CN104823097A

CN104823097A - 使用反射定向元件的阶梯式波导自动立体显示装置

Info

Publication number: CN104823097A
Application number: CN201380063047.6A
Authority: CN
Inventors: M·G·鲁宾逊; G·J·伍德盖特
Original assignee: RealD Inc
Current assignee: Gabriel D spark limited liability company
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-08-05
Also published as: US9001423B2; US20140133020A1; US20140232836A1; EP2904778A1; CN104854864B; US9420266B2; CN104854864A; EP2904446A4; US20140092472A1; WO2014055689A1; EP2904778A4; US9225971B2; WO2014055695A1; EP2904778B1; EP2904446A1

Abstract

本发明公开了一种自动立体显示装置，所述自动立体显示装置可包括阶梯式波导、光学元件、以及一个或多个反射成像和/或定向元件。这些元件可被布置用于使来自所述阶梯式波导的光返回到观察窗阵列中。此类元件可用于针对横向操作模式和纵向操作模式实现观察者跟踪自动立体显示。系统厚度和成本可降低，并且系统亮度可增加，或者可实现低工作功率模式。

Description

使用反射定向元件的阶梯式波导自动立体显示装置

技术领域

本发明整体涉及包括阶梯波导光学元件和反射定向元件的自动立体显示装置。此类元件可用于针对横向操作模式和纵向操作模式实现观察者跟踪自动立体显示。

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柱状透镜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。视差组件将来自每个像素组的光导向至不同的相应方向以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。一只眼放在第一观察窗中的观察者可借助来自第一组像素的光看见第一图像；并且一只眼放在第二观察窗中的观察者可借助来自第二组像素的光看见第二图像。

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。可通过使光学元件散焦来减少此类闪烁；然而此类散焦会导致图像串扰水平增大并且加重观察者的视觉疲劳。可通过调整像素孔的形状来减少此类闪烁，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器件进行寻址。

发明内容

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器面板进入观察窗的额外功能。可在多个光源和相应窗图像之间形成成像系统。成像定向背光源的一个例子是光学阀，其可采用折叠光学系统并且因此还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该光学阀，同时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如在美国专利申请序列号13/300,293中所述，该美国专利申请全文以引用方式并入本文。

根据本发明，提供了光导向设备，该光导向设备包括：波导，其在用于接收输入光的输入端和用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸，该波导具有用于沿该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多个光提取特征，这些光提取特征面向反射端并且倾斜以在允许穿过所述第一引导表面离开的方向上将从所述反射端穿过所述波导引导回的光反射，光提取特征被布置用于将来自跨输入端的不同输入位置的输入光在取决于输入位置的方向上导向；以及反射元件，所述反射元件被布置用于将离开第一引导表面的光穿过该引导表面反射回以穿过第二引导表面离开。

提供反射元件使离开第一引导表面的光穿过该引导表面反向，以使得其最终穿过第二引导表面离开。因此，该波导可沿与美国专利申请序列号13/300,293中所示相反的取向在显示设备中使用，以使得第二引导表面面向前，而非向后。此反向配置提供显著优点。

可改善观察窗，从而针对移动的观察者和增加的观察自由度实现减少的图像闪烁；并且可减小厚度和降低成本。

当本发明的教导应用于其中空间光调制器包括布置在孔中的像素阵列的显示设备并且该孔的形状具有两条垂直的镜面对称轴线时，可实现特定优点。在此情况下，观察窗可以在相对于孔形状的一条轴线成25至65度范围内的角度延伸，传感器系统可进一步被布置用于检测观察者的观察取向，并且控制系统可被布置用于根据检测到的观察取向以及所检测到的观察者位置将显示图像导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

此布置得益于对观察窗相对于其中布置有像素的孔的形状的轴线而延伸的角度所进行的选择。显示设备最通常地在对称轴线中的一条轴线接近于水平的情况下来观察，也即在矩形孔的情况下以横向或纵向取向来观察。在观察窗沿着或接近于对称轴线延伸的情况下，仅当显示设备在该对称轴线为垂直时观察才提供图像的自动立体显示，而当显示设备被旋转90度以使得另一对称轴线为垂直时不提供图像的自动立体显示，因为此时单个观察窗跨观察者的双眼延伸。

相比之下，在此布置中，这些窗以在45度左右范围内的角度延伸，例如从25至65度，更优选地30至60度、35至55度、或40至50度。当依赖于所检测到的观察者位置和所检测到的观察取向来控制时，此类成角度的观察窗可用于在显示设备的改变的取向中提供图像的自动立体显示。具体地讲，由于成角度的窗沿两条轴线分开，所以当以任一轴线在垂直方向上或其附近的取向观察显示装置时，可将左图像和右图像导向为在观察窗中与观察者的左眼和右眼对应的位置显示图像。

可为多个观察者提供单独的观察窗。

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/或光学设备。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电气设备、光学系统、演示系统有关的任何装置，或者可包括任何类型的光学系统的任何装置一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统中、视觉和/或光学演示中使用的设备中、视觉外围设备中等，并且可用于多种计算环境中。

在转到详细的公开实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的特定布置的细节，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。控制发射光的定向分布可实现以下优点：单人观察以提供安全功能，其中显示器仅可由单个观察者从受限角度范围看见；高电气效率，其中仅在小角度定向分布上提供照明；交替的左眼和右眼观察以实现时序立体和自动立体显示；以及低成本。

在本领域的普通技术人员阅读本发明内容全文后，本发明的这些和其他优点以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，其示出光学阀装置的一个实施例中的光传播的前视图；

图1B是根据本发明的示意图，其示出图1A的光学阀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，其以顶视图示出光学阀装置的另一个实施例中的光传播；

图2B是根据本发明的示意图，其以前视图示出图2A的光学阀装置的光传播；

图2C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出图2A的光学阀装置的光传播；

图3是根据本发明的示意图，其以侧视图示出光学阀装置；

图4A是根据本发明的示意图，其以前视图示出光学阀装置中并且包括弯曲光提取特征的观察窗的生成；

图4B是根据本发明的示意图，其以前视图示出光学阀装置中并且包括弯曲光提取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，其示出包括线性光提取特征的光学阀装置中第一观察窗的生成；

图6A是根据本发明的示意图，其示出时间多路复用成像定向背光源装置中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，其示出在第二时隙中时间多路复用光学阀装置中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，其示出时间多路复用光学阀装置中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，其示出包括时间多路复用光学阀装置的观察者跟踪自动立体显示装置；

图8是根据本发明的示意图，其示出包括时间多路复用光学阀装置的多观察者显示装置；

图9是根据本发明的示意图，其示出包括光学阀装置的防窥显示装置；

图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出时间多路复用光学阀装置的结构；

图11是根据本发明的示意图，其示出能够在水平方向和垂直方向上提供观察者跟踪并且包括定向背光源、反射元件和透射空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；

图12是根据本发明的示意图，其示出横向操作期间自动立体显示器的观察窗阵列的前视图；

图13是根据本发明的示意图，其示出纵向操作期间自动立体显示器的观察窗阵列的前视图；

图14A是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的观察窗阵列的前视图，该自动立体显示装置包括用于横向操作的两组可独立切换的窗；

图14B是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的观察窗阵列的前视图，该自动立体显示装置包括用于纵向操作的两组可独立切换的窗；

图15A是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的观察窗阵列的前视图，该自动立体显示装置包括用于横向操作的二维窗阵列；

图15B是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的观察窗阵列的前视图，该自动立体显示装置包括用于纵向操作的二维窗阵列；

图16A是根据本发明的示意图，其示出在横向模式下使用时自动立体显示装置的用于提供横向操作和纵向操作的观察窗阵列的前视图；

图16B是根据本发明的示意图，其示出在横向模式下自动立体显示装置产生的图像的前视图；

图17A是根据本发明的示意图，其示出在纵向模式下使用时自动立体显示装置的用于提供横向操作和纵向操作的观察窗阵列的前视图；

图17B是根据本发明的示意图，其示出在纵向模式下自动立体显示装置产生的图像的前视图；

图18是根据本发明的示意图，其示出用于横向操作和纵向操作的观察窗阵列的前视图，其中示意性示出对面板旋转角度的限制；

图19是根据本发明的示意图，其进一步示出由定向漫射体元件对观察窗进行的处理的前视图；

图20A是根据本发明的示意图，其示出包括阶梯式波导和反射菲涅耳透镜元件的自动立体装置的侧视图；

图20B是根据本发明的示意图，其示出图20A的显示器的结构的侧视图；

图21A是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的侧视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列；

图21B是根据本发明的示意图，其示出定向显示装置的前视图，该定向显示装置包括被布置用于实现高亮度操作的阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列；

图21C是根据本发明的示意图，其示出定向显示装置的前视图，该定向显示装置包括阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列，该准直镜阵列包括被布置用于实现高亮度操作的弯曲柱面镜；

图22是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源并且包括反射光学元件；

图23A是根据本发明的示意图，其示出图22的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括阶梯式成像定向背光源，该阶梯式成像定向背光源使用被布置用于实现横向操作和纵向操作的发光元件阵列的第一位置；

图23B是根据本发明的示意图，其示出图22的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置使用发光元件阵列的第二位置；

图24是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图25A是根据本发明的示意图，其示出图24的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图25B是根据本发明的示意图，其示出通过图25A的结构对观察窗进行的处理的前视图；

图26是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图27是根据本发明的示意图，其示出图26的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图28是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图29A是根据本发明的示意图，其示出图28的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源；

图29B是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图29C是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图30是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图31是根据本发明的示意图，其示出图30的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图32是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图33是根据本发明的示意图，其示出图30的自动立体显示装置的前视图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图34是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件；

图35是根据本发明的示意图，其示出自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。

图36是根据本发明的示意图，其示出图25的自动立体显示装置的一部分的侧视图；以及

图37是根据本发明的示意图，其示出横向模式下的观察窗阵列的前视图。

具体实施方式

现在将描述各种显示装置及其组件。这些替代装置通常具有相同构造并且以相同方式工作。因此，这些装置和组件的各种特征可组合在一起。为简洁起见，在以下描述中，共用元件使用相同的附图标记，并且不再重复其描述。

时间多路复用自动立体显示器可通过显示在时间上多路复用的左图像和右图像，并且基本上同步地将显示图像导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中，来有利地改善自动立体显示器的空间分辨率。也就是说，在第一时隙将光从空间光调制器的所有像素导向到第一观察窗，并且在第二时隙将所有像素导向到第二观察窗。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在多个时隙期间看见跨整个显示器的全分辨率图像。时间多路复用显示器可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，来有利地实现定向照明，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，且针对移动观察者的串扰水平较低。

为了在窗平面中实现高均匀度，期望提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。可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，提供时序照明系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受与空间多路复用显示器的情况类似的困难。另外，此类设备可具有较低效率和较高成本，因为采用了额外的显示组件。

可方便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地增加。例如，成像到65mm宽观察窗的16mm宽的照明器可利用200mm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示器。

为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利申请序列号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(通常垂直)方向上移动时包含相同图像。

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”)的波导或设备的类型。如本文中仅出于讨论目的而非出于限制目的所使用，成像定向背光源的例子包括阶梯式成像定向背光源、折叠成像定向背光源、楔型定向背光源、光学阀或直列式光学定向背光源。另外，如本文中仅出于讨论目的而非出于限制目的所使用，阶梯式成像定向背光源可以是光学阀或直列式光学定向背光源中的至少一者。此外，如本文中仅出于讨论目的而非出于限制目的所使用，折叠成像定向背光源可以是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用于接收输入光的输入端传播到反射端并且可在基本上无损耗的情况下传输。光可在反射端反射并且在与第一方向基本相反的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取特征上，这些光提取特征可操作为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。光提取特征被布置用于将来自跨输入端的不同输入位置的输入光在取决于输入位置的不同方向上导向。

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特征阵列，所述光提取特征被布置用于提取在基本上平行的波导中反向传播的光。

用于与LCD搭配使用的薄型定向背光源实施方案已由以下专利提出并展示：3M的例如美国专利No.7,528,893；Microsoft的例如美国专利No.7,970,246，其在本文中可称为“楔型定向背光源”；RealD的例如美国专利申请序列号13/300,293，其在本文中可称为“光学阀”或“光学阀定向背光源”；以及RealD的例如与本文同时提交的美国专利申请No.US20120127573，其在本文中可称为“直列式光学定向背光源”，所有这些专利都全文以引用方式并入本文中。边缘照明式波导照明结构可用于液晶显示系统，诸如2D笔记本电脑、监视器和电视机中看到的那些。光从可包括稀疏特征的有损耗波导的边缘传播；该稀疏特征通常是引导件的表面中的局部凹口，其导致光损耗而不论光的传播方向如何。

本发明提供阶梯式成像定向背光源，其中光可在(例如)阶梯式波导的内面之间来回反射，该阶梯式波导可包括用于将光沿该波导来回引导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多个光提取特征。当光沿着阶梯式波导的长度传播时，光可不基本上改变相对于引导表面的入射角，因此在这些内面处可不达到介质的临界角。可通过光提取特征有利地实现光提取，这些光提取特征可以是向第二引导表面(阶梯“踏板”)倾斜的表面(阶梯“立板”)。注意，光提取特征可能不是阶梯式波导的光引导操作的一部分，但可被布置用于从该结构提供光提取。相比之下，楔型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定向背光源。

图1A是示意图，其示出光学阀结构的一个实施例中的光传播的前视图，并且图1B是示意图，其示出图1A的光学阀结构中的光传播的侧视图。

图1A示出在光学阀的xy平面中的前视图，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包括作为光源工作的照明器元件15a至照明器元件15n(其中n是大于或等于2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。照明器元件15a至15n可以是发光二极管(LED)。虽然在本文中将LED作为照明器元件15a–15n来讨论，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示出波导1和空间光调制器(SLM)48在xz平面中的侧视图。图1B中提供的侧视图是图1A中所示前视图的替代视图。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可具有为薄端的输入端2和为厚端的反射端4。照明器元件15a-15n布置在跨波导1的薄端2的不同位置处的光源的阵列中。

波导1具有用于沿该波导来回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(在图1中为最上面)基本上平坦。第二引导表面由交替布置的引导表面10和提取表面12形成。引导表面10是第二引导表面的在提取特征12之间的区域并且基本上平坦。

提取特征12是面向反射端4并且倾斜以在允许穿过第一引导表面离开的方向上(例如，在图1B中向上)将从反射端4穿过波导1引导回的光反射的表面。

SLM 48充当透射空间光调制器并且跨波导1的第一引导表面延伸以调制穿过所述第一引导表面离开的光。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。

提取特征12被布置用于将来自跨输入端2的与照明器元件15a-15n中的每一个对应的不同输入位置的输入光在取决于这些输入位置的方向上导向。在控制系统的控制下，照明器元件15a-15n可选择性地操作为将光导向到可独立或成组地作为观察窗使用的光学窗中的可选择的一个光学窗中。

因此，图1A的前视图中示出光学阀的操作，该操作可将光导向到具有不同位置的多个光学窗中的一个中，从而提供观察窗的一维阵列，其侧面轮廓在图1B中显示。在图1A和1B中，在操作中，光可从照明器阵列15发出，诸如照明器元件15a至15n的阵列，这些元件沿着阶梯式波导1的输入端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反射端4时可基本上或完全填充弯曲反射端4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度最大至但不超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的第二引导表面的引导特征10的提取特征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特征12，确保了基本上无损耗的前向传播。

继续讨论图1A和1B，阶梯式波导1的弯曲反射端4可制成反射性的，通常通过涂布反射性材料诸如银来实现，但可采用其他反射技术。光因此可在第二方向上重新导向，顺着波导1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平面中的主要传播方向附近基本上保持，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°倾斜的提取特征12的实施例中，可将光有效地导向成大约垂直于xy显示器平面，而且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时该角展度可增加，但根据提取特征12的反射特性，其可一定程度地减小。

在具有未带涂层的提取特征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xy角轮廓并偏离法向。然而，在具有带银涂层或金属化的提取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中的相应照明器元件15a–15n距离输入端中心的y位置成比例地导向偏离法向。于是，沿着输入端2具有独立的照明器元件15a–15n会使光能够从整个第一引导表面6离开并以不同外角传播，如图1A中所示。

用此类设备照明SLM 48诸如快速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中的前视图以及图2C中的侧视图所示。图2A是示意图，其以顶视图示出光学阀系统中光的传播，图2B是示意图，其以前视图示出光学阀系统中光的传播，并且图2C是示意图，其以侧视图示出光学阀系统中光的传播。如下所述，在控制系统的控制下，使SLM 48显示在时间上多路复用的左眼图像和右眼图像，并且照明器元件15a-15n同步操作以将光导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗(包括一个或多个光学窗)中。如图2A、图2B和图2C所示，阶梯式波导1可位于显示顺序的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，可选择性开启和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至15n，从而借助系统的定向性提供基本上独立地进入右眼和左眼的照明光。在最简单的情况下，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垂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。

图3是示意图，其以侧视图示出光学阀。此外，图3示出了可为透明材料的阶梯式波导1的操作的侧视图的其他细节。阶梯式波导1可包括照明器输入端2、反射端4、可基本上平坦的第一光导向侧面6、以及包括引导特征10和光提取特征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端4。虽然反射端4可为镜面并且可反射光，但在一些实施例中光也可穿过反射端4。

继续讨论图3，反射端4所反射的光线18可进一步通过反射端4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取特征12反射。入射在提取特征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、端部4和提取特征12的输出设计距离和光焦度确定。观察窗的高度可主要由提取特征12的反射锥角和输入端2处输入的照明锥角确定。

图4A是示意图，其以前视图示出光学阀，该光学阀可由第一照明器元件照明并且包括弯曲光提取特征。此外，图4A以前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，光学阀的侧面22、24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取特征12可为细长的，并且光提取特征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特征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。

图4B是以前视图示出光学阀的示意图，该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。端部4和光提取特征12上的反射表面的曲率可与来自照明器元件15h的光线配合形成与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。

有利地，图4B中所示的布置可在观察窗26处提供照明器元件15c的实像，其中反射端4的光焦度和可由细长光提取特征12的在区域34与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的布置可实现照明器元件15c至观察窗26中横向位置的成像的改善像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展的观察自由度，同时实现低串扰水平。

图5是以前视图示出光学阀的实施例的示意图，该光学阀具有基本上线性的光提取特征。另外，图5示出了与图1类似的组件布置(且对应的元件是类似的)，并且其中一个差别是光提取特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类布置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的弯曲提取特征相比可更便于制造。

图6A是示意图，其示出在第一时隙中时间多路复用成像定向背光源装置(也就是，光学阀装置)中的第一观察窗的生成的一个实施例，图6B是示意图，其示出在第二时隙中时间多路复用成像定向背光源装置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，其示出时间多路复用成像定向背光源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生成照明窗26。照明器阵列15中的照明器元件15c可提供朝向观察窗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15h可提供朝向观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器的配合中，窗26和44可按顺序提供，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，则可针对处于适当位置的观察者实现自动立体图像。所有成像光学阀系统或成像定向背光源都可实现类似操作。

图7是示意图，其示出包括时间多路复用光学阀装置的观察者跟踪自动立体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15n提供了观察窗的定向控制。可使用传感器系统监测头部45的位置，该传感器系统包括相机、运动传感器、运动检测器、或被布置用于检测观察者相对于显示设备的位置的任何其他合适的光学、机械或电气部件。控制系统控制照明器阵列15的合适照明器元件以根据检测到的观察者位置将显示图像导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中，从而向每一只眼提供基本上独立的图像，而不论头部45的位置如何。传感器系统可以是头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)，其可提供对不止一个头部45、47(头部47未在图7中示出)的监测，并且可向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，所有成像光学阀系统或成像定向背光源都可实现类似操作。

图8是示意图，其示出多观察者显示装置的一个实施例，该显示装置包括时间多路复用光学阀装置作为成像定向背光源的例子。如图8所示，至少两幅2D图像可朝一对观察者45、47导向，使得每个观察者可在空间光调制器48上看到不同图像。图8的这两个2D图像可与相对于图7所述的类似方式生成，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。

图9是示意图，其示出包括成像定向背光源装置以及(如图所示)光学阀的防窥显示装置。2D显示系统也可出于安全和效率目的利用定向背光源，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如图9所示。另外，如图9所示，虽然第一观察者45能够观察到设备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功能。

图10是示意图，其以侧视图示出作为成像定向背光源的例子的时间多路复用光学阀装置的结构。此外，图10以侧视图示出了自动立体显示器，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。垂直漫射体68可被布置用于进一步延伸窗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的蓝色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用于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，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有利地提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且还减少散斑。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。

图11是示出观察者跟踪时间多路复用自动立体显示器的示意图，该显示器用于在水平方向202和垂直方向204上相对于后部照明自动立体显示器移动的观察者12，其中后部照明自动立体显示器包括阶梯式波导1和反射元件460以及透射空间光调制器诸如LCD48。取向传感器79可用于检测观察者的观察取向，并且因此确定LCD 48的横向操作或纵向操作，而且观察者跟踪系统74用于跨显示设备检测观察者在标称观察平面200附近的两个维度中的位置，其中观察者跟踪系统包括与计算机视觉处理系统配合的传感器，诸如相机。因此，观察者跟踪系统74和取向传感器79一起形成传感器系统，该传感器系统跨显示设备检测观察者在两个维度上的位置以及观察者的观察取向。可替代地提供其他类型的传感器系统来获得这些信息。例如，观察者跟踪系统74可确定位置和取向两者。在此情况下，可直接指示取向，或通过指示观察者的双眼的位置来指示取向。

显示器包括如下布置的控制系统。系统控制设备75用于确定将使用图像控制器76呈现的图像；以及使用照明控制器77从发光元件阵列15产生的照明。此显示器在标称观察平面200处提供观察窗阵列250。控制系统和显示装置可因此在横向操作模式和纵向操作模式两者中针对在水平方向202和垂直方向204上的移动使所需照明和图像数据到达观察者的相应的左眼和右眼。此外，此类显示器能够在横向操作和纵向操作中以2D模式和3D模式进行观察。如将公开的，利用相对于LCD 48的水平轴线和垂直轴线以通常45度倾斜的观察窗阵列250实现此类横向/纵向操作。因此，控制系统控制显示设备来显示时间多路复用的左图像和右图像，并且同步地根据检测到的观察者位置和检测到的观察取向来将显示图像导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

图12是示意图，其示出光学窗阵列206的前视图，其中光学窗包括用于在横向模式下观察显示器的垂直光学窗取向。SLM 48的像素阵列被布置在具有矩形形状的孔中。这些窗被布置用于包括左眼图像数据和右眼图像数据。具有右眼位置220的观察者将看见由复合窗形成的无畸变3D图像，其中复合窗可包括子窗26、44的群组。可通过利用控制阵列206的子窗的切换时间(阶段)和强度来调整复合窗26、44的位置，从而实现水平方向上的观察者移动。对于在垂直方向上移动的观察者，可在不调整复合窗的位置或图像内容的情况下保持无畸变图像。

图13是示意图，其示出光学窗阵列206的前视图，其中光学窗包括用于在纵向模式下观察显示器的水平光学窗取向。因此，窗阵列206已经连同显示器一起水平地旋转，例如在用于横向操作和纵向操作的移动显示器中。观察者220使双眼在同一水平延伸的窗中，并且不会感知到自动立体图像，而是看到单个2D视图。

需要提供可在3D操作的横向模式和竖向模式下使用的显示系统，尤其是针对例如移动显示平台以及例如可旋转的台式显示器和广告显示器。

图14A是示意图，其示出自动立体显示器的观察窗阵列的前视图，该显示器包括两组能够独立切换的窗238和242，这两组窗可被控制成提供横向操作。此类显示器可包括例如一对自动立体显示器，其中使用本领域中已知的光束组合半镜来对输出进行组合。因此，观察者220看到来自窗阵列238的光而看不到来自窗阵列242的光。如上所述，这样的观察者可被跟踪。类似地，图14B是示意图，其示出自动立体显示器的观察窗阵列的前视图，该显示器包括两组能够独立切换的窗238和242，这两组窗被控制成提供纵向操作。因此，观察者220看到来自窗阵列242的光而看不到来自窗阵列238的光。这样，两个定向背光源可实现用于横向操作和纵向操作的两个独立跟踪的窗阵列238、242。不利的是，与单个阶梯式波导布置相比，此类系统具有提高的成本、增大的厚度和光损耗。

图15A是示意图，其示出自动立体显示装置的光学窗阵列246的前视图，该自动立体显示装置包括被控制成向观察者220提供横向操作的二维光学窗阵列，并且图15B是示意图，其示出自动立体显示装置的观察窗阵列的前视图，该自动立体显示装置包括被控制成向观察者220提供纵向操作的二维光学窗阵列。窗阵列246可在横向模式和纵向模式两者下为水平和垂直观察者位置移动提供独立控制的窗。可利用例如一体式成像显示器来提供此类显示器，该一体式成像显示器包括与如本领域中已知的空间光调制器对准的微透镜阵列。不利的是，这样的布置具有分辨率减小的3D图像。

现在将描述一种自动立体显示装置，其中SLM 48的像素阵列被布置在具有矩形形状的孔中，但能够提供横向操作和纵向操作。图16A是示意图，其示出当在横向模式下使用时自动立体显示装置的光学窗250阵列的前视图，并且图16B是示意图，其示出处于横向模式下的自动立体显示装置产生的图像的前视图。因此，光学窗250以与孔的矩形形状的镜面对称轴(此例中，为镜面对称短轴253)成在45度左右范围内的角度251倾斜，但这当然也是相对于镜面对称主轴的角度。该范围可为从25至65度，优选地从30至60度，更优选地从35至55度，并且更优选地介于40和50度之间，并且最优选地处于45度。对于横向观察，观察者双眼之间的线因此基本上正交于面板轴线，而对于纵向观察则平行于面板轴线。在横向模式下，观察者的一只眼睛看到面板264上的图像266。

控制系统可使用成角度的观察窗来在显示设备的各种取向下提供图像的自动立体显示，这通过依赖于所检测到的观察者位置和所检测到的观察取向来控制显示器而实现。具体地讲，由于成角度的窗沿着两条镜面对称轴都被分开，所以当以任一轴线处于垂直方向或附近的取向观察显示装置时，可将左图像和右图像导向为观察窗中与观察者的左眼和右眼对应的位置中的显示图像，如下所述。

图16A和图16B示出当检测到的取向为横向观察(即，轴线253或镜面对称是垂直的)时的操作。对于相对于显示器处于已知水平和垂直位置的观察者220来说，子窗252(以及相邻子窗)可包括左眼图像数据，并且子窗254可包括右眼图像数据。如果观察者横向移动至位置260，则可用左眼数据寻址子窗256并且子窗258可包括右眼数据。如果观察者在45度方向上进一步垂直且水平地移动至位置262，则窗数据可保持不变，尽管已经存在横向移动分量。因此，观察者跟踪系统必须在两个方向上确定观察者位置，并且相应地更新显示器。另外，如果纵向位置已知，则可在一些视图部分上更新显示内容以增加观察自由度。

图17A和图17B示出当检测到的取向为纵向观察(即，镜面对称短轴253是水平的)时的操作。图17A是示意图，其示出在纵向模式下使用时用于从自动立体显示装置提供横向操作和纵向操作的光学窗阵列250的前视图。图17B是示意图，其示出纵向模式下自动立体显示装置产生的图像的前视图。在该实施例中，子窗268可用左眼图像数据寻址，而子窗270可用右眼图像数据寻址。纵向图像可例如包括立体图像数据272和2D图像数据274。这样，有利地，当与观察者跟踪系统配合使用时，单个视差光学系统的单个一维(例如，在45度方向上延伸)窗组可被布置用于实现横向操作和纵向操作。与能够实现二维窗阵列的系统相比，这种布置可提高效率并降低成本。

图18是示意图，其示出用于横向操作和纵向操作的光学窗250阵列的前视图，其中示意性示出对面板旋转角度的限制。这样，可向观察者220、221、276呈现受到良好控制的立体图像。对于在角度范围282中以及由观察者位置278、280限定的观察者，则很难看到或者就看不到立体图像。对于这些观察者取向，控制系统可被布置用于用2D数据对面板进行寻址以避免由于图像串扰引起的保真度损失。

图19是示意图，其示出用于横向操作和纵向操作的光学窗250阵列的前视图。布置在定向背光源1和空间光调制器48之间的额外离轴漫射元件可例如包括来自住友化学有限公司(Sumitomo Chemical Co.Ltd.)的Lumisty^TM，以使得在离轴光被漫射的同时轴上光被传输。这样，可针对轴上自动立体观察提供中心窗区域422，而可针对2D观察提供离轴2D区域424。因此，可实现具有位置220、221的观察者，从而提供轴上横向模式和纵向模式以及离轴2D模式。有利地，这种布置使用单个阶梯式波导成像定向背光源，具有低成本和小边框。

时间多路复用自动立体显示器有利地在2D模式和3D模式下实现高分辨率图像。可期望减小窗成像的色差和定向背光源中针对时间多路复用显示器的封装厚度。

图20A是示意图，其示出包括反向阶梯式波导1和反射光学元件460的自动立体显示器的侧视图。反射元件460被布置用于将离开第一引导表面的光穿过波导1反射回。因此，该反射光随后穿过第二引导表面离开波导1。因此，波导1以与美国专利申请序列号13/300,293中所示相反的取向在显示设备中使用，以使得第二引导表面面向前，而非向后。因此，SLM 48跨波导1的第二引导表面延伸以调制穿过所述第二引导表面离开的光。

图20B是示意图，其示出包括阶梯式波导1和反射光学元件460的同一自动立体显示器照明堆栈的前视图；为便于说明，省略了LCD 48。来自阵列15的光沿阶梯式波导1导向并入射到反射端4上，该光从反射端4在特征10和侧面6上被反射和引导。在入射到水平光提取特征12上时，光被远离观察者向后反射，在观察者处，光入射到反射光学元件460上。在此例中，反射元件460是会聚菲涅耳镜。因此，元件460的前表面提供菲涅耳镜表面470并且为入射光提供聚焦功能。因此，来自波导1的基本上准直的光线102穿过阶梯式波导1的透明侧面6和光引导特征10(在此模式下，其充当透明窗)导向到窗平面处的垂直观察窗26。漫射体412可包括具有漫射主轴414的不对称漫射体；可能发生正交于此轴线的少量漫射。例如，轴线414可针对经准直的输入光实现30度漫射角，而正交轴线可实现1度漫射角。

因此，元件460取代例如图10的布置中的菲涅耳透镜62。有利地，反射元件460可在薄衬底上制成，例如形成到显示器的壳体中以减小厚度。此外，反射元件460为消色差元件，因此窗色度可减小，从而增加观察窗的离轴照明性能并且减少宽观察角度处的串扰。此外，增大了LCD 48和菲涅耳表面470的像素的间距，从而减少了莫尔条纹并且在波导1和具有主要漫射方向414的不对称漫射体412之间实现了较小间隙，进一步减小了系统厚度。

可进一步期望提供这样一种时间多路复用自动立体显示设备，其可由提供一维观察窗阵列的单个光学系统实现横向操作模式和纵向操作模式，因而减小系统复杂性并降低成本。

图21A是示意图，其示出自动立体显示装置的侧视图，并且图21B是示意图，其示出同一自动立体显示装置的前视图。波导1以反向布置操作，其中包括波导1的特征10、12的侧面8布置在基本上平坦的引导表面6和SLM 48之间，以使得光在第一程远离SLM48输出并且导向到反射元件610上，该反射元件包括与波导1的特征12对准的凹面镜612阵列。反射元件610将光穿过波导1反射回SLM 48。凹面镜612各自在x-z平面中具有正光焦度并且在特征12在线性范围内的情况下在y方向上延伸。因此这些镜是柱面镜，尽管镜表面在第一子午线上的轮廓可具有圆形或非圆形的形状，因此在该上下文中，词语“柱面”并不暗示在数学上严格限制为柱面形状，如将例如参考图21C所示。

反射元件610的凹面镜与波导1的相应光提取特征12对准，并且在相应光提取特征12上被布置有焦点。

不对称漫射体412具有主轴漫射展度447和短轴漫射展度449。因此，在不存在漫射体时，输出观察窗阵列451、455、457在x方向上包括局部高度光学窗。高度453基本上由特征12的尺寸和阵列610的凹面镜612的焦距决定。这样，对于x方向上的每一组光学窗，波导1的输出的亮度以高度453导向到小范围的垂直观察角度。此类显示器可有利地通过LED阵列15实现极高亮度。有利地，此类显示器可以低功耗在明亮的户外照明条件下使用。观察者跟踪可用于将合适的观察窗导向到观察者12以进一步降低功耗。此类显示器可用于自动立体显示装置、用于极高亮度2D显示装置、或用于低功率运行显示系统。

图21C是示出定向显示装置的前视图的示意图，该定向显示装置包括阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列，该准直镜阵列包括被布置用于实现高亮度操作的弯曲柱面镜。这些弯曲提取特征可被布置用于在无透镜62的情况下实现阵列15的相应光源到观察窗451、455、457的成像。阵列610的镜615可与提取特征12对准，如先前所述。有利地，与图21B的布置相比，该设备的厚度、光损耗和复杂性可减小。

图22是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括阶梯式成像定向背光源，该阶梯式成像定向背光源包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的反射元件。图23A是示出图22的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源。不包括元件460的已知实施例包括例如菲涅耳透镜62，该菲涅耳透镜为透射透镜并且因此可具有有限的光焦度，其菲涅耳反射导致的光损耗较低，并且可提供因材料色散而产生的窗偏移的色度分布。

阶梯式波导1借助布置在平坦侧面6和LCD 48之间的特征12来取向。因此，来自特征12的光线454远离面板导向并且入射到反射光学元件460上，该反射光学元件被布置用于将离开第一引导表面的光穿过波导1反射回。因此，该反射光随后穿过第二引导表面离开波导1。因此，波导1以与美国专利申请序列号13/300,293中所示相反的取向在显示设备中使用，以使得第二引导表面面向前，而非向后。因此，SLM 48跨波导1的第二引导表面延伸以调制穿过所述第二引导表面离开的光。

在这种情况下，光提取特征12相对于波导的光学轴线在包含该光学轴线和SLM 48的法线的平面中倾斜。在本文中，提及光提取特征12(或其他特征)“在平面中”倾斜的通常意思是光提取特征1(或其他特征)当在该平面中观察时为倾斜的，假设好像此倾斜是通过将光提取特征12(或其他特征)围绕该平面的法线从非倾斜状态旋转而实现的。

作为此倾斜的结果，光提取特征12并不围绕SLM 48的法线旋转光学元件。因此，需要额外的光学元件来提供该旋转，具体地讲，在此例中，为如下布置的反射元件460。

反射元件460是棱镜阵列，其包括若干对反射拐角小平面452、453的线性阵列。每一对反射拐角小平面452、453相对于SLM 48的法线沿相反指向在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于波导1的光学轴线以非零角度并且相对于波导1的光学轴线的垂线以非零角度倾斜。因此，如沿SLM 48的法线观察的拐角小平面452、453相对于波导的光学轴线以非零角度延伸，通常以相对于该光学轴线成22.5度的取向延伸以实现光学窗的45度旋转。选择拐角小平面452、453在该平面中的倾斜角以，通常使用45度的倾斜角，使光在二次反射时反向。

光学窗250通过拐角小平面452、453处的二次反射围绕SLM 48的法线旋转，因为它们相对于波导1的光学轴线以非零角度延伸。由于二次反射，无需远离SLM 48法线的任何偏转就实现了旋转。反射光随后透射穿过波导1到达具有轴线方向414的漫射体412。提取特征12可包括弯曲元件，并且菲涅耳镜可布置在反射端4上以在阶梯式波导1内提供光的准直。

元件460可例如通过复制形成并且可被金属化或可通过全内反射工作。如图22中所示，元件460可布置为内部棱镜反射器，其中反射面452、453布置在具有平坦输入侧面的透明材料451中。有利地，该棱镜结构的接收角增大，并且可至少部分由全内反射提供小平面452、453处的反射。作为另外一种选择，这些小平面可布置在空气中以从波导1接收光。有利地，并不需要控制材料451的平面侧面的表面光洁度。

有利地，本实施例由单个反射层实现了以45度取向的窗阵列，并且由此减小了色差效应。可以低成本实现具有小边框尺寸的薄封装。

图23B是示出图22的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源，并且被示出为在波导1的短侧上具有发光元件阵列15。在此显示器中，波导1的光学轴线平行于孔的形状的主轴延伸。通过与图23A进行比较，本实施例有利地对波导1的长边的任一侧实现了窄边框宽度。此类布置可更方便地布置在移动显示平台的封装内部，而不增加其宽度。此外，包括光驱动反射器的端部4与阵列15的间距增大。有利地，与图26A的实施例相比，系统的放大率减小，因此，针对给定观察距离采用较大间距LED阵列15以实现无闪烁观察者跟踪。较大间距LED可有利地更经济地制造并且更便于封装。此外，该光学系统的数值孔径可减小，因此改善了成像系统的像差，从而增加了观察自由度。

图24是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。图25A是示出图24的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。阶梯式成像波导1包括弯曲光提取特征12，这些弯曲光提取特征被布置有倾斜轴线464，该倾斜轴线布置用于实现观察窗250在窗平面中的旋转。在此例中，和为凹面时的情况一样，光提取特征12相对于波导1的光学轴线在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于该光学轴线以非零角度倾斜，类似于图22的显示器。作为在光提取特征12处发生的反射的结果，光学观察窗围绕SLM 48的法线旋转。在这种情况下，反射元件460被布置用于补偿由光提取特征12反射的光远离SLM 48的法线的偏转。具体地讲，反射元件460包括反射小平面462的线性阵列，这些反射小平面相对于SLM 48的法线在包含SLM 48的法线和该波导的光学轴线的垂线的平面中倾斜，以使得小平面462自身平行于波导1的光学轴线(在图28中垂直)延伸。选择在该平面内的倾斜角以提供要补偿的期望偏转。有利地，此类显示器可以薄的形状因数实现横向-纵向操作。

图25B是示意图，其示出通过图25A的结构对观察窗进行的处理的前视图。如果图25A中的轴线464被设置为0度角，则可实现垂直窗426。然而，本实施例的倾斜特征12将相应子窗430旋转并且平移到窗平面中的位置430。因此，该子窗的焦度中心离轴，这对该显示器的基本上轴上的观察来说是不期望的。可提供额外光束偏转元件402(例如包括具有由边缘404所示的取向的细长棱镜)，其产生方向406上的倾斜窗的水平偏转。因此，在操作中，垂直窗426通过平移428旋转45度，该平移随着窗高度变化到位置430。光束偏转器元件402沿方向432将窗430移位到窗434的位置。有利地，此布置实现了针对横向操作模式和纵向操作模式以45度倾斜的轴上窗。

图26是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。图27是示出图26的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在此例中，光提取特征12相对于波导1的光学轴线在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于该光学轴线以非零角度倾斜，类似于图22的显示器。反射光学元件460具有与图25A中相同的构造以补偿由提取特征12处的反射引起的窗偏转。有利地，本实施例可针对纵向操作在薄封装中由单个波导1实现中心和45度倾斜的消色差观察窗，因此减少了成本并且提高了性能。

图28是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。图29A是示出图28的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源。这在操作上类似于图26和图27的布置，然而菲涅耳透镜62定位在距离LCD 48更远处，从而有利地减少透镜和面板之间的莫尔条纹。

图29B是示出自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在这种情况下，光提取特征12相对于波导的光学轴线在包含该光学轴线和SLM 48的法线(在图32B中为水平)的平面中倾斜，并且因此并不将该光学窗围绕SLM 48的法线旋转。因此，需要额外光学元件来提供该旋转，具体地讲，在此例中，为如下布置的反射元件460。

具体地讲，反射元件460包括反射小平面462的线性阵列，这些反射小平面相对于SLM 48的法线在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于波导1的光学轴线的垂线以非零角度倾斜，以使得小平面462自身相对于波导1的光学轴线以非零角度延伸。作为在反射小平面462处发生的反射的结果，光学窗围绕SLM 48的法线旋转。光学窗的旋转角度通常可取决于倾斜角和该平面的取向，因此可使用具有不同于22.5度的取向的反射小平面462来实现45度光学窗旋转。

然而，该倾斜还导致由反射小平面462反射的光远离SLM 48的法线以相同角度的偏转。因此，菲涅耳透镜62的光学轴线具有从该光学轴线的偏移477，以使得菲涅耳透镜62充当校正元件，该校正元件被布置用于将已离开波导1的光朝向SLM 48的法线偏转回，从而补偿该偏转。有利地，可以减小的像差实现波导1产生的光学窗，该减小的像差归因于波导在特征12和引导表面6之间的减小的厚度。

图29C是示出自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在这种情况下，光提取特征12相对于波导的光学轴线在包含该光学轴线和SLM 48的法线(在图32B中为水平)的平面中倾斜，并且因此并不将该光学窗围绕SLM 48的法线旋转。因此，需要额外光学元件来提供该旋转，具体地讲，在此例中，为如下布置的反射元件475。

反射元件475如下实现光学窗250的旋转。反射元件475包括反射小平面462的线性阵列，这些反射小平面相对于SLM 48的法线在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于波导1的光学轴线的垂线以非零角度倾斜，以使得小平面自身相对于波导1的光学轴线以非零角度延伸。作为在反射小平面462处发生的反射的结果，光学窗围绕SLM 48的法线旋转。为避免由反射小平面462反射的光远离SLM 48的法线以同一角度偏转，这些反射小平面是具有从波导1的光学轴线偏移的光学轴线的一维菲涅耳镜的区段，从而补偿原本可能发生的由反射特征反射的光远离该空间光调制器的法线的偏转。该菲涅耳镜的光学中心可具有距轴向位置的偏移477，如由出于参考目的示出的有效凹陷轮廓469所示。有利地，本例针对光学窗偏转和旋转两者都实现了减小的色差、减少的组件数目、更低的成本和更低的复杂性。

图30是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。图31是示出图30的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在此例中，光提取特征12相对于波导1的光学轴线在包含SLM 48的法线的平面中并且相对于该光学轴线以非零角度倾斜，类似于图22的显示器。为补偿该光学窗在旋转之后的偏转，反射元件460是具有菲涅耳镜表面476的菲涅耳镜，该表面具有距波导1的光学轴线的侧向偏移，使得其在离轴位置上工作。有利地，此类布置可实现组件数目的减少，同时在波导中使用倾斜的线性特征12，这些特征可更便于制作。

图32是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。图33是示出图30的自动立体显示装置的前视图的示意图，该自动立体显示装置包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。用线性棱镜表面474取代菲涅耳镜表面476以提供窗偏移，并且使用弯曲且倾斜的光提取特征12实现窗倾斜，其中轴线477相对于垂直方向以22.5度的角度479倾斜。有利地，该实施例可进一步减少系统中使用的组件数目和复杂性，从而降低成本。

图34是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在该实施例中，可在反射元件460和波导的侧面6之间插入低折射率材料480，诸如折射率为1.42或更低的氟化材料或有机硅材料，从而使得能够在该波导(例如由典型折射率为1.49～1.56的聚合物材料形成)内的期望锥角内进行引导，同时有利地减小厚度和系统的输出路径中的光损耗。例如，可通过金属化使侧面478具有反射性。

图35是示出自动立体显示器的侧视图的示意图，该自动立体显示器包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和反射光学元件。在该实施例中，使用低折射率材料480形成反射元件460，其中在波导的侧面6上涂覆并且形成有外部反射涂层，使得能够在该波导内的期望锥角内进行引导，同时有利地减小厚度和系统的输出路径中的光损耗。有利地，这可实现工序数目的进一步减少以及降低的设备成本。

图36是示出图22的自动立体显示装置的前视图的示意图。输入光线491入射到光提取特征12上并且朝向波导1的侧面6导向。光线492通过空气间隙490，在该空气间隙上，光线在结构460的棱镜侧面处反射并且朝向观察者平面透射穿过波导1以在窗平面处实现倾斜窗阵列250。然而，光线496在波导的空气界面处在侧面6处反射并且在无任何旋转的情况下朝向窗平面重新导向。因此，可形成低亮度的杂散窗，其不相对于面板取向以45度倾斜。因此，光线496是不需要的光。有利地，侧面6可设有抗反射涂层以减少此效应。

图37是示出观察窗阵列的前视图的示意图，如图36中所示，这些观察窗由侧面6处的杂散光反射引起，例如在横向操作模式下。这样，窗阵列249覆盖窗阵列250，从而在用于右眼数据的期望位置中对左眼数据成像时形成串扰增加的区。可测量观察者相对于此窗阵列的水平位置和垂直位置。

可期望减少或去除形成观察窗阵列249的不需要的光的可见性。此外，来自观察者的不需要的光可透射穿过LCD 48并且可在结构460处以从显示器产生增加的反射率的方式反射。因此，侧面6的抗反射涂层将减小观察窗249的可见性。

以上描述的显示装置采用像素被布置在矩形形状的孔中的SLM 48。然而，该形状仅仅是示例，并且一般来说，该形状可为具有两条垂直的镜面对称轴线的任何形状，包括但不限于具有圆角的矩形或者圆形或椭圆形。例如，可能在用于手表的显示器中使用圆形或椭圆形状。针对以不同取向观察的类似考虑因素适用于任何此类形状。

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认可的容差。此类行业认可的容差在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小于大约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，它们仅以举例而并非限制的方式示出。因此，本公开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公开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。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公开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，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于辩称在本公开中仅有一个新颖点。可以根据产生于本公开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，应根据本公开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

1.一种光导向设备，包括：

波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述波导反射回的反射端之间延伸；

所述波导具有用于沿所述波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，其中所述第二引导表面具有多个光提取特征，所述多个光提取特征面向所述反射端并且倾斜以在允许穿过所述第一引导表面离开的方向上将从所述反射端穿过所述波导引导回的光反射，所述光提取特征被布置用于将来自跨所述输入端的不同输入位置的输入光在取决于所述输入位置的方向上导向；以及

反射元件，所述反射元件被布置用于将离开所述第一引导表面的所述光穿过所述波导反射回以穿过所述第二引导表面离开。

2.根据权利要求1所述的光导向设备，其中所述第一引导表面基本上平坦。

3.根据权利要求1或2所述的光导向设备，其中所述第二引导表面的在所述光提取特征之间的区域基本上平坦。

4.一种显示装置，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的光导向设备；以及

透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述波导的所述第二引导表面延伸以调制穿过所述第二引导表面离开的光。

5.根据权利要求4所述的显示装置，还包括在跨所述波导的所述输入端的不同位置处的光源阵列；以及控制系统，其被布置用于选择性地操作所述光源以将光导向到多个具有不同位置的观察窗中的可选择的一个观察窗中。

6.根据权利要求5所述的显示装置，所述显示装置为自动立体显示装置，其中所述控制系统被布置用于控制所述空间光调制器以显示在时间上多路复用的左眼图像和右眼图像，并且同步地操作所述光源以将光导向到在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

7.根据权利要求6所述的显示装置，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设备的所述位置，所述控制系统根据检测到的所述观察者位置将所显示的图像导向到在与所述观察者的所述左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述反射元件包括会聚菲涅耳镜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述反射元件包括凹面镜阵列。

10.根据权利要求9所述的显示装置，其中所述凹面镜阵列与所述提取特征对准。

11.根据权利要求6至8中任一项所述的显示装置，其中

所述空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置在形状为具有两条垂直的镜面对称轴线的孔中，

所述观察窗以在相对于所述孔的所述形状的一条所述轴线成25至65度范围内的角度延伸，

所述传感器系统还被布置用于检测所述观察者的观察取向，并且

所述控制系统被布置用于根据检测到的所述观察取向以及检测到的所述观察者位置将所显示的图像导向到在与所述观察者的所述左眼和右眼对应的位置的所述观察窗中。

12.根据权利要求9所述的显示装置，其中所述范围是从30至60度、从35至55度、或从40至50度。

13.根据权利要求9或10所述的显示装置，其中所述传感器系统包括观察者跟踪系统和取向传感器，所述观察者跟踪系统被布置用于跨所述显示设备检测观察者在两个维度上的位置，所述取向传感器被布置用于检测所述观察者的所述观察取向。

14.根据权利要求9至11中任一项所述的自动立体显示装置，其中

所述波导相对于所述空间光调制器取向，其中所述波导的光学轴线平行或垂直于所述孔的所述形状的所述轴线延伸，并且

所述显示设备的至少一个光学元件被布置用于围绕所述空间光调制器的法线旋转所述观察窗。

15.根据权利要求11所述的自动立体显示装置，其中所述波导相对于所述空间光调制器取向，其中所述波导的所述光学轴线平行于所述孔的矩形形状的主轴延伸。

16.根据权利要求12或13所述的自动立体显示装置，其中所述光提取特征相对于所述波导的所述光学轴线在包含所述光学轴线和所述空间光调制器的所述法线的平面中倾斜，并且所述光学元件是所述波导的额外元件。

17.根据权利要求14所述的自动立体显示装置，其中所述反射元件被布置用于围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗。

18.根据权利要求15所述的自动立体显示装置，其中所述反射元件是若干对反射拐角小平面的线性阵列，每对反射拐角小平面相对于所述空间光调制器的所述法线沿相反指向在包含所述空间光调制器的所述法线的平面中并且相对于所述波导的所述光学轴线以非零角度倾斜。

19.根据权利要求15所述的自动立体显示装置，其中所述反射元件是光反射小平面的线性阵列，所述光反射小平面相对于所述空间光调制器的所述法线在包含所述空间光调制器的所述法线的平面中并且相对于所述波导的光学轴线的垂线以非零角度倾斜，从而围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗。

20.根据权利要求17所述的自动立体显示装置，其中所述显示设备还包括校正元件，所述校正元件被布置用于将已离开所述波导的光朝向所述空间光调制器的所述法线偏转，从而补偿由所述光提取特征反射的光远离所述空间光调制器的所述法线的偏转。

21.根据权利要求18所述的自动立体显示装置，其中所述校正元件是从所述光学轴线偏移的棱镜阵列或菲涅耳透镜。

22.根据权利要求17所述的自动立体显示装置，其中所述光提取特征是菲涅耳镜的区段，所述区段具有从所述波导的所述光学轴线偏移的光学轴线，从而补偿由所述光提取特征反射的所述光远离所述空间光调制器的所述法线的偏转。

23.根据权利要求12或13所述的自动立体显示装置，其中

所述光提取特征相对于所述波导的所述光学轴线在包含所述空间光调制器的所述法线的平面中并且相对于所述光学轴线以非零角度倾斜，并且从而围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗，并且

所述反射元件被布置用于补偿由所述光提取特征反射的所述光远离所述空间光调制器的所述法线的偏转。

24.根据权利要求21所述的自动立体显示装置，其中所述反射元件是反射小平面的线性阵列，所述反射小平面相对于所述空间光调制器的所述法线在包含所述空间光调制器的所述法线和所述波导的所述光学轴线的所述法线的垂线的平面中倾斜。

25.根据权利要求22所述的自动立体显示装置，其中所述反射元件是菲涅耳镜，所述菲涅耳镜具有从所述波导的所述光学轴线偏移的光学轴线。

26.根据权利要求9至23中任一项所述的自动立体显示装置，其中所述孔的所述形状为矩形。