定向背光源的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种光引导阀设备，其包括用于从局部光源提供大面积准直照明的至少一个透明阶梯式波导光学阀以及至少一个另外的照明源。阶梯式波导可为阶梯式结构，其中阶梯包括对于在第一前向方向上传播的引导光为隐藏的提取结构特征。保持在第二反向方向上传播的光可被所述结构特征折射、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以及改善的2D显示功能性。来自单独照明源的光可穿过所述透明阶梯式波导光学阀以提供至少一种另外的照明功能。
【专利说明】定向背光源
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提供 大面积照明的光导，以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。
【背景技术】
[0002] 空间多路复用自动立体显示器通常使视差组件诸如双凸透镜状屏幕或视差屏障 与图像阵列对准，所述图像阵列被布置成空间光调制器例如IXD上的至少第一组像素和第 二组像素。视差组件将来自所述组像素中每组的光导向至各自不同的方向以在显示器前面 提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗的观察者用来自第一组像素的光可看 到第一图像；而眼睛置于第二观察窗的观察者用来自第二组像素的光可看到第二图像。
[0003] 与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且此 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察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦 而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁可 通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光调 制器中的电子设备进行寻址。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的第一方面，提供了定向显示装置，该装置可包括透射空间光调制器。 透射空间光调制器可包括像素阵列以及至少两个定向背光源，所述像素阵列被布置用于调 制穿过所述像素阵列的光。所述至少两个定向背光源中的每一个可包括波导，该波导具有 输入端，用于沿着波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及面向输入端的 用于将来自输入光的光反射回穿过该波导的反射端。第一引导表面可被布置用于通过全内 反射引导光，第二引导表面可具有多个光提取结构特征，所述光提取结构特征被取向为使 穿过波导引导的光在从反射端反射之后，在允许作为输出光穿过第一引导表面离开的方向 上反射。波导可被布置用于将源自跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光导向进 入根据输入位置分布于横向方向的输出方向上的相应光学窗，定向背光源每个被布置用于 提供穿过所述空间光调制器的输出光。
[0005] 定向背光源可被堆叠和/或平铺在空间光调制器后面，也就是说，空间光调制器 被布置在定向背光源与窗平面之间。在这种情况下，定向背光源可提供穿过空间光调制器 的不同区域的输出光。
[0006] 本发明的实施例可实现光学窗特性的组合，其可包括但不限于增大的亮度、提高 的窗分辨率、横向和纵向操作、增大的观察自由度、不同颜色的定向照明的混合、增大的纵 向观察自由度和增大的显示尺寸。
[0007] 平铺式布置方式可有利地针对给定的发光元件发光度实现增大的显示尺寸，同时 维持所需的图像亮度。另外，可与观察者跟踪显示控制系统协作扩展纵向观察自由度。另 夕卜，可在扫描式显示系统中减少串扰。另外，可减少观察窗的光学像差，从而增加横向观察 自由度，同时维持所需的图像串扰水平。另外，可减小显示器边框的大小。
[0008] 在一个实施例中，定向背光源中的第一定向背光源和第二定向背光源可在垂直于 横向方向的方向上被平铺。换句话说，定向背光源可在波导光轴的方向上被平铺。另外，第 一定向背光源可具有反射端，并且第一定向背光源的反射端可与第二定向背光源重叠。另 夕卜，第三定向背光源也可在横向方向上被平铺。
[0009] 在另一个实施例中，定向背光源可在横向方向上被平铺。换句话说，定向背光源可 在垂直于波导光轴的方向上被平铺。
[0010] 在一些实施例中，定向背光源可由一块共同的材料形成。
[0011] 有利地，包括在横向方向上被平铺的定向背光源的实施例可实现扩展的纵向观察 自由度。单独的定向背光源的宽度可小于空间光调制器的宽度，从几何学角度考虑，这实现 了相应定向背光源的增大的纵向观察自由度范围。单独的定向背光源可与观察者跟踪系统 协作，使得每个定向背光源可被布置用于将光导向观察者，使得显示设备的纵向观察自由 度与单独定向背光源的纵向观察自由度基本上相同。
[0012] 定向背光源可被堆叠在空间光调制器后面。在这种情况下，定向背光源可每个提 供穿过空间光调制器的输出光，以及穿过定向背光源与空间光调制器中间的任何其他定向 背光源的输出光。定向背光源可围绕空间光调制器的近似法线取向，以使得定向背光源的 光学窗可彼此近似对准。定向背光源的光学窗可以相对于彼此成85至95度近似范围内的 角度延伸。另外，相应的定向背光源的第一引导表面可为基本上共面的。另外，第一引导表 面可为基本上共面的，无论定向背光源是否围绕空间光调制器的近似法线取向。
[0013] 继续讨论这种情况，定向背光源可围绕空间光调制器的近似法线以相反取向布 置，其中每个定向背光源的输入端位于与另一个定向背光源的反射端相同的一侧上。定向 背光源的光学窗可彼此近似对准或可不彼此近似对准。相应的定向背光源的第一引导表面 可为基本上共面的或可不为基本上共面的。另外，所述两个定向背光源相向的引导表面中 的引导表面可以相反取向布置，其可在大体平行方向上延伸。
[0014] 定向背光源可包括可在跨波导的横向方向上具有正光焦度的反射端，并且还可包 括作为其中一个引导表面的延伸的输入端，以及可被布置用于使输入光沿波导偏转的面向 输入端的稱合器。
[0015] 每个定向背光源可包括光提取结构特征，所述光提取结构特征可为第二引导表面 的小平面。第二引导表面可具有与小平面交替的区域，所述区域可被布置用于将光导向穿 过波导而不提取光。在一个例子中，每个定向背光源的光提取结构特征可在跨波导的横向 方向上具有正光焦度。
[0016] 就每个定向背光源来说，定向显示装置还可包括位于跨相应波导输入端的不同输 入位置处的光源阵列。在定向显示装置的一个例子中，定向背光源可围绕空间光调制器的 近似法线取向，使得定向背光源的光学窗可彼此近似对准，并且就每个定向背光源来说，光 源阵列可被布置用于输出不同颜色的光。
[0017] 包括这种显示装置的定向显示设备还可包括控制系统，该控制系统可被布置用于 选择性地操作光源以将光导向进入对应于输出方向的观察窗。另外，该定向显示设备可为 自动立体显示设备，其中控制系统可被进一步布置用于控制显示装置显示时间多路复用的 左图像和右图像，并且还基本上同步显示以将所显示的图像导向进入位于近似对应于观察 者左眼和右眼的位置的观察窗。控制系统还可被布置用于将所显示的图像导向进入位于近 似对应于观察者左眼和右眼的位置的观察窗，这可主要取决于被检测到的观察者的位置。 该显示设备的控制系统可包括传感器系统，该传感器系统可被布置用于检测观察者相对于 显示装置的位置。传感器系统可被布置用于相对于空间光调制器的法线横向地和纵向地检 测观察者相对于显示装置的位置。控制系统可被布置用于将所显示的图像导向进入位于对 应于观察者左眼和右眼的位置的观察窗，这可主要取决于被检测到的观察者的位置。
[0018] 以上描述可适用于单独的下列设备、修改形式和/或另外特征中的每者或全部， 或其任何组合，现在将描述它们。
[0019] 有利地，本发明实施例的定向背光源可被布置成堆叠式布置方式。此类定向背光 源可被布置成对于来自外部光源的入射光为基本上透明的，所以可基本上对来自其他定向 背光源的光没有影响并且可被独立控制，从而实现窗布置方式的有利组合，包括增大的窗 分辨率、增大的窗亮度、多个窗取向和本文所述的其他有利窗布置方式。
[0020] 例如[Travis]中描述的已知楔形波导可通过破坏两个平坦引导侧之间的全内反 射来实现光提取，并且需要光偏转兀件以将光朝向围绕空间光调制器表面法向的方向偏 转。本发明实施例不需要光偏转元件，并且基本上不将光导向为接近平行于平坦的引导表 面。假如此类楔形波导被堆叠成第一布置方式，其中每个楔形波导都包括光偏转元件，则第 二光偏转元件将进一步偏转来自第一波导的光，使得无法独立控制角输出。假如此类楔形 波导被堆叠成第二布置方式，其使用单一共用输出光偏转元件，则入射于第二楔形波导上 的来自第一楔形波导的光将由于接近平行于表面入射的光的菲涅耳反射而显示出高光损 耗。有利地，本发明实施例不具有堆叠式楔形波导的不期望特性。
[0021] 根据本发明的另一方面，可提供定向照明设备，该设备可包括用于引导和提取光 的第一光提取兀件。第一光提取兀件可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，以及位于第一光引导表面与第二光引导表面之间的第一照明输入表面。第 一照明输入表面可能够操作以接收来自第一光源阵列以及用于引导和提取光的第二光提 取兀件的光。第二光提取兀件可包括第三光引导表面以及与第三光引导表面相对的第四光 引导表面。另外，第二光提取元件可包括位于第三光引导表面与第四光引导表面之间的第 二照明输入表面，并且第二照明输入表面可能够操作以接收来自第二光源阵列的光。来自 第二光提取光元件的光可被至少部分地导向穿过第一光提取元件的除第一照明输入之外 的表面。
[0022] 根据本发明的另一方面，可提供定向照明系统，该系统可包括用于引导和提取光 的第一光提取元件。第一光提取元件可包括可能够操作以允许光线扩散的第一部分，以及 第二部分。第二部分可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， 以及位于第一光引导表面与第二光引导表面之间的第一照明输入表面。第一照明输入表面 可能够操作以接收来自第一光源阵列以及来自用于引导和提取光的第二光提取元件的光。 第二光提取元件可包括可能够操作以允许光线扩散的第三部分，以及第四部分，该第四部 分还可包括第三光引导表面、与第三光引导表面相对的第四光引导表面，以及位于第三光 引导表面与第四光引导表面之间的第二照明输入表面。第二照明输入表面可能够操作以接 收来自第二光源阵列的光，其中来自第二光提取光元件的光可被至少部分地导向穿过第一 光提取元件的除第一照明输入表面之外的表面。
[0023] 根据本发明的另一方面，可提供定向照明设备，该设备可包括至少两个用于引导 光的光学阀，其中每个光学阀还可包括第一光引导表面。第一光引导表面可为基本上平坦 的，并且与第一光引导表面相对的第二光引导表面可包括多个引导结构特征和多个提取结 构特征，其中多个提取结构特征可能够操作以允许当光在第一方向上传播时光以基本上低 损耗穿过。与相应近似对准的光源协作的光学阀可被布置用于提供不同的定向照明。
[0024] 根据本发明的另一方面，可提供一种提供定向分布的光引导系统，该系统可包括 定向照明设备。定向照明设备可包括至少两个用于引导光的光学阀，其中每个光学阀还可 包括可为基本上平坦的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。第 二光引导表面可包括至少一个引导结构特征和多个提取结构特征，其中多个提取结构特征 可能够操作以允许当光在第一方向上传播时光以基本上低损耗穿过，并且还可能够操作以 当光在第二方向上传播时反射光以离开光学阀。空间光调制器可能够操作以接收来自这两 个光学阀中的至少一者的光，其中与相应近似对准的光源协作的光学阀可被布置用于提供 不同的定向照明。
[0025] 根据本发明的装置和设备可采用以下任何特征。
[0026] 显示器背光源一般采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明导向 穿过显示面板进入观察窗的另外功能。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。 成像定向背光源的一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀，因此也可以是折叠成像定向 背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，同时反向传 播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请No. 13/300, 293中所述，该专利申 请全文以引用方式并入本文。
[0027] 例如阶梯式成像定向背光源等采用折叠光学系统的背光源单元（BLU)可有利地 对法向入射光为透明的。该透明特性实现阀阵列设备，例如本发明实施例的堆叠式和平铺 式复合照明系统，其中举例来说，相邻照明器的至少一部分彼此隐藏或穿过彼此照明。此类 阀阵列照明设备实施例产生增大的亮度、局部独立照明和定向能力。
[0028] 组合背光源（例如通过堆叠或平铺背光源照明单元）增大了亮度并且提供相应背 光源的局部空间和定向独立性。在时间多路复用LCD系统中，局部照明增大了可见对比度 并且使提供滚动照明方案的立体系统中的帧间污染减到最小。在光学阀的具体情况下，通 过堆叠和/或平铺以镶嵌形式平铺照明器的能力减轻了大面积照明中存在的许多光学问 题。堆叠和平铺还实现了混合式照明系统，其中透明定向背光源可由更常规的2D照明设备 照明。
[0029] 另外，实施例可涉及定向背光源设备以及可包含定向背光源的定向显示装置。此 类设备可用于自动立体显示器、防窥显示器、多用户显示器和其他定向显示器应用。
[0030] 在实施例中，定向背光源的光学功能可由多个阶梯式波导提供，其中除了阶梯式 波导的输入孔之外，从外部光源传输的光还穿过阶梯式波导的表面。有利地，除了由相应的 阶梯式波导提供的光学功能之外，此类布置方式还提供另外的光学功能，同时保留相应的 阶梯式波导的高效率、较大后工作距离和薄形状因数的优点。
[0031] 有利地，此类布置方式实现光学功能的组合，包括但不限于亮度增大的自动立体 显示、可控制的横向/纵向显示、2D/3D可转换显示、增大的显示区域和高效率彩色显示照 明。另外，输出的光学特性可被修改以增大均匀度并且加宽视角。另外，可独立跟踪多个观 察者。
[0032] 阶梯式波导不需要使用锯齿状聚合物膜和不对称的漫射体来基本上重新导向输 出照明光束，因而本文所讨论的光学阀可对近法向入射光为透明的，或者可基本上不改变 穿过阶梯式波导的光引导表面的光的方向性。有利地，此类布置方式使得能够提供阶梯式 成像定向背光源的堆叠，其中阶梯式成像定向背光源的操作可为基本上独立的，因此实现 了多种功能性。另外，阶梯式波导阵列可被布置为拼片，其中来自相邻阶梯式波导拼片的光 可在引导层内导向以提供增大的锥角。
[0033] 本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体定向显示装置。此外，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，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定向显示装置。
[0034] 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 /或视听系统以及电气和/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。
[0035] 详细描述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。
[0036] 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；并 且可实现无滤色器阵列LCD的低成本和高效照明。
[0037] 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及特 征将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 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部件，并 且其中：
[0039] 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；
[0040] 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；
[0041] 图2A是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的另一个实施例中的光传播的 顶视图示出；
[0042] 图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的正视图示出了光传 播；
[0043] 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；
[0044] 图3是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；
[0045] 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且包括弯曲光 提取结构特征的观察窗的生成；
[0046] 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；
[0047] 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；
[0048] 图6A是根据本发明的示意图，其示出了时间多路复用定向显示装置中的第一观 察窗的生成的一个实施例；
[0049] 图6B是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装 置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0050] 图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一 观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；
[0051] 图7是根据本发明的示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置；
[0052] 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；
[0053] 图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0054] 图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的结构；
[0055] 图11是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括用于定向显示装置的控制 系统的定向显不设备；
[0056] 图12是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的堆叠式定向背光源；
[0057] 图13是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了提供至少第一观察窗和第二观 察窗的定向显示装置；
[0058] 图14是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的堆叠式定向背光源；
[0059] 图15是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了被布置用于提供至少第一观察 窗和第二观察窗的定向显示装置；
[0060] 图16是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的堆叠式定向背光源，该定 向显示装置包括被串联布置用于为透射空间光调制器的照明提供相应的红色照明方向、绿 色照明方向和蓝色照明方向的三个定向背光源；
[0061] 图17是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置，该定向显示装置 包括被串联布置用于提供透射空间光调制器的相应红色照明、绿色照明和蓝色照明的三个 定向背光源；
[0062] 图18是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了图16的空间光调制器的细节，该 空间光调制器被布置用于实现相应空间光调制器的红色像素、绿色像素和蓝色像素的有效 照明；
[0063] 图19是根据本发明的定向显示装置的示意图，该定向显示装置包括被串联布置 用于提供横向自动立体观察和纵向自动立体观察的两个定向背光源；
[0064] 图20A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置，该定向显示装 置包括被串联布置用于提供横向自动立体观察和纵向自动立体观察的两个定向背光源； [0065] 图20B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括与空间光调制器串联布置 的两个定向背光源的定向显示装置；
[0066] 图20C是根据本发明的以侧视图示出的示意图，并且还示出了包括与空间光调制 器串联布置的两个定向背光源的定向显示装置；
[0067] 图21A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，这 些背光源被布置用于实现增大的照明区域；
[0068] 图21B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置，该定向显示装 置包括被布置用于实现增大的显示区域的两个平铺式定向背光源；
[0069] 图22是根据本发明的示意图，其示出了包括多行阶梯式波导的平铺式定向背光 源阵列；
[0070] 图23是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，这些 背光源被布置用于实现增大的照明区域；
[0071] 图24是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背 光源，这些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0072] 图25是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背 光源，这些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0073] 图26是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背 光源，这些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0074] 图27是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，这些 背光源被布置用于实现增大的照明区域；
[0075] 图28A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背 光源，这些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0076] 图28B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背 光源，这些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0077] 图28C是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，这 些背光源被布置用于实现增大的显示区域；
[0078] 图29是根据本发明的示意图，其示出了被布置用于提供自动立体定向显示装置 的定向背光源阵列；
[0079] 图30是根据本发明的示意图，其示出了光在定向背光源阵列中的传播；
[0080] 图31是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的定向背光源阵列和输出 菲涅耳透镜中的光传播的另外细节；
[0081] 图32是根据本发明的示意图，其示出了与定向背光源阵列协作的自动立体定向 显示装置的扫描式寻址；
[0082] 图33是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了与定向背光源阵列协作的自动 立体定向显示装置的扫描式寻址；
[0083] 图34A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于提供增大的照明区域的平 铺式定向背光源阵列；
[0084] 图34B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0085] 图34C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0086] 图34D是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向背光源，该背光源包括被 布置用于提供入射光准直的光提取结构特征和平坦衍射反射器；
[0087] 图34E是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向背光源的成像，该背光源 包括被布置用于提供入射光聚焦的弯曲光提取结构特征和平坦衍射反射器；
[0088] 图34F是根据本发明的示意图，其示出了包括衍射反射器的平铺式定向背光源阵 列中光输出的光传播；
[0089] 图34G是根据本发明的示意图，其以正视图示出了包括衍射反射器的平铺式定向 背光源阵列；
[0090] 图35是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0091] 图36是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0092] 图37是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0093] 图38是根据本发明的示意图，其示出了一个实施例，其中定向背光源在分离的阶 梯式波导之间的界面处包含光阻挡层；
[0094] 图39是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于提供增大的照明区域的定 向背光源阵列；
[0095] 图40是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向背光源阵列的两个阶梯式 波导之间的边界；
[0096] 图41是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向背光源阵列的两个阶梯式 波导之间的边界；
[0097] 图42是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了阶梯式波导的第一端和第二端；
[0098] 图43是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了组装在定向背光源阵列中的阶 梯式波导的第一端和第二端；
[0099] 图44A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了适用于定向背光源阵列的阶梯 式波导；
[0100] 图44B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了组装在定向背光源阵列中的阶 梯式波导的第一端和第二端；
[0101] 图45是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括衍射反射器的阶梯式波导 的第一端和第二端；
[0102] 图46是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了定向背光源阵列；
[0103] 图47是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向背光源阵列；
[0104] 图48A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括光栅耦合器的平铺式定向 背光源；
[0105] 图48B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括光栅耦合器的定向背光 源；
[0106] 图49是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括棱柱耦合器的定向背光源；
[0107] 图50是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体显示器的观察区的布 置方式，该自动立体显示器包括单个照明区域，其中观察者位于窗平面处；
[0108] 图51是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距 观察区的布置方式，该自动立体定向显示包括多个照明区域，其中观察者位于窗平面处；
[0109] 图52是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距 观察区的布置方式，该自动立体定向显示装置包括多个照明区域，其中观察者位于窗平面 与显示器之间；
[0110] 图53是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距 观察区域的布置方式，该自动立体定向显示装置包括针对在窗平面与显示器之间的移动观 察者的多个照明区域；
[0111] 图54是根据本发明的示意图，其示出了包括多个照明区域的自动立体定向显示 装置的纵向观察自由度极限；
[0112] 图55是根据本发明的示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第一照明布置 方式的第一光反射侧和第二光反射侧；
[0113] 图56是根据本发明的示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第二照明布置 方式的第一光反射侧和第二光反射侧；
[0114] 图57是根据本发明的示意图，其示出了各种照明布置方式下跨波导宽度的显示 亮度的曲线图；
[0115] 图58是根据本发明的示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第三照明布置 方式的第一光反射侧和第二光反射侧；以及
[0116] 图59是根据本发明的示意图，其示出了各种照明布置方式下跨波导宽度的显示 亮度的曲线图；
[0117] 图60是根据本发明的示意图，其示出了衍射反射镜的第一布置方式；
[0118] 图61是根据本发明的示意图，其示出了衍射反射镜的另一种布置方式；
[0119] 图62是根据本发明的示意图，其示出了用于在波导上形成全息反射镜的方法；以 及
[0120] 图63是根据本发明的示意图，其示出了全息反射镜的端视图。
【具体实施方式】
[0121] 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。因此眼睛被布置用于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。
[0122] 根据本发明的实施例，光学窗限定了由发光兀件阵列的单个发光兀件协同光学系 统产生的照明分布。观察窗限定了由观察者的一只眼睛看到的照明分布，并且可因此包括 多个光学窗。因此，置于观察窗中的观察者眼睛可在跨空间光调制器的至少一部分区域上 看到单个图像。窗平面是形成发光元件的图像所在的标称平面，窗平面与空间光调制器的 间距是显示系统的标称观察距离。
[0123] 观察窗的均匀度可有利地与空间光调制器中像素的布置方式无关。有利的是，此 类显示器可提供具有低闪烁的观察者跟踪显示器，且对于移动观察者的串扰水平较低。
[0124] 为在窗平面中实现高均匀度，期望的是提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。 例如通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，可提供时序照明 系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受关于空间多路复用显示器的类似的困难。此外， 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。
[0125] 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增加。举例来说，成像到65mm宽的观察窗（其可包括多个光学窗， 在可实现低闪烁观察者跟踪的显示器中通常五至十个光学窗）的16_宽的照明器可需要 200_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 积显不器。
[0126] 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 观察窗的一维阵列，其可在第一（通常水平）方向上显示不同图像，但当在第二（通常坚 直）方向上移动时包含相同图像。
[0127] 常规非成像显示器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，此类常规非成像显示器背光源与本发明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别。
[0128] 一般而言，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置用于将来自多个光源的照明 沿至少一条轴线导向穿过显示面板到达相应的多个观察窗。每个观察窗被成像定向背光源 的成像系统沿光源的至少一条轴线基本上形成为图像。成像系统可在多个光源与相应的光 学窗之间形成。这样，来自多个光源中的每个的光对于相应观察窗之外的观察者眼睛而言 基本上不可见。
[0129] 相比之下，常规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 Kiilantar et al. , Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004) ( KSHI KSlSntSr 等人，双面发光的 背光单元，《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用于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公共的观察区，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，来自多个光源中的每个的光对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?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源照 明结构可用于液晶显示系统，诸如在2D膝上型计算机、监视器和电视中看到的那些。光从 有损耗波导的边缘传播，所述有损耗波导可包括稀疏结构特征；通常为波导表面中的局部 压痕，其引起光的损耗，而无论光的传播方向如何。
[0130] 成像定向背光源的一个例子是可米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穿过光学阀传播，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。
[0131] 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、折叠式成 像定向背光源、楔型定向背光源或光学阀。
[0132] 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。
[0133] 此外，如所用的，折叠式成像定向背光源可为楔型定向背光源或光学阀中的至少 一种。
[0134] 在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入侧面传播到反射侧面并且 可在基本上无损耗的情况下传输。光可在反射侧面反射并且在与第一方向基本上相反的第 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。
[0135] 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结构特 征阵列，其被布置用于提取沿基本上平行的波导反向传播的光。
[0136] 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文件提出和说明： 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"，所有这些专利全文以引用方式并入本文。
[0137] 本发明提供了阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之 间来回反射，所述阶梯式波导可包括第一侧面和第一组结构特征。当光沿着阶梯式波导的 长度传播时，光可基本上不改变相对于第一侧面和第一组表面的入射角，因此在这些内面 处可不达到介质的临界角。光提取可有利地由第二组表面（阶梯"立板"）实现，所述第二 组表面倾斜于第一组表面（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 可允许光在具有连续内表面的楔形轮廓波导内引导。因此，光学阀不是楔型成像定向背光 源。
[0138] 图1A是一个示意图，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， 图1B也是一个示意图，其示出了图1A的定向显示装置中的光传播的侧视图。
[0139] 图1Α示出了在定向显示装置的定向背光源的xy平面中的正视图，并且包括可用 于照明阶梯式波导1的照明器阵列15。照明器阵列15包括照明器元件15a至照明器元件 15η (其中η是大于一的整数）。在一个例子中，图1A的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器 大小的波导1。照明元件15a至照明元件15η是可为发光二极管（LED)的光源。虽然LED 在本文作为照明器元件15a -照明器元件15η讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极 管光源、半导体光源、激光源、局域场发射光源、有机发射器阵列等。另外，图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、引导结构特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图是图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。
[0140] 此外，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。输入 端2在跨波导的横向方向上的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a-照明器元件 15η设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
[0141] 波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，这些引导表面在输入端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。第一引导表面是平面。第二引导 表面具有多个光提取结构特征12,这些光提取结构特征面向反射端4并倾斜以在多个方向 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，所述输出提供至SLM 48。
[0142] 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不会将光引导穿过波导，而第二引导表面在光提取结构特征12之间的中 间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的这些区域是平面并且可平行于第一引 导表面或以相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向于这些区域延伸，使得第二引导 表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括光提取结构特征12和中间区域。光提取结构特 征12被取向为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。
[0143] 光提取结构特征12被布置用于将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置 的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于 照明元件15a-照明元件15η被布置在不同输入位置处，来自相应的照明元件15a-照明元 件15η的光在这些不同方向上反射。这样，照明兀件15a-照明兀件15η中的每一个在分布 在横向方向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- 15η可选择性地操作以将光导向进入可选光学窗。光学窗可单独地或成组地用作 观察窗。
[0144] SLM 48延伸跨波导，透射并调制从其中穿过的光。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LCOS、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 调制在从光提取结构特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。
[0145] 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，且其侧 面轮廓在图1B中示出。在图1A和图1B中，操作时光可从照明器阵列15发出，该照明器阵 列诸如照明器元件15a至照明器元件15η的阵列，各照明器元件位于沿着阶梯式波导1的 薄端侧面2的表面（X = 0)的不同位置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远处弯曲端侧面4时可基本上或完 全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在 XZ平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不 超过波导材料的临界角。提取结构特征12连接阶梯式波导1的底部侧面的引导结构特征 10,该提取结构特征可具有大于临界角的倾斜角，因此在第一方向上沿着+x传播的基本上 所有光都可能错过提取结构特征12,确保了基本上无损耗的前向传播。
[0146] 继续讨论图1A和图1B，阶梯式波导1的弯曲端侧面4可制成反射性的，通常通过 用反射性材料例如银涂布而实现，但可采用其他反射技术。光可因此在第二方向上重新导 向，顺着波导在-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XZ 平面中关于主要传播方向基本上保持，这可允许光射在立板边缘上并反射出波导。在具有 大约45度倾角的提取结构特征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，且χζ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 展度可增大，但根据提取结构特征12的反射特性，该角展度也可稍微减小。
[0147] 在具有未带涂层的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射（TIR)失效时反 射可减少，从而压缩xz角轮廓并偏离法线。然而，在具有带银涂层提取结构特征或金属化 提取结构特征的其他实施例中，增大的角展度和中心法线方向可保持。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中相应照明器元件15a -照明器元件15η离输入边缘中心的y位置成比例 地导向偏离法线。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a - 15η进而能够使光从整个第 一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图1Α中所示。
[0148] 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，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。在同步时， 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 单的情况中，同时打开照明器阵列15的各组照明器元件，从而提供在水平方向上具有有限 宽度但在坚直方向上延伸的一维观察窗26或光瞳，其中水平间隔的两只眼均可观察到左 眼图像；并提供另一个观察窗44,其中两只眼均可主要观察到右眼图像；并提供中心位置， 其中两只眼均可观察到不同图像。这样，当观察者的头部大约居中对准时可观察到3D。远 离中心位置朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。
[0149] 反射端4可在跨波导的横向方向上具有正光焦度。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 与反射端4围绕x轴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。反射端4处的圆柱形反射表 面可通常为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。
[0150] 图3是以侧视图示出定向显示装置的示意图。此外，图3示出了阶梯式波导1的 操作的侧视图的另外细节，该阶梯式波导可为透明材料。阶梯式波导1可包括照明器输入 侧面2、反射侧面4、可为基本上平面的第一光导向侧面6,以及包括引导结构特征10和光提 取结构特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自照明器阵列15(可例如为可寻址LED 阵列，图3中未示出）的照明器元件15c的光线16,可通过第一光导向侧面6的全内反射和 引导结构特征10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射侧面4。虽然反射 侧面4可为镜面并可反射光，但在一些实施例中光也可以穿过反射侧面4。
[0151] 继续讨论图3,反射侧面4所反射的光线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，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的 光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转，并且可如光线20所示导向穿过侧面 6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的尺 寸、侧面4和提取结构特征12的输出设计距离和光焦度决定。观察窗的高度可主要由提取 结构特征12的反射锥角和输入侧面2处输入的照明锥角决定。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。
[0152] 图4A是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第一照明 器元件照明并且包括弯曲的光提取结构特征。此外，图4A以正视图示出了来自照明器阵列 15的照明器元件15c的光线在具有光轴28的阶梯式波导1中的进一步引导。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。来自相应照明器15c的每条输出光 线从输入侧面2朝相同观察窗26导向。图4A的光线可离开阶梯式波导1的反射侧面4。 如图4A所示，光线16可从照明器元件15c朝反射侧面4导向。光线18然后可从光提取结 构特征12反射并朝观察窗26离开反射侧面4。因此，光线30可与光线20相交于观察窗 26中，或在观察窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导1的侧 面22、24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取结构特征12可为延长的， 并且光提取结构特征12在光导向侧面8 (在图3中示出的光导向侧面8,但未在图4A中示 出）的第一区域34中的取向可不同于光提取结构特征12在光导向侧面8的第二区域36 中的取向。与本文所讨论的其他实施例类似，例如如图3中所示，图4A的光提取结构特征 可与引导结构特征10交替。如图4A所示，阶梯式波导1可包括反射侧面4上的反射表面。 在一个实施例中，阶梯式波导1的反射端可在跨阶梯式波导1的横向方向上具有正光焦度。
[0153] 在另一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12可在跨波导的横向方 向上具有正光焦度。
[0154] 在另一个实施例中，每个定向背光源可包括光提取结构特征12,所述光提取结构 特征可为第二引导表面的小平面。第二引导表面可具有与小平面交替的区域，所述区域可 被布置用于将光导向穿过波导而基本上不提取光。
[0155] 图4B是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第二照明 器元件照明。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上的反射表面的曲率和光提取结构特征12可与来自照明器元件15h的光线配合形 成与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。
[0156] 有利地，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 中实像可通过配合反射侧面4的光焦度和可由延长光提取结构特征12在区域34与区域36 之间的不同取向所引起的光焦度而形成，如图4A所示。图4B的布置方式可实现照明器元 件15c到观察窗26中横向位置的成像的改善像差。改善像差可实现自动立体显示器的扩 展观察自由度，同时实现低串扰水平。
[0157] 图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置具有基 本上线性的光提取结构特征。此外，图5示出了与图1类似的组件布置方式（且对应的元 件是类似的），并且其中一个差别是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利 的是，此类布置方式可在整个显示表面上提供基本上均匀的照明，并且与图4A和图4B的弯 曲提取结构特征相比可更加便于制造。定向波导1的光轴321可为侧面4处的表面的光轴 方向。侧面4的光焦度被布置成跨光轴方向，因而入射到侧面4上的光线将具有根据入射 光线与光轴321的横向偏移319而变化的角偏转。
[0158] 图6A是示意图，其示出了在第一时隙中在时间多路复用成像定向显示装置中生 成第一观察窗的一个实施例，图6B是示意图，其示出了在第二时隙中在时间多路复用成像 定向背光源设备中生成第二观察窗的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了在时间 多路复用成像定向显示装置中生成第一观察窗和第二观察窗的另一个实施例。此外，图6A 示意性地示出了由阶梯式波导1生成观察窗26。照明器阵列15中的照明器元件组31可 提供朝观察窗26导向的光锥17。图6B示意性地示出了观察窗44的生成。照明器阵列15 中的照明器元件组33可提供朝观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器配合的 情况下，可按顺序提供窗26和窗44,如图6C所示。如果对应于光方向输出来调整空间光调 制器48 (图6A、6B、6C中未示出）上的图像，则对于处于适当位置的观察者而言可实现自动 立体图像。用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操作。应当注意，照明器元件 组31、33每个包括来自照明元件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。
[0159] 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。头部45位置可用相机、运动传感器、运动检测 器或任何其他适当的光学、机械或电气装置监控，并且可打开和关闭照明器阵列15的适当 照明器元件以便为每只眼提供基本上独立的图像，而不必考虑头部45位置。头部跟踪系统 (或第二头部跟踪系统）可提供不止一个头部45、47 (头部47未在图7中示出）的监控，并 且可为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，用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操作。
[0160] 图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置（作为例子，包括成像定向背光 源）的一个实施例。如图8所示，至少两个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。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。两只眼处于观察窗26中的观察者将感知到 第一图像，而两只眼处于观察窗44中的观察者将感知到第二图像。
[0161] 图9是示意图，其示出了包括成像定向背光源的防窥定向显示装置。2D显示系统 也可为了安全和效率而利用定向背光源，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。这样就防止了第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的每个 实施例可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示器功能。
[0162] 图10是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置（作为例子，包括 成像定向背光源）的结构。此外，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,它们被布置用于为跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直 的输出提供观察窗26。坚直漫射体68可被布置用于进一步延伸观察窗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 体转换型蓝色LED，或可为单独的RGB LED。或者，照明器阵列15中的照明器元件可包括被 布置用于提供单独照明区域的均匀光源和空间光调制器。或者，照明器元件可包括一个或 多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用振镜扫描器或MEMS扫描器，而导向到漫射体 上。在一个例子中，激光可因此用于提供照明器阵列15中的适当照明器元件以提供具有适 当输出角度的基本上均匀的光源，并且还提供减少的散斑。或者，照明器阵列15可为激光 发射元件阵列。另外在一个例子中，漫射体可为波长转换磷光体，使得可以不同于可见输出 光的波长进行照明。
[0163] 以上描述涉及包括单个定向背光源的显示装置。现将描述包括多个定向背光源的 一些显示装置，所述多个定向背光源可在一些情况下被堆叠并且在一些情况下被平铺。然 而，单独的定向背光源是基于并且包含以上图1到图10的结构。因而，除了现将描述的修 改和/或另外的特征之外，以上描述适用于以下显示装置，但为了简明起见将不再重复。
[0164] 图11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。现在将描述 控制系统的布置方式和操作，并且在必要时可对所述布置方式和操作加以修改以应用于本 文所公开的每个显示装置。
[0165] 在这个例子中，定向显示装置包括三个定向背光源1903、1905、1907,但一般来讲， 可存在任何数目个定向背光源，例如一个、两个、三个、四个、五个等等。每个定向背光源 1903、1905、1907包括相应的照明器阵列1913、1915、1917。控制系统被布置用于选择性地 操作照明器阵列1913、1915、1917的照明元件以将光导向进入可选观察窗。
[0166] 每个定向背光源1903、1905、1907包括波导，所述波导可如以下描述的实施例中 那样进行布置。菲涅耳透镜62可被提供用于将准直的输出光基本上从定向背光源1903、 1905U907导向到观察窗，因此跨定向背光源1903、1905、1907的输出填充显示器输出，使 得来自每个背光源1903、1905、1907的观察窗基本上重叠于窗平面中。透射空间光调制器 (SLM) 48可被布置用于接收来自定向背光源1903、1905、1907的光。
[0167] 此外，可提供漫射体68以基本上去除定向背光源1903、1905、1907与SLM 48的像 素以及菲涅耳透镜结构之间的莫尔条纹跳动（Moir6 beating)。
[0168] 控制系统可包括传感器系统，其被布置用于检测观察者99相对于显示装置100的 位置。传感器系统可包括位置传感器70 (诸如相机）和头部位置测量系统72,所述头部位 置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。
[0169] 在图11中，位置传感器70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70还可包括立体传感 器，其被布置用于与单视场相机相比改善纵向位置的测量。或者，位置传感器70可包括眼 睛间距的测量，以给出来自定向显示器拼片的相应观察窗阵列的所需放置的量度。
[0170] 控制系统还可包括照明控制器74和图像控制器76,这两者均提供有由头部位置 测量系统72提供的被检测到的观察者的位置。
[0171] 照明控制器74选择性地操作照明器元件15以配合波导1将光导向进入观察窗 26。照明控制器74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者的位置，来选择要操作的 照明器元件15,使得光导向进入其中的观察窗26处于对应于观察者99的左眼和右眼的位 置。这样，波导1的横向输出方向性对应于观察者位置。
[0172] 图像控制器76控制SLM 48以显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器76 和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制SLM 48以显示时间多路复用 的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向进入处在对应于观察者左 眼和右眼位置的观察窗中，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。
[0173] 在操作中，光锥1971、1973、1975可由相应的发光元件照明器阵列1913、1915、 1917和相应对准的定向背光源1903、1905、1907产生。如图11所示，光锥1971、1973、1975 将光导向到观察窗26。因此，阵列1913、1915、1917的相应照明可响应于横向、坚直（纸面 外）和纵向观察者移动来修改。
[0174] 有利地，此类平铺波导阵列的发光元件照明器阵列1913、1915、1917可被寻址以 实现跟踪观察者的扩展纵向观察自由度，如下文将描述。
[0175] 在以上实施例中，图像控制器76可使用来自位置传感器70和头部位置测量系统 72的观察者位置数据以实现响应于观察者99位置而变化的图像显示。有利地，这可用于提 供"环视"设施，其中例如，空间光调制器48上显示的图像视角可响应于观察者99的移动 而变化。
[0176] 在其中空间光调制器48使用液晶材料并且被逐行寻址的示例性实施例中，LC材 料的电光响应特征可为重要的。另外，脉冲照明可按某种方式与扫描和LC响应相互作用， 使得可产生位于空间光调制器48上不同空间位置的像素的不同外观，即使它们是用相同 的初始数据来寻址。这种效应可通过对原始图像数据进行预处理以校正来消除。还可对图 像数据进行修改以补偿左视图与右视图之间的预测串扰。
[0177] 另外，有利地，观察者99位置的认识可用于向空间光调制器48提供图像数据的更 有效调整，以补偿上文所述的效应。
[0178] 图12是示意图，其示出了包括串联布置的至少第一阶梯式波导和第二阶梯式波 导的定向显示装置的堆叠式定向背光源，并且图13是示意图，其以侧视图示出了包含图12 的堆叠式定向背光源的定向显示装置。第一实施例可由两个阶梯式波导（诸如阶梯式波导 100U04)和串联布置的相应光源阵列102U06的堆叠提供，如图12中和图13的侧视图中 示意性示出。第一定向背光源可包括阶梯式波导100和光源阵列102,第二定向背光源可包 括阶梯式波导104和光源照明器阵列106。第一定向背光源和第二定向背光源可堆叠在空 间光调制器48后面。另外，如图12所示，第一定向背光源和第二定向背光源可包括反射表 面。在图12中，反射表面位于第一定向背光源和第二定向背光源的弯曲端上。在一个实施 例中，阶梯式波导1〇〇、1〇4中的任一者或两者的反射表面或反射端可在跨阶梯式波导100、 104的横向方向上具有正光焦度。
[0179] 如图13所示，第一定向背光源和第二定向背光源可堆叠在空间光调制器48后面。 第一定向背光源和第二定向背光源中的每一者可提供穿过空间光调制器48的输出光，以 及穿过可位于第一定向背光源和第二定向背光源与空间光调制器48中间的任何其他定向 背光源的输出光。
[0180] 在图12和图13的操作中，来自光源阵列106的光可穿过阶梯式波导104,并且随 后可基本上被导向穿过阶梯式波导100。以图13所示为例，来自光源阵列106的光线105 在阶梯式波导104中反向传播之后，可由于阶梯式波导100的透明结构特征10而穿过阶梯 式波导100。阶梯式波导100的光提取结构特征12还可为基本上未涂覆涂层的，以实现光 穿过阶梯式波导100进一步透射。继续描述图13,定向背光源可围绕空间光调制器48的法 线取向，使得由定向背光源提供的光学窗可基本上彼此对准。另外，如图13所示，相应定向 背光源的第一引导表面可基本上彼此共面。
[0181] 有利地，此类布置方式可实现增大的显示亮度，因为每个照明器阵列102U06可 被布置用于提供观察窗26或观察窗44的基本上同时的照明，这取决于显示阶段。虽然类似 的亮度增加可通过加厚单个照明器以允许使用较大光源来提供，但采用更多的较小光源可 为有利的。较大数目的较小光源可实现均匀度增加和热特性改善。另外，两个阶梯式波导 的光学输出可稍微不同，以在两个观察窗基本上重叠时改善窗平面中的输出光学均勻度， 或者提供较宽的坚直视角。例如，可通过与照明器102相比增加照明器106的相对输出亮 度，来补偿诸如由透射穿过阶梯式波导1〇〇引起的反射损耗等损耗。
[0182] 另外，在图12和图13的实施例中，波导的较厚侧4被布置在一起，LED也是这样， 因此产生具有LED机械干扰问题的厚组合结构，例如增加了封装尺寸和显示器总厚度。
[0183] 在一个示例性实施例中，单独的定向背光源的最大厚度可每个为2mm，并且其可放 置在组合厚度为例如5mm的包括菲涅耳透镜62的堆叠中，定位成与空间光调制器48和漫 射体68具有1mm或更小的间隔67。或者，间隔67可被增加到较大厚度以减少菲涅耳透镜 62、背光源100U04和空间光调制器48的重复结构之间出现的莫尔图案。
[0184] 图14是示意图，其示出了包括串联布置的两个阶梯式波导的定向显示装置的堆 叠式定向背光源，并且图15是示意图，其以侧视图示出了包含图14的堆叠式定向背光源的 定向显示装置，所述堆叠式定向背光源被布置用于提供至少第一观察窗和第二观察窗。除 了以下修改之外，这个实施例类似于图12和图13的实施例。如图14和图15所示，定向背 光源可围绕空间光调制器48的法线以相反取向布置，其中每个定向背光源的输入端2位于 与另一个定向背光源的反射端4相同的一侧上。在图14和图15中，定向背光源100和定 向背光源104可具有反射端4和输入端2。在图14和图15的实施例中，定向背光源100可 被取向为使得反射端4可位于与定向背光源104的输入端2相同的一侧上。
[0185] 如图14所示，第一定向背光源可包括阶梯式波导100和光源阵列102,第二定向背 光源可包括阶梯式波导104和光源照明器阵列106。第一定向背光源和第二定向背光源可 堆叠在空间光调制器48后面。另外，如图14所示，第一定向背光源和第二定向背光源可包 括反射表面。在图14中，反射表面位于第一定向背光源和第二定向背光源的弯曲端上。在 一个实施例中，阶梯式波导1〇〇、1〇4中的任一者或两者的反射表面或反射端4可在跨阶梯 式波导100、104的横向方向上具有正光焦度。
[0186] 如图14所示，第一定向背光源和第二定向背光源可堆叠在空间光调制器后面。第 一定向背光源和第二定向背光源中的每一者可提供穿过空间光调制器的输出光，以及穿过 可位于第一定向背光源和第二定向背光源与空间光调制器中间的任何其他定向背光源的 输出光。
[0187] 继续描述图14,定向背光源可围绕空间光调制器的法线取向，使得由定向背光源 提供的光学窗可基本上彼此对准。另外，如图14所示，相应定向背光源的第一引导表面可 基本上彼此共面。
[0188] 另外，图15以侧视图示出该堆叠，其中光线105传播穿过阶梯式波导100,并且阶 梯式波导可被布置为相对于彼此反转。有利地，这个实施例可提供物理上分开的LED阵列 102、106。图15的实施例可实现改善的热控制，因为LED阵列102、106的热管理可在物理 上分开。另外，可在光提取结构特征未涂覆涂层时通过输出锥方向的近似对称来实现较好 的坚直角均匀度。由于大部分到基本上所有光都从厚端4行进回到薄端2,并且可在光入射 于光提取结构特征12上时被提取，所以在没有遭遇提取的情况下回到薄侧2的光可对于系 统来说为丢失的。薄侧2与厚侧4的高度的比值是效率因子的量度。相比较而言，使用单 个阶梯式波导并且使薄端加倍以实现两倍的光源发射仅在相应增加侧4厚度的情况下才 会有效。本实施例可用小得多的总厚度提供近似两倍的光。另外，有利地，水平对准的光提 取结构特征12可使用反射作为提取手段。反射的任何角变化（例如利用全内反射（TIR) 时所见到的）可引起显著的照明坚直角变化。反转堆叠可提供坚直对称，其可在坚直观察 窗中产生更均匀的亮度。
[0189] 图16是示意图，其示出了定向显示装置的堆叠式定向背光源，该定向显示装置包 括被串联布置用于为透射空间光调制器的照明提供相应红色照明方向、绿色照明方向和蓝 色照明方向的三个阶梯式波导，并且图17是示意图，其以侧视图示出了包含图16的堆叠式 定向背光源的定向显示装置。定向背光源可包括至少阶梯式波导和光源照明器阵列。除了 以下修改之外，这个实施例类似于图12和图13的实施例。
[0190] 如图16所示，第一定向背光源可包括阶梯式波导108和光源阵列110,第二定向 背光源可包括阶梯式波导112和光源照明器阵列114,并且第三定向背光源可包括阶梯式 波导116和光源照明器阵列118。在一个例子中，至少第一定向背光源、第二定向背光源和 第三定向背光源可堆叠在空间光调制器48后面。另外，如图16所示，第一定向背光源、第 二定向背光源和第三定向背光源可包括反射表面。在图16中，反射表面位于第一定向背光 源、第二定向背光源和第三定向背光源的弯曲端上。在一个实施例中，阶梯式波导1〇8、112、 116中的任一者或其任何组合的反射表面或反射端4可在跨阶梯式波导108、112、116的横 向方向上具有正光焦度。
[0191] 如图16所示，第一定向背光源、第二定向背光源和第三定向背光源可堆叠在空间 光调制器48后面。第一定向背光源和第二定向背光源中的每一者可提供穿过空间光调制 器48的输出光，以及穿过可位于第一定向背光源和第二定向背光源与空间光调制器中间 的任何其他定向背光源的输出光。
[0192] 继续描述图16,定向背光源可围绕空间光调制器48的法线取向，使得由定向背光 源提供的光学窗可基本上彼此对准。另外，如图16所示，相应定向背光源的第一引导表面 可基本上彼此共面。
[0193] 在一个实施例中，就每个定向背光源来说，光源阵列可位于跨相应波导输入端的 不同输入位置处。
[0194] 在另一个实施例中，定向背光源可围绕空间光调制器的近似法线取向，使得由定 向背光源提供的光学窗可彼此近似对准，并且就每个定向背光源来说，光源阵列可被布置 用于输出不同颜色的光。
[0195] 如图17所示，透射SLM 48可继而由阶梯式波导108照明，阶梯式波导108由红色 LED光源阵列110照明；第二阶梯式波导112可由绿色LED光源阵列114照明，并且第三阶 梯式波导116可由蓝色LED光源阵列118照明。每个观察窗可由来自阵列110、114、118中 的相应LED的光总和提供。蓝色光线117和绿色光线115可由于阶梯式波导结构的有利透 明特性而穿过堆叠的至少一个阶梯式波导。如图14和图15所示，阶梯式波导112可被反 转以减小机械尺寸并且改善相应LED光源阵列114的热管理。在另外的实施例中，可使用 两个或更多个阶梯式波导单元。例如，第一阶梯式波导可包括绿色光源阵列，而第二阶梯式 波导可包括红色光源阵列和蓝色光源阵列。有利地，该实施例可实现对绿色无机LED的发 光度降低的补偿。
[0196] 有利地，与其他实施例中通常使用的白色LED相比，可提供单独颜色的LED。单独 颜色的LED可实现更高的光谱色域，并且可高效地操作。相比较而言，假如单独的红色LED、 绿色LED和蓝色LED被组合成单个阶梯式波导的单个照明阵列，则可实现的总显示光度可 由于相应阶梯式波导窄侧2上输入孔的有限尺寸而减小。
[0197] 图18是示意图，其以顶视图示出了图16的空间光调制器的一个实施例的细节，该 空间光调制器被布置用于实现相应空间光调制器的红色像素、绿色像素和蓝色像素的有效 照明。另外，图18示出了一个实施例，其中相应阶梯式波导108、112、116的定向红色照明、 绿色照明和蓝色照明可用于照明单色SLM 49。微透镜阵列120被提供为与红色像素122、 绿色像素124和蓝色像素126近似对准。红色阶梯式波导108可提供具有方向129的基本 上准直的波前，并且所述波前可被聚焦成入射到红色数据像素122上的光锥128 ;绿色阶梯 式波导112可提供具有方向127的基本上准直的波前，所述波前可被聚焦成入射到绿色数 据像素124上的光锥130 ;并且蓝色阶梯式波导116可提供具有方向131的基本上准直的 波前，所述波前可被聚焦成入射到蓝色数据像素126上的光锥132。最终的漫射体134可 被提供用于允许光输出锥的某种颜色混合和重新分布，以实现更宽的面板视角。或者，红色 LED、绿色LED和蓝色LED可被串联布置在单个阶梯式波导窄侧2上的输入孔处，以提供更 紧凑的布置方式。有利地，这个实施例可消除对SLM中的单独滤色器的需求，所以可实现更 高的效率。
[0198] 图19是定向显示装置的堆叠式定向背光源的示意图，该定向显示装置包括两个 阶梯式波导，这两个阶梯式波导被串联布置用于提供横向自动立体观察和纵向自动立体观 察，并且图20A是示意图，其以侧视图示出了包含图19的堆叠式定向背光源的定向显示装 置。另外，图19示意性地示出了一个实施例，并且图20A以侧视图示出了包括阶梯式波导 的交叉堆叠的该实施例，其中每个阶梯式波导可提供基本上一维观察窗阵列。除了以下修 改之外，这个实施例类似于图12和图13的实施例。
[0199] 图19和图20A的第一定向背光源可包括阶梯式波导100和光源照明器阵列102， 第二定向背光源可包括阶梯式波导104和光源照明器阵列106。如图19和图20A所示，第 一定向背光源和第二定向背光源近似地围绕空间光调制器48的法线取向，使得由第一定 向背光源和第二定向背光源提供的光学窗26和光学窗44的组可以相对于彼此成85度到 95度范围内的角度延伸。这个范围的上下限是近似值。
[0200] 如图19所示，第一定向背光源可包括阶梯式波导100和光源阵列102,第二定向背 光源可包括阶梯式波导104和光源照明器阵列106。第一定向背光源和第二定向背光源可 堆叠在空间光调制器后面。另外，如图19所示，第一定向背光源和第二定向背光源可包括 反射表面。在图19中，反射表面位于第一定向背光源和第二定向背光源的弯曲端上。在一 个实施例中，阶梯式波导100、104中的任一者或两者的反射表面或反射端可在跨阶梯式波 导100、104的横向方向上具有正光焦度。
[0201] 如图19所示，第一定向背光源和第二定向背光源可堆叠在空间光调制器后面。第 一定向背光源和第二定向背光源中的每一者可提供穿过空间光调制器的输出光，以及穿过 可位于第一定向背光源和第二定向背光源与空间光调制器中间的任何其他定向背光源的 输出光。
[0202] 继续描述图19,定向背光源可围绕空间光调制器的法线取向，使得由定向背光源 提供的光学窗可基本上彼此对准。另外，如图19所示，相应定向背光源的第一波导表面可 基本上彼此共面。另外，相应堆叠式定向背光源1〇〇、1〇4的光轴321、323被布置为基本上 垂直。
[0203] 如图20A所示，阶梯式波导100可被布置用于透射来自阶梯式波导104的光线 119,基本上不改变光线的方向性。因此，第一组观察窗26可由阶梯式波导100提供，而第 二组观察窗44可由阶梯式波导104提供，其可倾斜于（例如，近似正交于）观察窗26。菲 涅耳透镜62可具有近似旋转对称性，而弱旋转对称漫射体69可被提供用于改善观察窗均 匀度。
[0204] 有利地，图19和图20A的布置方式可提供可转换的横向-纵向操作模式。当接通 照明器102时，可产生跟踪式横向自动立体模式。在一个例子中，如果观察者旋转手柄（未 在图19和图20A中示出），则观察取向可被感测为已经改变，并且可关闭照明器102以及可 打开照明器106。另外，图像数据可在面板上旋转。以此方式，可在两个面板取向上提供全 分辨率观察者跟踪式自动立体显示。
[0205] [适于使用同权利要求11和权利要求12 -致的措词]
[0206] 图20B是示意图，其以侧视图示出了包括与空间光调制器串联布置的两个阶梯式 波导的堆叠式成像定向背光源设备。如图20B所示，第一定向背光源可包括至少阶梯式波 导100,第二定向背光源可包括至少阶梯式波导104。类似于图14和图15的实施例，阶梯 式波导100和阶梯式波导104可围绕空间光调制器的法线以相反取向布置，其中每个阶梯 式波导的输入端位于与另一阶梯式波导反射端相同的一侧上。换句话说，阶梯式波导100 可被取向为使得反射端可位于与阶梯式波导104的输入端相同的一侧上。如图20B所示， 相应定向背光源的第一引导表面可基本上彼此共面。另外，如图20B所示，定向背光源的相 向波导表面可以相反取向布置，并且可在大体平行的方向上延伸。
[0207] 另外，图20B示出被布置用于减小堆叠的封装厚度的实施例。间隔元件334、336 可分别布置在空间光调制器48与阶梯式波导100之间，以及相邻的阶梯式波导100、104之 间。间隔元件334、336可为但不限于间隔球、粘合性间隔球，可为光间隔物，或可为直线形 的等等。另外，间隔元件可在模制期间与阶梯式波导一起形成。有利地，此类间隔元件可实 现结构之间的气隙，同时使间隙最小化并且维持平坦表面。所述结构特征的尺寸可足够小 以在操作期间具有减小的可见度和散射，并且在一个例子中，可为直径为约25微米的球体 或圆柱体。
[0208] 图20C是以侧视图示出的示意图，并且还示出了定向显示装置的堆叠式定向背光 源，该定向显示装置包括与空间光调制器串联布置的两个阶梯式波导。另外，图20C示出了 在阶梯式波导1〇〇与空间光调制器48之间包括低折射率涂层322的阶梯式波导堆叠，所述 空间光调制器可包括液晶显示器，所述液晶显示器包括偏振器324、332、基底326、330和可 转换的液晶层328。可在阶梯式波导100内提供有限的锥角316,使得可在阶梯式波导100 侧面6的表面提供的临界角得以增大。在示例性例子中，可在阶梯式波导内引导约26°的 总锥角，其中侧面6的表面界面的临界角小于约77°。此类界面可例如由阶梯式波导1的 约1. 5的体折射率提供，其中低折射率涂层322的折射率为约1. 4,从而提供约7Γ的临界 角。举例来说，层322的材料可包括但不限于硅氧烷、气凝胶、氟化聚合物等等。有利地，此 类布置方式可提供厚度减小的装置，所述装置可被液晶面板在机械上保持稳固。另外，对于 来自提取结构特征12 (未在图20C中示出）的输出光来说，可使由于菲涅耳反射引起的光 损耗最小化，因此减小了显示系统中的串扰。
[0209] 另外，阶梯式波导104的侧面6可接触阶梯式波导100侧面8中的光提取结构特 征12的尖点以提供较小封装厚度，其中在相应阶梯式波导之间具有低耦合度。有利地，这 些实施例可提供较小的总封装厚度。
[0210] 图21A是示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向显示装置 包括被布置用于实现增大的照明区域的两个阶梯式波导，并且图21B是示意图，其以侧视 图示出了包含图21A的平铺式定向背光源的定向显示装置。
[0211] 如图21A和图21B所示，定向背光源可分别包括阶梯式波导100和光源照明器阵 列102,以及阶梯式波导104和光源照明器阵列106。如图21B所示，定向背光源可平铺在 显示器48后面，在一个例子中，该显示器可为空间光调制器。另外，如图21B所示，定向背 光源可平铺在漫射体68和菲涅耳透镜62后面，并且可提供穿过SLM 48的不同区域的输出 光。可在图21B的平铺式成像定向背光源设备中省略、单独使用或组合使用漫射体68和菲 涅耳透镜。继续描述图21A和图21B，定向背光源可在阶梯式波导100和阶梯式波导104的 光轴方向上被平铺，以便提供穿过SLM 48的不同区域的输出光。阶梯式波导100可具有反 射端，并且阶梯式波导100的反射端可与阶梯式波导104重叠。定向背光源的反射端可在 跨波导的方向上具有正光焦度。
[0212] 因此，定向背光源100的光轴321以及定向背光源104的光轴323被对准而且平 行，并且第一定向背光源100和第二定向背光源104可在垂直于横向方向的方向上被平铺。 换句话说，第一定向背光源100可在波导100的光轴321方向上被平铺，第二定向背光源 104可在波导104的光轴323方向上被平铺。
[0213] 另外，在图21A中和图21B的侧视图中示意性地示出了平铺式成像定向背光源实 施例，其中阶梯式波导1〇〇、1〇4具有弯曲端部分并且偏移以实现有差别的顶部面板照明和 底部面板照明。这种构造可在单个阶梯式波导上的给定厚度实现更高亮度，并且允许独立 的局部照明以获得改善的对比度和效率。阶梯式波导1〇〇、1〇4可被布置成阶梯式波导104 的侧面6倾斜于显示器48,例如，如图所示，或者可为平行的。有利地，倾斜的元件可提供较 小的总厚度。如参考图32将描述的，此类布置方式还可在扫描式时序自动立体显示器中提 供改善的串扰和亮度。如参考图28C将描述的，相应光学阀的侧面可包括菲涅耳反射器以 减小表面垂度，从而有利地减小相应阶梯式波导100、104之间缝隙的可见度。
[0214] 图22是示意图，其示出了包括多行阶梯式波导的平铺式定向背光源阵列。另外， 图22示意性地示出了包括阶梯式波导101的行203、205、207的阶梯式波导101阵列201。 类似于图21A和图21B的定向背光源，图22的定向背光源可包括阶梯式波导。图22的阶 梯式波导101可在横向方向上以及在垂直于横向方向的方向上被平铺，以便提供穿过SLM 48的不同区域的输出光。
[0215] 第一行与第二行的偏移量为阶梯式波导长度的一半，因此在不同位置提供接合 点。当与同阵列201分离的漫射体68组合时，如图21B所示，相应阶梯式波导的输出可被 重叠以减小相应阶梯式波导之间亮度差异的可见度，从而有利地增加较大区域上的显示均 匀度。第一平铺阶梯式波导阵列（诸如如图22所示的）还可与第二平铺阶梯式波导阵列 堆叠在一起。相应第一平铺式阵列与第二平铺式阵列之间的接合点可偏移，以便有利地减 小波导的相应拼片之间的强度变化。
[0216] 图23是示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向显示装置包 括被布置用于实现增大的照明区域的两个阶梯式波导，并且图24是示意图，其以侧视图示 出了包含图23的平铺式定向背光源的定向显示装置。另外，图23示意性地示出并且图24 以侧视图示出平铺阶梯式波导的另一种布置方式。该布置方式类似于图21A和图21B的布 置方式，但有以下修改。第一定向背光源1〇〇和第二定向背光源104可在垂直于横向方向 的方向上被平铺。然而，阶梯式波导100具有包含在输入表面的另一平行输入部分平面波 导140,以使得就标准的阶梯式波导而言，来自光源照明器阵列102的光在基本上没有损耗 的情况下被导向阀部分，之后在楔形部分中展开。来自阶梯式波导104的光接着在基本上 不修改方向性的情况下穿过输入部分平面波导140。
[0217] 图25是示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向显 示装置包括被布置用于实现增大的显示区域的两个阶梯式波导，并且图26是示意图，其以 侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向显示装置包括布置用于实现增大 的显示区域的两个阶梯式波导。另外，图25示出一种布置方式的侧视图，该布置方式类似 于图24的布置方式，但其中组件的次序颠倒。有利地，这种布置方式可减小由于透射穿过 图24中部分104的光的菲涅耳反射引起的光损耗。另外，图26示出一种布置方式的另一 个实施例，该布置方式类似于图24的布置方式，但其中包括阶梯式波导103和光源阵列105 的另外背光源可有利地增大显示尺寸和亮度，同时减小串扰。
[0218] 图27是示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向显示装置包 括被布置用于实现增大的照明区域的两个阶梯式波导，并且图28A是示意图，其以侧视图 示出了平铺式成像定向背光源。该布置方式类似于图23和图24的布置方式，但有以下修 改。另外，图27示意性地示出并且图28A以侧视图示出阶梯式波导100和阶梯式波导104 的反转布置方式，其中阶梯式波导100包含平行输入部分平面波导140,阶梯式波导104包 含平行输入部分平面波导142。有利地，所述两个阶梯式波导的光学特性可被匹配用于提供 改善的显示均匀度。
[0219] 有利地，图23到图28A的布置方式可实现第一阶梯式波导100的光提取结构特征 与第二阶梯式波导104的光提取结构特征之间莫尔条纹跳动的减小，同时基本上维持输出 的亮度。另外，LED光源照明器阵列102U06是基本上共面的，所以可被便利地布置在单个 散热与电连接设备上。
[0220] 图28B是示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背光源，该定向 显示装置包括被布置用于实现增大的显示区域的两个阶梯式波导。至少上部阶梯式波导的 光提取侧143(包括结构特征10、12)可具有反射涂层，诸如金属化层。下部阶梯式波导的 光提取侧145(包括结构特征10、12)也可具有反射涂层。可在上部提取区域与下部提取区 域之间提供重叠区域147。有利地，这种布置方式可实现基本上连续的输出照明均匀度。区 域147可在宽锥角上实现均匀输出，同时实现上部阶梯式波导与下部阶梯式波导之间的所 需分离。
[0221] 图28C示出了用于平铺堆叠的阶梯式波导的另一个实施例。侧面4包括菲涅耳透 镜结构149,该菲涅耳透镜结构被布置用于反射和聚焦来自照明器阵列15的光。有利地，这 种布置方式可实现端部反射器尺寸的减小，从而减小堆叠和平铺布置方式中的封装尺寸和 缝隙可见度。
[0222] 图29是示意图，其示出了定向显示装置的平铺式定向背光源阵列。另外，图29示 意性地不出了另一个实施例，其中多个阀或定向背光源在横向方向和垂直于横向方向的方 向上均被平铺布置。类似于图21A和图21B的定向背光源，图29的定向背光源可包括阶梯 式波导。图29的阶梯式波导可在横向方向和垂直于横向方向的方向上均被平铺。
[0223] 如图29所示，多个阶梯式波导可被平铺在阵列150中并且对准显示器48以有利 地实现观察者45的大面积照明。显示器48可提供第一观察窗44和第二观察窗26。第一 观察窗44可向观察者45的右眼提供图像，第二观察窗26可向观察者45的左眼提供图像。
[0224] 图30是示意图，其示出了光在平铺式定向背光源阵列中的传播。另外，图30示意 性地示出阶梯式波导，其中侧面4分别包括第一反射器320和第二反射器322。类似于图 21A和图21B的定向背光源，图30的定向背光源可包括阶梯式波导。图30的阶梯式波导可 在横向方向上被平铺，以便提供穿过SLM 48的不同区域的输出光。换句话说，该波导可在 基本上垂直于阶梯式波导101光轴的方向上被平铺。另外，图30的定向背光源可包括发光 元件阵列326、324。发光元件阵列326可包括发光元件326,发光元件阵列324可包括发光 元件325。
[0225] 阶梯式波导的这种布置方式可被制作为单个模制件，可通过附接相邻的阶梯式波 导来组装。另外，可通过将弯曲端片段附接到包括输入侧2、侧面6和连续线性光提取结构 特征10、12的结构（如本文所述来布置但未在图30中示出）的端部，来组装该阶梯式波 导。定向背光源的阶梯式波导还可由一块共同的材料形成。发光元件阵列326、324可被布 置为使得光可传播到相应的反射器322、320上。光还可从阵列324传播到反射器322,反 之亦然，以便为具体反射器提供观察瓣。阵列326、324可被布置为使得相应发光元件327、 325被布置为被相应反射器322、320导向到观察窗26。
[0226] 继续讨论，通过反射器320、322与光提取结构特征12的组合可实现在观察窗26 处组合光线的出光瞳。此外，图31是示意图，其示出了阶梯式波导阵列和输出菲涅耳透镜 中的光传播细节。如图31所示，还可包括菲涅耳透镜62。在图31中，为了进行示意性的 说明，将菲涅耳透镜62示为位于输入侧2的出口。然而，菲涅耳透镜62可基本上平行于输 出表面6,并且输出光可不穿过侧面2,使得由结构特征12提取的光入射于其上。来自阵列 324的光线335用开放箭头示出，而来自阵列326的光线337用封闭箭头示出。
[0227] 有利地，图31的布置方式可在反射器320、322与菲涅耳透镜62之间分布光焦度。 菲涅耳透镜62的面积大小可基本上与阶梯式波导阵列的总面积相同。在另外的实施例中， 单个菲涅耳透镜62可替换为菲涅耳透镜阵列，每个菲涅耳透镜被布置有阶梯式波导阵列 的至少一个阶梯式波导。在操作中，光线335、337可被具有相应曲率中心330、333的反射 器320、322导向，其中反射光锥可为会聚的、发散的或平行的；在图31所示的例子中，示出 了发散光束。在被结构特征12提取而离开阶梯式波导后，该光入射到菲涅耳透镜62上，在 该处其朝观察者成像。假设在这个实施例中输出光束为发散性，则菲涅耳透镜可具有由虚 拟光线329限定的虚拟物点328。有利地，发散光束可为离轴观察点减小阶梯式波导中未照 明区域的大小。
[0228] 光锥336示出落在反射器320上的光线335的照明区域，其形成折叠光学路径以 照明不在反射器320的逻辑光引导部分内的区域338。所述逻辑光引导部分是阶梯式波导 的基本上在反射器320正下方的区域。因此，光不被反射器322、320反射以全部在相应光 引导部分内，但可在阶梯式波导的相邻部分之间传播以提供观察窗26的照明。
[0229] 有利地，可包括反射器320、322的阵列的阶梯式波导阵列的输出可在近似整个显 示区域上实现对观察窗26的基本上均匀照明，同时在横向观察自由度限值下使被照明的 显示区域最大化。
[0230] 在场序自动立体显示器中，分离的顶部照明和底部照明可显著地改善照明工作周 期，因为逐行更新的LCD的半高区域在整个帧时间的大部分提供稳定的成像。图32中示 意性地示出了自动立体显示系统内的偏移堆叠式照明器的操作。另外，图32是示意图，其 示出了与阶梯式波导阵列协作的自动立体显示器的扫描式寻址。图32包括观察者45和 SLM48,其中SLM 48上的图像在方向152上依序变化。
[0231] 在第一时隙154中，除了包括转换区域164的顶部之外，SLM 48在大部分SLM高度 上显示右眼图像162。因此，观察者在时隙154具有仅由底部阶梯式波导104照明的右眼观 察窗。在下一个时隙155中，SLM显示右图像162、混合图像164和左图像166的混合。在 时隙156中，左图像出现在显示器的顶部，其中在底部具有混合区域，使得阶梯式波导100 照明左眼观察窗并且阶梯式波导104未被照明。在时隙157中，SLM的顶部和底部均显示 混合图像，所以两个阶梯式波导均未被照明。在时隙158中，底部阀照明左观察窗。在时隙 159和时隙161中，任一阶梯式波导均未被照明，并且在时隙160中，顶部阶梯式波导100对 于右眼观察窗被照明。因此，通过时序，每只眼睛从阶梯式波导阵列的顶部和底部看见左眼 和右眼。
[0232] 图33是示意图，其以侧视图示出了包含平铺式定向背光源阵列的自动立体定向 显示装置的扫描式寻址。在图33中，以侧视图示出了时隙160,使得光源照明器阵列102被 布置用于提供穿过阶梯式波导100的右眼照明，而光源照明器阵列106未被照明。对于左 眼图像和右眼图像的显示所形成的集成照明，阶梯式波导100和阶梯式波导104的透明性 实现了基本上均匀的输出强度。由于显示器在转换区域中未被照明，所以有利地减小了显 示器的串扰，并且改善了亮度，因为与单个阶梯式波导照明方案相比，显示器可在更长的总 时隙被照明。
[0233] 图34A是示意图，其以正视图示出了定向显示装置的平铺式定向背光源阵列，该 背光源阵列被布置用于提供增大的照明区域。图34A以正视图示出了平铺式定向背光源阵 列。
[0234] 第一定向背光源包括阶梯式波导181和光源阵列181，第二定向背光源包括阶梯 式波导182和光源阵列183。定向背光源在垂直于横向方向的方向上平铺在空间光调制器 后面。因而，它们提供穿过空间光调制器的不同区域的输出光。每个阶梯式波导的反射端 在边界179处共面。阶梯式波导可包括被弯曲用于在横向方向上提供正光焦度的光提取结 构特征12。这允许形成每个阶梯式波导的反射端的边界179为平坦的，因此准许波导180、 182被邻接成在两个单元的光输出部分之间具有极小间隙。在这个语境中，边界179为"平 坦的"意指其充分平坦，以在其上提供一致的光学特性以允许正常工作，并且可存在小尺度 的粗糙度。
[0235] 此类阶梯式波导可实现沿阶梯式波导的长度变化的观察窗放大率。优选地，诸如 图28C的菲涅耳透镜的另一成像元件可被提供用于避免放大率随长度变化。
[0236] 为了使其具有反射性，边界179可为基本上或完全镀银的表面，如图34B所示。图 34B是示意图，其以侧视图示出了用以提供增大的照明区域的定向背光源阵列。阶梯式波导 可基本上独立地工作，但可在后部包括另外的阶梯式波导阵列以提供另外的功能性，如先 前所描述。如图所示的阶梯式波导阵列并不是整体的或以单层结构形成的，因为边界179 处的反射镜可造成层的中断。
[0237] 图34C是示意图，其以侧视图示出用以提供增大的照明区域的背光源阵列，该背 光源阵列类似于图34A的背光源阵列。图34C示出了一个实施例，其中边界179可由半镀 银反射镜形成，诸如由阶梯式波导180U82之间的小间隙或由例如半透明金属层提供。来 自还包括波导182的定向背光源的光源阵列183的光被分裂成光线186,所述光线186从 形成波导182的反射端的边界179反射并且形成穿过所述边界的光线185。因此，光线186 被输出为穿过波导182的输出光，光线185被输出为穿过波导180的输出光。来自还包括 波导180的定向背光源的光源阵列181的光以类似方式分裂。因此，来自光源阵列183的 光线可在阶梯式波导180和阶梯式波导182内传播，因此与来自光源阵列181的光混合，从 而增大了总亮度并且提供两个光源阵列181U83之间的混合。另外，将两个光源阵列之间 的光混合可有利地补偿两个光源阵列181U83之间的颜色差异和亮度差异，从而增加均匀 度。
[0238] 图34D是示意图，其以正视图示出了定向背光源，该定向背光源包括被布置用于 提供入射光聚焦的线性光提取结构特征和平面衍射反射器。另外，图34D示出了包括衍射 反射器300和线性光提取结构特征12的阶梯式波导302。照明器阵列15中的发光元件可 照明反射器300并且聚焦成例如平行光以用于菲涅耳透镜（图34D中未示出）对观察窗的 后续成像。衍射反射器300可包括全息记录的衍射图案，其可实现聚焦功能并且可例如为 体积全息图。此外，反射器300可包括红色反射衍射元件、绿色反射衍射元件和蓝色反射衍 射元件的堆叠，或可由单个层中的多个记录形成。反射器300的光谱效率可被调成照明器 阵列15的发光元件的输出波长。发光元件可包括窄带发射以提供高反射效率。反射器可 被记录用于在包括照明器阵列15长度的某个照明角范围上提供低像差，并且可包括多个 衍射结构以在相应照明角范围上实现高效率。
[0239] 有利地，反射器300可为平面结构，其可附接到阶梯式波导的平坦表面。因此，阶 梯式波导的制造可具有降低的成本和复杂性。另外，平面可被布置成平铺式阵列，如下文将 描述的。另外，该结构的效率可通过匹配照明波长和角度来优化。此外，反射器300的附接 可不需要蒸发涂覆，所以可降低成本。
[0240] 图34E是示意图，其以正视图示出了定向背光源的成像，该定向背光源包括被布 置用于提供入射光聚焦的弯曲光提取结构特征和平面衍射反射器。另外，图34E示出了包 括阶梯式波导306的另一个实施例，其中在衍射反射器304与弯曲光提取结构特征12之间 共享光焦度，以例如在不使用另外的菲涅耳透镜62的情况下提供观察窗26。有利地，该实 施例可提供减小的像差、减小的莫尔效应、更小的装置厚度和更低的成本。
[0241] 图34F是示意图，其以侧视图示出了定向显示装置的平铺式定向背光源阵列，其 中示出了包括全息反射器的阶梯式波导平铺式阵列中的光输出的光传播。图34G以正视图 示出了相同的平铺式定向背光源阵列。除了以下修改之外，该平铺式定向背光源阵列类似 于图34A的阵列。
[0242] 第一定向背光源包括阶梯式波导302和光源阵列15,第二定向背光源包括阶梯式 波导310和光源阵列15。定向背光源在垂直于横向方向的方向上平铺在空间光调制器后 面。因而，它们提供穿过空间光调制器的不同区域的输出光。相应波导302、320的反射端 300、308是共面的且平坦的，如上文所描述。
[0243] 图34F以侧视图示出了阶梯式波导302、310的平铺式阵列中光线的传播，其中反 射器300、308可被布置为紧密接近。反射端300、308可为在横向方向上具有正光焦度的衍 射反射器。因此，反射端300、308可被布置用于反射在阶梯式波导内传播的光线312,还可 由于衍射反射器300、308的角选择特性而透射离轴光线314。有利地，可减小阶梯式波导 302、310之间的接合点的可见度。另外，可减小阶梯式波导302、310的光锥，使得离轴光不 传播，从而通过减小入射锥角来增加反射器整体效率。
[0244] 衍射反射器可采用上文参考图34D所描述的任何形式。衍射反射器和阶梯式波导 可通过合适的折射率匹配粘合剂来彼此附接。或者，衍射反射器可形成为单个记录元件。在 又一个替代形式中，反射器可包括另外的吸收层以基本上防止来自阶梯式波导302的光传 播进入阶梯式波导310。
[0245] 图35到图38示出了相应平铺式定向背光源阵列，其与图30的定向背光源阵列的 相似处在于其在横向方向上被平铺并且包括由一块共同的材料形成的波导，但具有如下另 外的修改。
[0246] 图35是示意图，其以正视图示出了用以提供增大的照明区域的平铺式定向背光 源阵列。定向背光源包括由有效边界197分隔的相应阶梯式波导187、188、189,该有效边 界可基本上对来自照明器阵列15的光透明。在图35中，每个定向背光源可包括阶梯式波 导和光源照明器阵列。来自与阶梯式波导188相关联的光源照明器阵列15的光线195可 在提取结构特征12的尖点处被引导穿过边界197,所以可由第一阶梯式波导188和第二阶 梯式波导187导向。光线195被示意性地示出为反射离开反射表面4并且在提取结构特征 12处离开阶梯式波导187。在一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12可在跨 阶梯式波导的横向方向上具有正光焦度，使得入射光线的偏转随光线从相应定向背光源的 光轴321的偏移而变化。
[0247] 有利地，该布置方式可减小弯曲提取结构特征12的数值孔径，因此改善像差性 能，减小串扰，并且增大观察者跟踪范围而没有明显的显示器闪烁。另外，可使用例如图32 所示的时间扫描方法来增大显示区域和亮度并且减小串扰。在这种情况下，面板48寻址可 为从侧面到侧面而非从上到下。
[0248] 图36是示意图，其以正视图示出了用以提供增大的照明区域的平铺式定向背光 源阵列。另外，图36示出了另一个实施例，其中菲涅耳透镜178可包含在平铺式定向背光 源阵列上方，使得可在弯曲提取结构特征12与菲涅耳透镜178之间分布光焦度。在图36 中，每个定向背光源可包括阶梯式波导和光源照明器阵列。在一个实施例中，每个定向背光 源的光提取结构特征12可在跨阶梯式波导的横向方向上具有正光焦度。
[0249] 菲涅耳透镜可替代地被布置有该阵列的单独阶梯式波导，或者可被布置有几组阶 梯式波导，使得显示器在整个显示的区域上包括多个菲涅耳透镜。有利地，菲涅耳透镜可改 善像差并且实现具有相同弯曲提取结构特征布置方式的阶梯式波导，从而使得大面积阶梯 式波导阵列的成本降低，因为阶梯式波导可由相同的模制工艺形成。
[0250] 图37是示意图，其以正视图示出了用以提供增大的照明区域的平铺式定向背光 源阵列。在图37中，每个定向背光源可包括阶梯式波导和光源照明器阵列。在一个实施例 中，每个定向背光源的光提取结构特征12可在跨阶梯式波导的横向方向上具有正光焦度。 另外，图37示出了一个实施例，其中分离的光源照明器阵列15可由在阶梯式波导阵列输入 侧的单个光源照明器阵列190替换。有利地，该布置方式可产生扩展的观察窗阵列，从而增 大了显示器的观察自由度。
[0251] 图38是示意图，其示出了一个实施例，其中平铺式定向背光源在分离的阶梯式波 导之间的界面处包含光阻挡层。另外，图38示出了另一个实施例，其中阶梯式波导187、 188U89可在分离的阶梯式波导之间的界面处包含光阻挡层173。这些光阻挡层185有利 地实现照明锥角的减小以提供防窥模式，并且基本上防止丢失位于边缘的阶梯式波导的可 见度，以用于图37的显示器的离轴观察。在图38中，每个定向背光源可包括阶梯式波导和 光源照明器阵列。在一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12可在跨阶梯式波 导的横向方向上具有正光焦度。
[0252] 图39是示意图，其以正视图示出了用以提供增大的照明区域的平铺式定向背光 源阵列。另外，图39以正视图示出了另一个实施例，其中包括阶梯式波导187、188、189(图 39中未示出）的平铺式阶梯式波导阵列191可按与例如图34A至图34C所示方式类似的方 式近似地与类似的平铺式阶梯式波导阵列193对准。有利地，这种布置方式可实现增大的 显示区域以及扩展的观察自由度，同时减小单独的阶梯式波导中的像差，从而增加最大观 察者跟踪速度而没有闪烁，而且还减小图像串扰。
[0253] 图40是示意图，其以侧视图示出了平铺式定向背光源阵列的两个阶梯式波导之 间的边界。图40以侧视图示出了具有平面边界的两个端接阶梯式波导之间的边界，这类似 于图34B中所示的边界。如果光提取结构特征196没有涂层，那么从阶梯式波导194、198 提取的光锥202、204将通常具有不同取向，如图所示，因此平铺阶梯式波导阵列的每个部 分将具有来自不同方向的不同亮度。如图41所示，这可通过使用倾斜约45度的金属化光 提取结构特征206、208来克服，该倾斜度使得锥202、204彼此平行导向。图41是示意图， 其以侧视图示出了定向背光源阵列的两个阶梯式波导之间的边界。
[0254] 因此，可以提供平铺式定向背光源的平铺式阵列，其中阶梯式波导的最厚部分 (其可通常包括金属化表面）可邻接在一起。然而，为了进一步增大显示尺寸并且同时基本 上维持显示亮度和像差性能，可需要在相应阶梯式波导的薄端或光源输入端提供平铺的阶 梯式波导阵列和堆叠的阶梯式波导阵列。
[0255] 图42中以侧视图示出了重叠薄端阶梯式波导的一个实施例。另外，图42是示意 图，其以侧视图示出了阶梯式波导的第一端和第二端。阶梯式波导212的厚端可被布置有 光提取结构特征218和引导结构特征219。反射端可由包括小平面222和小平面224的角 结构特征提供，以便为xz平面中的引导光提供与镜面反射相反的回射。在阶梯式波导210 的薄端，可提供提取结构特征216和提取结构特征218,以及转向小平面220和平面输入部 分平面波导214,其可被布置用于将来自光源照明器阵列15的光导向进入阶梯式波导210 的引导部分。
[0256] 图43是示意图，其以侧视图示出了组装在定向背光源阵列中的阶梯式波导的第 一端和第二端。如图42和图43中以侧视图示出，在阶梯式波导212中引导的光线228可 在表面222、224反射，并且朝相应提取结构特征218反向传播。来自阶梯式波导210中的 光源照明器阵列15的光线226可被收集在部分平面波导214中，并且通过转向小平面220 处的反射（可由小平面222上的金属化提供的反射镜）导向进入阶梯式波导210。未被部 分平面波导214捕获的光线可被收集在遮光板215中。入射到小平面216上的反向传播光 线230可如在标准阶梯式波导布置方式中那样被导向。在重叠区域附近，可包含另外的光 提取结构特征并且其可被布置用于将光导向到小平面232上，并且因此将来自重叠区域的 光导向到观察者。还可包含坚直漫射体68以提供重叠区域的进一步模糊，从而有利地增加 输出均匀度。以此方式，可产生平铺式波导阵列以实现大显示区域，这可适用于例如大面积 3DTV应用。
[0257] 图44A是示意图，其以侧视图示出了适用于定向背光源阵列的阶梯式波导。另外， 图44A以侧视图示出了另一个实施例，其中部分平面波导214可被折叠到阶梯式波导234 的后部，该波导包括另外的反射小平面236。如图44B所示，在对准方面，该阶梯式波导可提 供与图43的布置方式类似的布置方式。图44B是示意图，其以侧视图示出了组装在定向背 光源阵列中的阶梯式波导的第一端和第二端。有利地，此类结构可比图43所示的结构更紧 凑。另外，部分平面波导214可为基本上透明的，使得堆叠式结构可例如通过定位在部分平 面波导214与阶梯式波导234之间的间隙237中来实施。
[0258] 图45是示意图，其以侧视图示出了包括衍射反射器的阶梯式波导的第一端和第 二端。另外，图45以侧视图示出了另一个实施例，该实施例在相邻的阶梯式波导上包括衍 射反射器316、318。反射器可被形成为如别处所述的，并且可为全息反射器。引导光线318、 322可被反射器318、322反射，而光线324可被透射。有利地，相邻阀之间间隙的外观可被 减小，并且可用于实现阶梯式波导在大显示区域上的平铺；例如用于自动立体3DTV。
[0259] 图46是示意图，其以侧视图示出了定向背光源阵列。另外，图46示出了另一个实 施例，其中包括先前实施例的各种特征的定向背光源阵列被组合成阶梯式波导阵列。因此， 阶梯式波导248、252分别近似地与阶梯式波导244、240对准，并且两个阶梯式波导对可被 邻接在界面179处，该界面可具有如先前概述的特性。
[0260] 另外，图47是示意图，其以正视图示出了定向背光源阵列。在正视图中，如图47 所示，阶梯式波导可被提供在适用于大面积显示器的大拼片中，所述大面积显示器具有可 分别通过光源阵列252、240、244、248独立寻址的阶梯式波导的区域。重叠区域256、258可 使用附加小平面216和坚直漫射体68来减小其可见度。有利地，此类机构可被延伸到具有 单独可寻址特性的大区域以减小串扰，增加观察自由度，增大亮度并减少显示器闪烁。
[0261] 图48A是示意图，其以侧视图示出了包括光栅耦合器的平铺式定向背光源。另外， 图48A示出了用于在包括光栅耦合元件260的阵列中布置阶梯式波导的另一个实施例。图 48A和图48B的定向背光源可包括至少阶梯式波导1和发光元件照明器阵列15。发光元件 照明器阵列15可被布置在阶梯式波导1的后侧8上，位于阶梯式波导1的薄端。入射光线 264可入射到元件260上，并且可被反射到阶梯式波导的输入孔中以在阶梯式波导内引导。 元件260可包括例如表面起伏衍射反射器或体积反射全息图，该体积反射全息图包括全息 图堆叠以优化效率。光线262被波导1的端部4反射，使得在相邻波导之间实现小缝隙，并 且光可由结构特征10引导并被相邻波导1附近的结构特征12反射。
[0262] 在一个实施例中，一个或多个定向背光源可包括作为引导表面中一者的延伸的输 入端，以及面向输入端并且被布置用于基本上沿着波导偏转输入光的耦合器。
[0263] 图48B是示意图，其以侧视图示出了包括光栅耦合器的定向背光源。图48B示出 了与图48A类似的实施例，其中包括元件260的耦合区域可被布置在阶梯式波导1的侧面4 后面。来自光提取结构特征12的光线266、268可被布置为基本上远离上部阶梯式波导的 侧面4导向，以避免与可包括镜面的侧面4发生相互作用。漫射体68可被布置用于模糊这 个区域中的光。在一个实施例中，一个或多个定向背光源可包括作为引导表面中一者的延 伸的输入端，以及面向输入端并且被布置用于基本上沿着波导偏转输入光的耦合器。
[0264] 图49是示意图，其以侧视图示出了包括棱镜耦合器的定向背光源。图49的定向 背光源可包括阶梯式波导和光源照明器阵列15。另外，图49示出了另一个实施例，其包括 倾斜延长表面270、272的阵列，这两个倾斜延长表面被布置用于将来自照明器阵列15的光 基本上导向进入阶梯式波导1的阶梯式波导。因此，光线280可入射到表面270上，并且基 本上反射到阶梯式波导1中。入射到表面272上的光线284可在相反方向反射，并且可入 射到表面274上且可反射到阶梯式波导1中。吸收元件276可被布置用于捕获来自阶梯式 波导中的非引导传播模式的光。
[0265] 在一个实施例中，一个或多个定向背光源可包括作为引导表面中一者的延伸的输 入端，以及面向输入端并且被布置用于基本上沿着波导偏转输入光的耦合器。
[0266] 有利地，本发明的实施例可实现来自定位在阶梯式波导后部的光源阵列的光的耦 合。这可为平铺实现方式和堆叠实现方式提供更紧凑的布置方式。另外，可减小阶梯式波 导之间的间隙。
[0267] 图50是示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示器的观察区的布置方式，该 自动立体定向显示器包括单个照明区域，其中观察者位于窗平面处。另外，图50示出了 对于给定尺寸的显示器1100,对应于窗平面1106处的观察窗1114U116的菱形观察区域 1152和菱形观察区域1150。在平面1156处，可用的观察区域1152、1150可仅提供单个横 向观察位置而没有观察者跟踪。在线1156的前方，可能无法在整个显示器上看到自动立体 图像。因此，如图50所示，用于3D观察的前向范围1196可为从窗平面朝向具有单个阀光 学元件的显示器100。
[0268] 在一个实施例中，包括显示装置的自动立体显示设备还可包括控制系统,该控制 系统可被布置用于选择性地操作光源以将光导向进入对应于输出方向的观察窗。控制系统 可被布置用于控制显示装置以显示时间多路复用的左图像和右图像，并且基本上同步地将 所显示的图像导向进入在可对应于观察者左眼和右眼位置的观察窗。
[0269] 另外，控制系统可包括传感器系统，该传感器系统可被布置用于检测观察者相对 于显示装置的位置。控制系统可被布置用于将所显示的图像导向进入在对应于观察者左眼 和右眼位置的观察窗，这可取决于被检测到的观察者的位置。另外，传感器系统可被布置用 于相对于空间光调制器的近似法线横向地和纵向地检测观察者相对于显示装置的位置。控 制系统被布置用于根据被检测到的观察者的位置将所显示的图像导向进入在对应于观察 者左眼和右眼位置的观察窗。
[0270] 图51是示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距观察区的布置 方式，该自动立体定向显示装置包括多个照明区域，其中观察者位于窗平面处。另外，图51 显示，在空间光调制器1206后面的照明系统可由光学阀1200、1202、1204的阵列提供。通 过举例，仅示出了在窗平面与显示器1100之间观察棱形的部分，但以下讨论可适用于在窗 平面后面的区域。每个光学阀1200、1202、1204可照明相应的左眼观察窗1218、1220、1222， 并且可提供前向观察区1208、1210、1212。在窗平面处，观察窗1218、1220、1222可重叠，并 且观察者可在近似整个显示器1100的区域上看到左眼图像。
[0271] 有利地，本发明的实施例通过减小单独光学阀的尺寸来增加显示器的纵向观察自 由度。对于大面积显示器（例如从短距离观察时的电视机和监视器）来说，以及对于具有 扩展范围的观察自由度的移动显示器来说，该实施例可以是有利的。
[0272] 图52是示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距观察区的布置 方式，该自动立体定向显示装置包括多个照明区域，其中观察者位于窗平面与显示器之间。 另外，图52显示，通过与观察者跟踪系统结合，可进一步扩展纵向观察自由度。可跟踪在方 向1221上移动的观察者99,使得相应光学阀可产生可不再在窗平面1106中重叠的观察窗 1218、1220、1222。因此，光学阀和相应近似对准的发光元件阵列可配合以将光导向观察者， 使得可独立控制多个对准的发光元件阵列的照明，从而提供与观察者的三维位置对准的照 明。以此方式，可有利地在较宽的纵向观察范围1216内跟踪观察者。
[0273] 图53是示意图，其以正视图示出了自动立体定向显示装置的近距观察区域的布 置方式，该自动立体定向显示装置包括针对在窗平面与显示器之间的移动观察者的多个照 明区域。另外，图53示出了当位于前方的观察者99已经在方向1226上平移时的图52的 实施例。因此，可以看到，通过平移分离的观察窗1218、1220、1222，观察者可在较宽范围的 横向观察位置和纵向观察位置在整个显示器表面上维持自动立体图像。可通过针对每个相 应光学阀调整观察窗1218、1220、1222的间隔来实现纵向跟踪，并且可通过控制相应光学 窗的照明来调整观察窗1218、1220、1222组的位置，从而实现横向跟踪。
[0274] 图54是示意图，其示出了包括多个照明区域的自动立体定向显示装置的纵向观 察自由度极限。另外，图54显示，可通过与图53的观察窗相比增大相应观察窗1219、1221、 1223的尺寸，来增大三段式光学阀显示器中的观察自由度极限。可使用两段或更多段的光 学阀。然而，对于非常宽角度的装置来说，可能需要提供甚至更靠近的观察。这可使用图55 或图56的设备来实现，例如下文将描述的。
[0275] 与已知的空间多路复用纵向跟踪显示器相比而言，可在不调整SLM以在单个照明 阶段中显示左视图和右视图的混合片段的情况下跟踪观察者，因而可有利地实现更高的显 不器分辨率。
[0276] 在以上堆叠式实施例中，来自下部元件的光的透射可比上部元件要少。可调整发 光元件的输出亮度以补偿这种差异。
[0277] 图55是示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第一照明布置方式的第一光 反射侧和第二光反射侧。光学阀900包括第一弯曲侧902和第二弯曲侧904,这两个弯曲 侧被布置用于实现平铺式光学阀，如上所述。光源阵列906、908被布置用于照明相应侧面 902、904,使得针对观察窗26的给定光学窗照明光源907和光源909。如果在光源阵列906、 908与平铺式光学阀的输入侧901之间提供气隙，则通常将在空气中形成朗伯照明分布，其 通过折射耦合到锥角为+/-Θ。的分布中，其中Θ。是光学阀的材料的临界角。因此会在阀 内部产生极角亮度分布910、912。将需要减小第一弯曲侧902和第二弯曲侧904之间的缝 隙916的可见度。在操作中，光线918、922被朝着缝隙916导向，使得光线914在侧面902、 904反射后平行于缝隙916传播。从极角分布910、912可以看到，相对于两个分布910、912 来说，光线914的亮度将在缝隙916的任一侧处为不同的，由线920、924的相对间隔926示 出。另外，对于两个光源907、909来说，光源到尖点905的距离可为不同的，因此缝隙916 的任一侧进一步形成了光线914的亮度差异。不合需要地，这可在显示器表面产生照明间 断。
[0278] 图56是示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第二照明布置方式的第一光 反射侧和第二光反射侧。在距阵列906、908中心的更大距离处提供光源930、932,从而增大 间隔934,因而为光线914提供跨缝隙916的更大亮度差异。
[0279] 图57是示意图，其示出了针对跨图55和图56中光学阀的水平横截面A-A'的各 种照明布置方式的跨光学阀宽度的显示亮度曲线图。对于轴向光源，可实现分布944。在尖 点区域，亮度变化可改变方向，但在亮度分布没有发生间断。如果添加了另外的漫射体，则 该差异可具有低可见度。分布946可由图55的光源布置方式提供，分布948可由图56的 光源布置方式提供。因此，缝隙916处可产生亮度间断950。
[0280] 图58是示意图，其示出了波导的正视图，该波导包括第三照明布置方式的第一光 反射侧和第二光反射侧。可提供控制系统（未示出）以调制相应光源930、932的灰度输出。 因此，可降低分布912与分布910相比的亮度，使得光线914的亮度在缝隙916的任一侧基 本上匹配。
[0281] 图59是示意图，其示出了各种照明布置方式下跨波导宽度的显示亮度的曲线图。 因此，显示器照明分布944可由图58的布置方式实现。另外，添加在横向方向上具有一定 漫射度的漫射体可实现分布952。有利地，增大了显示器的照明均匀度，并且使缝隙916的 外观最小化。
[0282] 图57是示意图，其示出了各种照明布置方式下跨光学阀宽度的显示亮度的曲线 图。分布944可由相应光源930、932的校正亮度提供，并且在阀与观察者之间提供漫射体之 后，可实现分布944。有利地，可增大跨其区域的显示输出的均匀度。该布置方式可实现平 铺式阀的所需均匀度性能，从而增大显示区域并减小显示器边框尺寸，以及减小显示像差。
[0283] 有利地，衍射反射器800可被调成阵列15的发光元件的峰值发射波长，如图60所 示，包括相应层802、804、806或者记录在单个层内，从而对应于红色发光元件808、绿色发 光元件810和蓝色发光元件812的峰值发射。反射器800可包括红色反射衍射元件、绿色 反射衍射元件和蓝色反射衍射元件的堆叠，或可由单个层中的多个记录形成。因此，反射光 线815、816、817在整个平面元件的宽光谱带上被准直。有利地，该布置方式实现平坦的非 金属化反射器。有利地，与被金属化的粗糙塑料表面相比而言，该布置方式可减少杂散光。 因此，该布置方式可具有减小的串扰。
[0284] 图61显示，可在反射器800中包括另外的层或衍射反射结构以实现更高质量的离 轴成像，使得与球形表面反射镜相比可有利地增大显示器的视角。因此，可针对分离的发光 元件808、810、812优化层803、805、807，从而提供准直的输出光线818、819、821以用于在光 学阀1内引导。
[0285] 发光元件可包括窄带发射以提供高反射效率。反射器800可被记录用于在包括阵 列15长度的某个照明角范围上提供低像差和高效率，并且可包括多个衍射结构以在相应 照明角范围上实现高效率。
[0286] 反射器800还可包含在X方向和y方向上不同的漫射功能，以便在窗（y轴）上实 现有限模糊，而在坚直方向（X轴）上实现较大模糊。有利地，可移除不对称的漫射体，从而 降低成本和复杂性。
[0287] 图62示出了用以在波导1上形成衍射反射镜800的方法。使侧面4在塑料光学 阀1上提供精确抛光的反射表面可为昂贵的。反射器800可通过在方向894上滚动的滚筒 892提供到顶侧4和折射率匹配的粘合剂898上，所述粘合剂用以向反射器800提供光学透 明的界面。
[0288] 图63示出了用以控制光学阀中的杂散光损耗的另一个实施例，其示出了侧面4的 顶视图。与侧面6和结构特征10接触的侧面4的角落中的碎片或其他误差可在光输出中 产生不希望的不均匀性。有利地，可在侧面4上提供吸收区域895和反射镜区域897以减 小不均匀性并减少杂散光。区域895可通过例如在侧面4上形成反射器800之前直接印刷 到侧面4上来形成。
[0289] 如本文可能所用，术语"基本上"和"大约"为其相应的术语和/或术语之间的相 关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在大约0%至10%的范围内，并且 对应于但不限于分量值、角度等等。各项之间的此类相关性在大约0%至10%的范围内。
[0290] 虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅以举 例的方式示出，而并非限制。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的 限制，而应该仅根据产生于本发明的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施 例中提供了上述优点和特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上 述优点的方法和结构。
[0291] 另外，本文的章节标题是为了符合37CFR 1.77下的建议或者提供组织线索。这些 标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体地和以举例 的方式，虽然标题是指"【技术领域】"，但权利要求不应受到在该标题下选择用于描述所谓的 领域的语言的限制。此外，"【背景技术】"中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本发 明中的任何实施例而言是现有技术。"
【发明内容】
"也并非要被视为公开的权利要求中所述的 实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的"发明"的任何引用不应被用于辩称在该公开 中仅有一个新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，并且此类 权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本发明基于 权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。
【权利要求】
1. 一种定向显示装置，包括： 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置用于 调制穿过所述像素阵列的光；以及 至少两个定向背光源，每个所述定向背光源包括： 波导，所述波导具有输入端、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，以及面向所述输入端的反射端，所述反射端用于将来自所述输入光的光反射回穿 过所述波导，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，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在从所述反射端反射之后穿过所述 波导引导的光，在允许作为输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上反射，所述波导被 布置用于将源自跨所述输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光导向进入根据所述 输入位置分布于所述横向方向的输出方向上的相应光学窗，所述定向背光源每个被布置用 于提供穿过所述空间光调制器的输出光。
2. 根据权利要求1所述的定向显示装置，其中所述定向背光源被平铺在所述空间光调 制器后面，以便提供穿过所述空间光调制器的不同区域的输出光。
3. 根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述定向背光源在垂直于所述横向方向 的方向上被平铺。
4. 根据权利要求3所述的定向显示装置，其中所述定向背光源中的第一者的所述反射 端与第二定向背光源重叠。
5. 根据权利要求3所述的定向显示装置，其中所述定向背光源包括具有基本上共面的 反射端的两个定向背光源。
6. 根据权利要求5所述的定向显示装置，其中所述共面的反射端是基本上平坦的。
7. 根据权利要求5所述的定向显示装置，其中所述共面的反射端每个包括在横向方向 上具有正光焦度的衍射反射器。
8. 根据权利要求3至7中任一项所述的定向显示装置，其中所述定向背光源还在所述 横向方向上被平铺。
9. 根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述定向背光源在所述横向方向上被平 铺。
10. 根据权利要求2至9中任一项所述的定向显示装置，其中所述定向背光源的波导是 由一块共同的材料形成的。
11. 根据权利要求1所述的定向显示装置，其中所述定向背光源被堆叠在所述空间光 调制器后面，并且每个提供穿过所述空间光调制器的输出光，以及穿过位于所述定向背光 源与所述空间光调制器中间的任何其他定向背光源的输出光。
12. 根据权利要求11所述的定向显示装置，其中所述定向背光源围绕所述空间光调制 器的法线取向，使得由所述定向背光源提供的所述光学窗彼此近似对准。
13. 根据权利要求11或12所述的定向显示装置，其中所述相应定向背光源的第一引导 表面是基本上共面的。
14. 根据权利要求11至13中任一项所述的定向显示装置，其中所述定向背光源包括围 绕所述空间光调制器的法线以相反取向布置的两个定向背光源，其中每个定向背光源的所 述输入端位于与另一个定向背光源的所述反射端的相同的一侧上。
15. 根据权利要求14所述的定向显示装置，其中以相反取向布置的所述两个定向背光 源的相向引导表面在大体平行的方向上延伸。
16. 根据权利要求11所述的定向显示装置，其中所述定向背光源围绕所述空间光调制 器的法线取向，使得由所述定向背光源提供的所述光学窗以相对于彼此成85至95度范围 内的角度延伸。
17. 根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中每个定向背光源的所述反 射端在跨所述波导的横向方向上具有正光焦度。
18. 根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中每个定向背光源的所述光 提取结构特征在跨所述波导的横向方向上具有正光焦度。
19. 根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中在每个定向背光源中，所述 第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括构成所述光提取结构特征的小平面以 及位于所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置用于在不提取光的情况下将光导 向穿过所述波导。
20. 根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述定向背光源中的至少 一者包括作为所述引导表面中一者的延伸的输入端，以及面向所述输入端并且被布置用于 沿所述波导偏转输入光的耦合器。
21. 根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，就每个定向背光源来说，还包括 位于跨所述相应波导的输入端的不同输入位置处的光源阵列。
22. 根据权利要求21所述的定向显示装置，其中所述至少两个定向背光源围绕所述空 间光调制器的法线取向，使得由所述定向背光源提供的所述光学窗彼此近似对准，并且就 每个定向背光源来说，所述光源阵列被布置用于输出不同颜色的光。
23. 根据权利要求21或22所述的定向显示装置，还包括控制系统，所述控制系统被布 置用于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所述光学窗。
24. 根据权利要求23所述的定向显示装置，所述定向显示装置为自动立体显示装置， 其中所述控制系统被进一步布置用于控制所述显示装置以显示时间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处在对应于观察者左眼和右眼位置的观察 窗。
25. 根据权利要求24所述的定向显示装置，其中 所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测观察者相对于所述 显示装置的位置，并且 所述控制系统被布置用于根据被检测到的所述观察者的位置将所述显示的图像导向 进入处在对应于观察者左眼和右眼位置的观察窗。
26. 根据权利要求25所述的定向显示装置，其中所述传感器系统被布置用于相对于所 述空间光调制器的法线横向地和纵向地检测观察者相对于所述显示装置的所述位置，并且 所述控制系统被布置用于根据所述被检测到的所述观察者的位置将所述显示的图像导向 进入处在对应于观察者左眼和右眼位置的观察窗。
27. -种定向照明设备，包括： 用于引导和提取光的第一光提取元件，其中所述第一光提取元件包括： 第一光引导表面； 与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面；以及 位于所述第一光引导表面与所述第二光引导表面之间的第一照明输入表面，所述第一 照明输入表面可操作以接收来自第一光源阵列的光；以及 用于引导和提取光的第二光提取元件，其中所述第二光提取元件包括： 第三光引导表面， 与所述第三光引导表面相对的第四光引导表面， 位于所述第三光引导表面与所述第四光引导表面之间的第二照明输入表面，所述第二 照明输入表面可操作以接收来自第二光源阵列的光，其中来自所述第二光提取光元件的光 被至少部分导向穿过所述第一光提取元件的除所述第一照明输入表面之外的表面。
28. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成堆叠式构造。
29. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成平铺式构造。
30. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成平铺式构造，使得相应光引导表面是基本上共面的。
31. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成堆叠式构造以提供至少第一观察窗和第二观察窗。
32. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成堆叠式构造并且相对于彼此反转，使得所述第一提取元件的薄端可与所述 第二提取元件的厚端近似对准。
33. 根据权利要求27所述的定向照明设备，还包括照明器阵列。
34. 根据权利要求27所述的定向照明设备，还包括第三光提取元件。
35. 根据权利要求34所述的定向照明设备，其中所述第三光提取元件被布置为与所述 第一光提取元件和所述第二光提取元件成堆叠式构造。
36. 根据权利要求35所述的定向照明设备，还包括用于所述第一光提取元件的第一照 明器阵列、用于所述第二光提取元件的第二照明器阵列，和用于所述第三光提取元件的第 三照明器阵列。
37. 根据权利要求36所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件、所述第二光提 取元件和所述第三光提取元件可操作以照明单色空间光调制器。
38. 根据权利要求36所述的定向照明设备，其中所述第一照明器阵列是红色照明器阵 列，所述第二照明器阵列是绿色照明器阵列，并且所述第三照明器阵列是蓝色照明器阵列。
39. 根据权利要求38所述的定向照明设备，其中所述红色照明器阵列是红色LED阵列， 所述绿色照明器阵列是绿色LED阵列，并且所述蓝色照明器阵列是蓝色LED阵列。
40. 根据权利要求39所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件、所述第二光提 取元件和所述第三光提取元件为透射空间光调制器的照明提供相应红色照明方向、绿色照 明方向和蓝色照明方向。
41. 根据权利要求27所述的定向照明设备，还包括红色照明器阵列、蓝色照明器阵列 和绿色照明器阵列。
42. 根据权利要求41所述的定向照明设备，其中所述红色照明器阵列、所述蓝色照明 器阵列和所述绿色照明器阵列被串联布置为接近所述第一光提取元件的第一照明输入表 面。
43. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件和所述第二光提 取元件被布置成堆叠式构造，并且相对于彼此反转，使得所述第一提取元件的薄端可与所 述第二提取元件的厚端近似对准，并且包含第一基本上平行输入部分平面波导和第二基本 上平行输入部分平面波导。
44. 根据权利要求27所述的定向照明设备，还包括被布置成堆叠平铺式构造的至少第 三光提取元件和第四光提取元件。
45. 根据权利要求27所述的定向照明设备，其中所述第一光提取元件是第一光学阀， 所述第二光提取元件是第二光学阀。
46. -种定向照明系统，包括： 用于引导和提取光的第一光提取元件，其中所述第一光提取元件包括： 可操作以允许光线扩散的第一部分；以及 第二部分，所述第二部分还包括： 第一光引导表面；以及 与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面； 位于所述第一光引导表面与所述第二光引导表面之间的第一照明输入表面，所述第一 照明输入表面可操作以接收来自第一光源阵列的光；以及 用于引导和提取光的第二光提取元件，其中所述第二光提取元件包括： 可操作以允许光线扩散的第三部分；以及 第四部分，所述第四部分还包括： 第三光引导表面， 与所述第三光引导表面相对的第四光引导表面， 位于所述第三光引导表面与所述第四光引导表面之间的第二照明输入表面，所述第二 照明输入表面可操作以接收来自第二光源阵列的光，其中来自所述第二光提取光元件的光 被至少部分导向穿过所述第一光提取元件的除所述第一照明输入表面之外的表面。
47. -种定向照明设备，包括： 至少两个用于引导光的光学阀，其中每个所述光学阀还包括： 第一光引导表面，其中所述第一光引导表面为基本上平坦的；以及 与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面，所述第二光引导表面还包括多个引导 结构特征和多个提取结构特征，其中所述多个提取结构特征可操作以允许当光在第一方向 上传播时所述光以基本上低损耗穿过； 其中与相应近似对准的光源协作的所述光学阀被布置用于提供不同的定向照明。
48. 根据权利要求47所述的定向照明设备，其中所述光学阀被布置成堆叠式构造。
49. 根据权利要求47所述的定向照明设备，其中所述光学阀被布置成平铺式构造。
50. 根据权利要求47所述的定向照明设备，其中来自所述第一光学阀的至少一些光被 导向穿过所述第二光学阀。
51. -种提供定向分布的光引导系统，包括： 定向照明设备，所述定向照明设备包括： 至少两个用于引导光的光学阀，其中每个所述光学阀还包括： 第一光引导表面，其中所述第一光引导表面为基本上平坦的；以及 与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面，所述第二光引导表面包括至少一个引 导结构特征和多个提取结构特征，其中所述多个提取结构特征可操作以允许当光在第一方 向上传播时所述光以基本上低损耗穿过，并且还可操作以当光在第二方向上传播时反射所 述光以离开所述光学阀； 空间光调制器，所述空间光调制器可操作以接收来自所述两个光学阀中的至少一者的 光，其中与相应近似对准的光源协作的所述光学阀被布置用于提供不同的定向照明。
【文档编号】F21V8/00GK104303100SQ201380026058
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】G·J·伍德盖特, M·G·鲁宾逊, J·哈罗德, M·H·舒克 申请人:瑞尔D股份有限公司