CN104335100B - 具有调制层的定向背光体 - Google Patents

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Abstract

公开了一种定向背光体。定向背光体具有定向背板，其中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。调制层具有调制多个定向光束的多个调制器。定向背光体可以用来产生3D图像，其中该3D图像具有多个由定向背板中定向像素的特性而确定的视图。

Description

具有调制层的定向背光体
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 in aDisplay Screen”的PCT专利申请序列No.PCT/US2012/035573(律师案号No.82963238)以及提交于2012年5月31日的名称为“Directional Backlight”的PCT专利申请序列No.___(律师案号No.83011348)，两者都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产生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。
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图示了根据各种示例的定向背光体(directional backlight)的示意图；
图2A-B图示了根据图1的定向背光体的示例性顶视图；
图3A-B图示了根据图1的定向背光体的另外的顶视图；
图4图示了具有三角形形状的定向背光体；
图5图示了具有六边形形状的定向背光体；
图6图示了具有圆形形状的定向背光体；以及
图7是利用依照各种示例的定向背光体产生3D图像的流程图。
具体实施方式
公开了具有调制层的定向背光体。如文中一般地使用的，定向背光体是用于以定向光束的形式提供光场的显示屏(例如，LCD显示屏)中的层。定向光束被定向背光体中的多个定向像素散射。每个定向光束源自不同的定向像素并且具有基于该定向像素的特性的给定的方向和角展度。该指定的方向性使得定向光束能够利用多个调制器而被调制(即，开启、关闭或者改变亮度)。调制器例如可以是液晶显示器(“LCD”)单元(具有或者不具有偏光器)。可以使用其他类型的调制器，例如基于包括微机电的(“MEMS”)、流体的、磁性的、电泳的不同机制或当施加电信号时调制光强度的其他机制的调制器。
在各种示例中，定向像素排列在由多个输入平面光束照射的定向背板中。定向像素接收输入平面光束并且将它们的一部分散射为定向光束。调制层被放置在定向像素之上以按照需要调制定向光束。调制层包括多个调制器(例如，LCD单元)，其中每个调制器调制来自单个定向像素的单个定向光束或者来自一组定向像素的一组定向光束。调制层使得能够利用很多不同的视图产生3D图像，其中每个视图由一组定向光束提供。
在各种示例中，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或波导中的沟槽构成，或者可以由用沉积在定向背板或波导顶部上的材料(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。沟槽也可以是倾斜的。
如下面在这里更为详细地描述的，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。这确保了无论其输出角度如何，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，定向背光体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图像是从由定向像素发出并且由调制层调制的定向光束产生的，其中来自一组定向像素的经过调制的定向光束产生给定的图像视图。
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，描述了根据各种示例的定向背光体的示意图。定向背光体100包括从多个光源接收一组输入平面光束110的定向背板105。多个光源例如可以包括一个或者多个频谱带宽约为30nm或者更小的窄带宽光源，诸如发光二极管(“LED”)、激光器等。输入平面光束110在与定向背板105基本上相同的平面内传播，该定向背板105被设计为基本上平面的。
定向背板105可以由透明材料(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105中或者定向背板105顶部上的多个定向像素115a-d。定向像素115a-d将输入平面光束110的一部分散射为定向光束120a-d。在各种示例中，每个定向像素115a-d具有基本上平行的沟槽(例如，用于定向像素115a的沟槽125a)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105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120a-d具有给定的方向和角展度，所述方向和角展度由形成相应定向像素115a-d的图案化光栅决定。具体地，每个定向光束120a-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是由图案化光栅的光栅长度和宽度决定。例如，定向光束115a的方向由图案化光栅125a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从输入平面光束110形成定向光束120a-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115a-d中的光栅在产生定向光束120a-d时与输入平面光束110基本上在相同的平面上。
通过定向像素115a-d中的光栅的特性精确地控制定向光束120a-d，所述特性包括光栅长度L、光栅宽度W、沟槽取向θ以及光栅间距Λ。具体地，光栅125a的光栅长度L控制沿输入光传播轴的定向光束120a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120a的角展度ΔΘ，如下：
其中λ是定向光束120a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120a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120a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。
在各种示例中，具有多个调制器(例如，LCD单元)的调制层130位于定向像素115a-d之上，以调制由定向像素115a-d散射的定向光束120a-d。定向光束120a-d的调制包括利用调制器控制其亮度(例如，将其开启、关闭或者改变其亮度)。例如，调制层130中的调制器可以用来开启定向光束120a和120d并且关闭定向光束120b和120c。为定向光束120a-d提供调制的能力使得能够产生许多不同的图像视图。
调制层130可以放置在间隔层135的顶部上，该间隔层135可以在定向像素115a-d和调制层130的调制器之间由材料制成或者简单地由空间(即，空气)构成。间隔层135例如可以具有0-100μm量级上的宽度。
应理解的是，仅出于说明的目的，定向背板105被示出为具有四个定向像素115a-d。取决于如何使用定向背板(例如，在3D显示屏中、在3D表中、在移动装置中等)，根据各种示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。
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，示出了具有定向背板205的定向背光体200，其中该定向背板205包括多个排列在透明板中的多边形定向像素(例如，定向像素210)。每个定向像素能够将输入平面光束215的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束220)。每个定向光束由调制器(例如，用于定向光束220的LCD单元225)调制。由定向背板205中所有定向像素散射并且被调制器(例如，LCD单元225)调制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。
相似地，在图2B中，示出了具有定向背板235的定向背光体230，该定向背板235包括多个排列在透明板中的圆形定向像素(例如，定向像素240)。每个定向像素能够将输入平面光束245的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束250)。每个定向光束由调制器(例如，用于定向光束250的LCD单元255)调制。由定向背板235中所有定向像素散射并且被调制器(例如，LCD单元255)调制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。
在各种示例中，可以使用单个调制器来调制来自一组定向像素的一组定向光束。就是说，给定的调制器可以放置在一组定向像素之上，而不是如图2A-B所示每个定向像素具有一个调制器。
现参考图3A-B，描述了根据图1的定向背光体的顶视图。在图3A中，示出了具有定向背板305的定向背光体300，该定向背板305包括多个排列在透明板中的多边形定向像素(例如，定向像素310a)。每个定向像素能够将输入平面光束315的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束320a)。一组定向光束(例如，由定向像素310a-d散射的定向光束320a-d)被调制器(例如，调制定向光束320a-d的LCD单元325a)调制。例如，用LCD单元325a开启定向像素310a-d同时用LCD单元325d关闭定向像素330a-d。由定向背板305中所有定向像素散射并且被LCD单元325a-d调制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。
相似地，在图3B中，示出了具有定向背板345的定向背光体340，其中该定向背板345包括多个排列在透明板中的圆形定向像素(例如，定向像素350a)。每个定向像素能够将一部分的输入平面光束355散射为输出定向光束(例如，定向光束360a)。一组定向光束(例如，由定向像素350a-d散射的定向光束360a-d)通过调制器调制(例如，LCD单元370a调制定向光束360a-d)。例如，用LCD单元370a开启定向像素350a-d同时用LCD单元370d关闭定向像素365a-d。由定向背板345中所有定向像素散射并且经过诸如LCD单元370a-d的调制器调制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。
应理解的是，定向背板可以设计成具有不同的形状，像是例如，三角形(如图4中所示)、六边形(如图5中所示)或者圆形(如图6中所示)。图4中，定向背板405接收来自三个不同空间方向的输入平面光束，例如，输入平面光束410-420。该构造可以用于当输入平面光束表示不同颜色的光的情况，例如，用输入平面光束410表示红色、输入平面光束415表示绿色以及输入平面光束420表示蓝色。输入平面光束410-420的每一个配置在三角形定向背板405的一个侧面以将其光线会聚在一组定向像素上。例如，输入平面光束410通过一组定向像素425-435散射为定向光束。该定向像素425-435的子集也可以接收来自输入平面光束415-420的光。但是，通过设计，该光不会被散射进入定向背光体400的预期可视区域。
例如，假设输入平面光束410被定向像素425-435的子集GA散射进预期可视区域中。该预期可视区域可以由从定向背光体400的法线测量的最大射线角θmax确定。输入平面光束410也可以被定向像素GB440-450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：
其中λA是输入平面光束410的波长，neff A是输入平面光束410在定向背板405中水平传播的有效折射率(effective index)，λB是输入平面光束420(通过定向像素440-450散射)的波长，以及neff B是输入平面光束420在定向背板405中水平传播的有效折射率。在其中有效折射率和波长基本上相同的情况下，等式2简化为：
对于折射率n大于2并且输入平面光束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(neff≥2并且sinθmax～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θmax<arcsin(n/2)(对于玻璃为±45°)。
应理解的是，每个定向光束可以被调制器调制，所述调制器像是例如LCD单元455。因为可以通过定向背板405中的每个定向像素实现定向光束的精确的方向和角度控制，并且定向光束可以被诸如LCD单元的调制器调制，因此定向背光体405可以设计为产生3D图像的多个不同视图。
还应该理解的是，通过实现可将三角形板的顶角(extremity)切掉以形成如图5所示的六边形形状，图4中所示的定向背板405可以被形成为更为紧凑的设计。定向背板505接收来自三个不同空间方向的输入平面光束，例如，输入平面光束510-520。输入平面光束510-520的每一个配置在六边形定向背板505相隔的边侧上以将其光线会聚在定向像素(例如，定向像素525-535)的子集上。在不同的实施例中，六边形定向背板505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。
应理解的是，定向背光体500被示出为具有调制器的多个构造。例如，可以用单个调制器调制来自一组定向像素的定向光束，例如，用于定向像素525-535的LCD单元540，或者可以用单个调制器调制单个定向像素，例如，用于定向像素560的LCD单元555。本领域的技术人员应理解的是，可以使用任何用于定向像素的调制器构造来调制被定向像素散射的定向光束。
还应该理解的是，只要从三个不同方向引入来自三原色的光，用于与彩色输入平面光束一起使用的定向背光体就还可以具有除了三角形(图4)或六边形(图5)之外的任何几何形状。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。现参考图6，图示了具有圆形形状的定向背光体。定向背光体600中的定向背板605接收来自三个不同方向的输入平面光束610-620。每个定向像素具有圆形，例如，定向像素620，并且散射由例如LCD单元625的调制器调制的定向光束。每个LCD单元具有矩形的形状，并且圆形定向背板605被设计为容纳用于圆形定向像素(或多边形定向像素，如果需要的话)的矩形LCD单元。
图7中图示了利用根据本申请的定向背光体产生3D图像的流程图。首先，确定定向背光体的定向像素的特性(700)。其特性可以包括定向像素中图案化光栅的特性，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(705)。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。
然后，将调制层(例如，基于LCD的调制层)添加到定向背板(710)。调制层包括放置在定向背板之上的间隔层(如图1所示)顶部上的多个调制器(例如，LCD单元)。如上所述，调制层可以设计为单个定向像素具有单个调制器或者一组定向像素具有单个调制器。如上进一步所述，定向背板(和定向像素)可以具有不同的形状(例如，多边形、三角形、六边形、圆形等)以适应由矩形形状的调制器构成的调制层。
来自多个窄带宽光源的光以输入平面光束的形式输入至定向背板(715)。最后，3D图像产生于调制的定向光束，该定向光束通过定向背板中的定向像素散射(720)。
有利的是，通过定向背光体中的调制和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，可以调制由定向像素产生的定向光束以在所生成的图像中产生任何需要的效果。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 (24)

1.一种定向背光体，包括：
定向背板，包括被配置为引导多个输入平面光束的透明材料板，所述定向背板具有多个定向像素，所述多个定向像素被配置为将被引导的所述输入平面光束的一部分从所述透明材料板的表面散射出，成为与三维(3D)图像的不同视图的方向相对应的多个定向光束，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；以及
调制层，具有被配置为调制多个定向光束的多个调制器，
其中，所述多个定向像素中的每个定向像素包括图案化光栅，所述图案化光栅位于所述透明材料板的表面中、位于所述透明材料板的表面上、或者位于所述透明材料板的表面中和所述透明材料板的表面上。
2.根据权利要求1所述的定向背光体，还包括位于该定向背板之上的间隔层。
3.根据权利要求2所述的定向背光体，其中该调制层位于该间隔层之上。
4.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该定向背板的透明材料板大体上为平面的，所述多个输入平面光束被配置成在大体上为平面的透明材料板的平面内传播。
5.根据权利要求1所述的定向背光体，其中所述图案化光栅包括多个大体上平行的沟槽。
6.根据权利要求1所述的定向背光体，其中定向像素的特性包括所述图案化光栅的光栅长度、光栅宽度、光栅取向、光栅间距以及光栅占空比。
7.根据权利要求6所述的定向背光体，其中所述图案化光栅的光栅间距和光栅取向控制由该定向像素所散射的定向光束的方向。
8.根据权利要求6所述的定向背光体，其中所述图案化光栅的光栅长度和光栅宽度控制由定向像素所散射的定向光束的角展度。
9.根据权利要求1所述的定向背光体，其中来自该多个调制器的单个调制器调制来自单个定向像素的定向光束。
10.根据权利要求1所述的定向背光体，其中来自该多个调制器的单个调制器调制来自一组定向像素的定向光束。
11.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该定向背板包括多边形的透明材料板。
12.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该定向背板包括圆形的透明材料板。
13.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该多个定向像素包括多个多边形的定向像素。
14.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该多个定向像素包括多个圆形的定向像素。
15.根据权利要求1所述的定向背光体，其中该调制层包括基于LCD的调制层并且该多个调制器包括多个LCD单元。
16.一种利用具有调制层的定向背光体产生3D图像的方法，包括：
确定多个定向像素的多个特性，每个定向像素包括图案化光栅；
制造其上排列该多个定向像素的包括透明材料板的定向背板，所述透明材料板被配置为引导光束；
在该定向背板之上增加具有多个调制器的调制层；
用多个输入平面光束照射该定向背板，所述输入平面光束在透明材料板内被引导并且被所述多个定向像素散射出透明材料板，成为多个定向光束；以及
利用该多个调制器调制该多个定向光束以产生3D图像的多个视图。
17.根据权利要求16所述的方法，其中每个定向光束由定向像素的特性控制。
18.根据权利要求16所述的方法，其中定向像素的特性包括所述图案化光栅的光栅长度、光栅宽度、光栅取向、光栅间距和光栅占空比。
19.根据权利要求16所述的方法，其中来自该多个调制器的单个调制器调制来自单个定向像素的定向光束。
20.根据权利要求16所述的方法，其中来自该多个调制器的单个调制器调制来自一组定向像素的定向光束。
21.根据权利要求16所述的方法，其中该调制层包括基于LCD的调制层并且该多个调制器包括多个LCD单元。
22.一种3D成像定向背光体，包括：
定向背板，包括材料层，所述材料层被配置为在所述材料层内引导作为平面光束的光，所述定向背板具有多个定向像素，所述多个定向像素被配置为将在材料层内被引导的多个输入平面光束的一部分散射出，成为作为光场而被定向为离开所述定向背板的表面的多个定向光束，每个定向像素包括图案化光栅，每个定向光束具有通过该多个定向像素中的一定向像素的特性控制的方向和角展度；以及
调制层，具有被配置为调制多个定向光束的多个调制器，所述调制层邻近定向背板的表面，
其中，来自对应的一组定向像素的一组调制后的定向光束表示形成3D图像的多个不同视图中的一视图。
23.如权利要求22所述的3D成像定向背光体，其中调制层的每个调制器被配置为调制来自单个定向像素的单个光束。
24.如权利要求22所述的3D成像定向背光体，其中定向像素的所述图案化光栅的光栅间距和光栅取向控制由所述定向像素散射的定向光束的方向。
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