CN107407818A - 具有输出的方向性控制的显示设备以及用于这种显示设备的背光源和光导向方法 - Google Patents

Abstract

一种显示器背光源，包括：侧光式光导，其具有光耦合出结构的阵列，以使得光能够在光耦合出结构的位置处从光导漏出。光源布置用于在相对侧边缘中的一个或两个处将光提供到光导中。光源布置可控制以将至少第一光输出和第二光输出中的选定的一个光输出提供到光导中，两个光输出具有与光导的总平面的不同的角，并导致从光导中漏出的光具有不同的出射角范围。以这种方式，基于光耦合到光导中的方式，使得能够实现方向性背光源输出。这提供了仅需要控制提供给光导的光的简单结构。背光源可以例如使得能够形成自动立体显示器，而不需要透镜阵列。

Description

具有输出的方向性控制的显示设备以及用于这种显示设备的 背光源和光导向方法

技术领域

本发明涉及一种用于显示设备的背光源，其特别适用于其中在窄范围的输出方向上显示图像的显示设备。一个示例是自动立体显示设备，其包括具有显示像素阵列的显示面板和用于将不同视图导向到不同物理位置的布置。另一示例是其中仅在观看者的方向上提供显示图像的私密显示器。

背景技术

一种已知的自动立体显示设备包括二维液晶显示面板，其具有充当用于产生显示的图像形成构件的显示像素（其中“像素”典型地包括“子像素”集合，并且“子像素”是最小单独可寻址的单色图片元素）的行和列阵列。彼此平行延伸的伸长的镜头的阵列覆在显示像素阵列的上面并充当视图形成构件。这些被称为“透镜镜头”。来自显示像素的输出被投射穿过这些透镜镜头，透镜镜头的功能是用于修改输出的方向。

将透镜镜头提供为镜头元件的薄片，所述镜头元件中的每一个包括伸长的部分圆柱体（例如，半圆柱体）镜头元件。透镜镜头在显示面板的列方向上延伸，其中，每个透镜镜头覆在由两列或更多列相邻显示子像素构成的相应组的上面。

每个透镜镜头可以与两列显示子像素相关联，以使用户能够观看单一立体图像。替代地，每个透镜镜头可以与行方向上的三个或更多个相邻显示子像素的组相关联。每组中的对应列的显示子像素被适当布置以提供来自相应二维子图像的纵向切片。随着用户的头从左向右移动，观看到一系列连续不同的立体视图，从而创建了例如环视（look-around）的印象。

图1是已知直视自动立体显示设备1的示意透视图。已知设备1包括充当用于产生显示的空间光调制器的有源矩阵型的液晶显示面板3。

显示面板3具有显示子像素5的行和列的正交阵列。为了清楚起见，图中示出了仅少数显示子像素5。在实践上，显示面板3可以包括大约一千行和数千列的显示子像素5。在黑白显示面板中，子像素事实上构成全像素。在彩色显示器中，子像素是全色像素的一个颜色组件。根据通用术语，全色像素包括创建所显示的最小图像部分的全部颜色所需的全部子像素。因此，例如全色像素可以具有可能地用白色和/或黄色子像素和/或用一个或更多个其他基本有色子像素增加的红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）子像素。液晶显示面板3的结构是完全常规的。特别地，面板3包括一对隔开的透明玻璃基板，在其之间提供了对准扭曲向列的（aligned twisted nematic）或其他的液晶材料。基板在它们面对的表面上承载透明铟锡氧化物（ITO）电极的图案。还在基板的外表面上提供偏振层。

每个显示子像素5包括基板上的相对电极，在相对电极之间具有介于中间的液晶材料。显示子像素5的形状和布局是由电极的形状和布局确定的。显示子像素5通过间隙彼此规则地隔开。

每个显示子像素5与比如薄膜晶体管（TFT）或薄膜二极管（TFD）之类的开关元件相关联。显示像素被操作以通过将寻址信号提供给开关元件而产生显示，并且合适的寻址方案对于本领域技术人员而言将是已知的。

显示面板3通过光源7照明，在这种情况下，该光源7包括延伸遍及显示像素阵列的区域的平面背光源。来自光源7的光被导向穿过显示面板3，其中个体化显示子像素5被驱动以调制光并产生显示。背光源7具有侧边缘7a和7b、顶边缘7c和底边缘7d。它具有光从其输出的正面。

显示设备1还包括布置在显示面板3的显示侧的上方的透镜薄片9，其执行光导向功能以及因此执行视图形成功能。透镜薄片9包括彼此平行延伸的透镜元件11的行，为清楚起见，以放大尺寸示出其中的仅仅一个透镜元件11。

透镜元件11呈凸状（半）圆柱体镜头的形式，每个镜头具有垂直于元件的圆柱体曲面而延伸的伸长的轴12，并且每个元件充当光输出导向构件以提供从显示面板3到定位在显示设备1前面的用户的眼睛的不同图像或视图。

透镜型成像布置导致产生多个观看锥体。在每个锥体内，不同视图的集合被重复。对于多观看者的显示器而言，这是有利的，原因在于它使得全视场能够充满视图。对于移动观看者而言可能尤其有利的是，在跟踪单一或少数观看者的位置的头部跟踪系统中使用例如单一观看锥体。

显示设备具有控制背光源和显示面板的控制器13。

图1中示出的自动立体显示设备1能够在不同方向上提供若干不同的透视图，即它能够将像素输出导向至显示设备的视场内的不同空间位置。特别地，每个透镜元件11覆在每行中的一小组显示子像素5的上面，其中在当前示例中，行垂直于透镜元件11的伸长轴延伸。透镜元件11在不同方向上投射一组的每个显示子像素5的输出，以形成若干不同视图。随着用户的头从左向右移动，他/她的眼睛将进而接收所述若干视图中的不同视图。

基于透镜的自动立体显示器的常见问题是3D模式中存在降低的分辨率。在每个透镜镜头元件下方使用多个像素意味着同时生成若干视图。与2D显示面板的原始（native）分辨率相比，这降低了3D模式中的自动立体显示器的可用分辨率。

避免3D模式中的面板分辨率的该损失的一个已知方法是以时间顺序的方式生成所需的不同视图。该方法可以例如用方向性背光源组件完成，该方向性背光源组件在不同时刻生成不同观看角度的准直光。

如果背光源方向特性（directionality）的切换速度足够快并且所生成的光输出方向覆盖多个视图的所需范围，则可以采用该背光源来创建3D显示器而无需镜头，并且具有面板的完整原始分辨率。

存在提供方向性输出的背光源的已知示例。US 2009/7518663中描述了双视图方向性背光源的概念。显示设备包括显示面板、用于将光导向穿过显示面板的光重新导向元件和用于朝着光重新导向元件导向光的光导。两个光源耦合至光导以在两个方向上将光输入到光导中。光重新导向元件具有第一沟槽结构并且光导具有第二沟槽结构，使得来自光源的光被导向穿过显示面板而具有两种角分布。开槽的光耦合出（light out-coupling）结构被应用于光导的顶部。

与使用快速切换的LCD的在左眼的图像与右眼的图像之间的相应切换同步地，将光交替发送至观察者的左眼和右眼。

另一示例是来自公司3M（商标）的市售双视图方向性背光源。该设计包括在光导的背平面处具有棱镜沟槽耦合出结构的背光源组件、位于光导的不同两侧处的光源、光重新导向膜和LCD面板。整个装备生成在不同方向上投射至观察者眼中的两个视图。取决于在光导的一侧或另一侧处操作的光源，按照时间顺序生成所述视图。

替换方法是使用生成隔开的细线光源的背光源，其中，显示面板在距光源的固定距离处，使得从每个光源出射的光以不同角方向穿过不同面板像素元件而传播。

其他已知方向性背光源设计使用直接发射固定光源的阵列和相关联光学元件。

光源阵列可以例如用普通背光源和用作背光源上面的有源屏障的LCD面板和透镜镜头来实现。然后，动态光源在镜头的焦平面中以生成准直输出。该设计通常导致低效率和降低的亮度。类似构思可以使用固定可切换OLED条和在上面的透镜镜头。

图2示出了使用准直背光源来控制可以从其看见视图的方向。背光源7包括条状光发射器阵列30、正镜头（positive lens）阵列32和镜头阵列与发射器之间的复制结构34。镜头阵列32使来自细发光条阵列30的光准直。这样的背光源可以从一系列发射元件（比如LED或OLED条的线）形成。从发射元件提取的光呈按约镜头结构的间距隔开的细发光条的阵列的形式。

这些解决方案一般使用与固定光学元件组合的有源源操纵（多个可寻址光源，否则与有源屏障组合的背光源）。因此，它们在结构上是复杂的。

用于显示器的背后照明和正面照明的侧光式光导（不然称为波导）是廉价和鲁棒的。因此以围绕侧光式技术的准直背光源组件为基础将是有利的。然而，已知的侧光式光导被设计成跨光导的整个表面提供光输出的最大均匀性，并因此不设计用于生成按照约组合的镜头的间距隔开的细光条阵列。

图3示出侧光式光导40的示意图像。光导包括波导材料，比如具有顶面40a、底面40b和横向（lateral）边缘40c的固体材料板。存在图3中无法看到的顶边缘和底边缘，这是因为图3的横截面是在横向的侧面至侧面方向上取得的。光导在俯视图中一般为矩形。光导的顶边缘和底边缘（矩形的顶侧和底侧处）被对准以与相关联显示器的顶部和底部相对应，并且横向的边缘（矩形的左侧和右侧）被对准以与相关联显示器的左侧和右侧相对应。

从图3中的左侧，从光源42耦合进（couple in）光并在光导的底部处放置若干耦合出结构44。光在具有高度H的光导内部按照角度传播。在该示例中，将耦合出结构44绘制为半棱镜，其具有半顶角σ、高度h和宽度w。

光导被形成为由例如玻璃或聚碳酸酯制成的介电板。在该板中，边界处的全内反射在光传播时使光保持被限制。板的边缘典型地用于耦合进光并且小的光耦合出结构44局部地将光耦合出（couple out）光导。

US 2012/0314145和US 2013/0308339公开了一种用于使用光导的特殊设计的自动立体显示器的背光源，该光导的特殊设计具有用作镜头的反射端面。不同光源以不同方向将光提供到光导，并且镜头功能创建特定方向上的光导内的准直路径。这从光导耦合出以创建特定背光源输出方向。这需要复杂的光导结构。

本发明基于在自动立体显示器或私密显示器中使用的更基本的光导型背光源的使用，特别地使得能够生成方向性输出，并且其中使用时间顺序操作来使得能够实现较高的空间分辨率。期望一种可以保持薄且轻量的光导设计。

发明内容

本发明通过权利要求定义。

根据示例，本文提供了一种显示器背光源，包括：

光导，其具有平行顶面和平行底面以及一对相对侧边缘，其中光源输出来自顶面；

光源布置，其用于在所述相对侧边缘中的一个或两个处将光提供到光导中；以及

光耦合出结构的阵列，其形成在平行顶面或平行底面处，以重新导向光，使得光在光耦合出结构的位置处从光导漏出，

其中光源布置可控制以便提供进入到光导中的至少第一光输出和第二光输出中的选定的一个光输出，第一光输出和第二光输出至少被部分地准直，并且被适配为使光横跨边缘到边缘方向并且相对于平行顶面和平行底面的平面以不同的仰角方向进入光导中，其中第一光输出和第二光输出进入到光导中导致出于顶面的不同光输出角。

通过控制到光导中的耦合进方向，该背光源使得能够使用准直光源控制输出方向。特别地，对仰角（即，相对于顶表面和底表面的平面）进行控制。可以通过光源定位或通过光学元件来实现该控制。以不同传播方向耦合进到光导中的光通过光耦合出结构提取到不同观看方向中。通过扫描方向性控制，可以生成来自背光源的多个方向性视图。

第一光输出和第二光输出可以在相同侧进入光导，或者它们可以在相对侧处进入。可替换地，可以将每个光输出提供给两个相对侧边缘。

背光源设计可以使用简单的光导设计。它具有平行顶面和平行底面（忽略光耦合出结构），因此它具有恒定厚度，这意味着制造是简单和常规的。光导的俯视图形状也是常规的，例如具有笔直边缘的矩形光导。

背光源适于在使用2D面板的全原始分辨率的自动立体3D显示器中使用。可以使用方向性背光源设计来按照时间顺序生成多个视图。

第一光输出和第二光输出（来自源布置）优选地导致从光导漏出的光在延伸于侧边缘之间的法线平面中具有不同的出射角范围。以这种方式，当侧边缘在背光源的横向侧时，创建不同的横向观看角度。由第一光输出导致的出射角范围优选地与由第二光输出导致的出射角范围不重叠。以这种方式，创建离散的不重叠的观看方向。

第一光输出和第二光输出优选地在垂直于顶面和底面的平面的方向上并在沿边缘到边缘方向上延伸的平面中（即，在具有图2的横截面的取向的平面中）被准直。在一个平面/方向上的该准直可以被描述为“部分”准直。当光耦合出结构垂直于该平面延伸时，其定义了支配（govern）光从光导中的漏出的相关角。准直可以例如给出在该平面中小于4度、或优选地甚至更小例如小于3度或小于2度的光束角范围。不需要平行于顶面和底面的平面中的准直，这是因为在该平面中光束角范围的扩展允许光输出扩展以覆盖背光源的全光输出区域。

光耦合出结构例如包括平行于侧边缘延伸的棱镜条。它们可以从顶边缘完全延伸到底边缘。然后，它们用于提供横向光束方向控制，这对于自动立体显示器是特别感兴趣的。

在第一示例中，光源布置包括至少第一光源和第二光源，其以与平行顶面和平行底面的平面的不同角被安装。通过以不同的角物理地安装光源，可以控制针对光导的光输入角。

在第二示例中，光源布置包括至少第一光源和第二光源，每个光源具有用于设置针对平行顶面和平行底面的平面的光输出角的相关联的光束成形元件。然后可以以相同的方式安装光源，并且光学地而非机械地控制光输出角。

光束成形元件可以是静态的，使得每个光源专用于提供到光导中的特定的光输入角。光束成形元件于是可以包括棱镜结构，其针对相对于平行顶面和平行底面的平面的特定光输出角而被设计。

光束成形元件可以替代地是动态的，使得可以在不同光输出角之间扫描光源，从而提高光学效率。于是，光束成形元件可以包括电湿润棱镜设备。这也意味着相同物理光源提供第一光输出和第二光输出（在不同时间），并且这些光输出包括所共享的光源的不同操作模式。

在另一示例中，光源布置包括至少第一光源和第二光源，每个光源包括光发射器阵列和输出镜头。通过选择在阵列内激活哪个光发射器，可以生成不同的光输出方向。因此，在这种情况下，角控制基于选择空间中生成光输出的物理位置，以及该物理位置与镜头相互作用的方式。

可以在光导的顶面上方提供光重新导向布置。如果例如来自光耦合出结构的角输出被非对称地裁剪，则可以使用光重新导向布置，来朝向法线重新导向来自光耦合出结构的角输出。

来自顶面的光输出角可以根据顶面上方的位置变化，使得来自顶面的全部位置的光到达共同视点。这用于使视图朝向观看者的眼睛汇聚，以避免显示器的暗区。可以使用非均匀的（在背光源区域上方的）光重新导向布置或通过将非均匀性引入到光耦合出结构的设计中来实现可变角。

本发明还提供了一种自动立体显示设备或私密显示器，包括：

如上定义的背光源；以及

显示面板，其具有用于生成显示图像的显示像素阵列，显示面板由背光源照明。

显示面板例如被安装成，侧面与背光源的侧边缘平行。这意味着背光源角控制导致生成不同的横向输出方向。于是，可以与背光源同步地控制显示面板，以按照时间顺序针对不同的观看方向输出不同的图像。

为了该目的，显示器包括控制器，并且控制器被适配为以两种模式操作显示器：

第一模式，其中第一光输出被提供到光导中，并且显示面板被控制来显示第一图像；以及

第二模式，其中第二光输出被提供到光导中，并且显示面板被控制来显示第二图像，

其中控制器被适配为按时间顺序实施第一模式和第二模式。

第一图像和第二图像可以是单一图像的左眼视图和右眼视图，或者不然，它们可以是针对不同的用户的完全不相关的视图。

可以存在多于两种的模式，使得按照时间顺序提供多个（多于2个的）视图。如果可以防止不同视图之间的光混合，则每个图像也可以同时包括多个视图。因此，可以存在按照时间顺序的多视图操作。

本发明还提供了一种控制来自背光源的光输出方向的方法，包括：

将光提供到光导中，光导具有平行顶面和平行底面以及一对相对侧边缘，其中将光提供给所述相对侧边缘中的一个或两个；

使用光耦合出结构的阵列，其形成在平行顶面或平行底面处，以重新导向光，使得光在光耦合出结构的位置处从顶面从光导漏出，

其中方法包括：在各自具有不同角方向的至少第一光输出与第二光输出之间控制该光横跨边缘至边缘方向相对于平行顶面和平行底面的平面进入该光导的仰角方向，其中进入光导的第一光输出和第二光输出导致来自顶面的不同光输出角。

本发明还提供了一种控制自动立体显示设备的方法，包括：

使用如上定义的方法来控制来自背光源的光输出的方向；

将来自背光源的光输出提供给显示面板；以及

控制显示面板所显示的图像，

其中由此在两种模式下操作该显示设备：

第一模式，其中第一光输出进入光导，并且显示面板被控制来显示第一图像；以及

第二模式，其中第二光输出进入光导，并且显示面板被控制来显示第二图像，

其中按照时间顺序提供第一模式和第二模式。

附图说明

现在将单纯以示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是已知自动立体显示设备的示意透视图；

图2示出使用条状发射器的已知方向性背光源设计；

图3示出使用侧光式光导的已知背光源设计；

图4用于提供对图3的光导的光学功能的分析；

图5示出根据垂直于光导方向的平面中的纵向角和包括光导方向的平面中的横向角的出射光的角强度分布；

图6示出了在纵向角为90度的情况下沿横向角的光强度的横截面；

图7用于示出可以在背光源的输出处应用的光束重新导向功能；

图8示出了对显示器进行照明以形成自动立体显示器的本发明的一般背光源设计；

图9示出了从背光源出射的光束方向与光据以耦合进背光源的角之间的关系；

图10示出了针对耦合进（in-coupling）棱镜顶角的三个值70°、120°和160°的角强度分布图；

图11用图形形式替代使用强度图来示出了图10的这三个模拟（simulation）的角的光强度分布；

图12示出了背光源设计的第一更详细的示例；

图13示出了背光源设计的第二更详细的示例；

图14示出了给出四个不同光输出角的图12和图13的设计；

图15示出了背光源设计的第三更详细的示例；

图16示出了背光源设计的第四更详细的示例；

图17用于示出如何优化光导的光耦合出结构的设计，以提供最大的输出锥体宽度；以及

图18示出了为了在视图转变期间遮掩可感知的闪烁的用于背光源的可能操作序列。

具体实施方式

本发明提供了一种显示器背光源，其包括侧光式光导，该侧光式光导具有：光耦合出结构的阵列，以使得光能够在光耦合出结构的位置处从光导漏出。光源布置用于在相对侧边缘中的一个边缘或两个边缘处将光提供到光导中。光源布置可控制以将至少第一光输出和第二光输出中的选定的一个光输出提供到光导中，每个不同的光输出相对光导的总平面（general plane）具有一个不同的角，并导致从光导中漏出的光具有不同的出射角范围。以这种方式，基于光耦合到光导中的方式，使得能够实现方向性背光源输出。这提供了一种仅需要控制提供给光导的光的简单结构。背光源可以例如使得能够形成自动立体显示器，而不需要透镜阵列。

本发明基于对来自光导背光源的光学输出的特性的分析。

对于具有折射率为n的材料的平面光导，光射线（light ray）在光导内部以在以下范围内的入射角α传播

（1）

其中。

从光导中提取光的典型方式是在光导的背平面处使用耦合出结构，例如棱镜结构。

图4中示出了这样的结构的效果，其中光耦合出刻面（facet）与光导的总平面成角度β。

因此，光按以下角撞击到棱镜刻面上：

当满足全内反射（TIR）条件使得时，该光将从刻面反射。

光导顶表面上的入射角为：

并且在时将从光导提取该射线。因此，针对β的组合条件为：

（2）

为了最大化所提取的光的角范围的宽度，组合方程式（2）和（1）得到条件：

或等价地

cos（2β）=1/n

在图5中用光学射线跟踪模拟的结果图示了具有可以从光导耦合出的角的宽泛分布范围的可能性。

该图图示了根据垂直于光导方向的平面中的纵向角（V，绘制在y轴上）和包括光导方向的平面中的横向角（L，绘制在x轴上）的出射光的角强度分布。光导平面的法线方向对应于）。

将强度示为图表中的阴影区域中的区块的亮度。

在该示例中，光导由具有n=1.48折射率的聚（甲基丙烯酸甲酯）PMMA制成，并且耦合出结构是其中光重新导向经由全内反射发生的棱镜沟槽。棱镜的顶角为132度，并且这满足上面的条件cos（2β）=1/n。

应注意，光耦合出结构可以是对称或非对称的棱镜元件。

光源简单地是朗伯（Lambertian）发射LED，而没有耦合到光导中的任何附加的光学组件。

在图5中，左侧较亮区域对应于较高的强度。

图6中示出了在V=90度的情况下沿横向角L的光强度的横截面。

出射光具有“平坦”的强度部分，其中最大值位于自法线起的约45度处。通过在光导的顶部添加重新导向的棱镜而将该出射光分布重新导向成以法线方向（0度）为中心的分布。本领域技术人员可以基于棱镜材料的折射率和入射光角分布计算出棱镜角的最佳选择。

对于图5和图6中示出的分布以及由PMMA材料制成的棱镜，55度的最佳棱镜顶角允许将出射角射线分布转换成以背光源的法线方向为中心的分布。

图7中针对具有55度顶角70的棱镜示出了该重新导向功能，其用于重新导向如图4中所示的出射光射线。顶角指向背光源的顶面。

已知沿光导的整个长度实现均匀的光耦合出的若干方法。耦合出结构的尺寸可以远小于它们之间的间距，并且结构的大小/密度可以朝向光导的末端/中间部分增大。

由于受限的制造精度而导致的一些结构缺陷（角的倒圆、大小和几何结构变化）可以降低方向性背光源的性能（比如峰值强度的降低、在期望的角范围之外的稍微加宽或附加的最大值）。

当缺陷的大小与耦合出结构的大小相比变得显著时，这些效应可以变得可见。在实践中，使用常见制造方法的结构的倒圆半径（rounding radius）约为2微米或更小。该精度足以实现结构大小约为25微米至50微米的方向性背光源的良好性能。

自动立体显示器中可以采用具有在多个视图方向上生成准直光输出的背光源组件，并且将允许使用显示器的全空间分辨率。消除典型地形成在厚玻璃间隔物上的透镜镜头将允许显著降低3D显示器的厚度。没有任何透镜镜头的操作也避免了锥体重复。

例如，对于多视图自动立体显示器，可以在多个不同的视图方向之间扫描到（sweep）背光源发射准直光的方向。

图8示出了与3D自动立体显示器一起使用的背光源设计的第一示例。

显示器包括具有光耦合出结构44的光导40和在上面的显示面板80。光导是边缘照明的，并且两个光源42a、42b被示出。每个光源具有相关联的准直器82a、82b。此外，在来自每个光源的光输出进入光导的边缘的情况下，提供了按照光耦合进或操纵的布置84a、84b的形式的光束成形元件。

使用将光耦合进光导中的方式来控制光输出方向。通过操纵光输出，使得能够实现使用2D面板80的全分辨率的多视图自动立体3D显示器。可以按照时间顺序更改光输出方向，使得在每个时间处都使用全分辨率。

显示面板80例如被安装成侧面与背光源的侧面边缘平行。因此，图8示出了跨显示器的横截面。光耦合出特征44平行于侧面边缘延伸，因此它们在横向方向上控制光输出方向。显示器不需要棱镜镜头阵列，这是因为所有的方向性控制通过背光源实施。

显示器被控制以显示多个视图的序列。同时，背光源的光输出的方向性与显示面板的切换同步地在多个方向（对应于预期的观看方向）之间切换。

光耦合出特征44可以例如包括对称或非对称棱镜元件，并且它们可以在光导的顶平面或底平面（如图8中所示）上应用。可以用已知方式实现跨整个面板的来自光导的均匀耦合出。例如，可以沿光导调整（tune）结构的高度或密度，以改变每一个结构的相对耦合出。

准直器82a、82b确保所生成的光至少在一个方向（垂直于光导平面）上被充分准直。在另一方向上，光可以是更加发散的。

光耦合出结构44是例如在总平面上方凸起的条，并且允许在平行于该总平面的平面中发散（divergence）。这样的发散将不改变光耦合出功能，该功能取决于垂直于条的长度的平面中（即图8的平面中）的光方向。

背光源单元通过按照某些定义的不同角将准直光耦合进光导中而在多个方向上生成光。可以用若干方式（例如通过使用位于光导的侧面的静态或动态切换的光学元件）实现光的耦合进。

以下描述各种示例。

来自光源的光输出需要一定的准直度。由光源的方向特性确定出自背光源单元的光的角扩展（angular spread）。具有全内反射（TIR）准直器、反射器、复合抛物面聚光器（CPC）或其他光学元件的LED可用作准直光源。可替换地，激光可以被用作光源。

光优先地在一个方向上（即在垂直于光导平面（即，图8的平面中）的方向上）被准直，并且可以在平行于光导平面的方向上发散。

所需准直度取决于应用。对于具有两个视图的便携式自动立体设备，一个视图的角宽度约为4度，这将转化为对光导的某种设计的光源准直的需求。对于多视图显示器，可能需要较高的准直度。

通过以下多个参数确定由背光源产生的光角强度分布：光源方向特性、确定光导内部的光传播角的光束成形元件、光导材料的折射率、周围介质的折射率以及耦合出结构的几何结构。取决于参数的组合，来自背光源单元的光输出可以覆盖整个180°角范围，或可以被限制在自法线起的较小角范围（例如0°至90°）中。这可以通过在一侧面裁剪（clip）光来实现。然后，使用附加的光转向光学箔（例如，用光重新导向棱镜），允许将被裁剪的出射角射线分布变换成以背光源的法线方向为中心的分布。

存在控制光导内部光传播的角范围的多种方式。一种方式是在将光耦合进光导中时限制并操纵光。可以使用在与主动切换的光源配准（registration）时放置的无源元件或有源光学元件，来实现该控制。

下面通过一般设计的光学射线跟踪模拟的结果来图示方向性背光源的功能性，该一般设计包括位于光导边缘处的有源光束成形光学元件以及附加的光束重新导向光学结构层（即，以下结合图12描述的层120）。

光源在垂直于光导平面的方向上被准直（例如被准直成4度或更小的发散）并在光导平面中发散。该发散可以具有例如在60度和180度之间的任何合适的值（例如具有90°角）。

以远大于在正交平面中的度数在一个平面中的该准直给出了该文档中被称为“部分准直的”光输出的光输出。

经由有源光学元件（例如来自光导的一侧的电湿润棱镜元件）耦合进光源。该示例中的光束成形棱镜元件被认为具有与光导材料相同的折射率。

图9和图10中示出了模拟结果。

图9示出了根据一般设计的背光源的光束扫描功能性的射线跟踪模拟的结果。根据光导的侧面上的光束成形棱镜元件的角（该角是x轴）在y轴上示出光束输出方向。

图10中使用与图5中相同的轴示出针对光束成形（耦合进）棱镜顶角的三个值70°、120°和160°的角强度分布图。

替代使用强度图，图11在极坐标图中示出了图10的三个模拟的角光强度分布。

结果图示了在从70°到110°的范围内调整所生成的视图的角度的可能性，该范围对应于从背光源的法线方向起的±20°的角调整范围。

在角调整范围的一侧（较大角）处，光的出射宽度略宽一些，并且当显示器在垂直于光导方向的平面中倾斜（即V从90°偏离）时，视图示出更多的失真。当一半的视图由位于显示器的不同侧的光源和光学元件生成时，可以在设计中显著减少这些类型的失真。

现在将参考图12更详细地描述第一实施例。

在该第一实施例中，用于不同光输出方向的光源以相对于光导的总平面的不同角（即不同的仰角）被布置。等价地​​，它们以相对于光在其处被耦合进光导中的边缘面的不同角被布置。

图12示出了俯视图和横截面视图，并且示出了具有一个仰角或倾斜角的光源42a的集合和具有不同的仰角或倾斜角的光源42b的另一集合。

通过相对于光导40的耦合进边缘以某个角布置准直光源，而将光以不同光传播角耦合进光导。提供光源的至少两个不同的角取向，例如在光导的一侧处的一个固定角，以及在光导的另一侧处的另一个固定角。这允许由背光源单元生成的光的至少两个主要传播方向。

取决于光导内的光耦合出结构的几何结构和类型，可能需要光重新导向膜120将光重新导向到合适的方向。与光重新导向布置120组合的光传播的方向将确定针对所生成的视图的出射角。

由显示面板显示的图像与负责不同视图传播的不同类型的光源的接通/关闭的同步使得能够实现时间顺序的多视图显示。

现在将参考图13更详细地描述第二实施例。

在该第二实施例中，用于不同光输出方向的光源具有光学光束成形元件130a、130b。这些元件是在光导的侧面处的静态耦合进结构。这些光束成形元件被放置在它们相应光源的前面。所述元件的不同之处在于：它们按照不同的角将光耦合进光导中。因此，光学地而非如第一示例中那样机械地实现所期望的倾斜。通过切换光源，输入光可以以所期望的角进入光导中，并由此操纵出自光导的光。

该方向性光可以再次用于创建针对时间顺序的自动立体面板的视图。用于将光耦合进光导中的光束成形结构可以包括反射（镜子）或折射（例如棱镜）光学元件。

在图13的示例中，光束成形元件包括棱镜结构。在这种情况下，定义两种不同类型的耦合进光束成形元件130a、130b，其具有用于按照不同角将光耦合到光导中的不同顶端角（top angle）。

棱镜结构典型地将入射光分离到两个方向中。相对于光导的总平面向下导向的角将耦合出光导。

按照正角（positive angle）（相对于光导的总平面向上）耦合到光导中的光在它在光导内反射了奇数次之后可以耦合出。因此，即使棱镜结构将每个光源划分到两个主要方向中，但是将只存在来自每个光源的被耦合出的光的一个主要方向。

在光导的上面是用于将被耦合出的光导向到法线的棱镜光重新导向布置120。

通过用于耦合进光的不同类型的光束成形元件的数量乘以发生照明的侧面的数量给出可以用该实施例创建的主要耦合出方向的总数：

因此，在所示的示例中，方向的总数是四。在图14中，粗略地绘出这些方向。通过按照时间顺序接通与这四个方向之一相对应的光源，可以生成四个不同的视图。

现在将参考图15更详细地描述第三实施例。

在该第三实施例中，用于不同光输出方向的光源包括与镜头组合的有源发射器矩阵。该组合用作光束操纵方法，其再次使得能够更改入射到光导的光的倾斜角或仰角。

每个光源42a、42b包括通过具有光吸收结构或涂层156a、156b的机械支撑件154a、154b支撑的镜头152a、152b和发光器矩阵150a、150b。

替代需要多个不同的光学元件，以这种方式，每个光学元件可以存在多个光源。镜头将典型地是具有与光源的位置近似匹配的焦距的圆柱体镜头。结果，光源的位置被平移到与光导法线成一个角的扇（fan）157中。

图15更详细地示出了发射器矩阵150a，并示出了比如LED之类的个体化光源158。LED线159与一个特定视图方向相关联。

可以通过选择性地切换光源来扫描视图。比如透镜镜头阵列之类的其他光学元件可以用于将光的多个扇与单一光源相关联。透镜镜头的这种使用创建了对于非头部跟踪的多视图操作而言是期望的锥体重复。

现在将参考图16更详细地描述第四实施例。

在该第四实施例中，有源（即可切换光学元件）被用于实施类似的光束操纵方法，其再次使得能够更改入射到光导的光的倾斜角或仰角。

光源42a、42b提供被提供到有源光学元件160a、160b的准直输出，该有源光学元件160a、160b再次相对于光导的总平面提供耦合进光导中的光的可调整角的功能性。

这些有源光学元件可以基于反射元件（例如MEMS镜子）来改变光耦合进方向，或基于折射元件（例如电湿润棱镜）以动态改变光耦合进方向。

当使用电湿润微棱镜阵列作为耦合进光束成形元件时，取决于对微棱镜胞元的几何结构和液体的折射率组合的选择，光束偏转可以相当大，理论上高达30°。有源光学元件可以以高达kHz的频率在不同角之间切换。如果显示像素能够以相同或相似的速率操作，则变得可能的是，在多个准连续的观看方向上按照时间顺序生成大量视图。

有源光学元件160a、160b可以被分离成组（例如与光导的每一侧相关联的两组）。然后，每组可以负责生成多个视图的子集。这允许每个有源胞元在减小的角范围内操作，并且应导致切换时间的减少。

内部光导耦合出特征可以具有不同的设计。

第一示例集合是基于全内反射的。它们通过全内反射（TIR）将光重新导向到前平面，光在该处从光导中提取出来。

为了最大化从光导中提取的射线的角范围，在棱镜的基底处的优选角β（即反射刻面相对于光导的总平面的角）应遵循以下关系：

其中是光导（针对与空气接触的棱镜凹槽而言）材料的折射率。更一般地，当光耦合出结构与具有折射率的另一介质接触时，该条件变换为：

。

这最大化了可以从光导中提取的射线的角范围。如果β=0（无提取结构），将根本不提取光，对于β的中间值（即），光导外的光分布将具有某个中间宽度，并且对于，可以提取的角分布的宽度约为90度，如图6中所示。

第二示例集合是基于具有反射表面的提取特征的（即，不管入射角如何）。例如用光反射涂层（例如金属）涂覆光导的背平面处的光耦合出结构。因为不再存在在耦合出结构处需要全内反射这样的约束，所以可能从较宽的角β范围（耦合出棱镜的基底）中进行选择。

已经计算了根据β的被耦合出的光的最大宽度，并且在图17中示出了结果，图17绘制了光输出宽度（y轴）对棱镜基底角β（x轴）。为了最大化出射光的角宽，β可以选择为：

对于PMMA，这相当于42和48度之间的β值。对于β的这些值，取决于被耦合进的光的方向，被耦合出的光可以在-90度至高达90度的范围内。

在光导由PMMA材料（n=1.48）制成并且耦合出结构基于其中光重新导向经由全内反射而发生的棱镜沟槽的情况下，内部光耦合出棱镜的顶角将在132度（使得β=44度）处被优化，以满足如上概括的cos（2β）=1/n的条件。

图17是针对在空气中由PMMA制成的光导。存在β的一个小范围，对于此，锥体宽度在180度处是最大的。

以上的一些示例使用按照在光导上方的重新导向膜120的形式的光重新导向布置。例如如果来自背光源单元的（直接）光输出被限制在自法线起的角的一个范围（例如0°至90°）内，则需要这一点。如果输出光在一侧被裁剪，就是这种情况。该角光分布可以变换为以法线方向为中心的分布，这使得方向性背光源单元能够更直接地应用于多视图显示器。

包括用于朝向法线方向重新导向光的结构的附加光学膜被放置在光导的顶部上。所述结构可以是具有可以基于材料的折射率选择的顶角（例如对于PMMA，约是55°）的棱镜元件，并且被朝向光导取向。

与具有反射器涂层的耦合出结构的示例相比，基于全内反射情况的示例中的光导中的棱镜沟槽光耦合出结构可以具有较小的基底角。结果，耦合出结构更平坦，并且可以更易于制造。

在光导的顶部上添加重新导向棱镜，允许将出射角射线分布转换成以背光源的法线方向为中心的分布。55度的最佳顶角实现了这种重新导向。使用这种设计，通过调整在光导的侧面的棱镜的角，可以例如在自法线起的±20°的范围内扫描到出射光束。以上讨论的图9中示出了在上述棱镜角与光束方向之间的该关系，并且其示出了输出光束方向可以在90±20°度的近似范围内调整。

现在将参考图18更详细地描述第五实施例。

在该第五实施例中，有源光学元件可以与可切换光源组合使用以遮掩视图转变。

有源光学元件的一些实施方式的可能缺点是在任何两种光学模式之间切换所需的时间。在该转变期间，应关闭光源以避免可见的重影或中等黑电平（black level）。光学元件的切换时间可以导致低视图计数（view count）或可感知的闪烁和低亮度。

可以通过扫描背光源方法隐藏切换时间，其中许多光源和光学元件组合同步作用以使得能够实现无闪烁的操作。每个组合都处于“转变”或“接通”状态。

图18的示例具有背光源，该背光源具有在图18（a）至18（d）中顺序示出的四个子帧。在每个子帧中，两个视图或模式“A”和“B”是活动的。模式“A”和“B”可以例如对应于单一观看者的左眼和右眼，或者对应于观看者“A”和“B”。不同的视图可以对应于每帧中的不同视点。

标签ON或OFF表示光源是接通的还是关断的。每个光源将其输出呈现给准直器，并且然后是可操纵的光学系统。每个光源遵循模式A（光源ON）、切换到模式B（光源OFF）、模式B（光源ON）、切换到模式A（光源OFF）的序列。以这种方式，光源仅当光束操纵系统准备就绪时接通，并且通过交错光源，不存在不连续性。

该布置使得能够实现闪烁的减少。

在图18的系统中，“模式A”和“模式B”光源的光被布置成不混合。这可以通过光源在光导的平面中的部分准直来实现，或者可以存在多个光导条，使得光通过条侧壁上的全内反射被限制在条内。

完全准直的背光源单元将具有来自背光源的全部区域的相同光输出方向。当背光源的角光分布足够窄，使得它比显示器的视场小时，这可能创建以下不想要的效果：来自显示器的并非所有区域的光可以到达观察者的眼睛（显示器的某些部分将显得暗黑）。

对于常见的基于棱镜的自动立体显示器，这种所谓的视点校正是通过显示子像素的间距和透镜镜头间距之间的失配来实现的。以这种方式，相对于来自显示面板的中心的光，在不同方向上导向来自显示器侧面处的像素的光。对于方向性背光源单元，可以在重新导向光学箔的级别上或（如果不使用箔）在光导内的光耦合出结构的级别上实现角分布的该校正。校正需要沿背光源的长度在空间上选择性地调节结构几何结构（重新导向棱镜或其他光耦合出结构的角）。

该目的是确保来自背光源的顶面（其可以或可以不包括光重新导向膜）的光输出角根据顶面上的位置变化，使得来自顶面的全部位置的光到达共同视点。对于背光源的两种模式，该共同视点将是不同的，但它将在距显示器的相同距离处，使得一个视点是用户的一只眼睛的预期位置，并且另一个视点是用户的另一只眼睛的预期位置。

对于显示尺寸的范围，典型的视场在7-12度（半角）内。已经对设计执行光学模拟，其中在光重新导向膜的级别上实现角分布校正。根据棱镜结构距背光源中心线的距离来修改棱镜结构的角。背光源侧面处的出射光方向的角校正被选取为±10°（光朝向观看者倾斜）。

通过光学建模成处于与图9至11中所呈现的相同的范围内，来检查具有经修改的光重新导向板的该设计的背光源的光束扫描功能性。已经证实，来自背光源的侧面和中心的光射线汇聚到相同观看区域中，从而提供对于背光源的整个角调整范围的有效视点校正（±20°）。

一些显示系统使用观看者位置的头跟踪。在这种系统中，有源光学元件的驱动可以被调节以在特定方向上生成视图，从而对于特定观看者位置（或多个观看者）是最舒适的。

方向性背光源组件可以应用于自动立体多视图3D显示器，以及用于具有私密模式的显示器。

根据附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并实施对所公开的实施例的其他改动。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种显示器背光源，包括：

光导，其具有平行顶面（40a）和平行底面（40b）以及一对相对侧边缘（40c），其中光输出来自顶面（40a）；

光源布置（42），其用于在所述相对侧边缘中的一个或两个处将光提供到光导中；以及

光耦合出结构（44）的阵列，其形成在平行顶面或平行底面处，以重新导向光，使得光在光耦合出结构的位置处从光导漏出，

其中光源布置可控制以便提供进入到光导中的至少第一光输出和第二光输出中的选定的一个光输出，第一光输出和第二光输出至少被部分地准直，并且光源布置被适配为使第一光输出和第二光输出横跨边缘到边缘方向并且相对于平行顶面和平行底面的平面以不同的仰角方向进入光导中，其中第一光输出和第二光输出进入到光导中导致来自顶面（40a）的不同光输出角。

2.根据权利要求1所述的背光源，其中在平行顶面和平行底面的平面中，光导的形状是矩形。

3.根据权利要求1或2所述的背光源，其中第一光输出和第二光输出导致从光导漏出的光在延伸于侧边缘之间的法线平面中具有不同的出射角范围。

4.根据任一前述权利要求所述的背光源，其中第一光输出和第二光输出至少在垂直于顶面和底面的平面中被准直。

5.根据任一前述权利要求所述的背光源，其中光耦合出结构包括平行于侧边缘延伸的棱镜条（120）。

6.根据任一前述权利要求所述的背光源，其中光源布置包括至少第一光源和第二光源，其以与平行顶面和平行底面的平面的不同角被安装。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的背光源，其中光源布置包括至少第一光源和第二光源，每个光源具有用于设置相对于平行顶面和平行底面的平面的到光导中的光输出角的相关联的光束成形元件。

8.根据权利要求7所述的背光源，其中所述光束成形元件包括：

静态棱镜结构，其针对相对于平行顶面和平行底面的平面的特定光输出角而被设计；或

动态光束成形元件，比如棱镜设备。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的背光源，其中所述光源布置包括至少第一光源和第二光源，每个光源包括光发射器阵列和输出镜头。

10.根据任一前述权利要求所述的背光源，还包括光导的顶面上方的光重新导向布置。

11.根据任一前述权利要求所述的背光源，其中来自顶面的光输出角根据顶面上的位置变化，使得来自顶面的全部位置的光到达共同视点。

12.一种自动立体显示设备或私密显示器，包括：

根据任一前述权利要求所述的背光源；以及

显示面板（3），其具有用于产生显示图像的显示像素（5）阵列，显示面板由背光源照明。

13.根据权利要求12所述的自动立体显示设备，包括控制器，其中控制器被适配为用两种模式操作所述显示器：

第一模式，其中第一光输出被提供到光导中，并且显示面板被控制来显示第一图像；以及

第二模式，其中第二光输出被提供到光导中，并且显示面板被控制来显示第二图像，

其中控制器被适配为按照时间顺序实施第一模式和第二模式。

14.一种控制来自背光源的光输出方向的方法，包括：

将光提供到光导中，光导具有平行顶面（40a）和平行底面（40b）以及一对相对侧边缘（40c），其中将光提供给所述相对侧边缘中的一个或两个；

使用光耦合出结构（44）的阵列，其形成在平行顶面或平行底面处，以重新导向光，使得光在光耦合出结构的位置处从顶面从光导漏出，

其中所述方法包括：在各自具有不同角方向的至少第一光输出与第二光输出之间控制所述光横跨边缘至边缘方向相对于平行顶面和平行底面的平面进入所述光导的仰角方向，其中进入光导的第一光和第二光输出导致出自顶面（40a）的不同光输出角。

15.一种控制自动立体显示设备的方法，包括：

使用根据权利要求14所述的方法来控制来自背光源的光输出的方向；

将来自背光源的光输出提供给显示面板；以及

控制所述显示面板所显示的图像，

其中由此在两种模式下操作所述显示设备：

第一模式，其中第一光输出进入光导，并且显示面板被控制来显示第一图像；以及

第二模式，其中第二光输出进入光导，并且显示面板被控制来显示第二图像，

其中按照时间顺序提供第一模式和第二模式。