CN107037527A

CN107037527A - 用于成像定向背光源的光源调节

Info

Publication number: CN107037527A
Application number: CN201710155058.7A
Authority: CN
Inventors: M·G·鲁宾逊; G·J·伍德盖特; J·哈罗德; M·H·舒克
Original assignee: Gabriel D Spark LLC
Current assignee: Gabriel D Spark LLC; RealD Inc
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2017-08-11
Also published as: EP2850359B1; CN104302965A; EP2850359A1; CN104302965B; US20130335821A1; KR102247139B1; EP2850359A4; KR20150021935A; JP2018174139A; JP2015525432A; JP6567130B2; WO2013173760A1

Abstract

本发明公开了一种用于从局部光源提供大面积均匀定向照明的成像定向背光源设备。在示例性光学阀系统内，波导包括阶梯式结构，其中所述阶梯包括隐藏至引导光的提取结构特征，所述引导光在第一向前方向上传播。在第二向后方向上传播的返回光可由所述结构特征折射、衍射或反射以提供从所述波导的顶部表面离开的离散照明光束。此类受控照明可提供高效的多用户自动立体显示器以及改善的2D显示功能。照明均匀度通过单个输入光源的所述定位、封装和光学改性提供。所述后者采用非成像和折射光学器件。

Description

用于成像定向背光源的光源调节

本申请是2013年5月17日递交的PCT国际申请PCT/US2013/041655于2014年11 月18日进入中国国家阶段的中国专利申请号为201380026047.9、发明名称为“用于成像定向背光源的光源调节”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明整体涉及空间光调制器的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提供大面积照明的光导，以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。

背景技术

空间多路复用自动立体显示装置通常使视差组件(诸如透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对准，该图像阵列被布置为空间光调制器(例如LED)上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自所述各组像素中每一者的光导向至相应不同的方向内以在显示器前方提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗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的观察者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看自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平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

本发明涉及用于从局部光源提供空间光调制器的大面积均匀定向照明的定向背光源。在示例性定向背光源内，波导包括用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及用于将来自输入光源的输入光穿过波导反射回来的面向输入端的反射端。波导可被布置为将来自光源的输入光从反射端反射之后导向为穿过第一引导表面的输出光，例如使用对于在第一向前方向上传播的引导光隐藏的光提取结构特征。输出光可沿在垂直于第一引导表面的横向方向上分布的输出方向导向至光学窗内，所述输出方向取决于跨波导输入端的横向方向上的光源的输入位置。此类受控照明可提供高效的多用户自动立体显示器以及改善的2D显示功能。

显示器背光源通常采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明穿过显示面板导向到观察窗内的额外能力。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光学系统的光学阀，并因此也可以是折叠成像定向背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，同时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请No.13/300,293中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

本发明的方面涉及控制从波导输出并且导向到观察窗内的光的横向亮度分布，所述光通常在定向背光源形成显示装置的一部分时穿过空间光调制器。

根据本发明的方面，提供了定向背光源，其包括：具有输入端的波导；以及设置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处的光源阵列。。波导还可包括用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及用于将来自输入光源的输入光穿过波导反射回来的面向输入端的反射端。波导可被布置为将来自光源的输入光从反射端反射之后作为穿过第一引导表面的输出光导向到沿垂直于第一引导表面的横向方向分布的输出方向上的光学窗内，所述输出方向取决于输入位置。定向背光源可被布置为使得来自相应光源的波导中的输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，其在横向方向上随光源的输入位置而变化。

在操作中，相应光源发光强度的角分布可被映射到跨相应端宽度的横向强度分布上。此类横向强度分布还可被映射到从波导输出并且穿过空间光调制器导向至光学窗的光的横向亮度分布。可控制从(a)发光强度分布至(b)横向亮度分布的映射中的变化，该变化取决于光源的横向位置。有利的是，当观察者相对于显示器移动横向位置时，横向亮度分布中的变化减少。显示器亮度、均匀度和横向观看自由度的范围可增加。针对观察者跟踪系统中的移动观察者的显示器闪烁可减少。

有利的是，显示器亮度随视角的变化可以某种方式变化，以使随视角的亮度变化的可见度最小化，并且使得来自光源的光有效地导向至反射端，从而增加显示效率并降低功率消耗和成本。

所需的按照角度以横向方式的发光强度分布可通过提供布置在光源与波导之间的光学结构来实现。此类光学结构可改变按照来自相应光源的光输出的角度以横向方式的发光强度分布。可通过波导的输入端和/或通过附加光学元件形成此类光学结构。在那些情况中的任一种情况下，光学结构可包括具有正光焦度的场透镜表面，或可为非成像结构，例如小平面阵列或光漫射结构。

另外，场光学元件可为非成像光学器件，该光学元件被修改以基于发光元件相对于波导中心的位置产生分布方向上的变化。非成像光学器件可被布置为将光能从发光元件转移至反射端的宽度，而不在反射端形成发光元件的图像。有利的是，光在反射端处的分布可变得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，并且可实现增加的效率和改善的窗均匀度，从而针对移动观察者减少闪烁。另外，光在非成像光学器件出口表面处的分布可变得均匀并且与来自发光元件的光发射的结构无关，包括亮度和颜色中的结构。另外，可通过非成像光学元件有效收集光，从而降低成本、改善能量效率并且增加亮度。另外，可选择发光元件以紧密匹配光学波导的集光率(在至少一个平面中)，并且非成像光学器件可提供保持集光率的面积和角度转化功能，从而改善能量效率，同时降低成本并且保持或增加亮度。另外，可减小波导的数值孔径，使得像差性能可被改善，从而增加自动立体显示器中的观看范围。

在其他相关方面，本发明涉及改善成像定向背光源的照明均匀度。来自定向背光源的照明均匀度可根据眼睛位置的变化而改变，并且可主要由从系统波导输入表面发出的非理想空间和角光线分布引起。成像背光源系统的性质是使该表面中的光分布成像到观察窗平面内，从而再现任何非均匀度。在简单的示例性情况下，LED光源仅抵靠该表面放置，从而借助LED封装和物理空间间隔得到显著的空间非均匀度。相比之下，角分布通常近似均匀，从而接近于朗伯分布。然而在进入波导时发生折射并且所得的减小角展度可太小或偏离中心或者两种情况都存在而不能填充相对的反射端，就光学阀而言，该反射端为弯曲和反射的。

本文描述了用于修改这些和其他相关非理想空间和角光源分布以改善成像定向背光源照明均匀度的方法和设备。

根据本发明的又一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定向光学波导、照明器和多个非成像光学元件。照明器阵列具有多个照明器元件。所述多个非成像光学元件将定向光学波导光学耦合至相应的照明器元件。每个非成像光学元件将来自相应照明器元件的光导向到定向光学波导内的相应预定定向分布内。

根据本发明的另一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定向光学波导、照明器和多个非成像光学元件。定向光学波导具有可操作以照明空间光调制器的出射面。照明器阵列具有多个照明器元件，并且非成像光学元件将定向光学波导光学耦合到至少一个照明器元件。非成像光学元件将来自至少一个照明器元件的光导向到定向光学波导内的预定定向分布内，其中定向光学波导将来自预定定向分布的光穿过出射面朝预定区导向。

根据本发明的又一个方面，用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备包括定向光学波导、照明器阵列和场光学元件。定向光学波导具有近端和反射远端，并且反射端处波导的厚度大于近端处的厚度。照明器阵列具有近端附近的多个照明器元件。场光学元件位于照明器阵列与定向光学波导之间，并且被布置为将来自照明器元件中每一者的光导向到定向光学波导内的相应不同定向分布内，使得来自照明器元件中每一者的定向分布基本上集中于反射远端。

场光学元件可以是位于发光元件附近的成像透镜。另外，场光学元件可以是位于波导与收集来自发光元件的光的非成像光学元件之间的成像透镜。

可通过场光学元件实现按照角度以横向方式的发光强度分布的均匀变化，使得有利的是，显示器亮度随视角的变化可以某种方式改变，以使随视角的亮度变化的可见度最小化，并且使得来自光源的光有效地导向至反射端，从而增加显示效率并降低功率消耗和成本。

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，如将描述的，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。另外，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。

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/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。

详细进行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方式的细节，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方式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。

本发明的一个方面提供一种定向背光源，包括：具有输入端的波导；以及光源阵列，述光源阵列设置在跨所述波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，所述波导还包括用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，以及用于将来自所述输入光源的输入光穿过所述波导反射回来的面向所述输入端的反射端，所述波导被布置为将来自所述光源的输入光从所述反射端反射之后作为穿过所述第一引导表面的输出光导向到沿所述第一引导表面的所述法线的横向方向分布的输出方向上的光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置，其中所述定向背光源被布置为使得来自所述相应光源的所述波导中的所述输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在所述横向方向上随所述光源的输入位置而变化。

在一些实施方案中，所述定向背光源被布置为使得来自所述相应光源的所述波导中的所述输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在彼此偏置的角度下具有相同形状。

在一些实施方案中，所述定向背光源被布置为使得来自所述光源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在朝所述波导的光轴的直线导向的角度下具有相应的最大值。

在一些实施方案中，所述定向背光源被布置为使得来自所述光源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在朝所述波导的光轴的所述直线上的公共点导向的角度下具有相应的最大值。

在一些实施方案中，所述波导的光轴的所述直线上的所述公共点在所述反射端之外。

在一些实施方案中，所述波导的光轴的所述直线上的所述公共点在所述反射端上。

在一些实施方案中，所述定向背光源被布置为使得来自所述光源的所述波导中的所述输入光具有相应的按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在宽度上随着距所述波导的光轴的距离而增加。

在一些实施方案中，所述定向背光源包括所述光源与所述波导之间的光学结构，所述光学结构被布置为改变按照来自所述相应光源的所述光输出的角度以横向方式的发光强度分布。

在一些实施方案中，所述光源在所述相同取向上横向取向，使得来自所述相应光源的所述光输出具有相同的按照角度以横向方式的发光强度分布。

在一些实施方案中，所述光学结构包括所述波导的输入端，所述波导的输入端被布置为改变按照所述光的角度以横向方式的发光强度分布，所述光来自在进入所述波导时作为所述输入光的所述相应光源。

在一些实施方案中，所述输入端包括输入小平面阵列，所述输入小平面阵列被布置为改变按照所述光的角度以横向方式的发光强度分布，所述光来自在以角度偏转进入所述波导时作为所述输入光的所述相应光源。

在一些实施方案中，每个输入小平面为平坦的。

在一些实施方案中，所述输入小平面阵列包括倾斜的小平面，所述倾斜小平面在两个方向上与所述波导的光轴的法线成锐角倾斜。

在一些实施方案中，所述输入小平面阵列还包括所述倾斜小平面之间的中间小平面，所述中间小平面沿所述波导的光轴的法线延伸。

在一些实施方案中，所述输入小平面在所述横向方向上具有间距，所述间距小于所述光源在所述横向方向上的间距。

在一些实施方案中，所述输入小平面各自与相应光源对准。

在一些实施方案中，所述光学结构包括所述光源与所述波导的输入端之间的附加光学元件。

在一些实施方案中，所述附加光学元件包括小平面阵列，所述小平面阵列被布置为改变按照来自按角度偏转的所述相应光源的所述光的角度以横向方式的发光强度分布。

在一些实施方案中，所述附加光学元件包括漫射体，所述漫射体被布置为改变按照来自所述相应光源的所述光的角度以横向方式的发光强度分布的角色散，所述改变的量在跨所述输入端的所述横向方向上变化。

在一些实施方案中，所述附加光学元件包括在所述横向方向上具有正光焦度的场透镜表面，所述场透镜表面被布置为改变按照来自按角度偏转的相应光源的所述光的角度以横向方式的发光强度分布。

在一些实施方案中，所述光源在所述不同取向上横向取向，使得来自所述相应光源的所述光输出具有不同的按照角度以横向方式的发光强度分布。

在一些实施方案中，所述输入端包括输入小平面阵列，所述小平面各自与相应光源对准并且在平行于所述相应光源的相应取向上取向。

在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结构特征被取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，所述多个方向允许作为输出光穿过所述第一引导表面离开；以及所述光提取结构特征之间的中间区域，所述中间区域被布置为将光导向穿过所述波导而不提取光。

在一些实施方案中，所述第二引导表面具有包括小平面以及所述中间区域的阶梯式形状，所述小平面为所述光提取结构特征。

在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置为通过全内反射引导光并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且以一定角度倾斜以在多个方向上反射光，所述多个方向破坏所述全内反射，以用于穿过所述第一引导表面输出光，并且所述显示装置还包括跨所述波导的第一引导表面延伸的偏转元件，以用于使光朝所述空间光调制器的所述法线偏转。

在一些实施方案中，所述反射端在跨所述波导的横向方向上具有正光焦度。

本发明的一个方面还提供一种显示装置，包括：根据前述的定向背光源；以及透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置为接收来自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。

本发明的一个方面还提供一种显示设备，包括：根据前述的显示装置；以及控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入对应于所述输出方向的不同光学窗内。

在一些实施方案中，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为控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将所述显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗内。

在一些实施方案中，所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为检测所述显示装置对面的观察者的位置，并且所述控制系统被布置为根据被检测到的观察者的位置选择性地操作所述光源以将所述显示的左图像和右图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗内。

本发明的一个方面还提供一种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括：定向光学波导；具有多个照明器元件的照明器阵列；以及将所述定向光学波导光学耦合至相应照明器元件的多个非成像光学元件，其中每个非成像光学元件将来自所述相应照明器元件的光导向至所述定向光学波导内的相应预定定向分布内。

在一些实施方案中，所述的定向照明设备还包括位于所述照明器阵列与所述多个非成像光学元件之间的场光学元件。

在一些实施方案中，所述定向光学波导包括近端和反射远端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸并且具有临界角的出射表面，在超过所述临界角时光线可离开所述波导。

在一些实施方案中，光的所述预定定向分布基本上映射至所述反射远端。

在一些实施方案中，所述定向光学波导包括近端和反射远端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸的第一光引导表面，以及由多个引导结构特征和多个提取结构特征构成的与所述出射表面相对的第二光引导表面，所述多个提取结构特征可操作以将光导向穿过所述第一光引导表面。

在一些实施方案中，光的所述预定定向分布的尺寸基本上与所述反射远端的尺寸匹配。

在一些实施方案中，所述场光学元件和所述多个非成像光学元件包括单个光学组件。

在一些实施方案中，所述场光学元件包括菲涅耳透镜和场透镜中的一者。

在一些实施方案中，每个非成像光学元件可操作以转化从所述相应照明器元件所接收的光的发射线性尺寸和角度，并且可操作以保持预定集光率。

本发明的一个方面还提供一种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括：具有出射面的定向光学波导，所述定向光学波导可操作以照明空间光调制器；具有多个照明器元件的照明器阵列；以及将所述定向光学波导光学耦合到至少一个照明器元件的非成像光学元件，其中所述非成像光学元件将来自所述至少一个照明器元件的光导向到所述定向光学波导内的预定定向分布内，其中所述定向光学波导将来自所述预定定向分布的所述光穿过所述出射面朝预定区导向。

在一些实施方案中，所述预定区中的所述光具有基本上均匀的亮度。

在一些实施方案中，所述非成像光学元件包括单个光学组件，所述组件将所述定向光学波导光学耦合至多个照明器元件。

在一些实施方案中，所述的定向照明设备还包括位于所述非成像光学元件与所述定向光学波导之间的漫射体元件。

在一些实施方案中，所述多个照明器元件包括第一照明器元件和第二照明器元件，其中在第一时间段期间，将来自所述第一照明器元件的第一光导向至第一预定定向分布，其中所述定向光学波导朝第一预定区导向来自所述第一预定定向分布的光，其中在第二时间段期间，将来自所述第二照明器元件的第二光导向至第二预定定向分布，并且其中所述定向光学波导朝第二预定区导向来自所述第二预定定向分布的光。

本发明的一个方面还提供一种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括：具有近端和反射远端的定向光学波导，所述定向光学波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度；具有靠近所述近端的多个照明器元件的照明器阵列；以及位于所述照明器。阵列与所述定向光学波导之间的场光学元件，所述场光学元件被布置为将来自所述照明器元件中的每个的光导向到所述定向光学波导内的相应不同定向分布内，使得来自所述照明器元件中的每个的所述定向分布基本上以所述反射远端为中心。

在一些实施方案中，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸并且具有临界角的出射表面，在超过所述临界角时光线可离开所述波导。

在一些实施方案中，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸的第一光引导表面，以及由多个引导结构特征和多个提取结构特征构成的与所述出射表面相对的第二光引导表面，所述多个提取结构特征可操作以将光导向穿过所述第一光引导表面。

本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，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，其以定向显示装置中的光的光学阀设备传播的顶视图示出；

图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传播；

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，其以侧视图示出了定向显示装置；

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并且包括弯曲光提取结构特征的观察窗的生成；

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并且包括弯曲光提取结构特征的第一观察窗和第二观察窗的生成；

图5是根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取结构特征的定向显示装置中的第一观察窗的生成；

图6A是根据本发明的实施例，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11C是示意图，其示出了包括显示装置和控制系统的定向显示设备；

图12A是根据本发明的示意性剖面图，其示出了x-z平面中的阶梯式波导；

图12B是根据本发明的示意图，其示出了图12A的阶梯式波导的简化光学模型，其中提取结构特征已组合到单个反射表面内并且TIR面组合到两个表面内以用于分析目的；

图13A是根据本发明的示意图，其示出了x-y平面中的定向背光源的顶视图，该定向背光源包括波导和输入光源，并且还包括输入非成像光学器件(NIO)；

图13B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图；

图14A和图14B是根据本发明的示意图，其分别示出了填充空气的非成像光学器件和填充电介质的非成像光学器件；

图15A和图15B是根据本发明的示意图，其示出了示例性锥形光导管的侧视图；

图16A-图16E是根据本发明的示意图，其示出了复合聚光器的各种示例性实施例；

图17是根据本发明的示意图，其示出了具有空气间隔非成像光学器件的定向背光源的透视图；

图18是根据本发明的示意图，其示出了具有光学耦合非成像光学器件的定向背光源的透视图；

图19A-图19C是根据本发明的示意图，其示出了若干集光透镜形式；

图20是根据本发明的示意图，其示出了具有光学耦合集光透镜的定向背光源；

图21-图22B是根据本发明的示意图，其示出了光源的各种光再循环光学布置方式；

图23是根据本发明的示意图，其示出了示例性不对称非成像光学器件(NIO)；

图24是根据本发明的示意图，其示出了具有不对称非成像光学器件的定向背光源；

图25A和图25B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的示例性构型，各自包括波导、漫射体和块；

图26是根据本发明的示意图，其示出了在出射面处具有漫射体的定向背光源；

图27A是根据本发明的示意图，其示出了光导管和非成像光学器件的侧视图；

图27B是根据本发明的示意图，其示出了光导管和非成像光学器件的透视图；

图28A是根据本发明的示意图，其示出了示例性半球状透镜具体实施；

图28B是根据本发明的示意图，其示出了具有定向背光源的系统，该定向背光源具有光源阵列、半球状浸没透镜阵列和阶梯式波导；

图28C是根据本发明的示意图，其示出了另一个示例性LED封装，包括光源和半柱面透镜；

图29A是根据本发明的示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向背光源；

图29B是根据本发明的示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向背光源；

图30是根据本发明的照明器布置方式的示意图，其示出了荧光体或量子点涂覆的非成像光学器件；

图31A-图31C是根据本发明的示意图，其示出了包括积分腔和光再循环设备的定向背光源的各种示例性实施例；

图32A和图32B是根据本发明的示意图，其示出了集光率偏移光学系统的两个透视图；

图33是根据本发明的示意图，其示出了用于改善空间均匀度的LED光源的纵向填充方案；

图34是根据本发明的曲线图，其示出了与图33的示例性实施例有关的抵靠水平位置的LED发射的发射分布；

图35是根据本发明的示意图，其示出了用于实现改善的空间均匀度的替代LED放置；

图36是根据本发明的曲线图，其示出了与图35的示例性实施例有关的抵靠水平位置的LED发射的发射分布；

图37是根据本发明的示意图，其示出了双阵列放置方案，其中使用双芯片LED封装以实现改善的均匀度；

图38是根据本发明的曲线图，其示出了与图37的示例性实施例有关的抵靠水平位置的LED发射的发射分布；

图39是根据本发明的示意图，其示出了用于实现改善的空间均匀度的倾斜填充方案；

图40是根据本发明的示意图，其示出了LED阵列，其中发射器芯片成对封装；

图41A是根据本发明的示意图，其示出了LED阵列，其中对物理上较小发射器芯片成对寻址；

图41B是根据本发明的示意图，其示出了使用倾斜封装的LED阵列；

图42A是根据本发明的示意图，其示出了具有减小的源到源间隙的LED封装的横截面；

图42B是根据本发明的示意图，其示出了具有减小的源到源间隙的替代LED封装的横截面；

图43是根据本发明的示意性透视图，其示出了共享的非成像光学元件，该光学元件布置在定向背光源的波导的输入处以实现改善的输入均匀度；

图44是根据本发明的示意性透视图，其示出了另一个共享的非成像光学元件，该光学元件布置在定向背光源的波导的输入处以实现改善的输入均匀度；

图45是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有立方体非成像光学元件的分离LED光源，该光学元件布置在定向背光源的波导的输入处；

图46是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有梯形面非成像光学元件的分离LED光源，该光学元件布置在定向背光源的波导的输入处；

图47是根据本发明的示意性透视图，其示出了具有梯形面非成像光学元件的横向取向上的分离LED光源，该光学元件布置在定向背光源的波导的输入处；

图48A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器照明均匀度；

图48B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的一部分的顶视图，该定向背光源包括具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器照明均匀度；

图49是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的定向波导的输入耦合元件的一部分的正视图；

图50A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括具有输入耦合元件的波导；

图50B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括在输入端上具有输入小平面阵列的波导；

图50C-图50E是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的细节的正视图，该定向背光源包括在输入端上具有输入小平面阵列的波导；

图51A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括具有平坦输入端的波导；

图51B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括在输入端上具有光重新导向输入小平面的波导，所述小平面被布置为实现增加的显示器照明均匀度；

图52A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括波导和光重新导向输入漫射体，所述漫射体被布置为实现增加的显示器照明均匀度；

图52B是根据本发明的示意图，其示出了图52A的漫射体的侧视图；

图52C是根据本发明的示意图，其示出了图52B的漫射体的侧视图；

图52D是根据本发明的示意图，其示出了衍射元件的侧视图，该衍射元件被布置为实现随跨输入孔的横向位置而变化的发光强度的变化；

图52E是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的正视图，该定向背光源包括其输入端包括高角度漫射体的波导；

图52F是根据本发明的示意图，其示出了高角度漫射体操作的正视图；

图53A是根据本发明的示意图，其示出了来自在空气中并且在波导内的朗伯光源的光的发光强度分布的曲线图；

图53B-图53D是根据本发明的示意图，其示出了来自在跨波导输入端的横向方向上分布的光源的光的发光强度分布的曲线图；

图53E是根据本发明的示意图，其示出了来自抵靠波导输入端处的光源的横向位置的光源的光的角度偏转的曲线图；

图54A-图54C和图55是根据本发明的示意图，其示出了采用场透镜的各种定向背光源；

图56是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的顶视图，该定向背光源包括具有平坦输入端和倾斜光源的波导；

图57是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的边缘视图，该定向背光源包括具有平坦输入端和倾斜光源的波导；

图58A是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源中的光传播的顶视图，该定向背光源包括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；

图58B是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的侧视图，该定向背光源包括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；

图58C是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的边缘视图，该定向背光源包括其输入端包括成角度的输入小平面和倾斜光源的波导；

图59是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源，其中由单个光源发出的光的偏振局部恢复；

图60是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图59的照明和光源；

图61是根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中由单个光源发出的光的偏振局部恢复；

图62是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图61的照明和光源；

图63是根据本发明的示意图，其示出了另一个定向背光源，其中由单个光源发出的光的偏振局部恢复；

图64是根据本发明的示意图，其更详细地示出了图63的照明和光源；以及

图65是根据本发明的示意图，其示出了定向背光源的细节，该定向背光源包括偏振输入光源阵列。

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，眼睛被布置为接收第一观察窗和第二观察窗中的光的观察者将经多个时隙看到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导向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，并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。例如可通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列组合来提供时序照明系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受关于空间多路复用显示器的类似的困难。另外，此类装置可具有较低效率和较高成本，需要另外的显示组件。

可便利地用与通常具有1mm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件结合的宏观照明器 (例如LED阵列)来实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的尺寸增加意味着定向光学元件的尺寸成比例地增加。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，同时提供具有无闪烁观察者跟踪和低串扰水平的高分辨率图像。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为将来自多个光源的照明沿至少一个轴导向穿过显示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沿光源的至少一条轴线基本上形成为图像。成像系统可形成于多个光源与相应的观察窗图像之间。这样，来自所述多个光源中的每个的光对于相应观察窗外部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为将来自多个光源的照明导向穿过显示面板进入对于多个光源中的每个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。这样，来自所述多个光源中的每个的光对于处于整个观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如，以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜(诸如得自3M的BEF^TM)而提供。然而，此类方向性对于相应光源中的每个而言可基本上相同。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照明结构可用于液晶显示器系统中，诸如2D膝上型计算机、监视器和电视中所见的那些。光从有损耗波导的边缘传播，该波导可包括稀疏结构特征；通常为引导件的表面中的局部压痕，所述局部压痕使得无论光的传播方向为何均导致光损耗。

如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光源和阀定向背光源(“v-DBL”)的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空间光调制器(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，其包括用于引导光的波导，还包括：第一光引导表面；和与第一光引导表面相对的第二光引导表面，还包括散布有被布置为阶梯的多个提取结构特征的多个光引导结构特征。

此外，如本文所用，折叠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个。

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对的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取结构特征上，所述光提取结构特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。

光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件的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至标称窗平面。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被布置为提取沿基本上平行的波导反向传播的光。

用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源具体实施已由如下所述提出和说明：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“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“光学阀”或“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，该阶梯式波导可包括具有多个光提取结构特征和中间区域的第一引导表面和第二引导表面。当光沿着阶梯式波导的长度传播时，光可基本上不改变相对于第一引导表面和第二引导表面的入射角，因此在这些内表面处可不达到介质的临界角。光提取可有利地通过光提取结构特征来实现，该光提取结构特征可为向中间区域(阶梯“踏板”)倾斜的第二引导表面的小平面(阶梯“立板”)。应当注意，光提取结构特征可不为阶梯式波导的光引导操作的一部分，但可被布置用于由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允许在具有连续内表面的楔型轮廓波导内引导光。因此，阶梯式波导(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光传播的正视图，并且图1B 是示意图，其示出了图1A的定向显示装置中光传播的侧视图。

图1A示出了光学阀的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为大于一的整数)。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至照明器元件15n形成光源并且可为发光二极管(LED)。虽然LED在本文作为照明器元件15a-照明器元件15n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、局域场发射光源、有机发光体阵列等。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中所示正视图的替代视图。因此，图1A和图1B的照明器阵列15彼此对应，并且图1A和图1B 的阶梯式波导1可彼此对应。

另外，在图1B中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端2与将输入光穿过波导1反射回的反射端4之间延伸。在跨波导的横向方向上的输入端2的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a-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。第一引导表面为平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，所述光提取结构特征面向反射端4并倾向于在多个方向上反射穿过波导1从反射端引导回的光的至少一些，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)输出光，所述输出提供至SLM 48。

在该例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构特征。光提取结构特征12不引导光穿过波导，而光提取结构特征12之间的第二引导表面的中间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的那些区域为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横向延伸至那些区域，使得第二引导表面具有包括光提取结构特征12和中间区域的阶梯式形状。光提取结构特征12被取向为从反射端4反射之后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。

光提取结构特征12被布置为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取决于输入位置的第一引导表面的不同方向上导向。由于照明元件15a-照明元件15n被布置在不同输入位置处，来自相应照明元件15a-照明元件15n的光在这些不同方向上反射。这样，照明元件15a-照明元件15n中的每个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，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大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件15a-照明器元件15n 可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗内。

在本发明中，光学窗可对应于窗平面中的单个光源的图像，所述窗平面为其中在整个显示装置上形成光学窗的标称平面。作为另外一种选择，光学窗可对应于一起驱动的一组光源的图像。有利的是，此组光源可增加阵列121的光学窗的均匀度。

通过比较，观察窗为其中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图像的图像数据。因此，观察窗可在控制系统的控制下由单个光学窗或由多个光学窗形成。

SLM 48延伸跨波导，其为透射性的并且调制从其中通过的光。虽然SLM 48可为液晶显示器(LCD)，但这仅仅作为例子，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置等，因为该照明器可以反射方式工作。在该例子中，SLM 48跨波导的第一引导表面设置并且调制在从光提取结构特征12反射之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发出，诸如照明器元件15a至照明器元件15n的阵列，其沿着阶梯式波导1的输入端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，并且在到达被弯曲成具有正光焦度的反射端4时可基本上或完全填充该反射端4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的第二引导表面的引导结构特征10的提取结构特征12 可具有大于临界角的倾斜角，并且因此在第一方向上沿着+x传播的基本上所有光都可能错过该提取结构特征12，从而确保基本上无损耗的前向传播。

继续讨论图1A和图1B，阶梯式波导1的反射端4可制成反射性的，通常通过用反射性材料(例如银)涂覆而实现，但可采用其他反射技术。光可因此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。角展度可在主要传播方向相关的xz平面中基本上保持，这可允许光射在立板边缘上并反射出引导件。在具有大约45度倾斜的提取结构特征12的实施例中，可将光有效地导向至大约垂直于xy显示器平面，并且xz角展度相对于传播方向基本上保持。当光通过折射离开阶梯式波导1 时该角展度可增加，但根据提取结构特征12的反射特性，其可一定程度地减小。

在具有未带涂层的提取结构特征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，在具有带银涂层或金属化提取结构特征的其他实施例中，可保持增加的角展度和中心法线方向。继续描述具有带银涂层的提取结构特征的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件15a-照明器元件15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿着输入端2具有独立照明器元件15a-照明器元件15n进而能够使光从整个第一引导表面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平面和图2B中的正视图以及图2C中的侧视图所示。图2A是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，并且图2C是以侧视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图。如图2A、图2B和图2C所示，阶梯式波导1 可位于显示顺序右眼图像和左眼图像的快速(例如，大于100Hz)LCD面板SLM 48的后方。在同步中，可选择性地打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至照明器元件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的各组照明器元件，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，其中两只眼均可观看到不同图像。这样，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的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的直线并且与侧面4围绕x轴的反射对称的轴线重合。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轴向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。另外，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引导表面6以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二引导表面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，可通过第一引导表面6的全内反射和第二引导表面8的引导结构特征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 可为镜面并且可反射光，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所示导向穿过第一引导表面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尺寸、反射端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处输入的照明锥角来确定。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。另外，图4A以正视图示出了来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线在阶梯式波导1中的进一步引导。每条输出光线从相应照明器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，光学阀的侧面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在光导向第二引导表面8(该第二引导表面8在图3中示出，但在图4A中未示出)的第一区域34中的取向可不同于光提取结构特征12在引导表面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。另外，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、42。反射端4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率与来自照明器元件15h的光线配合产生与观察窗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中的光焦度和可由延长光提取结构特征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像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展观看自由度，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，该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。此外，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)，并且其中一个差别是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类布置方式可在整个显示表面上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可更加便于制造。

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显示装置中第二观察窗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第一观察窗和第二观察窗生成的另一个实施例。另外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成照明窗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所示。如果SLM 48(图6A、图6B、图6C中未示出) 上的图像对应于光方向输出进行调整，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、33各自包括来自照明元件15a至照明元件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，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明器元件15a至照明器元件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，并且照明器阵列15的适当照明器元件可打开和关闭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未在图7中示出)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，从而为所有观察者提供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，其示出了包括定向背光源的多观察者定向显示装置的一个实施例。如图8所示，至少两个2D图像可朝向一对观察者45、47，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，因为这两个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。一个图像在第一阶段中呈现于SLM 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SLM 48 上。对应于第一阶段和第二阶段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，示出了包括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。此外，如图9所示，虽然第一观察者45可能够观察到装置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个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，其以侧视图示出了包括定向背光源的时间多路复用定向显示装置的结构。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，其被布置为对于跨阶梯式波导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可被布置为进一步延伸窗26的高度。光然后可通过SLM 48成像。照明器阵列15可包括发光二极管(LED)，其可例如为荧光体转换的蓝色LED，或可为单独的RGBLED。作为另外一种选择，照明器阵列15中的照明器元件可包括均匀的光源和 SLM 48，其被布置为提供单独的照明区域。作为另外一种选择，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扫描仪)导向到漫射体上。在一个例子中，激光因此可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，并且还提供散斑减少。。作为另外一种选择，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荧光体，使得可在不同于可见输出光的波长处照明。

因此，图1至图10多方面地描述了：波导1；包括此类波导1和照明器阵列15的定向背光源；以及包括此类定向背光源和SLM 48的定向显示装置。因此，以上参考图1至图10所公开的各种结构特征可以任何组合进行组合。

图11A是示意图，其示出了另一个成像定向背光源(如图所示，楔型定向背光源)的正视图，并且图11B是示意图，其示出了相同楔型定向背光源的侧视图。楔型定向背光源一般是由名称为“Flat Panel Lens”(平板透镜)的美国专利No.7,660,047讨论的，该专利全文以引用方式并入本文。该结构可包括具有底部表面的楔型波导1104，该底部表面可优先涂覆有反射层1106，并且具有末端波纹形表面1102，该表面也可优先涂覆有反射层 1106。如图11B所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104并且光可在反射离开端表面之前在第一方向上传播。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。通过与光学阀比较，楔型波导通过锥形提供提取，该锥形减小传播光的入射角，使得当光以临界角入射在输出表面上时可逃逸。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，直至由重新导向层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。另外，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小平面化反射镜，该小平面化反射镜使楔型波导中的光锥方向偏置。此类小平面化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。

楔型定向背光源和光学阀进一步以不同方式处理光束。在楔型光导中，在适当角度下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离开。通过比较，在一定角度下输入至光学阀的阶梯式波导的光可从跨第一侧的点输出，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来提取朝向观察者的光，并且输入的角不均匀度可不提供跨显示表面的不均匀度。

然而，在本发明中，一般来讲，楔型波导(诸如楔型波导1104)可用于定向背光源中，并且可在上述图1至图10中所示的各种结构中以及在下述结构中替代阶梯式波导1。

下面描述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基于并且包含以上图1至图10的结构，但可同样地适于由楔型波导替代阶梯式波导1。除了现在将描述的修改形式和/或另外特征之外，上述描述同样适用于以下波导、定向背光源和显示装置，但为了简单起见，将不再重复。

图11C是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。控制系统的布置和操作现在将进行描述并且在加以必要变通的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个。如图11C所示，定向显示装置100可包括可定向背光源装置，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11C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。定向显示装置100还可包括SLM 48。

波导1如上所述布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置为与反射端4配合以实现由观察者99观察到的观察平面106处的观察窗26。透射性SLM 48可被布置为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SLM 48以及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。

控制系统可包括传感器系统，该传感器系统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例如可包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明器控制器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提供的观察者的检测位置。

照明控制器74选择性地操作照明器元件15以与波导1配合将光导向到观察窗26内。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，使得光导向进入其中的观察窗26处于对应于观察者99的左眼和右眼的位置。这样，波导1的横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以将光导向进入对应于观察者左眼和右眼的位置的相应观察窗内，并同步地显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。

现在将描述基于并且包含图1至图10的结构的一些具体定向背光源和显示装置。因此，除了现在将描述的修改形式和/或另外特征以外，上述描述还适用于以下结构，但为了简单起见，将不再重复。类似地，可在图11C的定向显示设备中使用以下定向背光源和显示装置。

期望对来自一个或多个照明器元件15a至照明器元件15n的照明进行定制以在从给定窥眼箱内的任何位置观察时跨SLM 48有效地提供均匀照明。因此，为了在SLM 48和窥眼箱处有效地提供均匀照明，本文描述了非成像光学元件、场光学元件、光再循环元件、光积分腔以及它们的组合。

在本发明实施例中，朗伯光源实现了与观察者观察角度无关的相同表面视亮度。因此，表面具有各向同性亮度(坎德拉每平方米，或流明每球面度每平方米)并且随对向视角的发光强度(坎德拉、或流明每球面度)的变化遵循朗伯余弦定律，其中从理想漫辐射体观察到的发光强度与观察者视线和表面法线之间的角度θ的余弦成正比。光源的光通量被限定为由相应光源发出的所感知光通量(流明)的量度。

在空气中发射的光源(诸如LED)可被认为实现随对向视角的发光强度的基本上朗伯变化。

以下实施例相对于阶梯式波导(作为用于成像定向背光源中的波导的例子)进行描述。然而，它们不限于该特定背光源系统并且一般来讲涉及所有成像定向背光源。以下描述参考作为LED的照明器元件，但这仅仅作为例子，并且也可使用任何其他光源，如上所述。

首先，将描述一些非成像光学器件(NIO)，其可布置在照明器元件与阶梯式波导的输入端之间，以改变按照由照明器元件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布。这样允许按照来自相应照明器元件的波导中光的角度以横向方式的发光强度分布被控制。

图12A是示意性剖视图，其示出了x-z平面中的阶梯式波导200。阶梯式波导200包括输入端203、反射端204、第一引导表面205以及包括提取结构特征201的第二引导表面、以及通过TIR(全内反射)引导光的中间区域202。应当注意，光线可沿第一引导表面205通过全内反射(TIR)而反射。

图12B是示意图，其示出了阶梯式波导200的简化光学模型210，其中图12A的提取结构特征201已组合到单个反射表面211内并且图12A的中间区域202组合到两个表面 212a和212b内以用于分析目的。在操作中，根据该光学模型，一束光线213进入阶梯式波导200。对于具有大约1.5的示例性折射率的阶梯式波导200而言，射到输入端203的面上并且进入阶梯式波导200的来自LED光源的所有光线将在第一引导表面205和表面 212a、212b处全内反射(TIR)。使用图12B的简化光学模型210，可示出阶梯式波导200 的几何效率ε为：

图13A是示意图，其示出了x-y平面中的波导301。LED 302和303位于波导301的输入端305处。阶梯式波导301具有大于1的折射率。假定LED 302的中心位于光学阀的宽度(w)上，该光学阀与波导301的光轴对准。阶梯式波导301的高度由h给定。每个LED 301、302具有包括线性尺寸a的发射表面。LED 301、302被间距p隔开。在操作中，布置在LED与光导301的输入端305之间的非成像光学元件(NIO)306和307收集来自LED 302和303的光并且转化发射线性尺寸和角度，同时保持系统几何常数(集光率)。来自居中LED 302和NIO 306的边缘光线射到阶梯式波导301的上部拐角，以便用照明填充阶梯式波导301。对于特定的一组阶梯式波导尺寸、LED间距、LED最大发射角度(通常 90度)和阶梯式波导折射率，可使用以下公式计算与LED发射尺寸匹配的集光率：

E_LED＝a.sin 90°＝a

E_阀＝p.n.sinθ

当E_LED＝E_阀(如果a＝p.n.sinθ)时LED的集光率与阶梯式波导301的集光率匹配。

然后可选择与该发射尺寸匹配(或几乎匹配)的LED产品以实现高系统效率。注意：如果LED在间距和角度(但没有发射面积)方面集光率匹配，则NIO 306和307可用简单的矩形光导管替代。光导管在其之间具有气隙(以在单个导管内保持TIR)。光导管产生光源的若干图像，从而在光导管输出处形成尺寸为p的更均匀亮度，同时保持角发射范围θ。

图13B是示意图，其示出了x-y平面中的定向背光源的顶视图，该定向背光源包括波导1和输入LED 301、302，并且还包括输入NIO 306、307和漫射体。LED 301、302和相应的输入NIO 306、307可被布置为照明漫射体309的区域311、313。漫射体309可被布置为在波导1内提供发光强度分布315，使得区域311、313分别由LED 301、302独立地照明，但可有利地成像到光学窗26，并且在由LED 301、302提供的相邻光信道之间具有低串扰。漫射体可实现随LED 301、302的横向(y轴)位置的发光强度分布的变化，如将参考例如图53A在下面进行描述。

图14A和图14B是示意图，其分别示出了空气填充的非成像光学器件400和电介质填充的非成像光学器件401。非成像光学器件(NIO)可用镜像反射表面进行空气填充400，或者用镜像或裸露表面进行电介质填充401。如果电介质填充的NIO 401被设计为使得进入入射面402的所有所关注光线均以大于临界角的入射角射到边界表面404上，则可实现高照明转移效率。在边界表面处利用大于临界角的角度的电介质填充NIO 401可被称为电介质全内反射聚光器(DTIRC)。DTIRC的入射面402处的光源可通过空气对接耦合到 DTIRC，或可利用折射率匹配材料或流体光学耦合到入射面。

图15A和图15B为示意图，其示出了示例性锥形光导管的侧视图。一般来讲，锥形光导管为有效的角度和面积转换器。如图15A所示，光导管500为示例性电介质填充的光导管。在操作中，光进入输入面501。边界面502为带反射镜涂层的或裸露的(针对TIR 设计时)。出射面503具有大于入射面501的尺寸，并且因此出射光线束505比入射光线束504具有更小的角范围(在相同介质中考虑时)。边缘光线束506不会远心离开锥形光导管。也就是说，每束中的主光线(向后投射时)将沿着光轴在有限距离处交叉。由于发生在边界表面内部的光源的多次反射，锥形光导管通常产生均匀的面积和角度输出分布。光导管通常使用边缘光线原理和Williamson结构来构造。参见Donald E.Williamson,Cone ChannelCondenser Optics,JOSA Vol.42,Number 10,pp.712-715(Oct.1952)(Donald E.Williamson，“圆锥波道聚光器”，《美国光学学会期刊》，第42卷，第10期，第712-715 页，1952年10月)，其以引用方式并入本文。

如图15B所示，光导管510与500类似，不同的是已用弯曲表面513替代了出射表面。弯曲表面513可操作以重新导向边缘光线束516，使得其主光线在无穷远处交叉，从而使系统远心。远心系统在与成像光学器件耦合时通常具有较高均匀度和吞吐量。应当注意，所示NIO中的每个均为电介质填充的，但作为另外一种选择可被设计为空气填充的聚光器。

图16A-图16E是示意图，其示出了可用作NIO的复合聚光器的各种示例性实施例。复合抛物面聚光器(CPC)和复合双曲线聚光器(CHC)也是有效的角度和面积转化器。

图16A示出了CPC 600，其为示例性电介质填充的聚光器。边界面602为带反射镜涂层的或裸露的(针对TIR设计时)。出射面603具有大于入射面601的尺寸，并且因此出射光线束605比入射光线束604具有更小的角范围(在相同介质中考虑时)。边缘光线束远心离开锥形光导管；即，每束中的主光线(沿光轴向后投射时)将在无穷远处交叉。一般来讲，由于发生在边界表面内部的光源的多次反射，CPC通常产生均匀的面积和角度输出分布，但不如锥形光导管那样均匀。参见例如F.Fournier and J.Rolland,Optimization offreeform lightpipes for light-emitting-diode projectors,Applied Optics,Vol.47,No.7,pp. 957-966(Mar.2008)(F.Fournier和J.Rolland，“发光二极管投影仪的自由光管的优化”，《应用光学》，第47卷，第7期，第957-966页，2008年3月)，其以引用方式并入本文。CPC通常使用边缘光线原理和简单的参数方程来设计。参见例如W.T.Welford andR. Winston,High Collection Nonimaging Optics,Academic Press(1989)(W.T.Welford和R. Winston，“高集光非成像光学器件”，美国学术出版社，1989年)，其以引用方式并入本文。

图16C示出了CPC 620，其为在输出处具有透镜表面623的示例性电介质填充聚光器。添加透镜表面623允许与图16A中所示的CPC 600相比更加紧凑的CPC设计。

图16B、图16D和图16E示出了复合双曲线聚光器(CHC)610、630和640。一般来讲，CHC执行与CPC基本上相同的功能，将光源的角度和面积转换成新的角度和面积，同时保留集光率。图16D的CHC 630为输出表面633处带有透镜的CHC的例子。这样允许在输出处远心照明。图16E示出了在输入641和输出643处带有透镜的示例性CHC 640。另外的透镜允许空气中小于90度的输入照明范围(通常称之为θ1-θ2聚光器)。CPC也可被设计为θ1-θ2聚光器。带有和不带有透镜的CPC和CHC的(例如，使用有理贝赛尔曲线)自由度优化可优化给定光源的角度和空间均匀度。应当注意，所示NIO中的每个均为电介质填充的，但也可被设计为空气填充的聚光器。

图17为示意图，其示出了定向背光源的透视图，该定向背光源包括具有空气间隔非成像光学器件703的阶梯式波导700。波导700具有抵靠非成像光学器件703阵列对接的照明器元件702(例如，LED)阵列。在该例子中，NIO 703的阵列与阶梯式波导700的输入端701空气间隔开。NIO 703将LED的线性发射尺寸706和角度转化成与阶梯式波导 700的集光率紧密匹配的阶梯式波导中的发射尺寸707和角度，填充观察窗图像中的间隙，并且去除观察窗处的空间和角分布中的不均匀度。

一般来讲，在阶梯式波导中，x-y平面提供利用NIO的尺寸和角度转化。x-z平面不需要此类转化并且NIO用作光导管，从而仅仅保留线性尺寸(即，尺寸705可等于尺寸 704)和角度。

图18是示意图，其示出了定向背光源的透视图，该定向背光源包括具有光学耦合非成像光学器件803的阶梯式波导800。波导800具有抵靠非成像光学器件803阵列对接的照明器元件802(例如，LED)阵列。在该例子中，NIO 803的阵列光学耦合到阶梯式波导800的输入端801。NIO 803将LED的线性发射尺寸806和角度转化成与阶梯式波导800 的集光率紧密匹配的阶梯式波导中的发射尺寸807和角度，填充观察窗图像中的间隙，并且去除观察窗处的空间和角分布中的不均匀度。

一般来讲，仅x-y平面使用利用NIO的尺寸和角度转化。x-z平面不使用此类转化并且NIO用作光导管，从而仅仅保留线性尺寸(即，尺寸805等于尺寸804)和角度。

接下来，将描述一些成像光学器件，其可布置在照明器元件与阶梯式波导的输入端之间，以改变按照由照明器元件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布。同样地，这样允许按照来自相应照明器元件的波导中光的角度以横向方式的发光强度分布被控制。

图19A-图19C是示意性框图，其示出了若干集光透镜形式。图19A将透镜形式900示为与照明器元件901空气间隔开的单透镜902。单透镜也可用作尺寸和角度转化器。将输入尺寸906和角度θ1转化成输出尺寸907和角度θ₂。通常，透镜被设计为使得边缘光线在边缘场点903、904处聚焦，并且范围0至θ₂内的所有其他光线可具有较大像差(根据边缘光线原理和联立多表面法或SMS)。参见W.T.Welford and R.Winston,High CollectionNonimaging Optics,Academic Press(1989)(W.T.Welford和R.Winston，“高集光非成像光学器件”，美国学术出版社，1989年)，其以引用方式并入本文。另请参见例如F.Fournier,A review of beam shaping strategies for LED lighting,Proc.of SPIE,Vol.8170, 817007,pp.1-11(2011)(F.Fournier，“LED照明的光束成形策略综述”，《SPIE会议录》，第8170卷，817007，第1-11页，2011年)，其以引用方式并入本文。由于透镜的空气间距和有限物理孔径，大于大约30度的输入光线角度难以利用单透镜捕获和聚焦(在无穷远处)，并且逃逸到其他观察窗内的杂散光可能会成为问题。

图19B将透镜形式910示为通常称为TIR透镜的照明器元件911和转化器。TIR透镜将折射中心透镜与反射性外部透镜组合(通常设计用于在表面914处的全内反射)。TIR 透镜可捕获较高角度光线918、919并且用于制备紧凑准直器。TIR透镜优于标准透镜的优点为逃逸到其他观察窗内的杂散光较少。

图19C将透镜形式920示为与照明器元件空气间隔开的菲涅耳透镜922。菲涅耳透镜为标准透镜的紧凑形式，其中小平面替代了标准透镜的平滑表面。菲涅耳透镜也是有效转化器。边缘光线原理和SMS为用于设计菲涅耳透镜的典型方法。

图20是示意图，其示出了定向背光源，该定向背光源包括具有布置在照明器元件1002 (例如，LED)阵列与阶梯式波导1000的输入端1001之间的光学耦合集光透镜1003的阶梯式波导1000，照明器元件1002与透镜1003阵列空气间隔开。透镜可为标准透镜、 TIR透镜或菲涅耳透镜，并且可为球形、非球形、圆柱形或环形。在该例子中，透镜1003 的阵列被示为光学耦合到阶梯式波导1000的输入端1001。在其他例子中，作为另外一种选择，透镜1003可与阶梯式波导入射面1001空气间隔开。透镜1003将LED的线性发射尺寸1006和角度转化成与阶梯式波导1000的集光率紧密匹配的光学阀中的发射尺寸1007 和角度，填充观察窗图像中的间隙，并且去除观察窗处的空间和角分布中的不均匀度。

一般来讲，在阶梯式波导中，仅x-y平面使用利用透镜的尺寸和角度转化。x-z平面不需要此类转化并且透镜用作光导管，从而仅仅保留线性尺寸(即，尺寸1005等于尺寸1004)和角度。

图21、图22A和图22B是示意图，其示出了用于光源的各种光再循环光学布置方式。如图21所示，光学设备1200包括在LED 1202与阶梯式波导或NIO之间的带有棱镜膜1203(或增亮膜)的LED封装1201。棱镜膜1203允许入射角小于临界角1204的光线穿过，而AOI大于临界角1205的光线被导向回到LED封装1201，其中它们漫射并且有机会穿过膜。参见例如J.Nelson et al.,High efficiency cube corner retroflective material,U.S.Pat.4,938,563(July 3,1990)(J.Nelson等人，“高效率立体角逆反射材料”，美国专利4,938,563， 1990年7月3日)，其以引用方式并入本文。如果无法获得足够小的光源，则较大光源(在固定的角输出θ内)的亮度可利用此类膜来增强。当增强光源耦合到阶梯式波导或θ1-θ2 NIO时，光源与阶梯式波导的集光率可更好地匹配。图22A示出了具有倒置锥形光导管1210的另一个增亮结构；以及图22B示出了具有在出射面1220处部分反射镜的光导管的又一个增亮结构。参见例如G.Ouyang and K.Li,Brightness increase in LED byrecycling of light for projection applications,Proc.of SPIE,Vol.6489.(2007)(G.Ouyang和K.Li，“通过再循环投影应用的光的LED中亮度增加”《SPIE会议录》，第6489期，2007年)，其以引用方式并入本文。

图23是示意图，其示出了示例性不对称非成像光学器件(NIO)1300。NIO和场透镜的功能可组合在不对称的NIO中。NIO1300为具有输入面1301和输出面1303的不对称复合抛物面聚光器(CPC)。可通过倾斜的抛物面曲线1302a、1302b将不对称的CPC 1300参数限定为对称的CPC的更一般情况。参见例如A.Rabl.,Comparison of solar concentrators,Solar Energy,Vol.18,pp.93-111(1976)(A.Rabl.，“太阳能聚光器的比较”，《太阳能》，第18卷，第93-111页，1976年)，其以引用方式并入本文。对于输入光线束1304和1306 而言，不对称的CPC输出光线束1305和1307，分别具有相对于光源法线的不同角度。可截短不对称的CPC(例如，在直线1308处)以在聚光效率减小的情况下实现更紧凑封装。类似地，不对称的锥形光导管和CHC可被设计为产生不对称的光线输出角度。因此，NIO 1300改变按照由照明器元件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布，并且因此控制按照波导中的光的角度以横向方式的发光强度分布。

图24是示意图，其示出了具有不对称非成像光学器件(NIO)1403的定向背光源1400。定向背光源1400包括阶梯式波导1404、照明器元件1402以及对称和不对称NIO 1403的组合，如图所示布置。在光学阀边缘处的不对称NIO 1403重新导向光线束1405，使得光线朝反射端1407的边缘传播，避开侧壁1408。光学阀中心附近不对称性较小的NIO 1403 进行光线束1406的较少重新导向，使得光线朝反射端1407的边缘传播，避开侧壁1408。在该例子中，NIO 1403可整合到阶梯式波导1404的输入端1401内，从而产生单个组件。

因此，NIO 1403以某种方式改变按照由相应照明器元件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布，该分布随照明器元件1402的输入位置而变化，并且因此控制按照波导中的光的角度以横向方式的发光强度分布，以类似地随照明器元件1402的输入位置而变化。

图25A和图25B是示意图，其示出了示例性定向背光源1500、1520，其各自包括阶梯式波导1501、漫射体1505、1515和折射率大于1的材料块1504、1514。

如图25A所示，定向背光源1500包括与照明器元件1502、1503组合的阶梯式波导1501、折射率大于1的材料的矩形块1504以及漫射体1505，如图所示布置。块1504和漫射材料1505延伸跨照明器元件1502、1503的至少整个阵列，在该例子中跨阶梯式波导1501 的整个输入端1506。

在操作中，来自照明器元件(例如，1502、1503)的光进入块1504。块厚度选择被选择为使得光线传播至等于所需观察窗间距p的光线束尺寸。漫射体1505可任选地放置在块1504与输入端1506之间。漫射体1505对照明器元件光进行调节以实现面积均匀度、角均匀度和/或角范围。可以想到，照明器元件1502、1503、块1504、任选的漫射体1505 和输入端1506将在空气中抵靠彼此对接。

图25B示出了定向背光源1510，其具有与图25A的定向背光源1500类似的元件组合，但布置方式略微不同。定向背光源1510包括阶梯式波导1511、照明器元件1512、1513、块1514和漫射体1515，它们与图25A的对应组件相同。然而，在这种情况下，块1514、漫射体1515和阶梯式波导1511紧密光学耦合(在该例子中，利用光学粘合剂)。紧密光学耦合也可例如利用模制工艺来实现，其中将单独的漫射体材料插入模具腔体内，或在单独步骤中将漫射体1515成型为阶梯式波导1511输入端的入射面(通过模制或烧蚀)并且将块1514模制到漫射体1515，或者直接在定向背光源1510中产生漫射体(例如，通过激光烧蚀)。

图26是示意图，其示出了定向背光源1600，该定向背光源具有形成出射面的延伸跨第一引导表面1605的漫射体1604。定向背光源1600包括阶梯式波导1601、照明器元件1602、NIO 1603以及定位在波导1601的第一引导表面1605处的漫射体1604。NIO 1603 具有与图24的NIO类似的布置方式。NIO 1603和漫射体1604配合以在整个结构的出射面处产生基本上均匀的照明(在光进入SLM之前)。NIO 1603工作以在阶梯式波导1601 的前共轭处产生均匀的空间和角度照明，并且漫射体1604工作以在阶梯式波导1601的孔 (或由第一引导表面1605形成的出射面)附近产生均匀的空间和角照明。漫射体的角(空间)散射特性可被设计或选择为增强来自NIO输出面的照明的空间(角度)均匀度。类似地，NIO角度(空间)照明特性可被设计或选择为增强来自漫射体1604出射面的照明的空间(角)均匀度。

图27A是示意图，其示出了光导管和非成像光学器件(NIO)1700的侧视图。NIO1700 为用于与单个或多个LED一起使用的NIO的另一个形式。NIO 1700可包括多个LED1701、 1702、光导管1703和NIO部分1704。在操作中，来自LED的光进入光导管，其中光从侧壁全内反射，并且在由第一引导表面1705形成的出射面处产生更均匀的空间照明分布。这样，来自单个结构化光源或来自多个(可能为不同颜色)光源的光经混合以在由第一引导表面1705形成的出射面处产生均匀输出。然后NIO部分1704收集光并且将其空间和角度特性转化为满足阶梯式波导(未示出)的需要。

图27B是示意图，其示出了光导管和非成像光学器件的透视图。项目1710提供光导管1713和NIO 1714的示例性矩形型式。应当注意，在其他实施例中，光导管和NIO可为中空的(空气填充的)，并且具有镜像反射侧壁。

图28A是示意图，其示出了LED封装1800的示例性半球状透镜具体实施，该LED 封装包括围绕LED芯片1801制造的半球状浸没透镜1802，通常这样做是为了增强整个 LED封装1800的光提取效率。

图28B是示意图，其示出了定向背光源1810，该定向背光源具有LED 1811阵列、半球状浸没透镜1812(类似于图28A)阵列和阶梯式波导1813。在其他实施例中，半球状浸没透镜1812阵列可由半圆柱形透镜阵列提供，如下文参考图28C所示。

图28C是示意图，其示出了另一个示例性LED封装1820，该封装包括LED 1821和半圆柱形透镜1822，其中一个平面中的曲率允许更好的提取效率，并且另一个平面中的平坦部分允许将光引导至阶梯式波导入射面。

图29A是示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向背光源1900。定向背光源1900包括LED1901的阵列1905、阶梯式波导1903以及LED 1901与波导1903 的输入端之间的透镜1902的半球状或半圆柱形透镜阵列。透镜1902与相应的LED 1901 对准，但透镜中心相对于LED 1901的中心1906的偏移逐渐增加。LED 1901的中心1906 与透镜1902之间的增加的偏移1904提供与本文别处所述的场透镜基本上类似的功能。 LED1901的阵列1905中心处的阶梯式波导1903中的光的光线束1907基本上不偏斜并且填充波导1909的物镜端。LED1901的阵列1905边缘处的阶梯式波导1903中的光的光线束1908偏斜，使得它们也填充波导1909的物镜端。

因此，透镜1902以某种方式改变按照由相应照明器元件输出的光的角度以横向方式的发光强度分布，该分布由于变化的偏移1904而随LED 1901的输入位置而变化。这样控制按照波导1903中的光的角度以横向方式的发光强度分布，以类似地随LED 1901的输入位置而变化。

图29B是示意图，其示出了具有另一个半球状透镜具体实施的定向背光源1910。定向背光源1910包括LED 1911、半球状或半圆柱形透镜1912、阶梯式波导1913以及LED 1911与波导1913的输入端之间的NIO 1914阵列的组合，如图所示布置。NIO 1914为角度和空间照明转化器，与半球状或半圆柱形透镜协同工作以通过与图29A的定向背光源 1900类似的方式使LED照明与阶梯式波导1913的要求匹配。

图30是照明器布置方式200的示意图，其示出了荧光体或量子点涂覆的非成像光学器件。照明器布置方式2000包括照明器元件2001、NIO 2002和材料2003，诸如吸收一个波段的波长并且在另一个波段的波长中发射的荧光体或量子点。在这种情况下，荧光体或量子点材料2003可沉积在NIO 2002的输入面，并且NIO 2002将发射角度和面积2006转化成更适于阶梯式波导2007(未示出)的面积和角度。一种此类组合可为蓝色LED照明器元件和黄色荧光体，其中一些蓝色光漏入具有新生成的黄色光的NIO 2002内以在NIO 2002的输出处形成白色光。另一个组合可为蓝色LED照明器元件以及红色、绿色和/或蓝色量子点颗粒照明器元件。

图31A-图31C是示意图，其示出了包括积分腔和光再循环设备的定向背光源的各种示例性实施例。

在图31A中，定向背光源2100包括照明器元件2101阵列，之后是积分腔2102、增量棱镜膜2103和阶梯式波导2104，如图所示布置。积分腔2102的壁包括漫射材料(例如，白色粗糙塑料)，其对来自照明器元件2101的入射光进行漫射。在操作中，积分腔2102 在积分腔2102的输出处产生角度和空间更均匀的光。光进入棱镜膜2103，根据棱镜膜2103 的输入面处光的入射角，其允许光穿过或将光再循环回到积分腔2102内。再循环的光重新进入积分腔2102，经过漫射并且有机会以新的入射角穿过棱镜膜2103，从而增加离开棱镜膜2103并且进入阶梯式波导2104的光的亮度。这样，集光率大于阶梯式波导2104 集光率的照明器元件2101可回收由于几何集光率不匹配而损耗的一些光。

在图31B中，定向背光源2110与定向背光源2100类似，不同的是棱镜膜2103被倒锥形光导管2113替代。

在图31C中，定向背光源2120也与定向背光源2100类似，不同的是棱镜膜2103现在已被在输出孔2125处具有反射镜的光导管2123替代。倒锥形光导管2113和孔光导管2123用作集光率减小的光再循环元件。

图32A和图32B是示意图，其示出了包括集光率偏移光学系统的照明器布置方式2200 和2220的两个透视图。如图32A所示，在照明器布置方式2200中，第一光导2206和第二光导2208位于LED 2202的发射面2204处。光导2206、2208被配置为在出射孔2210、 2212处产生发射区域，并且其具有与LED 2202的发射区域2204显著不同的纵横比。这种类型的装置可用于将来自LED的光耦合到阶梯式波导内，该阶梯式波导的入射面边缘尺寸小于LED的发射面边缘。该装置理想地与LED和阶梯式波导的集光率匹配，从而导致光的最小损耗。图32B提供了照明器布置方式2220的替代透视图，该布置方式具有相对于图32A所述和所示的类似组件。

图33是实施例的示意图，该实施例用于通过将LED置于其中每个LED均处于纵向取向的阵列15内来改善亮度和颜色空间均匀度，如图所示布置。每个LED包括置于周围黄色荧光体区域3004中的蓝色发射芯片3006。成像定向背光源的一维成像在垂直方向上取输出平均值，如图33所示。

图34是曲线图，其示出了与图33的示例性实施例有关的抵靠水平位置3012的发射3010的发射分布3015。以纵向模式取向时，蓝色发射芯片3006与周围黄色荧光体区域3004的宽度的比率远大于其高度的当量比率，从而改善图34所示的颜色均匀度。本文根据水平位置3012示出蓝色3016和黄色3014发射3010。LED封装边缘宽度3002和放置间距 3008仍在图34的发射分布3015中引入小间隙3015，在一些系统中可使用较小的水平漫射体容许该小间隙3015。纵向取向还具有简单独立LED电气布线的优点。

图35是示意图，其示出了用于实现改善的空间均匀度的替代LED放置。横向取向的LED 15的两个线性阵列被放置成一个在另一个之上，其中一个阵列的LED发射填充另一个阵列的间隙，反之亦然，如图所示布置。

图36是曲线图，其示出了与图35的示例性实施例有关的抵靠水平位置3012的发射3010的发射分布。LED重叠3018的程度取决于LED的精确输出。本文根据水平位置3012 示出蓝色3016和黄色3014发射3010。阶梯式波导的入射孔取决于LED阵列15的总体组合高度。反过来，该高度取决于LED封装3010的放置单元与宽度之间的最小接近度3020。

图37是示出双阵列放置方案的示意图，其中使用双芯片LED封装以实现改善的均匀度。芯片3022和3024驻留在共享通用荧光体3002的相同物理封装中，如图所示布置。

图38是曲线图，其示出了与图37的示例性实施例有关的抵靠水平位置3012的发射3010的发射分布。来自多个芯片3022、3024的更多扩展蓝色发射导致来自发射3026、3028的均匀输出3030。

图39是示出倾斜LED阵列实施例的示意图，其中可针对均匀度和入射孔尺寸选择取向和角度3032以及单元间距3020。LED封装如图所示布置。

图40是示意图，其示出了具有共享荧光体3042双芯片3040LED光学隔离部分的LED发射阵列。与利用单独封装实现的间隙相比，间隙3044可显著减小，从而改善均匀度。

图41A是示出相关的单个封装LED光源阵列的示意图，其中芯片3052可寻址在一起，从而减少电连接和独立驱动器要求，同时与图40的先前双芯片方法相比改善均匀度。

图41B是示出实施例的示意图，该实施例与图41A的实施例类似，但包括倾斜的边界3050以进一步改善均匀度。倾斜的芯片照明器元件尽管在本文未示出，但也可结合到该方案中。

图42A和图42B是示出多芯片LED封装的横截面的示意图，其中通过发射区域之间的薄壁3050提供光学隔离。

图43是示出定向背光源4300的示意性透视图，该定向背光源包括共享的非成像光学元件，其为布置在LED阵列15与波导的输入端2之间以实现输入均匀度的均匀化元件4004。定向背光源4300包括光学耦合到定向背光源4300的阶梯式波导的输入端2的LED 阵列15，如图所示布置。在该示例性实施例中，LED阵列15中的每个LED选择性地发射光，该光穿过均匀化元件4004并且在定向背光源4300的阶梯式波导的输入端2处入射。漫射体4006可被布置在均匀化元件4004的输出处并且输入至输入端2，其可针对来自LED 的入射光线提供不对称漫射锥4008。均匀化元件4004可由气隙提供，或优先由折射率类似于光学阀4300折射率的材料提供。有利的是，锥4008的较小竖直漫射角度(z方向) 意味着将在显示区域上方形成光损耗和杂散光区域的定向背光源4300中竖直方向上的散射降至最小。

均匀化元件4004的厚度和漫射锥4008的横向(y方向)锥尺寸可经调整以实现相应LED的相邻发射孔之间的混合。有利的是，照明窗26(例如，图6A中所示)中照明的均匀度可经控制以针对移动观察者实现低图像闪烁，同时使图像串扰最小化。另外，LED芯片封装内(例如蓝色氮化镓发射器与黄色荧光体之间)的颜色差异可变模糊，从而针对在窗平面中移动的观察者提供增加的颜色均匀度，并且还针对固定观察者在显示表面上提供增加的均匀度。另外，漫射体4006可用于增加来自光学阀4300阶梯式波导中LED的光的锥角度，并且可用于减少杂散光伪影。

图44是示出另一个定向背光源4400的示意性透视图，该定向背光源包括共享的非成像光学元件，其为布置在LED阵列15与波导输入端2之间以实现改善的输入均匀度的锥形均匀化元件4009。定向背光源4400包括光学耦合到定向背光源4400的阶梯式波导的输入端2的LED阵列15，如图所示布置。在该示例性实施例中，图43的平行侧面均匀化元件4004被锥形均匀化元件4009替代。LED孔4002的纵向布置方式有利地在y方向上实现LED的较小间距。然而，为了在光学阀4400的阶梯式波导中实现高效率并且减小串扰，期望减小输入端2(在z方向上)的高度。该示例性实施例实现了使用锥形部分将纵向LED 有效耦合到薄输入端2内。集光率考虑因素意味着光无法全效率耦合到引导模式，然而在锥形均匀化元件4009内或附近发生损耗，并且因此使得杂散光可被便利地捕获。

图45是示出定向背光源4500的示意性透视图，该定向背光源包括具有立方体非成像光学元件(即平行侧面均化器阵列4011的均匀化部分4012)的分离LED光源。定向背光源4500包括光学耦合到定向背光源4500的阶梯式波导的输入端2的LED阵列15，如图所示布置。在该示例性实施例中，平行侧面均化器阵列4011具有通过界面4014与相邻部分光学分开的均匀化部分4012。每个界面4014可为小气隙(以在该部分内通过TIR实现光学间距)，可为金属化区域或可为吸光区域。在均化器阵列4011的末端处，末端部分 4010可具有增加的宽度，使得末端窗的强度一定程度地减小，从而在观看区域的边缘处实现强度滚降。该示例性实施例实现了整个窗平面内的均匀强度分布，由于均匀化部分4012 的光学间距而具有与图43的实施例相比减小的串扰。

图46是示出定向背光源4600的示意性透视图，该定向背光源包括具有锥形均化器4017的梯形侧面非成像光学元件均匀化部分4018的分离LED光源。定向背光源4600包括光学耦合到定向背光源4600的阶梯式波导的输入端2的LED阵列15，如图所示布置。在该示例性实施例中，图44的锥形均化器4017具有如参考图45所述的另外均匀化部分 4018。该示例性实施例实现了从纵向取向LED耦合到薄阶梯式波导内，并且具有低串扰和高照明窗26均匀度。

图47是示出定向背光源4700的示意性透视图，该定向背光源包括具有梯形侧面非成像光学元件(即均匀化元件4020)的横向取向中的分离LED光源。定向背光源4700包括光学耦合到定向背光源4700的阶梯式波导的输入端2的LED阵列15，如图所示布置。在该示例性实施例中，均匀化元件4020包括在y方向上的扩展锥形和在z方向上的收缩锥形。间隙4022被布置在相邻均匀化元件4020之间以提供来自LED的相应光线的光学间距。与例如图46的实施例相比较，该示例性实施例可用于进一步减小输入端2(在z方向上)的高度。减小输入端2的高度减少了图像伪影、串扰和系统尺寸，并且增加了效率。均匀化元件4020的输入端4023的高度可被布置为配合封装高度，或者可过大以减少导向到光学系统内的杂散光。有利的是，LED 4002的封装之间的间隙可最小化，从而增加窗 26均匀度。另外，漫射体4006可用于增加来自光学阀4700阶梯式波导中LED的光的锥角度，并且可用于减少杂散光伪影。

图48A是示出定向背光源顶视图的示意图，该定向背光源包括具有输入端2的波导1，该输入端包括光重新导向输入小平面5276，其被布置为在分别由不同照明器元件(诸如照明器元件5014、5016和5232)照明的波导区域之间实现增加的显示照明均匀度，所述照明器元件被布置在与波导1的光轴232相距相应距离261处。光轴可包括反射端4的光轴并且还可为波导1的横向对称轴，如上所述。因此输入端2上的小平面5276可被布置为重新导向相应光锥5608、5610的主轴5275、5277，所述光锥代表按照来自相应照明器元件5214、5216、5232的波导1中的光角度以横向方式的发光强度分布。现在将更详细地对此进行描述。由阵列15的相应照明器元件输出的光的发光强度分布对于每个照明器元件而言具有相同形状，并且在空气中可为朗伯曲线，例如通常由LED提供。阵列15的照明器元件全部在相同取向上横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而 (即在进入波导1之前)相同，其各自具有相同形状并且由于共用取向而以相同角度为中心。

输入端2包括在照明器元件15与波导1之间形成光学结构的输入小平面5276阵列，该光学结构被布置为按照进入波导1作为输入光时的折射引起的角度偏转来改变来自相应照明器元件的光分布。每个输入小平面5276为平坦的。输入小平面5276各自与照明器元件对准，从而在横向方向上具有间距269，该间距与照明器元件在横向方向上的间距相同。在波导1的输入端2处利用折射率1.5的材料入射时，发光强度分布包含在半角41.8° 分布的发光强度内，如例如针对来自照明器元件5214、5216、5232的光的分布5608、5609、 5610所示。这可形成按照波导1中的光的角度262横向分布的发光强度264。

输入小平面5276在不同角度下倾斜，使得按照来自不同光源的波导1中的光的角度以横向方式的发光强度分布按照改变的角度而改变，使得其分布随横向方向中照明器元件的输入位置而变化，如针对分布5608、5609、5610所示。例如，与光轴成角度265导向分布5608的最大值的轴线。

在该例子中，定向背光源被布置为使得来自所有相应照明器元件的波导1中的输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，该分布在朝光轴直线上的公共点导向的角度下具有相应的最大值，在这种情况下公共点为反射端4上的点5018，即x-y平面中的点5018 包括光轴232与反射端4的交点。通过图示说明，分布5608和5610具有沿轴5275、5277导向的最大值。

因此至少部分地通过发光强度分布(例如分布5608、5609、5610)确定跨波导1反射端4的发光强度分布。从末端反射的光线的强度因此跨末端4的宽度而变化。穿过波导第一引导表面6的光输出因此提供随跨SLM 48的横向位置而变化的显示亮度变化。对于偏轴照明器元件而言，亮度随跨SLM 48的横向位置和SLM 48上的高度而变化。期望针对横向位置减小该亮度分布。有利的是，当观察者偏轴移动时，使轴5275、5277倾斜可实现SLM 48的亮度分布中的变化减小。显示器的最高亮度可有利地被布置为接近波导的光轴，并且因此通常朝向SLM 48的中心。

下面将参考图53A-图53E进一步描述发光强度分布。有利地，可跨显示区域增加显示均匀度。

另外，可增加波导的纵横比。在其中在波导1的输入端2处不使用漫射体的实施例中，波导1的最大纵横比对于轴向照明器元件而言为大约16:9。对于偏轴照明器元件而言，此类纵横比意味着除非相应地调整偏轴照明器元件的发光强度分布，否则SLM 48的边缘可能不会被照明。因此，本发明实施例可通过实现增加的纵横比来实现减少的照明器元件数目，并且因此在实现填充的显示区域的同时减少显示器成本。

此类实施例可与本文其他实施例的光导向光学器件结合。

图48B是示出定向背光源一部分的顶视图的示意图，该定向背光源包括具有光重新导向输入小平面5276的波导1，所述小平面被布置为实现增加的显示照明均匀度。定向背光源的布置方式与图48A的布置方式类似，不同的是输入小平面5276被布置为在横向方向上具有间距271，该间距小于照明器元件5232的间距并且小于照明器元件5232的发光区域。有利的是，来自照明器元件阵列的输出均匀度可增加，同时发光强度分布可被修改以增加显示均匀度以用于偏轴观察。

图49是示意图，其示出了用于定向背光源的波导1的输入耦合元件一部分的正视图的。在这种情况下，波导1具有输入端，该输入端包括具有与图48类似构造的输入小平面5276，但提供了输入耦合元件5279作为照明器元件5232与波导1的输入端2之间的另的外光学元件。该附加光学元件5279包括小平面5277阵列，其被布置为改变按照来自按角度偏转相应的照明器元件5232的光的角度以横向方式的发光强度分布。例如，来自针对角度具有朗伯发光强度分布5607的光源5232的光线5278，可通过小平面5276以及另外的光导向元件5279上的另外小平面5277来导向。输入耦合元件5279与输入小平面5276 结合作用以通过与上文针对定向背光源附图所述相同的方式来改变来自相应照明器元件 5232的光的分布，其中偏转单独通过波导1的输入小平面5276来执行。有利的是，包括小平面5276、5277的输入耦合元件的光焦度可增加，使得较大纵横比波导1被照明，从而实现增加的照明显示宽度均匀度以及减少的成本。

图50A是示出定向背光源的正视图的示意图，该定向背光源包括具有输入端2的波导 1，该输入端控制按照来自相应照明器元件5102的波导1中的光的角度以横向方式的发光强度分布。

阵列15的照明器元件5102全部在相同取向中横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而(即，在进入波导1之前)相同，如上文参考图48A的定向背光源所述。

输入端2包括输入小平面阵列5100，其在照明器元件15与波导1之间形成光学结构，该光学结构被布置为改变来自相应照明器元件5102的光的分布。具体地讲，输入小平面阵列5100被布置为增加按照角度横向的输出发光强度分布5108的总角度，所述角度相对于按照来自在输入端2为平坦时将实现的光源5102的光的角度横向的发光强度分布的输入角度。

如图50C中详细所示，阵列5100可包括倾斜的小平面5105、5107，其为基本上平坦的并且在两个方向上与波导1的光轴的法线成小平面角5103倾斜。

因此，输入小平面改变按照来自相应照明器元件5102的光的角度横向的发光强度分布，以针对波导1中的光形成发光强度组件，所述发光强度组件对于照明器元件5102中的一者通过发光强度分布5104、5106示出，所述分布组合以实现通过光发光强度分布5108示出的所得发光强度分布。另外，漫射特性(诸如通过表面粗糙化提供)可应用于表面5105、5107以进一步增加波导1的介质内的发光强度分布的总发光强度分布角度290。因此，可以受控方式增加照明器元件5102的角输出。因此可增加发光强度分布5108的角度大小。

在示例性例子中，阵列5100的输入小平面可被布置为具有等腰三角形横截面，其中小平面的小平面角度5103可与水平面成22.5°。有利的是，此类小平面角度可通过分布来自小平面阵列5100的全内反射光来降低来自反射端4的落在输入端2上的杂散光的可见度。

作为另外一种选择，小平面可被布置为具有等腰三角形横截面，其中小平面与水平面的小平面角度5103可为60°。此类小平面角度可在不具有使照明器元件与输入端匹配的折射率的波导1内实现光的基本上朗伯发光强度分布。

有利的是，阵列5100的输入小平面的布置方式可被设计为使得波导1的反射端4的孔可用光来填充以用于所有纵横比。另外，波导和照明器元件5102可保持机械分离以使可通过照明器元件与波导1之间的折射率匹配材料失效所提供的机械和光学故障最小化。

通过比较，用于非定向显示器应用的已知2D波导可使用棱镜阵列来将光耦合到来自具有朗伯输出的LED的波导内。在此类波导中，要解决的问题是在接近LED的区域中均匀照明波导，使得显示器表现为被均匀地照明。然而，在本发明实施例中，要解决的问题是(i)填充波导1的反射端4的孔，以及(ii)减少来自反射端4的落在输入端2上的杂散光出现。

有利的是，可在保持显示均匀度的同时增加显示器的纵横比，从而降低成本。

在图50A的布置方式中，阵列5100的输入小平面跨输入端2均匀地重复。因此，当按照由照明器元件5102输出的光的角度横向的发光强度分布相同时，由于其在相同取向上横向取向，则按照波导1中光的角度横向的发光强度分布也相同，并且不随照明器元件5102的输入位置而变化。然而，由于阵列5100的输入小平面形成光学结构，该光学结构在光进入波导内时改变发光强度分布，因此输入小平面的形式可跨阵列5100的长度而变化以针对波导1内部的光提供发光强度分布，该发光强度分布随照明器元件5102的输入位置而变化。现在将参考图50B对这样的例子进行描述。

图50B是示出定向背光源的正视图的示意图，该定向背光源与图50A的定向背光源相同，不同的是输入端2包括输入小平面的阵列5281，所述输入小平面具有类似形式，但其尺寸跨输入端2而变化。具体地讲，阵列5281可包括其中输入小平面具有不同尺寸的至少第一区域5122和第二区域5124，使得按照来自单独照明器元件5102的波导内部的光的角度横向的发光强度分布5108、5126不同。具体地讲，按照角度以横向方式的发光强度分布在宽度上随着距第一区域5122和第二区域5124中波导1的光轴的距离而增加。该宽度可例如分别限定为区域5108、5126的角宽度5107、5109，在所述区域处发光强度降至峰值发光强度的10％。该宽度增加允许针对跨阵列15的照明器元件5120使光填充反射端4的孔。

在图50B所示的示例性例子中，第一区域5120比第二区域5124更靠近波导1的光轴，并且第一区域5122中的输入小平面可被布置为具有等腰三角形横截面，其中输入小平面的倾斜度为与水平面成22.5°，并且在第二区域5124中，输入小平面可被布置为具有等腰三角形横截面，其中输入小平面的倾斜度为60°。在另一个实施例中，任选地，输入端 2可包括比输入小平面的第一区域5120更靠近波导1的光轴的平坦区域5120，以实现未经修改的发光强度分布5111。在另外的实施例中，元件5281的小平面的倾斜度可被布置为以更连续的方式跨输入端2的宽度而变化，或被布置为具有增加数目的区域以有利地改善显示亮度随视角的变化。

图50D和图50E是示出定向背光源细节的正视图的示意图，该定向背光源包括波导1，该波导包括与图50c相比较具有修改形式的输入端2上的输入小平面阵列，其可应用于图 50A和图50B的定向背光源。

图50D示出了例子，其中沿着波导1光轴的法线延伸的另外中间小平面5111被布置在包括倾斜输入小平面5105、5107的棱镜元件中间。此类布置方式可实现输入端2的输出的进一步修改以实现反射端4的进一步填充。可提供此类中间小平面5111以进一步修改波导1内部的发光强度分布的定向分布。

图50E示出了例子，其中具有倾斜输入小平面5115、5117的另外棱镜元件结合在包括倾斜输入小平面5105、5107的棱镜元件之间，其中输入小平面5115、5117之间的角度5113小于输入小平面5105、5107之间的角度5103。此类布置方式可实现波导1内的发光强度分布的进一步修改，以及减小从反射端4反射之后自输入端2反射的光线的可见度。

图51A是示出定向背光源的顶视图的示意图，该定向背光源包括波导，该波导包括被布置为具有照明器元件6014、6232的平坦输入端2，以部分通过针对波导1的侧面22的反射实现对部分6120的填充。照明器元件(诸如LED)通常在空气中实现基本朗伯输出发光强度分布。当耦合到波导1内时，这样产生按照来自波导1内部的照明器元件的光的角度横向的发光强度分布6600，该角度具有阀介质中临界角的横向半角范围，例如针对折射率1.5为41.8°。来自光源6232的光线6162的发光强度输出因此可通过发光强度分布 6600的部分6606示出，而光线6235的光线强度通过发光强度分布6600的部分6604示出。因此，来自阴影部分6120的光的强度可低于被看到的由光源6014照明的区域中的光的强度，并且阴影部分6120边缘处的边界可为可见的。期望减小部分6120的边缘处的边界的可见度。

通过比较，图51B是示出定向背光源的顶视图的示意图，该定向背光源具有与图48A 的定向背光源类似的布置方式，具体地讲包括具有光重新导向输入小平面6276的波导1，所述小平面被布置为在由不同照明器元件(例如分别为照明器元件6014和6232)照明的波导区域之间实现增加的显示照明均匀度。因此，输入端2上的小平面6276可被布置为重新导向按照来自相应照明器元件的波导1内的光的角度横向的相应发光强度分布6600，使得分布6600在朝光轴直线上的公共点5108导向的角度下具有相应最大值，该公共点在这种情况下为定位在反射端4之外的点5108。通过图示说明，按照来自相应照明器元件 6014和6232的波导1内的光的角度横向的发光强度分布6600具有沿轴线6275和6277 导向的最大值。

因此，在该例子中，通过照明器元件6232实现的由阴影部分6120中的部分6610代表的发光强度与通过照明器元件6014实现的照明区域中部分6608代表的光线发光强度类似。有利的是，可跨显示区域增加显示均匀度。

在上述例子中，输入端2包括形成光学结构的输入小平面阵列，该光学结构被布置为改变按照来自相应照明器元件的光的角度横向的发光强度分布，提供类似效果的光学结构可包括布置在照明器元件与波导1的输入端2之间的附加光学元件。现在将描述这样的一些例子。

图52A是示出定向背光源的顶视图的示意图，该定向背光源包括波导1和被布置为实现增加的显示照明均匀度的光重新定向输入漫射体7000。该定向背光源包括照明器元件的阵列15，例如与波导1的光轴对准的照明器元件7005以及与波导1的光轴偏离的照明器元件7006。阵列15的照明器元件全部在相同取向上横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而(即在进入波导1之前)相同，其各自具有相同形状并且由于共用取向而以相同角度为中心。

漫射体7000被布置在照明器元件与跨所有照明器元件延伸的波导1的输入端2之间，在该例子中在横向方向上跨输入端2的整个长度。漫射体7000改变按照来自相应照明器元件的光的角度横向的发光强度分布的角色散，并且因此改变来自进入波导1作为输入光的相应照明器元件的光的分布。

漫射体7000在横向方向上跨其长度具有变化的漫射分布，使得漫射体7000改变发光强度分布的角色散的量跨输入端2在横向方向上改变。具体地讲，与围绕光轴的中心相比较，光在输入端2的边缘处更广泛地分散。在该例子中，定向背光源被布置为使得来自相应照明器元件的波导1中的输入光具有按照角度以横向方式的发光强度分布，所述分布在宽度上随着距波导1的光轴的距离而增加。通过图示说明，来自与光轴对准的照明器元件7005的光在波导1内具有发光强度分布7002，并且来自照明器元件7006的光在波导1内具有横向宽于发光强度分布7002的发光强度分布7004。也就是说，中心发光强度分布7002 可发生少量漫射，而边缘发光强度分布7004更广泛地横向分散。

有利的是，漫射体7000可被设计为使得波导1的反射端4的孔可用光来填充以用于所有纵横比。此类漫射体7000可在没有显著光损耗和可接受均匀度的情况下实现宽纵横比面板(诸如纵横比16:9为的面板)的照明。

图52B是示意图，其示出了图52A的漫射体7000的可能构造的侧视图。漫射体7000可包括表面或本体漫射层7010，其中层7010中漫射元件的特征尺寸可跨漫射体7000的横向宽度在尺寸和/或密度方面变化，使得区域7012中的元件更紧密堆积并且尺寸比区域7014中的元件小。因此，输入准直光线7001可实现相应的光输出发光强度分布7002、7004，所述分布根据在横向方向上跨输入端2的长度的输入位置而变化。此类布置方式可例如通过由工具压印到漆中来实现。此类工具可通过受控的光致抗蚀剂曝光而形成。有利的是，此类元件与空间光调制器48的孔中的漫射体68相比较具有较小尺寸，其具有与输入端2 基本上相同的尺寸，以及低成本，同时实现增加的显示均匀度和更宽的显示纵横比。

图52C是示意图，其示出了图52A的漫射体7000的另一个可能构造的侧视图。关于图52B，漫射体7000的漫射体层7010的结构可在横向方向上跨输入端2的长度而变化，使得提供光发光强度分布7002、7024以实现随视角而增加的显示均匀度。然而，区域7012 中的层7010的漫射元件的特征尺寸可与区域7026中类似，并且可提供区域7026中元件的倾斜以实现与输入光线7001的发光强度分布7002相比较的输出发光强度分布7024的指向方向上的倾斜。有利的是，当观察者偏轴移动时可针对显示区域实现增加的亮度均匀度，并且相应的照明器元件7006被照明。

图52D是示出定向背光源的侧视图的示意图，该定向背光源包括衍射层7050，其被布置为实现发光强度分布随着跨波导1的输入端2的横向位置的变化。该定向背光源包括全部在相同取向上横向取向的照明器元件7054、7056、7058、7066、7068和7070的阵列，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而(即，在进入波导1之前)相同，其各自具有相同形状并且由于共用取向而以相同角度为中心。

支撑在基底7052上的衍射层7050被布置在照明器元件与跨所有照明器元件延伸的波导1的输入端2之间，在该例子中跨横向方向上的输入端2的整个长度。衍射层7050可例如为表面起伏度全息图或体全息图并且可包括多个层。

衍射层7050以与图52A中的漫射体7000相同的方式，改变按照来自相应照明器元件的光的角度横向的发光强度分布的角色散，如上所述。为了实现这一点，衍射层7050可包括与相应照明器元件对准的光导向元件阵列，从而处理光输出。通过图示说明，红色照明器元件7054、7066、绿色照明器元件7056、7068和蓝色照明器元件7058、7070可例如包括窄带照明器元件并且可分别由衍射层7050的红色光导向元件7080、7096、绿色光导向元件7082、7094和蓝色光导向元件7084、7092来导向。

因此，发光强度分布7060、7062、7064可不同于分布7072、7074、7076并且实现例如参考图48A所述的有利光导向特性。另外，衍射元件可在薄层中提供并且可调成照明器元件的颜色，从而减少光导向元件的色散。

图52E是示出高角度漫射体的示意图，该漫射体被布置为提供以实现发光强度分布随横向位置的变化。高角度漫射体7181可被布置在基底7180上并且被布置为具有光源7191、 7193，其相对于绕z轴旋转的漫射体7181具有变化的取向。光线7190在基本上具有低散射的情况下被导向穿过漫射体，并且发光强度分布7184基本上与关于未经修改光源7191 的分布相同。对于偏轴光源7193而言，将光线7192导向到漫射体7181的漫射锥内，从而相对于分布7184的宽度增加发光强度分布7186的宽度。有利的是，可增加输出的均匀度。在其他实施例中，光源7191、7193的取向可相同并且漫射体可提供跨输入侧的输出中的变化，如反射端4处的点所示。

图52F是示意图，其示出了高角度漫射体7181的一个示例性实施例。该漫射体包括支撑层7180，在其上形成有层7181，其在两者间包括单体混合物，其中低折射率的倾斜区域2514与高折射率的区域2516交替。区域2514和2516相对于漫射体的法线而倾斜。虽然该例子包括折射率不同的两个区域2514和2516，但一般来讲可存在折射率不同的另外区域。靠近区域2514、2516的倾斜角入射的光线2508可散射，这可能是由于层2514、 2516之间的全内反射，而远离区域2514、2516的倾斜角入射的光线2504可直接透射。可通过堆叠彼此成角度布置的漫射体来实现多个散射方向，使得可利用水平方向或者水平和竖直方向上的外部漫射区域来实现中心透明窗。在非常高的入射角度下，漫射体可能不再散射光。因此，漫射体可在相对于漫射体法线的第一范围中基本上透明，该第一范围在该例子中为0度至25度，并且可在相对于漫射体法线的第二范围中基本上散射，该第二范围在该例子中为25度至55度。

高角度漫射膜的例子由住友化学株式会社(Sumitomo Chemical Co.,LTD.)以商标产品名称“Lumisty”提供。

现在将描述示出按照来自相应照明器元件的波导中的光的角度262横向定向分布的发光强度264的曲线图。这些曲线图示出了那些分布如何随着跨波导输入端的横向方向上的照明器元件输入位置而变化。控制波导中的分布的上述光学结构中的每个均可被布置为提供下文示出的变型中的任何一者。

图53A是示意图，其示出了来自在空气中并且在波导1内的朗伯照明器元件的光的发光强度分布的曲线图。因此，代表空气中照明器元件输出的发光强度分布5130为余弦函数，而分布5132代表具有平坦输入端2的波导1中的照明器元件输出，其代表折射到波导1之后的发光强度分布。

图53B-图53D是示意图，其示出了来自照明器元件的光的发光强度分布的曲线图，所述照明器元件跨波导1的输入端2在横向方向上分布。

在图53B中，例如在通过小平面化结构5276偏转之后，对于用于图48A的光锥5608、5610的偏轴照明器元件产生发光强度分布5134、5136。因此，针对角度262的发光强度 264的发光强度分布以具有相同形状的方式随跨输入端2的横向位置261而变化，其中在彼此偏离的角度下具有最大值。此类变型可用于定向背光源中，其中布置在照明器元件与波导1之间的光学结构改变分布的取向，但不改变形状。这可实现例如朝向具有最大值的光轴导向分布的最大值。

在图53C中，针对角度262的发光强度264的分布以在横向方向上具有不同角色散的方式随跨输入端2的横向位置而变化。可实现如本文所述的增加发光强度分布的漫射或偏转，以用于增加偏轴位置，使得分布5132可轴向提供，而分布5138可对于中间偏轴横向位置261(沿着y轴)提供，并且分布5140对于较高偏轴横向位置261提供。

图53D示出了针对例如图50B的棱镜小平面化结构5281的角度262分布的发光强度264，其可在区域5120中实现轴向光源的发光强度分布5132，在区域5122以及第一偏轴光源中实现分布5144以及在区域5124中实现分布5146。因此，当观察者偏轴移动时，显示器的峰值亮度将变化。然而，可以类似方式感知到此类峰值亮度减小，以显示已知2D 显示器中的增益，其中轴向亮度大于偏轴亮度。

图53E是示意图，其示出了来自照明器元件的光的角度偏转265的曲线图，所述照明器元件跨波导1的输入端2在横向方向上抵靠照明器元件的横向位置261。因此，当跨输入孔2的横向位置261变化时，轴线5275的偏转角度265可变化。变化可为线性分布5150、像差分布5152(诸如由以下图54A-图54D中所述的场透镜提供)或阶梯式分布5154(诸如图50B所示)。有利的是，可对于偏轴观察位置改善显示装置的输出均匀度。

图54A-图54D是示出各种场透镜实施例的示意图。一般来讲，离开NIO或透镜聚光器的光线具有有限的角度范围。当光线束为远心的时，每个线束在阶梯式波导中在相同方向上传播。从阶梯式波导边缘处的NIO射出的光线束的一部分将传播到侧壁并且熄灭，而从阶梯式波导中心处的NIO射出的光线束在侧壁处将不会熄灭。这使得通过来自阶梯式波导边缘处NIO的光观察时，亮度在整个出射面上是不均匀的。一种解决方案是在NIO与阶梯式波导之间插入场透镜。场透镜用于光学系统中以防止系统孔(在这种情况下，光学阀的侧壁)处的渐晕(或光线熄灭)，以使光束从场(或光源)的边缘射出。参见例如 W.Smith,Modern Optical Engineering,McGraw-Hill(1990)(W.Smith，“现代光学工程”，麦格劳希尔出版社，1990年)，其以引用方式并入本文。

图54A是示出定向背光源1100的顶视图的示意图，该定向背光源包括通过NIO1103 光学耦合到阶梯式波导1109的照明器元件1102，以及被布置在照明器元件1102与阶梯式波导1109之间的场透镜1104。照明器元件1102全部在相同取向上横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布1115从而(即，在进入波导1之前)相同，如上所述。

场透镜1104在横向方向上具有正光焦度并且因此为光学结构，该光学结构被布置为改变按照来自按角度偏转的相应照明器元件1102的光的角度以横向方式的发光强度分布。具体地讲，场透镜表面1104可操作以重新导向来自光学阀边缘处的NIO的光线束 1105，使得光线朝反射表面1107的边缘传播，从而基本上避开侧壁1108。在该例子中，场透镜为在NIO 1103与阶梯式波导入射面1101之间空气间隔开的独立元件。场透镜表面可提供与图48A和图51B的布置方式类似的发光强度分布，如上所述。

图54B是示出定向背光源1110的顶视图的示意图，该定向背光源包括通过NIO1113 光学耦合到阶梯式波导1115的照明器元件1112，以及通过使阶梯式波导1115入射面的输入端适当成形而形成的场透镜表面1111。场透镜1111的操作与图54A的例子中相同，不同的是现在波导1115和场透镜1111可被制造为一个部件。

图54C是示出定向背光源1120的顶视图的示意图，该定向背光源包括通过NIO1123 光学耦合到阶梯式波导1125的照明器元件1122，以及整合到NIO阵列内的场透镜1124。场透镜以与图54A的例子中基本上相同的方式操作。

图55是示意图，其示出了与图54C的NIO阵列1123和场透镜1124类似的项目1126的顶视图，不同的是场透镜已实施为菲涅耳透镜以便于更紧凑封装。应当注意，光学阀1100、1110和1120中的场透镜表面1104、1111、1124可在每种情况下实施为球形、非球形、圆柱形、环形和/或菲涅耳透镜。

因此，附加光学元件可包括在横向方向261上具有正光焦度的场透镜表面1104，其被布置为改变按照来自按角度偏转的相应照明器元件的光的角度262横向分布的发光强度 264。

在上述例子中，阵列的照明器元件全部在相同取向上横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而(即，在进入波导1之前)相同，并且通过布置在照明器元件与波导1之间的光学结构产生波导1内的所需发光强度分布。作为替代形式，阵列的照明器元件可在不同取向上横向取向，使得按照光输出的角度横向的发光强度分布从而不同，具体地讲在不同角度下具有最大值，但可能具有相同形状。现在将示出这样的一些例子。

图56是示出定向背光源的顶视图的示意图，该定向背光源包括波导1，该波导具有在不同取向上横向取向的平坦输入端2和倾斜LED 5316。因此，LED 5316可安装在基底5326 上，使得光以朗伯方式从封装的侧面发出。LED 5316可以随横向方向上的输入位置261 变化的横向角度5350倾斜。因此，波导1内部的发光强度分布5352和5350不同，从而在不同角度下具有最大值。由于输入端2处的折射，即使在按照由LED 5316输出的光的角度横向的发光强度分布具有相同形状的情况下，波导1内的发光强度分布5352和5350 还是具有不同形状。

图57是示出图56的定向背光源的边缘视图的示意图。因此侧发光LED 5316可包括发光元件5334和波长转换元件5332。LED的封装可成角度倾斜于输入端，如图56所示。光可通过反射表面5354、5356引导到波导1内，使得杂散光最小化并且光学耦合效率优化。

图58A和图58B是示出定向背光源的顶视图的示意图，该定向背光源包括波导1和倾斜的LED 5316。LED 5316以与图56的定向背光源相同的方式取向。然而，波导1的输入端具有小平面化结构5276，包括倾斜的输入小平面5304，其各自与相应的LED 5316 对准并且在平行于相应LED 5316的取向上取向。小平面化结构5276还可包括输入小平面5304中间的具有斜度的区域5310和平坦区域5302、5308。相邻的倾斜LED 5316可有利地抵靠输入小平面5304而放置。LED 5316的取向在波导1的内提供与图56的定向背光源类似的发光强度分布5600，不同的是如果LED 5316与波导1光学耦合，则会改变或消除输入端2处的折射。

图58C是示出图58A和图58B的定向背光源的边缘视图的示意图。有利的是，具有芯片5334、荧光体5332、封装5324和电触点5328、5330的倾斜LED 5316可紧邻输入小平面5304而布置，同时LED可形成在平坦的导热基底5326(诸如金属芯印刷电路板 (MCPCB))上。

此类布置方式与图48A和图56中所述的布置方式具有类似优点，然而LED 5314、5316 可更密切地耦合到波导1内，从而改善光耦合效率并且减少杂散光。

图59是示出定向背光源的示意图，其中由单个光源发射的光的偏振局部地回收。另外，图59以及图60中示出的其细节是实施例，其中来自成像定向背光源(在这种情况下为光学阀)的非偏振光源的光可局部转化成单个偏振输入光束。如图所示，LED光源1906 可将光发射到偏振分束器(PBS)立方体1902内。偏振敏感反射可使偏振组分彼此分开。反射组分可基本上平行于输入表面行进并且可穿过偏振转换层1908。该层可为在与线性偏振方向成大约45度取向的半波板。重新导向反射表面1904可引起光在与初始透射偏振态基本相同的方向上传播并且可产生单个偏振态的输入光。

图61是示出另一个定向背光源的示意图，其中由单个光源发射的光的偏振局部回收。另外，图61示出了另一个偏振回收成像定向背光源实施例，其中来自光源1906的非偏振光在分别通过元件8008和8004转化和重新导向之前可首先通过偏振敏感反射层8002分离成偏振组分。在该实施例中，反射表面可为大约圆柱形以帮助将光输入导向到波导1912内。另外，图62更详细地示出了照明和照明器元件。

图63是示出另一个定向背光源的示意图，其中由单个光源发射的光的偏振局部回收。另外，图63是系统实施例，其中成像定向光源的输入光8120可基本上均匀偏振穿过具有偏振敏感反射器8106的发射光8108的第一分离偏振组件。反射的光8112可朝其中该光可从点8116散射回去的光源返回。散射的操作可引起偏振态混合，从而通过离开的偏振反射器8106实现不想要的光的进一步过滤和背反射。该清理循环可继续，直至大部分至全部光可在偏振中转化并且输入到波导1912内或通过吸收而损耗。

图63示出了照明器元件8102与偏振反射器8106之间的非成像光学(NIO)元件8104，在这种情况下其可使光在进入光学阀的波导1912之前更加准直和均匀化。一般而言，光源与反射偏振片之间可存在任何光学元件，或光源与反射偏振片之间可不存在光学元件，以便于使类似于此的系统传送一定水平的偏振回收。图64是更详细地示出图63的照明和照明器元件的示意图。一般方法适用于具有各种替代形式或不具有NIO调节元件的光源，如编号316的文件中所述。一般来讲，在光源的出口处放置反射偏振片可回收否则会损失的偏振光。

在可靠近光源进行偏振回收的图59至图64的所有实施例中，可在背光源与显示面板之间采用清理片状偏振器以确保偏振完整性。

图65是示出包括偏振输入照明器阵列的定向背光源细节的示意图。另外，图65示出了其中可提供偏振棱镜178阵列的另一个实施例。来自元件100的入射光可入射到棱镜178 上，使得s偏振态184可透射并且p偏振态186可反射。入射线性光偏振取向可通过波板180旋转大约90度，并且随后由反射镜182反射，使得来自元件100的输出光束的宽度可大约加倍，但光输出可为均匀偏振态184。来自反射侧面4和四分之一波板176的反射光线104可具有旋转偏振态186，使得光可穿过棱镜178并且在与元件100、102不同的位置处基本上被吸收器187捕获。因此，非发射照明器元件的反射率可减小，从而有利地减小系统串扰。另外，来自发光元件的光可有效地转变成单个偏振态。有利的是，单个偏振态可很好地匹配于图1B中的SLM 48的操作模式。

如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或术语之间的相关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在小于1％至10％的范围内，并且对应于但不限于元件值、角度等等。各项之间的此类相关性在小于大约1％至10％的范围内。

虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，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特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。例如，虽然该应用使用阶梯式波导作为成像定向背光源的例子对各种示例性实施例进行了描述，但涉及将照明器(例如，LED)光学耦合到定向背光源的本发明教导可应用于其他定向背光源，诸如Microsoft楔型定向背光源(例如，以引用方式并入本文的美国专利7,970,246)和3M定向背光源(例如以引用方式并入本文的美国专利 7,528,893)。

另外，本文的章节标题是为了符合37CFR 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公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体地和以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求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。此外，“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”也并非要被视为公开的权利要求中所述的实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于辩称在该公开中仅有一个新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，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，应根据本发明基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims

1.一种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括：

定向光学波导；

具有多个照明器元件的照明器阵列；以及

将所述定向光学波导光学耦合至相应照明器元件的多个非成像光学元件，其中每个非成像光学元件将来自所述相应照明器元件的光导向至所述定向光学波导内的相应预定定向分布内；

其中每个非成像光学元件可操作以转化从所述相应照明器元件所接收的光的发射线性尺寸和角度，并且可操作以保持预定集光率。

2.根据权利要求1所述的定向照明设备，还包括位于所述照明器阵列与所述多个非成像光学元件之间的场光学元件。

3.根据权利要求1所述的定向照明设备，其中所述定向光学波导包括近端和反射远端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸并且具有临界角的出射表面，在超过所述临界角时光线可离开所述波导。

4.根据权利要求3所述的定向照明设备，其中光的所述预定定向分布基本上映射至所述反射远端。

5.根据权利要求1所述的定向照明设备，其中所述定向光学波导包括近端和反射远端，所述波导在所述反射端处的厚度大于所述近端处的厚度，所述波导还包括在所述近端和远端之间延伸的第一光引导表面，以及由多个引导结构特征和多个提取结构特征构成的与所述出射表面相对的第二光引导表面，所述多个提取结构特征可操作以将光导向穿过所述第一光引导表面。

6.根据权利要求5所述的定向照明设备，其中光的所述预定定向分布的尺寸基本上与所述反射远端的尺寸匹配。

7.根据权利要求2所述的定向照明设备，其中所述场光学元件和所述多个非成像光学元件包括单个光学组件。

8.根据权利要求2所述的定向照明设备，其中所述场光学元件包括菲涅耳透镜和场透镜中的一者。

9.一种用于与电子显示系统一起使用的定向照明设备，包括：

具有出射面的定向光学波导，所述定向光学波导可操作以照明空间光调制器；

具有多个照明器元件的照明器阵列；以及

将所述定向光学波导光学耦合到至少一个照明器元件的非成像光学元件，

其中所述非成像光学元件将来自所述至少一个照明器元件的光导向到所述定向光学波导内的预定定向分布内，

其中所述定向光学波导将来自所述预定定向分布的所述光穿过所述出射面朝预定区导向；

10.根据权利要求9所述的定向照明设备，其中所述预定区中的所述光具有基本上均匀的亮度。

11.根据权利要求9所述的定向照明设备，其中所述非成像光学元件包括单个光学组件，所述组件将所述定向光学波导光学耦合至多个照明器元件。

12.根据权利要求11所述的定向照明设备，还包括位于所述非成像光学元件与所述定向光学波导之间的漫射体元件。

13.根据权利要求9所述的定向照明设备，其中所述多个照明器元件包括第一照明器元件和第二照明器元件，

其中在第一时间段期间，将来自所述第一照明器元件的第一光导向至第一预定定向分布，其中所述定向光学波导朝第一预定区导向来自所述第一预定定向分布的光，

其中在第二时间段期间，将来自所述第二照明器元件的第二光导向至第二预定定向分布，并且其中所述定向光学波导朝第二预定区导向来自所述第二预定定向分布的光。