CN106068533B

CN106068533B - 定向显示器的控制

Info

Publication number: CN106068533B
Application number: CN201480067476.5A
Authority: CN
Inventors: G·J·伍德盖特; M·G·鲁宾逊; A·J·希尔
Original assignee: Gabriel D Spark LLC
Current assignee: Gabriel D Spark LLC
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: CN106068533A; WO2015057625A1; US9740034B2; US20160252759A1; EP3058562A4; EP3058562A1

Abstract

本发明公开了一种光引导阀设备，所述光引导阀设备包括成像定向背光源、照明器阵列和观察者跟踪系统，所述观察者跟踪系统被布置成实现对照明器阵列的控制，所述照明器阵列可在宽的横向和纵向观察范围内向观察者提供定向显示，其中作为观察窗向所述观察者呈现的光学窗的发光强度根据观察者的所述横向和纵向位置或速度而受控。此外，一种光学窗控制系统可包括对观察者手的检测。一种图像控制系统可包括用于提供图像的方法，所述图像可从具有第一亮度的第一模式切换成具有高亮度区域和低亮度区域的第二模式，其中第二低亮度区域的亮度与第一亮度相匹配。

Description

定向显示器的控制

相关专利申请的交叉引用：本申请涉及2013年10月14日提交的名称为“Controlof directional display”(定向显示器的控制)的美国临时申请No.61/890,469(代理人参考号95194936.366000)并要求其优先权，该临时申请全文以引用方式并入本文。本申请涉及2011年11月18日提交的名称为“Directional flat illuminators”(定向平面照明器)的美国专利申请No.13/300,293(代理人参考号95194936.281001)和2013年5月17日提交的名称为“Controlling light sources of a directional backlight”(控制定向背光源的光源的方法)的美国专利申请No.13/896,870(代理人参考号95194936.348001)，这两份专利申请均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，涉及用于从局部光源提供大面积照明以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用的光导。

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。眼睛置于第一观察窗中的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；而眼睛置于第二观察窗中时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。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。此类闪烁可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光调制器中的电子设备进行寻址。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种定向背光源设备，该设备包括：包括波导和光源阵列的定向背光源，该波导包括相对的第一引导表面和第二引导表面，这些引导表面用于沿波导引导输入光，该光源阵列被布置成在跨越波导的横向方向上于不同输入位置处产生输入光，该波导还包括反射端，用来将输入光反射回穿过波导，第二引导表面被布置成将从反射端反射后的光作为输出光偏转穿过第一引导表面，并且波导被布置成根据输入光的输入位置沿着沿横向方向分布的输出方向将该输出光导向到光学窗中；传感器系统，该传感器系统被布置成检测观察者头部的位置；以及控制系统，该控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，以便引导光进入相邻光学窗的对应组，采用的方式为：根据检测到的观察者头部的位置，该组中光源的组成特性(identify)变化，并且就给定组的光源来说，光源的光通量变化。

所述控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：就给定的光源组来说，光源的光通量在检测到的观察者头部位置的整个过渡范围内变化。所述控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：在检测到的观察者头部位置的所述整个过渡范围内，将新光源作为该组的组成部分来操作，该新光源的光通量随着检测到的观察者头部位置朝与该新光源对应的输出方向移动而增大。

所述控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：在检测到的观察者头部位置的整个所述过渡范围内，操作位于该组的与所述新光源相对的末端处的光源，该光源的光通量随着检测到的观察者头部位置朝与所述新光源对应的输出方向移动而减小。所述控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：在检测到的观察者头部位置的紧邻所述过渡范围的整个范围内，该组中光源的组成特性和光通量保持不变。

所述第一引导表面可被布置成通过全内反射来引导光，所述第二引导表面可包括多个光提取结构特征和位于这些光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为对被引导穿过波导的光进行引导，所沿的引导方向允许光穿过第一引导表面作为输出光离开，所述中间区域被布置成引导光穿过波导。所述第二引导表面可具有阶梯式形状，这种阶梯式形状包括小平面(即所述光提取结构特征)和所述中间区域。光提取结构特征可在横向方向上具有正光焦度。所述第一引导表面可被布置成通过全内反射引导光，所述第二引导表面可为基本上平坦的，并以一定角度倾斜从而沿打破全内反射的多个方向导向光以用于穿过第一引导表面输出光，并且显示装置还可包括在波导的整个第一引导表面上延伸的偏转元件，用于使光朝第一引导表面的法线偏转。反射端可在横向方向上具有正光焦度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括：根据第一方面所述的背光源设备；以及透射式空间光调制器，该透射式空间光调制器被布置成接收来自波导的第一引导表面的输出光并对其进行调制，从而显示图像。该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成控制空间光调制器以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步选择性地操作相邻光源组，以引导所显示的左图像和右图像进入位于与观察者左右眼对应的位置的相邻光学窗的相应组中。

有利的是，移动观察者相对于定向显示器的闪烁可减少。另外，纵向观察自由度可扩展，并在不期望水平的闪烁出现之前，可被容许的最大观察者速度可提高。可实现令人满意的图像闪烁的观察窗尺寸可增大，这样，便可减少定向显示器中提供的光源数量，从而降低成本，并延长光源阵列的使用寿命。在高亮度2D显示器中，可减少被照亮光源的数量，从而优化给定功耗下的显示器亮度，并增大明亮环境中的对比度。在自动立体3D显示器中，串扰可减少。

根据本发明的另一个方面，提供了一种定向显示设备，该设备包括：定向显示装置，该定向显示装置能够选择性地沿在整个显示装置上分布的输出方向引导输出光进入一组光学窗中的一些光学窗；以及控制系统，该控制系统被布置成控制所述显示装置引导输出光进入该组光学窗中的至少一个所选光学窗，所述定向显示设备被布置成感测观察者的手的放置，所述控制系统被布置成响应于感测到的观察者的手的放置，来改变对所述显示装置的控制。所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者的手在整个显示装置上沿输出方向所分布的方向移动，跨整组光学窗移动所述至少一个所选光学窗。所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者的手在整个显示装置上沿与输出方向所分布的方向垂直的方向移动，改变所述至少一个所选光学窗的亮度。所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者的所述手的手指分开距离的变化，改变所选光学窗的数量。所述定向显示设备可被布置成借助定向显示装置感测观察者的手的放置，该定向显示装置为触敏定向显示装置，该触敏定向显示装置被布置成感测靠近所述定向显示装置的观察者的手的放置。所述定向显示设备可包括图像传感器系统，该图像传感器系统被布置成感测观察者的手的放置。

有利的是，定向显示器可具有对观察窗的控制，无需头部跟踪器，从而降低了头部跟踪系统的处理功率和成本。相比具有固定光学窗的显示器，光学窗的强度和宽度可由观察者以动态方式控制，从而增大显示器的观察自由度或亮度，继而实现所需的观察特性。通过减少被照亮光源的数量，在不增大光源功耗的情况下，可增强图像在明亮环境中的对比度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括：空间光调制器；背光源，该背光源被布置成照亮空间光调制器的整个区域；以及控制系统，该控制系统被布置成根据用于显示图像的输入图像数据来控制空间光调制器的透射率，并进一步被布置成控制背光源的亮度；所述控制系统被布置成至少以第一模式和第二模式工作，其中处于第一模式时，所述控制系统被布置成将背光源的亮度控制到第一亮度水平，并根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在整个图像上都相同的透射率之间的关系来控制空间光调制器的透射率，而处于第二模式时，所述控制系统被布置成将背光源的亮度控制到比所述第一亮度水平高的第二亮度水平，并根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在图像不同区域各不相同的透射率之间的关系来控制空间光调制器的透射率。处于第二模式时，所述控制系统可被布置成根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在图像的至少一个被加亮区域中的透射率之间的关系(该关系与第一模式下的所述关系相同)，来控制空间光调制器的透射率。所述控制系统可被布置成根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在图像的至少一个未被加亮区域中的透射率之间的关系(该关系被比例缩放后的峰值透射率比第一模式下的所述关系的峰值透射率低)，来控制空间光调制器的透射率。输入数据与空间光调制器在图像的至少一个未被加亮区域中的透射率之间的关系可被按比例缩小，缩小后的峰值透射率比第一模式下的所述关系的峰值透射率低，降低因子等于第二亮度水平与第一亮度水平的比值。所述背光源可为定向背光源，其能够选择性地沿在整个显示设备上分布的输出方向引导输出光进入一组光学窗中的一些光学窗，所述控制系统被布置成控制背光源引导输出光进入该组光学窗中的至少一个所选光学窗。所述显示设备还可包括传感器系统，该传感器系统被布置成检测观察者头部的位置，所述控制系统被布置成控制显示装置引导输出光进入该组光学窗中的至少一个所选光学窗，所述至少一个所选光学窗是响应于检测到的观察者头部位置被选择的。

根据本发明的另一个方面，提供了一种控制显示设备的方法，该显示设备包括空间光调制器和被布置成照亮所述空间光调制器的整个区域的背光源，该方法包括：在第一模式下，将背光源的亮度控制到第一亮度水平，并根据用于显示图像的输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在整个图像上都相同的透射率之间的关系来控制空间光调制器的透射率；以及在第二模式下，将背光源的亮度控制到比所述第一亮度水平高的第二亮度水平，并根据用于显示图像的输入图像数据利用输入数据与空间光调制器在图像不同区域各不相同的透射率之间的关系来控制空间光调制器的透射率，该显示设备可被进一步布置成用于控制所述背光源的亮度。

有利的是，可提供一种图像，该图像在第一模式下工作时，其中该图像的整个区域都具有令人满意的照度和灰度特征。此外还可实现第二模式，在第二模式下，图像的至少第二区域相比图像的第一区域，照度较高。在第一工作模式和第二工作模式下，图像第一区域的照度和灰度可以是相同的。第二区域可被有利地布置成提供被加亮的图像区域，供广告之类的应用使用。如果高照度图像在定向工作模式下提供，则该高照度图像的功耗可与低照度图像的功耗类似。

本发明的任何所述方面可以任意组合一起应用。

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沿一个方向传播穿过光学阀，同时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如美国专利申请No.13/300,293(代理人参考号95194936.281001)中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

美国专利No.6,377,295大体讨论了由于跟踪控制延迟，可将预测用于校正坐标，该专利全文以引用方式并入本文。这应用于机械移动的视差光学元件，其位置必须一直或连续控制。通过比较，本发明实施例在由显示照明脉冲设置的限定未来时间提供了观察者位置的预测生成，而不是跟踪器延迟。有利的是，连续确定位置可能并不合适，而应在照明的离散未来时间确定位置。美国专利No.5,959,664大体讨论了对观察者的纵向跟踪以及通过调整显示器SLM的内容来转向，该专利全文以引用方式并入本文。通过比较，以下所述的实施例可通过调整光学阀的照明来实现纵向跟踪，而无需调整或切割显示器SLM上的图像。

2013年5月17日(代理人参考号95194936.319001)提交的名称为“Directionaldisplay apparatus”(定向显示设备)的美国专利申请No.13/897,236大体讨论了观察窗中可依据测得的观察者位置、速度或加速度而修改的光学窗的数量，该专利申请全文以引用方式并入本文。

2013年5月17日(代理人参考号95194936.348001)提交的名称为“Controllinglight sources of a directional backlight”(控制定向背光源的光源)的美国专利申请No.13/896,870大体讨论了光学窗的灰度可在整个光学窗阵列中变化，该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。

定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源，来提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制发射光定向分布可实现安全功能的单人观察，其中显示器可仅被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中仅在小角度定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；以及可实现低成本。

本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，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图；

图1B是根据本发明的示意图，其示出了图1A的定向显示装置的一个实施例中的光传播的侧视图；

图2A是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的另一个实施例中的光传播的顶视图示出；

图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的正视图示出了光传播；

图2C是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传播；

图3是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；

图4A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中观察窗的生成，并且包括弯曲光提取结构特征；

图4B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中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是根据本发明的示意图，其示出了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是根据本发明的示意图，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是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；

图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；

图7是根据本发明的示意图，其示出了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；

图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置；

图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；

图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置的结构；

图11A是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；

图11B是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的侧视图；

图12是根据本发明的示意图，其示出了包括显示装置和控制系统的定向显示设备；

图13是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了观察窗的形成；

图14A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式；

图14B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于移动观察者的第二观察窗布置方式；

图15是根据本发明的示意图，其示出了窗平面中图14A的窗的外观；

图16是根据本发明的示意图，其示出了用于移动观察者的窗平面中图14B的窗的外观；

图17是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了光在定向显示器中传播到光学窗；

图18是根据本发明的示意图，其以正视图示出了图17的观察者看到的显示器外观；

图19是根据本发明的示意图，其示出了在不同空间频率下，对比度灵敏度相对时间频率的曲线图；

图20A是根据本发明的示意图，其示出了被布置在纵式取向上以提供水平2D观察窗的光学阀的正视图；

图20B是根据本发明的示意图，其示出了被布置在横式取向上以提供竖直2D观察窗的光学阀的正视图；

图21A至图21B是根据本发明的示意图，分别示出了在第一观察位置和第二观察位置观察到的光学窗发光强度相对自动立体显示器的窗平面中的位置的曲线图；

图22A至图22D是根据本发明的示意图，示出了光学窗发光强度相对移动观察者在窗平面中的位置的曲线图，所述窗平面用于控制自动立体显示器光学窗的发光强度；

图23A至图23D是根据本发明的示意图，示出了发光元件光通量相对移动观察者在发光元件阵列中的位置的曲线图，所述发光元件阵列用于控制自动立体显示器光学窗的发光强度；

图23E是根据本发明的示意图，其示出了发光元件光通量相对位置的曲线图，与图23A至图23D的布置方式相比，该图显示了光通量分布的更多细节；

图24A至图24C是根据本发明的示意图，示出了光学窗发光强度相对移动观察者在光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列用于控制自动立体显示器光学窗的发光强度；

图25是根据本发明的示意图，其示出了光学窗发光强度相对光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列能够可控地调制发光强度，此发光强度的边缘斜率可变化；

图26是根据本发明的示意图，其示出了光学窗发光强度随观察者速度变化的曲线图；

图27是根据本发明的示意图，其示出了光学窗发光强度相对光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列能够可控地调制发光强度，此发光强度的轮廓可变化；

图28是根据本发明的示意图，其示出了光学窗发光强度随光学窗在观察窗内的位置而变化的曲线图，所述光学窗发光强度还可响应于相对于观察者眼睛的位置而变化；

图29A至图29B是根据本发明的示意图，示出了光学窗发光强度相对光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列分别针对观察者的左眼和右眼在观察窗的内部部分和外部部分具有可控的发光强度；

图30A至图30B是根据本发明的示意图，示出了光学窗发光强度相对光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列分别针对观察者的左眼和右眼在观察窗的内部部分和外部部分具有可控的发光强度；

图31A至图31D是根据本发明的示意图，示出了发光元件光通量相对发光元件阵列中的位置的曲线图，所述发光元件阵列用于控制自动立体显示器光学窗的针对移动观察者的发光强度；

图32A是根据本发明的示意图，其示出了在基本上提供朗伯型显示器照明的显示器中正面反射的图像对比度降低；

图32B是根据本发明的示意图，其示出了在提供可控定向照明的显示器中正面反射的图像对比度降低；

图33A是根据本发明的示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成横式取向的定向2D显示器的光学窗的过程，所述定向2D显示器被布置成让观察者的双眼看到高照度图像；

图33B是根据本发明的示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成横式取向的定向2D显示器的光学窗的过程，所述定向2D显示器被布置成让观察者的一只眼睛看到高照度图像；

图33C是根据本发明的示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成纵式取向的定向2D显示器的光学窗的过程；

图34A是根据本发明的示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第一观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗，其中所述传感器系统为触摸屏；

图34B是根据本发明的示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第二观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗；

图34C是根据本发明的示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第二观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗，其中所述传感器系统为手势传感器；

图35是根据本发明的示意图，其示出了用于控制来自显示装置的光学窗的控制系统；

图36是根据本发明的示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成控制来自显示装置的光学窗的发光强度；

图37A至图37E是根据本发明的示意图，示出了分别对应于图34A、图34B和图36的光学窗输出的光源阵列光通量输出的曲线图；

图38至图41是根据本发明的示意图，示出了光学窗发光强度相对传感器输出的曲线图；

图42是根据本发明的示意图，其示出了用于校准光源阵列光输出的控制系统；

图43A至图43E是根据本发明的示意图，示出了采用图33A所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对移动观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33A所示的显示器布置包括处于锁住位置的三个光学窗；

图44A至图44E是根据本发明的示意图，示出了采用图33A所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在竖直方向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33A所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第一控制方法的两个光学窗；

图45A至图45E是根据本发明的示意图，示出了采用图33A所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在竖直方向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33A所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第二控制方法的两个光学窗；

图46A至图46C是根据本发明的示意图，示出了采用图33A所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在纵向方向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33A所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第二控制方法的两个光学窗；

图47是根据本发明的示意图，其示出了以广角或低照度定向模式工作的定向显示器；

图48是根据本发明的示意图，其示出了以高照度定向模式工作的定向显示器；

图49是根据本发明的示意图，其示出了在广角或低照度定向模式下，输出图像灰度相对输入图像灰度的曲线图；

图50是根据本发明的示意图，其示出了在高照度定向模式下，输出图像灰度相对输入图像灰度的曲线图；并且

图51是根据本发明的示意图，其示出了用于定向显示系统的控制系统，所述定向显示系统被布置成提供照度未改的第一图像区域和具有高照度的第二授权图像区域。

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。参见例如 et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)(等人，“使用双面发光的背光单元”，《信息显示学会志》，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，来自所述多个光源中的每一者的光对于处于跨越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BEF^TM)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；所述稀疏结构特征通常为引导件表面中的局部压痕，无论光以何种方向传播，这些局部压痕都会导致光损耗。

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”)的一类光引导结构或装置。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沿一个方向传播穿过光学阀，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，继而被导向到观察窗，如美国专利申请No.13/300,293中所述，该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，所述成像定向背光源包括用于引导光的波导，所述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，所述成像定向背光源还包括散布有多个被布置为阶梯的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。此外，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标称窗平面。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具体实施已在下列专利和专利申请中提出并说明：3M公司提交的例如美国专利No.7,528,893；微软公司提交的例如美国专利No.7,970,246，其在本文中可称为“楔型定向背光源”；RealD公司提交的例如美国专利申请No.13/300,293，其在本文中可称为“光学阀”或“光学阀定向背光源”，上述专利和专利申请均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，其示出了定向显示装置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。照明器元件15a至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光源、半导体光源、激光源、局部场致发射光源、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与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。输入端2在跨越波导的横向方向上的长度大于输入端2的高度。照明器元件15a-15n被设置在跨越输入端2的横向方向上的不同输入位置。

波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，这些光提取结构特征12面向反射端4并倾斜，从而沿多个方向反射从反射端穿过波导1引导回的光中的至少一些光，所述多个方向打破第一引导表面处的全内反射并允许穿过第一引导表面(例如图1B中朝上)输出，所述输出被提供给SLM48。

在此例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但也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，而第二引导表面的紧邻光提取结构特征12的中间区域用来引导光，却不提取光。第二引导表面的这些区域是平坦的并且可平行于第一引导表面或以相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向延伸到这些区域，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被取向为使来自光源的光在从反射端4反射后，反射穿过第一引导表面。

光提取结构特征12被布置成将来自在跨越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中的每个根据输入位置在分布在横向方向中的输出方向上将光导向进入相应的光学窗。对于输出光而言，输入位置分布在其中的跨越输入端2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端2处限定且对于输出光而言的横向方向在该实施例中保持平行，其中反射端4和第一引导表面处的偏转大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件15a-15n可选择性地操作以将光导向到可选择的光学窗中。

在本发明中，光学窗可对应于窗平面中单个光源的图像，该窗平面为标称平面，其中光学窗跨越整个显示装置形成。或者，光学窗可对应于一同被驱动的光源组的图像。有利的是，这些光源组可增大阵列121的光学窗的均匀度。

相比较而言，观察窗是提供光的窗平面中的区域，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，观察窗可由单个光学窗或由多个光学窗形成。

SLM 48跨越波导延伸，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跨越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，所述照明器元件沿着阶梯式波导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。光在传播时，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这些提取结构特征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)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结构特征的其他实施例中，可保持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，并且可以与照明器阵列15中的相应照明器元件15a–15n离输入边缘中心的y位置成比例的方式导向偏离法线。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。

在一个实施例中，显示装置可包括阶梯式波导或光阀，所述阶梯式波导或光阀继而可包括可被布置成通过全内反射引导光的第一引导表面。光阀可包括第二引导表面，该第二引导表面可具有多个光提取结构特征，这些光提取结构特征倾斜，以沿多个方向反射被引导穿过波导的光，所述多个方向允许光穿过第一引导表面作为输出光离开。第二引导表面还可具有位于光提取结构特征之间的区域，这些区域可被布置成将光导向穿过波导而不提取光。

在另一个实施例中，显示装置可包括至少具有第一引导表面和第二引导表面的波导，所述第一引导表面可被布置成通过全内反射引导光，所述第二引导表面可为基本上平坦的，并以一定角度倾斜从而沿打破全内反射的方向反射光以用于穿过第一引导表面输出光。显示装置可包括在波导的整个第一引导表面上延伸的偏转元件，用于使光朝SLM 48的法线偏转。

在又一个实施例中，显示装置可包括波导，所述波导可具有面向输入端的反射端以用于将来自输入光的光反射回穿过波导。波导还可被布置成在从反射端反射之后穿过第一引导表面输出光。

用此类装置照明SLM 48诸如快速液晶显示器(LCD)面板可实现自动立体3D，如图2A中的顶视图或从照明器阵列15末端观察的yz平面、图2B中的正视图以及图2C中的侧视图所示。图2A是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，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1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。

反射端4在跨越波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心并且与末端4围绕x轴的反射对称轴重合的直线。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光焦度的其他组件(例如光提取结构特征12，如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。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，光轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心并且与侧面4围绕x轴的反射对称轴重合的直线。光轴238通常与波导1的机械轴重合。末端4处的圆柱形反射表面可通常包括球形轮廓以优化同轴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，以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16，可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导结构特征10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射端4。虽然反射端4可为镜面并可反射光，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所示被导向穿过侧面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焦度确定。观察窗的高度可主要由提取结构特征12的反射锥角和输入端2处输入的照明锥角确定。因此，每个观察窗26代表相对于与标称观察距离处的平面相交的SLM 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。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。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，波导的侧面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。

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横向分开的第二观察窗44。

有利的是，图4B中所示的布置方式可在观察窗26处提供照明器元件15c的实像，其中反射端4中的光焦度和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焦度配合形成实像，如图4A所示。图4B的布置方式可使照明器元件15c至观察窗26中横向位置的成像的像差改善。像差改善可扩展自动立体显示器的观察自由度，同时获得低水平串扰。

图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置包括具有基本上线性光提取结构特征的波导1。另外，图5示出了与图1类似的组件布置方式(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，并且彼此平行。有利的是，这种布置方式可跨越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，制造起来会更方便。

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显示装置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，其示出了在时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。此外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成观察窗26。照明器阵列15中的照明器元件组31可提供朝向观察窗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中的照明器元件组33可提供朝向观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器的配合中，窗26和44可按顺序提供，如图6C中所示。如果对应于光方向输出来调整SLM 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。用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。应当注意，照明器元件组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1的整数。

图7是示意图，其示出了包括时间多路复用定向背光源的观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施例。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)的监视，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，用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。

图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的一个实施例。如图8所示，至少两幅2D图像可朝一对观察者45、47导向，使得每个观察者可观看SLM 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SLM 48上，第二幅图像在不同于第一阶段的第二阶段中呈现于SLM 48上。与第一阶段和第二阶段对应，调整输出照明，从而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的防窥定向显示装置。2D图像显示系统也可利用定向背光源以用于安全和效率目的，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如图9所示。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，该装置可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，其被布置成为跨越阶梯式波导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可被布置成进一步扩展观察窗26的高度。然后可通过SLM48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SLM 48。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。

第一引导表面6因而可被布置成通过全内反射来引导光，第二引导表面8可包括多个光提取结构特征12和位于这些光提取结构特征12之间的中间区域10，所述光提取结构特征12被取向为对被引导穿过波导1的光进行引导，所沿的引导方向允许光穿过第一引导表面8作为输出光离开，所述中间区域10被布置成引导光穿过波导1。第二引导表面6可具有阶梯式形状，这种阶梯式形状包括小平面(即所述光提取结构特征12)和中间区域10。

图11A是示意图，其示出了另一个成像定向显示装置(如图所示，楔型定向背光源)的正视图，图11B是示意图，其示出了同一个楔型定向显示装置的侧视图。楔型定向背光源由名称为“Flat Panel Lens”(平板透镜)的美国专利No.7,660,047大体讨论，该专利全文以引用方式并入本文。该结构可包括楔型波导1104，所述楔型波导1104具有底部表面和末端波纹表面1102，底部表面可优选地用反射层1106涂覆，末端波纹表面1102也可优选地用反射层1106涂覆。如图11B所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104，并且在反射离开末端表面之前，可在第一方向上传播。光可在其返回路径上时离开楔型波导1104，并且可照明显示面板1110。与光学阀比较而言，楔型波导通过锥形提供提取，该锥形减小了传播光的入射角，使得光在以临界角入射到输出表面上时，可能会逃逸。在楔型波导中以临界角逃逸的光基本上平行于该表面传播，直到被重新导向层1108(诸如棱镜阵列)偏转为止。楔型波导输出表面上的误差或粉尘可改变临界角，从而产生杂散光和均匀度误差。此外，使用反射镜折叠楔型定向背光源中的光束路径的成像定向背光源可采用带小平面的反射镜，该反射镜将楔型波导中的光锥方向偏置。此类带小平面的反射镜通常制造起来复杂，并且可导致照明均匀度误差以及杂散光。

定向背光源设备因而可包括第一引导表面和第二引导表面：所述第一引导表面可被布置成通过全内反射引导光，所述第二引导表面为基本上平坦的，并以一定角度倾斜从而沿打破全内反射的方向引导光以用于穿过第一引导表面输出光，并且所述显示装置还可包括在波导的整个第一引导表面上延伸的偏转元件，用于使光朝第一引导表面的法线偏转。

楔型定向背光源和光学阀进一步以不同方式处理光束。在楔型波导中，以适当角度输入的光将在主表面上的限定位置处输出，但光线将以基本上相同的角度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。

下文描述了包括定向显示装置和控制系统的一些定向显示设备，其中定向显示装置包括具有波导和SLM的定向背光源。在以下描述中，波导、定向背光源和定向显示装置都基于上文图1至图11B的结构，并包含了所述结构。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。

图12是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。现在开始描述控制系统的布置方式和操作，这些布置方式和操作在适当时加以修改后，可适用于本文公开的每一种显示装置。如图12所示，定向显示设备100可包括本身可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15的定向背光设备。如图12所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射端4、引导结构特征10和光提取结构特征12。定向显示设备100还可包括SLM 48。

波导1按上文所述进行布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置成与反射端4配合，从而在观察者99所观察的观察平面106处实现光学窗260。透射式SLM 48可被布置成接收来自定向背光源的光。另外，可提供漫射体68以基本上除去波导1与SLM48以及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。观察窗26可由光学窗260组构成。每个光学窗可由阵列15中的一个发光元件形成，因而观察窗26可由阵列15中的发光元件组形成。

控制系统可包括传感器系统，该传感器系统被布置成检测观察者99相对显示装置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72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，这两者均提供有由头部位置测量系统72提供的被检测到的观察者的位置。

照明控制器74选择性地操作照明器元件15以配合波导1将光导向进入观察窗26。照明控制器74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者的位置，来选择要操作的照明器元件15，使得光导向进入的观察窗26处于与观察者99的左眼和右眼对应的位置处。这样一来，波导1的侧向输出方向性便与观察者位置对应。

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以将光导向进入相应观察窗中对应于观察者左眼和右眼的位置，并同时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。

因此，定向背光源设备可包括：包括波导1的定向背光源，该波导1包括相对的第一引导表面6和第二引导表面8，这些引导表面用于沿波导1引导输入光。光源阵列15，该光源阵列15可被布置成在跨越波导1的横向方向上于不同输入位置处产生输入光，波导1还包括反射端4，用来将输入光反射回穿过波导1，第二引导表面8被布置成将从反射端4反射后的光作为输出光偏转穿过第一引导表面6，并且波导1被布置成根据所述输入光的所述输入位置沿着沿横向方向分布的输出方向将所述输出光导向到光学窗260中；以及传感器系统70，该传感器系统70被布置成检测观察者99头部的位置。背光源设备还可包括透射式空间光调制器48，该透射式空间光调制器48被布置成接收来自波导1的第一引导表面8的输出光并对其进行调制，从而显示图像。显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统72可被进一步布置成控制空间光调制器48以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步选择性地操作阵列15中相邻光源组，以引导所显示的左图像和右图像进入位于与观察者左右眼对应的位置的相邻光学窗260的相应组中。

另外，包括环境光线传感器80和加速度计82的传感器可被布置成向控制系统72提供更多数据。来自传感器80的数据可被布置成控制阵列15中发光元件的总光通量263。例如，在环境光线较强的情况下，光通量263可增加。

图13是示意图，其以正视图示出了观察窗的形成。另外，图13以顶视图示出了图12的实施例。显示器100可在窗平面106(其为标称平面)中产生扇形光锥102和观察窗104阵列。具有鼻部位置112的观察者99可看到来自显示器100的照明。当左眼110与观察窗116大致对准，并且右眼108与观察窗114大致对准，并且存在于观察窗114和116中的图像数据为立体像对时，观察者便可感知到自动立体3D图像。窗114和116可交替显示基本上相同的数据，所以显示装置100可作为2D图像显示装置而发挥功能。窗114和116可在单独时隙中与左眼和右眼图像数据的面板上的显示器同步被照明。

现在将描述观察窗的各种布置方式。如上所述，这些观察窗中的每个可通过控制系统的适当操作提供，例如通过选择性地操作照明器元件15，以与SLM 48上的图像显示同步将光导向进入观察窗26。定向显示设备可为可操作的，以在相同或不同的时间，例如以定向显示设备的不同操作模式，提供这些观察窗布置方式中的任何一者，或这些观察窗布置方式的任何组合。

在示出观察窗的布置方式的各图中，光学窗的结构示出光学窗的标称位置，而不是可采取各种形式并且可重叠的实际光分布。

图14A和图14B示出了控制系统基于响应于观察者移动的传感器系统的输出而执行的控制。图14A是示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式。另外，图14A以正视图示出了图12的实施例。观察者99被示为在垂直于显示器100的大致中心的平面118的略微右侧。因此，左眼观察窗114和右眼观察窗116可在显示器的略微右侧生成。在图14B中，观察者99被示为重新定位在向右的方向120上，所以作为响应，窗114、116可向右转向。图14B是示意图，其以正视图示出了对于移动观察者的第二观察窗布置方式。观察者的左眼和右眼可在观察者移动期间用左眼和右眼图像数据照明。

窗移动可通过对应于窗平面106中观察者99移动的照明器阵列15的机械移动提供。然而，此类移动是复杂和昂贵的。因此，期望在控制系统的控制下，通过切换离散照明器元件来实现照明器阵列15的照明器元件移动的成本和复杂性降低。

图15是示意图，其示出了窗平面106中图14A的窗的外观。另外，图15示意性地示出了光学窗(也可称为子窗)的阵列121，所述光学窗可被布置成实现观察窗的可切换阵列。阵列121的每个光学窗可对应于窗平面106中的图像，诸如在图12和图13中示出的照明器阵列15的照明器元件，如上所述。

窗平面106中的光学窗阵列121的照明结构可大致对应于观察者99的横向位置，如图14A中所示。在本发明实施例中，左眼的观察窗116可包括光学窗122和光学窗阵列134。右眼观察窗114可包括光学窗124和光学窗阵列136。光学窗126和128可不被照明，使得相应的照明器元件可不被照明。

图16是示意图，其示出了对于移动观察者的窗平面中图14B的窗的外观。另外，图16示出了在沿方向120移动后，大致对应于如图14B中所示的观察者99位置的光学窗阵列121的细节。左眼观察窗116可被布置为包括光学窗126和光学窗阵列134。因此，光学窗122可关闭。相似地，对于右眼观察窗，光学窗128可打开并且光学窗124可关闭，使得右眼观察窗114被布置为包括光学窗128和光学窗阵列136。

另外，SLM 48上的图像数据可被调整为有利地实现环顾功能、二维图像或其他图像特性，如本文所述。

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，该照度为在给定方向中行进的光的每单位面积发光强度的光度量度。阵列15的照明器元件提供相应的光通量。所考虑的光通量为发出的总光通量。这可通过积分照明器元件15n在垂直于横向方向的方向上发出的光通量而得到。

光源阵列的光通量线密度的变化允许控制感知的亮度，从而例如允许感知的亮度(照度)针对观察者99的不同位置而变化，和/或针对给定的感知亮度使功率消耗最小化。

图17是示意图，其以顶视图示出了光在定向显示器中传播到光学窗。图18是示意图，其以正视图示出了针对图17的观察者的显示器的外观。

定向背光源100可被布置成照明标称窗平面106处的光学窗200、202。对于不在窗平面处的观察者99，在显示器上看到的光可能不是由单个光学窗的照明引起。因此，在区域204中可从显示器看到光学窗200的光，而在区域206中可从显示器看到光学窗202的光。另外，背光源光学系统中的像差意味着，从其中看起来显示器由相邻光学窗照明的区域是非线性的；特别是显示器的拐角，最高的角度可能易出现由阵列15的相邻LED的照亮引起的伪影。尤其在跟踪方案中，当相邻LED(用以形成光学窗202)在观察者以如图15至图16中所示方式跟踪期间被切换时，在区域206中可看到闪烁。

图19是示意图，其示出了在不同空间频率下对比度灵敏度210相对时间频率212的曲线图，例如在“Spatial and Temporal Contrast-Sensitivity Functions of theVisual System”,J.G.Robson,J.Opt.Soc.Am.56,1141-1142(1966)(“视觉系统的时空对比度灵敏度函数”，J.G.Robson，美国光学学会会志，第56期，第1141-1142页(1966年))中所描述。在示例性例子中，从400mm处观察的具有如图18中的区域206所示大小为3.5mm的窗伪影的显示器，具有0.5周/度的空间频率。对于以100mm/s移动的具有62mm眼间距和五个两眼间光学窗的观察者，则光学窗需要以8Hz更新。特性的此种组合表明，在区域206中产生的闪烁伪影接近人类视觉对比度灵敏度峰值。

可能期望的是降低显示器闪烁对于移动跟踪观察者的可见度。

现在将描述使用定向背光源的高亮度、高效率2D显示器的实施例。

图20A是示意图，其示出了被布置在纵式取向上以提供水平2D观察窗的光学阀的正视图。图20B是示意图，其示出了被布置在横式取向上以提供竖直2D观察窗的光学阀的正视图。

如图12所示的控制系统72可被布置成选择性地操作阵列15的相邻光源组，以将光导向至相邻光学窗260的对应组224。

图20A的背光源布置产生水平观察窗800，其中具有由竖直LED阵列15照明的纵式取向的光学阀波导1，以用于高亮度或高效率的显示设备中。请注意，坐标轴是以波导取向而非观察者空间为参照，因此水平观察窗800是针对具有左眼位置804和右眼位置806的观察者99而提供。

反射端4可包括菲涅耳镜，该菲涅耳镜被布置成使得来自反射小平面813的阵列15的光源的光基本上准直。反射端4因此可在横向方向(y轴)上具有正光焦度。弯曲提取结构特征12在末端4与菲涅尔镜配合，可被布置成形成观察窗800。光提取结构特征12因此在横向方向上具有正光焦度。

有利的是，与例如图4B所示的穹顶表面4相比，菲涅耳镜可实现小的边框。菲涅耳镜的牵伸小平面803可在光学系统中提供散射。此类高亮度或高效率2D显示器中的散射可实现期望的观察窗均匀度水平，而不限制自动立体显示器中期望的低图像串扰。另外，可将漫射特性结合到牵伸小平面803中以使从小平面803反射的光的不均匀性效应最小化。

输入漫射体801可为在x-y平面中具有高漫射并在x-z平面中具有低漫射的不对称漫射体，其被布置成降低阵列15的LED之间的间隙的可见度，而基本上不增加进入x-z平面中的波导的光耦合损耗。输入漫射体801可被布置成具有漫射特性，所述漫射特性例如在组812区域中与在组810区域中有所不同。

发光元件阵列15诸如LED阵列可包括：可具有高亮度输出能力的LED第一组808；具有与LED组808的节距814类似的节距816的LED第二组810；以及可具有可大于LED组808的节距814的节距818的LED第三组812。例如，可结合另外组，或者从阵列15的中心到外部区域的节距可渐增。组808的LED可具有与组810、812的LED相比更高的亮度输出但更低的效率。

在以高亮度操作模式进行的操作中，第一组808的LED 809可借助光学阀布置导向到观察窗800，该观察窗包括两个光学窗和尺寸802。因此，眼睛定位于位置804、806的观察者99可跨越SLM 48(未示出)的区域看到图像。

在示例性例子中，对角显示器可由尺寸为2.6x1mm并且节距为3.5mm的第一组808的LED照明。LED的输出在600mW下可为50流明，因此可布置1.2W的总功率以提供窗800。可布置适用于移动电话应用的高度为50mm的光学阀，以在300mm的观察距离处提供观察窗，窗高度802为大约60mm。与偏振再循环和小平面化反射膜300配合的情况下，在与对非偏振光的透射率为6.5％的LCD配合使用时，显示器的轴向输出照度可为大约至少2000尼特。来自该显示器前面的反射可例如为5％。在25,000勒克斯的屏幕照度下，与照度为500尼特的显示器的1.3:1的对比率相比，可实现5:1的对比率。因此有利的是，在高亮度环境中，该显示器的对比率可显著增强。

对于在500尼特的显示器照度下的操作来说，可实现300mW的功耗。有利的是，该显示器的亮度显著高于常规背光源中针对相同输入功率可实现的亮度，该常规背光源为例如显示器，包括来自3M公司的ESR^TM、BEF II^TM和DBEF^TM，以及漫射体。

继续本文的示例性例子，组808的LED可具有60流明每瓦特(lm/W)的发光效率，而组810、812的LED的发光效率在20流明的峰值驱动光通量下可为80lm/W。节距818可为5mm或更大。输入漫射体801的漫射特性可沿着进入孔而变化，以适应不同的LED间距。有利的是，组810、812中的LED的成本和数量可降低。

图20B示出与图20A的照明系统类似的照明系统，其相对于观察者99以横式取向布置，从而实现竖直观察窗800，当由组811的LED照明时，该竖直观察窗包括四个光学窗。为继续该示例性例子，可使观察窗的宽度增加到大约120mm，从而包括四个光学窗。另外，图42示出LED驱动电路830、832、834，并且控制器74可被布置成单独地驱动具有高电流需求组808的LED和具有较低电流需求组810的LED。另外，组812的LED可由驱动器834成串驱动，以便与驱动器830、832相比降低驱动器834的成本。这样，显示器的轴附近的角度可被布置成在高亮度环境中提供操作，而更加离轴的角度则可被布置成提供观察者跟踪的低功率模式操作，并且可在需要以宽角度模式操作显示器时驱动LED串812，该宽角度模式为与标准2D显示器类似的定向分布。

与自动立体显示器布置相比，图20A至图20B的2D显示器光学窗布置可具有数量减少的LED。有利的是，阵列15的成本可以减少，并且阵列的平均无故障时间可以增加。

可能还期望的是减少被照亮的LED的数量以使显示器效率最大化。

图21A至图21B是示意图，分别示出了第一观察位置和第二观察位置的光学窗发光强度264相对自动立体显示器的窗平面106中的位置262的曲线图。另外，图15和图16的跟踪方法在图21A至图21B中示出为具有大观察窗，诸如具有30mm节距。因此，在针对观察者99左眼的第一位置340，提供了一组具有外窗342的光学窗。在第二位置339，附加光学窗346可被照明。如图18所示，来自光学窗346的光可对远离窗平面106的观察者99可见，从而可在区域206中产生不期望的闪烁伪影。进一步增加光学窗的数量可在切换附加光学窗期间减小区域206的尺寸。然而，增加光学窗的数量可减小最大显示器亮度、降低系统效率或增加显示器串扰。

可能期望的是为显示器提供定向背光源，该显示器在使用大光学窗尺寸的同时实现对移动观察者的低闪烁。

图22A至图22D是示意图，示出了光学窗发光强度相对移动观察者在窗平面中的位置的曲线图，所述窗平面用于控制自动立体显示器光学窗的发光强度。附图示出了对于左眼具有从起始位置340的位移341的观察者99在不同位置的左图像相位观察窗。

与图21A至图21B的布置相比，外窗337的发光强度可根据观察者99左眼的位置341而变化。提供了过渡范围335以限定光学窗337的发光强度被布置成可变的位置范围。

图23A至图23D是示意图，示出了发光元件光通量263相对发光元件阵列15中LED位置261的曲线图，所述发光元件阵列对应于图22A至图22D的发光强度分布。因此在第一组361中，外部LED 363可具有100％的光通量输出。对于移动观察者，LED组365中的LED数量已增加，并且外部LED光源367的光通量263已增加对应于测得的观察者位置的量。

这样，根据检测到的观察者99头部位置，组361中光源的组成特性有所变化(对特定观察者位置，结合LED光源367)，并且对于给定的光源组361，光源的光通量263有所变化。

如图12所示，控制系统70、72、74、76、80、82可被布置成选择性地操作阵列15的相邻光源组，操作方式为：对于光源的给定组361，光源的光通量263在检测到的观察者99头部位置的过渡范围335内变化。过渡范围可与窗平面106中光学窗342、347的节距相同。

控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源组361，操作方式为：在检测到的观察者99头部位置262的过渡范围335内，将新光源367作为组361的组成部分来操作，该新光源的光通量263随着检测到的观察者99头部位置朝对应于新光源367的输出方向移动而增加。

控制系统可被布置成选择性地操作相邻光源363组369，操作方式为：在检测到的观察者99头部位置262的紧邻过渡范围的位置341的范围335内，组369中光源的组成特性和光通量263不改变。

有利的是，区域206中可发生的强度变化将具有针对观察者的移动的灰度等级特性。这种变化可实现区域206中显示器闪烁的降低，并且因此显示器性能将得到改善。另外，可增加光学窗尺寸，从而降低成本并且增加阵列15的可靠性。

图23E是示意图，其示出了发光元件光通量相对位置的曲线图，与图23A至图23D的布置相比，该图显示了光通量分布的更多细节。图23A至图23D的曲线图显示整个LED阵列上的光通量263输出为均匀的，其间有间隙。通常如图23A至图23D所示，光通量输出将有所改变，其变化由发射器、磷光体、封装和漫射特性的详细结构的组合引起。

图24A至图24C是示意图，示出了光学窗发光强度相对移动观察者在光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列控制自动立体显示器光学窗的发光强度。对于给定位置341，光学窗342、346、347、348、349可被布置为发光强度分布随着位置远离观察者99眼睛而以斜率曲线下降。随着观察者位置341移动离开位置340，相应光学窗的强度可成比例地增加，从而保持边缘发光强度相对窗平面106中的位置的线性斜率曲线350，但分别提供位移的斜率曲线352、354。有利的是，闪烁的可见度可被降低，并且附加窗的强度被降低，从而降低功耗并改善显示器均匀性。

图25是示意图，其示出了光学窗发光强度264相对光学窗阵列的窗平面106中的位置262的曲线图，所述光学窗阵列能够可控地调制发光强度，此发光强度的边缘斜率可变化。因此，斜率曲线350可从曲线350变化到曲线356。例如，曲线350可在观察者速度低的情况下使用，而曲线356可用于较高的观察者速度。这样，系统可预知观察者的眼睛行进到理想的观察位置，或考虑显示器的快速移动。配合头部跟踪系统可以预测这样的移动。

图26是示意图，其示出了光学窗发光强度变化308与观察者速度310的曲线图。函数358表明观察者速度的速度斜率可以是常数，例如像对于图24C中所示的斜率350、352、354而言的那样。然而，随着观察者速度增加，可能期望增加所显示的窗的数量。因此函数360可具有针对静止观察者的二元窗函数，而斜率随着观察者速度增加而增加。这样可降低闪烁。或者，如函数362所示，可针对静止观察者提供有限斜率，并且该斜率可随着增加的观察者速度而增加。另外，观察者速度越快，斜率越大。这样的布置可增加装置的功耗或降低峰值亮度，但可降低对于移动观察者的闪烁。函数364、366显示斜率可用其他形状进行调整，以实现对于静止观察者和移动观察者的闪烁和效率的进一步控制。

图27是示意图，其示出了光学窗发光强度相对光学窗阵列的窗平面中的位置的曲线图，所述光学窗阵列能够可控地调制发光强度，此发光强度的剖面可变化。因而斜率350可以用斜率曲线368替换。

图28是示意图，其示出了光学窗发光强度随观察窗中光学窗位置变化的曲线图，该观察窗可进一步响应于相对于观察者眼睛的位置而变化。可按观察窗的间距量化曲线；然而漫射体68可被布置成实现包括观察窗260的观察窗26的相对平滑的曲线。因此可提供曲线350、368、370以有利地实现显示器闪烁与功耗之间的不同权衡。

图29A、图29B、图30A和图30B是示意图，示出了光学窗发光强度264相对光学窗阵列260的窗平面106中的位置262的曲线图，所述光学窗阵列分别针对观察者99的左眼和右眼在观察窗的内部部分和外部部分具有可控的发光强度。因此在图29A中，左眼观察窗包括具有降低的发光强度的光学窗346、372，该左眼观察窗进一步包括具有基本上峰值发光强度的光学窗342。如图29B所示，左眼观察窗可包括发光强度降低的光学窗274、345和具有峰值发光强度的光学窗344。

为方便起见未在附图中示出，发光强度可具有相对于横向角度的全局性分布，例如发光强度的朗伯分布，使得峰值发光强度随位置262而变化。可使用其他全局性分布，例如具有比朗伯分布更高的轴向增益的分布。

在观察者移动使得观察者99的左眼被布置在参考线340处之后，两眼间观察窗的发光强度可被修改，使得光学窗372可具有增加的发光强度，并且可为左眼引入窗375。在右眼中，光学窗374、376可具有对应地降低的发光强度，使得组合观察窗的整体强度基本上保持不变。这样，有利的是在由两眼间窗照明的显示器区域中可降低针对左眼和右眼的显示器闪烁。

图31A至图31D是示意图，分别示出了发光元件光通量263相对图29A、图29B、图30A和图30B中示出的移动观察者99在发光元件阵列中的位置261的曲线图，所述发光元件阵列用于控制自动立体显示器光学窗的发光强度。因此可控制光源700、704，以根据观察者的观察位置为左眼照明阶段提供变化的通量。相似地，可控制光源702、706，以根据观察者的观察位置为右眼照明阶段提供变化的通量。

控制系统因此被布置成选择性地操作阵列15的相邻光源组710，操作方式为：在检测到的观察者99头部位置的整个过渡范围341内，操作位于该组的与新光源367相对的末端处的新光源702，该新光源的光通量随着检测到的观察者头部位置朝对应于新光源367的输出方向移动而降低。

有利的是，可降低可能由两眼间光学窗的切换引起的显示器闪烁。

图32A是示意图，其示出了在基本上提供朗伯型显示器照明的显示器中正面反射的图像对比度降低。背光源602可被布置成照明空间光调制器48，并提供具有观察角度的发光强度的朗伯分布608。在明亮的周围环境中，例如当在室外观察时，来自天空600的反射光线604可从空间光调制器48导向至观察者99，从而造成观察到的图像的不期望的对比度损失。

在示例性实施例中，背光源602被布置成以1.2W的背光源功率以500尼特照度照明4"对角线空间光调制器。具有5％正面反射率的显示器可在明亮的周围环境中用25,000勒克斯的朗伯光源照度进行照明。该显示器的感知对比度可为1.25:1。在这样的照明条件下，可能难以读取这样的显示器。

可能期望的是增加在明亮环境中来自空间光调制器的图像对比度，同时实现低功耗。

图32B是示意图，其示出了具有可控定向照明的显示器中正面反射的图像对比度的降低。观察窗608可由定向背光源603在窗平面106处提供。与图32A的布置相比，该背光源可将光导向至窄锥中，并且因此可用更低的功率在窗608中为观察者实现相同亮度。如下所述，已知LED的可实现的显示器照度也可大幅增加。

图33A是示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成横式取向的定向2D显示器的光学窗的过程，所述定向2D显示器被布置成让观察者的双眼看到高照度图像。例如，可布置菲涅尔镜228，取代图4B所示的单个曲线。因此，阵列15的光源230可提供三个光学窗234。在光学窗234外部，可提供另外的光学窗236，其可具有降低的发光强度，并且可由阵列15的光源232提供。另外的光学窗未示出，其可由光源220提供。

空间光调制器48可提供连续的2D图像，并且阵列15的光源可连续地操作，或可分阶段操作，该分阶段操作不需要与空间光调制器的操作同步。

在示例性实施例中，被布置成照明4"对角线空间光调制器的定向背光源可设置有三个LED，每个LED被布置为在400mW下提供33流明的输出，从而使背光源总功耗为1.2W。此类LED可由背光源603导向至窗平面106处尺寸为30mm的光学窗，并且可在窗平面106中为观察者99实现1300尼特的感知显示器照度。具有5％正面反射率的显示器可在明亮的周围环境中用25,000勒克斯的朗伯光源照度进行照明。该显示器的感知对比度可为3.3:1。这种显示器的易读性明显高于上述500尼特的例子。

有利的是，可以在低功耗下实现高亮度图像。因此，可在高环境亮度条件下实现高对比度图像。与别处描述的自动立体布置相比，窗平面中光学窗的节距大得多；例如光学窗节距235可为标称观察者眼距的大约一半，例如30mm。与自动立体显示器相比，光源的数量减少。有利的是，阵列15的成本可降低，并且阵列15的平均无故障时间可增加。

可能期望的是进一步降低显示器的功耗，同时在明亮周围环境中实现改善的对比度。

图33B是示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成横式取向的定向2D显示器的光学窗的过程，所述定向2D显示器被布置成让观察者的一只眼睛看到高照度图像。在高亮度环境下操作时，可通过向单只眼睛提供对比度更高的图像，来增加图像的易读性。为继续所述示例性实施例，可向两个LED提供600mW的输入功率，并且每个均可实现50流明的输出。对于观察者99的单只眼睛，显示器照度可增加到2000尼特，并且因此25,000勒克斯的对比度可增加到5:1。

图33C是示意图，其示出了光学阀和光源阵列形成纵式取向的定向2D显示器的光学窗的过程。因此光学窗244可由单个LED 240提供，可选的光学窗246、247可由LED 242、243提供。LED 242、243的光通量可被进一步降低。在这种布置中，观察者99的两只眼睛可被布置在相同的光学窗244中，由此减少所需LED的数量。因此600mW的功率消耗可实现2000尼特的显示器照度。因此显示器效率得到进一步改善。

图33A至图33C的布置具有有限的观察自由度。可能期望的是增加观察自由度。可使用观察者跟踪系统来增加观察自由度。然而，此类系统可增加所述系统的复杂性、成本和功耗。

可能期望的是用低额外功耗与成本实现增加的观察自由度。可能还期望的是借助检测观察者的手来改变观察窗的宽度。

图34A是示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第一观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗，其中所述传感器系统为触摸屏。图34B是示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第二观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗。图34C是示意图，其示出了传感器系统，该传感器系统被布置成确定观察者在第二观察者位置相对于显示装置的位置，并用于控制来自显示装置的光学窗，其中所述传感器系统为手势传感器。

图35是示意图，其示出了用于控制来自显示装置的光学窗的控制系统。

定向显示设备250可包括定向显示装置100，该显示装置能够沿在整个显示装置100上分布的输出方向选择性地将输出光导向至一组光学窗258、262的光学窗260中。因此对于给定的LED布置，可产生光学窗并由图34A中的锥258表示。手252(通常将是观察者99的手)可具有例如借助测量观察者手指位置的触摸屏49检测到的位置256。

或者，可使用其他传感器，诸如图34C中所示的手势检测器，来测量手的位置。在该实施例中，触摸屏49由可包括结构化光源251和相机253的手势传感器代替。这种传感器可被布置成例如使用模式识别或其他已知的计算机视觉技术来检测手252的手指位置。

包括触摸屏49、控制器72、LED控制器74和阵列15的控制系统可被布置成控制显示装置100，以将输出光导向至包括光学窗262的所述组的至少一个所选光学窗中；定向显示设备100被布置成感测观察者99的手252的放置，控制系统被布置成响应于感测到的观察者99手252的放置改变对显示装置的控制。

在一种操作模式中，手的位置可从位置256移动到位置260。响应于手的位置的移动，可控制光学窗以将其定位在位置262处。这样，观察者的手可被用来将光的方向“拉”向观察者的眼睛。在另外的实施例中，位置260可被移到位置260。这种移动可被用于降低锥262中窗的发光强度，该锥由更小的锥266表示。因此除了方向，还可方便地控制感知的显示器照度。

图34B显示手可被重新定位在位置268处，并被拖动至位置274，使得窗262平移到窗272。因此，可通过手的多次移动来对多个光学窗进行扫描。有利的是，相比头部跟踪算法所需的功耗，可用低额外功耗来方便地控制显示器的方向和照度。

图36是示意图，其示出了被布置成控制来自显示装置的光学窗发光强度的传感器系统。因此，手252可以用两个手指来提供触点276、278。可将手指靠得更近，以提供新的触点282、284。更近的触点282、284可使观察窗280变成包括更少的光学窗的更窄的观察窗262。窗281的发光强度可比观察窗280的发光强度更大，例如以保持阵列15的相同总功耗。点276、278一起的移动可进一步被用于调整窗280的位置和强度，例如图34A所示。

显示器的触摸控制可进一步与头部跟踪系统配合。显示设备还可包括被布置成检测观察者99头部位置的传感器系统70，控制系统70被布置成控制显示装置250，以将输出光导向至该组的至少一个所选光学窗，所述光学窗响应于检测到的观察者99头部位置而被选择。有利的是，所述触摸控制可被用于通过让用户能够将光导向至鲁棒性检测点的正确方向来增加头部跟踪系统的鲁棒性。这样的系统可例如在低光照水平下改善对观察者面部的检测。

图37A至图37E是示意图，示出了分别对应于图34A、图34B和图36的光学窗输出的LED阵列15的光通量输出的曲线图。因此，组720、722、724、726、728分别对应于光学窗258、262、266、272、280。背光源中的漫射体和其他光学混合布置可产生相对均匀的光学窗结构。

有利的是，可采用某种方式来控制显示器的光学窗的选择，以实现对观察者99的直观控制，同时在低成本和低处理器功率下对显示器照度、观察自由度和观察位置进行权衡。

期望的是尽可能减少在给定时间照亮的阵列15的LED数量，同时最大化给定总背光源功率下的显示器亮度。此外，可能期望的是以某种方式来切换相邻LED，以在窗被调整时尽可能降低显示器的闪烁。现将描述调整相邻LED的方法。

图38至图41是示意图，其示出了光学窗发光强度304相对手252在触摸屏49上的位置306的曲线图，该曲线图针对的是被布置成提供与当前照亮的那些光学窗相邻的光学窗的LED。随着图34A中所述手指的位置256垂直平移，相邻LED(示为图37A中的LED721)的光通量可沿曲线326增大，使得强度以斜坡方式而非二进制转换方式增加。如果手指没有到达位置328就被移开，则所述强度可在一段时间内回到零值，例如每500毫秒降低半峰值光通量单位。

如图39所示，如果手指在位置328和位置329之间移开，则所述LED 721的强度可在一段时间内以斜坡方式增加至其全值，例如每500毫秒增大半峰值光通量单位。有利的是，在该示例性示例中，可减少显示器的闪烁并且附加LED 721被照亮的时间缩短至不到一秒钟。另外，对应于LED 721光通量的增大，LED 723的光通量可能会降低，使得在LED切换期间总功耗保持不变。

如果手指继续移动到超过位置329，则LED 721的强度可固定在峰值，如曲线332所示。

有利的是，观察者手252的位置可无需保持对LED输出的精确控制。另外，提高LED总输出的时间可受限制，以最小化总能量消耗，同时减少显示器闪烁。

图40示出了另一布置，其中LED 721的光通量在手252使光学窗扫描通过所需位置时变化。图41示出，在手252的特定位置处，所述LED的强度可被布置成在位置338的有限范围内具有更大的总光通量。因此，LED 271可具有斜坡曲线331和标称通量332以及过渡通量区338。在外部LED之间切换期间LED 271是更居中的LED时，这样的布置可有利于保持总显示照度，从而有利地减少闪烁。

定向显示设备250因此可包括：定向显示设备100，所述定向显示设备100能够沿在整个显示装置上分布的输出方向选择性地将输出光导向进入一组光学窗中的光学窗；以及控制系统，该控制系统被布置成控制所述显示装置将输出光导向进入该组光学窗中的至少一个所选光学窗，所述定向显示设备被布置成感测观察者99的手252的放置，所述控制系统被布置成响应于感测到的观察者99的手252的放置，来改变对显示装置的控制。

所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者99的手252在整个显示装置上沿输出方向所分布的方向移动，跨整组光学窗移动所述至少一个所选光学窗。所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者99的手252在整个显示装置上沿与输出方向所分布的方向垂直的方向移动，改变所述至少一个所选光学窗的亮度。所述控制系统可被布置成响应于定向显示设备感测到观察者99的手252的手指分开距离的变化，改变所选光学窗的数量。

定向显示设备可被布置成借助于定向显示装置感测观察者99的手252的放置，该定向显示装置为触敏定向显示装置，其被布置成感测靠近该定向显示装置的观察者99的手252的放置。

该定向显示设备可包括图像传感器系统，其被布置成(例如通过手势传感器)感测观察者99的手252的放置。

定向显示设备可包括：定向背光源，其能够选择性地将输出光导向进入所述光学窗260；以及透射式空间光调制器48，其被布置成接收来自所述定向背光源的输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像。定向显示设备还可包括被布置成检测观察者99头部位置的传感器系统，所述控制系统被布置成响应于感测到的观察者的手252的放置和检测到的观察者头部位置，改变对显示装置的控制。

图42是示意图，其示出了用于校准光源阵列光输出的控制系统。另外，图42是示意图，其示出了控制系统和包括如上所述的定向背光源的定向背光源设备的正视图，所述定向背光源包括波导1和照明器元件的阵列15。定向背光源设备包括控制系统，如上所述，该控制系统实施控制照明器元件15n如下进行驱动信号的校准的方法。

来自照明器元件416的光线410被导向到反射端4，发生反射并且朝向输入端2导回。来自光源416的一些光将通过光提取结构特征12来提取，而一些光将入射于输入端2的至少一部分上。传感器元件408、414可在阵列15的两侧上被布置在位于阵列15的横向范围外部的区域409、415中的输入端处。在区域412中，存在照明空隙以使得来自光源416的光将不会基本上入射于传感器414上；然而，来自光源416的光线将入射于传感器408上。每个传感器408、414可包括光强度测量传感器。优选地，如图42所示，传感器408、414可包括光学滤波器402、406以及光强度传感器400、404。此类布置方式可有利地对来自光源416的光提供光强度的测量以及色度坐标的测量。以类似方式，来自光源418的光线420可不入射于传感器408上，而是将入射于传感器414上。对于轴向测量，传感器408、414均可检测来自各自轴向照明器元件417的光。

可将来自传感器408、414的测得信号传递到照明控制器74，该照明控制器74使用照明器元件驱动器433驱动阵列15的照明器元件，该照明器元件驱动器233可为电流驱动器，其对驱动线路444具有灰度控制，以向照明器元件的阵列提供驱动信号。照明控制器74响应于表示所感测到的光的测得信号来如下校准提供至照明器元件15n的驱动信号。

阵列光通量分布控制器424可包括例如来自屏幕前测量的所存储的参考灰度分布430，所述屏幕前测量可在制造时提供。这使得控制系统能够输出具有跨越光源阵列的预定分布的按比例缩放的光通量，例如以改变按比例缩放的光通量。

来自传感器408、414的数据可被提供至例如校准测量系统422，该校准测量系统422可向光通量分布控制器424内的查找表426提供数据。另外，可由选择控制器428提供对发光强度分布的选择。选择控制器可具有用户输入或通过对显示器观察条件的感测来确定的自动输入。例如，观察者数量、室内亮度、显示器取向、图像质量设置和/或功率节省模式设置可用于改变所选择的分布。

在装置制造中，可将传感器408、414响应于阵列15的每个光源而得到的输出与来自放置在显示器的窗平面中的相机或检测器的信号进行比较。这实现了内部传感器相对于窗平面中的光的初始校准或参考。此类校准可存储在查找表或类似位置中。

在校准模式的操作中，阵列15的单个照明器元件被照亮，并且传感器408、414可测量所述照明器元件的信号。熄灭所述照明器元件，操作所述阵列的下一个光源并进行测量。将测量阵列的输出与工厂校准进行比较，使得可内插用于给定光通量分布的输出发光强度。接着由控制器424和照明器元件控制器433导出用于所需发光强度分布的适当光通量分布，该照明器元件控制器433被适当地配置为实现所需的光通量分布。

有利的是，来自整个阵列15的光可由传感器408、414的组合测量，并且可实现所需的发光强度分布。

因此，所述对入射于输入端2上的光的感测可使用被布置于在横向方向上位于照明器元件阵列15外部的输入端2的区域409处的传感器元件408。所述对入射于输入端2上的光的感测可使用在照明器元件阵列的两侧上被布置于在横向方向上位于照明器元件阵列15外部的输入端2的区域409、415处的传感器元件408、414。

传感器系统可仅在显示器制造期间与波导1布置在一起以用于表征目的并且在产品制造完成之后被移除。优选地，传感器系统可在正常操作期间与波导1布置在一起。现场校准阶段可应用于显示器接通期间。空间光调制器可在校准期间被布置有黑色图像以去除校准阶段对用户的可见度。可例如每天、每周或每月重复校准阶段，以补偿老化伪影。

可能期望的是实现显示器均匀的显示外观，在所述显示器中有数量相对较少的光学窗被布置成照亮所述观察者。

图43A至图43E是示意图，示出了采用图33A所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对移动观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33A所示的显示器布置包括处于锁住位置的三个光学窗。图中示出了各条光学窗曲线，显示发光强度264与窗平面中的位置262的关系。因此图33A的布置示于图43A中，包括与位于窗平面的观察者在横式模式下的标称两眼间位置对应的光学窗382、384、386。图43B至图43D示出随着观察者向右移动，窗386的强度可降低，而窗388的强度可相应地增加，直到图43E中窗386消失，而窗388的强度达到最大值。有利的是所述显示器的标称照度可在观察者移动期间增加，同时最小化背光源的功耗。

图44A至图44E是示意图，示出了采用图33C所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在竖直方向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33C所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第一控制方法的两个光学窗。这样的布置在显示器的纵式取向上更为普遍。因此光学窗390、392可以灰度的方式过渡到窗390、394。对于每个观察者位置380，通过调整被布置成提供相应光学窗390、392、394的光源的相对光通量可保持所述显示器照度。

图45A至图45E是示意图，示出了采用图33C所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在竖直方向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33C所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第二控制方法的两个光学窗。在正常的连续操作下，图45B至图45E的窗391、393和图45A的窗390、392中显示峰值窗发光强度。在典型的操作中，这样的可维持较长时间可靠操作的峰值强度例如受限于热管理方面的考虑。然而，对于短时间(例如不到一秒的时间)，发光强度可由于短时间内受限的加热约束而有所增加。因此，窗390可在短时间内被过度驱动，而窗392、394在相同的时间段分别斜降和斜升。与图44A至图44E的布置相比，相应光学窗切换期间的照度可以保持在更高的精度，同时最大限度地提高显示器亮度。

可能期望的是扩大显示器的纵向观察自由度。

图46A至图46C是示意图，示出了采用图33C所示的显示器布置时，光学窗发光强度相对在纵向上移动的观察者在窗平面中的位置的曲线图，图33C所示的显示器布置包括处于锁住位置、用于第二控制方法的两个光学窗。随着观察者从窗平面106移开，需要显示的LED的数量会增加。因此窗390、392的峰值强度可降低，而窗396、398可被引入。有利的是，显示器从更大范围的观察位置均可见。

图47是示意图，其示出了在广角或者低照度定向模式下运行的定向显示器。显示设备250可包括空间光调制器48，被布置成照亮空间光调制器48的整个区域的背光源100。控制系统504被布置成根据用于显示图像的输入图像数据控制空间光调制器48的透射率，所述图像可包括至少第一区域500和第二区域502。

如上所述，定向显示器与传统非定向显示器相比，对于给定的功耗能够在有限的观察锥内实现高显示器照度。可能期望的是用此性能实现增强的图像显示特性。尤其可能期望的是，实现相比于背景图像区域具有非常高照度的图像区域以吸引观察者并使其保持关注，例如用于广告应用。

图48是示意图，其示出了在高照度定向模式下运行的定向显示器。在此模式下，显示器被布置成使得感知到的区域502的照度比区域500中的照度高。

控制系统504被布置成控制背光源100的亮度，控制系统504被布置成至少在与图47对应的第一模式和与图48对应的第二模式下运行。

在第一模式下，控制系统504被布置成控制背光源100的亮度，使其达到第一亮度水平，并且根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器48的在整个图像500上均相同的透射率之间的关系，控制空间光调制器48的透射率。

在第二模式下，控制系统504被布置成控制背光源100的亮度，使其达到比第一亮度水平更高的第二亮度水平，并且根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器的在所述图像的不同区域有所不同的透射率之间的关系，控制空间光调制器48的透射率。换言之，如图48所示，在第二模式下背光源亮度提高；这种提高增强了整个显示区域的输入照度。然而，对空间光调制器48的灰度控制进行调整，以使区域500和区域502的输出照度不同。这样，区域506的照度可以比区域502以外的区域500的照度高得多。

另外，在第二模式下，控制系统504可被布置成根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器48在图像的至少一个被加亮区域502中的透射率之间的关系(该关系与第一模式下的所述关系相同)，来控制空间光调制器48的透射率。控制系统504还可被布置成根据输入图像数据利用输入数据与空间光调制器48在图像的至少一个未被加亮区域500中的透射率之间的关系(该关系被比例缩放后的峰值透射率比第一模式下的所述关系的峰值透射率低)，来控制空间光调制器48的透射率。

因此第二模式下所感知的照度特性例如γ和峰值照度对于区域500可以是相同的，所述所感知的照度特性与第一模式下的区域500的照度特性相同。

图49是示意图，其示出了在第一模式诸如广角或低照度定向模式下输出图像灰度508相比输入图像灰度510的曲线图。输入灰度和输出灰度可例如在0至255范围内变化，并且两者间的关系可如曲线518所示为线性或者可具有一些其他形状如S型曲线516。

图50是示意图，其示出了在第二模式诸如高照度定向模式下输出图像灰度508相比输入图像灰度510的曲线图。在未被加亮区域500中，照度曲线526或528可被应用于灰度映射函数，而在被加亮区域502中，相同曲线516或518可按在第一模式中所使用的情况来应用。输入数据与空间光调制器48在图像的至少一个未被加亮区域中的透射率之间的关系被按比例缩小，缩小后的峰值透射率比第一模式下的所述关系的峰值透射率低，降低因子等于第二亮度水平与第一亮度水平的比值。被加亮区域502和未被加亮区域500之间的峰值亮度的比例缩放可由线512表示。在此输出灰度下，具有峰值照度特性的像素的输出照度被设置为由峰值输入照度灰度映射得到。

图51是示意图，其示出了用于定向显示系统的控制系统，所述定向显示系统被布置成提供照度未改的第一图像区域和具有高照度的第二授权图像区域。一种用于控制显示设备的方法可包括：在第一模式下控制背光源100的亮度，使其达到第一亮度水平；以及根据用于显示图像的输入图像数据利用输入数据与空间光调制器48的在整个图像500上均相同的透射率之间的关系，控制空间光调制器48的透射率，所述显示设备包括空间光调制器48和被布置成照亮所述空间光调制器48的整个区域的背光源100。因此，提供了图像输入步骤550和判定步骤552，以确定要求第一模式还是第二模式。所述要求可以是用户选择的方式，也可来自内容提供商例如广告商。如果要求第一模式，则在步骤554中可不修改所述图像，而在步骤556中可将亮度设置为第一水平。所述图像数据和亮度水平可分别被导向到图像控制器74和背光源控制器72。

在第二模式下，所述方法可包括控制背光源100的亮度，使其达到比第一亮度水平更高的第二亮度水平，以及根据用于显示图像的输入图像数据利用输入数据与空间光调制器48的在所述图像的不同区域有所不同的透射率之间的关系，控制空间光调制器48的透射率。因此在步骤552可选择第二模式，而在步骤558，可将所述图像的第一区域和第二区域的输入数据和输出透射率之间的关系改为不同。另外在步骤560，可控制背光源100的亮度来提供比第一模式的水平高的第二水平。

如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或项目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。项目之间的此类相关性在大约0％至10％的范围内。

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。

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。

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过程和结构。

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发明的任何权利要求中所列出的实施例。具体来说并且以举例的方式，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一新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求的限制来阐述多个实施例，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，此类权利要求的范围应根据本发明基于权利要求本身来考虑，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims

1.一种定向背光源设备，所述定向背光源设备包括：

波导，所述波导包括用于沿所述波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及

被布置成在跨所述波导的横向方向上的不同输入位置处产生所述输入光的光源阵列，

所述波导还包括反射端，用来将输入光反射回穿过所述波导，所述第二引导表面被布置成将从所述反射端反射后的光偏转

穿过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成在输出方向上将所述输出光导向到光学窗中，所述输出方向根据所述输入光的所述输入位置在横向方向上分布；以及

传感器系统，所述传感器系统被布置成检测观察者头部位置；以及

控制系统，所述控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，以便将光导向到相邻光学窗的对应组中，采用的方式为：根据检测到的观察者头部位置，所述组中所述光源的组成特性变化，并且就给定组的光源来说，所述光源的光通量变化。

2.根据权利要求1所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：就给定组的光源来说，所述光源的所述光通量跨所述检测到的观察者头部位置的过渡范围变化。

3.根据权利要求2所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：跨所述检测到的观察者头部位置的所述过渡范围，将新光源作为所述组的组成部分来操作，所述新光源的光通量随着所述检测到的观察者头部位置朝与所述新光源对应的所述输出方向移动而增大。

4.根据权利要求3所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：跨所述检测到的观察者头部位置的所述过渡范围，操作位于所述组的与所述新光源相对的末端处的光源，所述光源的光通量随着所述检测到的观察者头部位置朝与所述新光源对应的所述输出方向移动而减小。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的定向背光源设备，其中所述控制系统被布置成选择性地操作相邻光源组，采用的方式为：跨所述检测到的观察者头部位置的紧邻所述过渡范围的范围，所述组中所述光源的所述组成特性和所述光通量保持不变。

6.根据权利要求1所述的定向背光源设备，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包括多个光提取结构特征以及位于所述光提取结构特征之间的中间区域，所述光提取结构特征被取向为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，所述中间区域被布置成将光引导穿过所述波导。

7.根据权利要求6所述的定向背光源设备，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，其包括作为所述光提取结构特征的小平面、以及所述中间区域。

8.根据权利要求6或7所述的定向背光源设备，其中所述光提取结构特征在所述横向方向上具有正光焦度。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的定向背光源设备，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是基本上平坦的并且以一定角度倾斜以在打破所述全内反射的方向上导向光，以用于穿过所述第一引导表面输出光，并且

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。

10.根据权利要求1至4、6或7中任一项所述的定向背光源设备，其中所述反射端在所述横向方向上具有正光焦度。

11.一种显示设备，所述显示设备包括：

根据权利要求1至4、6或7中任一项所述的定向背光源设备；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成接收来自所述波导的所述第一引导表面的所述输出光并对所述输出光进行调制，从而显示图像。

12.根据权利要求11所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述控制系统被进一步布置成控制所述透射式空间光调制器以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地来选择性地操作相邻光源组，以将所显示的左图像和右图像导向到位于与观察者左右眼对应的位置处的相邻光学窗的相应组中。