CN104380177A - 定向显示装置中的偏振恢复 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像定向背光源偏振恢复设备，所述设备包括成像定向背光源，所述成像定向背光源至少具有配备有任选的偏振变换和重新导向元件的偏振敏感反射组件。观察窗可通过使单独光源成像来形成，因此限定系统元件和光线路径的相对位置。基础成像定向背光源系统对于液晶显示器(LCD)的照明主要提供基本上非偏振的光，导致当使用常规片状偏振器作为所述显示器的输入时光输出损耗至少50％。本文的发明引入偏振敏感反射元件将期望的偏振态和非期望的偏振态分离，以便变换和重新导向所述反射光以用于可用照明。偏振变换和重新导向可通过另外的组件诸如延迟膜和镜面反射镜表面提供。

Description

定向显示装置中的偏振恢复

技术领域

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

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LCD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中的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；并且眼睛置于第二观察窗中的观察者用来自第二组像素的光可看到第二图像。

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

根据本发明的第一方面，提供了定向显示装置，所述定向显示装置可包括具有输入端的波导。定向显示装置也可包括设置在跨波导输入端的不同输入位置处的光源阵列。波导还可包括用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光。第二引导表面可包括光提取结构特征和光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为在多个方向上使穿过波导引导的光反射，从而允许作为输出光穿过第一引导表面离开，所述中间区域被布置用于将光导向穿过波导而不提取光。所述波导可被布置用于将来自不同光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，在分布在横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于输入。定向显示装置也可包括透射空间光调制器，所述透射空间光调制器可被布置用于接收来自第一引导表面的输出光，并被布置用于调制具有第一偏振的输出光的第一偏振分量。定向显示装置也可包括反射偏振器，所述反射偏振器可被设置在波导的第一引导表面与空间光调制器之间，并且被布置用于透射第一偏振分量并反射作为被拒绝光的输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与第一偏振正交的偏振。此外，定向显示装置也可包括可设置在第二引导表面后方的后反射器，所述后反射器被布置用于反射被拒绝光以提供回空间光调制器，定向显示装置还被布置用于将提供回空间光调制器的被拒绝光的偏振转换成第一偏振。

有利地，本发明实施例使用需要偏振输入光的透射空间光调制器可实现系统中的光的利用率提高。显示器亮度可增加，电池寿命可延长，并且显示器可用于更明亮的周围环境中。此外，可为来自具有两种入射偏振态的背光源的光提供观察窗，使得显示器在定向操作模式中具有高亮度。从而，可为自动立体3D显示器、防窥显示器和高效率2D显示器提供高亮度高效定向显示器。

根据本发明的另外一个方面，可提供偏振定向照明设备，所述偏振定向照明设备可包括成像定向背光源。成像定向背光源可包括用于引导光的波导。波导可包括可操作以在第一方向上导向来自照明器阵列的光的第一光引导表面，以及可操作以允许光离开波导的第二光引导表面，以及可操作以接收来自照明器阵列的光的光输入表面，以及与波导的第一光引导表面邻近且用于提供至少偏振选择性反射的偏振敏感反射器。

根据本发明的另外一个方面，可提供成像定向背光源，所述成像定向背光源可包括位于波导的第一末端处的输入侧面，其中所述输入侧面可操作以接收来自至少一个照明器阵列的光；位于波导的第二末端处的反射侧面；位于波导的输入侧面与反射侧面之间的第一光导向侧面和第二光导向侧面。第二光导向侧面可操作以允许光离开波导。成像定向背光源也可包括与波导的第一光导向侧面邻近且用于提供至少偏振选择性反射的偏振敏感反射器。

根据本发明的另外一个方面，可提供光学阀系统，所述光学阀系统提供偏振恢复，并且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。波导还可包括至少一个引导结构特征和多个提取结构特征。所述多个提取结构特征可允许当光在第一方向上传播时光在基本上低损耗的情况下穿过，并且允许光在遇到所述多个提取结构特征的至少第一提取结构特征时离开波导。光学阀系统可包括可与波导邻近的空间光调制器，以及与波导的第一光导向侧面邻近且用于提供至少偏振选择性反射的偏振敏感反射器。

根据本发明的其他方面，偏振定向照明设备可包括成像定向背光源，以及与波导的第一光引导表面邻近且用于提供至少偏振选择性反射的反射偏振器。成像定向背光源可包括用于引导光的波导。波导可包括可操作以在第一方向上导向来自照明器阵列的光的第一光引导表面，可操作以允许光离开波导的第二光引导表面，以及可操作以接收来自照明器阵列的光的光输入表面。

显示器背光源通常采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明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各自的窗图像之间形成。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，如美国专利申请No.13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。

通常用定向背光源系统时，照明光是非偏振的，导致LCD系统的常规片状前置偏振器中的光损耗至少50％。在一些常规背光源单元中，可通过使用反射片状偏振器将光导向回该结构的漫射反射、偏振混合元件，来回收不正确偏振的光。在借助光传播的受控性质针对偏振恢复所修改的成像定向背光源中，可预期得到更高效率。

在一个实施例中，反射偏振层使非期望偏振态的光导向回穿过成像定向背光源的波导部分。该光在穿过反射偏振器反射回之前可偏振变换，并且将该光加入到当前基本上均匀的偏振照明光束。

在本发明的另一个方面，非偏振光源可独立地耦接到局部偏振恢复系统，所述局部偏振恢复系统可包括反射偏振层、偏振操纵装置和定向反射器。

公开了成像定向背光源偏振恢复设备，所述设备包括成像定向背光源，所述成像定向背光源至少具有配备有任选的偏振变换和重新导向元件的偏振敏感反射组件。候选成像定向背光源可包括楔型定向背光源、光学直列式定向背光源、或光学阀。光学阀可包括波导、光源阵列和聚焦光学器件以用于从局部光源提供大面积定向照明。波导可包括阶梯式结构，其中所述阶梯还包括提取结构特征，所述提取结构特征对于在第一前向方向上传播的引导光而言是隐蔽的。在第二反向方向上传播的返回光可被所述结构特征折射、衍射或反射，以提供从波导顶部表面离开的分立照明光束。观察窗可通过使单独光源成像来形成，因此限定系统元件和光线路径的相对位置。基础成像定向背光源系统对于液晶显示器(LCD)的照明主要提供基本上非偏振的光，导致当使用常规片状偏振器作为显示器的输入时光输出损耗至少50％。本文的实施例引入偏振敏感反射元件将期望和非期望的偏振态分离，以便变换和重新导向反射光以用于可用照明。偏振变换和重新导向可通过另外的组件诸如延迟膜和镜面反射镜表面提供。

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。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显示器。

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/或光学演示中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。

详细进行所公开的实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体布置方式的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置方式来阐述本发明的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。

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。

本发明的各个方面及其各种特征可以任何组合一起应用。

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

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：

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；

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；

图11A是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；

图11B是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向显示装置的侧视图；

图12是根据本发明的示意图，其示出了用于观察者跟踪定向背光源设备的控制系统；

图13A是根据本发明的示意图，其示出了与楔型波导结构一起采用的偏振恢复方法；

图13B是根据本发明的示意图，其示出了偏振恢复系统的元件；

图14A是根据本发明的示意图，其示出了采用偏振恢复方法的定向背光源；

图14B是根据本发明的示意图，其示出了图14A的定向背光源的侧视图；

图15A是根据本发明的示意图，其示出了采用偏振恢复方法的定向背光源的另一个系统示意图；

图15B是根据本发明的示意图，其示出了图15A的定向背光源的系统侧视图；

图16A是根据本发明的示意图，其示出了采用偏振恢复方法的另一个定向背光源；

图16B是根据本发明的示意图，其示出了采用偏振恢复方法的又一个定向背光源；

图17是根据本发明的示意图，其示出了采用替代波导结构的又一个定向背光源，其中提供大约45°取向的输出偏振；

图18A是根据本发明的示意图，其示出了一个实施例，其中偏振反射层以具有光束偏转功能的单个膜集成于楔型定向背光源系统内；

图18B是根据本发明的图18A的偏振恢复实施例的放大剖视图；

图18C是根据本发明的示意图，其示出了另一个实施例，其中偏振反射层以具有光束偏转功能的单个膜集成于楔型定向背光源系统内；

图18D是根据本发明的图18C的偏振恢复实施例的放大剖视图；

图19是根据本发明的示意图，其示出了偏振恢复实施例的侧视图；

图20是根据本发明的示意图，其示出了图19的偏振恢复实施例的细节的侧视图；

图21是根据本发明的示意图，其示出了图19的偏振恢复实施例的示意性正视图；以及

图22是根据本发明的示意图，其示出了另外一个偏振恢复实施例的细节的侧视图。

具体实施方式

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引导至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光引导至第二观察窗，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引导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。

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。有利地，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。

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，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言类似的困难。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。

可便利地用宏观照明器例如LED阵列与通常具有1mm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件的组合，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。

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，同时提供高分辨率图像及无闪烁观察者跟踪和低串扰水平。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。

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。

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个轴引导穿过显示面板到达各自的多个观察窗。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个轴基本上形成为图像。成像系统可在多个光源与各自的窗图像之间形成。这样，来自多个光源每者的光对于处于各自观察窗之外的观察者眼睛而言基本上不可见。

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，《信息显示协会杂志》，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引导穿过显示面板进入对于多个光源每者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，来自多个光源每者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^TM提供。然而，此类方向性对于各自光源每者而言可基本上相同。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。

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，所述专利申请全文以引用方式并入本文。

如本文所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式波导成像定向背光源、折叠成像定向背光源、楔型定向背光源或光学阀。

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。

此外，如所用的，折叠成像定向背光源可为楔型定向背光源或光学阀中的至少一者。

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。

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。

用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源实现方式已由如下提出和说明：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。

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。

图1A是示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图的示意图，并且图1B是示出了图1A的定向显示装置中的光传播的侧视图的示意图。

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1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、局域场致发射光源、有机发光体阵列等。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(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。

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与将输入光反射回穿过波导1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。

波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，所述光提取结构特征面向反射端4并倾向于在多个方向上反射穿过波导1从反射端引导回的光的至少一些，所述多个方向破坏第一引导表面处的全内反射并且允许穿过第一引导表面(例如图1B中朝上)输出，所述输出提供至SLM48。

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。第二引导表面的这些区域是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被取向为在从反射端4反射后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。

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15n被布置在不同输入位置处，来自各自照明元件15a-照明元件15n的光在这些不同方向上反射。这样，照明元件15a-照明元件15n每者在分布在横向方向中的输出方向上将光导向进入各自的光学窗，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。光学窗可单独地或成组地用作观察窗。

SLM 48延伸跨波导，其为透射性的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。

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。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明器阵列15发出，所述照明器阵列诸如为沿着阶梯式波导1的薄端侧面2的表面x＝0位于不同位置y的照明器元件15a至照明器元件15n的阵列。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，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。

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盖覆而实现，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，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，该角展度也可稍微减小。

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角轮廓并偏离法向。然而，在具有带银涂层或金属化的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向。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。

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。

反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的直线并且与末端4围绕x轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光焦度的其他组件例如光提取结构特征12(如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。末端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。

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面2、反射侧面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。

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。

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。每条输出光线从输入侧面2朝相同观察窗26导向离开各自照明器15c。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和侧面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中示出但未在图4A中示出的光导向侧面8)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的反射端在跨阶梯式波导1的横向方向上可具有正光焦度。

在另一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。

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。

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和光线42。侧面4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率可与来自照明器元件15h的光线配合产生与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。

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，其中反射侧面4中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。

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。有利地，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，从而入射到侧面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。

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。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、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和照明器元件组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。

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。

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，至少两幅2D图像可朝一对观察者45和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图像可与相对于图7所述的类似方式生成，因为这两幅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。一幅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。

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。此外，如图9所示，虽然第一观察者45可能够观察到装置50上的图像，但光不朝第二观察者47导向。因此，防止第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的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。

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。竖直漫射体68可被布置用于进一步扩展观察窗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蓝光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，并且还提供散斑的减少。或者，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。

图11A是示意图，其示出了另一个成像定向背光源(如图所示的楔型定向背光源)的正视图，并且图11B是示意图，其示出了相同楔型定向显示装置的侧视图。楔型定向背光源由名称为“Flat Panel Lens”(平板透镜)的美国专利No.7,660,047大体讨论，所述专利全文以引用方式并入本文。该结构可包括楔型波导1104，所述楔型波导具有可优先地用反射层1106盖覆的底部表面并且具有也可优先地用反射层1106盖覆的末端波纹表面1102。

在图11B的一个实施例中，定向显示装置可包括波导，诸如楔型波导1104，其具有输入端，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波导的反射端。定向显示装置也可包括设置在跨波导输入端的不同输入位置处的光源阵列。波导可被布置用于在从反射端反射后将来自光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，在相对于第一引导表面的法线并且可主要取决于输入位置的输出方向上进入光学窗。定向显示装置也可包括透射空间光调制器，诸如显示面板1110，其被布置用于接收来自第一引导表面的输出光，并被布置用于调制具有第一偏振的输出光的第一偏振分量。此外，定向显示装置也可包括反射偏振器，所述反射偏振器设置在波导的第一引导表面与空间光调制器之间，并且被布置用于透射第一偏振分量并反射作为被拒绝光的输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与第一偏振正交的偏振。定向显示装置也可包括设置在第二引导表面后方的后反射器，所述后反射器被布置用于反射被拒绝光以提供回空间光调制器。定向显示装置还可被布置用于将提供回空间光调制器的被拒绝光的偏振转换成第一偏振。

在楔型定向背光源的一个实施例中，第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光，并且第二引导表面可为基本上平坦的并且以一定角度倾斜以在多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射，以便穿过第一引导表面输出光。楔型定向背光源可为定向显示装置的一部分。定向显示装置也可包括偏转元件，所述偏转元件跨波导的第一引导表面延伸，以便使光朝空间光调制器的法线偏转。

如图11B所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104，并且在反射离开末端表面之前光可在第一方向上传播。光可在其返回路径上时离开楔型波导1104，并且可照明显示面板1110。作为与光学阀的比较，楔型波导通过锥形提供提取，所述锥形减小了传播光的入射角，使得当光以临界角入射到输出表面上时，光可逃逸。楔型波导中以临界角逃逸的光基本上平行于表面传播，直到被重新导向层1108诸如棱镜阵列偏转。楔型波导输出表面上的误差或粉尘可改变临界角，从而形成杂散光和均匀度误差。此外，使用反射镜折叠楔型定向背光源中的光束路径的成像定向背光源可采用带小平面的反射镜，所述反射镜偏置楔型波导中的光锥方向。此类带小平面的反射镜一般制造复杂，并且可导致照明均匀度误差以及杂散光。

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，以适当角度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且基本上平行于主表面离开。作为比较，以特定角度输入光学阀的阶梯式波导的光可以由输入角所决定的输出角从整个第一侧面上的位点输出。有利地，光学阀的阶梯式波导可不需要另外的光重新导向膜以朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不会造成整个显示表面上的不均匀度。

图12是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。控制系统的布置方式和操作现在将进行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每个显示装置。

定向显示装置100包括定向背光源，所述定向背光源包括按照上文所述那样布置的波导1和照明器元件阵列15。控制系统被布置用于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。

波导1按照上文所述那样布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置用于与反射端4配合以在观察者99所观察的观察平面106处实现观察窗26。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的光。此外，可提供漫射体68以基本上去除波导1与SLM 48的像素以及菲涅耳透镜62之间的莫尔条纹跳动(Moire beating)。

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。传感器系统包括位置传感器70诸如相机，和头部位置测量系统72，所述头部位置测量系统例如可包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明控制器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。

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。

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以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向进入观察窗中对应于观察者左眼和右眼的位置，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。

如图12所示，定向背光源装置可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。如图12所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射侧面4、引导结构特征10和光提取结构特征12。

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。

在另一个实施例中，定向显示装置还可包括控制系统，其可被布置用于选择性地操作光源以将光导向进入对应于先前所讨论的输出方向的观察窗中。该实施例也可结合如本文所述的定向背光源、定向显示装置、定向显示设备等中的任一者一起使用。

在另一个实施例中，定向显示设备可为具有控制系统的自动立体显示设备。控制系统还可被布置用于控制定向显示装置以按时间显示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观察窗中对应于观察者的至少左眼和右眼的位置。控制系统可包括传感器系统，所述传感器系统可被布置用于检测显示装置对面的观察者的位置，并且也可被布置用于将所显示的图像导向进入观察窗中对应于观察者的至少左眼和右眼的位置。观察窗的位置可主要取决于被检测到的观察者的位置。

基于图11A和图11B的楔型定向背光源系统的偏振恢复方法在美国专利申请No.13/470,291(其全文以引用方式并入本文)中大体讨论，并且在图13A中示意性地示出。图13A是示意图，其示出了与楔型波导结构一起采用的偏振恢复方法，所述楔型波导结构采用具有结合图11B所示和所述的布置方式的楔型波导1104。

如图13A所示，楔型定向背光源1104的波导的顶部表面可用交替的高和低折射率材料的层1202盖覆，以便为这些离开的光线1206和1208提供偏振选择性反射和透射。波导的第一引导表面上形成的层1202可通过如下方式形成反射偏振器：(1)透射来自波导的第一引导表面的输出光的第一偏振分量，所述第一偏振分量具有第一偏振；以及(2)反射作为被拒绝光的输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与第一偏振正交的偏振。光离开该楔型定向背光源的角的窄范围使得用极少涂层1202就可实现高偏振选择性。

充当后反射器的后反射层1212形成于波导的第二引导表面上。与波导的底部或波导的第二引导表面层合的延迟膜1214可使反射光的偏振变换，以在从反射层1212反射后离开。非偏振光线1204入射到层1202上，使得光线1206以第一偏振态输出，并且光线1210以与第一偏振态正交的第二偏振态反射，通过层1212旋转并且输出为第一偏振态的光线1208。

继续讨论图13A，延迟膜1214充当相位延迟器并且可设置在由层1202形成的反射偏振器与由反射层212形成的后反射器之间。延迟膜1214可被布置用于当光离开楔型波导1104时，将被拒绝光的偏振转换成第一偏振，以用于提供回空间光调制器。

图13B是示出偏振恢复系统的元件的示意图。此外，图13B示出了本发明的一般实施例。成像定向背光源系统可用非偏振光1302照明以便为LCD提供偏振光，可使用可吸收至少50％的照明光的偏振片。通过引入充当反射偏振器的反射偏振层1306，可以回收该吸收光。在允许透射第一偏振的所期望第一偏振分量1310的光的同时，反射偏振层1306可反射作为被拒绝光的本来会损耗的第二偏振分量1314，所述第二偏振分量具有与第一偏振正交的偏振。该反射分量进而可通过充当相位延迟器的四分之一波长延迟器1304最有效地改变偏振，所述四分之一波长延迟器相对于光的偏振轴以大约45°取向。通过反射离开反射镜1308重新导向光可使光完成第二次穿过四分之一波长延迟器1304，从而基本上完成偏振变换并允许高效透射穿过反射偏振器1306以及使光1312近似平行于最初透射的光1310传播。在理想情况下，光很少乃至没有损耗，并且可基本上保持组合照明的方向性。反射分量的偏振转换和重新导向可通过其他方式诸如散射来实现，散射可为底层背光源照明器的性质。因此实现一定程度的偏振恢复可采用最少的反射偏振元件。

与美国专利申请No.13/470,291的之前公开的方法不同，本发明的实施例可不依赖于窄带即大约小于2°的偏振离开光线的反射，并且可采用反射偏振器，所述反射偏振器能够作用于具有最大至并超过大约45°显示器视角的角展度的角度的光线。

图14A是示出采用偏振恢复方法的定向背光源的示意图，以及图14B是示出图14A的定向背光源的系统侧视图的示意图。此外，图14A示出了按照如下方式布置的定向背光源的波导结构的实施例，其侧视图在图14B中示出。阶梯式波导1406可具有阶梯式表面1502(第一引导表面)，其上盖覆有反射材料，诸如但不限于银或铝以形成后反射器。

在光阀1406内传播并从表面1502的光提取结构特征反射的光线1401可为基本上非偏振的。在透射穿过相位延迟器诸如四分之一波长延迟器1404后，光保持非偏振。所期望竖直偏振态1403的光线1405以透射穿过空间光调制器48的竖直偏振透射取向，透射穿过反射偏振器1408和清除(clean-up)片状偏振器1410。此类光线1405可在基本上不改变光的方向性的情况下透射穿过空间光调制器。

在该实施例中，反射偏振器1408被布置在阶梯式波导1406的前方，并且充当相位延迟器的四分之一波长延迟器1404可设置在阶梯式波导1406与反射偏振器1408之间，从而介于阶梯式表面1502上形成的后反射器与反射偏振器1408之间。

非期望水平线性偏振态1409的光线1407可离开阶梯式波导1406并作为反射光从反射偏振器1408反射。水平偏振态1409的光被反射偏振器1408的残余透射可通过布置在反射偏振器1408前方的片状偏振器1410清除。

四分之一波长延迟器1404可被布置用于当提供回按照如下方式布置在片状偏振器1410前方的空间光调制器(未示出)时，将被拒绝光的偏振转换为第一偏振。具有水平偏振态的被拒绝光线1407可穿过具有以大约45°取向的光轴的四分之一波长延迟器1404返回，从而转换成圆形偏振态1411。各自的反射光进而可在进一步从波导1406的后阶梯式表面1502反射之前透射穿过透明光学阀1406。光线1407的圆形偏振态1411可在反射后转换成正交圆形偏振态1413，并且在第二次穿过四分之一波长延迟器1404后主要变换成所期望竖直偏振态1417，从而实现透射穿过反射偏振器1408和清除偏振器1410。光线1415然后可与最初被偏振器1410透射的那些光线1405组合，以形成基本上均匀的偏振定向光束，其有效地具有初始强度的基本上两倍且具有基本上相同的方向性。从而可在较低图像串扰的情况下增加观察窗的强度。可通过减少侧面1502处的反射率和来自反射光线1407的菲涅耳反射的其他另外损耗，提供光线1415的强度的较少损耗。四分之一波长延迟器1404可为具有单一光轴方向的单层延迟器。或者，如众所周知的，延迟层以增加数量的层进行堆叠，并且延迟性与光轴方向的组合可被布置用于增加延迟器的光谱带宽。延迟器叠堆的各自延迟器的光轴可从而被布置用于根据需要将线性偏振态的光转换成圆形偏振态。偏振态1403和偏振态1417可被布置用于与偏振器1410的所期望输入偏振方向对齐，并且对于扭转向列型液晶模式可处于+/-45°，或对于其他已知光学模式诸如竖直对齐模式可为竖直或水平。

为保持初始光束的方向保真度，反射偏振器1408相对于反射表面1502可近似平行，并且可例如被布置在空间光调制器48的输入上以提供基本上平坦的表面。这可用柔性膜实现，所述柔性膜例如通过层合在清除偏振膜上附接在面板附近或正上方。清除偏振器可通常包括吸收偏振器诸如碘和拉伸膜。这可用柔性膜实现，所述柔性膜与清除偏振膜附接在面板附近或正上方。

如本文所讨论的，合适的反射偏振器可为多层双折射膜，例如3M提供的产品DBEF。另一个候选物可为周期性低于可见光波长的玻璃上的周期性金属线栅结构，诸如莫科斯泰克公司(Moxtek)所提供的那些。此外，如本文所讨论的反射偏振器可为类似的金属栅结构，其可由旭化成公司(Asai Kasei)提供于生胶片(film stock)上。

当阶梯式波导1406的材料呈现很少乃至没有双折射时，可实现高效偏振变换。在双折射沿着如主要由波导的物理结构决定的竖直或水平方向取向的情况下，则双折射可通过额外的延迟膜补偿或更优选地从基本上平行对齐的四分之一波长延迟器扣减。在该最后的情况下，膜取向可优选地以光轴相对于图14A和图14B所示取向成大约45度来取向。

任何另外的光学元件诸如不对称漫射体或菲涅耳透镜可位于反射偏振器1408与片状偏振器1410之间。

在反射偏振器1408可引起不对称散射的情况下，最大散射的取向可为竖直的，如图14B所示。基本形式的光学阀可起到在水平面成像的作用并且可容许竖直散射。

图15A是示意图，其示出了采用基于波导的偏振恢复方法的定向背光源的另一个系统示意图，以及图15B是示意图，其示出了图15A的定向背光源的系统侧视图。此外，图15A和图15B示出了本发明的另外一个实施例。

与图14A和图14B的实施例相关的，该定向背光源的波导结构可采用如上所述的波导1406、反射偏振器1408和片状偏振器1410。作为波导的阶梯式表面1502(第一引导表面)上的反射镜涂层的替代，在波导1406后方可存在充当后反射器的单独反射器层1402，并且四分之一波长延迟器1404可被布置在波导后方，具体地讲，介于波导与反射器层1402之间，如图15A和图15B所示。在一个实施例中，反射偏振器可为交替的高和低折射率的材料的层。从而，光线1415和光线1405可以基本上相同的方向性和偏振态实现。该实施例以与图14A和图14B的实施例相同的方式操作。

不必盖覆阶梯式表面则可减少散射和成本。另外在将延迟层放置在波导后方时，具有线性偏振态的光可穿过阶梯式波导反射回，从而容许任何模制部件中可预期的不均匀但平行取向的双折射。有利地，波导1406的双折射的光轴的最常见方向可被布置成平行于或正交于偏振态1417以实现减少偏振转换的不均匀度并从而减少显示不均匀度。

图16A是示意图，其示出了采用基于替代波导结构的偏振恢复方法的另一个定向背光源。此外，图16A是另一个实施例，其中可采用替代波导结构。与图14A类似，如图所示，图16A的波导结构包括以与图14A的实施例相同的方式布置和操作的阶梯式波导1406、四分之一波长延迟器1404、反射偏振器1408和片状偏振器1410。在图16A中，阶梯式波导1406的弯曲反射器端可替换为菲涅耳反射器等效结构，并且弯曲提取阶梯可使得系统上的任何另外成像元件诸如图12所示的菲涅耳透镜62不必要。波导1406的阶梯式表面1502可用反射涂层直接盖覆以将光反射回用于偏振恢复，如针对之前实施例所述的。

图16B是示意图，其示出了采用基于另一个替代波导结构的偏振恢复方法的又一个定向背光源。此外，图16B是相关系统实施例，其中另外的偏振旋转膜1602设置在反射偏振器1408与空间光调制器(未示出)之间。偏振旋转膜1602充当偏振旋转器，其使从反射偏振器1408输出的第一偏振分量在提供给SLM之前旋转。这可用于由可为半波长延迟器的延迟器1602将输出线性偏振态1405和输出线性偏振态1417变换成偏振态1419，所述半波长延迟器可为具有适当取向的光轴的宽带延迟器叠堆。在被偏振器1604清除后，偏振态1421被取向为与竖直方向成大约45度以便用扭转向列型(TN)液晶显示器(LCD)面板实现更优的操作。基本上平行的45°对齐的清除偏振器片1604可用于替代片状偏振器1410以便以适合高对比度操作的取向提供高度偏振的光。

如图16B所示，定向显示装置可包括阶梯式波导1406、四分之一波长延迟器1404、偏振敏感层1408和片状偏振器1410。定向显示装置还可包括设置在反射偏振器与空间光调制器之间的偏振旋转器。偏振旋转器可被布置用于旋转第一偏振分量。

图17是示出另一个定向背光源的示意图，所述定向背光源采用与图16B的实施例相比修改的偏振恢复方法以提供替代光学阀结构，其中提供大约45°取向的输出偏振。此外，图17是采用偏振恢复方法的又一个定向背光源，其中膜取向被旋转大约45°以用于直接回收TN期望的偏振光。从而偏振态1423和偏振态1425可以除水平和竖直方向之外的角度布置，并且延迟器1606被布置用于与入射偏振态配合以实现如上所述的偏振旋转。如上所述，四分之一波长延迟器1606的取向可基本上平行于光学阀的物理侧面并且相对于任何残余双折射取向。选择不同于四分之一波长的延迟值可起到补偿任何残余波导双折射的作用。

图18A是示意图，其示出了一个实施例，其中偏振反射层以具有光束偏转功能的单个膜集成于楔型定向背光源系统内，更多细节在图18B中示出。此外，图18A和图18B示出了一个实施例，其中偏振恢复可与楔型定向波导一起采用。偏振敏感反射器层可盖覆在重新导向膜1108的小平面1810上。楔型定向背光源可以能够提供非偏振但定向的离开光束1802的此类方式操作，所述光束可以偏离离开表面的小角度传播。该光束内的非期望偏振态的光可向下反射离开小平面1810上的偏振敏感反射器层并且远离照明方向。相比之下，可允许期望偏振态的光1804透射并向上重新导向。向下传播光束可穿过透明楔形引导材料并且可同时被四分之一波长延迟器1814和反射表面1106变换和重新导向回。该变换的光可穿过波导1104和重新导向膜1108返回以与期望偏振的初始光束组合。

在一个实施例中，定向显示装置可包括波导，其中第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光并且第二引导表面可包括多个光提取结构特征。光提取结构特征可被取向为在多个方向上使穿过波导引导的光反射，从而允许作为输出光穿过第一引导表面离开。第二引导表面也可包括光提取结构特征之间的中间区域，所述中间区域可被布置用于将光导向穿过波导而基本上不提取光。另外，光提取结构特征可为第二引导表面的小平面并且第二引导表面可具有阶梯式形状，所述阶梯式形状可包括反射小平面和中间区域。波导的该实施例和描述可结合任何之前所述的采用定向显示装置和/或波导的实施例一起使用。

图18C是示意图，其示出了楔型定向背光源内的另一个偏振恢复实施例，更多细节在图18D中示出。图18D是图18C的偏振恢复实施例的放大剖视图。此外，图18B示出了与图18A相关的实施例，其中四分之一波长延迟器1814可位于波导的离开表面上而非介于波导与反射层1812之间。

图19是示意图，其示出了偏振恢复实施例的侧视图。该实施例一般类似于图15A所示和以上所述的实施例，但进行了修改，使得并非提供四分之一波长延迟器1404，而是将后反射器布置用于当提供回空间光调制器时将被拒绝光的偏振转换为第一偏振。

在该实施例中，定向显示装置包括按照如上所述那样布置的波导1和照明器阵列15以及接收来自波导1的输出光的SLM 48。显示装置还可包括串联在波导1与SLM 48之间的下列组件：菲涅耳透镜62、任选的相位延迟器诸如半波长延迟器204、不对称漫射体68、反射偏振器202、以及在空间光调制器48输入处的清除偏振器206。棱镜反射膜200设置在SLM 48的第二引导表面后方并且充当后反射器。

由于反射偏振器202布置在波导1的第一引导表面与被布置用于透射第一偏振分量的SLM 48之间，在光学阀1中传播的非偏振光线208以与上述实施例相同的方式作为光线210以第一偏振导向到观察窗26，所述第一偏振透射穿过反射偏振器202和清除偏振器206。具有与第一偏振正交的偏振的第二偏振分量的光线210被反射偏振器202作为被拒绝光反射，并透射穿过波导1到达棱镜反射膜200，所述光线在其上反射并作为光线212导向回SLM 48。因此光线212在窗216处的竖直位置可不同于光线210的位置。然而，此类光线可包括在横向(y轴)方向上的相同光学窗方向性。

棱镜反射膜200将被拒绝光的偏振转换为第一偏振，如将在下文描述的。

图20是示意图，其示出了图19的偏振恢复实施例的细节的侧视图，以及图21是示意图，其示出了图19的偏振恢复实施例的示意性正视图。为了清楚起见，菲涅耳透镜62和漫射体68未示出。

在光学阀1的波导中传播的光线208包括非偏振光状态230。从光提取结构特征12反射的光线为基本上非偏振的并且入射到如上所述的反射偏振器202上。第一偏振分量的透射光线210被导向穿过任选的延迟器204，所述延迟器可为具有适当取向的光轴的半波长延迟器，其被布置用于将第一偏振分量状态236导向到空间光调制器48的清除偏振器206的透射轴上。

空间光调制器48还可包括基板220和基板224诸如玻璃基板、液晶层222和输出偏振器226。

被反射偏振器202作为被拒绝光反射的光线212透射穿过光学阀1并入射到棱镜反射膜200上，所述棱镜反射膜可包括反射层201，诸如铝或银材料。棱镜反射膜200具有多对反射拐角小平面203和205的线性阵列。拐角小平面203和205在公共面上以相反方向倾斜，使得单独光线212从一对拐角小平面212发生反射。拐角小平面203和205倾斜的该公共面被取向于SLM 48的法线周围，使得在从一对拐角小平面反射时，后反射器将提供回空间光调制器的被拒绝光的偏振转换为第一偏振。这可通过以与棱镜反射膜200处的第二偏振分量的偏振成45°延伸的公共面实现。

因此如图20所示，光线212被棱镜膜的小平面203和小平面205反射并且可基本上如图所示那样回射。光线234以相对于棱镜膜200的延长棱镜小平面203和延长棱镜小平面205成45°角入射。在双反射后，实现偏振旋转，使得由于在每个倾斜小平面处反射时各自的相位变化，偏振态234被旋转为偏振态236。从而穿过空间光调制器48输出的光线212具有与光线212的偏振态基本上相同的偏振态236。有利地，本发明实施例在不需要复杂延迟器叠堆的情况下实现了增加的宽带偏振旋转，从而可在降低成本的情况下实现高亮度输出观察窗。

图22是示意图，其示出了另外一个偏振恢复实施例的细节的侧视图。该实施例类似于图20的实施例，然而，棱镜膜200是反向的。由于膜200的前表面处的折射，此类布置方式可实现更宽照明角内的偏振旋转。此外，延迟层可结合在膜200内以实现偏振旋转的进一步控制。

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。

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。

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。

Claims (35)

1.一种定向显示装置，包括：

波导，所述波导具有输入端；

光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置处，所述波导还包括用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，所述第二引导表面包括光提取结构特征和所述光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，从而允许作为输出光穿过所述第一引导表面离开，所述中间区域被布置用于将光导向穿过所述波导而不提取光，所述波导被布置用于将来自不同光源的输入光导向穿过所述第一引导表面作为所述输出光，在分布在所述横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于所述输入位置；

透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置用于接收来自所述第一引导表面的所述输出光，并被布置用于调制具有第一偏振的所述输出光的第一偏振分量；

反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述波导的第一引导表面与所述空间光调制器之间，并且被布置用于透射所述第一偏振分量并反射作为被拒绝光的所述输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与所述第一偏振正交的偏振；以及

后反射器，所述后反射器设置在所述第二引导表面后方，且被布置用于反射所述被拒绝光以提供回所述空间光调制器，

所述定向显示装置还被布置用于将提供回空间光调制器的所述被拒绝光的偏振转换成所述第一偏振。

2.根据权利要求1所述的定向显示装置，还包括相位延迟器，所述相位延迟器设置在所述反射偏振器与所述后反射器之间并且被布置用于当被提供回所述空间光调制器时将所述被拒绝光的偏振转换成所述第一偏振。

3.根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述相位延迟器设置在所述波导与所述反射偏振器之间。

4.根据权利要求3所述的定向显示装置，其中所述后反射器是所述第二引导表面上形成的层。

5.根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述相位延迟器设置在所述波导与所述后反射器之间。

6.根据权利要求1所述的定向显示装置，其中所述后反射器包括多对反射拐角小平面的线性阵列，所述反射拐角小平面在取向于空间光调制器的法线周围的平面中以相反方向倾斜，使得在从一对拐角小平面反射时，所述后反射器将提供回空间光调制器的所述被拒绝光的偏振转换为所述第一偏振。

7.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述反射偏振器是多层双折射膜。

8.根据权利要求7所述的定向显示装置，其中所述反射偏振器是在玻璃上提供的周期性金属线栅结构。

9.根据权利要求7所述的定向显示装置，其中所述反射偏振器是在生胶片上提供的金属栅结构。

10.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，还包括偏振旋转器，所述偏振旋转器设置在所述反射偏振器与所述空间光调制器之间并且被布置用于旋转所述第一偏振分量。

11.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述波导还包括面向所述输入端的反射端以用于将所述输入光反射回穿过所述波导，并且所述光提取结构特征被取向为在所述多个方向上使在从所述反射端反射后穿过所述波导引导的光反射，从而允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开。

12.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述光提取结构特征是所述第二引导表面的反射小平面，并且所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括所述反射小平面和所述中间区域。

13.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述反射端在跨所述波导的横向方向上具有正光焦度。

14.一种显示设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置并且还包括控制系统，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观察窗中。

15.根据权利要求14所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述控制系统被进一步布置用于控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将所述显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。

16.根据权利要求15所述的自动立体显示设备，其中

所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测所述显示装置对面的观察者的位置，并且

所述控制系统被布置用于根据被检测到的观察者的位置将所述显示的图像导向进入在对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。

17.一种偏振定向照明设备，包括：

成像定向背光源，所述成像定向背光源包括：

用于引导光的波导，所述波导还包括：

第一光引导表面，所述第一光引导表面可操作以将来自照明器阵列的光在第一方向上导向；以及

第二光引导表面，所述第二光引导表面可操作以允许光离开所述波导；以及

光输入表面，所述光输入表面可操作以接收来自所述照明器阵列的光；以及

偏振敏感反射器，所述偏振敏感反射器与所述波导的第一光引导表面邻近且用于提供至少偏振选择性反射。

18.根据权利要求17所述的偏振定向照明设备，其中所述偏振敏感反射器提供偏振敏感透射。

19.根据权利要求17所述的偏振定向照明设备，还包括延迟膜，所述延迟膜与所述波导的第二光引导表面邻近以改变反射光的所述偏振态。

20.根据权利要求17所述的偏振定向照明设备，其中所述波导是楔型定向背光源。

21.根据权利要求20所述的偏振定向照明设备，其中所述楔型定向背光源盖覆有交替的高折射率材料和低折射率材料。

22.根据权利要求20所述的偏振定向照明设备，其中所述楔型定向背光源的第一光引导表面盖覆有反射层。

23.根据权利要求17所述的偏振定向照明设备，其中所述波导是光学阀。

24.根据权利要求22所述的偏振定向照明设备，其中所述光学阀具有盖覆有反射材料的阶梯式表面。

25.根据权利要求23所述的偏振定向照明设备，其中所述光学阀为基本上透明的。

26.根据权利要求17所述的偏振定向照明设备，其中所述偏振敏感反射器为多层双折射膜。

27.根据权利要求26所述的偏振定向照明设备，其中所述偏振敏感反射器是在玻璃上提供的周期性金属线栅结构。

28.根据权利要求26所述的偏振定向照明设备，其中所述偏振敏感反射器是在生胶片上提供的金属栅结构。

29.一种成像定向背光源，包括：

输入侧面，所述输入侧面位于波导的第一末端，其中所述输入侧面可操作以接收来自至少照明器阵列的光；

反射侧面，所述反射侧面位于所述波导的第二末端；

第一光导向侧面和第二光导向侧面，所述第一光导向侧面和所述第二光导向侧面位于所述波导的输入侧面与反射侧面之间，其中所述第二光导向侧面可操作以允许光离开所述波导；以及

偏振敏感反射器，所述偏振敏感反射器与所述波导的第一光导向侧面邻近且用于提供至少偏振选择性反射。

30.一种提供偏振恢复的光学阀系统，包括：

用于引导光的波导，其中所述波导还包括：

第一光引导表面；以及

第二光引导表面，所述第二光引导表面与所述第一光引导表面相对，还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允许当光在第一方向上传播时所述光在基本上低损耗的情况下穿过，并且允许光，一旦遇到所述多个提取结构特征的至少第一提取结构特征，离开所述波导；

空间光调制器，所述空间光调制器与所述波导邻近；以及

偏振敏感反射器，所述偏振敏感反射器与所述波导的第一光导向侧面邻近且用于提供至少偏振选择性反射。

31.根据权利要求30所述的提供偏振恢复的光学阀系统，还包括四分之一波长延迟板，所述四分之一波长延迟板位于所述波导与所述偏振敏感反射器之间。

32.根据权利要求31所述的提供偏振恢复的光学阀系统，还包括片状偏振器，所述片状偏振器可操作以充当清除偏振器并位于所述偏振敏感反射器之后的光路中。

33.根据权利要求32所述的提供偏振恢复的光学阀系统，其中所述光学阀还包括盖覆有反射材料的阶梯式表面。

34.根据权利要求33所述的提供偏振恢复的光学阀系统，其中所述反射材料是银。

35.根据权利要求29所述的提供偏振恢复的光学阀系统，其中所述偏振敏感反射器近似平行于所述阶梯式表面。