CN106415342A - 可切换背光单元 - Google Patents

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Abstract

提供了用于背光单元的各实施例。在一个示例中，背光单元包括：光导，其被配置成在位于该光导的端处的第一光接口处接收光并经由位于该光导的面处的第二光接口输出光；以及多个光源，其被配置成在第一光接口处将光注入光导。该示例背光单元还包括梯度折射率膜，其被配置成从光导的第二光接口接收光、使从接受角范围内入射在梯度折射率膜上的接收到的光均匀化并且不使从接受角范围外入射在梯度折射率膜上的光均匀化、以及将经均匀化的光定向到眼框。

Description

可切换背光单元
背景
背光单元可被用来通过以一定范围的角度将漫射光定向到显示面板来照亮该面板。光被定向到显示面板的角度可以限定观看者可感知显示在显示面板上的图像的观看角度的范围。
概述
公开了与在所定义的角范围内提供均匀光强度的高效背光单元相关的各实施例。在一个示例中，背光单元包括：光导，其被配置成在位于该光导的端处的第一光接口处接收光并经由位于该光导的面处的第二光接口输出光；以及多个光源，其被配置成在第一光接口处将光注入光导。该示例背光单元还包括梯度折射率膜，其被配置成从光导的第二光接口接收光、使从接受角范围内入射在梯度折射率膜上的接收到的光均匀化并且不使在接受角范围外入射在梯度折射率膜上的光均匀化、以及将经均匀化的光定向到眼框。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。而且，所要求保护的主题不限于解决该公开的任一部分中所注的任何或全部缺点的实现方式。
附图简述
图1A示意性地解说经由示例显示设备的窄观看模式对视觉内容的显示。
图1B示意性地解说经由图1A的示例显示设备的宽观看模式对视觉内容的显示。
图2示意性地示出示例背光系统和调制显示面板的侧视图。
图3和4示意性地示出配置成以宽和窄观看模式来输出光的示例背光系统。
图5A-5C示出用于窄模式和两个示例宽模式的示例眼框。
图6示出配置成漫射并均匀化光的示例梯度折射率膜层。
图7示出解说操作显示设备的示例方法的流程图。
图8示出示例计算设备的框图。
图9A-9G示出用于创建宽和窄模式眼框的集中器的示例配置。
图10解说用于窄和宽观看模式的示例角输出轮廓。
图11A和11B解说用于单片式背光单元配置的示例光学堆叠。
图12A和12B解说用于单片式显示配置的示例光学堆叠。
图13解说示例背光系统的重定向元件的示例重定向元件层。
详细描述
如上所述，背光可被配置成以相对于显示面板的各种入射角(AOI)(低或高)来提供照明。来自背光单元的光的强度分布可在显示面板前接近Lambertian。这样的背光可通过以任何角度重新散射以达到均匀性来利用混合光的自由。
然而，在其中需要有限集光率(etendue)作为到显示面板的输入的实现中，这样的重新散射可能不再有利，并且一些其他机制可被用来维持对角宽度的约束，同时达到可接受的均匀性水平。体积散射漫射器可由于向后散射而将过多散射引入较高角度。这可造成角退出轮廓中“肩部”形式的背景水平的增加。表面凹凸漫射器可帮助降低退出轮廓中的这样的高角光，但也可导致所需低观看角(相对于显示屏的法线)内的不可接受的低均匀性，因为当在名义观看距离处观看时，光强度的衰减被映射到视野(FOV)。通过层压多个表面凹凸漫射器来形成的漫射器可帮助沿z方向(在显示屏的图像面法向)提供某种混合水平，但可能没有跨观看角范围创建所需平顶强度轮廓。
跨观看区的平顶强度轮廓连同到没有向其递送光的区域的急剧转变可能难以用传统漫射器来达到，因为难以使用传统漫射器在退出角轮廓的边缘处达到急剧衰减。这可使得对于低到中集光率背光场景而言难以同时达到高均匀性和高效率。另外，当前受限的集光率背光单元可能不包括漫射功能性。此外，观看区与非观看区之间的光强度的急剧转变可能难以只经由漫射来达到。
因而，本文公开了被配置成经由利用漫射功能性以及还利用引导均匀化的背光单元提供在眼框区域内的相对平角的光强度轮廓以及在眼框区域的边缘处的强度急剧转变的各实施例，如下文更详细地解释的。将理解，术语“眼框区域”等表示在其中可看到经由背光显示面板所显示的图像的角区域。尽管眼框可被认为是可在其中看到显示面板的空间体，但限定该眼框的界限的角范围可被认为是由角区域的范围来限定的。
在一些情况下，显示设备的用户可能希望限制眼框的角范围以提供私人或窄角观看模式。在其他情况下，较大眼框可能适合于提供公共或宽观看模式，诸如在群体观看活动期间，其中多个观看者以相对于显示面板的较宽角范围围绕该显示面板来定位。相应地，本文还公开了与经由可切换背光单元提供具有不同眼框的多个观看模式相关的各实施例。窄观看角度或模式的非限制性示例是+/-30°角区域。
图1A示意性地描绘示例观看环境100，并解说了经由示例显示器102以窄角观看模式显示内容。如图所示，显示器102被包括在膝上型计算机内。在其他实施例中，显示器可以容纳在其他类型的设备外壳中(例如，台式计算设备、智能电话、平板，等等)，或与提供图像数据的计算设备分开地容纳，如潜在地在电视机或计算机监视器的情况下。
显示器102可以在本文中称为私人观看模式的模式中操作，在该模式中，所显示的内容可由用户108容易地观看但不能由人110A和110C辨别。在所示示例中，显示器102输出的视觉内容包括由通用项内容(CONTENT)来表示的图像，它通常是能由用户108从观看角112B来完全辨认和感知的，用户108对视觉内容的感知由窗116B示意性地表示。相反，人110A和110B感知到大致均匀的灰色视觉内容，并且看起来缺少任何可感知文本。人110A和110C对视觉内容的感知由代表性窗116A和116C示意性地示出。在这一示例中，用户108可能正在从处于窄模式眼框内的角度112B观看显示器102，而人110A和110C分别观看显示器102的观看角112A和112C可在该窄模式眼框之外。
现在转向图1B，显示器102和/或显示器102的相关联的背光单元可被切换到公共或宽观看模式。在图1B所示的示例中，显示器102所呈现的视觉内容(例如，图像、视频，等等)可被公共地观看。在所示示例中，显示器102输出的视觉内容(同样由通用项内容来表示)可以是能由用户108以及人110A和110C完全辨认且感知的。用户108和人110A和110C对视觉内容的感知由窗116B示意性地示出，指示用户108和人110A和110C中的每一者可看到相同的视觉内容。在这一示例中，用户108和人110A和110C观看显示器102的角度112A-112C中的每一者可被包括在宽模式眼框中。
图2示出了可被用来照亮显示面板201的示例背光系统200a和200b的侧视图。在一些示例中，背光系统200a和200b各自可适于用作图1A和1B中的显示器102。背光系统200a包括具有薄端204和厚端206的楔形光导202。厚端206包括配置成接收由多个光源208(它可包括发光二极管或其他合适的光源)注入的光的光输入接口209。虽然被示为楔形光导，但将理解，光导202可以按任何合适的配置来被形成。例如，在一些应用中，光导可包括菲涅耳板，诸如具有棱柱波或楔形波提取特征以跨光导提取均匀强度对位置的光导板(LGP)。在一些实施例中，这样的特征可以被稀疏地放置。此外，在一些实现中，光输入接口也可位于楔形光导202的薄端。光导202可被配置成改变来自光源208的内发射光的角度并输出该光。这样的膜在下文更详细地描述。在光导的底表面210(即，在低折射率隔离层212正上方且与其平行地延伸的面)处的光退出接口，使得光以内发射的临界角或高于临界角退出光退出接口。将理解，光导202的各尺寸以及所描绘的光路出于解说的目的而被夸大。
来自光源208的光可穿过低折射率隔离层212和角度相关漫射层214(如下文更详细地讨论的)且到达重定向元件216a。重定向元件216a可包括一起被配置成将光朝漫射层214重定向(例如，通过反射)的反射涂层和表面轮廓，使得光回穿过漫射层214。如下文参考图6更详细地描述的，角度相关漫射层214可包括一个或多个梯度折射率漫射膜层，它们中的每一者被配置成漫射并均匀化在该漫射层处接收到的处于该层的接受立体角内的光。从接受立体角外的角度到达给定漫射层的光可以在基本上没有漫射和均匀化的情况下穿过该层。梯度折射率膜在下文更详细地描述。
低折射率隔离层212可被选择成达到内发射的所需临界角，并从而设置光退出光导202的角度。例如，低折射率隔离层212可以采取形成在光导的底面210上的覆层的形式。相应地，经由面210退出光导202的光可按角度相关漫射层的接受立体角外部的角度穿过该角度相关漫射层，由重定向元件进行重定向，并且回穿过角度相关漫射层，使得光由角度相关漫射层漫射并均匀化。退出角度相关漫射层的光可以由于来自角度相关漫射层的均匀化而形成包括具有相对平坦强度分布的区域和在边缘处的急剧强度转变的眼框。
眼框的位置和大小可以是角度相关漫射层中的折射率光栅的配置的函数，如在下文参考图6更详细地描述的。因而，不同的梯度折射率层或甚至单个层中潜在地不同的折射率光栅(其中折射率光栅沿不同方向来安排)可以结合合适的光源配置来使用以形成不同角位置处的眼框。作为一个示例，如在下文更详细地描述的，不同梯度折射率层可被用来形成窄角模式和宽角模式眼框。此外，折射率光栅的平均光栅向量可对跨角度相关漫射层的位置倾斜，以包括位置相关定点角度相关漫射器并达到每一相应模式眼框的交叠，以在距显示器的给定距离处形成眼框交叠。在这样的示例中，图2中所示的重定向元件216a和216b可包括小面相对于沿光导板(LGP)中的传播长度的位置的倾斜角偏移方面的变化，以针对沿LGP的传播长度的所有位置来偏移和重定向位置相关定点角度相关漫射器的接受度内的光，并且在距LGP的给定z距离处在包含LGP退出面的表面法线且与光传播穿过LGP的方向正交的第一平面中形成所提取的光的显著交叠。此外，所提取的光的交叠可以在既与这一第一平面正交又包含LGP退出面的表面法线的平面中形成，以在给定z距离处提供两个维度上的观看眼框的显著交叠。这样的效果可通过以径向方式弯曲重定向元件216a和216b的小面来达成，如通过具有沿小面的径向迹线的小面。通过利用相对于LGP的光注入端的凹小面半径，可使得跨LGP以给定退出角输出的所提取的光在距LGP给定z距离处会聚，并且由角度敏感漫射器来进一步均匀地漫射。
背光系统200b类似于背光系统200a，例外之处在于重定向元件216b。尽管重定向元件216a可涂有反射涂层，但重定向元件216b可包括多折射和/或总内反射转向层，与反射涂层相对。以此方式，重定向元件216b可以将光重定向而不使用反射涂层。由于散射，光能的一小部分可穿过重定向元件216b或转向层，并且如此，反射器(但非必需)可被添加以将该光反射回观看眼框区域，并且这样的反射层可以是镜面反射或漫反射。
将理解，可存在图2中解说的光学堆叠的达到基本上类似功能性的其他示例配置。例如，低折射率隔离层可包括具有低折射率的紫外线固化树脂，或者可通过在一侧上的LGP以及相对侧上的转向膜上层压薄、透明、低折射率膜(诸如FEP膜，折射通过光学透明粘合剂来粘合的一种类型的含氟聚合物膜，诸如光学透明的PSA)来形成。LGP可以是(1)在一端基本上接近零厚度且光耦合到厚端的楔形锥，诸如用于单遍LGP场景，或者可以是(2)在任一端都具有非零厚度的楔，使得光耦合到薄端，并且菲涅耳双棱镜端反射器被用来允许该楔充当双程LGP，从而允许沿楔长度的横向混合以改进所提取的输出光的均匀化，以及(3)基本上平坦的LGP，该LGP具有稀疏地间隔开的具有沿LGP的长度的恒定或可变密度的棱柱波提取特征，它可以是基于膜的背光，使得这些特征可以使用紫外线固化树脂以从母模具复制来在膜基板表面上重复。此外，LGP可包括在与提取特征相对一侧上的沿传播长度的褶皱，使得褶皱的截面可包括具有基本上接近90°夹角的棱镜阵列或者其他轮廓(诸如双凸透镜或正弦波类褶皱)，以用于在从LGP提取之前改进光的均匀化的目的。具有这样的褶皱的LGP可被定向成使得褶皱面向或背向低折射率隔离层。
对于使用面向低折射率隔离层的接近90°夹角棱镜阵列的示例，由于表面倾斜和入射在该表面处的倾斜光线角所引入的临界角的明显降低，棱镜表面所提供的入射角(AOI)可以允许更多自由来选择隔离层的折射率，使得较高折射率可被用作隔离层(对于平坦接口层而言，它将不能用于该功能)。在光部分地在棱镜小面的单个时段或褶皱内被引导时，棱镜可另外被用于在提取之前部分地均匀化光。
在一些示例中，利用具有不仅集中于横向角区域还集中于与可大约与沿LGP的传播尺寸的长度的提取位置相关的角范围相对应的正交维度的角内容的输入光是合乎需要的。对于这一场景，集中器轮廓可被进一步应用在接近LGP的耦合端的正交截面中，这样的倒锥(它将光耦合并将高角光集中到与可以在LGP的活动区域内的位置处从LGP提取的角相对应的角范围)从而改进这样的场景中的效率。此外，在这一正交维度中的集中可以依据添加到光导的输入端的曲率来提供，诸如跨输入面的厚度尺寸的抛物线集中器轮廓。关于提供具有经改进的机械稳健性的背光的选项，存在各种配置来形成单片式背光。作为一个示例，低折射率粘合层(具有比同重定向元件相邻的隔离层的折射率更低的折射率)可被添加到图2中的光学堆叠的顶部，以允许单片式背光被直接粘合到LCD显示面板的背侧，这可包括用于偏振再循环的膜，诸如3M DBEF或APF(可从明尼苏达圣保罗的3M购得)，或者可进一步是线网格偏振膜(WGF)膜，诸如WGF膜(可从日本东京的Asahi Kasei E-materials公司购得)粘合到LCD面板背侧。将理解，转向膜(诸如多次折射和TIR反射光以将光转向查看区的伪准直转向膜)的小面的尖端中的一部分可能没有用光照亮。相应地，这些尖端可被稍微变平或保持尖锐，并且直接粘附到PSA层(它足够薄以在各小面之间留下气隙)，使得小面的尖端可与下方结构层(它可以是镜面反射或漫反射)粘合。这样的结构层可包括碳复合材料薄片或其他薄但刚性的材料，以增加光学堆叠的硬度。通过利用光学堆叠可能是单片的事实，这样的进一步薄以及结构硬度可通过背光来提供，从而允许一个或多个更薄LCD面板具有较不稳健的聚合物顶层。
这样的光学堆叠的示例在图11A中解说。可任选倒锥收集器(在所示维度中)和集中器(在正交维度中)1102可被用来收集和/或集中来自光源208的光。低剖面提取特征1104可能将平均超出TIR的光泄漏到低折射率层1106，从而允许光遇到多折射TIR反射重定向元件1108a并在穿过角选择性漫射器1110之后被提取。粘合层1112在上文更详细地描述且可允许可任选的反射和/或结构加硬层1114被粘合在重定向元件1108a之下。图11B解说了利用反射涂层重定向元件1108b的类似光学堆叠。
图12A和12B示出用于单片式显示器的示例光学堆叠，并且与以上参考图11A和11B描述的那些相似的元件利用以上呈现的相同附图标记。如在图12A和12B中所示，LCD面板1202可被安排在光学粘合层1204之上，光学粘合层1204被安排在偏振膜1206之上。在图12A所示的示例中，层1208a具有比低折射率层1106更低的折射率。低剖面“泄漏”提取特征1104可被安排在层1208a之下，且可任选的平坦表面或90度棱镜阵列表面1210a可被安排在LGP的底侧上，具有沿传播长度/方向对齐的小面凹槽。在图12B所示的示例中，由于在LGP上使用棱镜阵列表面，层1208b具有比低折射率层1106更低的折射率或明显折射率。可任选平坦表面或90度棱镜表面1210b被安排在LGP的顶侧，具有沿传播长度/方向对齐的小面凹槽。表面1210b下方是低剖面“泄漏”提取特征1104。
图13解说了示例重定向元件层的不同视图。例如，在1302，重定向元件层在LGP的平面视图中被示为具有带径向弧的小面，用于在包含LGP表面法线且与传播方向(水平)正交的平面中会聚。在1304，重定向元件层被示为具有相对于沿传播方向的位置的角偏移(在侧视图中示出)，以形成包含LGP表面法线和传播方向(垂直)的平面中的会聚的。
注意，对于使用反射涂层重定向元件216a的情况，光反射离开棱镜小面，并且因而没有穿过该层，使得底表面可直接粘合到另一介质层以改进光学堆叠的硬度。在这种情况下，重定向元件216a的棱镜阵列沿传播维度的轮廓可以角偏移(如图2中所示的锯齿轮廓)，或者具有小面对称性(如三角形轮廓)，以使光能够从LGP的两端注入或在两个方向上注入，使得从光导提取到LGP下方的低折射率隔离层的光从一个方向按填隙方式照亮且由面向倾斜的一个方向的反射小面转向，并且从光导提取到低折射率隔离层的光从相对方向照亮并由面向倾斜的相对方向的小面来转向，使得光可被注入光导的一端或两端，或者在光导的一端处的端部反射器反射离开的光可被提取并朝查看区中的一者或多者转向。对于具有对称转向小面轮廓的反射涂层重定向元件216a的后一情况，LGP的表面中的至少一者上的稀疏地间隔开的提取棱柱波特征可以展现对称轮廓，作为锯齿偏移的替换方案，以接纳光提取双向性并进一步允许进入观看区的角退出轮廓的对称性。
关于偏振再循环，偏振拆分层(诸如DBEF、APF或WGF)可被放置或层压在LCD面板和单片式背光堆叠之间以将具有与LCD显示面板的输入偏振器正交的偏振态的光进行再循环，或者在一些情况下可以被结合在LGP和低折射率隔离层之间以使得所提取的光可在被提取时被充分地偏振。另外，将注意，在一些示例中，角选择性漫射层可被层压在LGP下方的低折射率隔离层和重定向元件层之间，使得光穿过该层至少两次。在补充或替换示例中，诸如通过使用低折射率光学结合层结合到显示面板的场景中，具有比LGP和重定向元件之间、显示器与LGP之间的低折射率层更低的折射率，角选择性漫射层可被层压在显示面板与上层低折射率层之间，带有或不带有用于偏振再循环的偏振膜。对于这些示例，光基本上穿过角选择性漫射层一次，除非偏振膜被用在显示面板的底部，在这种情况下，经再循环的光可穿过漫射层一次以上。
将理解，其他漫射器(诸如体积漫射器、表面凹凸漫射器、和/或层压式表面凹凸漫射器)可以与角选择性漫射器相组合以形成针对固定输出(非可切换情况)单片式BLU或上述单片式显示器的卷积输出。通过使用角选择性漫射器来提供均匀的中央眼框区域，并将这些其他漫射器之一置于LGP之上、LGP和显示面板之间，背光可以提供包括角选择性漫射器和辅漫射器的卷积的退出输出，使得固定的非可切换的输出背光可以提供用于接近中央角区域的低到中观看的均匀稳定期或近乎均匀的平顶角区域，还提供漫射光以用于中央观看区域之外的更高观看角，使得不需要旨在形成两个横向区域的角选择性漫射层，从而允许从中央观看区的边缘朝更高观看角的亮度衰减。通过利用具有椭圆角形退出锥的漫射器，观看角之一(诸如水平对垂直)可被优先地增加，从而形成高效输出，在有限中央观看区内具有高均匀性以及在该区域之外的较高角度处具有显示可见性但具有衰减，从而提供从中央到较外区域的舒适观看转变。
尽管这些漫射器的确展现出漫射强度的增加，但由于1/cosine(θ)增加对表面凹凸漫射器的角度(其中θ是入射角)且由于增加的光路对体积散射漫射器的较高角，响应可能是单调平滑的，与角选择性漫射器(它展现出漫射均匀化和非漫射传输对角度之间的更急剧的转变)的情况相比/形成对比。
图3和4示意性地示出用于与合适地安排的梯度折射率膜相组合地启用窄和宽显示模式的合适的背光系统300的一个示例的顶视图，如下文参考图6讨论的。背光系统300包括具有第一光源子集302(该附图中的阴影线)和第二光源子集304的多个光源301，第一光源子集302被配置成将具有相对宽角强度轮廓的光注入光楔303，第二光源子集304被配置成注入具有相对窄角强度轮廓的光。第二光源子集304中的每一光源包括配置成集中来自其光学耦合到的相邻光源的光的集中器306。第一光源子集302可被照亮以提供非私人模式，发出宽和窄模式角度相关漫射层两者的接受立体角内的光，而第二光源子集304可被照亮以提供私人模式，发出窄模式而非宽模式角度相关漫射层的接受立体角内的光。将理解，取决于楔的配置，光源可被安排在光楔的薄端或厚端。
如在图3和4所示，多个光源301操作地耦合到包括逻辑子系统310和存储子系统312的控制器308。存储子系统312可包括可由逻辑子系统310执行以控制光源301并驱动对宽和窄观看模式的选择的指令。逻辑和存储子系统310和312可被包括在例如图1中的计算设备104中。以下将参考图8来描述合适的逻辑和存储子系统的示例。尽管图3和4的实施例包括两个不同的光源子集，但其他实施例可以利用三个或更多个子集，取决于所需的可单独地控制的观看角范围的数目。
图5A和5B示出使用输入到背光单元的光导的不同光角度来达到的示例眼框。首先，图5A示出示例窄模式眼框502。例如，位于显示设备504前方窄模式眼框502内的区域中的用户可能够看到显示设备504的内容，而位于窄模式眼框502外部的用户在窄模式期间可不能看到显示设备504的内容。尽管光学散射器可允许某些光散射到相邻眼框，但角区域之间的急剧转变可以造成这些角区域之间的可查看性和相对亮度的显著差异。
图5B示出了例如经由图3的宽角光源的照明而形成的示例宽模式眼框506。宽模式眼框506可经由具有第一接受角范围的第一梯度折射率膜来形成，且由具有第二接受角范围的第二梯度折射率膜漫射到第一范围的任一侧，如下文更详细地描述的。
图5C示出另一示例宽模式眼框508。如图所示，宽模式眼框508包括在窄模式眼框502的任一侧的相邻区域并且省略了第一眼框的区域。这样的眼框可例如经由使用准直光楔结合照亮位于该楔的光输入接口(例如，该楔的一端，如图3所示)的左侧和右侧的光源子集并且不照亮中间的光源，且还结合适当地定向的梯度折射率膜来形成。
将理解，窄和宽模式的各种组合可被用来达成总宽模式。例如，宽模式眼框可通过只用宽模式光源或者与窄模式光源相组合地照亮光导来形成。对于总宽模式是窄加宽源的总和的后一情况，附加选项包括使用附加光学元件来将来自通常被配置成照亮中央眼框的宽光源的光重定向到横向宽眼框。因而，用于创建完整宽模式的至少三种组合包括：(1)来自不带任何重定向光学元件的光源的宽角光，使得发出到横向高角的光填充左和右眼框并且发出到低角区域的光填充中央眼框，(2)基本上同时被照亮的宽光源加窄光源，以及(3)具有附加重定向元件的宽模式光源加窄模式光源，该附加重定向元件将从宽模式光源发出的光约束到左或右接受角区域。例如，模式(3)可通过位于光导内的正在宽光源输入之后的空气棱柱形来达成，该空气棱柱形被配置成拆分低角光/将低角光只重定向到较高角区域。将理解，固定宽加窄背光(这是不可切换的)可通过将来自LED阵列的光注入直光导板(LGP)输入面来形成，从而无需集光或使用有限集中(如通过集中器，它允许低和高角光，诸如例如图9D中的集中器，具有或不具有中央转向(divet))。这样的固定宽加窄背光可被利用以降低高角范围，但将低和高角光两者注入宽和窄观看区。此外，固定纯窄背光(这也是不可切换的)可通过将来自LED阵列的光注入纯窄集中器的对应阵列(诸如图9A和9B中的集中器)来形成。
图9A-9G示出用于创建宽和窄模式眼框的不同组合的集中器的示例配置。图9A和9B解说了示例窄模式集中器选项和可被用在窄模式中的集中器的相应角输出轮廓。图9A中示出的示例包括菲涅耳或混合集中器，它具有一维轮廓且包括折射中央伪准直区域902(使用具有顶和底反射层的气隙)以及至少一个或多个折射加全内反射(TIR)反射外区域904。图9B示出了抛物线型集中器，它具有一维轮廓且包括折射中央伪准直区域906(使用具有顶和底反射层的气隙)以及至少一个或多个折射加TIR反射外区域908。
图9C和9D解说了其中宽和窄模式光源被一起照亮的模式的示例集中器选项和相应示例角输出轮廓。在此解说的集中器中的一者或多者可按填隙方式被添加在窄模式集中器(例如，以上相关于图9A和9B描述的窄模式集中器)中的一者或多者之间。亮度轮廓(例如，1:1、2:1，等等)可以基于位于窄模式集中器之间的宽加模式集中器的数目。图9C示出了具有一维的尖头轮廓以及在顶部和底部具有反射层的气隙以在气隙区域中引导光的剖面图(profiled divot)910。中央峰值能量可被重分布到较高角，从而允许图9C中所示的‘蝠翼’角退出轮廓。这一角退出轮廓与Lambertian光相比可在低角内具有降低的能量。图9D示出了具有创建TIR外区域914的TIR反射壁的剖面图912。通过添加TIR反射壁，较高退出角可被限制，以允许宽模式光高效地填充宽区域，而同时将低角光能的一部分重分布到较高退出角。
图9E-9G解说了示例纯宽模式集中器选项和相应的典型角输出轮廓。在此解说的集中器可按填隙方式被添加在窄模式集中器中的一者或多者之间(例如，以上参考图9A和9B描述的窄模式集中器)，从而利用窄集中器侧反射壁。将理解，图9B中的集中器的反射侧壁可包括非线性轮廓，诸如抛物线轮廓，或者线性扩展锥，以提供输入到窄观看模式的光的可接受的集中。图9E示出了具有圆锥和半径或者多个偏移圆锥轮廓的组合的透镜构造，以对光源的近Lambertian输出进行伪准直。相应地，退出透镜的光可以按高AOI折射到窄模式集中器的一侧，从而实质上形成高角输出。图9F示出了包括TIR透镜小面916的透镜构造。通过进一步隔离气隙区域内的高角光，并将其引导到折射侧壁，随后朝向基于TIR的菲涅耳小面引导，可相对于仅限透镜的构造达到对高角光的附加控制。图9G示出了双程反射棱镜提取构造。通过使光源背向光导输入，棱镜可被用来允许光扩展，从具有横向偏移曲率和折叠对称性的反射涂层端轮廓壁918反射，且可以按朝窄集中器的作为输入面的一侧的高AOI来提取。相应地，公平地约束的输出可被达到，如在相应典型角输出轮廓中解说的。
将理解，集中器中的任一者可沿传播方向包括倒锥或扩展楔，但在光导厚度维度上沿集中器的长度扩展，以相对于LGP的厚度的中心处的平面集中或重分布高角光，或者换言之，光角对应于接近LGP的光输入端的提取区。以此方式，光可通过设计使用高角光的集中以及提取特征的密度对沿LGP的位置这两者在沿LGP的长度的部分内被均匀地提取，以提供跨LGP的均匀性以及效率。用于窄输入耦合器的附加替换方案可包括注入到长、薄光导中的单个LED，该长、薄光导包括图2中所示的光学堆叠的一维截面，带有或不带有漫射层，它向主LGP提供输出，这样的光导具有与主LGP的厚度相匹配的厚度且光从面向LGP的输入面的长侧提取出，使得光的角特性在与LGP的退出面基本平行的平面中是窄的，并且在与LGP退出面正交且包含LGP输入面的表面法线的平面内是宽角跨度的。
图10解说了窄和宽光的示例角输出轮廓，不包括一个或多个角敏感漫射层的均匀化功能，以示出输入窄光的尖锐度与高角输入宽光的最低角之间的折中。通过折中窄集中器输出的角宽度，通过允许由于侧反射壁相对于源输出平面的倾角的降低而允许加宽，宽输入光的临界角要求可在角度方面转移，以允许窄集中器侧壁反射器的输入处的较高AOI，从而允许宽模式光的较低退出角，这在角度敏感漫射器具有有限角宽度来形成角区域的情况下可能是有益的。
图6示出了可被层压和/或以其他方式组合以形成角度相关漫射器600的示例角度相关漫射膜层，它可被用作图2的漫射层214。漫射器600中的每一角度相关漫射层可被配置成漫射并均匀化在接受立体角内入射在该层上的光，同时使接受立体角外的光在很少漫射或没有漫射的情况下穿过。如上所述，这样的漫射器可以从一个或多个梯度折射率或图案化折射率漫射层来形成，每一漫射层包括在一个或多个膜中形成的周期性地变化或随机变化的折射率。将理解，术语“周期性地变化的折射率”表示折射率包括多个交替较高和较低折射率区域，且不意味着暗示这些区域之间的任何特定间隔。例如，各区域可具有随机化间隔和/或平均总体间隔，诸如相关宽度。这样的膜可以相对于折射率光栅的平均间隔足够厚，来为在接受立体角内的入射光引入与通过光纤面板达到的效果类似的引导效果。然而，与这样的光线面板(它可从具有覆层的六边形地打包的杆来形成)相对比，可以提供一维折射率光栅。此外，在一些实现中，可以利用膜的两个交叉层(各自具有跨该膜的光栅维度的梯度折射率轮廓)来达到两个维度上的均匀化/漫射。
梯度折射率膜可以从任何合适的一种或多种材料形成。因为梯度折射率层可被认为是体积漫射均匀化器，所以合适地膜材料的示例包括但不限于：包含化学物的混合的介质，诸如LINTEC漫射膜(可从亚利桑那凤凰城的Lintec of America公司购得)，该化学物在暴露到紫外(UV)光之际游离或迁移以使得高折射率区域和低折射率区域在暴露之际被形成；基于全息膜的梯度折射率漫射器，它是通过将适当的光强度变化记录到全息膜(诸如BAYER全息膜(可从宾夕法尼亚匹兹堡的Bayer Material Science公司购得))或DUPONT HR膜(可从特拉华的DuPont Wilmington购得))中以在介质体内形成高折射率和低折射率的随机化阵列来以在一个或多个全息漫射层中包括均匀化漫射器来形成的；以及可形成结构化折射率的其他膜，使得该膜在该层内具有低折射率和高折射率和平均折射率，以达到光引导和漫射功能。
图6的梯度折射率膜层602包括多个不同子层，每一子层被配置成漫射并均匀化不同接受立体角内的光。首先，梯度折射率膜层602包括沿一个维度横跨梯度折射率层602的第一多个梯度折射率元件603。梯度折射率膜层602进一步包括沿一个维度横跨梯度折射率层602的第二多个梯度折射率元件604。梯度折射率元件603对光的漫射和均匀化是经由光线来解说的；将理解，梯度折射率元件604可在正交方向上具有类似效果。
在所示实施例中，梯度折射率元件603和梯度折射率元件604被形成在分开的层中且可包安排成彼此正交或横向。通过按这样的方式安排两个梯度折射率膜层，该膜的输出退出锥在形状上可基本上是直线的，诸如方形，如在交叉线性梯度折射率膜层602的角空间中在输出效果606的表示中示出的。在一些示例中，梯度折射率元件603和604中的每一梯度折射率元件之间的折射率间隔可以跨相应膜层的长度和/或宽度是相等的，且可以是合适的间隔，包括但不限于3μm(这是与适用于高分辨率显示器的相关宽度(诸如2μm到9μm)相对应的范围)和/或任何其他合适的间隔。在其他实例中，每一梯度折射率元件之间的折射率间隔可以跨相应膜层的宽度和/或长度而变化。例如，折射率间隔可以朝膜层的中心降低。在一些示例中，平均光栅向量可跨相应膜的宽度和/或长度变化。例如，光栅向量可在接近膜的中心处平行于漫射膜层，且对于远离中心的位置可向漫射膜层内或外倾斜，以允许输出立体角对跨膜的位置的角偏移的变化。
在其他示例中，梯度折射率膜层602可包括直线折射率单元，包括沿两个维度来梯度化的单个膜，以在单个层内提供直线输出。在厚度是考虑因素时，单个直线折射率单元膜可以是有利的，因为每一膜可以是10-100μm的量级(取决于膜技术)。
继续图6，梯度折射率膜层608可包括相关于光轴605横向地安排的梯度折射率元件610。如此，梯度折射率膜层608可以形成眼眶或贡献于眼框的形成，该眼框在由梯度折射率膜层602形成的眼框的一侧，如在612所示。同样，梯度折射率膜层614可包括相关于光轴605和梯度折射率元件610横向地安排的梯度折射率元件616。如此，梯度折射率膜层614可以形成眼眶或贡献于眼框的形成，该眼框在由层602形成的眼框的相对侧(与由层608形成的眼框相对)，如在618所示。相应地，在每一梯度折射率膜层602、608以及614被结合宽模式光源一起利用时(例如，作为多层漫射器)，角空间中的组合效果是宽角模式眼框，如组合漫射层602、608以及614的角空间中的输出效果620的表示所解说的。同样，在使用窄模式光源时，光可不在膜层608和614的接受立体角内，从而导致只显示窄模式眼框。将理解，在一些实施例中，梯度折射率膜层608和梯度折射率膜层614可包括两个梯度折射率膜，这两个梯度折射率膜可被认为是单个梯度折射率膜层的一部分，因为这两者形成同一眼框的两个部分。
图7示出了解说用于操作显示设备的可切换背光单元(诸如图2的背光单元200a)的方法700的示例的流程图。在702，方法700可任选地包括检测是否存在窄模式条件。例如，可响应于请求窄模式的用户输入、指示存在观看显示设备的单个用户的传感器数据、在背光单元/背光单元的光源处接收到的指示窄模式发起的控制信号等等来检测窄模式条件。如果检测到窄模式条件或窄模式以其他方式被激活(例如，702处的“是”)，方法700进至704以在窄模式中操作。在窄模式中操作可包括照亮具有第一较窄角强度轮廓的一个或多个光源，如在706处所示，以将具有该第一较窄角强度轮廓的光注入光导，如在708处所示。
此外，方法700包括在710，以角度相关漫射器的多个折射率光栅中的每一者的接受立体角以外的第二角范围在角度相关漫射器处接收第一较窄角强度轮廓的光，并且使光穿过漫射器而没有漫射或均匀化，并且随后在712，经由重定向元件以窄模式梯度折射率膜的接受立体角内的一个或多个角度将光重定向为回穿角度相关漫射器。此外，方法700包括在714，经由窄模式梯度折射率膜而非宽模式折射率光栅(由于光在这些折射率光栅的接受角之外)来漫射并均匀化光。在716，方法700包括使用窄模式光来照亮显示设备。以此方式，经漫射和均匀化的光可以形成允许窄模式眼框区域内的观看者感知输出图像的窄模式眼框(例如，图5的眼框502)。
在718，方法700包括确定是否检测到宽模式条件。如果没有检测到宽模式条件(例如，718处的“否”)，该方法返回704以继续在窄模式中操作。相反，如果检测到宽模式条件(例如，718处的“是”)和/或如果在702没有检测到窄模式条件(例如，702处的“否”)，则方法700进至720以在宽模式中操作。这可包括例如照亮具有第二较宽角强度轮廓的一个或多个光源，如在722处所示，以将具有该第二角强度轮廓的光注入光导，如在724处所示。
此外，方法700包括在726，以角度相关漫射器的多个折射率光栅中的每一者的接受立体角以外的第二角范围在角度相关漫射器处接收第二较宽角强度轮廓的光，并且使光穿过漫射器而没有漫射或均匀化。此外，在728，方法700包括经由重定向元件以窄模式和宽模式接受范围内的角度将光重定向为回穿角度相关漫射器。方法700另外包括在730，使用窄角模式折射率光栅以及使用一个或多个宽模式折射率光栅来漫射并均匀化光。在732，方法700包括使用光来照亮显示设备。以此方式，经漫射和均匀化的光可以形成允许宽模式眼框区域内的一个或多个观看者感知输出图像的宽模式眼框(例如，图5的眼框506)。
因而，所公开的实施例可以按提供跨每一眼框的平顶梯度分布以及在每一眼框的边缘处的急剧转变的方式在不同眼框内提供图像的显示。这可帮助提供私人和非私人观看模式的良好观看体验。
在一些实施例中，本文中描述的方法和过程可以与一个或多个计算设备的计算系统绑定。尤其地，这样的方法和过程可被实现为计算机应用程序或服务、应用编程接口(API)、库和/或其他计算机程序产品。
图8示意性地示出了可执行上述方法和过程中的一个或多个的计算系统800的非限制性实施例。以简化形式示出了计算系统800。计算系统800可采取以下形式：一个或多个个人计算机、服务器计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)和/或其他计算设备。
计算系统800包括逻辑机802和存储机804。计算系统800进一步包括显示子系统806，并可任选地包括输入子系统808、通信子系统810、和/或在图8中未示出的其它组件。
逻辑机802包括被配置成执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑机可被配置为执行作为以下各项的一部分的机器可读指令：一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构、或其它逻辑构造。这种指令可被实现以执行任务、实现数据类型、转换一个或多个部件的状态、实现技术效果、或以其它方式得到期望结果。
逻辑机可包括被配置成执行软件指令的一个或多个处理器。作为补充或替换，逻辑机可包括被配置成执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机。逻辑机的处理器可以是单核或多核，且在其上执行的指令可被配置为串行、并行和/或分布式处理。逻辑机的各个组件可任选地分布在两个或更多单独设备上，这些设备可以位于远程和/或被配置成进行协同处理。逻辑机的各方面可由以云计算配置进行配置的可远程访问的联网计算设备来虚拟化和执行。
存储机804包括被配置成保存可由逻辑机执行以实现此处所述的方法和过程的指令的一个或多个物理设备。在实现这些方法和过程时，可以变换存储机804的状态(例如，保存不同的数据)。
存储机804可以包括可移动和/或内置设备。存储机804可包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光盘等)、半导体存储器(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)和/或磁存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)等等。存储机804可包括易失性、非易失性、动态、静态、读/写、只读、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址设备。
可以理解，存储机804包括一个或多个物理设备。然而，本文所述的指令的各方面替代地可由通信介质(如电磁信号、光学信号等)来传播，而不是经由存储机进行存储。
逻辑机802和存储机804的各方面可被一起集成到一个或多个硬件逻辑组件中。这些硬件逻辑组件可包括例如现场可编程门阵列(FPGA)、程序和应用专用的集成电路(PASIC/ASIC)、程序和应用专用的标准产品(PSSP/ASSP)、片上系统(SOC)以及复杂可编程逻辑器件(CPLD)。
显示子系统806可用于呈现由存储机804所保持的数据的视觉表示。该视觉表示可采用图形用户界面(GUI)的形式。由于此处所描述的方法和过程改变了由存储机保持的数据，并由此变换了存储机的状态，因此同样可以转变显示子系统806的状态以视觉地表示底层数据的改变。显示子系统806可以包括使用实质上任何类型的技术的一个或多个显示设备。可将此类显示设备与逻辑机802和/或存储机804组合在共享封装中，或者此类显示设备可以是外围显示设备。显示子系统806还可包括本文所述的背光系统，包括但不限于一个或多个梯度折射率膜、具有不同角强度轮廓的光源，等等。
当被包括时，输入子系统808可包括诸如键盘、鼠标、触摸屏或游戏控制器等一个或多个用户输入设备或者与这些用户输入设备对接。在一些实施例中，输入子系统可以包括或相接于所选择的自然用户输入(NUI)部件。这样的部件可以是集成式的或者是外设，并且输入动作的转换和/或处理可以在板上或板下处理。示例NUI部件可包括用于语言和/或语音识别的话筒；用于机器视觉和/或姿势识别的红外、色彩、立体显示和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部跟踪器、眼睛跟踪器、加速计和/或陀螺仪；以及用于评估脑部活动的电场感测部件。
当包括通信子系统810时，通信子系统810可被配置成将计算系统800与一个或多个其他计算设备通信地耦合。通信子系统810可以包括与一个或多个不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统可被配置成用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网来进行通信。在一些实施例中，通信子系统可允许计算系统800经由诸如因特网这样的网络将消息发送至其他设备以及/或者从其它设备接收消息。
将会理解，此处描述的配置和/或方法本质是示例性的，这些具体实施例或示例不应被视为限制性的，因为许多变体是可能的。此处描述的具体例程或方法可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个。如此，所示和/或所述的各种动作可以以所示和/或所述顺序、以其它顺序、并行地执行，或者被省略。同样，上述过程的次序可以改变。
本公开的主题包括各种过程、系统和配置以及此处公开的其他特征、功能、动作和/或属性、以及它们的任一和全部等价物的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种背光单元，包括：
光导，其被配置成在位于所述光导的端处的第一光接口处接收光并经由位于所述光导的面处的第二光接口输出光；
多个光源，其被配置成在所述第一光接口处将光注入所述光导；以及
梯度折射率膜，其被配置成从所述光导的所述第二光接口接收光、使从接受角范围内入射在所述梯度折射率膜上的接收到的光均匀化并且不使从所述接受角范围外入射在所述梯度折射率膜上的光均匀化、以及将经均匀化的光定向到眼框。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述梯度折射率膜是第一梯度折射率膜，所述接受角范围是第一接受角范围，并且所述眼框是第一眼框，所述背光单元进一步包括：第二梯度折射率膜，其被配置成从所述光导的所述第二光接口接收光、使从第二接受角范围内入射在所述第二梯度折射率膜上的接收到的光均匀化并且不使从所述第二接受角范围外入射在所述第二梯度折射率膜上的光均匀化、以及将经均匀化的光从所述第二梯度折射率膜朝具有与所述第一眼框不同位置的第二眼框进行定向。
3.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于，所述多个光源包括所述多个光源的被配置成发出所述第一接受角范围中的光的第一子集和所述多个光源的被配置成发出所述第二接受角范围中的光的第二子集。
4.如权利要求3所述的背光单元，其特征在于，所述多个光源的所述第一子集被配置成响应于窄观看模式触发来发出光，并且其中所述多个光源的所述第二子集被配置成响应于宽观看模式触发来发出光。
5.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于，所述第二眼框比所述第一眼框宽。
6.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于，所述第二眼框由来自所述第一梯度折射率膜的经均匀化的光和来自所述第二梯度折射率膜的经均匀化的光形成。
7.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于，所述第一梯度折射率膜和所述第二梯度折射率膜被安排成堆叠。
8.如权利要求7所述的背光单元，其特征在于，所述第二梯度折射率膜包括具有沿与光轴横向的第一方向安排的折射率的第一梯度折射率层以及具有沿与所述第一方向横向且与所述光轴横向的第二方向安排的梯度折射率的第二层。
9.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述光导包括楔形光导和菲涅耳板中的一者或多者。
10.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，进一步构成包含所述背光单元的计算设备。
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