CN106662773B - 定向防窥显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向防窥显示器，所述显示器可包括波导；以及按时间顺序方式操作的光源阵列和空间光调制器。所述波导可包括：光提取特征，所述光提取特征被布置成将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，所述反射器被布置成将来自所述波导的光通过透射穿过所述波导的提取特征导向到相同的观察窗阵列。第一阶段和第二阶段可与相应的主要图像和次要图像以及主要角照明分布和次要角照明分布在时间上多路复用。还公开了一种高效明亮的防窥显示器，该显示器可向离轴观察者提供变得模糊的主要图像可见度。

Description

定向防窥显示器

相关申请的交叉引用和优先权声明

本申请涉及2011年11月18日提交的美国专利申请No.13/300,293“Directionalflat illuminators”(定向平面照明器)(代理人参考号95194936.281001)、2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/836,443“Crosstalk suppression in a directionalbacklight”(定向背光源中的串扰抑制)(代理人参考号95194936.317001)、2014年2月21日提交的美国专利申请No.14/186,862“Directional backlight”(定向背光源)(代理人参考号95194936.355001)、2015年5月27日提交的名称为“Wide angle imaging directionalbacklights”(广角成像定向背光源)的美国临时专利申请No.62/167203(代理人参考号384000)、2015年5月27日提交的名称为“Wide angle imaging directional backlights”(广角成像定向背光源)的美国临时专利申请No.62/167,185(代理人参考号379000B)，所有这些专利申请的全文以引用方式并入本文。另外，本申请涉及2014年6月26日提交的名称为“Directional privacy display”(定向防窥显示器)的美国临时专利申请No.62/017337(代理人参考号373000)并要求其优先权。

技术领域

本发明整体涉及光调制装置的照明，更具体地涉及用于从局部光源提供大面积照明以便在防窥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成在空间光调制器(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。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。

另外的空间多路复用显示器提供定向图像的重复瓣，以使离轴可见度得以保持，因而通常不适用于防窥显示器。

发明内容

根据本发明的第一方面，可提供一种定向显示设备，其包括：定向背光源，该定向背光源包括波导和光源阵列，其中波导包括用于沿波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，光源阵列被布置成在跨波导的不同输入位置处生成输入光，其中第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，第二引导表面包括多个光提取特征和光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被布置成通过第一引导表面将被引导穿过波导的光偏转到波导外来作为输出光，所述中间区域被布置成沿波导引导光，并且该波导被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗中，所述输出方向分布在取决于输入光的输入位置的横向方向上；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以显示图像；以及控制系统，该控制系统能够控制空间光调制器，并能够选择性地操作光源以将光导向到对应的光学窗中，其中定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到对应于被选择性操作的光源的光学窗之外，该控制系统被布置成控制空间光调制器和光源阵列彼此同步，使得：(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，该空间光调制器显示主要图像，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像的情况下，在不同于所述至少一个主要光源的至少一个光源被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中时，该空间光调制器显示次要图像，被主要光学窗之外的次要观察者感知到的次要图像使调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像模糊不清。

因此，显示器可在舒适的观察范围内向第一观察者提供具有高亮度和高对比度的主要图像。在该观察范围之外的次要观察者可观察到亮度低于主要图像的次要图像，该次要图像还具有降低的对比度、分裂图案或其他模糊效果。有利的是，所需的主要图像可能难以被次要观察者感知，从而提高了在公共环境中使用显示器的安全性。另外，来自显示器表面的反射可进一步模糊次要观察者观察到的图像。这种显示器可被布置成在广角观察模式和防窥模式之间切换。另外，这种显示器可实现低功率操作，从而延长电池两次充电之间的时间。在功率消耗与广角模式操作基本上相同时，可在减小的角度范围内提供极高亮度模式。另外，这种显示器可被布置成实现自动立体显示操作。

不同于所述至少一个主要光源的可被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中的所述至少一个光源，可包括不同于所述至少一个主要光源的多个光源。不同于所述至少一个主要光源的所述多个光源可被选择性地操作以输出光通量不同的光。控制系统可被布置成控制空间光调制器和光源阵列彼此同步，使得：(a)当空间光调制器显示主要图像时，除所述至少一个主要光源之外，至少一个附加光源可被选择性地操作以将光导向到附加光学窗中，以及(b)当空间光调制器显示次要图像时，所述多个光源包括所述所述至少一个附加光源和其他光源，所述附加光源被操作以输出具有比其他光源更高的光通量的光。所述至少一个附加光源可在操作的不同时间相中改变。有利的是，显示器呈现于离轴观察者的外观可包括跨使主要图像外观分裂的空间光调制器亮度不同的多个区域。这种分裂可以在不改变图像内容的前提下实现，并且可以随时间而变化。因此，主要观察者可看到残留次要图像的可见度最小化的主要图像。

次要图像可包括被布置成至少部分地消除主要图像的主要图像反转副本，该主要图像调制被导向到主要光学窗之外、由主要观察者感知到的杂散光。

有利的是，与由主要观察者感知到的主要图像相比，由次要观察者感知到的图像可具有明显降低的对比度。

控制系统可被布置成控制空间光调制器和光源阵列，使得次要图像具有与调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像相同的亮度。主要图像的反转副本可包括主要图像的被跨图像在空间上变化的反转函数反转的副本。所述反转函数跨图像在空间上的变化可与输出窗的亮度在空间上的变化一致。

次要图像可包括主要图像的叠加了分裂图案的反转副本。次要图像可包括分裂图案。主要图像可包括用于显示给主要观察者的叠加了分裂图案的反转副本的图像，其中分裂图案的反转副本被布置成至少部分地消除分裂图案，该分裂图案调制被导向到次要光学窗之外、由主要观察者感知到的杂散光。

有利的是，模糊效果可与降低的亮度、降低的对比度和可取决于主要图像内容的分裂图像内容相结合，从而在由于空间光调制器对比度的角度变化而导致主要图像和次要图像消除不完全的区域内提供进一步模糊。

控制系统可被布置成控制空间光调制器和光源阵列彼此同步，使得空间光调制器以时间多路复用方式在不等长的时隙中显示主要图像和次要图像。

有利的是，与时隙等长的布置相比，主要图像的亮度可增加。

空间光调制器可包括像素阵列，并且控制系统可被布置成控制空间光调制器，从而在以时间多路复用方式显示主要图像和次要图像期间控制每个像素的驱动电平，在该过程中考虑了所需的像素灰度级别和像素的预期滞后。

有利的是，可减轻次要图像到主要图像的渗漏，例如，以便减轻来自次要图像的分裂图案在呈现给主要观察者的主要图像中显现的程度。

主要图像可以是二维图像。主要图像可以是包括左眼图像和右眼图像的三维图像，并且控制系统可被布置成通过以下操作来控制空间光调制器以显示主要图像：(a1)控制空间光调制器以采用时间多路复用方式显示左眼图像和右眼图像，以及(a2)与控制空间光调制器的操作同步，控制光源阵列以选择性地操作不同的主要光源，以将光导向到至少一个主要光学窗中，以便在空间光调制器分别显示左眼图像和右眼图像时，供主要观察者的左眼和右眼观看。次要图像可以是二维图像。

有利的是，可在防窥模式下实现自动立体操作，此时自动立体图像对次要观察者的可见度低。

所述第二引导表面可具有阶梯形状，所述阶梯形状包括作为所述光提取特征的小平面以及中间区域。定向背光源还可包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，其中反射小平面被布置成使来自光源的透射穿过波导的多个小平面的光反射回穿过所述波导，以离开穿过第一引导表面进入所述光学窗。光提取特征在波导的横向方向上可具有正光焦度。

有利的是，可为定向防窥显示器提供高亮度、高效率的紧凑型背光源。借助控制光源阵列，这种背光源可实现可控制的操作模式，包括低功率操作模式、高亮度操作模式、自动立体操作模式和防窥操作模式。

波导还可包括输入端，光源阵列沿该输入端布置。波导还可包括反射端，用于将输入光反射回穿过波导，第二引导表面被布置成在从反射端反射后，将光作为输出光偏转穿过第一引导表面。反射端在波导的横向方向上可具有正光焦度。波导还可包括在横向方向上细长的反射端，第一引导表面和第二引导表面从该反射端的横向延伸边缘延伸，该波导还包括在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的侧表面，并且其中所述光源可包括沿着侧表面布置的光源阵列，用于通过该侧表面提供所述输入光，并且反射端包括在横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面，第一小平面是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面形成该菲涅尔反射器的干扰小平面，该菲涅尔反射器具有在一定方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴，在该方向上菲涅耳反射器将来自光源阵列的输入光偏转到波导中。

定向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主要观察者头部的位置，控制系统被布置成根据检测到的观察者头部的位置来控制光源。

有利的是，主要观察者的移动自由度可增大，并且次要观察者试图在其中看到主要图像的范围可缩小。

传感器系统可被布置成检测主要光学窗之外的次要观察者，并且控制系统可被布置成响应于检测到次要观察者，执行对空间光调制器和光源阵列彼此同步的所述控制，使得空间光调制器以时间多路复用方式显示主要图像和次要图像，并且响应于没有检测到次要观察者而控制空间光调制器和光源阵列，使得在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，空间光调制器显示主要图像，而不以时间多路复用方式显示次要图像。

有利的是，在没有检测到次要观察者的情况下，布置中主要图像的对比度可增大。根据本发明第二方面，可提供一种使定向显示设备中的主要图像模糊不清的方法，该主要图像调制被导向到主要光学窗之外的杂散光，该定向显示设备包括：定向背光源，该定向背光源包括波导和光源阵列，其中波导包括用于沿波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，光源阵列被布置成在跨波导的不同输入位置处生成输入光，其中第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，第二引导表面包括多个光提取特征和光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被布置成通过第一引导表面将被引导穿过波导的光偏转到波导外来作为输出光，所述中间区域被布置成沿波导引导光，并且该波导被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗中，所述输出方向分布在取决于输入光的输入位置的横向方向上，使得选择性地操作光源导致光被导向到对应的光学窗中，其中定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到对应于被选择性操作的光源的光学窗之外；

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以显示图像；该方法包括控制空间光调制器和光源阵列彼此同步，使得：(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，该空间光调制器显示主要图像，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像的情况下，在不同于所述至少一个主要光源的至少一个光源被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中时，该空间光调制器显示次要图像，被主要光学窗之外的次要观察者感知到的次要图像使调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像模糊不清。

本发明的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学演示中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。

在详细讨论所公开的实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体布置的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置来阐述本发明的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。

定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源，来提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制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特征；

图6A是根据本发明的示意图，其示出了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，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置；

图8是根据本发明的示意图，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，其以侧视图示出了定向显示装置的结构；

图11是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括楔型波导的定向显示装置的结构；

图12A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的控制系统；

图12B是根据本发明的示意图，其以透视图示出了包括布置有空间光调制器的定向背光源的定向显示装置的结构；

图12C是根据本发明的示意图，其以透视图示出了由具有布置类似于图4A所示布置的阀的边缘光源和侧光源形成光学窗；

图13A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀；

图13B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀；

图13C是根据本发明的示意图，其以透视图示出了由具有布置类似于图13A至图13B所示布置的阀的边缘光源和侧光源形成第一光学窗和第二光学窗；

图14A至图14C是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了定向显示器的观察窗在防窥模式下用于第一操作阶段(相，phase)和第二操作阶段的布置；

图15A至图15E是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器在防窥模式下的操作，其中主要图像在至少一个操作阶段中在空间光调制器上提供；

图16A至图16E是根据本发明的示意图，其示出了定向显示器在防窥模式下的第二阶段中的操作，其中主要图像在第一阶段中在空间光调制器上提供，次要图像在第二阶段中在空间光调制器上提供；

图16F是根据本发明的示意图，其示出了主要图像的灰度级别与第二图像的灰度级别之间的关系；

图17是根据本发明的示意图，其示出了呈现给空间光调制器和光源阵列的图像和照明的序列；

图18A至图18C是根据本发明的示意图，其示出了防窥显示器的所感知图像外观的透视正视图，其中第一阶段和第二阶段包括相应的主要图像和次要图像，还包括从次要图像到主要观察者的串扰；

图19A是根据本发明的示意图，其示出了图17A至图17C的布置的显示亮度和串扰的曲线图；

图19B是根据本发明的示意图，其示出了立体防窥显示器的显示亮度和串扰的曲线图；

图19C是根据本发明的示意图，其示出了呈现给立体防窥显示器的空间光调制器和光源阵列的图像和照明的序列；

图20A至图20B、图21和图22是根据本发明的示意图，其示出了第一阶段和第二阶段的角亮度分布的曲线图；

图23A至图23B是根据本发明的示意图，其示出了防窥显示器在第二阶段中，分别在检测到和未检测到次要观察者的情况下的所感知图像外观的透视正视图；

图24至图25是根据本发明的示意图，其分别示出了第一寻址方案和第二寻址方案的曲线图，图中体现了像素强度水平随时间的变化、寻址信号随时间的变化以及积分亮度随时间的变化；

图26A至图26B是根据本发明的示意图，其分别示出了第一寻址方案和第二寻址方案的曲线图，图中体现了寻址信号随时间的变化；

图27至图28是根据本发明的示意图，其分别示出了扭转向列型液晶显示器和得到补偿的扭转向列型液晶显示器的等对比度图；

图29是根据本发明的流程图，其示出了根据测得的次要观察者的极坐标位置进行次要图像灰度级校正的过程；

图30是根据本发明的示意图，其示出了第一输入灰度级和第二输入灰度级相对于空间光调制器的输出传输的坐标图；

图31是根据本发明的流程图，其示出了处理信号数据以实现对交替的主要图像和次要图像的像素数据的正确寻址；

图32A至图32C是根据本发明的示意图，其示出了防窥显示器的图像外观的透视正视图，其中第一阶段和第二阶段包括相应的主要图像和次要图像，还包括分裂图案图像内容；

图33是根据本发明的流程图，其示出了处理信号数据以实现对交替的包括分裂图案图像内容的主要图像和次要图像的像素数据的正确寻址；

图34A至图34B是根据本发明的示意性时序图，其示出了以匹配的阶段长度对主要图像和次要图像以及相应的照明信号进行寻址；

图34C是根据本发明的示意性时序图，其示出了以不匹配的阶段长度对主要图像和次要图像以及相应的照明信号进行寻址；

图35A至图35B是根据本发明的示意图，其示出了针对以少量光源实现照明的跨光阀的空间亮度变化；

图35C是根据本发明的示意图，其示出了针对以数量增加的光源实现照明的跨光阀的组合空间亮度；

图36A是根据本发明的示意图，其示出了防窥显示器中图像内容的循环；

图36B是根据本发明的示意图，其示出了防窥显示器中光源分布的循环；

图36C至图36D是根据本发明的示意图，其示出了第一阶段和第二阶段中图像的离轴图像外观，以及第一阶段和第二阶段中跨图像的亮度分布；

图36E是根据本发明的示意性流程图，其示出了对图56至图60的布置进行控制的过程；

图37是根据本发明的示意图，其以正视图示出了光学阀中杂散光的生成；

图38A至图38C是根据本发明的示意图，其示出了布置类似于图37的显示器的输出亮度的角度分布；

图39至图40是根据本发明的示意图，其以正视图示出了布置类似于图4A的光学阀中图像空隙的形成与校正；

图41是根据本发明的光学阀在防窥操作观察位置的亮度分布的照片；

图42是根据本发明的示意图，其以正视图示出了防窥操作观察位置中具有横向角度偏移的等亮度分布区域；

图43是根据本发明的示意图，其示出了图42的不同显示区域的灰度级映射分布；

图44A至图44B是根据本发明的示意图，其示出了第一显示区域和第二显示区域的角亮度变化；

图45是根据本发明的流程图，其示出了对非均匀灰度级映射的映射分布进行校正的过程；

图46至图47是根据本发明的示意图，其以正视图示出了图像校正区域；

图48是根据本发明的示意图，其以透视图示出了与掩蔽层类似的光学阀，所述掩蔽层被布置成减少来自输入侧面的某些区域的反射；并且

图49至图52是根据本发明的示意图，其以正视图示出了类似于图47所示、被布置成实现减少防窥观察方向上的杂散光的光学阀的输入侧面。

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导向至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光导向至第二观察窗，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，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成将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多个光源中的每一者而言基本上共用的观察区内，以实现宽视角和高显示均匀度。因此，非成像背光源不形成观察窗。以此方式，来自多个光源中的每一者的光对于处于跨观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如，以便与朗伯型照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜(诸如，来自3M的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特征的多个光引导特征。

在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入侧面传播到反射侧面并且可在基本上无损耗的情况下透射。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，光可入射到光提取特征上，所述光提取特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。

光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件后工作距离更薄的光学元件以将来自宏观照明器的光导向到窗平面。此类显示器可使用光提取特征阵列，所述光提取特征阵列被布置成提取在基本上平行的波导中反向传播的光。

用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源实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是示出了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，图1B是示出了图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、提取特征12、引导特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图为图1A中所示的正视图的替代视图。因此，图1A和图1B的照明器阵列15彼此对应，并且图1A和图1B的阶梯式波导1可彼此对应。

另外，在图1B中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端2与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。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。

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特征12，所述光提取特征面向反射端4并且倾斜以在多个方向上反射从反射端穿过波导1引导回的光中的至少一些光，所述多个方向破坏第一引导表面处的全内反射并且允许穿过第一引导表面(例如图1B中朝上)输出，所述输出被供应到SLM 48。

在此例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构特征。光提取特征12不引导光穿过波导，而光提取特征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特征12和中间区域。光提取特征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可被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的曲率中心的直线并且与末端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焦度的其他组件(例如光提取特征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SLM48可为液晶显示器(LCD)，但这仅仅是举例，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置等，因为此照明器可以反射方式工作。在此例子中，SLM 48跨波导的第一引导表面而安置并调制在从光提取特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。

可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1A中以正视图示出，其侧面轮廓在图1B中示出。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明器阵列15(诸如照明器元件15a至15n的阵列)发出，其沿着阶梯式波导1的薄端侧面2的表面x＝0位于不同位置y。光可在阶梯式波导1内在第一方向上沿着+x传播，与此同时，光可在xy平面中成扇形射出并且在到达远处弯曲端侧面4后可即刻基本上或完全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度高达但不超过引导材料的临界角度。连接阶梯式波导1的底部侧面的引导特征10的提取特征12可具有大于临界角的倾斜角，并且因此在第一方向上沿着+x传播的基本上所有光都可能错过该提取特征12，从而确保了基本上无损耗的前向传播。

继续讨论图1A和图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，但也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度倾斜的提取特征12的实施例中，可大约垂直于xy显示器平面有效地导向光，其中相对于传播方向基本上保持xz角展度。当光通过折射离开阶梯式波导1时此角展度可增加，但依据提取特征12的反射特性，可略有减小。

在具有未涂覆的提取特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)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特征的其他实施例中，可保留增大的角展度和中心法线方向。继续描述具有涂覆有银的提取特征的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件15a–15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a–15n于是使光能够从整个第一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图1A中所示。

用此类装置照明空间光调制器(SLM)48(诸如快速液晶显示器(LCD)面板)可实现自动立体3D，如图2A中的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，而图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在2D图像上。

反射端4在跨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的曲率中心的直线并且与末端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焦度的其他组件(例如光提取特征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。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、以及包括引导特征10和光提取特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导特征10的全内反射在阶梯式波导1中被引导至可为镜面的反射侧面4。虽然反射侧面4可为镜面且可反射光，但在一些实施例中光也可能穿过反射侧面4。

继续讨论图3，由反射侧面4反射的光线18可进一步通过反射侧面4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取特征12反射。入射在提取特征12上的光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的大小、侧面4和提取特征12中的输出设计距离和屈光力确定。观察窗的高度可主要由提取特征12的反射锥角和输入侧面2处输入的照明锥角确定。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。每条输出光线从输入侧面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，光提取特征12可为细长的，并且光提取特征12在光导向侧面8(光导向侧面8在图3中示出，但在图4A未中示出)的第一区域34中的取向可不同于光提取特征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。与本文所讨论的其他实施例类似，例如如图3中所示，图4A的光提取特征可与引导特征10交替。如图4A所示，阶梯式波导1可包括反射侧面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焦度。

在另一个实施例中，每个定向背光源的光提取特征12在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。

在另一个实施例中，每个定向背光源可包括光提取特征12，所述光提取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中的光焦度与可由细长光提取特征12在区域34与36之间的不同取向所引起的光焦度配合形成实像，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特征。另外，图5示出了与图1类似的组件布置(其中对应的元件是类似的)，其中一个差异是光提取特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类布置可跨显示表面提供基本上均匀的照明，并且与图4A和图4B的弯曲提取特征相比制造起来可更方便。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的光焦度被布置成跨光轴方向，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，因为这两幅图像将按顺序且与光源同步显示，所述光源的光朝这两个观察者导向。一幅图像在第一阶段中呈现于空间光调制器48上，并且第二图像在不同于第一阶段的第二阶段中呈现于空间光调制器48上。与第一和第二阶段对应，调整输出照明以分别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于观察窗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成提供单独照明区域的均匀光源和空间光调制器。或者，照明器元件可包括一个或多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用振镜扫描器或MEMS扫描器，导向到漫射体上。在一个例子中，激光可因此用于提供照明器阵列15中的适当照明器元件以提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且进一步提供散斑的减少。或者，照明器阵列15可为激光发射元件的阵列。另外，在一个例子中，漫射体可为波长转换磷光体，使得照明可在不同于可见输出光的波长处。

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。

本实施例涉及光学窗和观察窗。来自定向背光源的光学窗可由光源阵列15中的一个光源形成。来自视差元件和空间光调制器的光学窗可由第一组像素列形成，每列具有该视差元件的一个相应对齐的缝隙。观察窗可包括多个光学窗。

图11是示意图，其以侧视图示出了包括具有小平面反射镜端1102的楔型波导1104的定向显示装置的结构。波导1104的第一引导表面1105被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面1106是基本上平坦的，并以一定角度倾斜以在打破全内反射的方向上导向光，以用于穿过第一引导表面1105输出光。显示装置还包括偏转元件1108，该偏转元件跨波导1104的第一引导表面1105延伸，以用于将光从光源阵列1101朝第一引导表面1105的法线偏转。另外，波导1104还可包括反射端1102，该反射端用于将输入光反射回穿过波导1104，第二引导表面1106被布置成从反射端1102反射后，将光作为输出光偏转穿过第一引导表面1105。例如，反射端以类似于图5所示反射端的方式在横向方向(y轴)上具有正光焦度。另外，反射端1102的小平面在波导1104内偏转反射光锥，以实现输出耦合在返回路径上。因此，观察窗以类似于图11A所示观察窗的方式产生。另外，定向显示器可包括空间光调制器1110和与空间光调制器1110对齐的视差元件1100，该视差元件还布置用于提供光学窗。类似于图11A所示的控制系统72可布置成提供对定向照明的控制，从而提供来自视差元件和对齐的空间光调制器的观察窗26和窗109。

因此，第一引导表面可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面可为基本上平坦的并以一定角度倾斜，从而在破坏该全内反射的多个方向上导向光以用于通过第一引导表面输出光，并且所述显示装置还可包括跨波导的第一引导表面延伸的偏转元件以用于使光朝第一引导表面的法线偏转。

图12A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。现在将描述控制系统的布置和操作，该布置和操作可被适当地更改，因而可适用于本文所公开的每一个显示装置。如图12A所示，定向显示装置100可包括定向背光源装置，该装置自身可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。如图12A所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射端4、引导特征10和光提取特征12。定向显示设备100还可包括SLM48。

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可被布置成与反射端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SLM 48可被布置成接收来自定向背光的光。另外，可提供漫射体68以基本上除去波导1与SLM 48以及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。漫射体68可以是被布置成在垂直方向(x轴)上相比在横向方向(y轴)上提供较大漫射的非对称漫射体。有利的是，可增大显示均匀度，并可将相邻观察窗之间的串扰降到最低。

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以将光导向进入相应观察窗中对应于观察者左眼和右眼的位置，并且同时显示左眼图像和右眼图像。这样，可使用时分多路复用技术来实现自动立体效果。此外或作为替代，可使用时分多路复用技术来实现低对比度防窥效果，如本文将描述的。

图12B是示意图，其以透视图示出了包括布置有空间光调制器48的波导1的定向显示装置的结构。反射端4可由菲涅耳镜提供。锥形区域204可布置在波导1的输入处，以增加来自照明器元件阵列15中光源15a-15n的输入耦合效率并增大照明均匀度。具有孔203的屏蔽层206可布置成用于隐藏在波导1边缘处的光散射区域。后反射器200可包括小平面202，这些小平面可弯曲并布置成用于从阵列15的成像光源提供的光学窗组向窗平面26提供观察窗106。光学堆叠208可包括反射偏振器、延迟片层和漫射体。后反射器200和光学堆叠208还进一步描述于2014年2月21日提交的名称为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利申请No.14/186,862(代理人参考号：95194936.355001)，该专利申请全文以引用方式并入本文。

空间光调制器48可包括液晶显示器，该液晶显示器可包括输入偏振器210、TFT玻璃基板212、液晶层214、滤色器玻璃基板216和输出偏振器218。可将红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224成阵列地布置在液晶层214处。还可在液晶层中布置白色像素、黄色像素、附加的绿色像素或其他颜色像素(未示出)，以增加透射效率、色域或感知的图像分辨率。

图12C是示意图，其以透视图示出了由具有布置类似于图4A所示布置的阀的边缘光源和侧光源形成光学窗。来自光源15n的偏离光轴199的光线230在反射端4处被反射并被导向到离轴光学窗26，该离轴光学窗在横向方向上偏离窗平面内的轴线197。类似地，如将参照图40所示，来自侧面22上的源17n的光线232可借助侧面24处的全内反射被导向到光学窗26。

因此，定向显示设备100包括定向背光源，该定向背光源包括波导1和光源15a-n的阵列15，其中波导包括用于沿波导1引导输入光的相对的第一引导表面6和第二引导表面8，光源阵列被布置成在跨波导1的横向方向上的不同输入位置处生成输入光。第一引导表面6可被布置成通过全内反射引导光，第二引导表面8包括多个光提取特征12和光提取特征12之间的中间区域10，所述多个光提取特征被布置成通过第一引导表面8将被引导穿过波导1的光偏转到波导1外来作为输出光，所述中间区域被布置成沿波导1引导光，并且波导1被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗26中，所述输出方向分布在取决于输入光的输入位置的横向方向上。透射式空间光调制器48被布置成接收来自波导的第一引导表面6的输出光并对其进行调制以显示图像。

在操作中，这种显示器可被布置成通过将光导向观察者附近的观察窗而不将光浪费在不处于观察者眼睛区域中的方向上，来提供高效率。另外，这种显示器可按需提供高亮度以在具有高环境照明的环境中实现改进的可见度。

空间光调制器可为具有例如120Hz帧率的时间多路复用空间光调制器，从而实现包括具有60Hz帧率的主要图像和次要图像的图像。这种定向显示装置可通过上述时间多路复用来实现自动立体显示。

所述第一引导表面可被布置成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特征和中间区域，所述多个光提取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特征之间并且被布置用于引导光穿过所述波导。所述第二引导表面可具有阶梯形状，所述阶梯形状包括作为所述光提取特征的小平面以及中间区域。定向背光源还可包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，其中反射小平面被布置成使来自光源的透射穿过波导的多个小平面的光反射回穿过所述波导，以离开穿过第一引导表面进入所述光学窗。光提取特征在波导的横向方向上可具有正光焦度。

波导还可包括输入端，光源阵列沿该输入端布置。波导还可包括反射端，用于将输入光反射回穿过波导，第二引导表面被布置成在从反射端反射后，将光作为输出光偏转穿过第一引导表面。反射端在波导的横向方向上可具有正光焦度。

图13A至图13C是示意图，其分别以正视图、侧视图和透视图示出了包括被布置成实现同轴光学窗的光源317a的光学阀。

因此，如2015年5月27日提交的名称为“Wide angle imaging directionalbacklights”(广角成像定向背光源)(代理人参考号384000)、并且全文以引用方式并入本文的美国临时专利申请No.62/167203中大体描述的那样，定向显示装置可包括波导1301，该波导还包括在横向方向(y轴)上细长的反射端1304，第一引导表面6和第二引导表面8从反射端1304的横向延伸边缘延伸，波导1301还包括在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的侧表面1322和侧表面1324，并且其中所述光源包括沿着侧表面1322布置的光源1317a-n的阵列1317，用于通过该侧表面1322提供所述输入光，并且反射端1304包括在横向方向上彼此交替的第一小平面1327和第二小平面1329，第一小平面1327是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面1329形成该菲涅尔反射器的干扰小平面，菲涅尔反射器1304具有在一定方向上朝向侧表面1322倾斜的光轴1287，在该方向上菲涅耳反射器1304将来自光源阵列1317的输入光偏转到波导1301中。因此，角度1277不为零。类似地，第二小平面1329可以是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，菲涅耳反射器1304具有光轴1289，该光轴在一定方向上朝向侧表面1324倾斜，在该方向上菲涅尔反射器1304将来自光源阵列1319的输入光偏转到波导1301中。

来自光源1317a的示例性光线1363可被布置成提供光学窗1326a，而来自光源1317b的光线1365可被布置成提供光学窗1326b。其他层诸如漫射体、棱镜反射膜、延迟片和空间光调制器可按照与针对例如图12B的布置中的波导1所描述的方式类似的方式与波导1301串联布置。

有利的是，可实现具有小边框尺寸的薄背光源。这种布置具有的光源不被布置在波导1301的长边上，因而可具有较小的形状因数。另外的光源1317和1319可布置有重叠的光学窗，因而可提高显示亮度。

图14A是示意图，其以顶视图示出了类似于图9所示的处于防窥模式下的定向显示器的观察窗的布置，但在观察锥体249中提供了通过窗平面106中的光学窗26照明而形成的单个二维图像。因此，观察窗247由来自显示器100的光学窗26的组合形成。在具有观察窗247的主要锥体250之外的锥体233、245中，窗平面106中的光学窗26的照明由定向背光源系统中的杂散光提供。这种定向光可例如由来自波导1的输入小平面2的光的散射、像差和反射提供。因此，当从观察窗245内观察时，显示器100的杂散光亮度可以是有限的，例如介于观察窗247的峰值亮度的1％和20％之间。

在本发明的实施例中，光学窗由光源15a-n的阵列15的单个光源形成。观察窗由光学窗的组合形成。

因此，图12A所示的控制系统70、72、74、76能够控制空间光调制器48，并能够选择性地操作光源15a-n以将光导向到对应的光学窗26中，其中定向背光源中的杂散光在输出方向(由椎体233、245示出)上被导向到对应于被选择性操作的光源的光学窗26之外。

2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/836,443“Crosstalksuppression ina directional backlight”(定向背光源中的串扰抑制)(代理人参考号95194936.317001)中描述了对杂散光亮度或串扰的控制，该专利申请以引用方式并入本文。

图14A示出了将参照图15A至图15E描述的包括离轴亮度控制的防窥显示器操作。

另外，图14A示出了将参照图16A至图16E描述的在包括离轴亮度和对比度控制的第一操作阶段中的防窥显示器操作。

图14B是示意图，其以顶视图示出了定向显示器的光学窗在本发明实施例的防窥模式下处于第二操作阶段时的布置。在第二操作阶段中，观察窗247的任一侧设置有用于显示器上单个点的次要观察窗241、243(被示出为具有次要观察锥体252、254)。图14C是示意图，其以顶视图示出了定向显示器的光学窗在本发明实施例的防窥模式下处于第一操作阶段和第二操作阶段时的布置。观察锥体250与252之间设置了254个过渡锥体256、258，从这些过渡锥体观察到的显示亮度将会在主要锥体与次要锥体之间变化。

在本发明的实施例中，主要观察者通常可被安置在主要观察锥体250内，而次要观察者可被安置在次要观察锥体254内。主要观察者的位置可在主要光学窗内，该主要光学窗可以是由多个光学窗26提供的主要观察窗。次要观察者可在主要光学窗之外并且可在次要光学窗之内，该次要光学窗可以是由多个光学窗26提供的次要观察窗。出于本发明实施例的目的，主要光学窗(可以是包括多个光学窗的主要观察窗)可被定义为亮度分布中强度下降到峰值亮度50％以下的宽度。杂散光通常可提供相对均匀的亮度分布，原因是跨输入侧面2被发射的光具有基本上均匀的分布。

有利的是，图14A至图14C的布置以及广角模式、高效率模式、高亮度模式和自动立体模式可借助控制光源阵列15来切换。

图15A至图15E是示出定向显示器在防窥模式下的操作的示意图，其中主要图像在至少一个操作阶段中在空间光调制器上提供。此类布置可例如与诸如图14A所示的用于低亮度防窥显示器的观察窗布置、或者诸如图14B所示的用于如本文所述的模糊图像防窥显示器的观察窗布置配合使用。图15A示出了光源阵列15中的光源15a-n相对于位置260(为了实现窗平面中的主要照明结构)的相对光通量262。因此，这是其中存在多个主要光源的例子。所以，单独的光源通量264可以在靠近阵列中心的区域内是均匀的，而在其他区域内为零。或者，光源通量264可跨被照明的元件变化，从而在主要观察锥体250内提供随视角不同而分级的亮度。

图15B示出了空间光调制器48上显示的示例性主要图像261，其包括低透射率区域268(例如0％的透射率)和高透射率区域266(例如100％的透射率)。图15C示出了举例说明显示器100的相对亮度和对比度随视角270的变化的曲线图。因此，亮度分布272包括中心观察窗247和杂散光区域241，在该杂散光区域中亮度不为零，例如在以下示例性例子中，在角位置251处为10％。在操作中，杂散光的量可在区域241内变化，如图所示。然而，由于杂散光可被确定为主要是来自波导1的输入侧面2的返回反射，所以可在这些区域内实现相对均匀的输出。主要观察窗可具有边缘宽度256。

图15C还示出了在具有视角的空间光调制器48上看到的所感知图像的对比度的分布274。这种对比度在轴向上可以是基本上均匀的，但在离轴位置上可能下降，如下文针对图27至图28进一步描述的那样。

图15D示出了主要观察窗247中的主要观察者感知到的主要图像280，其中区域267、269的相对亮度为100％、0％，分别基本上相当于区域266、268的相对透射率。图15E使用透视图表示法示出了角位置251处感知到的包括区域271、273的次要图像282。区域273可具有基本上为0％的亮度，而在该示例性例子中，区域271可具有10％的亮度，所述亮度为区域266的由角位置251处的杂散光亮度调制的透射率。

因此，图15A至图15E的布置可提供防窥模式操作，其中次要观察者看到的亮度是主要观察者看到的亮度的10％。这种图像亮度可使次要观察者看到的主要图像模糊不清。具体地讲，模糊效果可通过下列各项提供：(i)正面反射，以及(ii)眼睛对使显示器看起来昏暗的环境照明水平的适应。主要图像在次要观察者看来的对比度可以基本上相同，因此图像特征可以依然可见。

可能有利的是进一步使次要观察者看到的主要图像模糊不清，如下文将描述的那样。在本发明的实施例中，可在时间多路复用显示器的第一操作阶段中提供图15A至图15E的布置。执行第二操作阶段来进一步使图像模糊不清。

图16A至图16E是示出定向显示器在防窥模式下的第二阶段中的操作的示意图，其中主要图像在第一阶段中在空间光调制器上提供，次要图像在第二操作阶段中在空间光调制器上提供。这是其中存在多个次要光源的例子。图16A示出了阵列15的光源，这些光源被操作以使次要光源输出具有不同光通量的光。因此，实现了具有光通量262的次要照明结构，使得光源通量265被布置成提供与来自杂散光区域241中的主要照明的杂散光基本上相同的亮度。如图16C所示，亮度结构294可基本上匹配杂散光区域241中的结构272，因此在该示例性实施例中，可在角位置251处实现10％的亮度。第二阶段中的角对比度分布274与主要阶段中的角对比度分布相同。图16B示出了在区域290中具有0％透射率和在区域292中具有100％透射率的主要图像263。因此，与所显示的主要图像261相比，显示的次要图像263可被反转。

图16D示出了被主要观察者300感知到的包括具有0％亮度的区域284和具有1％亮度的区域286的主要图像281。区域286的轴向亮度295由落在主要观察窗247内且来自次要照明图案(由通量265的分布确定)的杂散光确定，并且所述轴向亮度在该示例性例子中通常为10％透射率的10％，因此为1％。所以，主要图像的感知对比度可在第二阶段中略微下降，例如100:1或更小。降低杂散光亮度295可增大感知到的主要图像对比度。

图16E示出了感知到的包括具有0％亮度的区域288和具有10％亮度的区域290的次要图像283的透视图表示，所述区域的亮度由区域292的SLM 48透射率和位置251处的亮度确定。

可以观察到，第二阶段中感知到的图像283基本上是第一阶段中感知到的图像282的反转。如下文将描述的那样，图像组合起来，可获得对比度极低的感知到的次要图像。有利的是，由于对比度降低，所以可使次要观察者在次要观察窗241中看到的主要图像高度模糊。

图16F是示出主要图像的灰度级别与第二图像的灰度级别之间的关系的示意图。主要图像的反转副本可包括主要图像的被反转函数反转的副本。因此，主要图像灰度级别371和次要图像灰度级别373的曲线图可以是线性的，如反转函数373所示。反转函数375可以是线性的并具有降低的灰度级别，可通过控制次要光源的光通量来补偿降低的灰度级别。另外，反转函数可以是非线性的，诸如函数377、379。有利的是，可调整灰度级映射，以将在观察者视觉的整合期上组合的主要图像和次要图像的可见度降到最低。

图17是示出呈现给空间光调制器和光源阵列的图像和照明的序列的示意图。图17示出了与主要光源264和次要光源265的照明同步地在第一阶段和第二阶段中呈现主要显示图像和次要显示图像的序列。次要图像263可包括主要图像261的被布置成至少部分地消除主要图像261的反转副本，该主要图像调制被导向到主要光学窗247之外、由主要观察者300感知到的杂散光241。

该控制系统被布置成控制空间光调制器48和光源15a-n的阵列彼此同步，使得：(a)在至少一个主要光源264被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗247中供主要观察者300观看时，空间光调制器48显示主要图像261，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像261的情况下，在不同于所述至少一个主要光源264的至少一个光源265被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗247之外的次要光学窗241中时，空间光调制器48显示次要图像263。

有利的是，可通过降低次要图像的对比度来实现模糊效果。

图18A至图18C是示出防窥显示器的所感知图像外观的正视图透视表示的示意图，其中第一阶段和第二阶段包括相应的主要图像和次要图像，还包括从次要图像到主要观察者的串扰。

图18A示出了第一操作阶段。主要观察者300从至少一个主要光学窗内的观察位置(由观察窗247示出)感知主要图像280。观察窗241中的次要观察者302看到与主要图像280具有相同的对比度分布的图像282，该图像的亮度由主要照明光通量264分布的杂散光提供。

图18B示出了第二操作阶段。次要观察者302从至少一个次要光学窗内的观察位置(由观察窗241示出)感知次要图像283。主要观察窗247中的主要观察者300看到与次要图像283具有相同的对比度分布的图像281，该图像的亮度由次要照明光通量265分布的杂散光提供。

图18C示出了由主要观察者300看到的组合感知图像285和由次要观察者302看到的组合感知图像287。因此，由主要光学窗之外的次要观察者302感知到的次要图像287使调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像280模糊不清。

另外，可提供一种使定向显示设备中的主要图像模糊不清的方法，该主要图像调制被导向到主要光学窗之外的杂散光，该定向显示设备包括定向背光源，其中该定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到对应于被选择性操作的光源的光学窗之外；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以显示图像。该方法可包括控制空间光调制器和光源阵列彼此同步，使得：(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，该空间光调制器显示主要图像，以及(b)在以时间多路复用方式显示主要图像的情况下，在不同于所述至少一个主要光源的光源被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的次要光学窗中时，该空间光调制器显示次要图像，被主要光学窗之外的次要观察者感知到的次要图像使调制被导向到主要光学窗之外的杂散光的主要图像模糊不清。

图19A是示出图18A至图18C的布置的显示亮度和对比度的曲线图的示意图。因此，可在第一操作阶段中提供角亮度分布272，并且可在第二操作阶段中提供角亮度分布294。所感知的主要图像285在主要观察者300看来的对比度可具有角度分布296，该角度分布与具有角对比度分布274的单阶段操作显示器相比，具有略微轴向的对比度。被主要光学窗247之外的所感知次要图像287的观察者看到的对比度，在亮度和对比度方面显著下降。有利的是，与图15E和图18A的所感知图像282相比，主要图像相对于次要图像基本上是模糊不清的。

该主要图像可以是如上所述的二维图像。可能有利的是为三维图像提供防窥操作模式。

图19B是示出自动立体防窥显示器的显示亮度和串扰的曲线图的示意图；图19C是示出呈现给自动立体防窥显示器的空间光调制器和光源阵列的图像和照明的序列的示意图。

在一个示例性实施例中，在第一操作阶段，左眼主要图像可与具有角亮度分布297的左眼主要光学窗同步地提供。在第二操作阶段，右眼主要图像可与具有角亮度分布298的右眼主要光学窗同步。

在第三操作阶段，次要图像可与所述至少一个主要光学窗之外的至少一个次要光学窗同步地提供，并由分布294示出。次要图像可以是二维图像。次要图像的透射率可通过1-a(L+R)以像素-像素为基础布置，其中a为常数，L为左像素透射率，R为右像素透射率，并且该透射率可被布置成针对主要的左光学窗和右光学窗之外的次要观察者302提供所得的主要自动立体图像模糊不清的效果。

因此，主要图像可以是包括左眼图像和右眼图像的三维图像。控制系统70、72、74、76可被布置成通过以下操作来控制空间光调制器48以显示主要图像：(a1)控制空间光调制器48以采用时间多路复用方式显示左眼图像和右眼图像，以及(a2)与控制空间光调制器48的操作同步，控制光源15a-n的阵列15以选择性地操作不同的主要光源264，以将光导向到至少一个主要光学窗中，以便在空间光调制器48分别显示左眼图像和右眼图像时，供主要观察者300的左眼和右眼观看。

有利的是，可提供这样的自动立体显示器：其可针对主要观察者实现自动立体3D操作，并可针对主要光学窗297、298之外的次要观察者使3D图像模糊不清。另外，由于左眼图像和右眼图像可基本上在单个阶段中变得模糊，所以可采用三个操作阶段来实现防窥功能。

可能有利的是对主要观察者的观察自由度进行控制。

图20A至图20B、图21和图22是示出第一阶段和第二阶段的角亮度分布的曲线图的示意图。

定向显示设备还可包括传感器系统70，该传感器系统被布置成检测主要观察者300的头部的位置，控制系统被布置成根据检测到的观察者300的头部的位置来控制光源15a-n。如图20A所示，主要光学窗312可具有偏移了角度311的经调整角度分布，以便针对主要光学窗312之外的次要观察者302保持模糊不清的主要图像。有利的是，可在横向方向上增大观察者自由度。

图20B示出，主要光学窗316的宽度313可以变化。该变化可通过手动控制或通过使用头部跟踪来实现，期间就像在被动照明系统中那样，无需较宽的观察自由度。有利的是，可减少系统中杂散光的量，从而增强次要图像的模糊效果。另外，次要观察者可在其中看到未变得模糊的主要图像的区域减小。

图21示出，主要光学窗310的轮廓313可以变化。例如，可以仅在显示器的一侧上提供具有亮度分布322的次要光学窗。有利的是，次要观察者可位于具有变得模糊的图像的一侧，而未变得模糊的图像可被位于次要观察者302另一侧的第三观察者看到。因此，主要观察者可与第三观察者共享显示器，同时显示器依然防止次要观察者302窥视。

图22示出了与来自由分布324示出的主要光学窗的杂散光亮度相比，次级光学窗310的轮廓326可在位置251处具有更高的亮度。次要图像263可施加进一步减小的透射率来提高模糊效果，使得所得到的亮度匹配。有利的是，图像透射率的控制可比光源通量265的控制更便于调节，并因此可对感知到的次要图像对比度进行进一步微调，以实现对于次要观察者302而言主要图像更大的模糊效果。

可能可取的是，在没有次要观察者302在观察显示器时，增加主要观察者300感知到的主要图像的对比度。已知的脸部检测器和跟踪器可被布置用于检测次要观察者是否存在。

图23A至图23B的示意图示出了防窥显示器在第二阶段中，分别在检测到和未检测到次要观察者的情况下的所感知图像外观的透视正视图。传感器系统70可被布置成检测主要光学窗247之外的次要观察者302，并且控制系统72、74、76可被布置成响应于检测到次要观察者302，执行对空间光调制器48和光源阵列15a-n彼此同步的所述控制，使得空间光调制器48以时间多路复用方式显示主要图像261和次要图像263，并且响应于没有检测到次要观察者302而控制空间光调制器48和光源阵列，使得在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗247中供主要观察者300观看时，空间光调制器显示主要图像261，而不以时间多路复用方式显示次要图像263。有利的是，主要观察者可获得更高对比度的图像。另外，与时间多路复用的脉冲电流驱动方案相比，显示器可不必为时间多路复用显示器，从而使得显示器的亮度可通过以连续驱动电流驱动光源15a-n的方式来提高。

图24至图25的示意图分别示出了第一寻址方案和第二寻址方案的曲线图，图中体现了像素透射率水平随时间的变化、寻址信号电平随时间的变化，以及积分亮度水平随时间的变化。图24示出了对于单个像素而言，对于在第一阶段中操作的像素，所需透射率可变化为334、338、342，并且当像素在第二阶段中操作时可变化为336、340、344，同时阶段周期为358。可认为像素驱动信号可由函数352提供，与所需灰度级变化相匹配。空间光调制器48(例如液晶显示器)的时间灰度级响应特性通常是所得的积分像素透射函数356，而不是所需的非变化函数354。图25示出了可按需应用像素驱动函数360，从而在整个阶段周期358积分的所得像素传输中实现线性函数354和线性函数360。有利的是，可驱动次要图像来提供快速切换空间光调制器48的主要图像的正确反转。

图26A至图26B的示意图分别示出了第一寻址方案和第二寻址方案的曲线图，图中体现了寻址信号随时间的变化。可能有利的是提供用于面板寻址的正确的电反转方案。为了避免因液晶单元内发生电荷迁移而造成图像残留，液晶显示器通常使用正电压和负电压的交变电场。如图26A所示，如果将此类方案应用于函数360，便可获得寻址方案361，并且在若干周期358中在像素上递送非均匀电荷分布。本发明实施例的反转图像特性着重突出了这种方案，并且这种方案可导致图像残留。优选的是，可提供图26B的布置，其中该反转在相邻的阶段周期上完成。在这种情况下，总输出总是恒定的，并且可布置高性能反转校正。有利的是，可将图像残留降到最低。

图27至图28的示意图分别示出了扭转向列型液晶显示器和得到补偿的扭转向列型液晶显示器的等对比度极坐标图。主要观察者300可在中心区域452中观察主要图像261和杂散光照射的次要图像362，而次要观察者可在边缘区域456、457、458中观察到具有极坐标的次要图像263。对于如图27所示的未得到补偿的TN显示器，每个区域可具有不同的灰度级性能，并且因此区域456中反转的次要图像感知外观将不同于例如区域457中反转的次要图像感知外观。因此，对次要观察者而言，主要图像的模糊效果可不期望地随着视角而变化。图28示出了得到补偿的TN可为离轴次要观察者提供类似的灰度级性能，并且因此可在更宽范围的观察者位置上通过减小感知次要图像287的对比度有利地实现模糊效果。

可能有利的是通过提高反转的次要图像263的准确度来进一步改善模糊效果水平。

图29的流程图示出了根据测得的次要观察者的极坐标位置进行次要图像灰度级校正的过程。在第一步骤401中，在次要图像的整个对向区域上测量次要观察者眼睛的平均位置。在第二步骤402中，例如借助于查找表来评估空间光调制器48对于极角的灰度级特性。在第三步骤403中，计算出适用于实现正确反转图像的正确信号。在第四步骤404中，与主要图像一道同步地显示次要图像。

图30的示意图示出了第一图像输入灰度级420和第二输入灰度级422相对于正在时间多路复用显示器中运行的空间光调制器的输出传输的坐标图。因此，可以看出像素的输出透射率将以非线性方式变化。可在步骤402或其他步骤中使用查找表来评估反转图像的正确像素设置，而此类坐标图可用作该查找表的基础。空间光调制器48因此可包括像素阵列，并且控制系统72、76可被布置成控制空间光调制器48，从而在以时间多路复用方式显示主要图像261和次要图像263期间控制每个像素的驱动电平，在该过程中考虑了所需的像素灰度级别和像素的预期滞后。

图31的流程图示出了处理信号数据以实现对交替的主要图像和次要图像的像素数据的正确寻址。控制系统72、74、76可被布置成控制空间光调制器48和光源阵列15a-n，使得次要图像263具有与调制被导向到主要光学窗247之外的杂散光的主要图像261相同的亮度。

在示例性实施例中，在第一步骤412中，输入主要图像灰度级别。在第二步骤414中，计算出主要图像像素驱动电平，并且用以驱动第一阶段中主要图像的相应像素，如第三步骤416中所示。在第四步骤406中，计算出所需的反转灰度级，并且在第五步骤408中，进一步使用该输入灰度级的数据和诸如图30所示的映射函数来计算正确的反转驱动电平。在第六步骤410中，与第二阶段一道同步地驱动次要图像的像素数据。

有利的是，可通过减小所感知的次要图像287的对比度来增强主要图像的模糊效果。

在操作中，由于例如存在显示器的面积所对向的有限锥角，或由于要补偿各种次要观察者位置，可能无法总是能够完全去除感知到的次要图像287中的残余图像对比度。可能有利的是进一步使次要观察者看到的主要图像模糊不清。

图32A至图32C的示意图示出了防窥显示器的感知到的图像外观的正视图透视表示，其中第一阶段和第二阶段包括相应的主要图像和次要图像，还包括分裂图案图像内容。图32A可基本上与例如图18A所示的内容相同。图32B示出了可将分裂图案420添加到次要图像283。此类次级图案可以是固定的或随时间变化的。可对分裂图案进行选择以最佳地破坏所呈现的图像的性质，例如可具有与主要图像的空间频率峰值相似但具有不同结构的空间频率。因此，例如文本和照片的分裂图案420可以不同，并且该分裂图案的性质可在空间光调制器48的区域上进一步变化。除了低对比度的主要图像之外，由次要观察者302看到的感知次要图像287可显示低分裂图案。

有利的是，可改进主要图像对于次要观察者302而言的模糊效果。

可能有利的是将所感知主要图像285中的分裂图案的可见度降到最低。

图33的流程图示出了处理信号数据以实现对于包括分裂图案图像内容的时间多路复用的主要图像和次要图像的像素数据的正确寻址；次要图像263可包括主要图像的叠加了分裂图案420的反转副本。次要图像263可包括分裂图案420。主要图像261可包括用于显示给主要观察者的叠加了分裂图案420的反转副本的图像，其中分裂图案的反转副本被布置成至少部分地消除分裂图案420，该分裂图案调制被导向到次要光学窗241之外、由主要观察者300感知到的杂散光。图33类似于图31，并且进行了另外的步骤422以向次要图像263添加分裂图案，还添加了步骤424以至少部分地从主要图像中减去分裂图案。有利的是，可将主要图像中的分裂图案的外观减到最低限度。

可能有利的是使光源15a-n时间照明图案的时序与空间光调制器48寻址同步，以优化显示亮度并使主要图像和次要图像之间的串扰降到最低，从而实现对于次要观察者而言改善的图像模糊效果。

图34A至图34B的示意性时序图示出了以匹配的阶段长度对主要图像和次要图像以及相应的照明信号进行寻址。主要阶段480寻址信号470和次要阶段482寻址信号472以反相形式显示。空间光调制器48寻址以信号474示出，同时以周期484表示像素行寻址、以周期486表示液晶响应时间且以488表示照明时隙。主要照明定时信号476被示为具有脉冲492，该脉冲为第一阶段中的较高亮度提供脉冲宽度调制输出490，例如由图15A中的光源通量264所示。次要照明定时信号478被示为具有脉冲492，该脉冲为第二阶段中的较低亮度提供脉冲宽度调制输出494，例如由图16A中的光源通量265所示。如图34B所示，可能有利的是在第二阶段中提供在更宽范围内分布的脉冲496，该脉冲可有利地减少闪烁并且在整个面板区域提高图像模糊的均匀性。

图34A至图34B的布置示出了最大显示亮度可由照明时隙488的宽度限制。可能有利的是通过增大照明时隙宽度来提高显示器亮度。

图34C的示意性时序图示出了以不匹配的阶段长度对主要图像和次要图像以及相应的照明信号进行寻址。控制系统72、74、76可被布置成控制空间光调制器48和光源阵列15a-n彼此同步，使得空间光调制器48以时间多路复用方式在不等长的时隙480和时隙482中显示主要图像261和次要图像263。用于面板寻址的周期484和用于液晶响应的周期486在两个时隙480、482中可以是相同的，因此可使照明时隙487比时隙489更长。这提供了与图34B的脉冲490相比被延伸的脉冲496。用于第二阶段的照明时隙宽度489被设定为足够长，以便为图16A中所示的第二光通量265模式提供足够的强度。有利的是，可提高显示亮度。

期望提供另外的布置以向次要图像提供随时间而变化的分裂图案。此类随时间变化的图案可通过更新图32C的分裂次要图像图案来实现。还期望在不修改次要图像的情况下实现分裂图案，从而限制主要图像中的残余分裂图案的可见度。

图35A至图35B的示意图示出了针对以少量光源实现照明的跨光阀的空间亮度变化，并且因此表示离轴观察位置的主要图像700的照明。空隙A 530和空隙B 532在本文其他部分示出并进行描述。照明区域704、702由一对分开的光源针对靠近但未必处于窗平面的观察者提供。此类非均匀照明区域由光学系统的像差提供，特别是由反射端4和弯曲面12处的菲涅尔反射镜提供，并且可根据观察位置以及光学设计而改变形状和位置。对于第二对光源还提供了区域706、708。在区域702、704之间的区域705中，可提供例如由来自输入侧面2的反射带来的较低亮度的杂散光，如本文别处所述。

图35C的示意图示出了针对以数量增加的光源实现照明的跨光阀的组合空间亮度。在操作中，多个相邻的光源通常与漫射体元件一起提供，漫射体元件在整个显示器表面上散布光，从而在离轴观察位置提供均匀的照明。

在另一个防窥操作模式中，此类非均匀性可用于向次要观察者提供另外的分裂图像，如下面将描述的那样。

图36A的示意图示出了防窥显示器中图像内容的循环。因此，此类图像不需要在次要图像中具有分裂图像内容，并且可如本文其他地方所描述的那样，在主要图像和反转的次要图像之间循环。

图36B的示意图示出了在使用如图35A至图35C中所描述的像差非均匀性属性的防窥显示器中，光源分布的循环的亮度相对光源位置的曲线图。图36C至图36D的示意图示出了第一阶段和第二阶段中图像的离轴图像外观，以及第一阶段和第二阶段中跨图像的亮度分布。图36E的示意性流程图示出了对图56至图60的布置进行控制的过程。

提供了主要光源730的组720和次要光源732、734的组722和724，并且这是存在多个主要光源730和多个次要光源732、734的例子。

主要光源可具有相等的通量。作为另外一种选择，主要光源730可具有随位置变化的通量分布，以实现光学窗轮廓的成形。此类成形可改善接近主要光学窗边缘的观察者位置的感知图像空间均匀性。

另外，在除了主要光源730之外还显示主要图像时，次要光源732(通常为至少一个次要光源732)可在操作的第一阶段被照亮，但其他次要光源734不被照亮。此类附加次要光源732为离轴观察位置提供了空间非均匀照明，如针对图35A至图35C所描述的那样。当显示次要图像时，那些附加次要光源732还在第二操作阶段中操作，但是具有比其他次要光源734更高的光通量。

因此，在操作中，控制系统可被布置成如下所述控制空间光调制器48和光源阵列15彼此同步。

在操作的第一阶段(图36A和图36B中的左上方)，当空间光调制器48显示主要图像时，除了所述至少一个主要光源730之外，还选择性地操作附加光源732。这使得光被导向到主窗口的附加光学窗中。如上所述，在第一阶段的操作中，当主要光源730和附加光源732被照亮时，其他次要光源734不被照亮。

在操作的第二阶段中(图36A和图36B的右上方)，当空间光调制器48显示次要图像时，对包括在第一阶段中操作的附加光源732和不在第一阶段中操作的其他次要光源734的所有次要光源732、734进行操作。如前所述，在第二阶段的操作中，主要光源730不被照亮，而次要光源732、734被照亮。

然而，在第二阶段中，可操作附加光源732来输出比其他次要光源734光通量更高的光，以提供用于在第一阶段中照亮附加光学窗的防窥外观的一些额外补偿，然而不一定要提供图像消除。因此，对于次要观察者，可看到在整个显示区域上具有不同亮度水平的图像，这有利地实现了分裂图像图案的显示。

第一阶段和第二阶段可按时间多路复用方式重复，在这种情况下，不使用图36A和图36B的右下方和左下方所示的阶段。

或者，如图36B和图36E所示，操作可另外包括第三阶段和第四阶段(图36A和图36B的右下方和左下方)，其对应于第一阶段和第二阶段，但是其中的附加窗口通过改变附加光源即通过使用附加光源742而不是附加光源732来发生改变。因此，由与主要光源730一起照亮的附加光源732或742照亮的附加窗口的位置可发生移动，从而提供整个显示器的空间不均匀性，该空间不均匀性不同于第一阶段和第二阶段中所实现的那样。这样，如图36C至图36D中针对在第二阶段和第四阶段中的第一感知次要图像和第二感知次要图像所示，次要观察者可获得移动非均匀性，而对主要观察者而言可见度降到最低。因此，所述至少一个附加窗口在操作的不同时间相中发生改变。通常，可存在附加光源发生改变的更多个阶段。

可增加第一阶段和第二阶段到第三阶段和第四阶段的间隔，从而控制次要图像分裂的时间频率和空间频率。有利的是，可在不改变提供给空间光调制器的图像内容的情况下实现图像分裂增强的目的。另外，由于像差空间非均匀性具有角度依赖性，因此分裂图案外观可随着观看者的位置而发生改变。图32A至图32C中描述的附加分裂图案可进一步应用于次要图像，以进一步加大分裂程度。

期望降低阶梯式波导中的杂散光水平以实现改进的防窥操作。这种改进对于如本文其他地方描述的包括单个主要图像的显示器、以及具有主要图像和次要图像的时间多路复用显示器可能是所需的。

图37是以正视图示出的示意图，其示出了例如在图4A中所示类型的光学阀中杂散光的生成，还包括端部4处的菲涅尔反射镜而不是圆顶反射器。

在操作中，光线502、504被导向到反射端4，并且成像到光学窗26a(未示出)。

图11中所示的楔型波导1104可经过布置，使得可借助于在x-z平面中具有小平面的端镜1102和波导侧面1106处的全内反射来提取所有光。通过比较，阶梯波导1、1301通常布置成使得一些光入射到输入端2上。靠近源15a的光线502在区域511中可有用地反射为光线503，从而得到接近轴197的光学窗。然而，入射到区域515上的光线504还可被反射为光线505，该光线被导向成角度分布500的区域512中的方向。此类光线不期望地增加了防窥操作的可见度。

图38A至图38C的示意图示出了在与图37的布置相类似的显示器中，具有角度270的输出亮度310的角度分布500。图38A示出了在从输入侧面的光的反射之前获得的主要光学窗分布515，图38B示出了从波导1中间的区域的输入侧面反射的光得到的光学窗分布517，图38C示出了组合光学窗分布56。

外部区域512、514中的光分布517不期望地降低了如本文其他地方所描述的包括单个主要图像的显示器、以及具有主要图像和次要图像的时间多路复用显示器的防窥性能。

图39至图40的示意图以正视图示出了布置类似于图4A的光学阀中图像空隙的形成与校正。另外，图39是以正视图示出定向波导中的照明空隙非均匀性起源的示意图，并且在2015年5月27日提交的名称为“Wideangle imaging directional backlights”(广角成像定向背光源)(代理人参考号379000B)的美国专利临时申请No.62/167,185中有进一步的大致描述，其全部内容以引用方式并入本文。对于阵列15的离轴源，提供了额外的空隙区域。空隙A 530由在光源和菲涅耳反射器相邻边缘所对向的锥角之外的光提供。边界531将空隙A与主照明区域分隔开。空隙B 532由空气中光源的进入波导的光的临界角θc之外的光线提供。边界533将空隙B与主照明区域分离。对于离轴观察位置而言，这两个空隙均产生了不期望的不均匀性。

图40的示意图以正视图示出了定向波导中照明空隙非均匀性的校正。空隙A可由布置在波导1侧面上的光源阵列17补偿。可通过修改输入端的结构来补偿空隙B，例如通过添加漫射结构以将波导内部的锥角扩张至大于临界角。因此，用于作为防窥显示器操作的定向背光源可包括具有输入端2的波导1；输入光源阵列15，其被布置在跨波导1输入端2的横向方向上的不同输入位置处，并且被布置成将输入光输入到波导1中，波导1还包括相对的横向延伸的第一引导表面6和第二引导表面8用于沿波导1引导光，在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的侧表面22、24，以及具有面向输入端2的正光焦度的反射端4用于沿波导1反射输入光，第二引导表面8被布置成使反射的输入光偏转通过第一引导表面6作为输出光，并且波导1被布置成在输出方向上将输出光引导到光学窗26中，该输出方向根据输入光的输入位置在横向方向上分布；以及沿着与输入端2相邻的每个侧表面22、24的至少一部分设置的附加光源17、19，附加光源17被布置成在一定方向上通过侧表面22中的一个将附加光引导到波导1中，在该方向上附加光被反射端4反射到相对侧表面24上，并且被相对侧表面24反射到波导1的邻近相对侧表面24的区段中，该区段从反射表面4和侧表面24之间的拐角延伸。类似地，附加光源19可被布置成在一定方向上通过侧表面24中的一个将附加光引导到波导1中，在该方向上附加光被反射端4反射到相对侧表面222上，并且被相对侧表面22反射到波导1的邻近相对侧表面22的区段中，该区段从反射表面4和侧表面22之间的拐角延伸。

线531、533之间的区域535由光源15照亮。有利的是，对于较宽范围的观察位置，可通过调节来自光源17的通量以可控方式填充空隙A530。另外，可控制输出窗口的角度照明分布，从而得到与常规波导1相比具有类似性能或更好性能的广角模式。

此类侧光源17、19可仅在广角操作模式下操作，并且可不在防窥操作中操作。或者，此类侧光源可提供一些次要光源来改善一些区域中的防窥性能的校正，否则这些区域将是空隙区域。

具有类似起源的空隙区域由图12D至图12F的侧面照明波导提供。因此，对于从图37所示的区域513、515反射的光，期望存在空隙区域。此类空隙为防窥操作提供了空间不均匀性。

因此，期望针对离轴观察位置校正防窥图像外观中的空间非均匀性。

图41是跨光学阀1的在防窥操作观察位置的亮度分布550的照片，并且图42的示意图以正视图示出了防窥操作观察位置中具有横向角度偏移的等亮度分布区域。如图所示的亮度分布552由波导1输入侧面2的区域515中光线505的反射提供。因此，空隙532和区域535存在于防窥图像的空间均匀性中。因此在此类观察位置中，点540、542的亮度可基本上不同。

期望在具有主要图像阶段和次要图像阶段的防窥显示器中提高图像消除的空间均匀性。

图43的示意图示出了图42的不同显示区域的灰度级反转函数。图42中的区域A、B、C、D可分别提供有反转函数560、562、564、566。因此，主要图像的反转副本可包括主要图像的被跨图像在空间上变化的反转函数反转的副本。

有利的是，可对于整个所观察图像上的区域进一步减少主要图像对于次要观察者而言的可见度，从而改善整体的防窥性能。

还期望校正光学窗亮度的空间分布中的角度变化。此类变化可由通过光源的成像直接产生的通量分布提供，或者可由从输入侧面反射的杂散光产生，例如在图37、图38、图40和图42中所示。

图44A的示意性曲线图分别示出了用于图42中不同显示区域540、542的角亮度分布544、546。因此，光学窗的输出亮度分布跨所显示图像的区域随空间而变化。因此在期望得到防窥图像的角度570、574处，区域540、542的亮度将是不同的，并且将为区域540、542提供所需不同的反转函数，该反转函数可随着观看角度270而变化。

图44B的示意性曲线图示出了在视角570处的区域540的灰度级反转函数560和区域542的灰度级反转函数568，以及在视角574处的区域540的反转函数560和区域542的反转函数572。所述反转函数跨图像在空间上的变化可与输出窗26a-n的亮度在空间上的变化一致。

图45的流程图示出了对非均匀灰度级映射的映射分布进行校正的过程。在第一步骤406中，可测量观察者的角位置，如本文别处所述。在第二步骤422中，可针对相应的视角确定诸如图41至图42中所示的防窥亮度分布。此类分布可计算而得，或者可例如由查找表或其他已知的确定技术来确定。在第三步骤408中，可确定跨次要图像的反转函数的分布，并且在第四步骤410中使用该分布来驱动次要图像像素。在第五步骤412中，可驱动主要图像像素。在第五步骤中，驱动功能的另外某种分布可被布置成在主要图像中提供增加的图像均匀性。

期望改善不采用头部跟踪能力的显示器中防窥性能的空间均匀性。

图46至图47是以正视图示出反转函数空间变化的示意图，其示出了跨次要图像580的等函数分布。因此，可提供对应于图42中的图像亮度区域552的区域582，所述区域582是正视角和负视角的平均。所示的每个区域582可对应于不同的反转函数，并且可例如通过插值来使区域之间的过渡变得平滑，从而实现反转函数的均匀变化。区域582可以是垂直轮廓，或者可以是左侧和右侧观察位置的函数的组合，例如相对于主要光学窗的轴197+/-45度。有利的是，可在更宽的观察自由度上实现主要图像和次要图像组合的改进的空间均匀性。

如图37所示，来自波导1的输入侧面2的反射产生了显著的使防窥效果减损的伪像，导致形成杂散光学窗。期望降低杂散光学窗的亮度。

图48的示意图以透视图示出了具有输入侧面掩蔽层的光学阀，所述掩蔽层被布置成减少来自输入侧面的某些区域的反射。2015年5月27日提交的名称为“Wide angleimaging directional backlights”(广角成像定向背光源)的美国专利临时申请62/167,185(代理人参考号379000B)中也大体描述了这种布置，该申请全文以引用方式并入本文。提供非矩形输入侧面2来改进针对光轴197附近的光学窗位置的主要图像的均匀性。因此，输出侧面6和输入侧面2之间的边缘600可以是非线性的，如同小平面化侧面8和输入侧面2之间的侧面601可能的那样。有利的是，这种孔形状还可用于减少反射的杂散光。光源阵列15、17、19可被布置成具有基本上恒定的发射孔高度。在中心区域511中，侧面2可以具有透射性或反射性，以增加主要光学窗中的反射光的亮度。在外部区域513、515和侧面区域中，吸收掩模602、604可被布置成吸收没有入射到光源阵列15、17、19上的光。因此，在从输入侧面2反射之后形成杂散光学窗的杂散光可针对主要光学窗再循环并且针对次要光学窗的区域减少。有利的是，可增强对离轴观察者的防窥性能。

图49至图52的示意图以正视图示出了类似于图47所示、被布置成实现减少防窥观察方向上的杂散光的光学阀的输入侧面。

图49示出了输入侧面可还包括倾斜的输入小平面1626，并且干扰区域1627可被提供为在由临界角限定的xy平面中的波导内的具有极性光分布轮廓1624的平表面或具有可大于临界角的极性轮廓1630的结构化表面。所述平表面和结构化表面可与相应的可寻址光源15x和15y对准。在特定方向上的角轮廓可由表面轮廓控制。因此，对于特定角度方向上的光学窗26，所导向的量或光可包括锥体1624和1630的组合，从而提供沿所述方向的实际光分布的调谐。所述方向的轴可由所述平表面或结构化表面的倾斜度325确定。

图50示出了来自输入侧面2的杂散光的反射，其中光线1650来自平表面，光线1652来自结构化表面。如图41至图42所示的杂散光光学窗的空间亮度分布可通过输入表面1626、1627的小平面结构的设计来修改。

图51示出，可通过减少光源封装的数量并且通过可选地为输入的区域513、515中的光源以及为光源阵列17、19采用黑色封装材料，来减少来自光源封装15x、15y的反射。图52示出，可结合附加的光屏蔽材料1658、结构化小平面1627和吸收层1656进一步减少来自输入侧面的杂散光反射。所述结构化表面和平表面可包括微结构化表面，这些微结构化表面将表面起伏抗反射结构与子波长节距(例如蛾眼表面)相结合来进一步减少反射。

有利的是，可通过修改输入表面和光源阵列来提供主要光学窗的有效照明和降低防窥观察位置杂散光的可见度。

如本文可使用，术语“基本上”和“大约”为其相应术语和/或术语之间的相对性提供业内可接受的公差。此类业内可接受的公差在0％至10％的范围内，并对应于但不限于分量值、角度等。在各项之间的这样的相对性在大约0％至10％的范围内。

虽然上文描述根据本文所公开的原理的各种实施例，但应理解，这些实施例仅以举例的方式示出，而并非意在构成限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施例的限制，而应该仅根据本公开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，本文章节标题是为符合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产生于本公开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公开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。可以根据产生于本公开的多项权利要求来阐述多个实施例，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，应根据本公开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 (25)

1.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：

定向背光源，所述定向背光源包括：

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

光源阵列，所述光源被布置成在跨所述波导的不同输入位置处产生所述输入光，

其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，所述第二引导表面包括多个光提取特征和所述光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被布置成通过所述第一引导表面将被引导穿过所述波导的光偏转到所述波导外来作为输出光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光，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，所述输出方向分布在取决于所述输入光的所述输入位置的横向方向上；

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以显示图像；以及

控制系统，所述控制系统能够控制所述空间光调制器，并能够选择性地操作光源以将光导向到对应的光学窗中，其中所述定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到对应于被选择性操作的光源的所述光学窗之外，

所述控制系统被布置成控制所述空间光调制器和所述光源阵列彼此同步，使得：

(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，所述空间光调制器显示主要图像，以及

(b)在以时间多路复用方式显示所述主要图像的情况下，在不同于所述至少一个主要光源的多个光源被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的多个次要光学窗中时，所述空间光调制器显示次要图像，被所述主要光学窗之外的次要观察者感知到的所述次要图像使调制被导向到所述至少一个主要光学窗之外的所述杂散光的所述主要图像模糊不清，不同于所述至少一个主要光源的所述多个光源被选择性地操作以输出光通量不同的光，使得来自不同于所述至少一个主要光源的所述多个光源的输出光被布置成在所述次要光学窗中提供与来自至少一个主要光源的杂散光基本上相同的亮度。

2.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置成控制所述空间光调制器和所述光源阵列彼此同步，使得：

(a)当所述空间光调制器显示所述主要图像时，除所述至少一个主要光源之外，至少一个附加光源被选择性地操作以将光导向到附加光学窗中，以及

(b)当所述空间光调制器显示所述次要图像时，所述多个光源包括所述至少一个附加光源和其他光源，所述附加光源被操作以输出具有比所述其他光源更高的光通量的光。

3.根据权利要求2所述的定向显示设备，其中不同于所述至少一个主要光源的所述至少一个附加光源在不同的操作时间相中改变。

4.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述次要图像包括所述主要图像的被布置成至少部分地消除所述主要图像的反转副本，所述主要图像调制被导向到所述主要光学窗之外、由所述主要观察者感知到的所述杂散光。

5.根据权利要求4所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置成控制所述空间光调制器和所述光源阵列，使得所述次要图像具有与调制被导向到所述主要光学窗之外的所述杂散光的所述主要图像相同的亮度。

6.根据权利要求4所述的定向显示设备，其中所述主要图像的所述反转副本包括所述主要图像的被跨所述图像在空间上变化的反转函数反转的副本。

7.根据权利要求6所述的定向显示设备，其中所述反转函数跨所述图像在空间上的变化与所述光学窗的亮度在空间上的变化一致。

8.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述次要图像包括所述主要图像的叠加了分裂图案的反转副本。

9.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述次要图像包括分裂图案。

10.根据权利要求9所述的定向显示设备，其中所述主要图像包括用于显示给所述主要观察者的叠加了所述分裂图案的反转副本的图像，其中所述分裂图案的所述反转副本被布置成至少部分地消除所述分裂图案，所述分裂图案调制被导向到所述次要光学窗之外、由所述主要观察者感知到的所述杂散光。

11.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置成控制所述空间光调制器和所述光源阵列彼此同步，使得所述空间光调制器以时间多路复用方式在不等长的时隙中显示所述主要图像和所述次要图像。

12.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述空间光调制器包括像素阵列，并且所述控制系统被布置成控制所述空间光调制器，从而在以所述时间多路复用方式显示所述主要图像和所述次要图像期间控制每个像素的驱动电平，在该过程中考虑了所需的像素灰度级别和所述像素的预期滞后。

13.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述主要图像是二维图像。

14.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述主要图像是包括左眼图像和右眼图像的三维图像，并且所述控制系统被布置成通过以下操作来控制所述空间光调制器以显示所述主要图像：(a1)控制所述空间光调制器以采用时间多路复用方式显示所述左眼图像和所述右眼图像，以及(a2)与控制所述空间光调制器的操作同步，控制所述光源阵列以选择性地操作不同的主要光源，以将光导向到至少一个主要光学窗中，以便在所述空间光调制器分别显示所述左眼图像和所述右眼图像时，供所述主要观察者的左眼和右眼观看。

15.根据权利要求14所述的定向显示设备，其中所述次要图像是二维图像。

16.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，所述阶梯形状包括作为所述光提取特征的小平面以及所述中间区域。

17.根据权利要求16所述的定向显示设备，其中所述定向背光源还包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，所述反射小平面被布置成使来自所述光源的、透射穿过所述波导的所述多个小平面的光反射回穿过所述波导，以穿过所述第一引导表面离开而进入所述光学窗。

18.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述光提取特征在所述横向方向上具有正光焦度。

19.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述波导还包括输入端，所述光源阵列沿所述输入端布置。

20.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述波导还包括反射端，所述反射端用于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。

21.根据权利要求20所述的定向显示设备，其中所述反射端在所述横向方向上具有正光焦度。

22.根据权利要求1所述的定向显示设备，其中所述波导还包括在横向方向上细长的反射端，所述第一引导表面和所述第二引导表面从所述反射端的横向延伸边缘延伸，所述波导还包括在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的侧表面，并且

其中所述光源包括沿着侧表面布置的光源阵列，用于通过所述侧表面提供所述输入光，并且所述反射端包括在所述横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面，所述第一小平面是反射性的并且形成在所述横向方向上具有正光焦度的菲涅尔反射器的反射小平面，所述第二小平面形成在所述横向方向上具有正光焦度的所述菲涅尔反射器的干扰小平面，所述菲涅尔反射器具有在一定方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴，在所述方向上所述菲涅尔反射器将来自所述光源阵列的输入光偏转到所述波导中。

23.根据权利要求1所述的定向显示设备，还包括传感器系统，所述传感器系统被布置成检测所述主要观察者的头部的位置，所述控制系统被布置成根据检测到的所述观察者的头部的位置来控制所述光源。

24.根据权利要求23所述的定向显示设备，其中

所述传感器系统被布置成检测所述主要光学窗之外的次要观察者，并且

所述控制系统被布置成：响应于检测到所述次要观察者，执行对所述空间光调制器和所述光源阵列彼此同步的所述控制，使得所述空间光调制器以时间多路复用方式显示所述主要图像和所述次要图像，并且响应于没有检测到所述次要观察者而控制所述空间光调制器和所述光源阵列，使得在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，所述空间光调制器显示所述主要图像，而不以时间多路复用方式显示所述次要图像。

25.一种使定向显示设备中的主要图像模糊不清的方法，所述主要图像调制被导向到至少一个主要光学窗之外的杂散光，所述定向显示设备包括：

定向背光源，所述定向背光源包括：

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

光源阵列，所述光源被布置成在跨所述波导的不同输入位置处产生所述输入光，

其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，所述第二引导表面包括多个光提取特征和所述光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被布置成通过所述第一引导表面将被引导穿过所述波导的光偏转到所述波导外来作为输出光，所述中间区域被布置成沿波导引导光，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，所述输出方向分布在取决于所述输入光的所述输入位置的横向方向上，使得选择性地操作光源导致光被导向到对应的光学窗中，其中所述定向背光源中的杂散光在输出方向上被导向到对应于被选择性操作的光源的所述光学窗之外；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以显示图像；

所述方法包括控制所述空间光调制器和所述光源阵列彼此同步，使得：

(a)在至少一个主要光源被选择性地操作以将光导向到至少一个主要光学窗中供主要观察者观看时，所述空间光调制器显示主要图像，以及

(b)在以时间多路复用方式显示所述主要图像的情况下，在不同于所述至少一个主要光源的多个光源被选择性地操作以将光导向到所述至少一个主要光学窗之外的多个次要光学窗中时，所述空间光调制器显示次要图像，被所述主要光学窗之外的次要观察者感知到的所述次要图像使调制被导向到所述至少一个主要光学窗之外的所述杂散光的所述主要图像模糊不清，不同于所述至少一个主要光源的所述多个光源被选择性地操作以输出光通量不同的光，使得来自不同于所述至少一个主要光源的所述多个光源的输出光被布置成在所述次要光学窗中提供与来自至少一个主要光源的杂散光基本上相同的亮度。

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