CN104854864B

CN104854864B - 具有横向操作模式和纵向操作模式的时间多路复用显示器

Info

Publication number: CN104854864B
Application number: CN201380063055.0A
Authority: CN
Inventors: G·J·伍德盖特; M·G·鲁宾逊; J·哈罗德
Original assignee: Gabriel D Spark LLC
Current assignee: Gabriel D spark limited liability company
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: EP2904778A1; EP2904778A4; US9225971B2; EP2904446A4; WO2014055689A1; CN104854864A; US20140232836A1; EP2904778B1; CN104823097A; US9420266B2; US20140133020A1; WO2014055695A1; US9001423B2; EP2904446A1; US20140092472A1

Abstract

本公开提供一种包括时间多路复用显示器的自动立体显示器，所述自动立体显示器被布置用于提供在45度左右范围内的观察窗，以与观察者跟踪系统配合实现横向观察和纵向观察。所述时间多路复用显示器可包括阶梯式波导成像定向背光源。

Description

具有横向操作模式和纵向操作模式的时间多路复用显示器

技术领域

本公开总体上涉及一种时间多路复用自动立体显示设备，该设备具有被布置用于实现横向操作模式和纵向操作模式的倾斜观察窗。

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，该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。视差组件将来自这些像素组中每一组的光导向至相应的不同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可用来自第一组像素的光看到第一图像；而眼睛置于第二观察窗中的观察者可用来自第二组像素的光看到第二图像。

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额外寻址。

发明内容

显示器背光源一般采用波导和边缘发光源。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能力。成像系统可在多个光源与相应窗图像之间形成。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，如共同拥有的专利申请序列号13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。

根据本公开的第一方面，提供一种自动立体显示设备，其包括：显示装置、传感器系统和控制系统。其中，显示装置包括被布置在形状为具有两条镜面对称垂直轴线的孔中的像素阵列，并且可控制显示装置来将所有这些像素上显示的图像导向进入多个观察窗中的可选择的一个，而且这些多个观察窗具有不同位置并且以相对于该孔的形状的其中一条轴线在25度到65度的范围内的角度延伸；传感器系统被布置用于跨显示装置检测观察者在两个维度上的位置以及观察者的观察取向；控制系统被布置用于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在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

本公开受益于对这样的角度的选择，观察窗在该角度上相对于其中布置有像素的孔的形状的轴线延伸。显示装置最通常地以对称轴线中的接近于水平的一条轴线来观察，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，仅当在该对称轴线为垂直的情况下观察显示装置时才提供图像的自动立体显示，而当显示装置被旋转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，在本公开中，这些观察窗以45度左右范围内的角度延伸，例如从25度至65度、更优选地30度至60度、35度至55度、或40度至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装置的各种取向下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，所以当以任一轴线处于垂直方向上或垂直方向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在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中的显示图像。

在一些实施例中，本公开可应用于一种显示装置，其包括波导和光源阵列。其中，波导在用于接收输入光的输入端与用于将输入光反射回穿过波导的反射端之间延伸，波导具有用于沿着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表面并且倾斜以在允许穿过第一引导表面离开的方向上将从反射端穿过波导引导回的光反射；并且光源阵列位于跨波导的输入端的不同位置处，波导的光提取特征被布置用于在取决于输入位置的方向上从跨输入端的不同输入位置导向输入光。

自动立体观察窗可被布置为使得可在横向操作模式和纵向操作模式中向观察者提供自动立体图像。观察窗可以一定角度向横向取向轴线和纵向取向轴线两者(例如，显示器的主轴)倾斜。观察者跟踪系统可被布置用于将光导向到观察者的左眼和右眼，以实现在两个取向上的水平移动和垂直移动。跟踪系统可被布置用于将恰当的观察窗导向到至少一个观察者的相应眼睛并且向该观察窗提供用于该相应眼睛的观察数据。可向多个观察者呈现单独的观察窗。

根据本公开的第二方面，提供一种显示装置，其包括：透射空间光调制器、波导和聚焦元件阵列。其中，透射空间光调制器包括被布置用于调制穿过其的光的像素阵列；波导具有输入端以及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，这些引导表面跨空间光调制器从输入端延伸，其中第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且第二引导表面具有多个光提取特征，这些光提取特征倾斜以在允许穿过第一引导表面离开的方向上将被引导穿过波导的光作为输出光反射以用于供应穿过空间光调制器，波导被布置用于在取决于输入位置的输出方向上，相对于第一引导表面的法线导向来自跨输入端的不同输入位置的输入光；聚焦元件阵列被布置在波导与空间光调制器之间，与相应光提取特征对准，所述聚焦元件各自在跨光提取特征延伸的相应第一子午线中具有正光焦度，在垂直于第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度，所述聚焦元件被布置为焦点位于相应光提取特征上。

聚焦元件阵列提供的优点在于允许控制由显示装置形成的窗的高度。

本公开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，本公开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，或者可包含任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本公开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、视觉外围设备等中，并且可用于多种计算环境中。

在详细描述所公开的实施例之前，应当理解，本公开并不将其应用或构建限于所示的特定布置的细节，因为本公开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公开的各个方面，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。

定向背光源提供对基本上从其整个输出表面发出的照明的控制，此类控制通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源来实现。控制发射光的定向分布可实现：针对安全性(防窥)功能的单人观察，其中显示器可仅由单个观察者从有限角度范围看到；高电效率，其中仅在小角度定向分布上提供照明；针对时序立体显示器和自动立体显示器进行左右眼交替观察；以及低成本。

本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，本公开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是根据本公开的示意图，其示出了光学阀设备的一个实施例中的光传播的正视图；

图1B是根据本公开的示意图，其示出了图1A的光学阀设备的一个实施例中的光传播的侧视图；

图2A是根据本公开的示意图，其示出了光学阀设备的另一个实施例中的光传播的顶视图；

图2B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图2A的光学阀设备的光传播；

图2C是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了图2A的光学阀设备的光传播；

图3是根据本公开的示意图，其示出了光学阀设备的侧视图；

图4A是根据本公开的示意图，其以正视图示出了位于光学阀设备中并且包括弯曲光提取特征的观察窗的生成；

图4B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了位于光学阀设备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是根据本公开的示意图，其示出了包括线性光提取特征的光学阀设备中的第一观察窗的生成；

图6A是根据本公开的示意图，其示出了时间多路复用成像定向背光源设备中的第一观察窗的生成的一个实施例；

图6B是根据本公开的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用光学阀设备中的第二观察窗的生成的另一个实施例；

图6C是根据本公开的示意图，其示出了在时间多路复用光学阀设备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是根据本公开的示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示设备；

图8是根据本公开的示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备的多观察者显示设备；

图9是根据本公开的示意图，其示出了包括光学阀设备的防窥显示设备；

图10是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学阀设备的结构；

图11是根据本公开的示意图，其示出了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是根据本公开的示意图，其示出了在横向操作过程中自动立体显示器的观察窗阵列的正视图；

图13是根据本公开的示意图，其示出了在纵向操作过程中自动立体显示器的观察窗阵列的正视图；

图14A是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该自动立体显示设备包括用于横向操作的两组能够独立切换的观察窗；

图14B是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该自动立体显示设备包括用于纵向操作的两组能够独立切换的观察窗；

图15A是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该自动立体显示设备包括用于横向操作的二维窗阵列；

图15B是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该自动立体显示设备包括用于纵向操作的二维窗阵列；

图16A是根据本公开的示意图，其示出了当在横向模式下使用时用于通过自动立体显示设备提供横向操作和纵向操作的观察窗阵列的正视图；

图16B是根据本公开的示意图，其示出了横向模式中的来自自动立体显示设备的图像的正视图；

图17A是根据本公开的示意图，其示出了当在纵向模式下使用时用于通过自动立体显示设备提供横向操作和纵向操作的观察窗阵列的正视图；

图17B是根据本公开的示意图，其示出了在纵向模式时来自自动立体显示设备的图像的正视图；

图18是根据本公开的示意图，其示出了用于横向和纵向操作的观察窗阵列的正视图，其中示意性地示出了对面板旋转角度的限制；

图19A是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的侧视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置的观察窗，以用于横向操作模式和纵向操作模式；

图19B是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的结构的正视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置的观察窗，以用于横向操作模式和纵向操作模式；

图19C是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的侧视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置的观察窗，以用于横向操作模式和纵向操作模式；

图19D是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的结构的正视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置的观察窗，以用于横向操作模式和纵向操作模式；

图19E是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的侧视图；

图19F是根据本公开的示意图，其示出了时序自动立体显示器的结构的正视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置的两个观察窗，以用于横向操作模式和纵向操作模式；

图20是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示器的正视图，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；

图21是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示器的正视图，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；

图22是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示器的正视图，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；

图23是根据本公开的示意图，其示出了图22的设备对观察窗的处理的正视图；

图24是根据本公开的示意图，其进一步示出了图22的设备对观察窗的处理的正视图；

图25是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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26A是根据本公开的示意图，其示出了具有发光元件阵列的第一位置的图25的自动立体显示设备的正视图；

图26B是根据本公开的示意图，其示出了具有发光元件阵列的第二位置的图25的自动立体显示设备的正视图；

图26C是根据本公开的示意图，其示出了图25的自动立体显示设备的一部分的侧视图；

图26D是根据本公开的示意图，其示出了横向模式中的观察窗阵列的正视图；

图26E是根据本公开的示意图，其示出了纵向模式中的观察窗阵列的正视图；

图26F是根据本公开的示意图，其示出了光线入射到图25的元件460上的顶视图；

图27是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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是根据本公开的示意图，其示出了图27的自动立体显示设备的正视图；

图29是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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是根据本公开的示意图，其示出了图29的自动立体显示设备的正视图；

图31是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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32A是根据本公开的示意图，其示出了图31的自动立体显示设备的正视图；

图32B是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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32C是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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是根据本公开的示意图，其示出了图33的自动立体显示设备的正视图；

图35是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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是根据本公开的示意图，其示出了图35的自动立体显示设备的正视图；

图37是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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38是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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39是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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40是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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41是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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42是根据本公开的示意图，其示出了光偏转膜的侧视图；

图43是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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44是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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45是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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46是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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伽柏超透镜；

图47是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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伽柏超透镜；

图48A是根据本公开的示意图，其示出了伽柏超透镜的侧视图；

图48B是根据本公开的示意图，其示出了伽柏超透镜的侧视图；

图49是根据本公开的示意图，其示出了伽柏超透镜的侧视图；

图50是根据本公开的示意图，其示出了被布置用于在包括伽柏超透镜的自动立体显示器中补偿渐晕效应的控制系统；

图51是根据本公开的示意图，其示出了被布置用于在包括伽柏超透镜的自动立体显示器中补偿渐晕效应的离轴补偿光源的操作；

图52是根据本公开的示意图，其示出了伽柏超透镜的操作；

图53是根据本公开的示意图，其示出了伽柏超透镜的操作；

图54是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备包括被布置用于实现准直操作的阶梯式成像定向背光源和准直透镜阵列；

图55是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备包括被布置用于实现准直操作的阶梯式成像定向背光源和准直透镜阵列；

图56是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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透镜阵列；

图57是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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透镜阵列；

图58是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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反射镜阵列；

图59A是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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反射镜阵列；

图59B是根据本公开的示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备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反射镜阵列；

图59C是根据本公开的示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备包括被布置用于实现倾斜观察窗的高亮度操作的阶梯式成像定向背光源和准直反射镜阵列；

图59D是根据本公开的示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备包括被布置用于实现倾斜观察窗的高亮度操作的阶梯式成像定向背光源和准直反射镜阵列；

图60是根据本公开的示意图，其示出了包括楔形定向背光源的自动立体显示设备的正视图；

图61是根据本公开的示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的楔形定向背光源。

具体实施方式

现将描述各种显示设备及其组件。这些替代性设备通常具有相同构造并且以相同方式操作。因此，这些设备和部件的各种特征可被组合在一起。为简洁起见，在以下描述中，为共同的元件使用相同的参考标号，并且不再重复描述。

时间多路复用自动立体显示器可通过显示时间上多路复用的左图像和右图像并且同步地将显示图像导向进入在与观察者的左眼和右眼对应的位置中的观察窗，来有利地改善自动立体显示器的空间分辨率。也就是说，在第一时隙中将光从空间光调制器的所有像素导向至第一观察窗，并且在第二时隙中将光从所有像素导向至第二观察窗。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通过多个时隙看到跨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，来实现定向照明，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。

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。可例如通过空间光调制器的尺寸为大约100微米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，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言的类似的困难。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宽照明器可采用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(通常垂直)方向上移动时包含相同图像。

如本文所用，光学阀是一光学结构，该光学结构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”)的波导或装置的一种类型。如本文仅出于讨论目的而非限制的目的所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式成像定向背光源、折叠式成像定向背光源、楔型定向背光源、光学阀或光学直列式定向背光源。另外，如本文仅出于讨论目的而非限制的目的所用，阶梯式成像定向背光源可为光学阀或光学直列式定向背光源中的至少一个。此外，如本文仅出于讨论目的而非限制的目的所用，折叠式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个。

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上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，所述光提取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。光提取特征被布置用于在取决于输入位置的方向上导向来自跨输入端的不同输入位置的输入光。

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一起使用的薄型定向背光源具体实施已经由下述公司提议并示范：3M，例如美国专利No.7,528,893；Microsoft，例如美国专利No.7,970,246，其可在本文中被称为“楔型定向背光源”；RealD，例如美国专利申请No.13/300,293，其可在本文中被称为“光学阀”或“光学阀定向背光源”；RealD，例如美国专利申请No.US20120127573，与本专利申请同时提交，其可在本文中被称为“光学直列式定向背光源”，所有这些专利均以引用方式全文并入本文中。边缘照明式波导背光源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；通常为引导件的表面中的局部压痕，不论光的传播方向如何，这些局部压痕都会引起光损耗。

本公开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沿着波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述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，并且因此可不在这些内面处达到介质的临界角。可通过光提取特征有利地实现光提取，这些光提取特征可为向第二引导表面(阶梯“踏板”) 倾斜的表面(阶梯“立板”)。应当注意，光提取特征可不为阶梯式波导的光引导操作的部分，但可被布置用于通过该结构提供光提取。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，其示出了光学阀结构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的光学阀结构中的光传播的侧视图。

图1A示出了在光学阀的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包括作为光源操作的照明器元件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可为发光二极管(LED)。虽然LED在本文中作为照明器元件15a至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xz平面中的波导1和空间光调制器(SLM)48的侧视图。图1B中提供的侧视图为图1A中所示正视图的替代视图。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。

另外，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至15n被布置在光源阵列中跨波导1的薄端2的不同位置处。

波导1具有用于通过全内反射沿着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中最上方)是基本上平坦的。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是第二引导表面的位于提取特征12之间的区域，并且是基本上平坦的。

提取特征12是面向反射端4并且倾斜以在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(例如在图1B中向上)离开的方向上反射从反射端4穿过波导1引导回的光。

SLM 48作为透射空间光调制器操作，并且跨波导1的第一引导表面延伸以用于调制穿过其离开的光。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被布置用于在取决于输入位置的不同方向上导向来自跨输入端2的不同输入位置的输入光。由于照明元件15a至15n被布置在不同输入位置处，因此来自相应照明元件15a至15n的光在这些不同方向上反射。在控制系统的控制下，照明器元件15a至 15n可被选择性地操作以将光导向进入可单独或成组用作观察窗的光学窗中的可选择的一个。

因而，图1A中以正视图示出了光学阀的操作，该光学阀可将光导向进入具有不同位置的多个光学窗中的一个，从而提供一维观察窗阵列，其中光学阀的侧面轮廓在图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15n的阵列，所述照明器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 处。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表面10的提取特征12可具有大于临界角的倾斜角，并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和图1B，阶梯式波导1的弯曲反射端4可制成反射性的，通常通过用反射性材料例如银涂布而实现，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°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显示平面，且xz角展度相对于传播方向基本上得到保持。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，该角展度可一定程度地减小。

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角轮廓并偏离法线。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至15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿着输入端2具有独立的照明器元件15a至15n，于是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。

用此类装置照明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光学阀系统中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在光学阀系统中的传播的示意图，图2C是以侧视图示出光在光学阀系统中的传播的示意图。如下所述，在控制系统的控制下，致使SLM 48显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像，并且同步地操作照明器元件15a至15n，以将光导向进入观察窗(包括一个或多个光学窗)中与观察者的左眼和右眼对应的位置。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，可选择性地打开和关闭照明器阵列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，其中水平分开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图像。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，其以侧视图示出了光学阀。此外，图3示出了可为透明材料的阶梯式波导1的操作的侧视图的额外细节。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、以及包括引导表面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中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是以正视图示出光学阀的示意图，该光学阀可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取特征。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。每条输出光线从各自照明器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是以正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横向分开的第二观察窗44。

有利的是，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中的光焦度和可由细长光提取特征12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观看自由度，同时实现低串扰水平。

图5是以正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(其中对应的元件是类似的)，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，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向背光源设备(即，光学阀设备)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；图6C是示意图，其示出了时间多路复用成像定向背光源设备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示意性地示出了通过阶梯式波导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，则对于处于适当位置的观察者而言可实现自动立体图像。可用所有成像光学阀系统或成像定向背光源实现类似操作。

图7是示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备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15n提供了观察窗的定向控制。头部45的位置可用传感器系统监测，该传感器系统包括被布置用于检测观察者相对于显示装置的位置的相机、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。控制系统控制照明器阵列15的适当照明器元件，以依赖于所检测到的观察者位置将显示图像导向进入在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中，从而向每只眼睛提供基本上独立的图像，而不管头部45的位置如何。传感器系统可为头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)，可提供对不止一个头部45、47(头部47在图7中未示出)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图像。同样，可用所有成像光学阀系统或成像定向背光源实现类似操作。

图8是示意图，其示出了多观察者显示设备的一个实施例，该多观察者显示设备包括作为成像定向背光源的例子的时间多路复用光学阀设备。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图像可与相对于图7所述的类似方式生成，因为这两个图像可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，其示出了包括成像定向背光源设备以及如图所示光学阀的防窥显示设备。2D显示系统也可为了安全和效率而利用定向背光源，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可能能够观察到装置 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。本公开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，其以侧视图示出了作为成像定向背光源的例子的时间多路复用光学阀设备的结构。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。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11是示意图，其示出了观察者跟踪时间多路复用自动立体显示设备，该显示设备用于相对于该显示设备的背照式自动立体显示器在水平方向202和垂直方向204上移动的观察者12。还可期望在可与窗平面中的窗的范围正交的单个方向205上跟踪观察者，即使对于倾斜观察窗也是这样，例如方向205可与水平方向202和垂直方向204成45度。该显示设备包括具有阶梯式波导1、照明器阵列15和透射空间光调制器48(诸如LCD)的显示装置。

该显示设备还包括如下的控制系统。控制系统的布置和操作可视情况应用于本文所公开的每个显示装置。

取向传感器79可用于检测观察者的观察的取向并且因此确定LCD 48的横向或纵向操作，并且包括传感器(诸如相机)的观察者跟踪系统74与计算机视觉处理系统配合，可用于在标称观察平面200附近跨显示装置检测观察者在两个维度上的位置。因此，观察者跟踪系统74和取向传感器79一起形成控制系统的传感器系统，该传感器系统跨显示装置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。

控制系统的系统控制设备75用于借助图像控制器76确定待呈现的图像并且借助照明控制器77确定来自发光元件阵列15的照明。此类显示器在标称观察平面200处提供观察窗阵列250。控制系统和显示设备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左眼和右眼。另外，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，借助通常向LCD 48的水平轴线和垂直轴线倾斜45度的观察窗阵列250来实现此类横向/纵向操作。因此，控制系统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装置显示时间上多路复用的左图像和右图像并且同步地将显示图像导向进入在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

图12是示出了光学窗阵列206的正视图的示意图，其中光学窗阵列206包括用于在横向模式中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。这些窗被布置成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210 将看到由复合窗(包括子窗组)26、44形成的无畸变3D图像。通过控制阵列206的子窗的切换时间(相位)和强度来调整复合窗26、44的位置，可实现观察者在水平方向上的移动。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。可期望在可与窗平面中的窗的范围正交的单个方向205(如图11所示)上跟踪观察者，即使针对倾斜观察窗，例如方向205可与水平方向202和垂直方向204成45度。还可期望在两个维度上(例如，水平方向202和垂直方向204)或在与窗平面中的窗的范围正交的方向205和纵向方向203上跟踪观察者。还可期望在三个维度上分别针对纵向方向203、水平方向202和垂直方向204跟踪观察者。

图13是示出了光学窗阵列206的正视图的示意图，其中光学窗阵列206包括用于在纵向模式中观察显示器的水平光学窗取向。因此，光学窗阵列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的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。

可期望提供可在3D操作的横向模式和纵向模式中使用的显示系统，尤其是针对例如移动显示平台以及可旋转的台式显示器和广告显示器。

图14A是示意图，其示出了来自自动立体显示器的观察窗阵列的正视图，该显示器包括两组能够独立切换的光学窗238和242，所述光学窗被控制为提供横向操作，但其他方面类似于先前讨论的显示器。此类显示器可包括例如一对自动立体显示器，其输出借助于如本领域中已知的组束半反射镜来组合。因此，观察者220看到来自窗阵列238的光而很少看到或看不到来自窗阵列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，其示出了自动立体显示器的观察窗阵列的正视图，该观察窗阵列包括被控制为提供纵向操作的两组能够独立切换的光学窗238和242。因此，观察者220看到来自窗阵列242的光而很少看到或看不到来自窗阵列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，此类系统具有增大的成本、厚度和光损耗。

图15A是示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该观察窗阵列包括被控制为向观察者220提供横向操作的二维光学窗阵列，并且图15B是示意图，其示出了自动立体显示设备的观察窗阵列的正视图，该观察窗阵列包括被控制为向观察者220提供纵向操作的二维光学窗阵列。窗阵列246可包括在横向模式和纵向模式两者中用于水平和垂直观察者位置移动的独立控制的窗。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降低的3D图像。

现在描述一种自动立体显示设备，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，其示出了当在横向模式中使用时自动立体显示设备的光学窗250阵列的正视图，并且图16B是示意图，其示出了横向模式中的来自自动立体显示设备的图像的正视图。因此，光学窗250以与孔的矩形形状的镜面对称轴线(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，当然，这也是倾斜于镜面对称主轴的角度。该范围可为从25度至65度，优选地从30度至60度，更优选地从35度至55度，并且更优选地在40度与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。在横向模式中，观察者的一只眼睛看到面板264上的图像266。

控制系统可控制成角度的观察窗在显示装置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个镜面对称轴线都被分开，所以当以任一轴线处于垂直方向上或垂直方向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在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中的显示图像，如下所述。

图16A和16B示出在所检测到的取向是横向观察时(例如，在镜面对称轴线253是垂直的时候)的操作。对于相对于显示器位于已知的水平和垂直位置处的观察者220，子窗252(以及相邻的子窗)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，则可在一些视图片段上更新显示内容以增加观察自由度。

图17A和17B示出了在所检测到的取向是纵向观察时(例如，在镜面对称短轴253是水平的时候)的操作。图17A是示意图，其示出了当在纵向模式中使用时用于通过自动立体显示设备提供横向操作和纵向操作的光学窗阵列250的正视图。图17B是示意图，其示出了纵向模式中的来自自动立体显示设备的图像的正视图。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，有利的是，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度方向上延伸的)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，其示出了用于横向操作和纵向操作的光学窗250阵列的正视图，其中示意性示出对面板旋转角度的限制。因此，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。

时间多路复用自动立体显示器有利地在2D模式和3D模式中实现高分辨率图像。可期望提供这样一种时间多路复用自动立体显示设备，该时间多路复用自动立体显示设备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，因而降低了系统复杂性和成本。现将描述可在其中应用上述操作的一些特定显示设备。

图19A是示意图，其示出了包括SLM 48的时序自动立体显示器的侧视图，其中SLM48包括布置在具有矩形形状的孔中的像素阵列(如下文进一步描述)。该显示器被配置为提供布置在45度左右范围内以用于横向操作模式和纵向操作模式的观察窗。光源阵列可包括至少两个布置在菲涅耳透镜305的后工作距离处的发光元件301、303，菲涅耳透镜 305被布置用于通过LCD 48将相应元件301、303成像到观察窗307、309，以供观察者 12观察。

图19B是示意图，其示出了同一时序自动立体显示器的结构的正视图。光学窗307、309向孔的矩形形状的镜面对称轴线以在45度左右范围内的角度倾斜，该范围如上所述。这由相对于孔的矩形形状的镜面对称轴线以角度251布置的光源阵列300来实现。

图19C是示意图，其示出了时序自动立体显示器的侧视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置以用于横向操作模式和纵向操作模式的观察窗。光学窗307、309 向孔的矩形形状的镜面对称轴线以在45度左右范围内的角度倾斜，该范围如上所述。该显示器可包括向透镜阵列315倾斜45度的光源阵列300。光源阵列300可包括背光源311和空间光调制器301，空间光调制器301可包括(例如)液晶显示器。图19D是示意图，其示出了同一时序自动立体显示器的结构的正视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现以45度布置以用于横向操作模式和纵向操作模式的观察窗。阵列300和透镜阵列315 两者通常在45度左右范围内倾斜，以实现倾斜观察窗307、309。有利的是，与图19A的布置相比，本实施例缩短了后工作距离。

图19A至19D中的每个显示器由控制系统使用图11所示的传感器系统以上述方式控制，以提供横向操作模式和纵向操作模式。

图19E是示意图，其示出了时序自动立体显示器的侧视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现两个如Nelson等人的美国专利No.7,750,982中所讨论的观察窗，该美国专利以引用方式并入本文中。左照明元件1205a和右照明元件1205b被布置用于照明包括提取特征1240的波导1210，这些提取特征被布置用于与光导向元件1230配合穿过空间光调制器1220实现左窗和右窗。在本实施例中，此类显示器可被修改，使得其可被布置为光学窗布置在45度左右范围内，以用于横向操作模式和纵向操作模式。

图19F是示意图，其示出了时序自动立体显示器的结构的正视图，该时序自动立体显示器被布置用于实现布置在45度左右范围内以用于横向操作模式和纵向操作模式的两个观察窗，如图19E所示。特征包括提取特征1240和元件1230的特征1254可相对于空间光调制器1220的主轴以一定角度对准。有利的是，此类结构实现相对较薄的光学结构。观察窗可布置在与面板主轴成45度左右的范围内，以相对于窗位置针对观察者的给定垂直高度实现横向操作和纵向操作。

还可期望提供一种阶梯式波导自动立体显示设备，其使用一维光源阵列和单个阶梯式波导来实现横向操作模式和纵向操作模式。因此可期望提供一种阶梯式波导设备，其可实现与来自LCD 48的图像的主轴成45度取向的观察窗。

以下显示装置基于并包括图1至10的结构。因此，除了现在将描述的修改形式和/或额外特征以外，上述描述还适用于以下设备，但为了简单起见，将不再重复。以下显示器包含阶梯式波导1，并且阶梯式波导1如上文所描述，但具有以下修改，以提供向孔的矩形形状的镜面对称轴线以在45度左右范围内的角度倾斜的观察窗，该范围如上文所描述。在每种情况下，波导1的光轴从输入端2延伸到反射端4。该光轴由光路中的光学元件(例如，反射端4(如果所述反射端为曲面镜)、提取特征(如果所述提取特征为弯曲的)或如下所述的具有光焦度的其他部件)界定。在大多数情况下，波导的光轴垂直于输入端2。在许多情况下，该光轴在波导的中心，但在一些情况下，该光轴被如下所述地偏移。

以下每个显示器由控制系统使用图11所示的传感器系统以上述方式控制，以提供横向操作模式和纵向操作模式。

图20是示意图，其示出了向LCD在45度左右范围内对准以用于横向观察和纵向观察的阶梯式波导1的正视图。因此，阶梯式波导1与不对称漫射体412配合实现与光提取特征12的方向正交地延伸的观察窗。该观察窗与LCD 48的垂直轴线成在45度左右范围内的角度251，使得可实现横向取向和纵向取向的观察者跟踪。因此，波导1相对于SLM 48取向为，波导的光轴相对于SLM 48的孔的形状的对称轴线以与观察窗的范围相同的角度延伸。此类布置具有大斜面尺寸。

图21是示意图，其示出了布置有倾斜光提取特征12以用于横向观察和纵向观察的阶梯式波导的正视图。为了进行示意性的说明，图中省略了漫射体412。此类布置可通过将阵列407、409中的发光元件结合在阶梯式波导的两个边缘上并且相应地在其他边缘上结合具有光焦度的两个反射侧面411、413来实现较小斜面尺寸。因此，波导1再次相对于 SLM 48取向为，波导的光轴相对于SLM 48的孔的形状的对称轴线以与观察窗的范围相同的角度延伸。特征可向垂直方向例如以22.5度取向，以实现具有45度的角度251的观察窗250。然而，此类布置可遭受未准确对准的多组观察窗以及其他光学伪影。

可期望布置阶梯式波导，从而以与LCD 48对准的形状因数、高图像质量、薄封装和低成本实现45度窗取向。为了实现这点，在以下显示器中，波导1相对于SLM 48取向为波导1的光轴平行于或垂直于孔的形状的对称轴线延伸，并且为了实现所需的观察窗角度，显示器的一个或多个光学元件被布置成围绕SLM 48的法线旋转观察窗。

图22是示意图，其示出了自动立体显示器的正视图，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；所述阶梯式成像定向背光源不包括反射光学元件460。在这个显示器中，波导1的光轴平行于孔的形状的短轴延伸。阶梯式波导1包括光提取特征12，该光提取特征取向为相对于水平轴线以非零的角度400延伸。此外，光提取特征12在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴成非零角度的平面中相对于波导1的光轴倾斜。本文中，对光提取特征12(或其他特征)“在平面中”倾斜的提及具有其普通意义，即当在该平面中观察时光提取特征12(或其他特征)是倾斜的，理论上就好像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来实现倾斜。

作为在光提取特征12处发生的反射的结果，光学窗围绕SLM 48的法线旋转。从提取特征12导向的光实现相对于水平轴线的45度窗取向。然而，倾斜还造成由光提取特征 12反射的光远离SLM 48的法线偏转相同角度。因此，可在波导1前方提供不对称漫射体 412作为校正元件，该校正元件被布置用于将已经离开波导1的光朝向SLM 48的法线偏转回，并且从而对该偏转做出补偿。不对称漫射体412倾斜为与长漫射轴线414成45度的角度，以便实现适合于横向操作和纵向操作的在45度左右范围内的延伸窗阵列。因此，光线420沿着45度轴线414漫射。菲涅耳透镜410可用于收集来自特征12的光并且将光导向至窗阵列250。

代替不对称漫射体412，可使用一不同校正元件将光朝向SLM 48的法线偏转回并且从而补偿光提取窗处的光学窗的偏转，例如从光轴偏移的棱镜阵列或菲涅耳透镜。另一种可能性是光提取特征为凹面的并且其光轴从波导1的光轴偏移的量能够补偿由光提取特征12反射的光远离SLM 48的法线的偏转。

图23是示意图，其示出了通过图22的结构处理观察窗的正视图。假如图22中的角度400被设定为0度角度，则可实现垂直子窗426。然而，本实施例的已旋转并倾斜的特征12将相应窗426旋转并平移到窗平面中窗430的位置。因此，子窗的照明功率中心是离轴的，这对于显示器的基本轴上观察是不合需要的。可提供例如包括具有由边缘404示出的取向的细长棱镜的另一个射束偏转元件402，该射束偏转元件产生倾斜窗在方向406 中的水平偏转。

因此，在操作中，垂直窗426被旋转45度，平移428相对于位置430处的窗高度而变化。射束偏转器元件402在方向432上将窗430移位到窗位置434。有利的是，此类布置实现适合于横向操作模式和纵向操作模式的在45度左右范围内倾斜的轴上窗。

图24是示意图，其示出了由图20的设备实现的用于横向操作和纵向操作的观察窗阵列的正视图。额外的离轴漫射元件416(未示出)可例如包括来自住友化学有限公司(Sumitomo Chemical Co.Ltd.)的Lumisty^TM，使得轴上光被透射而离轴光被漫射。这样，中心窗区422可被提供用于轴上自动立体观察，而离轴2D区424可被提供用于2D观察。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。有利的是，此类布置使用单个阶梯式波导成像定向背光源，具有低成本和小斜面。

图25为示意图，其示出了自动立体显示器的侧视图，该自动立体显示器包括具有反射元件的阶梯式成像定向背光源，该反射元件被布置用于实现横向操作和纵向操作。图26A是示意图，其示出了图25的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备包括阶梯式成像定向背光源，该阶梯式成像定向背光源被布置用于实现横向操作和纵向操作并且被示出为具有位于波导1的长侧上的发光元件阵列15。这种布置相比图22的实施例更有优势，其中元件402具有透射性，因此可具有有限的光焦度、来自菲涅耳反射的光损失，并且可由于材料色散而提供窗偏移的色彩分布。

阶梯式波导1取向为特征12布置在平坦侧面6与LCD 48之间。因此，来自特征12 的光线454被远离面板导向并且入射在反射光学元件460上，反射光学元件460被布置用于使离开第一引导表面的光穿过波导1反射回。因此，这个反射光接着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No.13/300,293中所示的取向相反的取向在显示装置中使用，使得第二引导表面面向前，而不是面向后。因此，SLM 48跨波导 1的第二引导表面延伸，以调制穿过其离开的光。

在这种情况下，光提取特征12在包含波导的光轴和SLM 48的法线的平面中相对于波导的光轴倾斜，并且因此不围绕SLM 48的法线旋转光学窗。因此，需要通过额外的光学元件来提供该旋转，具体地讲，在这个例子中是通过如下布置的反射元件460来提供该旋转。

反射元件460是包括多对反射拐角小平面452、453的线性阵列的棱镜阵列。每个对中的反射拐角小平面452、453在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴成非零角度且与波导1的光轴的垂线成非零角度的平面中，在相反方向上相对于SLM 48的法线倾斜。因此，在沿着SLM 48的法线观察时，拐角小平面452、453相对于波导的光轴以非零角度延伸，通常相对于光轴具有22.5度的取向，以实现光学窗的45度旋转。拐角小平面452、 453在该平面中的倾斜角度被选择为通常使用45度的倾斜角度通过双反射来反转光。

光学窗250通过拐角小平面452、453处的双反射来围绕SLM 48的法线旋转，这归因于这些拐角小平面相对于波导1的光轴以非零角度延伸。由于双反射，该旋转在不远离 SLM48的法线进行任何偏转的情况下实现。接着使反射光以轴线方向414穿过波导1透射到漫射体412。提取特征12可包括弯曲元件，并且菲涅耳镜可被布置在反射端4上，以提供阶梯式波导1内的光准直。

有利的是，本实施例从单个反射层实现具有45度取向的窗阵列，并且因此降低了色差效应。可以低成本实现具有小斜面尺寸的薄封装。另外，有利的是，该阶梯式波导可具有基本上在仅横向具体实施中使用的提取特征。

图26B是示意图，其示出了图25的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备包括阶梯式成像定向背光源，该阶梯式成像定向背光源被布置用于实现横向操作和纵向操作并且被示出为具有位于波导1的短侧上的发光元件阵列15。在这个显示器中，波导1 的光轴平行于孔的形状的主轴延伸。与图26A相比，本实施例的有利之处在于，在波导1 的长边缘的任一侧上实现窄斜面宽度。此类布置可更便利地布置在移动显示平台的封装内部，却不会增大移动显示平台的宽度。另外，增加了包括光动力反射器的端部4与阵列15 的间距。有利的是，与图26A的实施例相比，降低了系统的放大率，因此针对给定观察距离，阵列15需要有更大节距的LED才能实现无闪烁的观察者跟踪。有利的是，更大节距的LED的制作更便宜，封装也更便利。另外，可缩小光学系统的数值孔径，从而改善成像系统的像差，因此提高观察自由度。

图26C是示意图，其示出了图25的自动立体显示设备的正视图。输入光线491入射在光提取特征12上并且被朝向波导1的侧面6导向。光线492穿过气隙490，在气隙490 上光线492在结构460的棱镜侧面处反射，然后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，在侧面6处，光线496在波导的空气界面处反射，并且朝向没有任何旋转的窗平面重新导向。因此，可形成低强度的杂散窗，这些杂散窗未向面板取向在45度左右范围内倾斜。有利的是，侧面6可设有抗反射涂层，以减小此效应。

图26D是示意图，其示出了观察窗阵列的正视图，该观察窗阵列因例如在横向操作模式中如图26C所示的侧面6处的杂散光反射而产生。图26E是示意图，其示出了观察窗阵列的正视图，该观察窗阵列因例如在纵向操作模式中如图26C所示的侧面6处的杂散光反射而产生。

这样，窗阵列249覆盖在窗阵列250上方，从而在左眼数据在右眼数据的所需位置中成像时形成串扰增大的区域。可相对于这个窗阵列测量观察者的水平位置和垂直位置。有利的是，可提供基础图像的实时串扰校正以补偿与观察位置的串扰的变化，使得根据观察位置修改左眼数据，以降低右眼串扰的可见性。

图26F是示意图，其示出了光线入射到图25的元件460上的顶视图。形成元件460的基本上平坦的反射小平面247、249的边缘的低谷231和高峰233，向垂直方向以角度 456(通常为22.5度)取向。此类小平面247、249被布置为使得被布置用于从阶梯式波导 1提供垂直入射照明窗237的法向入射光线入射到其上。窗237因此包括入射到位置239 处的光线。当在元件460的倾斜反射表面247上反射时，光线位置被导向至元件460的相应相反倾斜表面249上的位置241，其中平移243正交于低谷231。这样，输出光线以角度251倾斜并且实现对于横向取向和纵向取向有利地合意的输出窗245取向。

在所述实施例中，入射到旋转光学元件(例如，元件460)上的照明可在准直空间中(例如，在聚焦元件诸如菲涅耳透镜410之前)或可在成像空间中(例如，在聚焦元件诸如弯曲光提取特征12之后)。

图27是示意图，其示出了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28是示意图，其示出了图27的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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，其被布置有倾斜轴线464，倾斜轴线464被布置用于在窗平面中实现观察窗250的旋转。

在该示例中，光提取特征12也是凹面的，在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴成非零角度的平面中相对于波导1的光轴倾斜，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，反射小平面462在包含SLM 48的法线并且垂直于波导的光轴的平面中相对于SLM 48的法线倾斜，使得反射小平面462本身平行于波导1的光轴延伸(在图28中为垂直的)。在该平面内的倾斜角度被选为提供所需偏转以进行补偿。有利的是，此类显示器能够以薄形状因数实现横向-纵向操作。

图29是示意图，其示出了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30是示意图，其示出了图29的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。在该示例中，光提取特征 12在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴成非零角度的平面中相对于波导1的光轴倾斜，类似于图22的显示器，通常与水平线成22.5度的角度473使得窗250被旋转45度。反射光学元件460具有图29中的相同构造，以用于补偿因提取特征12处的反射引起的窗偏转。有利的是，本实施例能够通过单个波导1以薄封装针对纵向操作实现中心45度倾斜的无色观察窗，因此降低了成本并且提高了性能。

图31是示意图，其示出了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32A是示意图，其示出了图31的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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29和图30的布置，然而，菲涅耳透镜62定位在离LCD 48的较远距离处，从而有利地减少透镜与面板之间的云纹条纹。

图32B是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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在包含波导的光轴和SLM 48的法线的平面中相对于波导的光轴倾斜(在图32B中水平地)，并且因此不围绕SLM 48的法线旋转光学窗。因此，需要通过额外的光学元件来提供该旋转，具体地讲，在这个例子中是通过如下布置的反射元件460来提供该旋转。

具体地讲，反射元件460包括反射小平面462的线性阵列，反射小平面462在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴的垂线成非零角度的平面中相对于SLM 48的法线倾斜，使得反射小平面462本身相对于波导1的光轴以非零角度延伸。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。光学窗的旋转度可通常取决于平面的倾斜角度和取向，所以具有不同于22.5度的取向的反射小平面462可用于实现45度光学窗旋转。

然而，倾斜还致使由反射小平面462反射的光远离SLM 48的法线偏转相同角度。因此，菲涅耳透镜62的光轴与该光轴具有偏移477，使得菲涅耳透镜62充当校正元件，被布置用于将已经离开波导1的光朝向SLM 48的法线偏转回并且从而对偏转进行补偿。有利的是，来自波导1的光学窗可具有由于特征12与引导表面6之间的波导的减小厚度而引起的减小像差。

图32C是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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在包含波导的光轴和SLM 48的法线的平面中相对于波导的光轴倾斜(在图32B中水平地)，并且因此不围绕SLM 48的法线旋转光学窗。因此，需要通过额外光学元件来提供该旋转，具体地讲，在这个例子中是通过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，反射小平面462在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴的垂线成非零角度的平面中相对于SLM 48的法线倾斜，使得反射小平面462本身相对于波导1的光轴以非零角度延伸。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。为了避免由反射小平面462反射的光远离SLM 48的法线偏转相同角度，反射小平面一维菲涅耳镜的具有从波导1的光轴偏移的光轴的部分，从而补偿原本可能发生的由反射特征反射的光远离空间光调制器的法线的偏转。菲涅耳镜的光学中心可与轴向位置具有偏移 477，如出于参考目的示出的有效下垂轮廓469所示出。有利的是，本例子降低了光学窗偏转和旋转的色差，并且减少了组件数量、降低了成本和复杂性。

图33是示意图，其示出了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34是示意图，其示出了图33的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。在该示例中，光提取特征 12在包含SLM 48的法线并且与波导1的光轴成非零角度的平面中相对于波导1的光轴倾斜，类似于图22的显示器。为了补偿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，该菲涅耳镜表面具有与波导1的光轴的横向偏移使得该反射元件在离轴位置中操作。有利的是，此类布置可减少组件数量，同时在波导中使用了制作起来可更便利的倾斜线性特征12。

图35是示意图，其示出了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是示意图，其示出了图35的自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。菲涅耳镜表面476由线性棱镜表面474取代以提供窗偏移，并且使用轴线477向垂直方向以22.5度的角度479倾斜的弯曲且倾斜的光提取特征12来实现窗倾斜。有利的是，该实施例可进一步减少系统中所使用的组件的数量和复杂性，从而降低成本。

图37是示意图，其示出了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。在该实施例中，可在反射元件460与波导的侧面6之间插入折射率为1.42或更低的低折射率材料480，诸如氟化材料或硅酮材料，从而使得能够在波导(例如，由典型折射率为1.49至1.56的聚合物材料形成)内的所需锥角内进行引导，同时有利地减小厚度和系统的输出路径中的光损失。可例如通过金属化来使侧面478具有反射性。

图38是示意图，其示出了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。在该实施例中，使用低折射率材料480来形成反射元件460，并在波导的侧面6上涂敷并形成外部反射涂层，从而使得能够在波导内的所需锥角内进行引导，同时有利地减小厚度和系统的输出路径中的光损失。有利的是，这可进一步减少处理步骤数并且降低装置成本。

图39是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备包括阶梯式成像定向背光源，被布置用于实现横向操作和纵向操作。光提取特征12被布置用于将观察窗旋转45度。对于线性特征12，菲涅耳透镜62被布置用于与漫射体412配合实现倾斜观察窗250(未示出)。为了补偿窗位移428，发光元件阵列15可从阶梯式波导1的中心轴线417偏移位移415。菲涅耳透镜轴线419可居中。与例如图25相比，这里没有使用反射元件。反射元件(诸如元件460)可由于涂层(诸如铝涂层)的非理想反射率而在其表面处具有吸收性，因此会减少光透射。因此，本设备可通过具有增大光输出的单个阶梯式波导实现用于横向操作和纵向操作的观察窗。

图40是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。与图39相比，可使阵列15居中，同时透镜62可具有相对于中心轴线419的轴向位移421，从而再次实现用于横向操作和纵向操作的观察窗。有利的是，来自发光元件阵列15的光锥可被更均匀地导向至波导1中，从而实现比图39的实施例更高的均匀性。

在另一个实施例(未示出)中，可借助于发光元件阵列15的位移415和菲涅耳透镜62的位移421实现窗位移校正。有利的是，可增大所提供的偏移，并且在阵列15的位移 415与透镜62的位移417的伪影之间均分成像性能退化。

图41是示意图，其示出了自动立体显示设备和光偏转膜的正视图，该自动立体显示设备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42是示意图，其示出了光偏转膜的侧视图。阵列15和透镜62均被布置为相对于轴线417、419居中。包括棱镜元件425的额外光偏转膜423被布置用于水平地偏转这些窗，以在从特征12偏转之后的旋转期间补偿窗位移428。有利的是，此类布置可实现来自波导1和菲涅耳透镜 62的轴上操作，从而改善观察窗的像差并且扩展观察自由度。

图43是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。在该实施例中，特征12水平布置，阵列15偏移位移415。窗的旋转由膜423中的倾斜棱镜元件425实现，其中由相对于菲涅耳透镜偏移的阵列15实现窗位置校正。有利的是，可在膜423中实现旋转控制，从而降低波导1的制作复杂性。

图44是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。与图43相比，阵列15的元件的光耦合可在整个发光元件阵列上更均匀。

图45是示意图，其示出了自动立体显示设备的正视图，该自动立体显示设备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。波导1可包括弯曲光提取特征12，以提供窗成像功能。弯曲特征12的轴线477可倾斜并且还可偏移以提供窗旋转和某个窗位移。还可使阵列15偏移以实现窗位移。此类实施例可用少量组件实现横向操作和纵向操作，因此降低了成本和复杂性以及厚度。另外，还可包含棱镜膜423(未示出) 以提供进一步的窗位移。

图46是示意图，其示出了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围绕SLM 48的法线旋转观察窗以便实现横向操作和纵向操作的阶梯式成像定向背光源和伽柏超透镜500。伽柏超透镜500包括第一圆柱形透镜阵列502和第二圆柱形透镜阵列504，这些透镜阵列是基本上共焦的，如将描述。透镜阵列502和504各自包括透镜的阵列，其中每个透镜各自在相应第一子午线中具有正光焦度而在垂直于第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度。因此，这些透镜是圆柱形透镜，但第一子午线中的透镜表面的轮廓可具有圆形或非圆形的形状，所以“圆柱形”一词本上下文中并不意味着数学上对圆柱形形状的严格限制。透镜阵列502和504各自的透镜的第二子午线彼此平行延伸。如下文描述，两个透镜阵列502和504的节距可相同，也可不同，但透镜阵列502和504 的相应透镜彼此对准。

伽柏超透镜500被取向为使得第二子午线相对于波导1的光轴以非零锐角延伸。这个角度用于实现所需的窗旋转，如下文描述。另外，可制作旁瓣窗507、509，如下文将描述。

第一透镜阵列502和第二透镜阵列504被进一步布置为具有垂直于SLM 48的法线延伸的重合焦平面。第一透镜阵列502和第二透镜阵列504采用共用材料片通过对该材料的外表面进行成形来形成，重合焦平面设置在该共用材料片内。

伽柏超透镜500布置在波导1与菲涅耳透镜62之间并且因此位于波导1与SLM 48之间。来自阵列15的光线501被导向穿过超透镜500并且被导向至观察窗250。

图47是示意图，其示出了自动立体显示装置的正视图，该自动立体显示装置包括阶梯式成像定向背光源和伽柏超透镜500，所述阶梯式成像定向背光源和伽柏超透镜如上文参考图46所述进行布置以实现横向操作和纵向操作。

有利的是，本实施例可用单个薄光学组件来实现横向取向和纵向取向。观察窗可相对于系统光轴居中。旁瓣507、509可用于实现增大宽度的观察自由度。现将描述可在图46和图47的显示装置中应用的伽柏超透镜500的一些可能构造。

图48A是示意图，其示出了伽柏超透镜500的侧视图。轴上入射到超透镜500的射束508入射到透镜阵列508处并且通过光学系统510成像，以产生输出准直射束510，而基本上没有几何光损失。圆柱形透镜阵列502、504具有位于平面506处的通常重合的焦点，该焦点可为轴上点的最佳焦点，或有利的是，可为表示窗平面中的32mm至130mm的离轴位置的轴上点的最佳焦点。通常，在平面506处没有漫射表面，这将导致光在超透镜内的方向性削弱。

来自给定光源的相对于透镜502的光轴516以角度514入射的离轴光束512，将由超透镜500分为射束518、520，而总射束偏转角度517是角度514的两倍。如将示出，此类角度加倍有利地实现向来自波导1的入射观察窗以一定角度倾斜的伽柏超透镜500的窗旋转。因此，射束520可实现观察窗509，而射束518可实现窗250。这样可有效地形成上述的旁瓣507和509。也就是说，在操作给定光源以便将光导向进入与射束518和520中的一个对应的给定观察窗的情况下，光束的分光致使还将光导向进入与射束518和520中的另一个对应的另一个观察窗。考虑到给定观察窗的亮度，这表示进入旁瓣507和509的光的可能不合需要的损失。此类损失可由如下的伽柏超透镜500的设计来减少，或可在如下所述的控制下得到补偿。然而，旁瓣507和509，例如通过提供可用于显示图像的额外观察窗，在其他环境中可能是有利的。

透镜阵列502、504的透镜可具有彼此基本上相同的节距。或者，透镜阵列502、504可具有不同节距，以有利地实现跨空间光调制器的宽度的所得射束的光学聚焦特性。在相应阵列502、504中的每一个内，透镜可通常跨相应阵列502、504具有恒定节距。现将描述对伽柏超透镜500的一些修改。这些修改可按任何组合来应用。

图48B是示意图，其示出了为减少旁瓣形成而有所修改的伽柏超透镜500的侧视图。在修改形式中，伽柏超透镜500包括第三透镜阵列515，该第三透镜阵列设置在第一透镜阵列502与第二透镜阵列504之间。第三透镜阵列515的透镜各自在相应第一子午线中具有正光焦度而在垂直于第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度。第三透镜阵列515的透镜被布置用于将最靠近波导1的第一阵列502的每个透镜的孔成像到第二阵列504的相应对准透镜的孔上。这就具有第三透镜阵列515可将入射光束512更完全地重新导向至输出射束519中的效果。有利的是，这减少了进入旁瓣射束520中的光的损失。通常，此类物镜阵列515可具有高焦度，并且因此降低可由阵列502、504提供的光焦度，从而增加成本和厚度。第三透镜阵列515的透镜与第一阵列502由气隙511分离，以提供所需的正光焦度。另外，此类透镜可进一步增大光学系统中的像差和散射。可期望在没有物镜515 的情况下减少形成旁瓣射束520的渐晕。

图49是示意图，其示出了执行了另一种修改的伽柏超透镜的侧视图。在该修改形式中，伽柏超透镜500被布置为使得第一透镜阵列502的透镜的焦距521大于第二透镜阵列504的透镜的焦距523。因此，轴上射束508再次被有效地导向穿过超透镜500。然而，具有角度527的射束531继续完整地在透镜阵列504的孔内导向，使得不生成射束520并且不存在旁瓣507、509。在本实施例中，为了实现45度旋转，超透镜500的旋转角度通常不同于22.5度，具体取决于焦距比。此类布置的有利之处在于可实现防窥操作模式和高效操作模式，而不会对离轴观察位置形成旁束，也不会造成显示强度降低。在另选的实施例 (未示出)中，透镜阵列502的焦距521可小于透镜阵列504的焦距523。有利的是，此类布置可针对给定窗间距实现阵列15的发光元件的较大节距。有利的是，此类实施例可针对给定LED尺寸实现减小的窗节距并且因此针对所跟踪的移动观察者减少图像闪烁。另外，此类布置可使得能够针对给定光源尺寸缩小显示尺寸，而不增加窗尺寸，从而减少显示器闪烁。

另选地，被布置用于从波导接收光的第一透镜阵列的透镜的焦距小于第二阵列的透镜的焦距。

图50是示意图，其示出了被布置用于在包括伽柏超透镜的自动立体显示器中补偿渐晕效应的控制系统。这个控制系统是上文描述的图11示出的控制系统的修改形式。因此，除了这些修改之外，以上描述是适用的并且为了简洁起见不再重复。

由传感器706诸如相机观察观察者708，并且由系统704诸如图像处理系统确定头部位置。光源控制器702确定驱动哪个光源并且相应地指示光源阵列15驱动器700。

图51是示意图，其示出了被布置用于在包括伽柏超透镜的自动立体显示器中补偿渐晕效应的离轴补偿光源的操作。

在针对轴上光的操作中，操作单个驱动线714以实现观察窗710的照明。这是可能的，因为轴上光不被分光，如图48所示以及上文所述。

针对离轴照明角度514，操作驱动线715以操作提供给定相邻观察窗711的给定光源，然而，分光会致使还将光导向进入另一个观察窗，并且因此给定观察窗的强度因为渐晕而降低。可通过降低驱动线714上的功率来补偿显示器的强度，然而这可能导致显示器亮度降低。可改为执行以下控制操作以操作另一个分开的光源，从而将补偿光导向进入给定观察窗。具体地讲，操作驱动线716以操作另一个分开的光源，该光源将光主要导向进入高角度瓣窗712，但还具有对应于给定观察窗710的旁瓣，该旁瓣可用于增大该观察窗710 中的强度，如图51所示。因此，射束512在所需方向上实现输出锥518并且让不需要的光进入锥520中。然而，如果超透镜500由光束718照明，则在与射束518相同的方向上生成输出射束720。因此，通过驱动线716，可增加主要中心瓣的强度损失。另外，这种技术可用于增大显示器的横向观察自由度并且减少光源的数量，从而降低成本和复杂性。

图52是示意图，其示出了与菲涅耳透镜62对准并且轴线平行于垂直延伸的光源528 的伽柏超透镜524的操作。此类布置用于阐释旋转的伽柏超透镜的操作。因此，超透镜524 被提供有在第一(水平)方向上基本上准直的光束。因此，超透镜将光导向进入中心观察窗542，并且一些光将因为光源528的宽度有限而落到旁瓣观察窗543中。如预期的一样，观察窗是垂直的(平行于透镜轴线)。

图53是示意图，其示出了用于围绕SLM 48的法线旋转观察窗的伽柏超透镜524的操作，其中SLM 48的法线与伽柏超透镜524的光轴对准。该旋转通过考虑观察窗528中的两个点552和557来示出。在图53中，伽柏超透镜524的透镜阵列502、504的几何轴线(第一子午线)平行于向波导的光轴(在图53中为垂直的)以角度551(如果焦距相等的话，其可为22.5度)倾斜的方向526延伸。

照明器处的点555与伽柏超透镜524的光轴对准，并且因此被导向至窗平面中的点550，该点也与伽柏超透镜524的光轴对准使得不发生任何横向偏转。

点557在窗中位于点555的垂直下方，并且因此向伽柏超透镜524的几何轴线(第一子午线)以横向角度554倾斜。在平行于几何轴线(第一子午线)的方向526上解析时，不存在点557的偏转，因为伽柏超透镜524在该方向上没有光焦度。

在平行于第二子午线的方向527上解析时，点557的偏转是横向角度554的两倍。这等效于图48A所示的离轴光束512相对于伽柏超透镜524的光轴516的偏转，该偏转是角度514的两倍。因此，该横向偏转是角度554的两倍。另外，菲涅耳透镜62翻转透镜的垂直取向，使得点557被成像到点552。因此，在这个例子中，点557的总横向偏转是透镜的倾斜角度551的两倍，其中伽柏超透镜524的透镜阵列具有相等的焦距。如从图53 可见，点552围绕伽柏超透镜524的光轴旋转并且因此还围绕SLM 48的法线旋转。观察窗528中的每个点都发生类似旋转，结果是整个观察窗528被旋转。如果阵列502、504 的焦距不同，则窗528的旋转角度将不同于角度551的两倍。

图54是示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备包括具有被布置用于实现准直操作的阶梯式成像定向背光源和准直透镜阵列的显示装置。

显示装置包括波导1和SLM 48，其中SLM 48跨波导1的第一引导表面延伸，如上所述。另外，显示装置包括布置在波导1与SLM 48之间的透镜元件600。透镜元件600 包括圆柱形透镜的聚焦透镜阵列602，这些圆柱形透镜各自在跨光提取特征延伸的相应第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度。因此，这些透镜是圆柱形透镜，但第一子午线中的透镜表面的轮廓可具有圆形或非圆形的形状，所以“圆柱形”一词在本上下文中并不意味着数学上对圆柱形形状的严格限制。

透镜元件600的透镜与波导1的相应光提取特征12对准并且被布置为焦点位于相应光提取特征12上。透镜元件具有楔形形状，使得圆柱形透镜602与特征12的间距603跨显示区域基本上相等。透镜元件600的透镜可具有跟与之对准的光提取特征12相同的节距，也可具有不同节距。阵列600的透镜被布置为标称焦距(例如通过使在透镜阵列的每个透镜的孔和视场上的光线相交曲线最小化来确定)基本上与间距603相同。来自特征12 的提取光线604因此由透镜阵列600基本上准直，使得输出光线604具有因小尺寸的特征 12产生的小发散度。因此，由光学系统产生小垂直范围的窗606。有利的是，这可增大显示装置的亮度。

图55是示意图，其示出了图54的自动立体显示设备的正视图，示出了透镜602平行于光提取特征12延伸。如果菲涅耳透镜62被省略并且由弯曲特征12取代，则可按与特征12相同的形式布置圆柱形透镜，使得所述透镜继续使输出光线604准直。因此，产生观察窗606的阵列，这些观察窗各自具有小横向高度和垂直高度。如将示出，可接着提供方向414上的漫射，以实现相对于显示器成45度的观察窗，以便有利地实现横向操作模式和纵向操作模式。

图56是示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备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透镜阵列。图57是示意图，其示出了相同自动立体显示设备的正视图。该自动立体显示设备与图54所示的自动立体显示设备相同，只不过添加了设置在聚焦元件阵列与SLM 48之间的不对称漫射体412。不对称漫射体412具有轴线414，该不对称漫射体被布置用于沿着该轴线漫射相对于波导1的光轴以非零锐角延伸的光。不对称漫射体412沿着这个轴线414漫射光，以形成以相同角度延伸的观察窗606，从而实现观察窗250。这个角度被选择为处于上述范围内。该显示设备具有如上所述的控制系统和操作。此类系统有利地以薄型低成本封装实现横向操作和纵向操作。

图58是示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图；图59A是示意图，其示出了相同自动立体显示设备的正视图。该显示设备与图56的显示设备相同，但具有以下修改。在反转模式中操作波导1，其中SLM 48跨波导的第二引导表面延伸，使得在第一程中远离SLM48输出光并且将光导向至包括凹面镜阵列的反射元件610上。反射元件610将离开波导1的第一引导表面的光反射回穿过第一引导表面，以穿过第二引导表面离开波导1。凹面镜各自在跨光提取特征延伸的相应第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度。因此，这些凹面镜为圆柱形镜，但第一子午线中的镜表面的轮廓可具有圆形或非圆形的形状，所以“圆柱形”一词在本上下文中并不意味着数学上对圆柱形形状的严格限制。

反射元件610的凹面镜与波导1的相应光提取特征12对准，并且被布置为焦点位于相应光提取特征12上。因此，反射元件610具有与透镜元件61相同的功能和操作，如上文所述。

如先前所述，与轴线方向414成45度的不对称漫射体412可用于漫射输出，以实现用于横向操作和纵向操作的观察窗250。有利的是，反射元件610可实现观察窗250的低色散，并且可在较高数值孔径处操作，因此与图56的透射性实施例相比可收集更多光并且具有更少的像差。

图59B是示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备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。这个实施例在结构上类似于图59A，然而，不对称漫射体412具有主轴漫射展度447以及短轴漫射展度449，该主轴漫射展度和该短轴漫射展度可分别在主轴和短轴中实现不同角展度。因此，当不存在漫射体时，针对图55所示的对应窗606产生具有标称垂直高度453的输出观察窗阵列451。高度 453基本上由特征12的尺寸和阵列610的凹面镜612的焦距确定。另外，由于镜阵列的镜的孔的过度填充，可在垂直方向上产生窗瓣455、457。这样，波导1的输出的亮度被导向至具有高度453的小范围的垂直观察角度。此类显示器可有利地从LED阵列15实现非常高的亮度。有利的是，可在明亮的室外光照条件下以低功率消耗使用此类显示器，并且此类显示器可针对室内操作所需要的屏幕亮度实现降低的功率消耗。观察者跟踪可用于将适当的观察窗导向至观察者12，以进一步降低功率消耗。此类显示器可用于自动立体显示设备或非常高亮度的2D显示设备。

图59C是示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备包括被布置用于实现倾斜观察窗的高亮度操作的阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列。提取特征12和镜615可向水平线倾斜，以实现旋转的观察窗250，例如其方式类似于图41所示的方式。有利的是，瓣455、457可在与窗451相同的取向上成像，使得与图59A的布置相比，降低了显示器的串扰。

图59D是示意图，其示出了定向显示设备的正视图，该定向显示设备包括被布置用于实现倾斜观察窗的高亮度操作的阶梯式成像定向背光源和准直镜阵列。透镜62被移除，弯曲提取特征12被布置为轴向倾斜以实现倾斜观察窗250。镜元件615可进一步被弯曲和倾斜。有利的是，该装置可具有比图59C的布置更小的厚度。

图60是示意图，其示出了包括楔形定向背光源的自动立体显示设备的正视图。图61 是示意图，其示出了自动立体显示设备的侧视图，该自动立体显示设备包括被布置用于实现横向操作和纵向操作的楔形定向背光源。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以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。

通过与阶梯式成像定向背光源进行比较，未提供光提取特征。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。如上文参考图11所述的控制系统被布置用于选择性地操作光源以将光导向进入在与观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

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包括调节光的像素阵列，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。

伽柏超透镜500被布置在棱镜元件1108与空间光调制器1110之间。由光学楔形件1104输出的光由棱镜元件1108偏转并且入射在超透镜500上并穿过空间光调制器1110。

光学楔形件1104相对于空间光调制器1110取向为光学楔形件1104的光轴平行于或垂直于孔的形状的对称轴线延伸，并且以便实现所需的观察窗角度。伽柏超透镜500的构造和操作与先前所述相同，使得围绕空间光调制器1110的法线将垂直观察窗旋转通过一定角度，以实现能够被布置用于有利地实现横向操作模式和纵向操作模式的倾斜观察窗。

以上描述的显示装置采用像素被布置在具有矩形形状的孔中的SLM 48。然而，该形状仅仅是例子，并且一般来说，该形状可为具有两个镜面对称的垂直轴线的任何形状，包括但不限于具有圆角的矩形或者圆或椭圆。例如，可能在用于手表的显示器中使用圆形或椭圆形状。针对在不同取向下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。

应该指出的是，本公开的实施例可用于多种光学系统和显示系统中。该实施例可包括多种显示系统、光学组件、计算机系统、手持式装置、视觉和/或视听系统以及电子和/或光学装置，或与它们一起工作。实际上，本公开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显示系统的任何设备一起使用。

应当理解，本公开并不将其应用或构建限于所示的具体布置的细节，因为本公开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公开的各个方面，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。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37 CFR 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该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

1.一种自动立体显示设备，所述自动立体显示设备包括：

显示装置，所述显示装置包括波导，所述波导在用于接收输入光的输入端与用于将所述输入光反射回穿过所述波导的反射端之间延伸，所述波导具有相对的第一引导表面和第二引导表面，以用于沿着所述波导来回引导光，其中所述第二引导表面具有多个光提取特征，所述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，所述光提取特征在包含所述波导的光轴和空间光调制器的法线的平面中相对于所述波导的所述光轴倾斜；

光源阵列，所述光源位于跨所述波导的所述输入端的不同位置处，所述波导的所述光提取特征被布置用于在取决于输入位置的方向上从跨所述输入端的不同输入位置导向输入光到观察窗中，所述光源阵列可控制来将光导向进入所述观察窗中的可选择的一个；

透射空间光调制器，所述透射空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置用于调制已经离开所述波导的光，所述像素阵列被布置在形状为具有两条镜面对称垂直轴线的孔中，所述波导相对于所述空间光调制器取向为所述波导的所述光轴平行于或垂直于所述孔的所述形状的镜面对称的轴延伸；

所述显示装置的光学元件，所述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，所述显示装置可控制来将所有所述像素上显示的图像导向进入具有不同位置并且延伸的多个观察窗中的可选择的一个，以使得所述观察窗相对于所述孔的所述形状的所述镜面对称的轴中的一条以在从25度到65度的范围内的角度延伸，其中所述光学元件包括第一透镜阵列和第二透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜是各自在相应第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于所述第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度的透镜，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列被布置为具有垂直于所述空间光调制器的所述法线延伸的重合焦平面，每个阵列的所述透镜具有相对于所述波导的所述光轴以非零锐角延伸的平行第二子午线；

传感器系统，所述传感器系统被布置用于跨所述显示装置检测观察者在两个维度上的位置以及所述观察者的观察取向；以及

控制系统，所述控制系统被布置用于依赖于所检测到的所述观察者位置和所检测到的所述观察取向来控制所述显示装置显示时间上多路复用的左图像和右图像并且同步地选择性地操作所述光源以将所显示的图像导向进入在与所述观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中。

2.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述范围为30度至60度、35度至55度或40度至50度中的一个。

3.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，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装置检测观察者在两个维度上的所述位置，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。

4.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述第一引导表面是基本上平坦的。

5.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述第二引导表面在所述光提取特征之间的区域是基本上平坦的。

6.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述波导相对于所述空间光调制器取向为所述波导的光轴相对于所述孔的所述形状的所述轴线以与所述观察窗的范围相同的角度延伸。

7.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述波导相对于所述空间光调制器取向为所述波导的所述光轴平行于所述孔的所述形状的主轴延伸。

8.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述光学元件是所述波导的额外元件。

9.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中每个阵列的所述透镜具有相同节距。

10.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述第一透镜阵列和第二透镜阵列是由共用材料片形成的，所述重合焦平面设置在所述材料片内。

11.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，还包括第三透镜阵列，所述第三透镜阵列的透镜为各自在相应第一子午线中具有正光焦度且在垂直于所述第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度的透镜，所述第三透镜阵列设置在所述第一透镜阵列与第二透镜阵列之间并且被布置用于将所述第一透镜阵列的孔成像到所述第二透镜阵列的孔上。

12.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中被布置用于从所述波导接收光的所述第一透镜阵列的所述透镜的焦距不同于所述第二透镜阵列的透镜的焦距。

13.根据权利要求12所述的自动立体显示设备，其中所述第一透镜阵列的所述透镜的所述焦距大于所述第二透镜阵列的透镜的所述焦距。

14.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述控制系统被布置用于控制所述光源，使得当从给定光源将光导向进入给定观察窗时，在通过穿过所述第二透镜阵列的不同透镜进行分光来将来自所述给定光源的所述光导向进入除所述给定观察窗之外的观察窗的情况下，操作另一个分开的光源以将补偿光导向进入所述给定观察窗。

15.根据权利要求8所述的自动立体显示设备，其中

所述设备还包括与相应光提取特征对准的聚焦元件阵列，所述聚焦元件阵列的聚焦元件各自在跨所述光提取特征延伸的相应第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于所述第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度，所述聚焦元件被布置为焦点位于所述相应光提取特征上，

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的所述光学元件包括设置在所述聚焦元件阵列与所述空间光调制器之间的不对称漫射体，所述不对称漫射体被布置用于沿着以在所述范围内的所述角度延伸的轴线漫射光。

16.根据权利要求15所述的自动立体显示设备，其中所述透射空间光调制器跨所述波导的所述第一引导表面延伸，以用于调制穿过所述第一引导表面离开的光，并且所述阵列的所述聚焦元件是透镜。

17.根据权利要求15所述的自动立体显示设备，其中

所述显示装置还包括反射元件，所述反射元件被布置用于将离开所述第一引导表面的光反射回穿过所述第一引导表面，以穿过所述第二引导表面离开，

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，以用于调制穿过所述第二引导表面离开的光，并且

所述反射元件被成形为构成所述聚焦元件阵列。

18.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述光提取特征在包含所述空间光调制器的所述法线并且与所述波导的所述光轴成非零角度的平面中相对于所述波导的所述光轴倾斜，从而围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗。

19.根据权利要求18所述的自动立体显示设备，其中所述显示装置还包括校正元件，所述校正元件被布置用于将已经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。

20.根据权利要求19所述的自动立体显示设备，其中所述校正元件是从所述光轴偏移的不对称漫射体、棱镜阵列或菲涅耳透镜。

21.根据权利要求18所述的自动立体显示设备，其中所述光提取特征是凹面的，并且具有从所述波导的所述光轴偏移的光轴，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。

22.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中

所述显示装置还包括反射元件，所述反射元件被布置用于将离开所述第一引导表面的光反射回穿过所述第一引导表面，以穿过所述第二引导表面离开，并且

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，以用于调制穿过所述第二引导表面离开的光。

23.根据权利要求22所述的自动立体显示设备，其中所述波导相对于所述空间光调制器取向为所述波导的所述光轴平行于所述孔的所述形状的主轴延伸。

24.根据权利要求22所述的自动立体显示设备，其中所述光提取特征在包含所述波导的所述光轴和所述空间光调制器的所述法线的平面中相对于所述波导的所述光轴倾斜，并且所述光学元件是所述波导的额外元件。

25.根据权利要求24所述的自动立体显示设备，其中所述反射元件是多对反射拐角小平面的线性阵列，每个对中的所述反射拐角小平面在包含所述空间光调制器的所述法线并且与所述波导的所述光轴成非零角度的平面中相对于所述空间光调制器的所述法线在相反方向上倾斜。

26.根据权利要求24所述的自动立体显示设备，其中所述反射元件是反射小平面的线性阵列，所述反射小平面在包含所述空间光调制器的法线并且与所述波导的所述光轴的垂线成非零角度的平面中相对于所述空间光调制器的所述法线倾斜，从而围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗。

27.根据权利要求26所述的自动立体显示设备，其中所述显示装置还包括校正元件，所述校正元件被布置用于将已经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。

28.根据权利要求27所述的自动立体显示设备，其中所述校正元件是从所述光轴偏移的棱镜阵列或菲涅耳透镜。

29.根据权利要求27所述的自动立体显示设备，其中所述反射小平面是菲涅耳镜的具有从所述波导的所述光轴偏移的光轴的部分，从而补偿由所述反射小平面反射的光远离所述空间光调制器的所述法线的偏转。

30.根据权利要求22所述的自动立体显示设备，其中

所述光提取特征在包含所述空间光调制器的所述法线并且与所述波导的所述光轴成非零角度的平面中相对于所述波导的所述光轴倾斜，从而围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗，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光远离所述空间光调制器的所述法线的偏转。

31.根据权利要求30所述的自动立体显示设备，其中所述反射元件是反射小平面的线性阵列，所述反射小平面在包含所述空间光调制器的所述法线并且垂直于所述波导的所述光轴的平面中相对于所述空间光调制器的所述法线倾斜。

32.根据权利要求31所述的自动立体显示设备，其中所述反射元件是具有从所述波导的所述光轴偏移的光轴的菲涅耳镜。

33.根据权利要求1所述的自动立体显示设备，其中所述孔的所述形状为矩形。

34.一种自动立体显示设备，所述自动立体显示设备包括：

显示装置，所述显示装置包括被布置在形状为具有两条镜面对称垂直轴线的孔中的像素阵列，所述显示装置可控制来将所有所述像素上显示的图像导向进入具有不同位置并且相对于所述孔的所述形状的所述轴线中的一条以在从25度到65度的范围内的角度延伸的多个观察窗中的可选择的一个；所述显示装置还包括波导，所述波导具有输入端以及用于沿着所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述第一引导表面和第二引导表面跨所述空间光调制器从所述输入端延伸，其中所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面是基本上平坦的并以一定角度倾斜以在破坏所述全内反射的方向上反射光，以用于穿过所述第一引导表面输出光，从而供应穿过所述空间光调制器；并且所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的所述第一引导表面延伸，以用于使光朝向所述空间光调制器的法线偏转；

传感器系统，所述传感器系统被布置用于跨所述显示装置检测观察者在两个维度上的位置以及所述观察者的观察取向；

控制系统，所述控制系统被布置用于依赖于所检测到的所述观察者位置和所检测到的所述观察取向来控制所述显示装置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在与所述观察者的左眼和右眼对应的位置的观察窗中；

光源阵列，所述光源位于跨所述波导的所述输入端的不同位置处，所述波导被布置用于在取决于输入位置的输出方向上相对于所述第一引导表面的法线导向来自跨所述输入端的不同输入位置的输入光；以及

透射空间光调制器，所述透射空间光调制器包括所述像素阵列，所述像素阵列被布置用于调制已经离开所述波导并且已经由所述偏转元件偏转的光，其中所述控制系统被布置用于选择性地操作所述光源，以将光导向进入在与所述观察者的所述左眼和所述右眼对应的位置的所述观察窗中，其中所述波导相对于所述空间光调制器取向为所述波导的所述光轴平行于或垂直于所述孔的所述形状的所述轴线延伸，其中所述显示装置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，并且其中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的所述光学元件包括第一透镜阵列和第二透镜阵列，所述透镜阵列中的透镜是各自在相应第一子午线中具有正光焦度并且在垂直于所述第一子午线的相应第二子午线中没有光焦度的透镜，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列被布置为具有垂直于所述空间光调制器的法线延伸的重合焦平面，每个阵列的所述透镜具有相对于所述波导的所述光轴以非零锐角延伸的平行第二子午线。

35.根据权利要求34所述的显示装置，其中所述波导具有面向所述输入端的反射端，以用于将来自所述输入端的光穿过所述波导反射回，所述波导被布置用于在从所述反射端反射之后穿过所述第一引导表面输出光。