CN105008983A - 用于定向显示器的超透镜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像定向背光源设备，其包括波导、光源阵列，以及另外的光学元件以用于通过局部光源提供大面积导向照明。所述成像定向背光源可包括阶梯式波导，所述阶梯式波导可包括阶梯式结构，其中阶梯可进一步包括提取特征，所述提取特征针对在第一前向方向上传播的引导光在光学上被隐藏。在第二后向方向上传播的返回光可被所述特征折射、衍射或反射，以提供从所述波导的顶部表面离开的离散照明束。通过将独立光源成像而形成观察窗。所述另外的光学元件可包括超透镜，所述超透镜包括第一和第二对准的透镜阵列，所述透镜阵列可被布置成修改所述输出观察窗以实现通过所述定向背光源的增强的窗成像。

Description

用于定向显示器的超透镜组件
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，涉及对来自用于通过局部光源提供大面积照明的光导的光的修改，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。视差组件将来自像素组的每组的光导向到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。眼睛看向第一观察窗的观察者可以使用来自第一组像素的光看到第一图像；且眼睛看向第二观察窗的观察者可以使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，并且此外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能确定。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寻址。
发明内容
根据本发明，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于将光提供至成像定向背光源的照明器阵列以及改变成像定向背光源的光学系统以重新导向并且控制自动立体显示器系统的观察窗的附加光学元件。成像定向背光源可包括用于引导光的波导以及超透镜光学组件。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。
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另外的能力。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。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，如专利申请序列No.13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
授予嘉宝(Gabor)的美国专利2,351,034描述了由微透镜组成的光学系统且示出了对准的第一和第二微透镜屏幕阵列。
显示器背光源的观察窗可以较高的质量布置在定向显示器的前面，所述定向显示器可用于自动立体显示器、防窥显示器或高亮度显示器。将期望从背光源进一步控制观察窗以提供对观察窗的结构的进一步修改，例如，以便增加观察窗的数目、旋转观察窗、改变光源阵列中的光源的间距、实现可切换的横向和纵向操作模式，和/或移除或部分移除轴外观察的空隙区域。
根据本发明，提供一种显示器装置，其包括：透射式空间光调制器，其包括布置成调制穿过其的光的像素阵列；波导，其具有输入端和用于沿着波导引导光的第一和第二相对的引导表面，所述第一和第二相对的引导表面从所述输入端跨空间光调制器而延伸，其中所述波导被布置成通过所述第一引导表面输出光以用于通过所述空间光调制器进行供应，所述波导被布置成从不同的输入位置在相对于所述第一引导表面的法线的取决于所述输入位置的输出方向上跨所述输入端导向输入光；及光学元件，其安置在所述波导与所述空间光调制器之间，包括第一和第二透镜阵列，所述第一和第二透镜阵列是各自在相应的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的第二子午线中不具有光焦度的透镜，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间光调制器的法线在所述第一和第二透镜阵列之间的中间延伸的相应的焦平面，每一阵列的透镜具有平行的第二子午线。
所述光学元件能够操作以在下文描述的实施例中提供各种有利效果。具体来说，所述光学元件修改从波导传送至空间光调制器的光。此效果可以用于控制观察窗在各种输出方向上的形式。
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。另外，如将描述，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中，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。
在详细讨论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。控制所发射的光定向分布可实现：用于安全功能的单人观察，其中仅可由单个观察者在有限的角度范围内看到显示器；较高的电效率，其中在较小的角度定向分布上提供照明；用于时序立体和自动立体显示器的交替的左眼和右眼观察；以及低成本。
本领域的普通技术人员在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组件，并且其中：
图1A是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，其示出了光学阀设备的另一实施例中的光传播的俯视图；
图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的光学阀设备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的光学阀设备的侧视图示出了光传播；
图3是根据本发明的示意图，其以光学阀设备的侧视图示出；
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是根据本发明的示意图，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和第二观察窗的生成；
图5为根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取特征的光学阀设备中第一观察窗的生成；
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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备的防窥显示设备；
图10A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学阀设备的结构；
图10B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了时间多路复用光学楔形定向背光源设备的结构；
图10C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学楔形定向背光源设备的结构；
图11是根据本发明的示意图，其示出了能够在水平和竖直方向上提供观察者跟踪且包括定向背光源和透射式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，其示出了包括光学阀设备、超透镜和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；
图13是根据本发明的示意图，其示出了包括光学楔形定向背光源、超透镜和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的侧视图；
图14是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图15是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备、超透镜和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图16A是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的正视图；
图16B是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图16C是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图17是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图18A是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图18B是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图19A是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第一观察位置的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图19B是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第二观察位置的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图19C是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图20A是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第一观察位置的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图20B是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第二观察位置的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图20C是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图20D是根据本发明的示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图；
图21是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图22是根据本发明的示意图，其示出了超透镜的侧视图；
图23A是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备、可切换超透镜和透射式空间光调制器的自动立体显示器的侧视图；
图23B是根据本发明的示意图，其示出了可切换超透镜的侧视图；
图24是根据本发明的示意图，其示出了包括在第一操作模式中的光学阀设备和可切换超透镜的自动立体显示器的正视图；
图25是根据本发明的示意图，其示出了包括在第二操作模式中的光学阀设备和可切换超透镜的自动立体显示器的正视图；
图26是根据本发明的示意图，其示出了包括竖直取向的超透镜和透射式空间光调制器的自动立体显示器的正视图；
图27是根据本发明的示意图，其示出了包括倾斜取向的超透镜和透射式空间光调制器的自动立体显示器的正视图；
图28是根据本发明的示意图，其示出了包括控制系统的自动立体显示器的正视图，所述控制系统被布置成使用多个观察瓣中的光来寻址自动立体显示器；
图29是根据本发明的示意图，其示出了具有多个观察瓣中的光的超透镜的侧视图；
图30是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征；
图31是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征和菲涅尔镜；
图32是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征，所述超透镜包括弯曲透镜；
图33是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征，所述超透镜包括弯曲倾斜透镜；以及
图34是根据本发明的示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征，所述超透镜包括弯曲透镜。
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，眼睛被布置成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遍及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。可例如通过大小为大约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，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言的类似的难题。另外，此类装置可具有较低效率和较高成本，从而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或更大大小的均匀化和漫射光学元件的组合，来实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的大小增加意味着定向光学元件的大小成比例地增加。例如，成像到65mm宽观察窗的16mm宽的照明器可需要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式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。
常规的非成像显示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，此类常规的非成像显示背光源与本发明中所述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异。
一般来讲，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置成将来自多个光源的照明在至少一条轴中导向穿过显示器面板到达相应的多个观察窗。每个观察窗通过成像定向背光源的成像系统在光源的至少一条轴中基本上形成为图像。成像系统可形成于多个光源与相应的窗图像之间。以此方式，来自多个光源中的每一者的光对于处于相应观察窗之外的观察者眼睛而言基本上不可见。
相比之下，常规的非成像背光源或光引导板(LGP)用于2D显示器的照明。例如，参见等人的具有双表面发光的背光源单元(Backlight Unit With Double SurfaceLight Emission)，J.Soc.Inf.Display，第12卷，期号4，第379页到387页(2004年12月)。非成像背光源通常被布置成将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多个光源中的每一者而言基本上共用的观察区内，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。以此方式，来自多个光源中的每一者的光对于处于跨观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如，以便与朗伯型照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜(诸如，来自3M的BEFTM)提供。然而，此类方向性对于相应光源中的每一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，例如2D膝上型计算机、监视器和电视中看到的液晶显示系统。光从可包括稀疏特征的有损耗波导的边缘传播；所述稀疏特征通常是波导的表面中的导致光损耗而与光的传播方向无关的局部缺口。
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(其有时称为“光阀”)。成像定向背光源的一个例子为可采用折叠式光学系统的光学阀。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特征而被提取，并导向到观察窗，如美国专利申请序列号13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀中的至少一个。阶梯式波导是用于成像定向背光源的波导，所述成像定向背光源包括用于引导光的波导，所述波导进一步包括：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，所述波导进一步包括散布有多个被布置为阶梯的提取特征的多个光引导特征。
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，所述光提取特征阵列被布置成提取在基本上平行的波导中反向传播的光。
用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源实施方案已在以下专利中提出和论证：3M的例如美国专利No.7,528,893；微软(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”，所有上述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特征。在光沿着阶梯式波导的长度行进时，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，且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，但可被布置成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，光学阀不是楔型成像定向背光源。
图1A是示意图，其示出了形成定向背光源设备的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–15n来讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极管源、半导体源、激光源、局域场致发射源、有机发射器阵列等。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、提取特征12、引导特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图为图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。
另外，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。波导具有第一引导表面和第二相对的引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，以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特征12，所述光提取特征面向反射端4并且倾斜以在多个方向上反射从反射端穿过波导1引导回的光中的至少一些光，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，所述输出被供应到SLM 48。在此例子中，光提取特征12是反射小平面，但可使用其他反射特征。光提取特征12不引导光穿过波导，而第二引导表面的在光提取特征12中间的区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的那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。光提取特征12横向延伸至那些区域，使得第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状可包括光提取特征12和中间区域。
光提取特征12被布置成将来自跨输入端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-15n被布置在不同输入位置处，所以来自相应照明元件15a-15n的光在那些不同方向上反射。以此方式，照明元件15a-15n中的每一者将光导向到相应的光学窗中。在控制系统的控制下，照明器元件15a-15n可选择性地操作以将光导向到可选择的光学窗中。光学窗可单独或成组地用作观察窗。
SLM 48跨波导延伸，是透射的并且调制从其中穿过的光。虽然SLM 48可为液晶显示器(LCD)，但这仅仅是举例，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置等，因为此照明器可以反射方式工作。在此例子中，SLM 48跨波导的第一引导表面而安置并调制在从光提取特征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光学阀的操作在图1A中以正视图示出，其中其侧面轮廓在图1B中示出。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明器阵列15(诸如照明器元件15a至15n的阵列)发出，其沿着阶梯式波导1的薄端侧面2的表面x＝0位于不同位置y。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后可即刻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，该组角度高达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，从而确保了基本上无损耗的前向传播。
继续讨论图1A和1B，可使阶梯式波导1的弯曲端侧面4具反射性，通常通过用反射性材料(诸如银)涂覆而实现，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。角展度可在围绕主要传播方向的xz平面中基本上保持，这可允许光撞击立板边缘并反射出引导件。在具有大约45度倾斜的提取特征12的实施例中，可大约垂直于xy显示器平面有效地导向光，其中相对于传播方向基本上保持xz角展度。当光通过折射离开阶梯式波导1时此角展度可增加，但依据提取特征12的反射特性，可略有减小。
在具有未涂覆的提取特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)失效时反射可减少，从而挤压xz角轮廓并偏离法线。然而，在涂覆有银或金属化的提取特征的其他实施例中，可保留增大的角展度和中心法线方向。继续描述具有涂覆有银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。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a–15n于是使光能够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中的俯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是以俯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，并且图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。在最简单的情况下，一起打开照明器阵列15的多组照明器元件，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。以此方式，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。
在通常在末端4处包括基本上圆柱形反射表面的本发明实施例中，光学轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直线并且与侧面4围绕x轴的反射对称轴重合。光轴238通常与波导1的机械轴重合。
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中被引导至可为镜面的反射侧面4。虽然反射侧面4可为镜面且可反射光，但在一些实施例中光也可能穿过反射侧面4。
继续讨论图3，由反射侧面4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大小、侧面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的反射锥角和输入侧面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以正视图示出了在阶梯式波导1中进一步引导来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线。输出光线中的每一者从相应照明器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是以正视图示出光学阀的示意图，所述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和42。侧面4和光提取特征12上的反射端的曲率与来自照明器元件15h的光线协作地产生与观察窗26横向间隔的第二观察窗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，其中反射侧面4中的光焦度与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的协作形成实像，如图4A中所示。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的像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展的观看自由度，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，所述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)，其中一个差异是光提取特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类布置可跨显示表面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制造起来可更方便。
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，并且图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中的照明器元件群组31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中的照明器元件群组33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协作中，窗26和44可按顺序提供，如图6C中所示。如果与光方向输出对应地调整空间光调制器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。可使用所有成像光学阀系统或成像定向背光源来实现类似的操作。应当注意，照明器元件群组31和33各自包括来自照明元件15a至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。可利用相机、运动传感器、运动检测器或任何其他适当的光学、机械或电气装置来监控头部45位置，并且可打开和关闭照明器阵列15的适当照明器元件以向每只眼睛提供基本上独立的图像而不考虑头部45位置。头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)可提供对不止一个头部45、47(头部47在图7中未示出)的监控，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，从而向所有观察者提供3D。可再次使用所有成像光学阀系统或成像定向背光源来实现类似的操作。
图8是示意图，其示出了包括时间多路复用光学阀设备以作为成像定向背光源的例子的多观察者显示设备的一个实施例。如图8中所示，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图像可以与相对于图7所述类似的方式生成，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。与第一和第二阶段对应，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和如所示出的光学阀的防窥显示设备。2D显示系统也可出于安全和效率目的而利用定向背光源，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如图9中所示。另外，如图9中所示，虽然第一观察者45可以能够观察到装置50上的图像，但光不朝第二观察者47导向。因此，防止了第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的实施例中的每一者可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示功能。
图10A是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学阀(作为成像定向背光源的例子)的结构。此外，图10A以侧视图示出了自动立体显示器，其可包括阶梯式波导1和菲涅尔透镜62，它们被布置成为跨阶梯式波导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可被布置成进一步延伸窗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。或者，照明器阵列15中的照明器元件可包括被布置成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，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，并且进一步提供散斑的减少。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，使得照明可在不同于可见输出光的波长处。
图10B是示意图，其以正视图示出了时间多路复用光学楔形定向背光源设备的结构，且图10C是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用光学楔形定向背光源设备的结构。另一个楔型定向背光源由美国专利No.7,660,047大体讨论，该专利全文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照明并且光通过在引导表面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镜形成的反射端1102，其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。
较之于阶梯式成像定向背光源，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成选择性地操作光源以将光导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。
光楔1104跨透射式空间光调制器1110延伸，对该透射式空间光调制器提供输出光。空间光调制器1110包括调节光的像素阵列，其以具有两条垂直的镜面对称轴的形状布置在孔中。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。
由光楔1104输出的光被棱镜元件1108偏转且穿过空间光调制器1110。
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，在适当角度下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并且基本上平行于主表面而离开。相比之下，以一定角度输入至光学阀的阶梯式波导的光可从跨第一侧面的点输出，其中输出角由输入角确定。有利的是，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提供跨显示表面的不均匀度。
图11是示意图，其示出了用于相对于显示设备的后照明自动立体显示器在水平方向202和竖直方向204上移动的观察者12的观察者跟踪时间多路复用自动立体显示设备；一般来说，显示设备可以是本文所描述的显示装置中的任一者。在图11中所示的例子中，显示装置包括阶梯式波导1、照明器阵列15、如将在下文所描述的超透镜500，和SLM 48。
所述显示设备进一步包括如下控制系统。
取向传感器79可用于检测观察者的观察取向，且因此确定SLM 48的横向或纵向操作，且包括诸如相机等传感器的观察者跟踪系统74与计算机视觉处理系统的协作用于检测观察者在标称观察平面200附近跨显示装置的两个维度上的位置。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，该传感器系统检测观察者在跨显示装置的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。或者，可能不需要收集取向信息。
控制系统的系统控制设备75用于确定将通过图像控制器76呈现的所需图像；且通过照明控制器77确定来自发光元件阵列15的所需照明。此显示器在标称观察平面200处提供观察窗阵列250。控制系统和显示设备可因此在横向操作和纵向操作模式两者中针对在水平方向202和竖直方向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。此外，此类显示器可能够在横向和纵向操作中在2D和3D模式中观察。因此，控制系统依赖于观察者的所检测到的位置以及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眼图像和右眼图像，且同步地将显示图像导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。或者，取向可用于在观察者不可能观察到自动立体图像的情况下，例如在两只眼睛均布置在基本上相同的观察窗中的情况下，切换显示器以提供二维图像。可能期望在可与窗平面中的窗范围正交的单个方向205上跟踪观察者，甚至对于倾斜观察窗也是如此，例如，方向205可与水平方向202和竖直方向204成45度。可进一步期望在两个维度上跟踪观察者，例如水平地202且竖直地204，或者在与窗平面中的窗范围正交的方向205和纵向方向203上。可进一步期望在三个维度上跟踪观察者，分别是纵向方向203、水平方向202和竖直方向204。
因此，显示装置可包括跨波导1的输入端在不同输入位置处的光源的阵列15；以及控制系统75、76、77，其被布置成选择性地操作阵列15的光源以将光导向到对应于所需输出方向的观察窗26中。
显示装置可为自动立体显示装置1、500、48，其中控制系统75、76、77被进一步布置成控制显示装置48以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到处于对应于观察者12的左眼和右眼的位置中的观察窗26中。
控制系统75、76、77可进一步包括传感器系统74、79，其被布置成检测观察者12跨显示装置的位置，并且控制系统75、76、77被布置成根据观察者12的所检测到的位置将显示图像导向到处于对应于观察者12的左眼和右眼的位置中的观察窗26中。
现在将描述基于并且并入图1至10C的结构的一些具体显示装置。因此，除了现在将描述的修改形式和/或另外特征以外，上述描述还适用于以下设备，但为了简单起见，将不再重复。
图12是示意图，其通过表面法线方向9示出了包括光学阀设备、超透镜500和透射式空间光调制器48的观察者跟踪自动立体显示装置的侧视图。来自阵列15中的光源的光线501被导向穿过波导1，其中所述光线在从波导1的特征10和侧面6引导之后入射在反射侧面4上。光线入射在光提取特征12上且被导向穿过侧面6。超透镜500布置在波导1与菲涅尔透镜62之间，且因此布置在波导1与SLM 48之间。来自阵列15的光线501被导向穿过超透镜500且被导向到观察窗。
超透镜500包括微透镜元件的第一阵列502和第二阵列504，如将在下文描述。在超透镜500处理之后，光可入射在菲涅尔透镜62和非对称漫射体412上，之后被导向到观察窗26。如将在下文描述，超透镜500可有利地修改观察窗的光学输出。
波导1按照上文参考图1到10B所述那样布置。因此，第一引导表面6可被布置成通过全内反射引导光，并且第二引导表面可具有多个光提取特征12，所述多个光提取特征经倾斜以在允许输出光穿过第一引导表面6离开的方向上反射被引导穿过波导1的光。第二引导表面8可具有介于光提取特征12之间的中间区域10，所述中间区域被布置成将光导向穿过波导1而不提取光。第二引导表面的中间区域10可平行于第一引导表面6而延伸。光提取特征12可为横向延伸至中间区域10的反射小平面，并且第二引导表面8可具有阶梯式形状，所述阶梯式形状可包括反射小平面12和中间区域10。
波导1可具有面向输入端2的反射端4，以用于将光从阵列15的输入光源反射回穿过波导1，波导1被布置成在从反射端反射光之后穿过第一引导表面6输出光。
透镜阵列502和504中的每一者均包括各自在相应的第一子午线中具有正光焦度且在垂直于第一子午线的相应第二子午线中不具有光焦度的透镜阵列。所述透镜因此是圆柱形透镜，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，因此在此上下文中的词语“圆柱形”并不意指数学上对圆柱形形状的严格约束。透镜阵列502和504中每一者的透镜的第二子午线彼此平行地延伸。在此例子中，两个透镜阵列502和504的间距是相同的，且透镜阵列502和504的相应透镜彼此对准。
第一透镜阵列502和第二透镜阵列504被进一步布置成在第一透镜阵列502与第二透镜阵列504之间具有焦平面，所述焦平面各自垂直于SLM 48的法线而延伸。如将示出，一般来说，第一透镜阵列502和第二透镜阵列504的焦平面可重合或偏移。
在此例子中，为方便示出，超透镜500经取向以使得透镜阵列502、504的第二子午线与波导1的光学轴正交地延伸。如将示出，通常，透镜将包括平行于波导的光学轴或与所述光学轴成锐角倾斜的子午线轴。
图13是示意图，其示出了包括光楔1104、超透镜500和透射式空间光调制器48的观察者跟踪自动立体显示装置的侧视图。所述显示装置如上文参考图10C所描述那样布置，其具有以下修改。
所述显示装置具有与如图12中所示以及与如上文所述相同的构造，不同之处在于用光楔1104和棱镜元件1108取代了波导1。更具体来说，如图10C中所示，具有楔角1107的光楔的波导1104的输出被超透镜500、菲涅尔透镜62和漫射体412重新导向，从而与在没有超透镜26的情况下实现的那些窗相比实现具有修改的性质的观察窗26。
因此，第一引导表面1105可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面1106为基本上平坦的并且以一定角度1107倾斜，以在破坏所述全内反射的方向上反射光，从而用于在反射端1102处反射(借助所述端1102处的棱镜结构)之后穿过第一引导表面1105输出光。跨波导的第一引导表面延伸的棱镜元件1108充当用于朝向空间光调制器48的法线9偏转光的偏转元件。
图14是示意图，其示出了包括光学阀设备和透射式空间光调制器的观察者跟踪自动立体显示装置的正视图。因此，此显示装置对应于图12的显示装置，但其中通过阐释省略了超透镜500和空间光调制器。因此，阵列15的光源被具有提取特征12的光学阀1成像，并且通过菲涅尔透镜62和非对称漫射体412(具有主漫射轴方向414)导向到观察窗26的阵列，所述观察窗通过漫射体竖直延伸且具有由阵列15的光源的间距和波导1的成像性质限定的横向范围。因此，所实现的窗26的数目与阵列15中的诸如LED等光源的数目相同。此外，观察窗26的总横向宽度27受到阵列15的长度限制。将期望在阵列15中有更少的光源的情况下增加宽度27以便降低成本。
图15是示意图，其示出了包括光学阀设备、超透镜500和透射式空间光调制器48的观察者跟踪自动立体显示装置的正视图。因此，此显示装置对应于图12的显示装置，但超透镜500经取向以使得第二子午线平行于波导1的光学轴而延伸。此取向经选择以使得观察窗不旋转。
如将描述，超透镜可重新导向来自单个光源阵列的光，且将所述光导向到多个观察瓣中。因此，阵列502、504的轴可平行于竖直方向而对准(独立的观察窗的范围)，以便接收将被导向到观察窗26的光。如将示出，在操作中，超透镜可用于实现多个观察瓣300、302、304。因此，来自阵列15的源将在没有超透镜500的情况下在瓣300中提供多个观察窗。如果减少光源的数目以降低成本，那么此类瓣会具有有限的范围。添加超透镜500可在横向移位的位置处在瓣300中实现窗的重复图像，从而实现瓣302、304。因此，可在与图14的布置相比减少了光源的数目的情况下从阵列15实现增加的横向观察自由度。成本便可有利地降低。通过图13的显示装置中的超透镜来实现相同效果。
现在将描述超透镜500的各种构造。这些构造中的任一者均可应用于图12的显示装置或图13的显示装置中。
图16A是示意图，其示出了超透镜的正视图。所述超透镜包括微透镜元件的第一和第二阵列502，所述两个阵列分别包括第一和第二表面起伏。超透镜可由一片共用的材料503形成，所述材料可以是例如塑料或玻璃材料。或者，超透镜500可包括单独的空气间隔的透镜。第一和第二透镜阵列502、504各自在相应第一子午线310中具有正光焦度，且在垂直于第一子午线310的相应第二子午线308中不具有光焦度，并且每一阵列502、504的透镜均具有平行的第一子午线310。第一和第二透镜阵列502、504具有相应的焦平面，所述焦平面垂直于空间光调制器的法线9在第一和第二透镜阵列502、504中间延伸。在图15中所示的显示装置中，每一阵列502、504的透镜均具有平行于波导1的光学轴延伸的第一子午线310。
图16B是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502和504具有基本上相等的焦距。
在图16B中，第一透镜阵列502的透镜的光学轴516与第二透镜阵列504的透镜的光学轴517对准，且第一透镜阵列的间距320与第二透镜阵列的间距322相同。来自定向背光源1的轴上光束508的平行轴上光线入射在第一透镜阵列502上，且聚焦到第一透镜阵列502的焦平面506。本文中，焦点可指旁轴焦点或非旁轴焦点，其中焦点例如通过光线扇面截点分析来确定，以便优化所需照明角度上的标称透镜性质以及相应透镜表面的数值孔径，这在光学设计中是众所周知的。因此，平面506是代表标称典型焦点条件的标称平面。为了保留光线的方向性，可通常不通过光学元件(诸如漫射体)形成平面506。然而，在其中轴508垂直且平行于窗的范围的实施例中，可并入漫射体以增加输出锥角。
第二透镜阵列504具有基本上与焦平面506重合的焦平面507。穿过焦平面506、507的光可入射在第二阵列504的透镜上，且以与光束508基本上相同的方向输出为光束510。
轴上入射到超透镜500的光束508入射在透镜阵列508处，且通过光学系统510成像，以便在基本上没有光的几何损耗的情况下产生输出准直束510。
来自与轴516成角度514的离轴光束512的光线入射在阵列504的两个透镜处，且因此形成两个单独的输出束518、520。光束518与轴516具有角度514，且与光线512方向具有角度517，角度517在此实施例中是角度514的两倍，因为第一和第二透镜阵列的焦距相等。因此，单个光源可分别通过光束518、520在瓣300、302中实现两组窗。有利的是，可针对给定观察角度范围减少光源的数目。
相反，在操作给定光源以便将光导向到对应于光束518和520中的一者的给定观察窗中的情况下，于是分光也导致将光导向到对应于束518和520中的另一者的另一个观察窗中。考虑到给定观察窗的亮度，这表示进入侧瓣507和509的光的损耗，这在某些应用中可为不期望的。然而，此类损耗可通过超透镜500的如下设计来减少，或可在如下文所描述的控制中得到补偿。
现在将描述对图16B中所示的超透镜500的各种修改。可以任何组合应用这些修改。
图16C是示意图，其示出了超透镜500的侧视图，其中第一阵列502的焦距小于第二阵列504的焦距。此类布置实现被分别导向单独的瓣300、302、304的三个(或更多个)单独的输出束301、303、305。因此，被布置成从波导1接收光的第一透镜阵列502的透镜的焦距小于第二阵列504的透镜的焦距。有利的是，可针对给定数目的光源进一步增加显示器的观察角度。
图17是示意图，其示出了其中焦平面506、507被偏移或分隔的超透镜500的侧视图。因此，与在平面506、507重合的情况下将实现的光束510相比，输出束511略有扩展。以此方式，可实现另外的横向窗漫射(在y方向上)。此类漫射可有利地减少对来自漫射体412的横向漫射的需要，且因此降低其复杂度和成本。此外，可有可能增加阵列15中的光源的传号-空号比率，这可实现改善的串扰特性。因此，第一和第二透镜阵列502、504可布置有偏移的相应的焦平面506、507。
图18A是示意图，其示出了超透镜500的侧视图，其中在平面506、507重合时，第一透镜阵列502的焦距大于第二透镜阵列504的焦距。因此，距离523小于距离521，且阵列504的透镜的表面的曲率大于阵列502的透镜的表面的曲率。以此方式，光线508输出为具有相同的方向性但具有来自阵列504的透镜的较小横向宽度的光束510。因此，被布置成从波导1接收光的第一透镜阵列502的透镜的焦距大于第二阵列504的透镜的焦距。对于离轴照明阵列531，可有利地实现单个光束518，但其具有比角度514高的角度517。因此，可增加可通过给定长度的阵列15实现的总观察角度，从而降低LED成本。此外，对于轴上观察位置附近的位置，存在不产生二阶光束518的位置(如针对与光学轴516成角度529的光线所示出)。因此，与图16B和图16C的布置相比，轴上位置的归因于此渐晕效应的光损耗得以减少，且所述显示器可用于高效率和防窥操作模式中。
图18B是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502、504具有偏移了距离336的光学轴516、517。如果间距320与间距322相同，那么偏移距离336可例如为间距320的一半。轴上束508因此被分裂为两个输出束332、334，而角度514下的光束512则实现单个输出束330。此类布置可因此实现中央束508的偏移。如将在下文描述，此类布置可有利地用于实现对空隙的离轴可见性的修改。
图19A是示意图，其示出了包括用于第一观察位置340的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图，所述第一观察位置表示观察者的单个瞳孔在窗26阵列中的位置。图19B是示意图，其示出了包括用于第二观察位置342的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图19C是示意图，其示出了包括用于第三观察位置344的光学阀设备的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图19A到19C的实施例不包括超透镜，且跨显示区域看到的输出包括空隙346、348，所述空隙在观察者12的瞳孔的最大横向位置344处具有宽度350。所述空隙是未被阵列15的光源照明的波导1的区域且因此是不期望的，因为它们减少了波导1对于离轴位置的可用区域，从而增加了斜面大小。因此期望减少空隙346、348的可见性。
图20A是示意图，其示出了包括用于第一观察位置340的光学阀设备和超透镜500的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图20B是示意图，其示出了包括用于第二观察位置342的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。图20C是示意图，其示出了包括用于第三观察位置344的光学阀设备和超透镜500的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。超透镜可被布置成使得轴316、317不重合，进而使得对于轴上观察而言，光来自波导1内的不同准直方向。此布置偏置了空隙区域的位置和大小，使得在第一中央观察位置可看到小空隙352，在离轴观察位置(例如，65mm离轴)看不到空隙354，且在较高的离轴位置(例如，130mm离轴)看到小空隙356。以此方式，可减小给定离轴移动的总空隙大小，且可减小斜面大小。
图20D是示意图，其示出了包括用于第三观察位置的光学阀设备和超透镜的观察者跟踪自动立体显示器的正视图。在超透镜500产生多个瓣时，波导内的多个准直方向对最终的输出强度分布作出贡献。因此，在观察位置344中，当区域358可能是单个LED照明的空隙时，两个区域358和360均可作为部分空隙被观察到，其中总强度是两个照明结构的组合。以此方式，可增加显示器的总照明均匀度，且减少空隙区域的可见性，因此有利地减小了斜面大小并降低了成本。
图21是示意图，其示出了超透镜的侧视图，其中第一和第二透镜阵列502和504具有不同的间距。因此，第一透镜阵列502的间距320大于第二透镜阵列504的间距。输出束方向362、364和366因此被布置成跨超透镜500的输出孔的宽度提供有效聚焦性质。有利的是，本实施例可减少或移除对并入菲涅尔透镜62以便在窗平面处实现观察窗26的需求，因此减少厚度并降低成本。
图22是示意图，其示出了超透镜的侧视图。此超透镜可布置在显示装置中且进一步包括安置在第一和第二透镜阵列502、504之间的第三透镜阵列515。第三透镜阵列515的透镜各自在相应的第一子午线310中具有正光焦度且在垂直于第一子午线的相应第二子午线308中不具有光焦度。第三透镜阵列515具有与第一和第二透镜阵列502和504相同的间距，且被布置成将第一透镜阵列502的孔成像到第二透镜阵列504的孔上。因此，通过布置有空气隙511的透镜阵列515将离轴光线512成像到阵列502，使得所有光线被导向为光束370。这具有以下效果：第三透镜阵列515可将入射光束512更完全地重新导向为输出束519。有利的是，这会减少进入侧瓣束的光损耗。有利的是，本实施例可针对较广范围的输入角度514实现单个输出束。此类布置可用于防窥显示器，其中例如，与通过不具有超透镜500的波导1提供的LED间距相比修改了LED间距，以便降低成本。
图23A是示意图，其示出了包括波导1、可切换超透镜500和透射式SLM 48的自动立体显示装置的侧视图。所述超透镜是美国专利7,059,252中所描述的可切换双折射透镜阵列，所述美国专利以全文引用的方式并入本文。来自阵列15的光入射在包括线性偏光器600、衬底602、606和可切换液晶层604的偏光切换元件上。因此，波导1的输出可布置有第一和第二偏光状态612、618，其可为基本上线性的偏光状态。偏光入射到将参考图23B来描述的超透镜500上。
图23B是示意图，其示出了可切换超透镜的侧视图。超透镜500是可在第一状态(针对偏光状态612的光)与第二状态(针对偏光状态618的光)之间切换的光学元件，在所述第一状态中，第一和第二阵列502、504的透镜在第一子午线310中具有所述正光焦度，在所述第二状态中，第一和第二阵列502、504的透镜在所述第一子午线310中不具有光焦度。此类透镜阵列可由具有第一折射率的各向同性材料503形成。诸如具有第一和第二折射率的液晶聚合物等液晶层608、610可形成于阵列502、504的表面上。液晶材料608、610的导向器可例如通过阵列502、504的表面上的对准层而基本上平行于第一子午线310对准。材料503的折射率可基本上与液晶材料的常光折射率相同，且不同于非常光折射率。偏光612的光因此经历阵列502处的折射率台阶，且存在用于光线614的透镜，从而形成具有如其他地方所描述的超透镜500的性质的输出束616。偏光618的光在阵列502处未经历折射率台阶，且因此光束620未被超透镜500偏转以形成具有不同于光束616的定向性质的光束622(尤其对于超透镜500的离轴照明而言)。因此有利的是，可实现可切换超透镜。
图24是示意图，其示出了包括在第一操作模式中的波导1和可切换超透镜500的自动立体显示装置的正视图。图25是示意图，其示出了包括在第二操作模式中的光学阀设备、可切换超透镜的相同自动立体显示器的正视图。存在上文参考图23A和23B所描述的偏光切换元件，但为了便于阐释，在图24和25中未示出。
因此，可布置显示装置，其中空间光调制器48的像素阵列以具有两条垂直的镜面对称轴的形状布置在孔中。在此例子中，超透镜500经取向以使得第二子午线与波导1的光学轴成非零锐角而延伸。此角度被选择成实现围绕空间光调制器的法线旋转观察窗，使得输出观察窗以相对于孔形状的所述轴中的一者以下列角度延伸：范围在65度到115度，更优选在80度到100度，或理想地90度。
显示装置被布置成使得在光学元件的第一状态中(对应于偏光状态612的照明且通过实线502、504示出)，观察窗624跨所述镜面对称轴中的一者分布，且在光学元件的第二状态中(对应于偏光状态618的照明且通过虚线502、504示出)，光学元件被布置成围绕空间光调制器48的法线旋转观察窗624，使得观察窗624跨所述镜面对称轴中的另一者分布。举例来说，使超透镜以与竖线成例如45度的角度取向可因此在第一和第二透镜阵列502和504具有相同的焦距的情况下实现90度的窗旋转。因此，当透镜经历入射偏光状态612时，输出窗可水平地布置，且当透镜经历入射偏光状态618时，窗不旋转且竖直地布置。以此方式，可实现可在横向和纵向取向两者中观察的显示器。有利的是，在两种操作模式中，窗是竖直的，以便增加竖直方向上的观察自由度而不需要头部跟踪操作。
一般来说，超透镜500可被取向以使得第二子午线可与波导1的光学轴成非零锐角而延伸，所述角度如下被选择以实现围绕SLM 48的法线旋转观察窗。
图26是示意图，其示出了与菲涅尔透镜62对准且与平行于竖直延伸的光源528的轴对准的嘉宝超透镜524的操作。此类布置用于阐释旋转的嘉宝超透镜操作。因此，向超透镜524提供基本上在第一(水平)方向上准直的光束。因此，超透镜将光导向到中央观察窗542中，且一些光将归因于源528的有限宽度而落入侧瓣观察窗543中。如将预期到的那样，观察窗是竖直的(平行于透镜轴)。
图27是示意图，其示出了操作嘉宝超透镜524以围绕SLM 48的法线旋转观察窗，所述法线与嘉宝超透镜524的光学轴对准。通过考虑观察窗528中的两个点552和557来示出所述旋转。在图27中，嘉宝超透镜524的透镜阵列502、504的几何轴(第一子午线)平行于方向526而延伸，所述方向与波导的光学轴(图27中的竖线)成角度551(如果焦距相等，其可为22.5度)倾斜。照明器处的点555与嘉宝超透镜524的光学轴对准，且因此被导向到窗平面中的也与嘉宝超透镜524的光学轴对准的点550，使得不发生横向偏转。点557位于窗中的点555正下方，且因此与嘉宝超透镜524的几何轴(第一子午线)成横向角度554倾斜。在平行于几何轴(第一子午线)的方向526上解析，不存在点557的偏转，这是因为嘉宝超透镜524在所述方向上不具有光焦度。在平行于第二子午线的方向527上解析，点557偏转了横向角度554的两倍。这等效于图16B中所示的离轴光束512相对于嘉宝超透镜524的光学轴516偏转两倍角度514。因此，横向偏转是角度554的两倍。此外，菲涅尔透镜62翻转了透镜的竖直取向，使得将点557成像到点552。因此，在此例子中，点557的总横向偏转是透镜的倾斜角度551的两倍，其中嘉宝超透镜524的透镜阵列具有相等的焦距。如可从图27看到，点552围绕嘉宝超透镜524的光学轴旋转，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的旋转，结果是整体地旋转了观察窗528。如果阵列502、504的焦距不同，那么窗528的旋转角度将不同于角度551的两倍。
因此，显示装置可布置有超透镜，其中每个阵列的透镜均具有与波导的光学轴成非零锐角延伸的平行的第一子午线。空间光调制器48的像素的阵列可以具有两条垂直的镜面对称轴的形状布置在孔中，且包括超透镜500的光学元件被布置成围绕空间光调制器48的法线9旋转观察窗624，且输出观察窗624以相对于孔形状的所述轴中的一者以下列角度延伸：在0度与90度之间的任何角度，优选范围在65度到115度中的角度，更优选80度到100度，或最优选90度。可例如通过以与波导1的光学轴成45度布置的子午线轴310布置超透镜来实现此类旋转。
图28是示意图，其示出了被布置成补偿包括嘉宝超透镜500的自动立体显示器中的渐晕效应的控制系统。此控制系统是图11中所示且在上文所描述的控制系统的修改形式。因此，除了修改之外，以上描述均适用且出于简明起见而不再重复。
通过诸如相机等传感器706来观察观察者708，且通过诸如图像处理系统等系统704来确定头部位置。光源控制器702确定要驱动哪个光源且相应地命令光源阵列15驱动器700。
图29是示意图，其示出了被布置成补偿包括嘉宝超透镜500的自动立体显示器中的渐晕效应的离轴补偿光源的操作。
在针对离轴光的操作中，操作单个驱动线714以操作提供给定邻近观察窗711的给定光源，然而，分光还导致将光导向到另一个观察窗中，且因此给定的观察窗的强度被渐晕减弱。可通过减小驱动线714上的功率来补偿显示器的强度，然而，那样可获得降低的显示器亮度。作为替代，执行以下控制系统来操作进一步分开的光源以将补偿光导向到给定观察窗中。具体来说，操作驱动线716以操作进一步分开的光源，所述光源主要将光导向到高角度瓣窗712中，但还具有对应于给定观察窗710的侧瓣，所述侧瓣可用于增加那个窗710中的强度，如图29中所示。因此，光束512在所需方向上实现输出锥518以及进入锥520的非所要的光。然而，如果超透镜500被光束718照明，那么则在与光束518相同的方向上生成输出束720。因此，通过驱动线716，可增加主中央瓣的强度损耗。此外，所述技术可用于以减少数目的光源增加显示器的横向观察自由度，从而降低成本和复杂度。
因此，显示设备可进一步包括控制系统，所述控制系统被布置成控制阵列15的光源，使得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过第二阵列504的不同透镜进行分光而使来自所述给定光源的光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操作进一步分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。
在另外的实施例中，超透镜500可与图8的双视图设备布置在一起。可有利地提供此类布置以从单个光源实现至少第一和第二观察位置。具体来说，控制系统被布置成进行控制以将相同的显示图像从单个光源导向到处于第一和第二观察位置的观察窗中。
图30是示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜500的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征12，且图31示出一实施例，其中反射端4包括具有与图30中的侧面4类似的光学功能但具有减小的大小的菲涅尔镜。因此，用于引导光的光阀包括：第一光引导表面，其中所述第一光引导表面是基本上平坦的；以及第二光引导表面，其与所述第一光引导表面相对，其进一步包括多个引导特征和多个细长提取特征，所述多个细长提取特征沿着所述细长提取特征为细长的方向是弯曲的，其中所述提取特征和所述引导特征分别彼此连接且彼此交替，另外其中所述多个提取特征允许光在光在第一方向上传播时基本上没有损耗地通过，且允许光在光在第二方向上传播时反射或折射且离开光阀。弯曲提取特征被布置成与凹入弯曲端4协作地实现观察窗，如先前所描述。
超透镜500可被布置成旋转观察窗以提供横向和纵向操作，如先前所描述。有利的是，可降低装置的复杂度和厚度。
所述光阀可包括第一端和第二端，光可在所述第一端处进入光阀且在所述第一方向上传播，所述第二端是反射表面，其被布置成重新导向在所述第一方向上传播的光以朝向所述第一端在所述第二方向上往回传播。所述第一端可比所述第二端薄。所述第二端可为凹入的弯曲反射表面、凹入的弯曲反射表面的菲涅尔等效物，或不具有光焦度的反射表面。第二光引导表面可具有阶梯式结构，其可包括：多个提取特征，所述多个提取特征沿着它们为细长的方向是弯曲的；以及多个引导特征，所述多个引导特征连接相应的提取特征。所述提取特征可允许光穿过第一光引导表面离开光阀。所述光阀可被布置成将从照明元件进入光阀的光导向到观察窗中。提取特征可被布置成将光学系统的主要光线基本上聚焦到观察平面上。提取特征的曲率可具有与反射端4的曲率的方向相反的方向。
光学阀系统可包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的光阀，且进一步包括多个照明元件，所述多个照明元件被配置成将光提供到所述光阀中且可进一步包括被布置成从所述光阀接收光的菲涅尔透镜。漫射体可被布置成从光阀接收光。漫射体可包括竖直漫射体，其包括非对称散射表面。超透镜500可进一步与光学阀系统一起布置以实现对观察窗26结构的进一步控制。
定向显示器可包括：光学阀系统；超透镜；及透射式空间光调制器，其被布置成被光学阀系统照明。
观察者跟踪显示器可包括：定向显示器；传感器，其用于检测与光学阀的观察窗靠近的观察者的位置；超透镜阵列；及照明器控制器，其用于依据由传感器检测到的观察者的位置来确定照明元件的设定。
观察者跟踪显示器可为观察者跟踪自动立体显示器，其中所述设定确定了对应于第一观察窗的第一组照明元件的第一照明阶段，且所述设定确定了对应于第二观察窗的第二组照明元件的第二照明阶段。第一和第二透镜阵列可沿着它们为细长的方向是弯曲的。
图32是示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜500的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征12，所述超透镜包括弯曲透镜502、504，所述弯曲透镜沿着它们为细长的方向是弯曲的。透镜502、504可被布置成实现将来自阵列15的光聚焦到窗平面中的观察窗26。有利的是，可降低装置的复杂度，且降低成本。
图33是示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括线性光提取特征，所述超透镜包括弯曲倾斜透镜。弯曲倾斜透镜502、504可提供到窗平面的聚焦以及窗平面中的窗的旋转，这对于L-P操作是有利的。
图34是示意图，其示出了包括光学阀设备和超透镜的自动立体显示器的正视图，所述光学阀设备包括弯曲光提取特征，所述超透镜包括弯曲透镜。弯曲光提取特征12和超透镜500可协作以实现到窗平面中的聚焦，这可提高光学系统的像差性能。
在以上实施例中，显示器可用于自动立体显示器或其他定向显示器，诸如防窥操作，或低功率操作，或高照度操作。后面的模式可提供自动立体功能或2D功能。在2013年10月14日提交的标题为“能效型定向背光源(Energy efficient directional backlight)”的美国临时专利申请案No.61/890,456(代理人案号95194936.355000B)中大体描述了低功耗装置和高照度装置，所述申请案以全文引用的方式并入本文。在操作中，此类装置可具备多个观察窗，所述观察窗相对于相应的空间光调制器的孔的取向是水平的、竖直的或倾斜的取向。
应当理解，在以上实施例中，全定向背光系统可包括另外的菲涅尔元件和漫射元件。
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揭示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，但不应将此类发布的权利要求书的应用限于实现任何或全部上述优点的过程和结构。
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发明的任何权利要求中所列出的实施例。具体来说且以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求书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”也并非要被视为是对发布的权利要求书中所述的实施例的表征。此外，本发明中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于辩称在本发明中仅有单个新颖点。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，应根据本发明基于此类权利要求书本身来考虑权利要求的范围，而不应受本文给出的标题约束。

Claims (35)

1.一种显示装置，所述显示装置包括：
透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置成调制传送穿过所述像素阵列的光；
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第一和第二相对的引导表面，所述第一和第二相对的引导表面跨所述空间光调制器从所述输入端延伸，其中所述波导被布置成通过所述第一引导表面输出光以用于通过所述空间光调制器进行供应，所述波导被布置成从不同的输入位置在相对于所述第一引导表面的法线的取决于所述输入位置的输出方向上跨所述输入端导向输入光；以及
光学元件，所述光学元件安置在所述波导与所述空间光调制器之间，包括第一和第二透镜阵列，所述透镜各自在相应的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的第二子午线中不具有光焦度，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间光调制器的所述法线在所述第一和第二透镜阵列之间延伸的相应的焦平面，每一阵列的所述透镜具有平行的第二子午线。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列布置有重合的相应的焦平面。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列布置有偏移的相应的焦平面。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中被布置成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大于所述第二阵列的所述透镜的焦距。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有相同的间距。
6.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有对准的光学轴。
7.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有偏移的光学轴。
8.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列具有不同的间距。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，进一步包括第三透镜阵列，所述第三透镜阵列在相应的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的第二子午线中不具有光焦度，所述第三透镜阵列具有与所述第一和第二透镜阵列相同的间距，并且安置在所述第一和第二透镜阵列之间，并且被布置成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。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述光学元件可在第一状态与第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述第一和第二阵列的所述透镜在所述第一子午线中具有所述正光焦度，并且在所述第二状态中，所述第一和第二阵列的所述透镜在所述第一子午线中不具有光焦度。
11.根据权利要求10所述的显示装置，其中所述像素阵列以具有两条垂直的镜面对称轴的形状布置在孔中，并且所述显示装置被布置成使得在所述光学元件的所述第一状态中，观察窗跨所述镜面对称轴中的一者分布，并且在所述光学元件的所述第二状态中，所述光学元件被布置成围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗，使得所述观察窗跨所述镜面对称轴中的另一者分布。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中每个阵列的所述透镜具有平行于所述波导的所述光学轴而延伸的第二子午线。
13.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的显示装置，其中每个阵列的所述透镜具有与所述波导的所述光学轴成非零锐角而延伸的平行的第二子午线。
14.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述像素阵列以具有两条垂直的镜面对称轴的形状布置在孔中，并且所述光学元件被布置成围绕所述空间光调制器的所述法线旋转所述观察窗，并且所述输出观察窗以相对于所述孔的所述形状的所述轴中的一者以下列角度延伸：范围在65度到115度，80度到100度，或90度。
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列由一片共用的材料形成，所述相应的焦平面安置在所述共用的材料内。
16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面具有多个光提取特征，所述光提取特征经倾斜以在允许所述输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上反射被引导穿过所述波导的光。
17.根据权利要求16所述的显示装置，其中所述第二引导表面具有介于所述光提取特征之间的中间区域，所述中间区域被布置成引导光穿过所述波导，而不提取光。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其中所述第二引导表面的所述中间区域平行于所述第一引导表面而延伸。
19.根据权利要求17或18所述的显示装置，其中所述光提取特征是横向地延伸到所述中间区域的反射小平面，并且所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状具有反射小平面和所述中间区域。
20.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面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所述第一引导表面输出光，
所述显示装置进一步包括跨所述波导的所述第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使光朝所述空间光调制器的所述法线偏转。
21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述波导具有面向所述输入端的反射端，以便将穿过所述输入端输入的光穿过所述波导反射回，所述波导被布置成在从所述反射端反射之后穿过所述第一引导表面输出光。
22.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，进一步包括：
光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的所述输入端的不同输入位置处；及
控制系统，所述控制系统被布置成选择性地操作所述光源以将光导向到对应于所述输出方向的观察窗中。
23.根据权利要求22所述的显示装置，其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光而使来自所述给定光源的所述光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操作进一步的分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。
24.根据权利要求22或23所述的显示装置，所述显示装置是自动立体显示装置，其中所述控制系统被进一步布置成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，并且同步地将显示图像导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。
25.根据权利要求24所述的自动立体显示装置，其中所述控制系统进一步包括传感器系统，所述传感器系统被布置成检测观察者跨所述显示装置的所述位置，并且
所述控制系统被布置成根据所述观察者的所检测到的位置将所述显示图像导向到处于对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。
26.根据权利要求22或23所述的显示装置，所述显示装置是双视图显示装置，其中所述控制系统被布置成进行控制以将相同的显示图像导向到处于至少第一和第二观察位置的观察窗中。
27.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述波导的所述提取特征沿着所述提取特征为细长的方向是弯曲的。
28.根据前述权利要求中任一权利要求所述的显示装置，其中所述第一和第二透镜阵列沿着所述第一和第二透镜阵列为细长的方向是弯曲的。
29.一种显示设备，所述显示设备包括：
透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置成调制传送穿过所述像素阵列的光；
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第一和第二相对的引导表面，所述第一和第二相对的引导表面跨所述空间光调制器从所述输入端延伸，其中所述波导被布置成通过所述第一引导表面输出光以用于通过所述空间光调制器进行供应，所述波导被布置成从不同的输入位置在相对于所述第一引导表面的法线的取决于所述输入位置的输出方向上跨所述输入端导向输入光；
光学元件，所述光学元件安置在所述波导与所述空间光调制器之间，包括第一和第二透镜阵列，所述透镜各自在相应的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不具有光焦度，所述第一和第二透镜阵列布置有垂直于所述空间光调制器的所述法线在所述第一和第二透镜阵列之间延伸的相应的焦平面，每一阵列的所述透镜具有平行的第二子午线；
光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的所述输入端的不同输入位置处；以及
控制系统，所述控制系统被布置成选择性地操作所述光源以将光导向到对应于所述输出方向的观察窗中；
其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光而使来自所述给定光源的所述光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操作进一步的分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。
30.根据权利要求29所述的显示设备，其中所述第一和第二透镜阵列沿着所述第一和第二透镜阵列为细长的方向是弯曲的。
31.根据权利要求29所述的显示设备，其中所述波导的所述提取特征沿着所述提取特征为细长的方向是弯曲的。
32.根据权利要求29所述的显示设备，其中所述控制系统被布置成控制所述光源，使得当光从给定光源导向到给定观察窗中时，在由于穿过所述第二阵列的不同透镜进行分光而使来自所述给定光源的所述光被导向到除所述给定观察窗之外的观察窗中的情况下，操作进一步的分开的光源以将补偿光导向到所述给定观察窗中。
33.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统被进一步布置成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，并且同步地将显示图像导向到处于对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。
34.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统进一步包括传感器系统，所述传感器系统被布置成检测观察者跨所述显示装置的所述位置，并且
所述控制系统被布置成根据所述观察者的所检测到的位置将所述显示图像导向到处于对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。
35.根据权利要求32所述的显示设备，其中所述控制系统被布置成将相同的显示图像导向到处于至少第一和第二观察位置的观察窗中。
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