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将
视差组件诸如双凸透镜状屏幕或视差屏障与图像阵列对准，所述图像阵列被布置为在空间光
调制器例如LCD上的至少第一组
像素和第二组像素。视差组件将来自像素组的每组的光导向至相应不同的方向以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；而眼睛置于第二观察窗中时发散用来自第二组像素的光可看到第二图像。
[0003] 与空间光调制器的原始
分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且另外，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
水平并且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，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于提供光至成像定向背光源的照明器阵列和改变成像定向背光源的光学系统以提供基本上均匀的2D照明方式的附加光学元件。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。
[0005] 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式光学系统的光学
阀，因此也可以是折叠式成像定向背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，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] 定向背光源提供穿过波导的照明，所述照明以波导内的多个方向成像至观察窗。来自输入端处的光源并在波导内传播的发散光提供有减小的发散度，并且通常通过波导反射端处的弯曲反射镜而
准直，并且通过弯曲光提取结构特征或透镜诸如菲涅
耳透镜朝观察窗成像。对轴向观察窗而言，准直光基本上平行于矩形形状的波导的边缘，因此光跨波导的整个区域朝观察窗输出。对于离轴
位置而言，准直光的方向并不平行于矩形波导的边缘，但以非零的角度倾斜。因此，在准直光束的一个边缘和波导的相应边缘之间形成未被照明的(或空隙)外部(其可为三角形形状)。没有光从外部内导向至相应观察窗，并且显示器在该区域看起来黑暗。期望减少离轴观察位置的黑暗外部的出现，使得更多的波导区域可用于照明空间光调制器，从而有利地减小系统尺寸和成本。
[0007] 一般来讲，利用这种系统和相关的成像定向背光源系统，由于高角处的光晕，并非所有背光源区域均为可用的。对系统的
修改可通过将光引入空隙区域可克服此限制。此类经修改的照明设备
实施例可导致增加的亮度、局部独立照明和定向能
力。
[0008] 根据本发明的第一方面，提供了定向背光源设备，其包括：波导，其在用于接收输入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；光源阵列，其设置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置；以及控制系统，其被布置为选择性地操作光源以将光导向进入可选择的观察窗中，其中反射端会聚反射光，使得来自与波导光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，波导还包括在输入端和反射端之间并且在引导表面之间延伸的侧面，所述侧面为被布置为反射来自光源的光的平坦的表面，并且控制系统被布置为在对第一光源进行选择性的操作以将光导向进入观察窗中时，同时操作第二光源，该第二光源将由反射端反射并且然后由波导的侧面反射的光导向进入波导的外部，所述外部未被第一光源照明。
[0009] 根据本发明的第二方面，提供了定向背光源，其包括波导，其在用于接收输入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；以及光源阵列，其设置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置，其中反射端会聚反射光，使得来自与波导的光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，并且波导还包括在输入端和反射端之间以及在引导表面之间延伸的侧面，所述侧面被布置为将从光源入射的光反射进入波导的外部，所述外部未被该光源照明。
[0010] 根据本发明的第三方面，提供了定向背光源装置，其包括：波导，其在用于接收输入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；以及光源阵列，其设置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置，其中反射端会聚反射光，使得来自与波导的光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，并且该定向背光源装置还包括第二光源阵列，其沿波导的每个侧面设置，所述侧面在输入端和反射端之间以及在引导表面之间延伸并且被布置为将光提供给波导的所述外部。
[0011] 根据本发明的第四方面，提供了定向显示装置，其包括：波导，其在用于接收输入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；光源阵列，其设置在跨波导输入端的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置；以及透射空间光调制器，其跨波导延伸以便调制从其输出的光，其中空间光调制器仅跨波导的区域的一部分延伸。
[0012] 根据本发明的第五方面，提供了背光源设备，其包括：定向波导，其在用于接收输入光的输入端和用于穿过定向波导将输入光反射回的反射端之间延伸，该定向波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，其中第二引导表面具有面向反射端的多个光提取结构特征并且被布置为，在穿过所述第一引导表面的不同方向上，反射来自跨所述输入端的不同输入位置的、从所述反射端穿过所述定向波导引导回来的光，所述不同方向取决于所述输入位置；以及光源阵列，其被布置为在跨定向波导输入端的不同输入位置处照明定向波导，其中反射端会聚反射光，使得来自与定向波导的光轴偏离的光源的反射光未照明定向波导的外部；背光源结构，其被布置为跨所述定向波导的第二引导表面延伸，并且被布置为穿过定向波导提供照明，所述定向波导包括未被偏离光源照明的外部。
[0013] 因此，本发明的第一至第五方面中的每一方面提供了这样的结构，该结构对在其他方面未被光源照明的波导外部提供照明。本发明的第一至第五方面可以任何组合一起应用。
[0014] 根据本发明的第六方面，提供了自动立体显示设备，其包括：显示装置，其包括像素阵列，所述显示装置为可控的以将显示在全部像素上的图像导向进入具有不同位置的可选择的观察窗中；以及控制系统，其可以3D操作模式和2D操作模式操作，在3D操作模式中，控制系统被布置为控制显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将所显示的图像导向进入对应于观察者的左眼和右眼的横向方向上的位置的观察窗中，而在2D操作模式中，控制系统被布置为控制显示装置以显示连续的2D图像，其中显示装置还包括跨显示装置延伸的角度相关的漫射膜，具有这样的特性，即以在横向方向上围绕膜的法线的第一范围内的角度入射的光不成角度地漫射，但是以所述第一范围之外的横向方向上的第二范围内的角度入射的光成角度地漫射。
[0015] 进一步根据本发明的第六方面，提供了波导结构，其包括：波导，其在用于接收输入光的输入端和用于将输入光穿过波导反射回的反射端之间延伸，该波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，该波导被布置为将来自跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在从反射端反射之后在分布在横向方向上的输出方向上反射，所述输出方向取决于输入位置；以及角度相关的漫射膜，其跨波导延伸，具有这样的特性，即以在横向方向上围绕膜的法线的第一范围内的角度入射的光不成角度地漫射，但是以所述范围之外的横向方向上的第二范围内的角度入射的光成角度地漫射。
[0016] 根据本发明的第六方面，漫射膜可以相对较低的设备成本在2D操作模式中提供增大的视角，其也能够使用时分多路复用技术提供3D操作模式。
[0017] 本发明的第六方面可与本发明的第一至第五方面中的任一者组合应用或与它们的任何组合一起使用。
[0018] 根据本发明的第七方面，提供了定向照明设备，其包括：用于导向光的成像定向背光源，其包括：用于引导光的波导，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；以及用于将光提供给成像定向背光源的照明器阵列；以及附加光学元件，其改变成像定向背光源的光学系统以提供基本上均匀的2D照明模式。
[0019] 根据本发明的第八方面，提供了阶梯式成像定向背光源设备，其包括：用于引导光的阶梯式波导，其中所述波导包括；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，该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，其中所述提取结构特征导向光离开阶梯式波导；第一照明输入表面，其位于第一光引导表面和第二光引导表面之间，第一照明输入表面可操作以接收来自第一光源阵列的光；用于将光提供给阶梯式成像定向背光源的照明器阵列；以及附加光学元件，其改变阶梯式成像定向背光源的光学系统以提供基本上均匀的2D照明模式。
[0020] 根据本发明的第九方面，提供了成像定向背光源，其包括：位于波导的第一末端的
输入侧；位于波导的第二末端的反射侧；位于波导的输入侧与反射侧之间的第一光导向侧面和第二光导向侧面，其中所述第二光导向侧面还包括多个引导结构特征和多个提取结构特征；以及附加光学元件，其改变成像定向背光源的光学系统以提供基本上均匀的2D照明模式，其中附加光学元件为光学发射器、成像小平面末端或替代光路中的至少一者。
[0021] 根据本发明的第十方面，提供了基本上均匀的2D照明模式的折叠式成像定向背光源系统，其包括，其包括：折叠式成像定向背光源，其包括：用于引导光且可操作以接收来自照明器阵列的光的第一波导；以及第二波导，其光学连接至第一波导并且可操作以接收来自照明器阵列的光，其中第一波导具有带有边缘小平面的第一边缘，并且第二波导具有带有边缘小平面的第二边缘，进一步地，其中边缘小平面提供基本上均匀的2D照明模式。
[0022] 本发明的任一方面可以任何组合应用。
[0023] 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。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。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。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。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。
[0024] 在实施例中，定向背光源的光学功能可由多个成像方向背光源系统提供，其中末端照明器的侧空隙区域可被填充。有利的是，此类布置方式可提供除相应的光学阀功能之外的光学功能，同时保持相应光学阀的高效率、较大后工作距离和薄的形状因数的优点。
[0025] 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，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。
[0026] 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。
[0027] 详细进行到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。
[0028] 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。
[0029] 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。
附图说明
[0030] 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：
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035] 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；
[0036] 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；
[0037] 图4A为根据本发明的示意图，其以正视图示出了包括弯曲光提取结构特征的定向显示装置中观察窗的生成；
[0038] 图4B为根据本发明的示意图，其以正视图示出了包括弯曲光提取结构特征的定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗的生成；
[0039] 图5为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第一观察窗的生成；
[0040] 图6A为根据本发明的示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用定向显示装置中第一观察窗的生成的一个实施例；
[0041] 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；
[0042] 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；
[0043] 图7为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；
[0044] 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；
[0045] 图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
[0046] 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；
[0047] 图11A为根据本发明的示意图，其示出了包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备；
[0048] 图11B为根据本发明的示意图，其示出了用于定向背光源的右侧离轴观察的不充分照明的左侧区域；
[0049] 图12A为根据本发明的示意图，其示出了用于定向背光源的左侧离轴观察的不充分照明的右侧区域；
[0050] 图12B为根据本发明的示意图，其示出了被布置为降低空隙外部的可见度的定向背光源的顶视图；
[0051] 图12C为根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置，该定向显示装置包括由边缘光源实现的外部区域之外的区域的定向背光源和空间光调制器；
[0052] 图12D为根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置，该定向显示装置包括由边缘光源实现的外部区域之外的区域的定向背光源和空间光调制器，其中定向背光源是锥形的；
[0053] 图13A为根据本发明的示意图，其示出了包括波导的定向背光源，该波导具有
抛光的传输边缘，以将光导向进入成对光源之间的空隙区域，同时允许不需要的光线离开引导件；
[0054] 图13B为根据本发明的示意图，其示出了包括波导的定向背光源，该波导具有抛光的传输边缘，以将光导向进入成对光源之间的空隙区域，同时允许不需要的光线离开引导件；
[0055] 图14A为根据本发明的示意图，其示出了具有成对光源以实现增加的照明面积的定向背光源的操作；
[0056] 图14B为根据本发明的示意图，其示出了具有成对光源以实现增加的照明面积的定向背光源的操作；
[0057] 图14C为根据本发明的示意图，其示出了具有成对光源以实现增加的照明面积的定向背光源的操作；
[0058] 图15为根据本发明的示意图，其示出了包括控制系统、光源阵列和定向波导的实施例，所述定向波导包括反射侧，该反射侧被布置为实现对空隙外部区域的填充，所述空隙外部区域由第一光源通过照明第二光源而形成；
[0059] 图16A为根据本发明的示意图，其示出了包括阶梯式波导的定向显示装置的顶视图；
[0060] 图16B为根据本发明的示意图，其示出了包括阶梯式波导的定向显示装置的顶视图；
[0061] 图16C为根据本发明的示意图，其示出了包括非准直反射端的定向显示装置的顶视图；
[0062] 图16D为根据本发明的示意图，其示出了包括阶梯式波导的定向显示装置的顶视图；
[0063] 图16E为根据本发明的包括光源的外部串的定向显示设备的正视图的示意图；
[0064] 图17A为根据本发明的两个伪影的示意图，所述伪影可出现在一侧上的定向显示设备的观察区域的边缘处；
[0065] 图17B为根据本发明的两个伪影的示意图，所述伪影可出现在图17A的相对侧上的定向显示设备的观察区域的边缘处；
[0066] 图17C为根据本发明的用于补偿定向显示设备的空隙部分的外观的一种方法的示意图；
[0067] 图17D为根据本发明的用于补偿定向显示设备的空隙部分的外观的另一种方法的示意图；
[0068] 图17E为根据本发明的用于补偿定向显示设备的空隙部分的外观的另一种方法的示意图；
[0069] 图18A为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中引入侧反射小平面以将光重新导向进入定向背光源系统的空隙区域中；
[0070] 图18B为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中引入侧反射小平面以将光重新导向进入定向背光源系统的空隙区域中；
[0071] 图18C为根据本发明的示意图，其示出了又一个定向背光源，其中引入侧反射小平面以将光重新导向进入定向背光源系统的空隙区域中；
[0072] 图19为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中侧全息膜将光重新导向进入定向背光源系统的空隙区域中；
[0073] 图20A为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中使用另外的光源以将光引入到光学阀的侧面；
[0074] 图20B为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中使用另外的光源以将光引入到光学阀的侧面；
[0075] 图20C为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中使用另外的光源以将光引入到光学阀的侧面；
[0076] 图21为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中局部光源阵列以受控角度发射光，以用于具有独立窗控制的广角均匀观察；
[0077] 图22A为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中背光源邻近光学阀放置；
[0078] 图22B为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中背光源邻近光学阀放置；
[0079] 图22C为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中背光源邻近光学阀放置；
[0080] 图23为根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中光源阵列在邻近背光源之间改变位置；
[0081] 图24为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中光在照明背光源系统之间转换；
[0082] 图25A为根据本发明示意图，其示出了定向显示装置，由此，角度相关的漫射体用于将高角光线漫射至大于通常从成像定向背光源导向的那些高角光线的程度；
[0083] 图25B为根据本发明的示意图，其示出了角度相关的漫射体的侧视图；
[0084] 图25C为根据本发明的示意图，其示出了角度相关的漫射体的侧视图；
[0085] 图25D为根据本发明的示意图，其示出了被布置为提供广角观察的自动立体定向显示装置中的角度相关的漫射体的布置方式；
[0086] 图26为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中使用可转换的漫射元件漫射照明光；
[0087] 图27为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中可通过将定向背光源的底部表面与漫反射元件光学
接触，从而以漫射形式提取引导光；
[0088] 图28为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中可通过
电铸材料表面材料将定向背光源的底部表面与漫反射元件光学接触，从而以漫射形式提取引导光；
[0089] 图29为根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中使
电润湿材料从反射小平面后面移动进入成像定向背光源的引导区域，从而迫使光离开并反射离开漫射表面；
[0090] 图30为根据本发明的被布置为实现空隙部分的减小可见度的楔形定向背光源的顶视图的示意图；以及
[0091] 图31为根据本发明的楔形定向背光源的侧视图的示意图。
具体实施方式
[0092] 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在多个时隙内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。
[0093] 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。
[0094] 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。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。
[0095] 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。例如，成像到65mm宽的观察窗的16mm宽的照明器可需要200mm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。
[0096] 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(通常竖直)方向上移动时包含相同图像。
[0097] 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。
[0098] 一般而言，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置为将来自多个光源的照明沿至少一条轴线导向穿过显示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。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。这样，来自多个光源中的每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。
[0099] 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，et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004) 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处于整个观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自3M的BEFTM提供。然而，此类方向性对于相应光源中的每个而言可基本上相同。因此，出于这些原因以及对于普通技术人员应当显而易见的其他原因，常规非成像背光源不同于成像定向背光源。边缘照明式非成像背光源照明结构可用于
液晶显示系统，诸如2D膝上型计算机、监视器和电视中看到的那些。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；通常为引导件的表面中的局部压痕，所述局部压痕引起光损耗而不论光的传播方向如何。
[0100] 如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光源和阀定向背光源(“v-DBL”)的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空间光调制器(虽然空间光调制器有时在本领域中可一般称为“光阀”)。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠式光学系统的光学阀。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，可入射到成像
反射器上，并且可反向传播，使得光可通过反射离开倾斜的光提取结构特征而被提取，并导向至观察窗，如美国专利申请No.13/300,293中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。
[0101] 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为阶梯的多个提取结构特征的多个光引导结构特征。
[0102] 在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入侧传播到反射侧并且可在基本上无损耗的情况下传输。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。
[0103] 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，其被布置为提取沿基本上平行的波导反向传播的光。
[0104] 用于与LCD一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”，所有这些专利全文以引用方式并入本文。
[0105] 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特征。由于光沿着阶梯式波导的长度传播，光可基本上不改变相对于第一侧和第一组表面的入射角，因此在这些内面处可不达到介质的临界角。光提取可有利地由第二组表面(阶梯“
立板”)实现，所述第二组表面斜向于第一组表面(阶梯“
踏板”)。应当注意，第二组表面可不为阶梯式波导的光引导操作的部分，但可被布置为由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允许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。
[0106] 图1A是示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图，并且图1B是示意图，其示出了图1A的定向显示装置中的光传播的侧视图。
[0107] 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–照明器元件15n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、SLM 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。
[0108] 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。将照明器元件15a–照明器元件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
[0109] 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的多个光提取结构特征12，并且被布置为跨不同方向上的输入端从不同输入位置穿过第一引导表面反射穿过定向波导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。
[0110] 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阶梯式形状，所述阶梯式形状可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。
[0111] 光提取结构特征12被布置为将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于照明元件15a-照明元件15n被布置在不同输入位置，所有来自相应照明元件15a-照明元件15n的光在那些不同的方向上被反射。这样，照明元件15a-照明元件15n中的每个将光导向进入分布在横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置。
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，照明器元件15a–照明器元件15n可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗。光学窗可单独使用或成组地用作观察窗。
[0112] SLM 48跨波导延伸并且调制从其输出的光。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。
[0113] 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15n的阵列，其沿着阶梯式波导1的薄的端侧面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面4时可基本上或完全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的底部侧面的引导结构特征10的提取结构特征12可具有大于临界角的倾斜角，并且因此在第一方向上沿着+x传播的基本上所有光都可能错过该提取结构特征12，从而确保基本上无损耗的前向传播。
[0114] 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，该角展度可增大，但根据提取结构特征12的反射特性，该角展度也可一定程度地减小。
[0115] 在具有未带涂层的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)失效时反射可减少，从而压缩xz角轮廓并偏离法线。然而，在具有带银涂层或
金属化提取结构特征的其他实施例中，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中的各照明器元件15a–照明器元件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-照明器元件15n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1A中所示。
[0116] 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100Hz)LCD面板SLM 48的后方。在同步中，可选择性打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至照明器元件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。在最简单的情况中，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竖直方向上延伸的一维观察窗26或光瞳，其中水平间隔的两只眼均可观察到左眼图像；并提供另一个观察窗44，其中两只眼均可主要观察到右眼图像；并提供中心位置，其中两只眼均可观察到不同图像。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。
[0117] 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。
[0118] 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可包括照明器输入侧2、反射侧4、可基本上平坦的第一光导向侧面6、以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16，可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导结构特征
10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射侧4。虽然反射侧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4。
[0119] 继续讨论图3，反射侧4所反射的光线18可进一步通过反射侧4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的尺寸、侧面4和提取结构特征12中的输出设计距离和光焦度决定。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。
[0120] 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的光线在阶梯式波导1中的进一步引导。每条输出光线从相应照明器14朝相同观察窗26导向。因此，光线30可与光线20相交于窗26中，或在窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导1的侧面22、24可为透明的表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取结构特征12可为延长的，并且光提取结构特征12在光导向侧面8(光导向侧面8在图3中示出，但在图4A未中示出)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。
[0121] 图4B是以正视图示出光学阀的示意图，所述光学阀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和光提取结构特征12上的反射端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。
[0122] 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，其中反射侧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可配合形成实像，如图4A所示。图4B的布置方式可实现照明器元件15c到观察窗26中横向位置的成像的改善像差。改善像差可实现自动立体显示器的扩展观察自由度，同时实现低串扰水平。
[0123] 图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置具有基本上线性的光提取结构特征。另外，图5示出了与图1类似的组件布置方式(并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。
[0124] 图6A是示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例，图6B是示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用成像定向背光源设备中的第二观察窗的生成的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。另外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成照明窗26。照明器阵列15中的照明器元件组31可提供朝观察窗26导向的光锥17。图6B示意性地示出了照明窗44的生成。照明器阵列15中的照明器元件组33可提供朝观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器配合的情况下，可按顺序提供窗26和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、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、33各自包括来自照明元件15a至照明元件15n的一个或多个照明元件，其中n为大于一的整数。
[0125] 图7是示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施例。如图7所示，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明器元件15a至照明器元件15n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在图7中未示出)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，用本文所述的所有定向背光源可实现类似的操作。
[0126] 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的这两个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。
[0127] 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。另外，如图9所示，虽然第一观察者45能够观察到装置50上的图像，但光不朝第二观察者47导向。因此，防止第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的每个实施例可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示器功能。
[0128] 图10是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的结构。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，其被布置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可被布置为进一步延伸窗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被布置为提供单独照明区域的均匀光源和空间光调制器。作为另外一种选择，照明器元件可包括一个或多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用振镜扫描器或MEMS扫描器，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，并且还提供散斑的减少。作为另外一种选择，照明器阵列15可为激光发射元件的阵列。另外，在一个例子中，漫射体可为
波长转换
磷光体，使得可在不同于可见输出光的波长处照明。
[0129] 另一个楔型定向背光源由美国专利No.7,660,047大体讨论，该专利全文以引用方式并入本文。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离开。通过比较，以一定角度输入至光学阀的阶梯式波导的光可从跨第一侧的点输出，其中输出角由输入角确定。有利的是，光学阀的阶梯式波导可不需要另外的光重新导向膜来朝向观察者提取光，并且输入的角不均匀度可不提供跨显示表面的不均匀度。
[0130] 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。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。
[0131] 图11A为示意图，其示出了包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备。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修改的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个。定向背光源包括波导1和如上所述布置的照明元件15a-照明元件15n的阵列15。控制系统被布置为选择性地操作照明元件15a-照明元件15n以将光导向进入可选择观察窗内。
[0132] 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配合以在观察平面处实现观察窗。透射空间光调制器48可被布置为接收来自定向背光源的光。在SLM 48上显示的图像可与阵列15的光源的照明同步呈现。
[0133] 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，诸如被布置为确定观察者408的位置的相机；和头部位置测量系统404，其可例如包括
计算机视觉图像处理系统。在图11B中，位置传感器406可包括已知的传感器，包括具有被布置为检测观察者脸部位置的相机和图像处理单元的那些传感器。位置传感器406还可包括立体传感器，其被布置为相比于单视场相机改善对纵向位置的测量。作为另外一种选择，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。
[0134] 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。
[0135] 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，其被布置为通过驱动线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。
[0136] 图像控制器403被布置为控制SLM 48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SLM 48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像而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。在一个例子中，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。
[0137] 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至观察者的右眼，而在第二阶段导向至观察者的左眼。
[0138] 图11B为示意图，其示出了用于定向背光源的右侧离轴观察的不充分照明的左侧区域。不充分照明的区域在本文可被称为空隙区域或外部120。图12A为示意图，其示出了用于定向背光源的左侧离轴观察的不充分照明的右侧区域。另外，图11B和图12A示出了从向右定位和向左定位的离轴光源发出的光线的发散度、反射/折射和提取，所述光线远离引导件传播以形成用于光学阀的对应离轴观察窗26。因此，定向背光源包括如上所述布置的波导1。
[0139] 阵列15的光源243可被布置在波导1的光轴238上，所述波导布置有基本上矩形的输出区域(忽略侧面4的垂度)。通过反射侧4会聚来自光源243的发散光线，以在具有光线245、247的波导内产生准直光束，所述光线245、247平行于波导1的侧面244、246。因此，对于光源243而言，光可从跨波导1的整个宽度输出。
[0140] 侧面4包括会聚反射光的反射端，使得与波导的光轴偏离的光源未照明波导的外部。反射端的会聚限定应用于来自相应的光源的入射光束的会聚。所述会聚并非是指光束的会聚。因此，从反射端反射的光束的可为准直的或会聚的，但也可为发散的，并且其发散度低于反射端上入射光束的发散度。因此，反射端会聚反射光，使得来自与波导的光轴偏离的光源的反射光未照明波导1的外部120。
[0141] 对离开两个系统中的成像反射镜/透镜的这些光线进行重新导向的效果是在基本上没有光的提取区域内的外部120中形成空隙区域。当从照明器的左侧观察时，三角形空隙区域可能出现在右边，并且随着观察者离轴移动更远，三角形空隙区域的尺寸可增加。位于右边的观察者可在其左边对称地看到类似的三角形部分120。对观察者而言这些部分
120呈现暗的。在一些情况中，可能实用的是将提取区域(包括结构特征10、12)的尺寸加大以避免具有显示面板的有效区域的这些
缺陷部分重叠。更希望在不将尺寸加大的情况下避免光缺陷和任何相关联的在全部视角的整个提取区域上的亮度不均匀，和/或实现与常规的2D照明兼容的高角性能。
[0142] 图12B为示意图，其示出了被布置为降低空隙外部120的可见度的定向背光源的顶视图。在准直输出的侧面4处的反射端可由形式251提供。然而，如果增大
曲率半径，则向反射端提供形式253。此类用于侧面4的形式在反射之后在波导1内产生发散光束，使得紧邻侧面246的光线255平行于或接近平行于侧面246。因此，减小或消除了部分120的尺寸。另外，侧面4可为平坦的。此类布置方式因此有利地减小了给定显示区域和视角的所需的波导的尺寸。不利的是，最佳观察窗距离使波导1的长度变得下降。观察窗性能的此类变化改变了波导在竖直方向上的成像特性，使得串扰、针对移动观察者的图像闪烁以及亮度可在竖直方向上变化。
[0143] 以下设备基于并包含图1至10的结构。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设备，但为了简单起见，将不再重复。
[0144] 图12C为示出了定向显示装置示意图，所述定向显示装置包括如上所述的定向背光源和仅跨波导1的区域的一部分延伸的空间光调制器48。因此，在外部120、223之外的整个SLM 48未被边缘光源14照明。有利的是，当将具有边界221的SLM 48导向至观察窗26时，其不接收来自部分120的光，使得观察者无法看到部分120、223。
[0145] 图12D为示出了定向显示装置的示意图，所述定向显示装置包括如上所述的定向背光源和仅跨波导1的区域的一部分延伸的空间光调制器48。因此，在外部之外的整个SLM48未被边缘光源14照明。在该例子中，在输入端2和反射端4之间延伸的波导1的侧面
225、227从输入端2至反射端4发散，使得波导1为锥形的。因此，末端4的宽度大于末端
2的宽度。SLM 48具有在波导1区域之内的边界221以避免非波导区域的可见性。有利的是，减小波导1的尺寸，使得另外组件229诸如电子组件可被引入到另外可能为空隙的区域中。
[0146] 图12C和图12D的实施例增加了定向显示装置的尺寸，因此希望以其他方式填充所述部分，如将在下列实施例中描述。
[0147] 图13A为示出了成像定向背光源的示意图，所述成像定向背光源包括如上所述的波导1，其中波导1的侧面234、236在输入端2和反射端4之间以及在引导表面之间延伸，所述侧面为平坦的平面并被布置为将光反射进入由光源14形成的空隙部分120中。另外，图13A为这样的实施例，其中波导1的侧面234和236可被抛光并且任选地涂覆有宽带减反射(BBAR)涂层。侧面234和236可具有反射涂层，或者可通过全内反射来反射，在该情况下，它们无需具有反射涂层。部分120可基本上缺乏来源于具有位置249的光源14(其可称为第一光源)的返回照明光线并且在末端4处反射。在该例子中，侧面234和236平行于彼此并且平行于波导的光轴。
[0148] 当操作光源14(称为第一光源)时，可同时操作定位在光轴238的相对侧上并且具有与位置249大约等距的位置261的光源232(称为第二光源)，以将光导向进入与第一光源14相同的观察窗中。光线162在最靠近部分120的侧面234处经历反射。反射可通过在侧面234上的金属涂层或优选地通过全内反射而实现。因此，在波导1中光线233可平行于光线235。因此，具有所需方向性的光线可被布置为在由第一光源14形成的空隙区域内传播。这样，可将来自第一光源14和第二光源232的光线导向进入相同的观察窗中，并且将光导向至用于给定离轴位置的观察窗的波导区域增加。另外，侧面4可被布置为在波导内实现准直光，使得波导的成像性能对于所有竖直位置大致相同。对于给定SLM48尺寸有利的是，可减小波导的宽度，从而减小
挡板尺寸和成本。
[0149] 因此光源14和232可被布置为与SLM上的一个图像的呈现时序同步被照明。因此，光源14和232可为例如左眼照明光源。另外，阵列15的光源可各自包括多个发光元件，并且光源之间的间隙可基本上减小或移除。
[0150] 此类显示器可被布置为利用在大多数或全部波导区域上的照明来实现在宽视角上的自动立体照明。
[0151] 另外，通过打开照明器阵列15的所有光源，则基本上很少甚至没有空隙部分120可存在并且可实现广角2D照明。
[0152] 图13B为示出了具有波导1的折叠式成像定向背光源的示意图，所述波导具有抛光的传输边缘以将光基本上导向进入成对光源14、232之间的空隙区域，同时允许不需要的光线离开波导。另外，图13B示出了来自光源14从侧面234反射的光线239可通过侧面236离开系统，因此基本上避免了对系统的任何杂散光污染，并且有利地减小了图像串扰和显示均匀度。
[0153] 图14A为具有成对光源用于增加的照明面积的折叠式成像定向背光源的操作的示意图。另外，图14A示出了通过光源对242和243对空隙的区域247和248的对称填充。该成对操作可基本防止任何空隙区域，并且可用于定向照明应用诸如自动立体显示器。例如在图14B中，光源244可用于照明左眼图像，而光源245可用于照明右眼图像。图14B为示出了具有成对光源用于波导1上的增加照明面积的定向背光源的操作的示意图。此外，对于其中光源对242、243基本上不重叠的大多数至所有情况，可实现这种布置方式。
[0154] 图14C为示出了用于轴向观察的定向背光源的操作的示意图。在中央观察位置，相应的左眼光源263和右眼光源265通常被布置在光轴238的任一侧。期望照明光源263以照明部分267，并且照明光源265以照明部分269。然而，在充当第一光源至第二光源时，此类光源处于相反的
相位中，因此会在3D模式中形成串扰。因此，此类布置方式有利地实现了对外部267、269的2D填充，但在3D操作中保留一些空隙区域。因此，期望使波导1的尺寸相比于SLM 48略微偏大，以避免部分267、269的可见性，使得空间光调制器48仅跨如上所述的波导1的区域的一部分延伸。
[0155] 因此，可能存在基本上完全重叠，其可导致使用单个光源2464、247并且存在空隙区域246。然而，在高角度处的成对操作可增大立体视角，而不引入比从近乎垂直观察看到的空隙区域更大的空隙区域。
[0156] 可通过在图11A中示出的控制系统来操作设备，如上所述。图15为示意图，其示出了对控制系统的操作以进一步提供与第一光源14配合的对第二光源232的驱动。
[0157] 图15为示出了定向显示设备的示意图，所述定向显示设备包括控制系统406、404、402、400以及包括光源阵列15和定向波导1的定向显示装置，所述定向波导包括反射侧234、236，所述反射侧被布置为通过照明第二光源232实现对由第一光源14形成的空隙外部120的填充。因此，驱动线411被驱动以照明形成空隙外部120的光源14。部分120可接收来自由线412驱动的光源232的照明。将来自光源234的光线233朝侧面4处的会聚反射镜导向并且朝侧面234反射，在该表面处，光线经历反射并且平行于光线235导向。
因此，具有相同输出方向性(因此被导向至相同观察窗)的光线可在由光源14形成的部分
120中实现。有利的是，波导1可被看到，从而为相应观察窗26中的观察者产生跨波导1整个区域的光。因此，增大了照明区域的尺寸，并且可减小用于给定SLM 48尺寸的波导1尺寸，从而减小挡板尺寸和装置成本。另外，增大了照明均匀度并且可能延伸观察自由度。
[0158] 因此，定向背光源包括波导1，所述波导1在用于接收输入光的输入端2和用于将输入光反射回穿过波导的反射侧4之间延伸；波导1具有在输入端2和反射侧4之间延伸以用于沿波导1来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面(分别包括侧面6和结构特征10、12)，其中第二引导表面具有面向反射端4的多个光提取结构特征12并且被布置为跨不同方向上的输入端2从不同输入位置穿过第一引导表面6反射光，所述光穿过波导1从反射侧4引导回，所述不同方向取决于输入位置；光源阵列15，其在跨波导1的输入端2的不同输入位置处；以及控制系统，其被布置为选择性地操作光源14、232以将光导向进入可选择的观察窗26中，其中反射端4会聚反射光，使得来自与波导的光轴偏离的光源14的反射光未照明波导1的外部120，波导还包括在输入端2和反射端4之间以及在引导表面之间延伸的侧面234、236，所述侧面为被布置为反射来自光源232的光的平坦的表面，并且控制系统406、404、402、400被布置为在对第一光源14进行选择性操作以将光导向进入观察窗26中时，同时操作第二光源232，该第二光源将由反射端4反射然后由波导1的侧面234反射的光导向进入波导1的外部120，所述外部120未被第一光源14照明。
[0159] 可选择第二光源232以将光导向进入与第一光源14相同的观察窗26中。波导1的侧面234、236可为平行的。波导1的侧面234、236可被布置为通过全内反射反射来自光源的光。波导1的侧面234、236可具有反射涂层。
[0160] 另外，显示设备可包括定向背光源设备和透射空间光调制器48，所述透射空间光调制器跨定向背光源设备延伸以用于调制从其输出的光。空间光调制器48可跨波导1的第一引导表面6延伸。显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统被布置为控制空间光调制器48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像，并同步地操作光源以将光导向进入对应观察者408的左眼和右眼的位置中的观察窗26。显示器还可包括传感器系统，其被布置为检测观察者408相对于显示装置的位置，控制系统根据所检测到的观察者的位置，将所显示的图像导向进入对应于观察者408左眼和右眼的位置中的观察窗26。
[0161] 其中波导1的侧面244、246不平行的实施例可有利地在第一光源14和第二光源232的相对位置249、261中实现所需差异。
[0162] 图16A为示出了包括阶梯式波导1的定向显示装置的顶视图的示意图，其中波导的侧面244、246从输入端2至反射端4以角255发散。因此，位置261距光轴238的距离比位置249小。因此，来自第二光源232的光线162在侧面244处反射之后被导向至部分120内，使得反射光线233平行于来自第一光源14的反射光线235并且被导向至相同的观察窗。有利的是，波导具有锥形区域，使得电子器件或其他组件229可定位在锥形区域，从而减少了波导1对显示器挡板之外的区域的使用。通过控制光源232相对于轴线238的位置，可填充空隙部分120。另外，因为光源232更靠近光轴238，所以来自第二光源232的照明的亮度输出可更接近地与来自第一光源14的照明的亮度匹配，如将在下文描述。
[0163] 图16B为示出了包含阶梯式波导1的定向显示装置的顶视图的示意图其中，波导的侧面244、246从输入端2至反射端4以角255发散。对于轴向观察位置而言，在不生成图像串扰的情况下，不太可能提供补偿光源诸如图16A中的光源232。例如，用于右眼观察窗的补偿光源可为相同的光源以实现相应的左眼观察窗。因此，补偿将形成不期望的图像串扰。此类光源可称为不可补偿的光源。因此，来自不可补偿的光源500的边缘的光线504被侧面4导向以形成空隙区域502。此类空隙区域不能由补偿光源填充而所述光源不产生图像串扰，诸如如果光源501被照明则为所述情况。因此，相比于空间光调制器48的宽度，阶梯式波导1必须具有在每个侧面由距离506加大尺寸的最小宽度。
[0164] 因此，如果末端4处的反射器被布置为提供来自阵列15的单个光源的准直光，则输入侧2的宽度可由距离506加大尺寸，使得离
轴距离较短的光源被布置为填充空间光调制器48的孔。该较短距离可例如为距在窗平面106中提供观察窗的轴线238的距离，所述观察窗偏离65mm至90mm。有利的是，左眼空隙区域可通过补偿在右相位中的光源而避免照明，反之亦然。
[0165] 有利的是，加大阶梯式波导1的尺寸可实现对于靠近显示器的光轴的观察位置的均匀照明。
[0166] 图16C为示出了包括非准直反射端4的定向显示装置的顶视图的示意图。通过与对于图12B所述的方式相似的方式，在反射后提供来自光源500的准直输出的末端4的形式251(至少包括半径和二次曲线常数)被形式253(包括比形式251的半径更大的半径)替代，该形式253在光线504的反射后提供来自光源500的发散输出。另外，提供了针对侧面246的角255以实现对光源的空隙的填充，所述光源比光源500离轴更多。相比于图12B，不需要光源阵列来填充输入侧2的整个宽度来实现广角观察特性。有利的是，消除图
16B的空隙区域502并减小或移除加大尺寸的距离506。另外，光源阵列15相比于图12B的平行侧布置方式具有降低的成本。
[0167] 图16D为示出了包括锥形波导1的定向显示装置的顶视图的示意图，其中波导的侧面244、246从输入端2至反射端4以角257会聚。
[0168] 因此，位置261距光轴238的距离比位置249更大。因此，来自第二光源232的光线162在侧面244处反射之后被导向至部分120内，使得反射光线233平行于来自第一光源14的反射光线235并且被导向至相同的观察窗。有利的是，波导1具有锥形区域，使得电子器件或其他组件229可定位在锥形区域，从而减少了波导1对显示器挡板之外的区域的使用。通过控制光源232相对于轴线238的位置，可填充空隙部分120。另外，由于光源232距光轴238更远，如图14C中所示的用于靠近光轴的观察位置的区域267、269的尺寸减小，因为第二光源232可在较小离轴观察位置处打开而不形成不期望的图像串扰。有利的是，可减小挡板尺寸和波导成本。
[0169] 图16E为包括光源的外部串的定向显示设备的正视图的示意图。LED驱动器400被布置为独立地驱动如上所述的光源阵列15。期望减小对于观察自由度边缘处区域(例如在2D区域中)的LED驱动的成本。另外，可由驱动线454驱动并且被布置为LED串的光源452例如可被布置在阵列15的边缘处，其中由单个驱动器450驱动多个LED。相比于阵列15的光源，输入孔的每单位长度可用的光源452更少。有利的是，广角操作可例如与漫射体256配合实现，并且相比于被独立驱动的阵列15的光源，可降低光源成本和驱动器成本。
[0170] 图17A示出了跟踪定向显示设备的实施例，其中相机5202和观察者位置感应系统(未示出)与发光元件照明器阵列15配合以产生子窗阵列5204。观察者可被定位成使得右眼5206位置被布置为接近子窗阵列5204的末端。当在光学阀5200的表面上观看时，来自发光元件照明器阵列15的照明可展示两个伪影：黑暗三角部形分5210(主要由于将光导向至离轴位置时光学阀的侧面4的成像)；和暗带伪影5208(主要由于从远离窗平面的纵向位置观察时发光元件阵列的成像)。暗带伪影5208在窗平面处可能是不可见的，而部分5210在远离窗平面处可被看到。有利的是，主要取决于观察者位置的这些伪影的可见度可通过相机5202和观察者位置感应追踪/系统中的一者或两者来检测。在检测后，可如本文所述采取适当措施以将伪影5208、5210的可见度降至最低。
[0171] 图17B示意性地示出了当观察者的眼睛位置5206在窗阵列5204的另一侧上并且部分5210和黑条伪影5208相对于图17A颠倒时的跟踪定向显示设备的实施例。
[0172] 图17C示意性地示出了定向显示设备的实施例，其中可通过借助寻址照明器阵列15的相应发光元件14、232打开另外子窗5214来补偿黑暗部分5210的外观。对于右眼5206位置在子窗阵列5204的右手侧的观察者而言，相应的子窗5214由边缘5216反射并且呈现为在位置5218处基本上被
覆盖。因此，此类子窗5214照明部分5210。有利的是，黑暗三角形5210的外观可通过子窗照明器5214补偿或“填充”，该外观可主要或仅由在位置5218处反射的观察者看到。有利的是，当与剩余子窗阵列5204的直接传播相比时，由在5216处反射后不同路径传播所引起的光学损耗可主要通过调整子窗5214或5204的强度来补偿。
另外，像差差异(诸如由于彗形像差)可通过对相应子窗5214位置的调整来补偿。
[0173] 图17D示意性地示出了定向显示设备的另一个实施例，其中部分5210可通过调整相应三角形区域中的SLM 5220的照明来补偿。对于已知的观察者眼睛5206位置而言，可确定部分5210的位置和形状，并且因此图像可相应地更新。与剩余照明5200相比，三角形5210的强度差异可通过调整SLM 5220的透射来补偿。具体地讲，与区域5224相比，用于区域5222中的SLM 5220的图像数据可略微衰减，使得效果为与跨整个SLM 5220看到的强度匹配。图17C和图17D中所述的补偿方法可单独使用或组合使用以改善显示系统的观察区域。有利的是，可通过对于部分5210的补偿来延伸观察者的观察自由度。
[0174] 图17E示出了定向显示设备的另一个实施例，其中可调整子窗5214中的照明和子窗阵列5204边缘处的照明以将区域5210和5200之间的过渡混合在一起，并且有利地改善观察者在子窗5204中看到的照明的均匀度。还示出了混合SLM 5220的区域5222和5224之间的边界的任一侧的透射。此类混合可包括强度和、或
颜色混合。有利的是，这两种方法可单独使用或组合使用以改善显示器的均匀度。
[0175] 图18A为示出了定向背光源的示意图，其中引入侧反射小平面172以将光重新导向进入定向背光源系统的空隙区域120中。另外，图18A示出了可能采用另外的具有定向背光源结构的反射小平面172的实施例。小平面172可反射来自光源14的光线174，否则该光线会被边缘吸收并且形成如前所述的没有照明光的区域。虽然反射光线163的角未精确地匹配从成像表面4反射的光线235，但来自整个光源照明器阵列15的组合光线可以用于高角照明的合适的角展度来填充部分120。阴影表面176可被制造为吸收性的，以基本上抑制来自入射光线178的不需要的反射。
[0176] 图18B为示出了另一个定向背光源的示意图，其中在输入端2和反射端4之间以及在引导表面之间延伸的波导1的侧面被布置为将从光源入射其上的光反射进入未被该光源照明的波导外部。具体地讲，所述侧面各自包括反射小平面阵列，所述反射小平面将光重新导向进入定向背光源系统的空隙部分120。另外，图18B示出了与图18C的定向背光源相关的定向背光源，其中面向小平面的底部可为基本上透明的，这可允许不需要的光线177离开系统。此类光线可由外部组件(未示出)吸收以减少系统中的杂散光。
[0177] 图18C为示出了另一个定向背光源的示意图，其中引入了侧反射小平面173以将光导向进入定向背光源系统的空隙部分120。另外，图18C示出了用于设计侧反射小平面角的几何形状。在一些显示系统中，光源1704和1706可出于2D目的而照明，而光源1702可为3D和其他方向观察提供高
质量窗。于是小平面角最好可设计成提供对来自光源1702组的最外侧光源的正确反射。考虑到外部光源，该外部光源定位在距光学阀系统的中心大约y处，该光学阀系统的宽度大约为W并且长度为L，沿侧面在邻近位置x处的大约小平面角φ的度数可由以下公式给出：
[0178]
[0179] 在本发明实施例中，弯曲末端4还可包括菲涅耳反射镜，其为具有与单个表面基本上相同曲率的反射镜，其包括小平面以进一步减小其厚度。
[0180] 参见图18C，其中侧面246可包括小平面化部分，在另一个显示器背光源的波导1中，小平面角可被布置为使角255与90-相同。有利的是，可减小波导1的宽度，使得挡板尺寸相应地减小。
[0181] 如果阵列15被布置有发光元件和输入侧2之间的气隙，则围绕波导1内的x轴的照明角将被限制在临界角内，例如波导内+/-42度。此类布置方式可能无法对要求更高照明角的离轴点实现足够的照明均匀度。通过借助折射率匹配材料将阵列15附接到输入侧，可增加波导内光的锥角，从而提供围绕波导内x轴的大致朗伯照明分布。
[0182] 图19为示出了另一个定向背光源的示意图，其中侧全息膜182将光重新导向进入定向背光源系统的空隙部分120。另外，图19为与图18A-图18C的实施例相关的实施例，其中反射小平面173可用具有与反射小平面相同光学功能的全息膜182代替。因此全息膜182可正确地反射光线184，该光线可填充照明区域并且可使不需要的光线188偏转出系统。
[0183] 图20A为示出了定向背光源的示意图，其中另外的光源130用于将光引入成像定向背光源(诸如包括波导1的光学阀)的侧面。另外，图20A示出了这样的实施例，其中可通过另外的发光元件130的阵列提供均匀2D照明，所述发光元件充当第二光源并且沿波导1的每个侧面设置，所述波导在输入端2和反射端4之间延伸并且被布置为以用于离轴观察的合适角度向波导1的外部120提供光。来自光源14的光可提供对示出的光学阀系统中最右侧观察窗的照明。反射光线134可限定相关联的右侧子照明部分120的边界。用于
16:9HD照明显示系统中极空隙部分120的限定角138可为大约42度。为了基本上照明这些区域，阵列130内的LED可将光以大约大于±21度的光线锥向下注入到引导件内。从光源132注入到部分120内的
极光线136可匹配要在极视角处提取的角138。
[0184] 当从高折射率引导材料提取时，外部视角可通过折射从内部传播角138放大。典型的背光源纵横比，例如16:9，可导致由拐角光源14照明的极窗为几乎180度偏离法线观察。用来自具有完整照明器阵列15的系统中的LED阵列130的侧向注入光填充照明空隙部分120然后可提供广角照明。
[0185] 图20B为示出了另一个定向背光源的示意图，其中另外的光源130用于将光引入光学阀的侧面，并且图20C为示出了另一个实施例的示意图，其中另外的光源用于将光引入光学阀波导1的侧面。另外，图20B和图20C为相关的实施例，其中波导的侧表面可被改变以有助于将光从外部光源阵列130耦合到引导件内。在图20B中，侧面可为抗反射盖覆的涂层139，而在图20C中波导1的侧面可为锯齿状的，使得它们包括面向第二光源130的小平面1300的阵列，从而向入射光线提供更多法向表面。在图20C的实例中，可允许入射到侧表面的来自照明器阵列15内光源的光线逃逸出引导件并且避免观察窗之间的污染。
[0186] 图21为示出了定向背光源示意图，其中局部光源阵列以受控角度发射光，以用于具有独立窗控制的广角均匀观察。具体地讲，波导的侧面包括透镜1302阵列，该透镜与相应的第二光源1304对准并且被布置为控制由第二光源1304所提供的光的方向。因此，图21为这样的实施例，其中来自光源1306的注入光1308可基本上由透镜1302在方向和角展度方面进行控制。独立寻址光源的阵列1304可以与输入照明器阵列15中的那些方式类似的方式打开和关闭，其可允许以极观察角形成精密的窗，从所述极观察角观察到均匀照明。
[0187] 图22A为示出了另一个定向背光源的示意图，其中背光源邻近光学阀放置，图22B为示意图，其示出了其中背光源结构153放置在波导1后方的侧视图。背光源结构153跨定向波导1的第二引导表面延伸并且被布置为穿过定向波导1提供照明，该波导包括未被偏离光源14照明的外部120。另外，图22B和图22C分别以前视图和侧视图示出了另一个实施例，其中背光源结构153放置在波导1后方。在这些设备的每个中，成像定向背光源结构的波导1的透射率有利地使来自另外光源的照明光以最小的影响基本上法向地通过。将2D LCD背光源系统153直接放置在独立光源152的后方可将来自用于独立定向照明和朗伯照明的每个结构的照明隔离。
[0188] 图22B示出了具有分开的组件的背光源结构153。系统组件可包括光源阵列152，其可将光照射进入楔形背光源波导154。来自光源阵列152的光可通过位于楔形波导154的厚末端的入口表面进入背光源引导件154。光可向下通过波导并且在光线反射离开结构155时朝LCD散射。折射离开相同结构(远离显示器)的光可从朗伯反射器156被反射回，该反射器在来自定向波导1的背光源波导154的相对侧上。交叉的棱镜膜157和158连同漫射膜159为调节膜，该调节膜可调节用于均匀明亮照明的光。虽然图22B的结构可仅仅呈现为在某些方面与定向系统类似，但图22B的结构通过光源成像可能不提供对观察窗的独立控制。
[0189] 图22C为示出了另一个定向背光源的示意图，其中背光源置于光学阀后方。图22C包括背光源系统153和光源阵列152。另外，图22C示出了输入照明器阵列15和提取结构特征1500。另外，图22C示出了这样的实施例，其中光学阀的提取结构特征1500可涂覆有反射器以避免光
泄漏进入较低的膜，同时基本上保持透射率。
[0190] 图23为示出了另一个定向背光源的示意图，其中两个分开的独立光源阵列(如图22A和图22B中所示)被单个阵列152(如图23中所示)替代。单个阵列152可在成像定向背光源的入口(图23中示出的是光学阀结构)和常规背光单元153之间物理地移动。具体地讲，光源阵列152示于上图中的位置(在该位置中其照明定向波导1的输入端2)和示于下图中的位置(在该位置中其照明背光源波导154)之间为可移动的。因此，显示设备被布置为与照明定向背光源1的相同光源阵列152一起使用来照明背光源波导154。物理移动可由
致动器引起或由其他物理装置引起。
[0191] 图24为示出了定向背光源的示意图，其中显示设备被布置为通过在照明背光源系统之间转换的光，与照明定向背光源1的相同光源阵列152一起使用来照明背光源波导154。背光源设备包括光学结构，该结构被布置为将光从光源阵列15选择性地导向至定向波导1的输入端或导向至背光源波导154。具体地讲，来自单个光源阵列152的光路可通过偏振
开关来改变。发射光可通过偏振元件(诸如线性偏振片164)偏振，然后通过液晶(LC)开关166在偏振中调制。竖直偏振的光然后可穿过偏振分束器(PBS)168并且可进入用于定向照明目的的光学阀。在另一个调制状态中，开关166可导致光水平地偏振，使得光偏转离开PBS 168和反射镜169，然后进入用于2D照明的背光源。与图24的实施例相关的实施例可使用其他光束偏转方法和/或装置，诸如电子可控的反射镜或基于电子可
变形的偏转元件的那些方法和/或装置。
[0192] 图25A为示出了包括波导结构的定向显示装置的示意图，其中跨波导1延伸的角度相关的漫射膜256用于将高角光线漫射至比从成像定向背光源法向导向的那些光线更大的程度。另外，图25A示出了具有空隙部分120的波导，通过先前所讨论的实施例中的任一者，该空隙部分已基本上用另外的角度相关的漫射膜256填充。漫射膜256可具有这样的特性，其不会成角度地漫射以在横向方向上围绕膜的法线的第一范围内的角度入射的光，但是成角度地漫射以更高的角度入射的光，该角度为所述第一范围之外的横向方向上的第二范围内的角度。因此，对于接近垂直入射的光，漫射膜呈现为透明的或非散射的。因此，对于轴向成像实现了观察窗26，同时对于离轴成像实现了更大横向范围的观察窗258。有利的是，可增大用于2D观察的显示器的视角。
[0193] 图25B为示意图，其示出了垂直于横向方向的角度相关的漫射膜256的操作和侧视图。在与图25A的实施例类似的系统中，这种组件可用于混合提供2D观察能力的高角光线，同时基本上保持用于诸如3D自动立体观察目的的近乎垂直的光的准确成像。
[0194] 图25C是示意图，其示出了高角度漫射体的一个示例性实施例。膜256包括在其上形成有层2512的
支撑层2510，其在两者间包括
单体混合物，其中低折射率的倾斜区域2514与高折射率的区域2516交替。区域2514和2516相对于膜256的法线是倾斜的。虽然该例子包括折射率不同的两个区域2514和2516，但一般来讲可存在折射率不同的另外区域。靠近区域2514、2516的倾斜角入射的光线2508可散射，这可能是由于层2514、2516之间的全内反射，而远离区域2514、2516的倾斜角入射的光线2504可直接透射。可通过堆叠彼此成角度布置的膜来实现多个散射方向，使得可利用水平方向或者水平和竖直方向上的外部漫射区域来实现中心透明窗。在非常高的入射角度下，该膜可能不再散射光。因此，膜256可在相对于膜256法线的第一范围中基本上透明，该第一范围在该例子中为0度至25度，并且可在相对于膜256法线的第二范围中基本上散射，该第二范围在该例子中为25度至55度。
[0195] 高角度漫射膜的例子由住友化学株式会社(Sumitomo Chemical Co.,LTD.)以商标产品名称“Lumisty”提供。
[0196] 图25D为示意图，其示出了被布置为提供广角观察的自动立体定向显示装置中的角度相关的漫射体的布置方式。漫射体256被布置为跨菲涅耳透镜62和不对称漫射体68之间的显示设备延伸。漫射体256可包括：第一层2561，其被布置为在相对于漫射体256的法线的水平方向上以从+25到+55度的子范围成角度地漫射光，并且在该输入光线角锥之外基本上不会成角度地漫射光；和第二层2561，其被布置为在相对于漫射体256的法线的水平方向上以从-25到-55度的子范围成角度地漫射光。因此，漫射体256相对于法线在从25至55度的第二范围内漫射光，并且在该观察锥之外以及相对于法线在25度内的第一范围内基本上不漫射光。如果需要的话，可添加另外的层以提供竖直方向上的漫射。
[0197] 如上所述，控制系统被布置在3D操作模式中以选择性地操作光源以将光导向进入对应于观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内，例如使用时分多路复用技术。控制系统还被布置为在2D操作模式中操作，例如通过跨SLM 48连续地显示相同的图像。有利的是，膜可提供增大的观察角，以用于在较低成本下在薄层中进行2D操作模式。在操作中，对于靠近轴向位置的跟踪观察者408而言，显示器作为自动立体显示器而操作，并且膜256基本上不影响显示器的输出特性。当观察者到达更高角度的位置时，观察者跟踪系统可确定不再需要自动立体操作并转换至2D操作。在这种情况下，阵列15的所有光源均可被照明。在大于25度的照明方向上，漫射体可提供用于稀疏分开的光源的增大视角。这可减小阵列
15的单独可控光源和边缘光源1304(如果存在)的数目和强度以及颜色匹配规格，从而有利地降低了光源和控制系统的成本。有利的是，层62、256、68可被布置在单个结构中以减少光损耗和复杂性。
[0198] 因此，自动立体显示设备可包括显示装置，其包括具有像素阵列的SLM 48，显示装置为可控的以将显示在全部像素上的图像导向进入具有不同位置的可选择的观察窗26中；和控制系统，其可以3D操作模式和2D操作模式操作，在3D操作模式中，控制系统被布置为控制显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将所显示的图像导向进入对应于观察者408的左眼和右眼的位置中的观察窗26内，而在2D操作模式中，控制系统被布置为控制显示装置以显示连续的2D图像，其中显示装置48还包括跨显示装置48延伸的角度相关的漫射膜256，该膜具有这样的特性，即以在围绕膜256的法线的第一范围内的角度入射的光不成角度地漫射，但是以所述第一范围之外的第二范围内的角度入射的光成角度地漫射。
[0199] 图25D的实施例可与本文所述的其他广角实施例中的任一者组合。一般来讲，当跨任何类型的自动立体显示设备延伸来应用漫射膜时，其可实现类似的优点，所述自动立体显示设备通过使用时分多路复用技术在3D操作模式中是可操作的，并且在2D操作模式中也是如此。
[0200] 图26为示出了定向背光源示意图，其中使用可转换的漫射元件漫射照明光。另外，图26示意性地示出了使用可转换的漫射体可重新导向成像光线的实施例。光线194可从成像定向背光源结构发出并且可在用于定向照明的窗平面内形成源图像。诸如
聚合物分散液晶装置192的可转换的漫射体可对第一状态中的光线产生最小的影响。电子地将第一状态改变为不同的漫射状态可用于破坏成像条件并将光196基本上均匀地传播以用于广角2D观察。
[0201] 图27为示出了定向背光源的示意图，其中通过将定向背光源的底部表面与漫反射元件202光学接触可以漫射形式提取引导光，该漫反射元件包括具有结构特征203、205的结构化的侧面和包括漫射表面209的漫射侧面。另外，图27为另一个实施例，其中通过引入漫射体可破坏成像定向背光源的成像条件。在图27中，漫反射元件202可被制造为在一种状态中光学分离，并且在另一种状态中与光提取结构特征光学接触。在第一状态中，光可不与漫射元件202相互作用。通过将元件202朝引导件物理地移动而产生光学接触可允许光通过破坏在光提取区域12处的全内反射条件而穿透漫射体结构。在第二状态中，气隙207可由倾斜侧面203、205、10、12提供以实现对在第一方向上穿过波导1而通过的光的引导。所得漫射光206可提供所需广角2D照明。
[0202] 图28为示出了定向背光源的示意图，其中可通过用电铸材料表面材料将定向背光源的底部表面与漫反射元件进行光学接触从而以漫射形式提取引导光，并且图29为示出了又一个实施例示意图，其中电润湿材料被制造为从反射小平面后移动进入光学阀的引导区域，迫使光离开和反射离开漫射表面。如图28和图29中分别所示，形成较低漫反射元件和成像定向背光源之间的光学接触的替代方法可被考虑，诸如电铸聚合物214或电润湿材料218。
[0203] 应当理解在以上实施例中，全定向背光源可包括另外的菲涅耳元件和漫射元件。
[0204] 图30为示出了自动立体显示装置的正视图的示意图，该自动立体显示装置包括楔形定向背光源并且包括成角度的侧面1244、1246。图31为示出了自动立体显示装置的侧视图的示意图，该自动立体显示装置包括楔形定向背光源，其被布置为实现横向和纵向操作。楔形定向背光源在美国专利No.7,660,047中有所描述，该申请以引用方式并入本文。光楔1104为波导，其具有输入端以及相对的第一引导表面和第二引导表面1106以用于沿光楔1104引导光，所述引导表面均为平坦的。光楔1104由光源阵列1101照明并且光通过在引导表面1106处的全内反射在楔的介质1104中传播。光楔1104具有由面向输入端的波纹反射镜形成的反射端1102，其用于将光从输入端穿过光楔1104反射回。第二引导表面倾斜成一定角度以将光在反射端1102处反射之后在破坏第一引导表面内的全内反射的方向上反射，使得光通过光的折射在第一引导表面处输出。
[0205] 通过与阶梯式成像定向背光源进行比较，未提供光提取结构特征。然而，该操作类似于光楔1104将来自跨输入端的不同输入位置处的光源阵列1101的光源的输入光相对于第一引导表面的法线在输出方向上导向，所述输出方向取决于那些输入位置。如上参考图11A和图11B所述的控制系统被布置为选择性地操作光源以将光导向进入对应于观察者左眼和右眼的位置中的观察窗内。
[0206] 光楔1104跨透射空间光调制器1110延伸，对该透射空间调制器提供输出光。空间光调制器1110包括调制光的像素阵列，其被布置在孔中并具有包括两条镜面对称的垂直轴线的形状。因为光从光楔1104以高折射角输出，所以跨光楔1104的第一引导表面延伸的棱镜元件1108充当偏转元件以使光朝空间光调制器1110的法线偏转。
[0207] 可以与图28中所示的方式类似的方式来布置倾斜的侧面1244、1246以实现对空隙部分120的填充。
[0208] 与阶梯式波导定向背光源相关的实施例可在必要时加以修改的情况下应用于本文所述的楔形定向背光源。
[0209] 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。
[0210] 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。
[0211] 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。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。此外，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。
