但可同样地适于由楔型波导替代阶梯式波导1。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。
[0164] 图11C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通的情况下可适用于本文所公开的显 示装置中的每个。如图lie所示，定向显示装置100可包括可定向背光源装置，该装置自身 可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。如图11C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。
[0165] 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SLM 48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SLM 48以 及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。
[0166] 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 头部位置测量系统例如可包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明器控制器 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提供的观察者的检测位置。
[0167] 照明控制器74选择性地操作照明器元件15以与波导1配合将光导向到观察窗26 内。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。
[0168] 图像控制器76控制SLM 48以显示图像。为了提供自动立体显示器，图像控制器 76和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制SLM 48以显示时间上多路 复用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向进入对应于观察者左 眼和右眼的位置的相应观察窗内，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。
[0169] 现在将描述基于并且包含图1至图10的结构的一些具体定向背光源和显示装置。 因此，除了现在将描述的修改形式和/或另外特征以外，上述描述还适用于以下结构，但为 了简单起见，将不再重复。类似地，可在图lie的定向显示设备中使用以下定向背光源和显 示装置。
[0170] 期望对来自一个或多个照明器元件15a至照明器元件15η的照明进行定制以在从 给定窥眼箱内的任何位置观察时跨SLM 48有效地提供均匀照明。因此，为了在SLM 48和 窥眼箱处有效地提供均匀照明，本文描述了非成像光学元件、场光学元件、光再循环元件、 光积分腔以及它们的组合。
[0171] 在本发明实施例中，朗伯光源实现了与观察者观察角度无关的相同表面视亮度。 因此，表面具有各向同性亮度（坎德拉每平方米，或流明每球面度每平方米）并且随对向视 角的发光强度（坎德拉、或流明每球面度）的变化遵循朗伯余弦定律，其中从理想漫辐射体 观察到的发光强度与观察者视线和表面法线之间的角度Θ的余弦成正比。光源的光通量 被限定为由相应光源发出的所感知光通量（流明）的量度。
[0172] 在空气中发射的光源（诸如LED)可被认为实现随对向视角的发光强度的基本上 朗伯变化。
[0173] 以下实施例相对于阶梯式波导（作为用于成像定向背光源中的波导的例子）进行 描述。然而，它们不限于该特定背光源系统并且一般来讲涉及所有成像定向背光源。以下 描述参考作为LED的照明器元件，但这仅仅作为例子，并且也可使用任何其他光源，如上所 述。
[0174] 首先，将描述一些非成像光学器件（ΝΙ0)，其可布置在照明器元件与阶梯式波导的 输入端之间，以改变按照由照明器兀件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布。这样 允许按照来自相应照明器兀件的波导中光的角度以横向方式的发光强度分布被控制。
[0175] 图12A是示意性剖视图，其示出了 x-z平面中的阶梯式波导200。阶梯式波导200 包括输入端203、反射端204、第一引导表面205以及包括提取结构特征201的第二引导表 面、以及通过TIR(全内反射）引导光的中间区域202。应当注意，光线可沿第一引导表面 205通过全内反射（TIR)而反射。
[0176] 图12B是示意图，其示出了阶梯式波导200的简化光学模型210,其中图12A的提 取结构特征201已组合到单个反射表面211内并且图12A的中间区域202组合到两个表面 212a和212b内以用于分析目的。在操作中，根据该光学模型，一束光线213进入阶梯式波 导200。对于具有大约1. 5的示例性折射率的阶梯式波导200而言，射到输入端203的面上 并且进入阶梯式波导200的来自LED光源的所有光线将在第一引导表面205和表面212a、 212b处全内反射（TIR)。使用图12B的简化光学模型210,可示出阶梯式波导200的几何效 率ε为：
[0177]

【权利要求】
1. 一种定向背光源，包括： 具有输入端的波导；以及 光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导输入端的横向方向上的不同输入位置处， 所述波导还包括用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及 用于将来自所述输入光源的输入光穿过所述波导反射回来的面向所述输入端的反射端，所 述波导被布置为将来自所述光源的输入光从所述反射端反射之后作为穿过所述第一引导 表面的输出光导向到沿所述第一引导表面的所述法线的横向方向分布的输出方向上的光 学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置， 其中所述定向背光源被布置为使得来自所述相应光源的所述波导中的所述输入光具 有按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在所述横向方向上随所述光源的输入位 置而变化。
2. 根据权利要求1所述的定向背光源，其中所述定向背光源被布置为使得来自所述相 应光源的所述波导中的所述输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在 彼此偏置的角度下具有相同形状。
3. 根据权利要求1或2所述的定向背光源，其中所述定向背光源被布置为使得来自所 述光源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述 分布在朝所述波导的光轴的直线导向的角度下具有相应的最大值。
4. 根据权利要求3所述的定向背光源，其中所述定向背光源被布置为使得来自所述光 源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布 在朝所述波导的光轴的所述直线上的公共点导向的角度下具有相应的最大值。
5. 根据权利要求4所述的定向背光源，其中所述波导的光轴的所述直线上的所述公共 点在所述反射端之外。
6. 根据权利要求4所述的定向背光源，其中所述波导的光轴的所述直线上的所述公共 点在所述反射端上。
7. 根据权利要求1或2所述的定向背光源，其中所述定向背光源被布置为使得来自所 述光源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述 分布在宽度上随着距所述波导的光轴的距离而增加。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的定向背光源，其中所述定向背光源包括所述光 源与所述波导之间的光学结构，所述光学结构被布置为改变按照来自所述相应光源的所述 光输出的角度以横向方式的发光强度分布。
9. 根据权利要求8所述的定向背光源，其中所述光源在所述相同取向上横向取向，使 得来自所述相应光源的所述光输出具有相同的按照角度以横向方式的发光强度分布。
10. 根据权利要求8或9所述的定向背光源，其中所述光学结构包括所述波导的输入 端，所述波导的输入端被布置为改变按照所述光的角度以横向方式的发光强度分布，所述 光来自在进入所述波导时作为所述输入光的所述相应光源。
11. 根据权利要求10所述的定向背光源，其中所述输入端包括输入小平面阵列，所述 输入小平面阵列被布置为改变按照所述光的角度以横向方式的发光强度分布，所述光来自 在以角度偏转进入所述波导时作为所述输入光的所述相应光源。
12. 根据权利要求11所述的定向背光源，其中每个输入小平面为平坦的。
13. 根据权利要求11或12所述的定向背光源，其中所述输入小平面阵列包括倾斜的小 平面，所述倾斜小平面在两个方向上与所述波导的光轴的法线成锐角倾斜。
14. 根据权利要求13所述的定向背光源，其中所述输入小平面阵列还包括所述倾斜小 平面之间的中间小平面，所述中间小平面沿所述波导的光轴的法线延伸。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的定向背光源，其中所述输入小平面在所述横 向方向上具有间距，所述间距小于所述光源在所述横向方向上的间距。
16. 根据权利要求11或12所述的定向背光源，其中所述输入小平面各自与相应光源对 准。
17. 根据权利要求8至16中任一项所述的定向背光源，其中所述光学结构包括所述光 源与所述波导的输入端之间的附加光学元件。
18. 根据权利要求17所述的定向背光源，其中所述附加光学元件包括小平面阵列，所 述小平面阵列被布置为改变按照来自按角度偏转的所述相应光源的所述光的角度以横向 方式的发光强度分布。
19. 根据权利要求17所述的定向背光源，其中所述附加光学元件包括漫射体，所述漫 射体被布置为改变按照来自所述相应光源的所述光的角度以横向方式的发光强度分布的 角色散，所述改变的量在跨所述输入端的所述横向方向上变化。
20. 根据权利要求17所述的定向背光源，其中所述附加光学元件包括在所述横向方向 上具有正光焦度的场透镜表面，所述场透镜表面被布置为改变按照来自按角度偏转的相应 光源的所述光的角度以横向方式的发光强度分布。
21. 根据权利要求1至7中任一项所述的定向背光源，其中所述光源在所述不同取向上 横向取向，使得来自所述相应光源的所述光输出具有不同的按照角度以横向方式的发光强 度分布。
22. 根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述输入端包括输入小平面阵列，所述 小平面各自与相应光源对准并且在平行于所述相应光源的相应取向上取向。
23. 根据权利要求1至22中任一项所述的定向背光源设备，其中所述第一引导表面被 布置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，所述多个方向允许作为 输出光穿过所述第一引导表面离开；以及所述光提取结构特征之间的中间区域，所述中间 区域被布置为将光导向穿过所述波导而不提取光。
24. 根据权利要求23所述的定向背光源设备，其中所述第二引导表面具有包括小平面 以及所述中间区域的阶梯式形状，所述小平面为所述光提取结构特征。
25. 根据权利要求1至22中任一项所述的定向背光源设备，其中 所述第一引导表面被布置为通过全内反射引导光并且所述第二引导表面为基本上平 坦的并且以一定角度倾斜以在多个方向上反射光，所述多个方向破坏所述全内反射，以用 于穿过所述第一引导表面输出光，并且 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 空间光调制器的所述法线偏转。
26. 根据权利要求1至25中任一项所述的定向背光源，其中所述反射端在跨所述波导 的横向方向上具有正光焦度。
27. -种显示装置，包括： 根据权利要求1至26中任一项所述的定向背光源；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置为接收来自所述第一引导表面的所 述输出光并对所述输出光进行调制以显示图像。
28. -种显不设备，包括： 根据权利要求27所述的显示装置；以及 控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入对应于所述 输出方向的不同光学窗内。
29. 根据权利要求28所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述 控制系统被进一步布置为控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并 且同步地将所述显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗内。
30. 根据权利要求29所述的自动立体显示设备，其中 所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为检测所述显示装置对面的 观察者的位置，并且 所述控制系统被布置为根据被检测到的观察者的位置选择性地操作所述光源以将所 述显示的左图像和右图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗内。
31. -种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括： 定向光学波导； 具有多个照明器元件的照明器阵列；以及 将所述定向光学波导光学耦合至相应照明器元件的多个非成像光学元件，其中每个非 成像光学元件将来自所述相应照明器元件的光导向至所述定向光学波导内的相应预定定 向分布内。
32. 根据权利要求31所述的定向照明设备，还包括位于所述照明器阵列与所述多个非 成像光学元件之间的场光学元件。
33. 根据权利要求31所述的定向照明设备，其中所述定向光学波导包括近端和反射远 端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端 和远端之间延伸并且具有临界角的出射表面，在超过所述临界角时光线可离开所述波导。
34. 根据权利要求33所述的定向照明设备，其中光的所述预定定向分布基本上映射至 所述反射远端。
35. 根据权利要求31所述的定向照明设备，其中所述定向光学波导包括近端和反射远 端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端 和远端之间延伸的第一光引导表面，以及由多个引导结构特征和多个提取结构特征构成的 与所述出射表面相对的第二光引导表面，所述多个提取结构特征可操作以将光导向穿过所 述第一光引导表面。
36. 根据权利要求35所述的定向照明设备，其中光的所述预定定向分布的尺寸基本上 与所述反射远端的尺寸匹配。
37. 根据权利要求32所述的定向照明设备，其中所述场光学元件和所述多个非成像光 学元件包括单个光学组件。
38. 根据权利要求32所述的定向照明设备，其中所述场光学元件包括菲涅耳透镜和场 透镜中的一者。
39. 根据权利要求31所述的定向照明设备，其中每个非成像光学元件可操作以转化从 所述相应照明器元件所接收的光的发射线性尺寸和角度，并且可操作以保持预定集光率。
40. -种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括： 具有出射面的定向光学波导，所述定向光学波导可操作以照明空间光调制器； 具有多个照明器元件的照明器阵列；以及 将所述定向光学波导光学耦合到至少一个照明器元件的非成像光学元件， 其中所述非成像光学元件将来自所述至少一个照明器元件的光导向到所述定向光学 波导内的预定定向分布内， 其中所述定向光学波导将来自所述预定定向分布的所述光穿过所述出射面朝预定区 导向。
41. 根据权利要求40所述的定向照明设备，其中所述预定区中的所述光具有基本上均 匀的亮度。
42. 根据权利要求40所述的定向照明设备，其中所述非成像光学元件包括单个光学组 件，所述组件将所述定向光学波导光学耦合至多个照明器元件。
43. 根据权利要求42所述的定向照明设备，还包括位于所述非成像光学元件与所述定 向光学波导之间的漫射体元件。
44. 根据权利要求40所述的定向照明设备，其中所述多个照明器元件包括第一照明器 元件和第二照明器元件， 其中在第一时间段期间，将来自所述第一照明器元件的第一光导向至第一预定定向分 布，其中所述定向光学波导朝第一预定区导向来自所述第一预定定向分布的光， 其中在第二时间段期间，将来自所述第二照明器元件的第二光导向至第二预定定向分 布，并且其中所述定向光学波导朝第二预定区导向来自所述第二预定定向分布的光。
45. -种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括： 具有近端和反射远端的定向光学波导，所述定向光学波导在所述反射端处的厚度大于 所述近端处的厚度； 具有靠近所述近端的多个照明器元件的照明器阵列；以及 位于所述照明器阵列与所述定向光学波导之间的场光学元件，所述场光学元件被布置 为将来自所述照明器元件中的每个的光导向到所述定向光学波导内的相应不同定向分布 内，使得来自所述照明器元件中的每个的所述定向分布基本上以所述反射远端为中心。
46. 根据权利要求45所述的定向照明设备，其中所述波导还包括在所述近端和远端之 间延伸并且具有临界角的出射表面，在超过所述临界角时光线可离开所述波导。
47. 根据权利要求45所述的定向照明设备，其中所述波导还包括在所述近端和远端之 间延伸的第一光引导表面，以及由多个引导结构特征和多个提取结构特征构成的与所述出 射表面相对的第二光引导表面，所述多个提取结构特征可操作以将光导向穿过所述第一光 引导表面。
【文档编号】F21S2/00GK104302965SQ201380026047
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】M·G·鲁宾逊, G·J·伍德盖特, J·哈罗德, M·H·舒克 申请人:瑞尔D股份有限公司