CN106200339B - 薄膜型受控观看窗口背光单元以及使用其的薄平型受控观看窗口显示器 - Google Patents

薄膜型受控观看窗口背光单元以及使用其的薄平型受控观看窗口显示器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄膜型受控观看窗口背光单元和使用其的薄平面型受控观看窗口显示器。本发明提出一种薄膜型背光单元，包括：具有宽度和长度的基膜，所述基膜包括高折射膜和叠置在所述高折射膜上的低折射膜；入射图案，设置在所述基膜的底表面的一侧处；反射图案，设置在所述基膜的底表面的与所述一侧相距所述长度的相对侧处，并且覆盖所述相对侧的所述宽度；光辐射图案，设置在所述基膜的上表面上；全息膜，用于控制设置在所述光辐射图案上的观看窗口；和光源，所述光源与所述入射图案分离开，并将入射光提供至所述入射图案。

Description

薄膜型受控观看窗口背光单元以及使用其的薄平型受控观看 窗口显示器
本申请要求2014年9月30日提交的韩国专利申请No.10-2014-0132075的权益，在此出于通用目的通过参考将其全部并入本文。
技术领域
本发明涉及薄膜型受控观看窗口背光单元以及使用其的薄平型受控观看窗口显示器(Controlled Viewing Display，或者“CVD”)。尤其是，本发明涉及采用全息技术的薄膜型受控观看窗口背光单元以及使用其的薄平型受控观看窗口显示器。
背景技术
目前，正在积极开发用于制造和再现3D(三维)图像/视频的很多种技术和研究。由于涉及3D图像/视频的媒体是一种用于虚拟现实的新概念媒体，因此它能更好地改善视频信息，且将引领下一代显示设备。传统的2D图像系统仅仅提供投射到平面图上的图像和视频数据，但是3D图像系统能向观众提供全实像。因此，3D图像/视频技术是仿真(TrueNorth)图像/视频技术。
典型地，存在再现3D图像/视频的三种方法：立体法、全息术方法、和全景成像(integral imaging)方法。在这些方法中，全息术方法使用了激光束，从而能够用裸眼观看3D图像/视频。因为全息术方法在不给观看者带来任何疲劳的情况下具有出色的视觉立体特性，所以全息术方法是最理想的方法。
为了产生图像中的每个点处的光波相位的记录，全息术使用参考光束，该参考光束与来自场景或物体的光(物光束)相组合。如果这两个光束是相干的，那么参考光束与物光束之间的光干涉由于光波的叠加而产生可记录在标准摄影胶片上的一系列强度干涉条纹。这些条纹在胶片上形成一种衍射光栅，称为全息图。全息术的中心目标是，当所记录的光栅(grating)稍后被替代参考光束照亮时，原始的物光束被重构(或再现)，从而产生3D图像/视频。
当根据现有技术使用全息技术实施显示系统时，由于从光源发出的光强度遵循高斯分布，因此获得均匀分布的亮度是非常困难的。此外，当来自光源的入射光具有倾斜入射角度以降低引起图像噪声的高阶衍射分量时，可能会降低激光器(LASER)的准直度(collimation degree)。
为了解决现有技术的缺陷，存在一些对于获得如下背光单元BLU的研究：即使入射光具有用于降低高阶衍射分量的倾斜角度，所述背光单元BLU也能够保持入射光的准直度。例如，提出了使用准直透镜的系统。图1A是示出使用准直透镜提供准直光束的背光单元BLU的示意性结构的图。
参考图1A，通过将点光源30设置在光源位置、并将准直透镜CL定位在远离光源30的焦距位置，可通过准直透镜CL将从点光源30发出的光形成为准直光束。在非眼镜型显示系统中，该准直光束可用作参考光束。
但是，在全息显示系统的大部分情况下，优选的是，参考光束按照朝向元件入射表面的相对于垂直方向的倾斜角度，入射到衍射光学元件中。其原因在于，由于诸如全息膜之类的衍射元件可能产生第0模式图像和/或第1模式图像，并且它们可能会成为全息图像中的噪声，因此应当减少或者消除第0模式图像和/或第1模式图像。为此，使入射参考光束形成有入射角度是减少或消除这些噪声的简单方式。
例如，点光源30的位置可偏移到任意一侧，以得到图1A中所示的背光单元中的入射角度。图1B是示出使用其中准直光束具有入射角度的准直透镜来产生准直光束的背光单元BLU的示意性结构的图。
参考图1B，点光源30可从光轴130偏移或者移动到上侧，使得朝向透镜CL中心的相对于光轴的入射角度可以为α。然后，理论上，如图1B中的虚线所示，准直光束具有相对于光轴130的入射角度α。但是，在实际情况下，由于诸如球面像差之类的物理特性，实际光路可能不是准直的，或者说可能不会与入射角度α平行，如图1B中的实线所示。结果，来自背光单元BLU的光束可能不会均匀入射到期望区域和/或期望方向上，而是不均匀地分布在衍射元件的入射表面上。
作为用于解决该问题的一种方法，提出了一种可通过将棱镜片与准直透镜组合来控制光方向的背光单元。下文中，参考图2，将简要解释这种光方向可控的背光单元。图2是示出根据现有技术的提供方向可控的准直光束的背光单元的示意性结构的图。
根据现有技术的光方向可控的背光单元BLU包括准直透镜CL，设置在准直透镜CL一侧的点光源30，以及设置在准直透镜CL另一侧的棱镜片PS。点光源30可以是能够将光从一点辐射至各径向方向的任一种光源。为了将来自点光源30的所有光中的大部分辐射至准直透镜CL，在点光源30的背面侧还包括镜子(未示出)。
优选的是，可将点光源30设置在准直透镜CL的焦平面上。特别是，更优选的是，可将点光源30设置在连接在准直透镜CL中心点和准直透镜CL焦平面的中心点之间的光轴130上。
准直透镜CL可将从点光源30辐射出的光变成准直光束100。也就是说，准直后的光束100可辐射到与光轴130平行的一个方向。准直透镜CL可包括任一种光学透镜，诸如菲涅尔透镜。
优选将棱镜片PS定位成跨过准直透镜CL而与点光源30相对。棱镜片PS可以按照相对于光轴130倾斜的一定角度α来折射光方向。通过棱镜片PS，可保持准直光束100的平行特性，且可将准直光的传播方向重定向为以相对于光轴130的α角度向下。结果，棱镜片PS能将准直光束100变成受控的准直光束200。棱镜片PS可包括Fresnel棱镜片。
使用这些背光单元的全息显示系统能应用到全息3D显示器或者受控观看窗口显示器等。特别是，受控观看窗口显示器能够应用到各种显示系统。
对于一个实例，由于能够控制观看窗口，因此可将它应用到其中仅将显示信息呈现给特定人的安全显示系统中。对于另一个实例，可将它应用到其中可将不同视频数据提供至不同位置(或者“观看区域”)的多观看显示系统。而且，由于可分别将左眼图像和右眼图像提供至左眼和右眼而没有任何干扰，因此能设计完美的3D显示器。
图3是示出根据现有技术的受控观看窗口显示器的示意性结构的图。参考图3，根据现有技术的受控观看窗口显示器包括呈现视频数据的显示面板LCP和背光单元BLU。显示面板LCP可以是使用背光系统的平板显示器，诸如液晶显示面板。受控观看窗口显示器将在显示面板LCP上呈现的显示信息提供至特定区域(或者“特定观看窗口”)。为了控制观看窗口，需要能控制背光辐射区域的背光单元BLU。例如，背光单元BLU可以是采用如图2中所示的光控制系统的系统。
在具体实例中，根据现有技术的用于受控观看窗口显示器的背光单元BLU可包括光源LED，透镜LEN，反射板REF和全息膜HOE。为了应用全息技术，优选使用高度准直的光束。因此，优选的是，光源LED可以是激光器或者LED激光器。对于光源LED是常用发光二极管的情况，可进一步包括准直透镜LEN以获得准直光束。全息膜HOE是用于使用准直光以使得背光辐射至特定观看区域。通过将背光作为参考光束辐射到全息膜HOE，可将背光提供至显示面板LCP，其中所述背光的辐射区域能根据全息膜HOE的记录图案来控制。
为了开发大面积受控观看窗口显示器，应将与大面积显示面板LDP对应的大面积全息膜HOE设置在大面积显示面板LDP的背面侧。而且，可包括反射板REF以将从光源LED辐射出的且通过准直透镜LEN准直后的背光发送至大面积全息膜HOE。
如上所述，受控观看窗口显示器应包括用于光学上会聚和分散光的透镜LEN和反射板REF。因此，为了提供高度准直的光，应当存在用于确保足够光路的物理空间。也就是，背光单元BLU应当需要大体积的空间。由于根据现有技术的受控观看窗口显示器往往具有大体积空间和很重的重量，因此难以应用于各种显示系统。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的是提出一种提供准直光的超薄膜型受控观看窗口背光单元。本发明的另一目的在于提供一种薄膜型受控观看窗口显示器，其具有超薄膜型受控观看窗口背光单元。
为了实现上述目的，本发明提出了一种薄膜型背光单元，其包括：具有宽度和长度的基膜，所述基膜包括高折射膜和叠置在所述高折射膜上的低折射膜；入射图案，设置在所述基膜的底表面的一侧处；反射图案，设置在所述基膜的底表面的与所述一侧相距所述长度的相对侧处，并且覆盖所述相对侧的所述宽度；光辐射图案，设置在所述基膜的上表面上；全息膜，用于控制设置在所述光辐射图案上的观看窗口；和光源，所述光源与所述入射图案分离开第一焦距，并将入射光提供至所述入射图案。
在一个实施例中，所述背光单元还包括反射层，覆盖所述基膜的除了所述入射图案和所述反射图案之外的底表面。
在一个实施例中，所述入射图案包括配置成将所述入射光转换成扩展光的全息图案，其中所述入射光垂直进入到所述入射图案的表面上，其中所述扩展光具有大于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射临界角度的折射角度，并被扩展为与所述宽度对应。
在一个实施例中，所述扩展光传播通过所述反射图案并进入高折射膜。
在一个实施例中，所述反射图案包括全息图案，所述全息图案被配置成将所述扩展光转换成反射角度小于所述折射角度且大于所述低折射膜和空气之间界面处的全反射临界角度的准直光，并覆盖所述宽度。
在一个实施例中，所述准直光的一些部分被所述光辐射图案衍射，优选被全息图案衍射，并从所述低折射膜向外辐射到自由空间。
在一个实施例中，所述光源被配置成倾斜，以便从相对于垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光而成的多种倾斜角度之中选择一种入射角度。
在一个实施例中，所述光源包括n个光源，其中所述n个光源中的每一光源分别提供垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光，且其中所述入射图案包括n种入射图案，其中所述n种入射图案中的每种入射图案分别具有与所述n个光源中的每一光源相对应的入射点，其中所述入射图案中的每种入射图案将垂直进入到所述入射图案的表面上的每条入射光衍射至一偏转角度。
在一个实施例中，所述背光单元还包括：光吸收图案，设置在设置有所述入射图案的所述一侧处的所述光辐射图案的上方，其中所述光吸收图案的长度与所述入射图案的长度相适配，其中所述光吸收图案的内端侧被设置在如下位置：在该位置处，所述入射光的折射角度等于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射角度，其中所述光吸收图案的外端侧被设置在所述入射图案的内端侧和所述高折射膜的外端之间。
而且，本发明提出了一种受控观看窗口显示器，包括：平板显示面板；和背光单元，包括：光源，设置在所述平板显示面板的背面侧；导光膜，设置在所述光源和所述平板显示面板之间以面对所述平板显示面板，并将从所述光源入射到入射点中的入射光转换成覆盖所述平板显示面板的整个表面的背光；和全息膜，用于控制来自所述导光膜的所述背光的光学特性。
在一个实施例中，所述导光膜包括：具有宽度和长度的基膜，所述基膜包括高折射膜和叠置在所述高折射膜上的低折射膜；入射图案，设置在所述基膜的底表面的一侧处；反射图案，设置在所述基膜的底表面的与所述一侧相距所述长度的相对侧处，并且覆盖所述相对侧的所述宽度；和光辐射图案，设置在所述基膜的上表面上，其中所述光源将入射光提供至所述入射图案。
在一个实施例中，所述入射图案包括配置成将所述入射光转换成扩展光的全息图案，其中所述入射光垂直进入到所述入射图案的表面上，其中所述扩展光具有大于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射临界角度的折射角度，并被扩展为与所述宽度对应。
在一个实施例中，所述反射图案包括全息图案，所述全息图案被配置成将所述扩展光转换成反射角度小于所述折射角度且大于所述低折射膜和空气之间界面处的全反射临界角度的准直光，并覆盖所述宽度。
在一个实施例中，所述准直光的一些部分被所述光辐射图案衍射，优选被全息图案衍射，并从所述低折射膜向外辐射到自由空间。
在一个实施例中，所述光源被配置成倾斜，以便从相对于垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光而成的多种倾斜角度之中选择一种入射角度。
在一个实施例中，所述光源包括n个光源，其中所述n个光源中的每一光源分别提供垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光，且其中所述入射图案包括n种入射图案，其中所述n种入射图案中的每种入射图案分别具有与所述n个光源中的每一光源相对应的入射点，其中所述入射图案中的每种入射图案将垂直进入到所述入射图案的表面上的每条入射光衍射至一偏转角度。
在一个实施例中，所述受控观看窗口显示器还包括：光吸收图案，设置在设置有所述入射图案的所述一侧处的所述光辐射图案的上方，其中所述光吸收图案的长度与所述入射图案的长度相适配，其中所述光吸收图案的内端侧被设置在如下位置：在该位置处，所述入射光的折射角度等于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射角度，其中所述光吸收图案的外端侧被设置在所述入射图案的内端侧和所述高折射膜的外端之间。
在一个实施例中，所述受控观看窗口显示器还包括：选择性扩散片，设置在所述全息膜和所述平板显示面板之间，或者设置在所述全息膜和所述导光膜之间。
在一个实施例中，所述受控观看窗口显示器还包括：设置在所述导光膜下方的导光板；和设置在所述导光板的一侧处的边缘型光源。
本发明提出了一种采用全息技术的超薄膜型背光单元，全息技术可容易地应用到非自发光平板显示器，诸如液晶显示器。因此，可以提出一种具有高准直背光的薄膜型全息显示器。具体地，本发明提出了一种超薄膜型背光单元，用于各种类型全息显示器诸如受控观看窗口显示器。受控观看窗口显示器可应用于各种显示器包括非眼镜型显示器、多观看显示器或者安全显示器。本发明提出了用于液晶显示器的薄膜型背光单元，其使得显示器更薄、功耗更低且发光效率更高。
附图示出
包括附图以提供本发明的进一步理解，且附图结合到本示出书中并构成示出书的一部分，附图示出了本发明的实施例且与该描述一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1A是示出使用准直透镜提供准直光束的背光单元BLU的示意性结构的图。
图1B是示出使用其中准直光束具有入射角度的准直透镜来产生准直光束的背光单元BLU的示意性结构的图。
图2是示出了根据现有技术的提供方向可控的准直光束的背光单元的示意性结构的图。
图3是示出根据现有技术的受控观看窗口显示器的示意性结构的图。
图4是示出根据本发明的受控观看窗口显示器的示意性结构的透视图。
图5是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的结构的透视图。
图6是示出根据本发明一个实施例的图5中所示的超薄导光膜的结构的平面图。
图7是示出根据本发明一个实施例的图5中所示的超薄导光膜的结构的放大侧视图。
图8是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的光路的放大侧视图，在该光路中，进入到入射图案中的光被转换成X-Z平面中的扩展光。
图9是示出根据本发明一个实施例的导光膜的图8中所示的在X-Y平面中的扩展光的光路的平面图。
图10是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的光路的放大侧视图，在该光路中，进入到反射图案的扩展光被转换成X-Z平面中的准直光，并从超薄导光膜的上表面射出。
图11是示出导光膜的在X-Y平面中的准直光的光路的平面图。
图12是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的受控观看窗口显示器的在X-Y平面中的结构的侧视图图。
图13是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的非眼镜型3D显示器的第一实例的在Y-Z平面中的结构的侧视图。
图14是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的非眼镜型3D显示器的第二实例的在Y-Z平面中的结构的侧视图。
图15是示出非眼镜3D显示器的在X-Z平面中的结构的侧视图，该显示器包括使用根据图7的导光膜的3D背光单元、和在3D背光单元下方的具有边缘型光源和导光板的2D背光单元，以用于选择2D模式和3D模式。
图16是示出根据本发明另一实施例的超薄导光膜的结构的放大侧视图。
图17是示出根据本发明另一实施例的图16中所示的超薄导光膜的结构的平面图。
具体实施方式
参考附图，我们将解释本发明的优选实施例。贯穿具体描述相同参考数字表示相同元件。但是，本发明不限于这些实施例，而是可应用于各种变化或修改而不超出技术精神。在下文实施例中，考虑到便于解释选择元件名称，使得其与实际名称不同。
以下，参考图4，我们将解释关于根据本发明第一实施例的受控观看窗口显示器。图4是示出根据本发明的受控观看窗口显示器的示意性结构的透视图。
参考图4，根据本发明实施例的受控观看窗口显示器包括显示面板LCP和设置在显示面板LCP背面侧的背光单元BLU。显示面板LDP可以是使用背光单元BLU的液晶显示面板。图4作为透视图，示出了大部分元件具有较厚厚度，以方便展示该结构。但是，实际上，背光单元BLU能够由超薄膜型元件制成。
背光单元BLU包括超薄导光膜LGP。优选的是，超薄导光膜LGF的上方(或前方)的大表面与平板显示面板LCP的背面侧相面对。在超薄导光膜LGF的下(或背)表面上的彼此面对的两个侧面处，分别设置一个全息图案。由于导光膜LGF的厚度非常薄，因此在这种情况下，优选光源LS被设置在导光膜LGF的背侧表面处。
导光膜LGF可将从诸如激光器或者发光二极管之类的点光源LS辐射出的光改变为具有与导光膜LGF表面相对应的辐射表面的表面光源，并将其提供至显示面板LCP。对于具体结构，将在我们稍后解释背光单元BLU时提及。
在导光膜LGF的前侧，设置用于接收背光的辐射区域的全息膜HOE。在全息膜HOE处具有衍射图案，该衍射图案将辐射到全息膜HOE中的背光转换至预定区域，即观看窗口VW。衍射图案的记录是非常公知的，因此我们将不进行解释。
当受控观看窗口显示器可应用到其中可选择一般模式和受控观看窗口模式的显示器中时，可进一步设置在透明模式和散射模式之间切换的选择性分散片DIF。当选择所述选择性分散片DIF的透明模式时，来自全息膜HOE的所有光都穿过选择性分散片DIF。结果，来自全息膜HOE的背光转换至由全息膜HOE限定的预定观看窗口区域。此外，当选择所述选择性分散片DIF的散射模式时，由全息膜HOE准直后的背光会被散射，从而丧失准直特性。结果，该背光可以成为用在一般液晶显示器中的背光。
有利地，图4示出了将选择性分散片DIF设置在全息膜HOE和显示面板LCP之间。但是，一些情况下，选择性分散片DIF可被设置在全息膜HOE和薄膜型波导片SWG之间。可根据用户选择来选定所述选择性分散片DIF的位置，以使得背光保持准直特性或者丧失准直特性时。
而且，优选地，根据本发明受控观看窗口显示器包括眼睛跟踪器ET。眼睛跟踪器ET用于跟踪观看者的位置(特别是观看者的眼睛)，从而它将观看者的当前位置提供至能够控制背光的辐射方向的背光单元。当观看者位置改变时，眼睛跟踪器ET能够检测观看者的新位置，并将新位置提供至背光单元。然后，背光单元可控制背光的辐射方向，以便能够在校正观看者眼睛的位置的情况下提供背光。当我们解释背光单元BLU时，将提及关于怎样控制背光的辐射方向的具体解释。
以下，我们将解释受控观看窗口显示器是怎样工作的。显示器面板LCP可呈现各种视频图像和/或信息。背光单元BLU可提供背光，该背光将辐射区域控制在特定观看窗口VW区域内。然后，仅根据由背光单元BLU提供的背光，在受控观看窗口VW区域内提供由显示面板LCP呈现的视频图像和/或信息。
对于一个实例，受控观看窗口显示器可应用到3D显示系统。在第一帧，显示面板LCP可呈现一个左眼图像。此时，背光单元BLU可提供背光，该背光的观看窗口被控制为具有与人类一只眼睛的尺寸相对应的观看窗口尺寸。而且，眼睛追踪器ET可检测观看者的当前位置。通过使用观看者当前位置的信息，背光单元BLU可控制观看窗口VW的投射方向以便聚焦到观看者的左眼。然后，可以仅将左眼图像提供至观看者的左眼。
在下一(第二)帧，显示面板LCP可呈现一个右眼图像。此时，背光单元BLU可提供背光，该背光的观看窗口VW被控制为具有与人类一只眼睛的尺寸相对应的尺寸。而且，眼睛追踪器ET可检测观看者的当前位置。通过使用观看者当前位置的信息，背光单元BLU可控制观看窗口VW的投射方向以便聚焦到观看者的右眼。然后，可以仅将右眼图像提供至观看者的右眼。通过设计为如此工作，受控观看窗口显示器能应用到3D图像显示器而不需要目前为了实现3D显示系统所使用的快门眼镜或者偏振眼镜。
当受控观看窗口显示器用于3D模式时，优选将选择性分散片DIF选择为透明模式。但是，当选择性分散片DIF被切换到散射模式时，不控制视频图像和/或信息的观看窗口VW，从而使得它们能够在显示面板LCP前方的所有方向上辐射。也就是说，显示面板LCP可提供2D视频图像和/或信息。如上所述，根据设计者的意图，选择性分散片DIF可被设置在全息膜HOE的前侧或背侧。在显示系统仅用于3D显示系统的一些情况下，可不包括选择性分散片DIF。
对于另一实例，受控观看窗口显示器可应用到多观看显示系统。在第一帧，显示面板LCP可呈现第一种视频图像和/或信息。同时，背光单元BLU可提供背光，该背光的观看窗口VW被控制为具有与人脸尺寸对应的尺寸。而且，眼睛追踪器ET可检测位于显示面板LCP左侧的观看者的当前位置。然后，背光单元BLU可控制观看窗口VW的投射方向以便聚焦到位于显示面板LCP左侧的观看者。然后，可仅将第一种图像和/或信息提供至左侧观看者。
在下一帧，显示面板LCP可呈现第二种视频图像和/或信息。同时，背光单元BLU可提供背光，该背光的观看窗口VW被控制为具有与人脸尺寸对应的尺寸。而且，眼睛追踪器ET可检测位于显示面板LCP右侧的观看者的当前位置。然后，背光单元BLU可控制观看窗口VW的投影方向以便聚焦到位于显示面板LCP右侧的观看者。右侧观看者可远离左侧观看者至少一人胸部的宽度。然后，可仅将第一种图像和/或信息提供到右侧观看者。
当使用受控观看窗口显示器的多观看显示系统是以多观看模式激活时，优选的是，选择性分散片DIF处于透明模式。由此，可仅将第一种视频图像提供至第一人，而仅将第二种视频图像提供至第二人。此外，当选择性分散片DIF被选择为处于散射模式时，可在不具有受控观看窗口的情况下提供视频图像，从而显示器可在其中将视频图像共同提供至所有人的正常模式下使用。如上所述，根据设计者的意图，选择性分散片DIF可被设置在全息膜HOE的前侧或后侧。在显示系统仅用于多视看显示系统的一些情况下，可不包括选择性分散片DIF。
参考图5至11，我们将解释根据本发明的超薄导光膜LGF的结构。特别是，该解释主要关注超薄导光膜LGF的结构以及与光源LS的关系。首先，参考图5至7，我们将解释超薄导光膜LGF的结构。图5是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的结构的透视图。图6是示出根据本发明一个实施例的图5中所示的超薄导光膜的结构的平面图。图7是示出根据本发明一个实施例的图5中所示的超薄导光膜的结构的放大侧视图。
参考图5至7，根据本发明一个实施例的超薄导光膜LGF包括用于引导背光的基膜WG，其中基膜WG是薄膜型光导介质或者波导介质。基膜WG可包括在表面结合或者彼此叠置的高折射膜HR和低折射膜LR。特别是，低折射膜LR叠置在高折射膜HR上。此处，“上”、“上方”、“前”或“上侧”的意思是背光从超薄导光膜LGF最终射出的方向，即向着平板显示面板LCP的光方向。
而且，在低折射膜LR的上表面上，可包括光辐射图案RF。例如，可贴附光衍射膜，或者可将光衍射层沉积在低折射膜LR的上表面上。或者，可将光栅图案叠置在低折射膜LR的上表面上，或者将光栅图案直接形成在低折射膜LR的上表面上。
此外，在高折射膜HR的背表面上，可沉积反射层RE，以覆盖全部表面的除了入射图案CHOE和反射图案RHOE的区域之外的大部分表面。反射层RE反射在高折射膜HR和低折射膜LR之间的界面处全反射并从高折射膜HR背表面处射出的光，使得该光返回到高折射膜HR。高折射膜HR的背表面是与空气的界面，从而大部分光可被全反射。为了消除光泄露，可将反射层RE沉积在高折射膜HR的背表面处。但是在导光膜LGF保持透明特性的一些情况下，反射层RE不是必要元件，而是可选元件。
优选的是，基膜WG是具有与显示面板LCP的形状和尺寸对应的表面区域的矩形。在基膜WG的一侧，设置入射图案CHOE，用于接收来自光源LS的光。在基膜的与所述一侧相对的另一侧，设置反射图案RHOE。用于接收光的入射图案CHOE优选与光源LS直接面对。优选地，入射图案CHOE和反射图案RHOE可设置在基膜WG的背表面上。换句话说，优选将它们贴附在高折射膜HR背表面上的一侧和相对侧处。
光源LS可以是点光源(如激光器)或是微表面光源(如发光二极管(LED)或者发光二极管激光器)。在现有技术中，使用LED阵列，其中将多个LED排列成线。在这种情况下，由于LED的数量，存在热量问题且能量效率低。
在本发明中，通过使用最少数量的光源，可解决热量问题且能保证高能量效率。例如，在本发明的一个实施例中，薄膜型背光单元可包括仅仅一个用于光源LS的白光LED。或者，在垂直方向、水平方向或者三角形方向上排列红光LED、绿光LED和蓝光LED，以形成光源LS，使得光源LS可提供白光。对于高亮度薄膜型背光单元的情况，或者对于用于多种目的的多个光源的情况，可使用多个白光LED。对于其他情况，可使用多个单LED组，其中单LED组可包括红光LED、绿光LED和蓝光LED。为了方便，在一个优选实施例中，我们将解释使用一个白光LED的情况。
光源LS可被设置成与贴附在基膜WG的背表面的一侧处的入射图案CHOE面对。在图中，光源LS被设置成远离入射图案CHOE预定距离。但是，根据设计者意图，光源LS可被设置成与入射图案CHOE非常近。从光源LS辐射的光可经由入射点LI进入到入射图案CHOE中。特别是，光可垂直进入到高折射膜HR的底表面(沿着“Z”轴)。
在本发明中，优选的是将光源LS的数量最小化。入射图案CHOE可被设置成覆盖基膜WG的一侧的整个宽度。优选的是，入射图案CHOE具有最佳或者最小宽度。对于便携式显示器，一个光源LS可能就足够了。但是，对于大面积显示器(比如30英寸或更大的电视机)，可能需要多个光源LS以实现更好性能。入射图案CHOE用于扩展来自点光源的光以便对应于反射图案RHOE的宽度。因此，考虑到光扩展效率，优选的是，选择光源LS的数量并控制入射图案CHOE的尺寸。
入射图案CHOE从设置在基膜WS的一侧处的光源LS接收光，并将光发送至设置在基膜WS的相对侧处的反射图案RHOE。导光膜LGF优选将背光辐射为在整个表面上均匀分布。因此，入射图案CHOE将来自光源LS的光扩展和/或分散成覆盖基膜WG的宽度的扩展光。因此，优选的是，入射图案CHOE可以是全息图案，其中从光源LS朝向光入射点LI的光被扩展或分散为与相对侧对应的宽度。
进入到入射图案CHOE的光作为扩展光被辐射至基膜WG的相对侧。特别是，扩展光具有如下入射角度的光路：在该入射角度下，光在高折射膜HR和低折射膜LR之间的界面处全反射。优选地，入射图案CHOE优选为全息图案，来自光源LS的光被该全息图案扩展为基膜WG的相对侧的宽度，并在高折射膜HR中具有全反射的入射角度。
通过经由基膜WG的重复全反射，来自入射图案CHOE的光行进至设置在基膜WG的相对侧的反射图案RHOE。进入到反射图案RHOE的光可被转换成在超薄导光膜LGF的整个表面上分布的准直光。因此，反射图案RHOE优选是全息图案，该全息图案将扩展光转换成具有与基膜WG宽度对应的宽度的准直光。
当由反射图案RHOE反射的光具有与高折射膜HR中全反射的入射角度相同的反射角度时，在高折射膜HR和低折射膜LR之间的全反射重复发生。结果，任何光都不会从超薄导光膜LGF泄漏。因此，来自反射图案RHOE的光具有如下入射角度：在该入射角度下，在高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射被破坏。因此，反射图案RHOE优选是满足准直条件和全反射破坏条件的全息图案。
然后，参考图8至11，我们将解释来自光源LS的光如何进入导光膜LGF，以及背光如何从超薄导光膜LGF上表面射出。首先，我们将解释从光源LS至入射图案CHOE的光路。图8是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的光路的放大侧视图，在该光路中，进入到入射图案中的光被转换成X-Z平面中的扩展光。图9是示出根据本发明一个实施例的导光膜的图8中所示的在X-Y平面中的扩展光的光路的平面图。
参考图8，来自光源LS的入射光100进入到入射图案CHOE中，该入射光100沿着X-Z平面的Z轴而与入射图案CHOE的表面垂直。而且，通过记录在入射图案CHOE处的全息图案，入射光100被折射到高折射膜HR中，该高折射膜HR是基膜WG的下部层。此处，在高折射膜HR和低折射膜LR之间的界面处，折射光200的折射角度θ优选大于全反射(或TR)的临界角度。即，入射图案CHOE优选具有如下全息图案：其中折射角度满足条件θ>TRatHR-LR。例如，入射图案CHOE可以是具有如下干涉图案的全息光学膜，该干涉图案是通过使用入射光100作为参考光束、并使用折射光200作为物光束记录的。
结果，在X-Z平面上，入射光100被转换成折射光200，然后进入到高折射膜HR中。折射光200在高折射膜HR的上表面处被反射，然后作为全反射光300再次进入到高折射膜HR。全反射光300可在高折射膜HR底表面处被反射，在高折射膜HR和空气之间的界面处被全反射，然后作为反射光400再次进入到高折射膜HR。当在高折射膜HR底表面的外部进一步包括反射层RE时，如图8中所示，全反射光300也可被反射层RE反射，然后作为反射光400再次进入到高折射膜HR中。像这样，入射光100被转换成扩展光FOL，并进入到设置在相对侧上的反射图案RHOE。
参看图9的X-Y视图，进入到设置在导光膜LGF一侧处的入射图案CHOE的光入射点LI的入射光100，作为扩展(或分散)光FOL进入到反射图案RHOE。例如，入射光100可以是从光源LS(具有小截面积的激光器或者激光器LED)辐射的平面波光。通过记录在入射图案CHOE上的全息衍射图案，入射光100可变成根据反射图案RHOE的宽度而被扩展和/或分散的扩展光FOL，所述反射图案RHOE是以从一侧到相对侧的距离L设置的。图9中所示的虚线表示：在任一点垂直进入到入射图案CHOE上的光是与反射图案RHOE相对应地扩展的。
因此，记录在入射图案CHOE上的全息衍射图案可满足高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的对于平面波光的全反射条件，并且可转换该光，以便与反射图案RHOE的宽度对应地扩展和/或分散该光。例如，写在入射图案CHOE上的衍射图案可以是干涉图案，该干涉图案是按以下方式记录的：使用来自激光器或者激光器LED的沿Z轴的平面波光作为参考光束，并使用具有相对于Z轴的入射角度θ、并被扩展到从一侧到相对侧相距距离L的反射图案RHOE的扩展光FOL作为物光束。
以下，参考图10和11，我们将通过反射图案RHOE解释光路。图10是示出根据本发明一个实施例的超薄导光膜的光路的放大侧视图，在该光路中，进入到反射图案的扩展光被转换成X-Z平面中的准直光，并从超薄导光膜的上表面射出。图11是示出导光膜的在X-Y平面中的准直光的光路的平面图。
参考图10，扩展光FOL经由高折射膜HR进入到反射图案RHOE中。具体地，由高折射膜HR的底表面或者设置在高折射膜HR下方的反射层RE反射的光400进入到高折射膜HR的顶表面。然后，它变成全反射光300，随后进入到高折射膜HR中。它进入到反射图案RHOE的上表面。此处，扩展光FOL进入到反射图案RHOE的入射角度大于高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射的临界角度。也就是说，扩展光FOL的入射角度与全反射光300的反射角度θ相同。
通过写在反射图案RHOE上的衍射光学图案，将进入到反射图案RHOE的全反射光300转换成再反射光500，然后返回到高折射膜HR中。此处，再反射角度α小于高折射膜HR和低折射膜LR之间界面的全反射角度。由此，再反射光500从高折射膜HR射出。高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射条件被破坏。因此，一些再反射光500被折射到低折射膜LR中，其他再反射光500被反射到高折射膜HR中。此处，优选的是，再反射角度α大于低折射膜LR的上表面处的全反射的临界角度。
也就是说，反射图案RHOE优选是满足条件TRatLR-air<α<TRatHR-LR的全息图案。例如，反射图案RHOE可以是具有干涉图案的全息膜，所述干涉图案是以全反射光300作为参考光束、并以再反射光500作为物光束写入的。
在X-Z平面的视图中，全反射光300被反射图案RHOE转换成再反射光500，然后进入到高折射膜HR中。再反射光500在高折射膜HR的上表面处被折射或者被反射，使得一些进入到低折射膜LR中，而其他进入到高折射膜HR中。实际上，在高折射膜HR的上表面处存在非常复杂的光学现象。为了便于解释，我们将其处理为在高折射膜HR的上表面处破坏了全反射，且所有光进入到低折射膜LR。而且，进入到低折射膜LR的所有光实际上都被折射，但是，由于当低折射膜LR的厚度非常薄时，折射角度不具有重要意义，因此在图中未示出被折射的光路。
再次进入到低折射膜LR中的再反射光500被转换成再进入光600。再反射光500在低折射膜LR的上表面、低折射膜LR和空气之间的界面处被全反射。当然，再进入光600在高折射膜HR和低折射膜LR之间的界面处被折射和反射。此处，为方便起见，我们将其处理为将再进入光600示为进入到高折射膜HR中。
也就是说，由反射图案RHOE产生的再反射光500在低折射膜LR的上表面处被全反射，然后被转换成进入到低折射膜LR和高折射膜HR中的再进入光600。然后，再进入光600再次被高折射膜HR的底表面反射，然后被转换成再反射光500。因此，再反射光500从所述的相对侧进入到所述的一侧。通过这样做，由反射图案RHOE反射的光传播到设置有光源LS的所述一侧。
在上述过程期间，对于将光辐射图案RF(诸如光栅图案)设置在低折射膜LR的上表面上的情况，一些再反射光500被低折射膜LR的上表面全反射，而与光辐射图案RF的衍射效率成正比的其他再反射光500从低折射膜LR射出，使得它们作为背光OT被辐射到显示面板LCP。例如，当光辐射图案RF的衍射效率为5％时，该5％的再反射光500将成为辐射到超薄导光膜LGF外部的背光OT。95％的再反射光500作为再进入光600被全反射，然后返回到超薄导光膜LGF中。接下来，在95％的再反射光500当中，5％成为辐射到超薄导光膜LGF外部的背光OT，95％会返回到超薄导光膜LGF中。重复这些过程，背光OT从超薄导光膜LGF的上表面辐射。
而且，优选的是，光辐射图案RF可以是全息图案，通过该全息图案，背光OT辐射到导光膜LGF的表面的外部。如图10中所示，再反射光500具有相对于Z轴的入射角度，并从低折射膜LR的上表面射出。此处，优选的是，全息图案使得背光OT的辐射方向尽可能接近Z轴。对于光辐射图案RF是光栅图案的情况，用于光栅图案的材料可具有用于使得背光OT的辐射方向接近Z轴的特性。
而且，再反射光500和再进入光600可作为准直光传播通过超薄导光膜LGF。例如，如图11中所示，在X-Y平面上，由反射图案RHOE产生的反射光优选是从导光膜LGF的所述相对侧向所述一侧传播的准直光COL。
因此，记录在反射图案RHOE上的全息图案可包括衍射图案，通过该衍射图案，扩展光FOL在低折射膜LR和空气之间界面处被全反射，并且被转换成覆盖导光膜LFG宽度的准直光。例如，记录在反射图案RHOE上的衍射图案可以是使用扩展光FOL作为参考光束、并使用准直光COL作为物光束的干涉图案。优选的是，扩展光FOL被扩展为与反射图案RHOE的宽度相对应、且具有入射角度θ，并且准直光COL具有相对于Z轴的折射角度α、并覆盖超薄导光膜LGF(或者反射图案RHOE)的宽度。
在上述本发明的一个实施例中，穿过入射图案CHOE的入射光100能够通过入射图案CHOE的折射，并以大于高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射角度的角度，进入到高折射膜HR中。但是，在实际条件下，并不能在任何时候都确保这种结果。例如，当产生入射光100的光源LS不是理想的点光源，而是具有发散特性的发光二极管时，可能不是所有入射光100都被辐射到入射图案CHOE的中心点即入射点LI上。这种情况下，可能发生不希望的光泄露。为了防止光泄露，我们建议本发明的另一实施例，如下文。
以下，参考图16和17，我们将解释本发明另一实施例。图16是示出根据本发明另一实施例的超薄导光膜的结构的放大侧视图。图17是示出根据本发明另一实施例的图16中所示的超薄导光膜的结构的平面图。
除了在根据本发明的一个实施例的图5至9中解释的超薄膜型导光膜LGF之外，根据本发明另一实施例的超薄膜型导光膜还包括光吸收图案LA。参考图16，不是所有入射光100都被辐射到入射图案CHOE的中心点上，而是一些入射光100被辐射到入射图案CHOE的周边区域上。这种情况下，入射光100可能并不是以小于高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射角度的折射角度来折射的。结果，折射角度小于全反射角度的进入到高折射膜HR中的一些折射光200可能进入到低折射膜LR中，使得其中一些折射光可能经由光辐射图案RF而射出低折射膜LR。为了阻挡在入射图案CHOE上发生的这些光泄露，可将光吸收图案LA设置在入射图案CHOE上方的光辐射图案RF上。
参考图16，优选的是，可以将光吸收图案LA的内端侧设置在点P3处，在该点P3处可能会出现折射角度等于高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射角度的折射光200。而且，优选的是，可将光吸收图案LA的外端侧设置在点P1和点P2之间的任一点处。此处，点P1是高折射膜HR的端侧，点P2对应于入射图案CHOE的内端侧。换句话说，优选的是，光吸收图案LA的宽度具有与点P2和点P3之间距离对应的最小宽度，以及与点P1和点P3之间距离对应的最大宽度。
参考图17，光吸收图案LA的长度优选具有与入射图案CHOE的长度对应的最小长度。而且，光吸收图案LA的最大长度优选与高折射膜HR的宽度对应。
如图16和17中所示地移动光吸收图案LA的位置，可以阻挡和/或吸收由折射光200引起的泄漏光，折射光200的折射角度小于高折射膜HR的上表面处的全反射角度。结果，根据另一实施例的导光膜能仅使用满足全反射条件的光，从而能够提供背光而不存在任何光泄露。
根据本发明的背光单元可包括具有最小所需数目的光源LS。而且，它包括具有彼此叠置的高折射膜HR和低折射膜LR的超薄膜型导光膜LGF，贴附到一侧上的入射图案CHOE，以及贴附在另一侧上的反射图案RHOE。将光源LS设置在导光膜LGF的底表面下方，可以最小化背光单元BLU的厚度。此外，将背光单元的大部分元件形成为薄膜型，可以开发出可用于柔性显示器的柔性背光单元。
特别是，本发明使用全息技术，以便能提供与辐射方向平行准直的、且截面积与导光膜LGF的表面对应的背光。而且，通过将限定背光的观看窗口的全息膜HOE设置在导光膜上方，能应用于各种类型的显示器，诸如非眼镜型显示器或者多观看显示器。
以下，我们将解释多观看显示器，其中采用了根据本发明的超薄膜型背光单元。参考图4和12，我们将解释用于通过倾斜光源LS的状态以改变入射光入射到入射点上的入射角度，来控制背光传播方向的方法。图12是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的受控观看窗口显示器的在X-Y平面中的结构的侧视图。
在导光膜LGF的底表面下方，光源LS提供入射光100。光源LS可沿着与入射点LI上的入射图案CHOE表面垂直的Z轴提供入射光100。在这种情况下，能够通过设置在导光膜LGF上方的全息膜HOE，来控制观看窗口，然后可将背光辐射到显示器中心部分的预定窗口区域内。也就是说，能够仅在背光辐射的中心区域CA处检测或观测到在显示面板LCP上呈现的视频图像。
此外，当在Y-Z平面上以预定角度将光源LS倾斜至左侧方向以将入射光100提供至导光膜LGF的入射图案CHOE时，背光可辐射到从中心区域CA向左侧方向偏移的左侧区域LA上。此处，背光的偏移量可通过光源LS的倾斜角度来控制，该倾斜角度是在Y-Z平面上的入射角度。通过相似方法，当在Y-Z平面上以预定角度将光源LS倾斜至右侧方向以将入射光100提供至导光膜LGF的入射图案CHOE时，背光可辐射到从中心区域CA向右侧方向偏移的右侧区域RA上。
当显示面板LCP呈现三种不同的视频图像时，通过与每一图像的帧周期同步地控制光源LS的倾斜角度，可以将三种视频图像分别提供至三个不同的人。例如，当显示面板LCP呈现用于中心区域CA的第一视频图像时，可将光源LS控制成辐射与入射图案CHOE表面垂直的入射光100，从而仅能够在中心区域CA处检测到第一视频图像。当显示面板LCP呈现用于左侧区域LA的第二视频图像时，可将光源LS控制成辐射通过相对于入射图案CHOE的法线向左倾斜而得到的入射光100，从而仅能够在左侧区域LA处检测到第二视频图像。此外，当显示面板LCP呈现用于右侧区域LA的第三视频图像时，可将光源LS控制成辐射通过相对于入射图案CHOE的法线向右倾斜而得到的入射光100，从而仅能够在右侧区域RA处检测到第三视频图像。
以下，我们将解释其中采用了根据本发明的超薄膜型背光单元的非眼镜型显示器。存在几种类型的全息3D显示器。对于非眼镜型3D显示器的第一实例，参考图4和13，我们将解释通过倾斜光源LS的状态以改变入射光入射到入射点上的入射角度，来控制背光传播方向的方法。图13是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的非眼镜型3D显示器的第一实例的在Y-Z平面中的结构的侧视图。
在导光膜LGF的下表面下方，光源LS提供入射光100。在导光膜LGF和显示面板LCP之间，设置用于控制观看窗口的全息膜HOE。在此，优选的是，由全息膜HOE控制的观看窗口尺寸可对应于一只人眼的宽度。
当在Y-Z平面上以预定角度将光源LS倾斜至左侧方向以将入射光100提供至导光膜LGF的入射图案CHOE时，背光可辐射到从垂直中心线向左侧方向偏移的左眼区域LE上。此处，背光的偏移量可通过光源LS的倾斜角度来控制，该倾斜角度是在Y-Z平面上的入射角度。通过相似方法，当在Y-Z平面上以预定角度将光源LS倾斜至右侧方向以将入射光100提供至导光膜LGF的入射图案CHOE时，背光可辐射到从垂直中心线向右侧方向偏移的右眼区域RE上。
当显示面板LCP呈现左眼图像时，通过将光源LS倾斜至左侧方向，可仅在观看者的左眼区域LE上提供左侧图像。当显示面板LCP呈现右眼图像时，通过将光源LS倾斜至右侧方向，可仅在观看者的右眼区域RE上提供右眼图像。
即使图中未示出，对于用于非眼镜型3D显示器的第一实例的另一应用，可以包括用于每一眼区域的单个光源。例如，可包括左眼光源和右眼光源。可将左眼光源安装为相对于Y-Z平面中的Z轴以预定角度向左倾斜。可将右眼光源安装为相对于Y-Z平面中的Z轴以预定角度向右倾斜。这种情况下，当显示面板LCP呈现左眼图像时，仅左眼光源打开。当显示面板LCP呈现右眼图像时，仅右眼光源打开。由此，可实现非眼镜型3D显示器。
当实现3D显示器时，可根据观看者的数量以及屏幕与观看者之间的距离，不同地限定左眼区域和右眼区域。因此，优选的是，分别准备用于左眼图像的左光源和用于右眼图像的右光源。由此，能够根据观看者的状况而正确地改变用于左眼图像的最佳观看窗口和用于右眼图像的最佳观看窗口。在这一方面，由于可根据状况快速地改变倾斜角度以提供最佳观看窗口，因此用于非眼镜型3D显示器的第一实例的另一应用是更优选的。
对于用于非眼镜型3D显示器的第二实例，包括取决于观看窗口的多个光源，并且包括与每个光源对应的多个入射图案以提供具有不同辐射方向的多个背光。图14是示出使用根据本发明的图7中所示的导光膜的非眼镜型3D显示器的第二实例的在Y-Z平面中的结构的侧视图。
在非眼镜型3D显示器的第二实例中，可向不同方向分别呈现不同类型的视频图像(左眼图像和右眼图像)。因此，包括与不同类型的视频图像的数量相对应的多个光源和多个入射图案。具体地，当视频图像的类型数目是“n”，则包括n个光源和n个入射图案。以下，我们解释非眼镜型3D显示器，因此视频图像的类型是2种，一种是左眼视频图像，另一种是右眼视频图像。也就是说，n是2。当然，这也可应用到n大于2的多观看显示器。
参考图14，导光膜LGF包括设置在高折射膜HR的底表面下方的左侧入射图案CHL和右侧入射图案CHR。在导光膜LGF下方，设置用于将左侧入射光100提供至左侧入射图案CHL的左侧光源LL和用于将右侧入射光120提供至右侧入射图案CHR的右侧光源RL。在导光膜LGF和显示面板LCP之间，可设置用于控制观看窗口的全息膜HOE。此处，优选的是，由全息膜HOE控制的观看窗口的尺寸与一只人眼的宽度对应。
左侧光源LL可提供与左侧入射图案CHL的表面垂直的左侧入射光110。而且，右侧光源RL可提供与右侧入射图案CHR的表面垂直的右侧入射光120。在左侧入射图案CHL处记录的全息衍射图案可具有如下功能：将左侧入射光110扩展和/或分散为与反射图案RHOE对应的宽度，并且对满足高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射条件的左侧入射光110进行折射。而且，在穿过左侧入射图案CHL之后，左侧入射光110可以在Y-Z平面内以第一偏转角度β1折射。具体地，在左侧入射图案CHL上写的衍射图案可以是以如下方式记录的干涉图案：使用来自激光器或激光器LED的沿着Z轴的平面波光作为参考光束，并使用具有相对于Z轴的入射角度θ和第一偏转角度β1并被扩展到从一侧至相对侧相距距离L的反射图案RHOE的扩展光FOL作为物光束。
左侧入射光100在X-Z平面中与Z轴平行，但是它在Y-Z平面中具有第一偏转角度β1。结果，当背光被反射图案RHOE再反射、并且从光辐射图案RF射出时，背光在Y-Z平面中可具有相对于Z轴的第一偏转角度β1。然后，背光可辐射到左眼区域LE内，左眼区域LE是被全息膜HOE左向控制的观看窗口。
在右侧入射图案CHR处记录的全息衍射图案可具有如下功能：将右侧入射光120扩展和/或分散为与反射图案RHOE对应的宽度，并且对满足在高折射膜HR和低折射膜LR之间界面处的全反射条件的右侧入射光120进行折射。而且，在穿过右侧入射图案CHR之后，右侧入射光120可以在Y-Z平面内以第二偏转角度β2折射。具体地，在右侧入射图案CHR上写的衍射图案可以是以如下方式记录的干涉图案：使用来激光器或激光器LED的沿着Z轴的平面波光作为参考光束，并使用具有相对于Z轴的入射角度θ和第二偏转角度β2并被扩展到从一侧至相对侧相距距离L的反射图案RHOE的扩展光FOL作为物光束。
右侧入射光120在X-Z平面中与Z轴平行，但是它在Y-Z平面中具有第二偏转角度β2。结果，当背光被反射图案RHOE再反射、并且从光辐射图案RF射出时，背光可在Y-Z平面中具有相对于Z轴的第二偏转角度β2。然后，背光可辐射到右眼区域RE内，右眼区域RE是被全息膜HOE右向控制的观看窗口。
当显示面板LCP呈现左眼图像时，可以仅打开左侧光源LL。当显示面板LCP呈现右眼图像时，可以仅打开右侧光源RL。因此，将左眼图像和右眼图像分别提供至观看者的左眼区域LE和右眼区域RE。该3D显示系统是非眼镜3D显示系统，它不需要快门眼镜或者偏光眼镜。
通过使用根据本发明的受控观看窗口背光单元，能够开发多观看显示器和/或非眼镜型3D显示器。对于这些特定目的显示器，优选的是能够切换一般模式和特定模式。例如，对于3D显示器，优选的是，用户可自由选择他/她是使用3D模式显示器还是2D模式显示器。
以下，我们解释本发明中如何选择一般模式和特定模式。如图4的解释中所提及的，通过使用分散片DIF，可根据用户需求选择一般模式和特定模式(受控观看窗口模式)。参考图15，我们将解释另一实例。图15是示出非眼镜3D显示器的在X-Z平面中的结构的侧视图，该显示器包括使用根据图7的导光膜的3D背光单元、和在3D背光单元下方的具有边缘型光源和导光板的2D背光单元，以用于选择2D模式和3D模式。
参考图15，根据本发明应用实例的显示器包括选择性地以一般模式提供2D视频图像/信息和以受控观看窗口模式提供特定视频图像/信息的平板型显示面板LCP。在平板型显示面板LCP下方，包括根据本发明的受控观看窗口背光单元。根据本发明的受控观看窗口背光单元包括用于受控观看窗口的全息膜HOE、设置在全息膜HOE下方的导光膜LGF以及用于受控观看窗口的光源。由于我们已经解释了根据本发明的受控观看窗口背光单元，因此将不再重复相同解释。
在根据本发明的受控观看窗口背光单元下方，可进一步包括用于一般模式即2D模式的边缘型背光单元。边缘型背光单元包括导光板LG和设置在导光板LG一侧处的边缘型光源ELS。导光板LG可具有与平板型显示面板LCP的显示区域的形状和尺寸相对应的形状和尺寸。
导光板LG可与导光膜LGF的中心部分对应，但除了设置有入射图案CHOE和反射图案RHOE的两侧部分的一些区域以外。此外，优选的是，边缘型光源ELS被设置成不与用于受控观看窗口的光源LS交叠。由于用于受控观看窗口的光源LS是被设置在导光膜LGF的入射图案CHOE下方，因此可将边缘型光源ELS设置在三个侧边当中不具有入射图案CHOE的任一侧边处。为了便利，图15示出了其中将边缘型光源ELS设置在反射图案RHOE下方的情况。
根据本发明的导光膜LGF的大部分优选具有透明特性，但除了入射图案CHOE和反射图案RHOE之外。因此，当边缘型背光单元工作时，来自边缘型背光单元的背光仅穿过导光膜LGF，从而显示面板可用在2D模式下。即使用于受控观看窗口的全息膜HOE设置在导光膜LGF上，来自边缘型背光单元的背光也不会受全息膜HOE影响，从而它们将会像原来那样穿过。
当平板型显示面板LCP呈现2D模式视频图像/信息时，边缘型背光会被激活，使得显示器可在一般模式下操作。当平板型显示面板LCP呈现特定视频图像/信息(诸如3D图像或多观看图像)时，受控观看窗口背光单元会被激活，使得显示器在特定模式下操作。
虽然已经参考附图具体描述了本发明的实施例，但是，本领域技术人员将理解，本发明可以其他具体方式实施而不需改变本发明的技术精神和主要特征。因此，应当注意，前述实施例在所有方面仅为举例说明性的，且不认为其限制本发明。本发明的范围由所附权利要求而非本发明的具体描述限定。认为在权利要求含义和范围内的所有变化和修改或其等价物都落入本发明的范围。

Claims (16)

1.一种背光单元，包括：
具有宽度和长度的基膜，所述基膜包括高折射膜和叠置在所述高折射膜上的低折射膜；
入射图案，设置在所述基膜的底表面的一侧处；
反射图案，设置在所述基膜的底表面的与所述一侧相距所述长度的相对侧处，并且覆盖所述相对侧的所述宽度；
光辐射图案，设置在所述基膜的上表面上；
全息膜，用于控制设置在所述光辐射图案上的观看窗口；和
光源，所述光源与所述入射图案分离开第一焦距，并将入射光提供至所述入射图案，
其中所述入射图案包括配置成将所述入射光转换成扩展光的全息图案，
其中所述入射光垂直进入到所述入射图案的表面上，
其中所述扩展光具有大于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射临界角度的折射角度，并被扩展为与所述宽度对应，以及
其中所述反射图案包括全息图案，所述全息图案被配置成将所述扩展光转换成反射角度小于所述折射角度且大于所述低折射膜和空气之间界面处的全反射临界角度的准直光，并覆盖所述宽度。
2.如权利要求1所述的背光单元，还包括：
反射层，覆盖所述基膜的除了所述入射图案和所述反射图案之外的底表面。
3.如权利要求1所述的背光单元，其中所述扩展光传播通过所述反射图案并进入高折射膜。
4.如权利要求1所述的背光单元，其中所述准直光的一些部分被所述光辐射图案衍射，并从所述低折射膜向外辐射到自由空间。
5.如权利要求4所述的背光单元，其中所述光辐射图案是全息图案。
6.如权利要求1所述的背光单元，其中所述光源被配置成倾斜，以便从相对于垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光而成的多种倾斜角度之中选择一种入射角度。
7.如权利要求1所述的背光单元，其中所述光源包括n个光源，其中所述n个光源中的每一光源分别提供垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光，且
其中所述入射图案包括n种入射图案，其中所述n种入射图案中的每种入射图案分别具有与所述n个光源中的每一光源相对应的入射点，
其中所述入射图案中的每种入射图案将垂直进入到所述入射图案的表面上的每条入射光衍射至一偏转角度。
8.如权利要求1所述的背光单元，还包括：
光吸收图案，设置在设置有所述入射图案的所述一侧处的所述光辐射图案的上方，
其中所述光吸收图案的长度与所述入射图案的长度相适配，
其中所述光吸收图案的内端侧被设置在如下位置：在该位置处，所述入射光的折射角度等于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射角度，
其中所述光吸收图案的外端侧被设置在所述入射图案的内端侧和所述高折射膜的外端之间。
9.一种受控观看窗口显示器，包括：
平板显示面板；和
背光单元，包括：
光源，设置在所述平板显示面板的背面侧；
导光膜，设置在所述光源和所述平板显示面板之间以面对所述平板显示面板，并将从所述光源入射到入射点中的入射光转换成覆盖所述平板显示面板的整个表面的背光；和
全息膜，用于控制来自所述导光膜的所述背光的光学特性，
其中所述导光膜包括：
具有宽度和长度的基膜，所述基膜包括高折射膜和叠置在所述高折射膜上的低折射膜；
入射图案，设置在所述基膜的底表面的一侧处；
反射图案，设置在所述基膜的底表面的与所述一侧相距所述长度的相对侧处，并且覆盖所述相对侧的所述宽度；和
光辐射图案，设置在所述基膜的上表面上，
其中所述光源将入射光提供至所述入射图案，
其中所述入射图案包括配置成将所述入射光转换成扩展光的全息图案，
其中所述入射光垂直进入到所述入射图案的表面上，
其中所述扩展光具有大于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射临界角度的折射角度，并被扩展为与所述宽度对应，
其中所述反射图案包括全息图案，所述全息图案被配置成将所述扩展光转换成反射角度小于所述折射角度且大于所述低折射膜和空气之间界面处的全反射临界角度的准直光，并覆盖所述宽度。
10.如权利要求9所述的受控观看窗口显示器，其中所述准直光的一些部分被所述光辐射图案衍射，并从所述低折射膜向外辐射到自由空间。
11.根据权利要求10所述的受控观看窗口显示器，其中所述光辐射图案是全息图案。
12.如权利要求10所述的受控观看窗口显示器，其中所述光源被配置成倾斜，以便从相对于垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光而成的多种倾斜角度之中选择一种入射角度。
13.如权利要求10所述的受控观看窗口显示器，其中所述光源包括n个光源，其中所述n个光源中的每一光源分别提供垂直进入到所述入射图案的表面上的入射光，且
其中所述入射图案包括n种入射图案，其中所述n种入射图案中的每种入射图案分别具有与所述n个光源中的每一光源相对应的入射点，和
其中所述入射图案中的每种入射图案将垂直进入到所述入射图案的表面上的每条入射光衍射至一偏转角度。
14.如权利要求9所述的受控观看窗口显示器，还包括：
光吸收图案，设置在设置有所述入射图案的所述一侧处的所述光辐射图案的上方，
其中所述光吸收图案的长度与所述入射图案的长度相适配，
其中所述光吸收图案的内端侧被设置在如下位置：在该位置处，所述入射光的折射角度等于所述高折射膜和所述低折射膜之间界面处的全反射角度，
其中所述光吸收图案的外端侧被设置在所述入射图案的内端侧和所述高折射膜的外端之间。
15.如权利要求9所述的受控观看窗口显示器，还包括：
选择性扩散片，设置在所述全息膜和所述平板显示面板之间，或者设置在所述全息膜和所述导光膜之间。
16.如权利要求9所述的受控观看窗口显示器，还包括：
设置在所述导光膜下方的导光板；和
设置在所述导光板的一侧处的边缘型光源。
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