CN106062466B - 具有发光元件封装的定向背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于定向显示器的发光二极管封装可包括发光二极管和保护二极管。所述保护二极管可被布置在阱中，所述阱处于与所述发光二极管所在的所述阱不同的位置处。所述定向显示器可包括波导。所述波导可包括：光提取结构特征，所述光提取结构特征被布置用于使来自光源阵列的光通过全内反射导向到观察窗阵列；以及反射器，所述反射器被布置用于使来自所述波导的光通过透射穿过所述波导的提取结构特征导向到相同的观察窗阵列。所述定向显示器的亮度可增加。可实现有效并且明亮的定向显示系统。通过光偏转提取薄膜实现了对从所述波导的边缘逸出的光的有效光遮挡。

Description

具有发光元件封装的定向背光源
相关专利申请的交叉引用：本申请涉及2013年11月15日提交的标题为“Directional backlights with light emitting element packages”(具有发光元件封装的定向背光源)的美国临时申请No.61,904/880(RealD参考号95194936.368000)和2014年1月31日提交的标题为“Directional backlights with light emitting elementpackages”(具有发光元件封装的定向背光源)的美国临时申请No.61/934,086(RealD参考号368000A)，并要求这两个申请的优先权，这两个申请的全文均以引用方式并入本文。本申请还涉及2013年2月22日提交的标题为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利申请No.61/768,371(RealD参考号95194936.355000)；2013年3月15日提交的标题为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利申请No.61/791,112(RealD参考号95194936.355000A)；2013年10月14日提交的标题为“Energy efficient directionalbacklight”(能效型定向背光源)的美国专利申请No.61/890,456(RealD参考号95194936.355000B)；2013年3月15日提交的标题为“Polarization recovery in adirectional display device”(定向显示装置中的偏振恢复)的美国专利申请No.13/837,466(RealD参考号95194936.325001)；2013年5月17日提交的标题为“Source conditioningfor imaging directional backlights”(成像定向背光源的光源调节)的美国专利申请No.13/897,102(RealD参考号95194936.316001)，所有这些专利申请的全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及用于光导的发光二极管封装，以用于从2D、3D和/或自动立体显示装置中使用的局部光源提供大面积照明。
背景技术
空间多路复用自动立体显示器通常使视差组件(诸如透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对准，所述图像阵列被布置用于在空间光调制器(例如LCD)上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自该像素组中的每个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。观察者将眼睛置于第一观察窗中用来自第一组像素的光可看到第一图像；而将眼睛置于第二观察窗中用来自第二组像素的光可看到第二图像。
与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且此外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙(例如对于电极而言)通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦导致图像串扰程度加大并增加观察者的视觉疲劳。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
根据本发明的第一方面，可提供一种用于定向显示设备的发光二极管封装，它包括：封装材料的主体；被布置用于生成发射频带中的光的至少一个光生成元件；以及保护二极管；其中所述至少一个光生成元件被布置在所述主体中的第一阱中，并且所述保护二极管没有布置在所述第一阱中。所述保护二极管可被布置在所述主体中的第二阱中。所述第二阱可包含覆盖所述保护二极管的保护材料。所述第一阱可在彼此正交的第一方向和第二方向上具有横向范围，所述第一方向上的横向范围大于所述第二方向上的横向范围，并且所述第二阱在所述第二方向上移离所述第一阱。所述第一阱在所述第二方向上的横向范围可小于所述光生成元件在所述第二方向上的横向范围的150％。
所述发光二极管封装可包括在所述第一方向上被布置为阵列的至少两个光生成元件。所述至少两个光生成元件可在所述第二方向上具有相同的横向范围和位置。所述第一阱可包含覆盖所述至少一个光生成元件的材料，所述材料为透明材料或波长转换材料，所述波长转换材料被布置用于将由所述光生成元件所生成的在所述发射频带中的所述光中的至少一些转换成在转换频带中的光。所述第一阱中所包含的材料可为所述波长转换材料，所述发射频带为蓝光并且所述转换频带为黄光。所述第一阱中所包含的材料可为所述波长转换材料并且为荧光体或量子点材料。
所述发光二极管封装还可包括：至少两个导热块，所述至少一个光生成元件位于所述热块中的第一者上，所述保护二极管位于所述热块中的第二者上，并且所述第一热块和所述第二热块在所述第一阱下面延伸；引线接合(wire bond)，它使所述至少一个光生成元件和所述保护二极管连接到所述第一热块和所述第二热块，使所述至少一个光生成元件连接到所述第一热块和所述第二热块的所述引线接合位于所述第一阱中。所述光生成元件可为半导体二极管。所述发光二极管封装还可包括在所述阱的相对侧上从所述主体向外延伸的一对壁，所述壁形成用于接纳波导的输入端的狭槽，所述保护二极管相对于所述狭槽横向地移离所述第一阱。
有利的是，与其中所述保护二极管与所述发光元件位于相同阱中的封装相比，所述封装当布置用于封装阵列时的每单位长度的光通量可增加。有利的是，显示器背光源的照度可增加。可实现高照度环境中的户外操作。可保护所述保护二极管免于在组装和使用期间损坏。可维持所述封装的散热性能，从而实现所期望的效率和热管理特性。
根据本发明的另一方面，可提供一种用于定向显示设备的发光二极管阵列，所述发光二极管阵列包括第一发光二极管封装阵列，所述发光二极管封装各自为线性地排列的根据所述第一方面的发光二极管封装。所述第一发光二极管封装阵列的每单位长度的发光度与正交于所述发光二极管封装排列的方向的所述第一阱的横向范围之比大于15流明/mm2。所述发光二极管阵列还可包括第二发光二极管封装阵列，所述第一发光二极管阵列和所述第二发光二极管阵列的每单位长度的发光度彼此不同。
有利的是，可提供一种显示器，它在轴上观察位置中具有供户外高效使用的高照度，并且在宽角观察中具有较低照度，同时降低所述阵列中的发光元件阵列的成本。
根据本发明的另一方面，可提供一种用于定向显示设备的定向背光源，它包括：根据所述第二方面的发光二极管阵列；波导，它包括被布置用于在相应的输入位置处从所述发光二极管阵列接收输入光的输入端、用于沿着所述波导引导输入光的第一引导表面和相对的第二引导表面，以及用于将输入光穿过所述波导反射回去的反射端，所述第二引导表面被布置用于使光在从所述反射端反射后作为输出光偏转穿过所述第一引导表面，并且所述波导被布置用于在分布在横向方向中的输出方向上将所述输出光导向到光学窗中，所述输出方向取决于所述输入光的输入位置。所述第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面可包括多个光提取结构特征和中间区域，所述多个光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上引导被引导穿过所述波导的光，所述中间区域位于所述光提取结构特征之间并且被布置用于将光导向穿过所述波导。所述第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面可为基本上平坦的并以一定角度倾斜，以在打破所述全内反射的多个方向上导向光，以用于穿过所述第一引导表面输出光，并且所述显示装置还包括跨所述波导的所述第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使光朝所述第一引导表面的法线偏转。
根据本发明的另一方面，可提供一种定向显示设备，它包括：根据所述第三方面的定向背光源；以及透射式空间光调制器，它被布置用于接收来自所述波导的第一引导表面的输出光并且对其进行调制以显示图像。
有利的是，可通过高效率实现高照度显示，同时提供可控的光输出方向性和在高照度、高效率与宽角操作模式之间切换。
根据本发明的另一方面，可提供一种形成发光二极管封装阵列的方法，该方法使用线性保持器，该线性保持器包括能够接纳一行发光二极管封装的狭槽，所述方法包括：将所述发光二极管封装设置在所述保持器的所述狭槽中；使所述线性保持器与阵列基板对齐；在所述发光二极管封装阵列与所述阵列基板之间提供焊料和热连接；以及移除所述线性保持器。所述发光二极管封装可具有被布置用于在所述线性保持器中提供受控间距的凸出部。
有利的是，可降低LED封装阵列的制造成本，同时实现所述阵列中的封装所期望的对齐容限。
根据本发明的另一方面，可提供一种用于定向显示设备的定向背光源，包括：光源阵列；波导，它包括被布置用于在相应的输入位置处从所述发光二极管阵列接收输入光的输入端、用于沿着所述波导引导输入光的第一引导表面和相对的第二引导表面，所述第二引导表面被布置用于使光作为输出光偏转穿过所述第一引导表面，并且所述波导被布置用于在分布在横向方向中的输出方向上将所述输出光导向到光学窗中，所述输出方向取决于所述输入光的输入位置；以及用于屏蔽所述光源的输入端、前光屏蔽构造，包括：邻近所述输入端跨所述第一引导表面延伸的提取薄膜带，所述提取薄膜带包括交替的第一小平面和第二小平面阵列，所述第一小平面被取向为接收在沿着所述波导引导时从所述第一引导表面泄漏的光，并且所述第二小平面被布置用于使所接收的光朝所述第一引导表面的法线偏转；以及被布置在所述提取薄膜带外部的掩模，以吸收由所述第二小平面偏转后所接收的光。
所述提取薄膜带可以是吸收性的，以用于吸收所接收光的至少一部分。所述定向背光源还可包括用于屏蔽所述光源的输入端、后光屏蔽构造，该构造包括：邻近所述输入端跨所述第二引导表面延伸的提取薄膜带，所述提取薄膜带包括交替的第一小平面和第二小平面阵列，所述第一小平面被取向为接收在沿着所述波导引导时从所述第二引导表面泄漏的光，并且所述第二小平面被布置用于使所接收的光朝所述第一引导表面的法线偏转；以及被布置在所述提取薄膜带外部的掩模，以吸收由所述第二小平面偏转后所接收的光。所述波导还可包括用于将输入光穿过所述波导反射回去的反射端，所述第二引导表面被布置用于使光在从所述反射端反射后作为所述输出光偏转。所述定向背光源还可包括用于屏蔽所述光源的反射端、前光屏蔽构造，该构造包括：邻近所述反射端跨所述第一引导表面延伸的提取薄膜带，所述提取薄膜带包括交替的第一小平面和第二小平面阵列，所述第一小平面被取向为接收在沿着所述波导引导时从所述第一引导表面泄漏的光，并且所述第二小平面被布置用于使所接收的光朝所述第一引导表面的法线偏转；以及被布置在所述提取薄膜带外部的掩模，以吸收由所述第二小平面偏转后所接收的光。所述定向背光源还可包括用于屏蔽所述光源的反射端、后光屏蔽构造，该构造包括：邻近所述输入端跨所述第二引导表面延伸的提取薄膜带，所述提取薄膜带包括交替的第一小平面和第二小平面阵列，所述第一小平面被取向为接收在沿着所述波导引导时从所述第二引导表面泄漏的光，并且所述第二小平面被布置用于使所接收的光朝所述第一引导表面的法线偏转；以及被布置在所述提取薄膜带外部的掩模，以吸收由所述第二小平面偏转后所接收的光。所述或每个光屏蔽构造的掩模可为形成于所述提取薄膜带的外表面上的层。所述第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面可包括多个光提取结构特征和中间区域，所述多个光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上引导被引导穿过所述波导的光，所述中间区域位于所述光提取结构特征之间并且被布置用于将光导向穿过所述波导。所述第一引导表面可被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面可为基本上平坦的并以一定角度倾斜，以在打破所述全内反射的多个方向上导向光，以用于穿过所述第一引导表面输出光，并且所述显示装置还可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第一引导表面的法线偏转。
有利的是，由于所述波导的对齐和制造方面的缺陷而造成的所述发光元件阵列的可见度可在靠近所述发光元件的区域中降低。杂散光可被有效地捕获并且不会重新导向到所述波导中。所述杂散光收集机构可能不会明显接触所述波导的表面，因而使所述波导的光损耗最小化。
根据本发明的另一方面，可提供一种定向显示设备，它包括：根据所述第六方面的定向背光源；以及透射式空间光调制器，它被布置用于接收来自所述波导的第一引导表面的输出光并且对其进行调制以显示图像。所述输入端、前光屏蔽构造的掩模可以是所述空间光调制器的一部分。
有利的是，可在供户外使用的显示器中实现大于10:1的对比率，例如，在照度为10,000勒克斯或更大的环境中。可提供与被照背景的环境照度相比的显示器白色状态照度来实现显示器在高环境照度环境中的可用性。在操作中，定向显示装置中的发光二极管的功率消耗可等于或小于常规宽角背光源的功率消耗。输出照明的方向可受到控制。实现所述对比性能的显示器的尺寸可基本上大于使用已知的LED封装构造可实现的显示器的尺寸。可为所述封装提供所期望的静电放电保护水平。可在阱中提供到所述封装内的二极管的引线接合，并且所述引线接合覆盖有包封以在操作和搬运期间保护它们。另外，所述LED封装的间距可减小，使得在结合有头部跟踪的此类定向显示器中，针对移动观察者的闪烁可减少，因为在所述观察窗内可存在更多的光学窗，从而实现根据观察者位置对观察窗结构的更精细控制。
有利的是，可实现针对户外使用的高对比度，以便于观察靠近轴上观察的位置，同时降低用于离轴观察的LED封装的成本。因此，装置成本可降低，而且阵列中的LED的数量可减少，从而降低复杂度并且减小阵列的平均故障间隔时间。
有利的是，可降低成本，并且提高用于使薄波导相对于LED封装对齐的对齐精度。另外，靠近所述LED封装的区域中的杂散光可减少。
有利的是，大量LED封装可被布置用于在所述封装之间具有较小间隙，从而增大照度水平，在所述照度水平下，可在定向显示器中实现所期望的对比率。另外，单个对齐和附接步骤可用于使阵列完全附接到基底，从而降低成本和复杂度，同时维持通过在所述阵列中使用单独的LED封装可实现的较高阵列产率。
有利的是，光源的成本降低，并且不需要跟踪技术，这进一步降低了成本并且延长了装置寿命。另外，可通过高光学效率获得高增益光学输出。
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到观察窗中的另外的能力。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。
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，本发明的波导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。另外，实施例可提供用于高效自动立体显示器、高效2D显示器和高亮度2D显示器的受控照明器，从而实现防窥功能。
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，本发明的方面可以与下述任何设备一起使用，这些设备与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关，或者可包括任何类型的光学系统。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。
在继续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创建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。
定向背光源提供对照明的控制，该照明从通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源加以控制的基本上整个输出表面发出。控制发射光定向分布可实现安全或防窥功能的单人观察，其中显示器可被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中可在小角度定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；以及可实现低成本。
本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，其中相同的附图标号表示相同的组件，并且其中：
图1A为示意图，示出根据本发明的定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图；
图1B为示意图，示出根据本发明的图1A的定向显示装置的一个实施例中的光传播的侧视图；
图2A为示意图，示出以根据本发明的定向显示装置的另一个实施例中的光传播的顶视图；
图2B为示意图，以根据本发明的图2A的定向显示装置的正视图示出了光传播；
图2C为示意图，以根据本发明的图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传播；
图3为示意图，以根据本发明的定向显示装置的侧视图示出；
图4A为示意图，以正视图示出根据本发明的定向显示装置中观察窗的生成，并且包括弯曲光提取结构特征；
图4B为示意图，以正视图示出根据本发明的定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗的生成，并且包括弯曲光提取结构特征；
图5为示意图，示出根据本发明的定向显示装置中第一观察窗的生成，并且包括线性光提取结构特征；
图6A为示意图，示出根据本发明的时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例；
图6B为示意图，示出根据本发明的在第二时隙中时间多路复用定向显示装置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；
图6C为示意图，示出根据本发明的在时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；
图7为示意图，示出根据本发明的观察者跟踪自动立体定向显示装置；
图8为示意图，示出根据本发明的多观察者定向显示装置；
图9为示意图，示出根据本发明的防窥定向显示装置；
图10为示意图，以侧视图示出根据本发明的定向显示装置的结构；
图11为示意图，示出用于根据本发明的观察者跟踪定向显示设备的控制系统；
图12A为示意图，示出根据本发明的具有后反射器的定向显示装置的侧视图，其中后反射器具有反射小平面阵列；
图12B为示意图，示出根据本发明的具有波导和后反射器的定向显示装置的正视图，其中波导具有弯曲光提取结构特征，后反射器具有线性反射小平面阵列；
图13A-13B为示意图，示出根据本发明的包括漫射导光板的常规背光源设备的正视图和侧视图；
图14为示意图，示出根据本发明的一种显示装置的正视图，该显示装置包括光学阀、布置在第一装置框架上的LED阵列和布置在第二装置框架上的菲涅耳镜；
图15为示意图，示出根据本发明的光学阀的侧视图；
图16为示意图，示出根据本发明的LED阵列的正视图；
图17为示意图，示出根据本发明的阵列封装发光度与LED孔高度之间关系的曲线图；
图18A为示意图，示出根据本发明的LED封装的正视图；
图18B为示意图，示出根据本发明的LED散热构造的正视图；
图18C为示意图，示出根据本发明的LED封装的侧视图；
图18D为示意图，示出根据本发明的LED封装电路；
图19为示意图，示出根据本发明的LED封装的正视图；
图20为示意图，示出根据本发明的LED散热构造的正视图；
图21A、21B、22为示意图，示出根据本发明的具有增大的阵列封装发光度的LED封装阵列的正视图；
图23-24为示意图，示出分别用于根据本发明的图21B和22的封装的散热构造的正视图；
图25A-25B为示意图，示出根据本发明的具有增大的阵列封装发光度的LED封装阵列的正视图；
图26A-26E为示意图，示出根据本发明的具有增大的阵列封装发光度的LED封装阵列的正视图；
图27A-27E为示意图，示出用于根据本发明的图25A的封装的LED封装组装步骤的正视图；
图28A-28E为示意图，示出用于根据本发明的图25A的封装的LED封装组装步骤的侧视图；
图28F为示意图，示出其中根据本发明的保护二极管没有布置在封装主体中的阱中的LED封装的正视图；
图28G-28H为示意图，示出其中根据本发明的保护二极管没有布置在封装主体中的阱中的LED封装的侧视图；
图29A-29E为示意图，示出用于根据本发明的图25A的封装的LED封装组装步骤的侧视图；
图30A-30E为示意图，示出用于根据本发明的图25A的封装的替代LED封装组装步骤的正视图；
图31A-31D为示意图，示出根据本发明的LED封装阵列组装步骤的正视图；
图32为示意图，示出根据本发明的具有透明包封剂和单独磷光粉层的LED封装的侧视图；
图33A-33B为示意图，示出根据本发明的LED封装阵列组装步骤的侧视图；
图34A-34D为示意图，示出根据本发明的LED封装阵列组装步骤的正视图和侧视图；
图35A-35B为示意图，示出用于根据本发明的LED封装阵列的组装步骤中的一些的正视图；
图36为示意图，示出根据本发明的常规波导和对齐LED的侧视图；
图37A为示意图，示出根据本发明的光学阀和对齐LED的侧视图；
图37B为示意图，示出根据本发明的光学楔形背光源和对齐LED的侧视图；
图38-39为示意图，示出根据本发明的包括混合APLE区域的LED阵列的侧视图；
图40为示意图，示出根据本发明的光学阀和对齐LED的侧视图；
图41A为示意图，示出根据本发明的图40的LED阵列的正视图；
图41B-41D为示意图，示出根据本发明的波导插入LED封装中的侧视图；
图42A-42B为示意图，示出根据本发明的包括倒装芯片发光元件的LED封装的侧视图和正视图；
图42C-42E为示意图，示出根据本发明的包括倒装芯片发光元件的LED封装的侧视图和正视图，其中还包括发光阱；
图43-45为示意图，示出用于根据本发明的LED阵列和相应对齐波导的光屏蔽构造；
图46为示意图，示出用于根据本发明的波导的镜子端部的光屏蔽构造；以及
图47为示意图，示出用于根据本发明的定向背光源的光屏蔽构造的顶视图。
具体实施方式
时间多路复用自动立体显示器可通过以下方法有利地改善自动立体显示器的空间分辨率，即，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。因此，观察者将眼睛布置用于接收第一观察窗和第二观察窗中的光，通过多个时隙将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通过以下方法有利地实现定向照明，即，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，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独立于空间光调制器中像素的布置方式。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)与通常大小为1mm或更大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宽的照明器可使用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所述的光学阀可有利地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用于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。参见例如，
Figure BDA0000991234900000101
et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)(
Figure BDA0000991234900000102
等人，双面发光的背光源单元，《国际信息显示学会会志》，第12卷，第4期，第379-387页，2004年12月)。非成像背光源通常被布置用于将来自多个光源的照明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中，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，例如以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自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。光从有损耗波导的边缘传播，该波导可包括稀疏结构特征；通常为引导件的表面中的局部压痕，所述局部压痕使得无论光的传播方向为何均导致光损耗。
如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光源和阀定向背光源(“v-DBL”)的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空间光调制器(虽然空间光调制器有时在本领域中可一般称为“光阀”)。成像定向背光源的一个例子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结构特征而被提取，并导向至观察窗，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。
如本文所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式波导成像定向背光源、折叠成像定向背光源、楔型定向背光源或光学阀。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀。阶梯式波导是用于成像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括第一光引导表面；和与第一光引导表面相对的第二光引导表面，还包括散布有被布置为阶梯的多个提取结构特征的多个光引导结构特征。
此外，如所使用，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者。
在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入侧面传播到反射侧面并且可在基本上无损耗的情况下透射。光可在反射侧面反射并且在与第一方向基本上相对的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取结构特征上，所述光提取结构特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。
光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件后工作距离更薄的光学元件以将来自宏观照明器的光导向到窗平面。此类显示器可使用光提取结构特征阵列，所述光提取结构特征阵列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一起使用的薄型成像定向背光源实现方式已由如下提出和说明：3M的例如美国专利No.7,528,893；微软公司(Microsoft)的例如美国专利No.7,970,246，其在本文可称为“wedge type directional backlight”(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“optical valve”(光学阀)或“optical valvedirectional backlight”(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结构特征。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，所述第二组表面向第一组表面(阶梯“踏板”)倾斜。应当注意，第二组表面可不为阶梯式波导的光引导操作的部分，但可被布置用于由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允许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为示出定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图的示意图，并且图1B为示出图1A的定向显示装置中的光传播的侧视图的示意图。
图1A示出了定向显示装置的定向背光源的xy平面中的正视图，并且包括可用于照明阶梯式波导1的照明器阵列15。照明器阵列15包括照明器元件15a至照明器元件15n(其中n是大于1的整数)。在一个例子中，图1A的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器大小的波导1。照明元件15a至照明元件15n是可为发光二极管(LED)的光源。虽然LED在本文作为照明器元件15a–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、提取结构特征12、引导结构特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图为图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与将输入光穿过波导1反射回去的反射端4之间延伸。输入端2在跨波导的横向方向上的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a至照明器元件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置处。
波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，所述光提取结构特征面向反射端4并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，所述多个方向破坏在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，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构特征。光提取结构特征12不引导光穿过波导，而光提取结构特征12之间的第二引导表面的中间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的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。光提取结构特征12横向于这些区域延伸，使得第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括光提取结构特征12和中间区域。光提取结构特征12被取向为在从反射端4反射后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。
光提取结构特征12被布置用于将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于照明元件15a-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。这样，照明元件15a-15n中的每个在分布在横向方向中的输出方向上将光导向到各自的光学窗中，所述输出方向取决于输入位置。对于输出光而言，输入位置分布在其中的跨输入端2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端2处限定且对于输出光而言的横向方向在该实施例中保持平行，其中反射端4和第一引导表面处的偏转一般与横向方向正交。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。
反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光强度。在通常反射端4具有正光强度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的线并且与末端4围绕x轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光强度的其他组件(例如光提取结构特征12，如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。
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结构特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。
可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1A中以正视图示出，并且其侧面轮廓在图1B中示出。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明器阵列15(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度。连接阶梯式波导1的底部侧面的引导结构特征10的提取结构特征12可具有大于临界角的倾斜角，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结构特征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从引导件反射出来。在具有大约45度倾斜的提取结构特征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，但依据提取结构特征12的反射特性，可略有减小。
在具有未涂覆的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)发生故障时反射可减少，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结构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结构特征的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件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是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，并且图2C是以侧视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图。如图2A、图2B和图2C所示，阶梯式波导1可位于显示顺序右眼图像和左眼图像的快速(例如，大于100Hz)LCD面板SLM 48的后方。在同步中，可选择性打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至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到2D图像上。
反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光强度。在通常反射端4具有正光强度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的线并且与末端4围绕x轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光强度的其他组件(例如光提取结构特征12，如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。在末端4处的圆柱形反射表面可通常为球形轮廓以优化轴上和离轴观察位置的性能。可使用其他轮廓。
图3是以侧视图示出定向显示装置的示意图。此外，图3示出了可为透明材料的阶梯式波导1的操作的侧视图的另外细节。阶梯式波导1可包括照明器输入侧面2、反射侧面4、可基本上平坦的第一光导向侧面6、以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导结构特征10的全内反射在阶梯式波导1中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可进一步通过在反射侧面4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转，并且可如光线20所示导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的大小、侧面4和提取结构特征12中的输出设计距离和光强度确定。观察窗的高度可主要由提取结构特征12的反射锥角和输入侧面2处输入的照明锥角确定。因此，每个观察窗26代表相对于与在标称观察距离处的平面相交的空间光调制器48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。
图4A是以正视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取结构特征。此外，图4A以正视图示出了来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线在具有光轴28的阶梯式波导1中的进一步引导。在图4A中，定向背光源可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。输出光线中的每条从输入侧面2朝相同观察窗26导向离开各自照明器15c。图4A的光线可离开阶梯式波导1的反射侧面4。如图4A所示，光线16可从照明器元件15c朝反射侧面4导向。光线18然后可从光提取结构特征12反射并朝观察窗26离开反射侧面4。因此，光线30可与光线20相交于观察窗26中，或在观察窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导1的侧面22和侧面24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取结构特征12可为细长的，并且光提取结构特征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结构特征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。与本文所讨论的其他实施例类似，例如如图3中所示，图4A的光提取结构特征可与引导结构特征10交替。如图4A所示，阶梯式波导1可包括在反射侧面4上的反射表面。在一个实施例中，阶梯式波导1的反射端在跨阶梯式波导1的横向方向上可具有正光强度。
在另一个实施例中，每个定向背光源的光提取结构特征12在跨波导的横向方向上可具有正光强度。
在另一个实施例中，每个定向背光源可包括光提取结构特征12，所述光提取结构特征可为第二引导表面的小平面。第二引导表面可具有与小平面交替的区域，所述区域可被布置用于将光导向穿过波导而基本上不提取光。
图4B是以正视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置可由第二照明器元件照明。此外，图4B示出了来自照明器阵列15的第二照明器元件15h的光线40和42。侧面4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率可与来自照明器元件15h的光线配合形成与观察窗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中的光强度与可由细长光提取结构特征12在区域34与36之间的不同取向所引起的光强度的协作形成实像，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是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置具有基本上线性的光提取结构特征。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结构特征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的弯曲提取结构特征相比制造起来可更方便。定向波导1的光轴321可为侧面4处的表面的光轴方向。侧面4的光强度被布置用于跨光轴方向，从而入射到侧面4上的光线将具有根据入射光线与光轴321的横向偏移319而变化的角偏转。
图6A是示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例，图6B是示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用成像定向背光源设备中的第二观察窗的生成的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。此外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成观察窗26。照明器阵列15中的照明器元件群组31可提供朝向观察窗26的光锥17。图6B示意性地示出了观察窗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。用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操作。应当注意，照明器元件群组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定向显示装置的观察者跟踪自动立体显示设备的一个实施例。如图7所示，沿着轴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。同样地，用本文所述的所有成像定向背光源可实现类似的操作。
图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的一个实施例。如图8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，因为这两幅图像可以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。与第一阶段和第二阶段对应，调整输出照明以分别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于观察窗26中的观察者将感知到第一图像，而两只眼处于观察窗44中的观察者将感知到第二图像。
图9是示意图，其示出了包括成像定向背光源的防窥定向显示装置。2D显示系统也可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10是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的结构。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，其被布置用于为跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直的输出提供观察窗26。竖直漫射体68可被布置用于进一步扩展观察窗26的高度。然后可通过空间光调制器48对光成像。照明器阵列15可包括发光二极管(LED)，其可例如为磷光体转换的蓝色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用于提供单独照明区域的均匀光源和空间光调制器。或者，照明器元件可包括激光源。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，使得照明可在不同于可见输出光的波长处。
现在将描述基于并且包含图1至图10的结构的一些波导、定向背光源和定向显示装置。除了现在将描述的修改形式和/或另外的特征，上述描述同样适用于以下波导、定向背光源和显示装置，但为了简洁起见将不再重复。下文所述的波导可结合到如上文所述的定向背光源或定向显示装置中。类似地，下文所述的定向背光源可结合到如上文所述的定向显示装置中。
图11是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。控制系统的布置方式和操作现在将被描述并且在必要时加以修改的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个。
定向显示装置100包括定向背光源，所述定向背光源包括按照上文所述那样布置的波导1和照明器元件阵列15。控制系统被布置用于选择性地操作照明元件15a-15n以将光导向到可选择观察窗中。
波导1按照上文所述那样布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置用于与反射端4配合，以在观察者99所观察的观察平面106处实现观察窗26。透射式空间光调制器(SLM)48可被布置用于接收来自定向背光源的光。此外，可提供漫射体68以基本上去除波导1与SLM 48的像素以及菲涅耳透镜62之间的莫尔条纹跳动(Moirébeating)。
如图11所示，定向背光源可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。如图11所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射侧面4、引导结构特征10和光提取结构特征12。
控制系统可包括传感器系统，其被布置为检测观察者99相对于显示装置100的位置。传感器系统包括位置传感器70诸如相机，和头部位置测量系统72，所述头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明控制器74和图像控制器76，这两者均设置有由头部位置测量系统72提供的被检测到的观察者的位置。
照明控制器74选择性地操作照明器元件15以配合波导1将光导向到观察窗26中。照明控制器74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者的位置，来选择要操作的照明器元件15，使得光导向进入观察窗26中对应于观察者99的左眼和右眼的位置。这样，波导1的侧向输出方向性对应于观察者位置。
图像控制器76控制SLM 48以显示图像。为了提供自动立体显示器，图像控制器76和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制SLM 48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向到观察窗中对应于观察者左眼和右眼的位置，并同步地显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。
以上描述可适用于单独的下列设备、修改形式和/或另外特征中的每者或全部，或其任何组合，现在将描述它们。
在另一个实施例中，定向显示设备还可包括控制系统，其可被布置用于选择性地操作光源以将光导向进入对应于先前所讨论的输出方向的观察窗中。该实施例也可结合如本文所述的定向背光源、定向显示装置、定向显示设备等中的任一者一起使用。
在另一个实施例中，定向显示设备可为具有控制系统的自动立体显示设备。控制系统还可被布置用于控制定向显示装置以按时间显示多路复用的左图像和右图像，并且基本上同步地将所显示的图像导向到观察窗中对应于观察者的至少左眼和右眼的位置。控制系统可包括传感器系统，所述传感器系统可被布置用于检测显示装置对面的观察者的位置，并且也可被布置用于将所显示的图像导向到观察窗中对应于观察者的至少左眼和右眼的位置。观察窗的位置可主要取决于观察者的检测位置。
图12A是示意图，其示出了具有后反射器300的定向显示装置的侧视图。该定向显示装置可包括定向背光源和透射式空间光调制器。后反射器300可包括反射小平面310阵列。该阵列是线性阵列，因为它在线性方向上(例如，在图12中，竖直地)重复。从波导1的光提取结构特征12反射的光线304被导向到观察窗26中的竖直观察位置，具有在χ方向上的角分布。从光提取306反射的透射穿过结构特征12的光线304损失在系统中，或者可与显示器后方的材料相互作用并且散射以在相应观察窗之间产生不期望的串扰。
在本发明中，光学窗是指窗平面中单个光源的图像。通过比较的方式，观察窗26是窗平面106中的某个区域，在该区域中提供光并且该区域可包括来自整个显示区域的基本上相同的图像的图像数据。因此，观察窗可由多个光学窗形成。通常，观察窗具有小的横向范围(y轴方向)并且在正交于横向范围的竖直方向上具有大的范围(x轴方向)。
在本发明的实施例中，透射穿过结构特征12的光线306入射到后反射器300的反射小平面上。因此，光线306朝向观察窗26重新导向。对于阵列15的给定光源来说，光线304,306的相应光学窗的横向范围和位置基本上相同；然而，对于通过在结构特征12处的反射或透射而导向的光线束来说，光在竖直方向上的分布可不同。
定向背光源因此可包括波导和光源阵列，该光源阵列设置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处。波导可包括输入端、用于沿着波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面、以及面向输入端的用于将输入光穿过波导反射回去的反射端。第一引导表面可被布置用于通过全内反射引导光，并且第二引导表面可具有阶梯式形状，该阶梯式形状可包括多个小平面，这些小平面被取向为将来自光源的光在从反射端反射后反射穿过第一引导表面，在输出方向上进入光学窗中。输出方向可取决于输入位置而分布在第一引导表面的法线的横向方向中，并且小平面之间的中间区域被布置用于将光导向穿过波导而不提取光。定向背光源还可包括后反射器，该后反射器包括反射小平面的线性阵列，这些反射小平面被布置用于将来自光源的透射穿过波导的多个小平面的光穿过波导反射回去，以穿过第一引导表面离开，进入光学窗中。
定向显示装置因此还可包括定向背光源和透射式空间光调制器，该透射式空间光调制器被布置用于接收来自第一引导表面的输出光。显示设备因此还可包括定向显示装置和控制系统，该控制系统被布置为选择性地操作光源以将光导向进入对应于输出方向的观察窗中。显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统被进一步布置为控制显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。控制系统还可包括传感器系统，该传感器系统被布置用于检测显示装置对面的观察者的位置。控制系统可被布置用于根据被检测到的观察者的位置将显示图像导向进入对应于观察者的左眼和右眼位置的观察窗中。
有利的是，由光线304,306实现的光学窗和观察窗26可基本上在横向方向上重叠。因此，可基本上保持显示器的串扰。另外，可提高导向到观察窗26的光线的总强度并且可提高显示器亮度。移动显示装置的电池寿命可增加，并且对于所需亮度级来说，光源的成本和数量可减少。由不希望的透射穿过结构特征12的光所产生的其他串扰得以减少或消除。另外，可使反射器300以可安装在显示系统外壳中的薄膜的形式形成，因而使得成本和厚度最小化。或者，可例如通过将反射器300的结构模制为显示器外壳的一部分并且随后盖覆有金属化层，来使反射器300的结构形成在背光源的后外壳上。有利的是，这可提供坚硬且平坦的结构，从而使得从反射器300反射的观察窗26实现高的窗质量。
图12B是示意图，其示出了包括波导1和后反射器300的定向显示装置的正视图，其中波导具有弯曲光提取结构特征12，后反射器包括线性反射小平面310阵列。该定向显示装置可包括定向背光源和透射式空间光调制器。弯曲结构特征12可被布置用于在窗平面106处实现观察窗26而无需菲涅耳透镜，并且可在x-y平面中具有基本上一致的第一曲率半径。有利的是，该系统的厚度以及由于额外的表面所引起的光损耗可减少。另外，与其中反射小平面310如下将所述弯曲的布置相比，可从大的连续材料薄片上切出反射器300，因而降低成本。
显示装置的发光强度是显示装置在特定方向上的每单位立体角中发出的功率的量度。观察者99感知的显示装置100的亮度由照度得出，其为在给定方向上行进的光的每单位面积发光强度的光度测量。阵列15的照明器元件提供相应的光通量。
图13A-13B是示意图，其示出了包括漫射导光板的常规背光源设备的正视图和侧视图；已知的导光板150通常包括光提取结构151诸如微透镜。来自发光二极管LED的稀疏阵列152的光被导向到导光板150中并且直接入射到结构151上，在入射点处可通过光线157导向到导光板150的外部。光线157可朝空间光调制器48导向。然而，在靠近LED的区域156中，光在光锥内传播，光在该材料内的临界角以及额外地在板150的输入侧面处的结构可限定该光锥。在区域156中，从光线161所提取的照度因此较高并且可提供LED阵列152的不期望的可见度。这样的布置方式因此可采用在显示器48区域外部延伸的边框区域159以减小LED可见度。
可能期望提高显示器照度，例如以在高照度环境中实现增大的图像对比度，例如以便于户外使用。
为了在图13A-13B的背光源中增大显示器照度，可增加LED的数量和/或可增大LED的发光强度。由于光源可见度的原因，通常并不期望通过少量高光通量LED来实现高显示器照度。因此，优选的是，在这样的显示器中使用更大数量的较低光通量LED来使常规导光板中的单独光源的可见度最小化。因此，在用于背光源的常规导光板中，可能并不期望增大光源的发光强度。
图14是示意图，其示出了一种显示装置的正视图，该显示装置包括光学阀、布置在第一装置框架上的LED阵列和布置在第二装置框架上的菲涅耳镜。光源阵列15诸如LED阵列被组装在基板上，该基板包括电极和绝缘体层851以及金属框架850，该金属框架可为显示装置诸如移动电话或平板电脑的外部框架。另外，可将膜842诸如得自3M公司的ESRTM或线栅偏振器应用到阵列15的区域中，以使光在波导1内循环。另外，菲涅耳镜854可形成在该装置的框架852之上或之中。此类菲涅耳镜可直接模制到框架本身中或可形成在框架上。菲涅耳镜可借助折射率匹配材料856附接到波导1，从而形成一体化部件。另外，可使光源阵列邻近波导1的输入侧面。另外，可在背光源周围布置电子部件和电子板858。
有利的是，可减小显示装置的边框尺寸并且进一步减少单独部件的数量，从而使成本最小化。另外，框架850可为阵列15的LED提供散热装置，因而改进与外部环境的热接触，从而提高LED的效率和寿命。
图15是示意图，其示出了光学阀的侧视图。光学阀的效率可由以下比率近似确定：
效率＝(镜高度202–输入孔高度200)/镜高度202…公式1
可能期望增大光学阀的效率。然而，增大镜高度202可能会不期望地增大装置厚度，这对于例如移动显示装置来说可能是特别不期望的。在另一种构造中，可减小输入孔的高度200。对于高光耦合效率而言，因此期望减小LED输出孔的高度，并且这将在本发明的后续部分中描述。
图16是示意图，其示出了LED阵列的正视图。LED封装204可包括被布置用于生成发射频带中的光的至少一个光生成元件206，并且可为半导体二极管诸如发出蓝光的氮化镓发光二极管。因此，波长转换材料212被布置用于将由光生成元件生成的发射频带中的光中的至少一些转换为转换频带中的光。材料212可包括例如被布置用于将二极管206发出的蓝光中的一些转换成黄光的荧光体或量子点材料。组合输出可以是具有显示器照明所期望色温的白光。
可提供保护二极管210以减少由于搬运和操作期间的静电放电而引起的LED 206故障。此类二极管210在可与光学阀1的输出照明一起使用的LED阵列中是特别期望的。具有高度221的封装204还可包括如将描述的散热元件，以及通常可包括丙烯酸酯或其他聚合物模制材料的封装主体203。发光二极管206、保护二极管210和材料212可包含在封装主体203中的阱205内。该阱可包括如将描述的封装204的主体203内的压痕，并且具有高度201和宽度217。
发光元件阵列15可包括至少封装204和相邻封装215，并且可在封装204,215之间布置间距214，该间距包括间隙218。封装204,215可被安装在基板209上，该基板可包括对阵列封装的支撑、热连接和电连接。
对于LED 204与光学阀1之间的有效耦合来说，阱205的高度201可被布置用于小于光学阀1的输入侧面2的高度200，并且LED 204可与输入侧面2对齐。
在操作中，显示器的输出照度通过例如以流明每毫米为单位所测量的阵列封装发光度(APLE)来确定。在一个示例性例子中，封装204可提供25流明的输出，具有3.5mm的间距214，包括宽度为3.0mm并且间距宽度218为0.5mm的封装204。高度200可为1.1mm并且阱205的高度201可为1.0mm。因此实现了7.1lm/mm的APLE。在由两个封装204,215所照明并且如图12A-12B所示布置的对角线4”的16:9纵横比的定向显示器中，对于与图13A-13B中所示类似的被布置用于实现500尼特显示器照度的常规背光源的相同功率消耗来说，可实现大于1500尼特的显示器照度以便轴上观察。
在操作中，在明亮照明的户外环境中，这种显示器可有利地实现增强的可用性。例如，在20,000勒克斯的照度环境中，观察者的眼睛可适应所感知的背景白色电平，该背景白色电平可等同于大约6300尼特的等效对象照度。照度为500尼特的显示器可具有看起来是所感知背景白色电平的8％的白色状态，而照度为1500尼特的显示器可具有看起来是所感知背景白色电平的24％的白色状态。因此，500尼特显示器可被感知为比1500尼特显示器暗很多。高照度显示器因此可在户外环境中实现改善的可见度。另外，显示器正表面产生的反射的外观可降到最低程度。
可能期望实现更薄的光学阀，同时维持光学效率，并且还可能期望实现增大的显示器照度以便在高照度环境中使用。
图17是示意图，其示出了阵列封装发光度APLE 220与LED孔高度201之间关系的曲线图。直线222,224表示已知LED在额定和最大操作模式下的典型趋势。在高效模式和宽角模式下的操作中，LED可处于或低于额定模式APLE 220操作。在户外操作中，LED可以最大操作模式操作，这可持续短时间。
为了继续该示例性实施例，可由额定操作点232下方的点230来表示阵列214,215。因此，直线246表示适于在4”显示器中实现1500尼特照度的APLE。另外，可通过减小驱动电流来将输出APLE进一步减小到线240，从而实现4英寸显示器的400尼特输出。期望的APLE可与LED孔高度201无关。
在另一个示例性实施例中，期望的APLE 220可随着显示器高度和照度环境基本上线性地缩放。因此，8英寸对角线显示器可在40,000勒克斯的照度水平下具有如直线247所示的期望的APLE 220。
因此，可能期望针对区域226中的小厚度封装实现基本上高于直线224的APLE 220水平，从而实现较高户外操作对比度和小厚度。另外，区域228和未示出的其他区域中的APLE水平可能是例如大型平板电脑、笔记本电脑、电视和监控应用程序中的大面积显示操作所期望的。优选的是，发光二极管封装阵列的每单位长度的发光度与正交于发光二极管封装排列的方向的第一阱的横向范围之比大于15流明/mm2。因此，优选的是，发光孔高度为0.4mm的装置可具有大于6lm/mm的APLE 220。更优选的是，每单位长度的发光度的比大于20流明/mm2，并且更优选地，大于30lm/mm2。
光学效率、面板透射率、偏振控制、散射损耗的改进可降低给定对比度性能和高度201的APLE规格。然而，此类期望点通常可保持在直线224上方。
图18A是示意图，其示出了LED阵列的正视图。该封装可包括两个串联布置的LED206,208。有利的是，这两个封装的用于较高封装输出光通量的效率可由于例如电流拥挤和热约束而增大，同时根据给定的总功率消耗而使用较高电压和较低电流操作。还示出了可为拖尾引线接合207的电极。
图18B是示意图，其示出了LED散热构造的正视图。因此，省略了封装主体203和波长转换材料212，其通常可包括荧光体浆料并且如图18A所示。
图18C是示意图，其示出了LED封装的侧视图。散热器(可包括铜块260,262，这两个铜块具有另外的机械粘结层、电粘结层和热粘结层)可进一步提供到封装的阳极和阴极电接触，如图18D所示，图18D为示出LED封装电路的示意图。保护二极管210可包括例如硅中的分立齐纳二极管。
阱205因此可包括主体203的锥形侧面，并且具有在阱205的顶部处所测量的高度201。阱205内的部件206、208、210、207可通过取放搬运设备来提供并焊接。这些部件与散热块260,262之间的引线接合207被布置在阱205内并且可受到材料212包封的保护。
图19是示意图，其示出了替代LED封装的正视图，并且图20是示意图，其示出了图19的封装的散热构造的正视图。可将单独的热块260,261分别提供给LED 206,208。图18A和19的典型已知构造包括大约200％或更大的阱高度221与LED 206高度223之比。
如图17所示，可能期望针对给定阱205的高度201增大APLE 220。对于给定的封装尺寸和驱动电流来说，LED技术的改进可使得LED输出在某种程度上增加。然而，对于定向显示器来说，可进一步控制封装和封装阵列内的元件的布置方式以增大APLE 220，而无需改变底层LED技术。
图21A、21B和22是示意图，其示出了与图16的构造相比，具有增大的阵列封装发光度APLE 220的LED封装阵列的正视图。封装高度221可与图16中所示相同，使得热块260,262的尺寸保持基本上不变并且热特性相同。在第一APLE 220增大步骤中，封装204,215之间的间隙218可减小，从而对应地减小214，如下所述。
另外，阱205的高度201可减小到与LED 206,205的高度相似。用于定向显示设备100的发光二极管封装204因此可包括至少一个光生成元件206和波长转换材料212，所述至少一个光生成元件被布置用于生成发射频带中的光，所述波长转换材料被布置用于将由光生成元件206生成的发射频带中的光中的至少一些转换为转换频带中的光；并且所述至少一个光生成元件206和波长转换材料212被布置在阱205中，该阱在第一方向(y轴)上的横向范围大于正交于所述第一方向的第二方向(z轴)上的横向范围；其中阱205在第二方向上的高度201小于光生成元件206在第二方向上的高度223的150％。另外，阱205在第二方向上的高度201可小于光生成元件206在第二方向上的高度223的125％。另外，发光二极管封装可包括至少两个光生成元件206,208，所述至少两个光生成元件在第一方向(y轴)上被布置为阵列，且在第二方向(z轴)上具有相同的高度223和位置。
有利的是，可增大该装置的APLE 220。在一个示例性例子中并且参考图17，对于相同的最大驱动电流，点234可移动到点238并因此位于区域226内。可参考图16和图18A，将阱205的高度201从1.0mm减小到0.4mm，从而实现这种变化。LED 206的高度可保持相同大小，例如350微米，其中芯片总面积为620×350微米。阱高度可为400微米，这样高度201与高度223之比为114％。可调整荧光体材料212的厚度以补偿荧光体区域的损失，同时维持组合输出的色温。可将封装长度从3mm减小到2mm，并且可将间隙218从0.5mm减小到0.2mm。此类修改可实现在阱高度201为0.4mm的情况下实现25lm/mm的最大APLE 220。
图21B示出，封装中的发光孔的位置可竖直地(z轴)移位距离225，使得发光元件可如下所述被布置到封装的一侧。
图22示出了另一个实施例，其中LED 206,208的高度减小到175微米，它们具有相同的LED高度，因而使可实现的光通量减小到大约一半。另外，阱205的高度201减小到0.2mm。这种构造可在图17的曲线图上实现位置点236。在本发明的示例性实施例的4”显示器上，APLE 220为13lm/mm。
有利的是，本发明的实施例可通过在明亮照明的环境中观察户外图像来实现期望水平的对比度和感知显示亮度。
图23-24是示意图，其示出了分别用于图21B和22的封装的散热构造的正视图。热块262,260具有与图18B所示相比名义上相同的热阻，并且因此热性能可能相似。使用图18A的封装方法，引线接合被布置在阱205内并且因此可供附接的空间大小可能受到一定程度的限制。可能期望增加可用于在此类封装中进行导线结合的空间，从而实现薄型光学阀的高APLE 220。
图25A-25B和26A-26E是示意图，其示出了具有增大的阵列封装发光度APLE 220的LED封装阵列的正视图。如图25A所示，LED 206,208被布置在第一阱205中，并且保护二极管210可被布置在封装主体203中的第二阱211中，所述第二阱可包括覆盖保护二极管210的材料268。当保护二极管210被布置在与阱205不同的阱211中时，所述保护二极管可横向地移位。有利的是，当结合波导使用时，保护二极管可被放置在波导1的输入侧面2的外部，使得输入孔的可由发光元件206占据的面积可增加，并且因此APLE220可增大。
第一阱205可在彼此正交的第一方向(y轴)和第二方向(z轴)上具有横向范围，所述第一方向上的横向范围大于所述第二方向上的横向范围，并且第二阱211在所述第二方向上移离第一阱205。换句话讲，至少一个光生成元件诸如LED 206和波长转换材料212可被布置在第一阱205中，该阱在第一方向(y轴)上的横向范围217大于正交于所述第一方向的第二方向(z轴)上的横向范围；并且保护二极管210被布置在第二阱211中，所述第二阱在第二方向上移离第一阱205。第一阱205在第二方向上的横向范围可小于光生成元件206在第二方向上的横向范围的150％。
为了便于制造，材料268可与阱205中所使用的材料212相同，或可为不同的材料，诸如被布置用于保护二极管210的不透明的有机硅材料。
因此，用于定向显示设备的发光二极管封装204可包括：封装材料的主体203；至少一个光生成元件206，其被布置用于生成发射频带中的光；以及保护二极管210；其中至少一个光生成元件206被布置在所述主体203中的第一阱205中，并且保护二极管210没有布置在第一阱205中。
图26A示出，单个延长LED 219可用于替代在第一方向上被布置为阵列的至少两个光生成元件206,208，而图25A示出，所述至少两个光生成元件206,208在第二方向上具有相同的横向范围和位置。
有利的是，可用于LED 206,208的空间出于导线结合的目的而增加，如下所述。图25A-25B分别与图21B和22在结构上相似，而图26A包括单个延伸LED 219。有利的是，单个芯片219需要较少的引线接合。然而，为了实现适当的光通量，可增大电流，使输出由于电流拥挤而退化，而且增大单个大型芯片内的热负荷。
第一阱205可包含覆盖至少一个光生成元件206的材料，所述材料为透明材料或波长转换材料212，所述波长转换材料212被布置用于将由光生成元件206所生成的发射频带中的光中的至少一些转换成转换频带中的光。例如，第一阱211中所包含的材料可为所述波长转换材料212，发射频带为蓝光并且转换频带为黄光。第一阱211中所包含的材料212可为所述波长转换材料并且可为荧光体或量子点材料。
图26B示出了一种替代构造，其中封装的高度大于封装之间的间距214。有利的是，可维持热块的尺寸，但间距进一步减小。这种构造可能是自动立体显示器中期望的，以减小可单独寻址LED之间的间距，从而增大此类显示器中的观察者跟踪的一致性。
图26C示出了另一种构造，其中发光元件包括用于生成白光的不同部件。另外，可提供在阱472中包括红色发光LED 470的LED，这些LED可包括可以是透明的包封剂473。另外，可为阱472中的发光元件470提供二极管474和相应的阱476。封装204中的荧光体471可包括被布置用于提供绿色输出的波长转换材料，使得封装204与蓝色发光元件组合发出青光。在组合时，LED封装204,475可产生白光输出。光学系统的其余部分中的漫射体可组合整个显示区域上的光学分布。
图26D示出了单个封装，该封装可设置有芯片470,206和阱482中的单个保护二极管480。有利的是，可改善显示器的输出的颜色均匀度。图26E示出了另一个实施例，其中单独的保护二极管210,474被设置用于相应的LED 206,470，从而得到增强的ESD保护。
图27A至图27E是示意图，其示出了用于图25A的封装的LED封装组装步骤的正视图，图28A至图28E和图29A至图29E是示意图，其示出了用于图25A的封装的LED封装组装步骤的侧视图。图28A至图28E表示截面A-A’的侧视图，而图29A至图29E表示截面B-B’的侧视图。
图28F是示意图，其示出了LED封装204的正视图，其中保护二极管210没有布置在封装204的主体203中的阱中，图28G至图28H是示意图，其示出了LED封装204的侧视图，其中保护二极管210没有布置在封装204的主体203中的阱中。
因此，发光二极管封装204还可包括：至少两个导热块260、262，至少一个光生成元件206位于热块中的第一者260上，保护二极管210位于热块中的第二者262上，并且第一热块260和第二热块262在第一阱205下面延伸；引线接合207，它使至少一个光生成元件206和保护二极管210连接到第一热块260和第二热块262，使至少一个光生成元件206连接到第一热块260和第二热块262的引线接合207位于第一阱205中。
图27A、图28A和图29A示出了第一组装步骤，其中热块260、262由包括阳性结合垫区域263的块262和包括对应阴性区域的块260形成，其中在块262与块260之间设置有绝缘间距。图27B、图28B和图29B示出了第二步骤，其中具有第一阱205和第二阱211的封装204由主体203形成。在图27C、图28C和图29C所示的第三步骤中，LED 206、208和保护二极管210分别附接到电极260、262，在图27D、图28D和图29D中，在相应的阱205、211内应用引线接合。区域263包括在阱205内从LED 208通往块262的引线接合。在图27E、图28E和图29E中，阱205以常规方式填充有波长转换材料212。阱211可保持为空、可填充有相同材料212或可填充有另一种稳定包封材料，以降低成本并且增大用于保护二极管210的引线接合的耐用性。
有利的是，可增强APLE 220以用于在薄型封装中进行户外操作，同时提供结合垫区域，该结合垫区域的大小对于常规搬运设备和引线接合包封来说足以实现期望的装置耐用性。
提供图28F至图28H的构造，使得保护二极管210没有布置在阱内。通往保护二极管210的引线接合207可能大于例如图29E所示的那些引线接合，以在搬运过程中提供增强的稳固性。或者，保护二极管可为倒装芯片装置，该倒装芯片装置分别通过热块260、262表面上的导体/绝缘体图案附接到连接电极。
图30A至图30E是示意图，其示出了用于图25A的封装的替代LED封装组装步骤的正视图。在图30B中，在焊接图30C中的引线接合以及形成图30D中的具有主体203的封装204之前，安装LED 206、208和保护二极管210，以实现与如图27E所示的30E基本上相同的结构。
LED 206、208的操作通常不需要保护二极管210；然而，在搬运单个封装204和已完成阵列15的过程中，期望的是减少由于ESD而引起的潜在装置故障。另外，二极管210可被布置在阱205的外部但可能不一定如图31A至图31D所示那样布置在单独的阱中，其中图31A至图31D为示出LED封装阵列组装步骤的正视图的示意图。
在图31A所示的第一步骤中，基板209设置有保护二极管270和分别连接到热块260、262的电极272、274。可在基板209上提供绝缘层。基板209还可包括显示装置侧，诸如图14的基板850。
在图31B所示的第二步骤中，可在阵列15的所需发射区域中的主体203中形成阱205阵列。图31C示出了第三步骤，在该步骤中，在阱205内提供LED 206、208和引线接合207，在图31D的第四步骤中，提供波长转换材料作为包封。
图32是示意图，其示出了具有透明包封和单独磷光粉层的LED封装的侧视图。在另外的实施例中，可将波长转换材料212替换为可以是透明的包封材料280。波长转换材料212可由例如光学阀的输入侧上的单独层提供，也可作为线性板提供，该线性板被布置用于具有阱205的输出孔。因此，一种用于定向显示设备的发光二极管封装可包括：被布置用于生成发射频带中的光的至少一个光生成元件；以及保护二极管；其中所述至少一个发光元件被布置在第一阱中，其中第一方向上的横向范围大于正交于第一方向的第二方向上的横向范围；所述保护二极管被布置在第二阱中，所述第二阱在第二方向上移离第一阱。
该构造示出了LED封装阵列在阵列基板209上的平行组装。有利的是，可在每个可寻址LED之间实现较小间距，从而实现具有较小阱高度的较高APLE。在阵列上具有大量元件的情况下，此类过程可能具有相对低的产量。可能期望的是使用单独的封装来提供阵列，其中在LED封装之间具有较小间距。
图33A至图33B是示意图，其示出了用于LED封装阵列的组装步骤的侧视图。基板209可包括导热基板286、介电层284和电极272、274阵列。取放搬运框架282的宽度和存取规格可限制相应封装204、215之间的最小间距218，从而可实现APLE 220的增大。
图34A至图34D是示意图，其示出了LED封装阵列组装步骤的正视图和侧视图。在图34A的第一步骤中，提供单独的封装204。在第二步骤中，框架290被布置用于提供封装204的线性阵列。通过在方向292上滑动封装，使其滑进保持器290中的狭槽291。保持器290可例如包括长度与阵列长度相同的金属或聚合物工具，所述阵列长度可例如与光学阀在y方向上的宽度相同。图34C和图34D示出了封装204阵列297附接到基板209的侧视图。因此，一种形成发光二极管封装阵列的方法可包括使用线性保持器290，所述线性保持器包括能够接纳一行发光二极管封装204的狭槽291，所述方法包括：将发光二极管封装204设置在保持器290的狭槽中；使线性保持器290与阵列基板209对齐；在发光二极管封装204阵列与阵列基板209之间提供焊料272、274和热连接；以及移除线性保持器290。
有利的是，可由单独的封装实现增大的APLE。阵列的焊接可并行进行，从而进一步降低成本和减少间隔时间，这在相对大量的LED阵列中是尤其可取的。可在阵列组装之前测试单个封装的颜色、光通量、电压、效率以及可在阵列组装之前相匹配的其他期望特征。
图35A至图35B是示意图，其示出了用于LED封装阵列的部分组装步骤的正视图。可能期望的是在阵列15的封装204之间提供一些小间隙。可通过如图35A所示的单个封装204中以及如图35B所示的组装阵列中的模制凸出部292来提供此类间隙。有利的是，可在操作过程中提供LED热膨胀空间，以减小单个封装204上的应力。另外，可降低相邻封装之间的热传递。因此，形成发光二极管封装204阵列的方法可包括发光二极管封装204，所述发光二极管封装具有被布置用于在线性保持器290中提供受控间距的凸出部292。
图36是示意图，其示出了常规波导和对齐LED的侧视图。LED封装的高度221可与波导150的输入孔高度基本上相同。此类构造是可取的，如图13A所示，LED可被布置在显示器48(诸如LCD面板)的边框194下方。
图37A是示意图，其示出了光学阀和对齐LED的侧视图。因此，一种用于定向显示设备的定向背光源可包括：发光二极管阵列，诸如图34D所示；波导1，它包括被布置用于在相应的输入位置处从发光二极管阵列297接收输入光的输入端2、用于沿着波导引导输入光的第一引导表面6和相对的第二引导表面8以及用于将输入光穿过波导1反射回去的反射端4，其中第二引导表面8被布置用于使光在从反射端4反射后作为输出光偏转穿过第一引导表面6，并且波导1被布置用于在分布在横向方向中的输出方向上将输出光导向到光学窗中，所述输出方向取决于输入光的输入位置。第一引导表面6可被布置用于通过全内反射来引导光，并且第二引导表面8包括多个光提取结构特征12以及位于光提取结构特征12之间的中间区域10，所述多个光提取结构特征被取向为在允许作为输出光穿过第一引导表面6离开的方向上引导被引导穿过波导1的光，所述中间区域被布置用于将光导向穿过波导1。
图37B是示意图，其示出了光学楔形背光源和对齐LED的侧视图。第一引导表面906可被布置用于通过全内反射来引导光，并且第二引导表面906为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多个方向上导向光以用于通过第一引导表面908输出光，并且显示装置还包括跨波导900的第一引导表面908延伸的偏转元件909以用于使光朝第一引导表面908的法线偏转。
定向显示设备还可包括如本文所述的定向背光源和透射式空间光调制器48，所述透射式空间光调制器被布置用于接收来自波导1或900的第一引导表面8或908的输出光并且对其进行调制以显示图像。
封装高度221可大于光学阀1的输入孔尺寸。另外，阱205朝向如图21B所示的封装204边缘偏移距离225，使得封装后部位于光学阀1后方并且不干涉显示器48。封装204还可附接到如图14所示的显示装置侧壁850。有利的是，光学阀中的边框区域小于常规背光源，因为靠近LED的区域并不提取首先穿过所述阀的光。
图38至图39是示意图，其示出了包括混合APLE封装的LED阵列的侧视图。所述阵列可包括第二发光二极管封装204阵列298，第一发光二极管阵列297和第二发光二极管阵列298的每单位长度的发光度彼此不同。因此，一种用于定向显示设备的发光二极管阵列可包括第一发光二极管封装204阵列，所述发光二极管封装各自为如本文所述的发光二极管封装，它们线性地排列。中心区域297可具有较高的APLE能力，而区域298中的外部LED可具有较低的APLE。图39是图38的区域295的细节，其示出了外部LED可包括与例如图17的线222上的APLE 220操作一致的常规构造，而中心区域297中的LED封装可具有例如图17的区域226中的APLE 220。另外，在外部区域298中可使用较少的LED。有利的是，可降低阵列成本，同时在明亮环境中实现高对比度。另外，可通过减少阵列中的LED封装总量来减少阵列组装的平均故障间隔时间。另外，可在整合有头部跟踪的此类定向显示器中，减少针对移动观察者的闪烁，因为在观察窗内可能存在更多的光学窗，从而实现根据观察者位置对观察窗结构的更精细控制。
图40是示意图，其示出了光学阀和对齐LED的侧视图；图41A是示意图，其示出了图40的LED阵列的正视图；以及图41B至图41D是示意图，其示出了波导插入LED封装中的侧视图。阱205可设置有比之前实施例所示更大的深度，并且可将阀输入孔直接插入阀中。发光二极管封装204可包括在阱205的相对侧上从主体203向外延伸的一对壁400、402，壁400、402形成用于接纳波导1的输入端的狭槽，保护二极管210相对于所述狭槽横向地移离第一阱205。有利的是，所述两个壁之间的机械耦合可具有降低的成本和复杂性。另外，由于光学阀的注入点附近的散射而造成的光损耗可能进一步减小，从而使得显示器48的边框194尺寸最小化。在操作中，用于在高照度水平下实现可接受的对比度和照度的高照度模式，可在阵列15中的少量典型中心LED上使用高得多的功率电平。如果所有LED均具有同样高的功率电平，那么可能引起过度的电池耗竭。
在图41B中，壁400的材料的机械强度可受到通常使用的聚合物材料的属性的限制。另外，可能期望的是进一步提高壁的机械强度。图41C示出了可通过由热块260、262的材料403形成壁400、402来强化壁400、402。例如，热块260、262的材料可为陶瓷材料，也可为金属，诸如铜。有利的是，可提高机械强度。
或者如图41D所示，附加构件405、407可附接到热块262。有利的是，构件405、407可在LED 206结合之后进行附接，从而在适当的情况下降低附接LED 206和引线接合的复杂性。
在本发明中，LED封装称为至少是发光元件206、波长转换材料、热块260、262和主体203中形成的阱205的组合。图42A至图42B是示意图，其分别示出了包括倒装芯片发光元件的LED封装的侧视图和正视图。形成封装主体的基板500可包括热块，并且电极连接具有倒装芯片发光元件502，所述倒装芯片发光元件具有布置在元件502与基板500之间的电极512；以及具有电极510的二极管504。导电跟踪和绝缘跟踪可被布置用于提供通往二极管502、504的电接触。波长转换层506被涂覆在二极管502、504上。
图42C至图42E是示意图，其示出了包括倒装芯片发光元件502的LED封装的侧视图和正视图，所述倒装芯片发光元件还包括发光阱520，所述发光阱包括在主体500上形成的一对壁508、510，这一对壁在由其形成的阱520的相对侧上从基板500向外延伸，壁400、402形成用于接纳波导1的输入端的狭槽，保护二极管210相对于所述狭槽横向地移离第一阱205。有利的是，可提高倒装芯片装置在高光通量下的效率，并且通过移除引线接合207来增强装置的稳固性。壁508可跨封装500的整个横向方向延伸，也可位于部分宽度上方，以便提供方便的电连接路径，同时实现波导1的机械对齐。
图42E示出了壁508、510可由用于形成基板500的材料形成，从而有利地提高部件的机械强度。
图43至图45是示意图，其示出了用于LED阵列和相应对齐波导的光屏蔽构造。一种用于定向显示设备的定向背光源可包括：光源206阵列297，所述光源阵列可包括封装204；波导1，所述波导包括被配置成在相应的输入位置处从发光二极管阵列297接收输入光的输入端2、用于沿着波导引导输入光的第一引导表面和相对的第二引导表面，第二引导表面8被布置用于使光作为输出光偏转穿过第一引导表面6，并且波导1被布置用于在分布在横向方向中的输出方向上将输出光导向到光学窗中，所述输出方向取决于输入光的输入位置；以及用于屏蔽光源的输入端、前光屏蔽构造，它包括：邻近输入端2跨第一引导表面6延伸的提取薄膜带408，提取薄膜带408包括交替的第一小平面409阵列和第二小平面411阵列，第一小平面409被取向为接收在沿着波导1引导时从第一引导表面6泄漏的光406，并且第二小平面411被布置用于使所接收的光朝第一引导表面6的法线偏转；以及被布置在提取薄膜带408外部的掩模410，以吸收由第二小平面411偏转后所接收的光。
在操作中，来自元件206的光在波导1的输入端2处折射。对于基本上平坦的输入侧来说，光线404被波导1捕获，并且被引导到位于波导的端部4处的镜子。然而，波导1的输入侧附近的缺陷401将形成光线406，所述光线不被引导并且可逸出波导1。在靠近输入侧的位置处，来自元件206的光线扇面较小，并且逃逸光的强度可能较高。所期望的是，光可避开显示器观察者。
已经认识到，此类逃逸光线406通常可能靠近表面6的掠入射，因此可能很难在对于具有高入射角的光线保持反射性的平面掩模层中吸收，从而不能有效地捕获泄漏光。另外，平面光吸收层可接触波导板，导致由于缺乏光引导而造成光损耗。可能希望的是使用掩模来增加此类光线的吸收，所述掩模基本上不接触波导的表面6、8。本发明的实施例通过使逃逸光线朝法线偏转来实现改进的吸收性，其中吸收元件可有效移除逃逸光线的可见度。小平面409、411可形成于微结构光学元件中。
图43示出了提取薄膜带可被布置在波导1与空间光调制器48(未示出)之间。优选的是，具有吸收层414的第二提取薄膜带412被布置用于吸收如图44所示朝向波导1的底部发出的光线416。因此，提取薄膜带412可邻近输入端2跨第二引导表面8延伸，提取薄膜带412包括交替的第一小平面415阵列和第二小平面417阵列，第一小平面415被取向为接收在沿着波导1引导时从第二引导8表面泄漏的光416，并且第二小平面417被布置用于使所接收的光416朝第一引导表面6的法线偏转；以及被布置在提取薄膜带414外部的掩模414，所述提取薄膜带被布置用于吸收由第二小平面417偏转后所接收的光。
另外，如图45所示，提取薄膜带可以是吸收性的，以用于吸收所接收光的至少部分。提取薄膜带可在其体积内包括吸收材料。有利的是，可增加光线418的吸收，同时捕获靠近表面6、8的掠入射的光。图45进一步示出了具有有源像素区域426和边框424的空间光调制器48的位置。
图46是示意图，其示出了用于波导1的镜子端部4的光屏蔽构造。因此，波导1还包括用于将输入光穿过波导1反射回去的反射端4，第二引导表面8被布置用于使光在从反射端4反射后作为所述输出光偏转。用于屏蔽光源的前光屏蔽构造430可包括：邻近反射端跨第一引导表面延伸的提取薄膜带430，提取薄膜带430包括交替的第一小平面阵列和第二小平面阵列，所述第一小平面被取向为接收在沿着波导引导时从第一引导表面泄漏的光，并且所述第二小平面被布置用于使所接收的光朝第一引导表面的法线偏转；以及被布置在提取薄膜带外部的掩模424，所述提取薄膜带被布置用于吸收由第二小平面偏转后所接收的光。另外，可提供用于屏蔽光源的后光屏蔽构造432。所述或每个光屏蔽构造的掩模410、414可以是形成于提取薄膜带408、412的外表面上的层。输入端、前光屏蔽构造的掩模可以是空间光调制器48的一部分424。
本发明的实施例的波导1可以是诸如图37A所示的阀型，也可以是诸如图37B所示的楔型。
图47是示意图，其示出了用于定向背光源的光屏蔽构造的顶视图。提取薄膜带430、432可被布置用于具有在第一方向436上延伸的小平面。另外，在正交于方向436的方向442上延伸的附加薄膜提取带438、440用于减少来自波导1的边缘的光损耗。有利的是，可使波导1在每个边缘处的波导1中的制造误差可见度最小化。另外，可将光提取带作为单层提供，以降低组装成本。
如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或术语之间的相对性提供了业内可接受的公差。此类业内可接受的公差在0％至10％的范围内，并且对应于但不限于分量值、角度等等。各项之间的此类相对性在大约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，这些实施例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上述任何示例性实施例的限制，而应该仅根据从本发明发布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结构特征，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的建议而提供，或者用于提供组织线索。这些标题不应限制或表征可从本发明发布的任何权利要求中所列出的实施例。具体地讲，例如，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领域的语言的限制。另外，“背景技术”中对技术的描述不应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”也不应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一新颖点。可以根据从本发明发布的多项权利要求来阐述多个实施例，因此此类权利要求限定由其保护的实施例及其等同物。在所有情况下，应根据本发明基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims (20)

1.一种用于定向显示设备的发光二极管封装，所述发光二极管封装包括：
封装材料的主体；
被布置用于生成发射频带中的光的至少一个光生成元件；
保护二极管，其中所述至少一个光生成元件被布置在所述主体中的第一阱中，并且所述保护二极管没有布置在所述第一阱中；以及
至少两个导热块，所述至少一个光生成元件位于所述导热块中的第一导热块上，所述保护二极管位于所述导热块中的第二导热块上，并且所述第一导热块和所述第二导热块在所述第一阱下面延伸。
2.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中所述保护二极管被布置在所述主体中的第二阱中。
3.根据权利要求2所述的发光二极管封装，其中所述第二阱包含覆盖所述保护二极管的保护材料。
4.根据权利要求2或3所述的发光二极管封装，其中所述第一阱在彼此正交的第一方向和第二方向上具有横向范围，所述第一方向上的所述横向范围大于所述第二方向上的所述横向范围，并且所述第二阱在所述第二方向上移离所述第一阱。
5.根据权利要求4所述的发光二极管封装，其中所述第一阱在所述第二方向上的所述横向范围小于所述光生成元件在所述第二方向上的所述横向范围的150％。
6.根据权利要求5所述的发光二极管封装，包括在所述第一方向上被布置为阵列的至少两个光生成元件。
7.根据权利要求6所述的发光二极管封装，其中所述至少两个光生成元件在所述第二方向上具有相同的横向范围和位置。
8.根据权利要求1、2或3所述的发光二极管封装，其中所述第一阱包含覆盖所述至少一个光生成元件的材料，所述材料为透明材料或波长转换材料，所述波长转换材料被布置用于将由所述光生成元件所生成的所述发射频带中的所述光中的至少一些转换成转换频带中的光。
9.根据权利要求8所述的发光二极管封装，其中所述第一阱中所包含的所述材料为所述波长转换材料，所述发射频带为蓝光并且所述转换频带为黄光。
10.根据权利要求8所述的发光二极管封装，其中所述第一阱中包含的所述材料为所述波长转换材料并且为荧光体或量子点材料。
11.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中所述发光二极管封装还包括：
引线接合，所述引线接合将所述至少一个光生成元件和所述保护二极管连接到所述第一导热块和所述第二导热块，将所述至少一个光生成元件连接到所述第一导热块和所述第二导热块的所述引线接合位于所述第一阱中。
12.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中所述光生成元件为半导体二极管。
13.根据权利要求1所述的发光二极管封装，还包括在所述阱的相对侧上从所述主体向外延伸的一对壁，所述壁形成用于接纳波导的输入端的狭槽，所述保护二极管从所述狭槽横向地移离所述第一阱。
14.一种用于定向显示设备的发光二极管阵列，所述发光二极管阵列包括第一发光二极管封装阵列，每个为根据权利要求1至13中任一项所述的发光二极管封装，所述发光二极管封装为线性地排列的。
15.根据权利要求14所述的发光二极管阵列，其中所述第一发光二极管封装阵列的每单位长度的发光度与正交于所述发光二极管封装排列的方向的所述第一阱的横向范围之比大于15流明/mm2。
16.根据权利要求14或15所述的发光二极管阵列，还包括第二发光二极管封装阵列，所述第一发光二极管阵列和所述第二发光二极管阵列的每单位长度的发光度彼此不同。
17.一种用于定向显示设备的定向背光源，所述定向背光源包括：
根据权利要求14至16中任一项所述的发光二极管阵列；
波导，所述波导包括被布置用于在相应的输入位置处从所述发光二极管阵列接收输入光的输入端、用于沿着所述波导引导输入光的第一引导表面和相对的第二引导表面，以及用于将输入光穿过所述波导反射回去的反射端，所述第二引导表面被布置用于使光在从所述反射端反射后作为输出光偏转穿过所述第一引导表面，并且所述波导被布置用于在分布在横向方向中的输出方向上将所述输出光导向到光学窗中，所述输出方向取决于所述输入光的所述输入位置。
18.根据权利要求17所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置用于通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征和中间区域，所述光提取结构特征被取向为在允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上导向被引导穿过所述波导的光，所述中间区域位于所述光提取结构特征之间并且被布置用于引导光穿过所述波导。
19.根据权利要求18所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置用于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以一定角度倾斜，以在打破所述全内反射的多个方向上导向光，以用于穿过所述第一引导表面输出光，并且所述定向显示设备还包括跨所述波导的所述第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使光朝所述第一引导表面的法线偏转。
20.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求17至19中任一项所述的定向背光源；以及
透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器被布置用于接收来自所述波导的所述第一引导表面的所述输出光并且对其进行调制以显示图像。
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