CN104272170A - 定向背光体 - Google Patents

Abstract

公开了定向背光体。定向背光体具有产生多个输入平面光束的多个光源。该多个输入平面光束照射定向背板，该定向背板具有将多个输入平面光束散射为多个定向光束的多个定向像素。每个定向光束具有通过该多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度。定向背光体可以用于通过确定定向背板中的定向像素的特性而产生3D图像。

Description

定向背光体

相关申请的交叉引用

本申请涉及提交于2012年4月27日的名称为“Directional Pixel for Use ina Display Screen”的PCT专利申请序列No.PCT/US2012/035573(律师案号No.82963238)，其被转让给本申请的受让人并且通过引用被结合于此。

背景技术

在显示屏中再生光场的能力是成像和显示技术中的重要需求。光场是在每个方向上穿过空间中的每一个点行进的所有光线的集合。如果提供关于穿过场景的所有光线的强度、颜色以及方向的信息，任何自然的、现实世界的场景可以完全通过其光场表现其特征。目标是使得显示屏的观众能够如同人们亲自体验场景一样地体验场景。

电视机、个人计算机、膝上型计算机以及移动装置中的目前可用的显示屏仍大部分是二维的并且因此不能够准确地再生光场。近来出现了三维(“3D”)显示器，但是其除了提供有限数量的视图外，角度和空间分辨率也不高。示例包括基于全息摄影、视差屏障或双凸透镜的3D显示器。

这些显示器之间的一个共同的主题是难以制造用于以像素级别精确控制以便对于大范围的可视角度和空间分辨率实现良好的图像质量的光场的显示器。

附图说明

联系下述结合附图进行的详细描述，可以更为全面地理解本申请，在附图中相似的参考标号自始至终表示相似的部件，并且在附图中：

图1图示了根据各种实施例的定向背光体(directional backlight)的示意图；

图2A-B图示了根据图1的定向背光体的顶视图；

图3图示了具有光挡板的定向背光体的示意图；

图4图示了具有多个单色光源的定向背光体的示意图；

图5图示了根据各种实施例的具有三角形状并且使用彩色光源的定向背光体；

图6图示了示出根据各种实施例的由定向背光体中定向像素的子集散射的光的方向的示意图；

图7图示了具有六边形形状并且使用彩色光源的定向背光体；

图8图示了具有六边形形状并且使用彩色LED带的定向背光体；

图9图示了具有圆形形状并且使用彩色LED带的定向背光体；

图10图示了图8的定向背光体的侧视图；

图11图示了根据各种实施例的由定向背光体形成的3D图像；以及

图12是利用根据各种实施例的定向背光体产生3D图像的流程图。

具体实施方式

公开了定向背光体。定向背光体利用多个光源产生用于定向背板的多个输入平面光束。定向背板由引导输入平面光束并将其一部分散射为输出定向光束的多个定向像素构成。输入平面光束在与定向背板基本上相同的平面中传播，该定向背板被设计为基本上平面的。

在各种实施例中，定向背板中的定向像素具有排列在定向背板中或定向背板顶部上的基本上平行的和倾斜的沟槽的图案化光栅。定向背板例如可以是将输入平面光束引入定向像素的透明材料的板(slab)，所述透明材料例如为氮化硅(“SiN”)、玻璃或石英、塑料、铟锡氧化物(“ITO”)或其他材料。图案化光栅可以由直接刻蚀在定向背板中的沟槽构成，或者可以由用沉积在定向背板顶部上的材料(例如，任何可以被沉积和刻蚀或剥离的材料，包括任何电介质或金属)制成的沟槽构成。。

在各种实施例中，多个光源包括多个频谱带宽约为30nm或者更小的窄带宽光源。例如，所述窄带宽光源可以包括发光二极管(“LED”)、激光器等。光源可以包括单色光源、多个单色光源、三色光源(例如，红色LED、绿色LED和蓝色LED)、或者三色LED带，每个三色LED带包括彩色LED阵列(例如，红色LED带、绿色LED带和蓝色LED带)。

多个光源可以相对于定向背板以不同的配置排列以避免一个光色(例如，红色)污染另一个光色(例如，蓝色)。此外，多个光源可以与透镜组件(例如，柱状透镜、与柱状透镜结合的非球面聚光透镜、微透镜等)一起使用，以将输入平面光束准直并会聚到定向背板中。多个光源还可以与光挡板或吸收器一起使用以提高效率并进一步将输入平面光束会聚到定向背板中。

如下面在这里更为详细地描述的，定向背板中的每个定向像素可以通过光栅长度(即，沿输入平面光束的传播轴的尺寸)、光栅宽度(即，与输入平面光束的传播轴交叉的尺寸)、沟槽取向、间距和占空比来确定。每个定向像素可以发出定向光束，该定向光束具有由沟槽取向和光栅间距决定的方向和由光栅长度和宽度决定的角展度。通过使用50％或50％左右的占空比，图案化光栅的第二(second)傅里叶系数变为零，从而防止了在其他不需要的方向上的光的散射。这确保了无论输出角度如何，只有一个定向光束从每个定向像素发出。

如下面在这里进一步详细地描述的，定向背板可以被设计为具有定向像素，所述定向像素具有被选择以产生给定3D图像的某个光栅长度、光栅宽度、沟槽取向、间距和占空比。3D图像可以是从由背板中的定向像素发出的定向光束产生的红色、蓝色和绿色3D图像。

应理解的是，在以下描述中，给出了很多具体的细节以提供对实施例的透彻理解。但是，应理解的是可以实践所述实施例而不限于这些具体细节。在其他实例中，可能不会详细描述已知的方法和结构以避免与对实施例的描述产生不必要的混淆。另外，实施例可以相互结合使用。

现参考图1，描述了根据各种实施例的定向背光体的示意图。定向背光体100包括单色光源105，该单色光源105布置在透镜组件110之后，以产生用于定向背板120的准直的输入平面光束115。透镜组件110可以包括柱状透镜、与柱状透镜结合的非球面聚光透镜、微透镜或其他任何用于准直并将输入平面光束115会聚到定向背板120中的光学组合。定向背板120由透明材料(例如，SiN、玻璃或石英、塑料、ITO等)的板构成，该透明材料的板具有排列在定向背板120中或者定向背板120顶部上的多个定向像素125a-d。定向像素125a-d将输入平面光束115的一部分散射为输出定向光束130a-d。

在各种实施例中，每个定向像素125a-d具有基本上平行且倾斜的沟槽(例如，用于定向像素125a的沟槽135a)的图案化光栅。光栅沟槽的厚度可以对于所有沟槽基本上相同，从而产生基本上为平面的设计。沟槽可以刻蚀在定向背板中或者由沉积在定向背板120顶部上的材料(例如，任何可以沉积和刻蚀或剥离的材料，包括任何电介质或金属)制成。

每个定向光束130a-d具有给定的方向和角展度，所述方向和角展度由其对应的定向像素125a-d中的图案化光栅决定。具体地，每个定向光束130a-d的方向由图案化光栅的取向和光栅间距决定。每个定向光束的角展度则由图案化光栅的光栅长度和宽度决定。例如，定向光束130a的方向由图案化光栅135a的取向和光栅间距决定。

应理解的是，该基本上平面的设计以及在输入平面光束115上形成定向光束130a-d需要具有比传统衍射光栅小得多的间距的光栅。例如，在利用基本上穿过光栅平面传播的光束照射时，传统衍射光栅将光散射。这里，每个定向像素125a-d中的光栅在产生定向光束130a-d时与输入平面光束115基本上在相同的平面上。该平面的设计使得可以通过光源105照射。

通过定向像素125a-d中光栅的特性精确地控制定向光束130a-d，所述特性包括光栅长度L、光栅宽度W、沟槽取向θ以及沟槽间距Λ。具体地，光栅135a的光栅长度L控制沿输入光传播轴的定向光束130a的角展度ΔΘ，并且光栅宽度W控制与输入光传播轴交叉的定向光束130a的角展度ΔΘ，如下：

$\mathrm{\Δ\Θ}\≈\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πL}}\left(\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πW}}\right)$    (等式1)

其中λ是定向光束130a的波长。由光栅取向角θ确定的沟槽取向以及由Λ确定的光栅间距或周期控制定向光束130a的方向。

光栅长度L和光栅宽度W可以在0.1至200μm的范围内变化尺寸。沟槽取向角θ和光栅间距Λ可以设置为满足定向光束130a的所需的方向，其中例如沟槽取向角θ在-40至+40度的量级上，并且光栅间距Λ在200-700nm的量级上。

应理解的是，仅出于说明的目的，定向背板120被示出为具有四个定向像素125a-d。取决于如何使用定向背板120(例如，在3D显示屏中、在3D表中、在移动装置中等)，根据各种实施例的定向背板可以设计为具有很多定向像素(例如，多于100)。还应理解的是，定向像素可以具有任何形状，例如包括圆形、椭圆形、多边形或其他几何形状。此外，应理解的是，任何窄带宽光源可以用来产生输入平面光束115(例如，激光器或LED)。

现参考图2A-B，其图示了根据图1的定向背光体的顶视图。在图2A中，示出了定向背光体200，其具有单色光源205(例如，LED)、透镜组件210和由排列在透明板中的多个多边形定向像素(例如，定向像素220)构成的定向背板215。每个定向像素可以将来自光源205的输入平面光束225的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束230)。由定向背板215中所有定向像素散射的定向光束可以表现出多个图像视图，所述多个图像视图在被合成时形成3D图像，像是例如3D图像235。

相似地，图2B中，示出了定向背光体240，其具有单色光源245(例如，LED)、透镜组件250和由排列在透明板中的多个圆形定向像素(例如，定向像素260)构成的定向背板255。每个定向像素可以将来自光源245的输入平面光束265的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束270)。由定向背板255中所有定向像素散射的定向光束可以表现出多个图像视图，所述多个图像视图在被合成时形成3D图像，像是例如3D图像275。

在各种实施例中，来自光源205(245)的输入平面光束225(265)可以通过利用调整来自光源205(245)的光的角散度(angular divergence)的挡板或吸收器而被进一步准直到定向背板215(255)中。这在图3中示出，图3示出了在光源305和定向背光体300中的透镜组件315之间的光挡板310。可以使用由金属或电介质材料制成的光管320将来自光源305的光引导至具有多个定向像素(像是例如定向像素330)的定向背板325中。

在其他实施例中，多个单色光源(例如，激光器或LED)可以用于产生多个输入平面光束以照射定向背光体中的定向背板。图4图示了定向背光体中多个单色光源的使用。定向背光体400被设计为具有多个单色光源，像是例如LED 405a-h。光挡板410a-i可以和透镜组件415a-h一起使用以将输入平面光束420a-h会聚到背板425中，该背板425具有多个产生定向光束的定向像素(例如，产生定向光束435的定向像素430)。

图1-4所示的定向背光体100-400被设计为与单色LED或者其他单色窄带宽光源(例如，激光器)一起工作。在各种实施例中，也可以采用不同颜色的光源(例如，彩色LED)。挑战是以如下方式设计用于与彩色光源一起使用的定向背光体，所述方式即：被设计为在一个预期可视区域内散射给定颜色(例如，红色)的光的光栅在该区域内不会散射另一颜色(例如，绿色和蓝色)的光。在一个实施例中，彩色光源基本上对称地排列，以在显示器周围形成三角形并且面向显示器的中心。

定向背光体可以被设计具有定向像素，该定向像素具有一组特性，诸如特定的光栅长度、光栅宽度、取向、间距和占空比。每个定向像素可以被设计为将来自单色的光散射为定向光束。由定向背板中所有定向像素所产生的定向光束可以被调制以产生给定的红色、蓝色和绿色的3D图像。在最简单的实施例中，静态的3D图像(即，光线的给定集合)可以简单地通过抑制对应于不想要的光线的光栅而形成。人们可以在制造期间直接省去图案化这些光栅。

现参考图5，描述了根据各种实施例的用于与彩色光源一起使用的定向背光体。定向背光体500具有红色光源505、绿色光源510和蓝色光源515以及排列在具有三角形形状的定向背板535中的相应的透镜组件520、525和530(例如，柱状透镜、与柱状透镜一起的非球面聚光透镜、微透镜等)。彩色光源505-515的每一个被布置在三角形定向背板535的一侧以将其光会聚到定向像素的子集上。例如，红色光源505发出定向背板535中的光以便由定向像素540-550的子集散射为红色定向光束。定向像素540-550的该子集还可以从绿色光源510和蓝色光源515接收光。但是，通过设计，该光不会散射在定向背光体400的预期可视区域中。

例如，图6图示了示出根据各种实施例的由定向背光体中定向像素的子集散射的光的方向的示意图。来自LED A(例如，红色LED，未示出)的光由定向像素600的子集G_A散射至通过从定向背光体的法线测量的最大射线角θ_max确定的预期可视区域中。应理解的是，对于所有颜色，预期可视区域是相同的。

还应理解的是，来自LED A的光还可以由定向像素G_B 605的子集散射，但是只要满足以下等式，那些不想要的光线就在预期可视区域之外：

$\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_A+{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_A{\mathrm{\λ}}_B}\sqrt{{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^A}{{\mathrm{\λ}}_A}\right)}^2+{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^B}{{\mathrm{\λ}}_B}\right)}^2-\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^A}{{\mathrm{\λ}}_A}\right)\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^B}{{\mathrm{\λ}}_B}\right)}$    (等式2)

其中λ_A是LED A的波长，n_eff ^A是光A在定向背板中水平传播的有效折射率(effective index)，λ_B是LED B(例如，绿色LED，未示出)的波长，以及n_eff ^B是光B在定向背板中水平传播的有效折射率。在有效折射率和波长基本上相同的情况下，等式2简化为：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\≤\frac{n_{\mathrm{eff}}}{2}$    (等式3)

对于折射率n大于2并且LED光在掠射角附近传播的定向背板，可以看到显示器的预期可视区域可以扩展至整个空间(n_eff≥2并且sinθ_max～1)。对于诸如玻璃(例如，n＝1.46)的折射率较低的定向背板，预期可视区域被限制在大约θ_max<arcsin(n/2)(对于玻璃为±45°)。

本领域的技术人员应理解的是，如果给定颜色的定向光束将光散射至与来自另一颜色的定向光束相同的方向上，则红色、蓝色和绿色的3D图像可能会呈现其他颜色。由于可以利用每个定向像素实现精确的方向和角度控制，定向背光体可以设计为产生3D图像的许多变型。

还应理解的是，通过实现可将三角形板的顶角(extremity)切掉以形成如图7所示的六边形形状，图5中所示的定向背板535可以被形成为更为紧凑的设计。定向背光体700具有红色光源705、绿色光源710和蓝色光源715以及排列在具有六边形形状的定向背板735中的相应的透镜组件720、725和730(例如，柱状透镜、与柱状透镜一起的非球面聚光透镜、微透镜等)。彩色光源705-715的每一个被布置在六边形定向背板735的相隔的侧边(alternating side)上以将其光会聚在定向像素(例如，定向像素740)的子集上。在一个实施例中，六边形定向背板735具有范围可以在10-30mm量级上的侧边长度，其中定向像素的大小在10-30μm的量级上。

在各种实施例中，每个彩色光源可以由LED带替代。图8图示了具有彩色LED带的多边形定向背光体。定向背光体800具有排列在具有六边形形状的定向背板835中的红色LED带805、绿色LED带810和蓝色LED带815。彩色LED带805-815的每一个被放置在六边形定向背板835的侧边上以将其光会聚在定向像素(例如，定向像素840)的子集上。在一个实施例中，六边形定向背板835可以具有20mm的侧边长度并且每个LED带可以具有20个每个1mm的LED，例如红色LED带805中的LED 845。每个LED带805-815也可以被放置在微透镜820-830的阵列之后。该微透镜的阵列还可以与LED带一起被集成在单个组件中。

应理解的是，只要从三个不同方向引入来自三原色的光，用于与彩色LED一起使用的定向背光体(例如，图5中的定向背光体500，图7中的定向背光体700和图8中的定向背光体800)就可以具有除了三角形或六边形形状以外的任何几何形状。例如，定向背光体可以是多边形、圆形、椭圆形或能够从三个不同方向接收光的另一形状。图9图示了具有来自三个彩色LED带905-915的光的圆形的定向背光体，该三个彩色LED带相对于圆形定向背板935位于三个不同的方向上。定向背板935被示出为具有圆形的定向像素(例如，像素940)，但是如本领域的技术人员理解的，定向像素还可以采用其他几何形状，例如多边形、椭圆形等。

图10示出了具有彩色LED带的定向背光体的侧视图。定向背光体1000被示出为具有来自其彩色LED带的单色LED 1005。微透镜1010被布置在LED 1005前面以将光会聚至由薄透明材料制成的定向背板中。入射至定向背板1020中的平面输入光束1015在定向背板1020内部被反射并且被布置在其上的定向像素(未示出)散射为定向光束1025。

根据如何配置定向背板1020中的每个定向像素，即通过给定的光栅长度、光栅宽度、取向、间距和占空比配置定向背板1020中的每个定向像素，定向光束(例如，定向光束1015)形成给定的3D图像。例如，图11图示了根据各种实施例的定向背光体以及它产生的3D图像。定向背光体1100具有六边形形状的定向背板1105，其中彩色LED带1110-1120被放置在其三个侧边上。如上详细描述的，彩色LED带1110-1120被间隔开(例如，通过六边形的侧边)以防止在由布置在定向背板1105中的定向像素(未示出)散射颜色时一种颜色污染到其他颜色中。每个定向像素被配置为产生给定颜色并且具有给定的方向和角展度的定向光束。由定向背板1105中的定向像素所产生的定向光束合成以形成3D图像1125。

图12中图示了利用根据各种实施例的定向背光体产生3D图像的流程图。首先，确定定向背光体的定向像素的特性(1200)。所述特性可以包括定向像素中的图案化光栅的特性，像是例如光栅长度、光栅宽度、取向、间距和占空比。如上所述，定向背光体中的每个定向像素可以利用给定的一组特性来确定，以产生具有根据所述特性精确控制的方向和角展度的定向光束。接着，制造具有定向像素的定向背板(1205)。定向背板由透明材料制成并且可以利用诸如光学平板印刷(lithography)、纳米压印平板印刷、辊子对辊子压印平版印刷、利用压印模具的直接压纹及其他技术之类的任何合适的制造技术制造。定向像素可以刻蚀在定向背板中或者由利用沉积在定向背板顶部上的材料(例如，任何可以沉积和刻蚀或剥离的材料，包括任何电介质或金属)的图案化光栅制成。

将来自多个光源(例如，如图1-3中的单色光源、如图4中的多个单色光源、如图5和7中的三个彩色光源、如图8-11中的三个LED带等)的光以输入平面光束的形式输入至定向背板中(1210)。最后，从由定向背板中定向像素散射的定向光束产生3D图像(1215)。

有利的是，通过定向背光体中的定向像素达到的精确控制使得能够在易于制造基本上为平面的结构的情况下产生3D图像。定向像素的不同配置产生不同的3D图像。此外，可以控制彩色光源以在所生成的图像中产生任何需要的色彩效果。这里描述的定向背光体可用于在显示屏中(例如，在TV、移动装置、平板计算机、视频游戏装置等中)以及其他应用(诸如3D表、3D艺术装置、3D医疗装置及其他)中提供3D图像。

应理解的是，提供上述公开实施例的描述，以使得本领域任何技术人员制造或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对这些实施例的各种修改将显而易见，并且在这里定义的一般原理可以在不脱离本公开精神或范围的情况下应用于其他实施例。因此，本公开无意限于这里所示的实施例，而是符合与这里所公开的原理和新颖的特征相一致的最宽的范围。

Claims (21)

1.一种定向背光体，包括：

多个光源，产生多个输入平面光束；以及

定向背板，具有将该多个输入平面光束散射为多个定向光束的多个定向像素，每个定向光束具有通过该多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度。

2.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该多个光源包括多个窄带宽光源。

3.根据权利要求2所述的定向背光体，其中该多个光源包括来自包含以下各项的组的多个LED：单色LED；多个单色LED；三个彩色LED；以及三个彩色LED带。

4.根据权利要求3所述的定向背光体，其中该三个彩色LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。

5.根据权利要求3所述的定向背光体，其中该三个彩色LED带包括红色LED带、绿色LED带和蓝色LED带。

6.根据权利要求1所述的定向背光体，还包括布置在该多个光源和该定向背板之间的多个透镜组件。

7.根据权利要求6所述的定向背光体，其中来自该多个透镜组件中的透镜组件包括来自包含以下各项的组的透镜组件：柱状透镜；与柱状透镜结合的非球面聚光透镜；以及微透镜。

8.根据权利要求6所述的定向背光体，还包括在该多个LED和该多个透镜之间的多个光挡板。

9.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该定向背板基本上为平面的。

10.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该多个定向像素中的每个定向像素包括具有多个基本上平行并且倾斜的沟槽的图案化光栅。

11.根据权利要求10所述的定向背光体，其中定向像素的特性包括光栅长度、光栅宽度、光栅取向、光栅间距和占空比。

12.根据权利要求11所述的定向背光体，其中定向像素的间距和取向控制由该定向像素所散射的定向光束的方向。

13.根据权利要求11所述的定向背光体，其中定向像素的长度和宽度控制由该定向像素所散射的定向光束的角展度。

14.一种利用定向背光体产生3D图像的方法，包括：

确定多个定向像素的多个特性，每个定向像素由具有基本上平行并且倾斜的沟槽的图案化光栅构成；

制造定向背板，在该定向背板上排列了该多个定向像素；

通过来自多个光源的光照射该定向背板；以及

利用通过该定向背板中的该多个定向像素所散射的定向光束产生该3D图像。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过定向像素的特性控制每个定向光束。

16.根据权利要求14所述的方法，其中定向像素的特性包括光栅长度、光栅宽度、光栅取向、光栅间距和占空比。

17.根据权利要求16所述的方法，其中定向像素的间距和取向控制由该定向像素所散射的定向光束的方向。

18.根据权利要求16所述的方法，其中定向像素的长度和宽度控制由该定向像素所散射的定向光束的角展度。

19.一种产生3D图像的定向背光体，包括：

多个彩色LED带，产生多个输入平面光束；以及

多边形定向背板，具有将该多个输入平面光束散射为多个定向光束的多个定向像素，每个定向光束具有通过该多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度。

20.根据权利要求19所述的定向背光体，其中该多边形定向背板包括三角形定向背板。

21.根据权利要求19所述的定向背光体，其中该多边形定向背板包括六边形定向背板，并且每个彩色LED带被布置在该六边形定向背板的相隔的侧边上。