CN107636502B - 广角成像定向背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像定向背光源设备，其包括波导、光源阵列，以用于从局部光源提供大面积导向照明。该波导可包括阶梯式结构，其中阶梯还可包括提取结构特征，该提取结构特征光学隐藏至在第一前向方向上传播的引导光。在第二后向方向上传播的返回光可被折射、衍射或反射，以提供从波导的顶部表面离开的离散照明束。观察窗通过使单独光源成像而形成，并且限定系统元件和光线路径的相对位置。当离轴观察时，未校正的系统形成未被照明的空隙部分，从而阻碍均匀的广角2D照明模式。通过引入远离系统的对象平面的另外的光源、另外的成像表面和/或通过改变光线路径，系统可被校正以去除这种不均匀性。

Description

广角成像定向背光源
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月13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 62/146,648(代理人参考号379000)，2015年4月30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62/154,932(代理人参考号379000A)，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62/167,185(代理人参考号379000B)，2015年 11月13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62/255,248(代理人参考号 379000C)，以及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)”的美国临时专利申请62/167,203(代理人参考号384000)的优先权，所有申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及光调制装置的照明，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器通常使视差部件(诸如透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对准，该图像的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。视差部件将来自该组像素中的每个像素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部件成像功能决定。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。
发明内容
根据本公开，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源，用于向成像定向背光源提供光的照明器阵列。成像定向背光源可包括用于引导光的波导。波导可包括第一光引导表面以及与第一光引导表面相对的第二光引导表面。
显示器背光源一般采用波导和边缘发光源。某些成像定向背光源具有将照明导向穿过显示器面板到观察窗中的另外的能力。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示例是可采用折叠式光学系统的光学阀，因此也可以是折叠式成像定向背光源的示例。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，如美国专利公布2012/0127573中所述，该专利公布全文以引用方式并入本文。
定向背光源提供穿过波导的照明，所述照明以波导内的多个方向成像至观察窗。来自输入端处的光源并在波导内传播的发散光提供有减小的发散度，并且通常通过波导反射端处的弯曲反射镜而准直，并且通过弯曲光提取结构特征或透镜诸如菲涅耳透镜朝观察窗成像。对轴向观察窗而言，准直光基本上平行于矩形形状的波导的边缘，因此光跨波导的整个区域朝观察窗输出。对于离轴位置而言，准直光的方向并不平行于矩形波导的边缘，但以非零的角度倾斜。因此，在准直光束的一个边缘和波导的相应边缘之间形成未被照明的(或空隙)外部(其可为三角形形状)。理想的是，没有光从外部内导向至相应观察窗，并且显示器在该区域将看起来黑暗。期望减少离轴观察位置的黑暗外部的出现，使得更多的波导区域可用于照明空间光调制器，从而有利地减小系统尺寸和成本。
一般来讲，利用这种系统和相关的成像定向背光源系统，由于高角处的光晕，并非所有背光源区域均为可用的。对系统的修改可通过将光引入空隙区域可克服此限制。此类经修改的照明设备实施方案可导致增加的亮度、局部独立照明和定向能力。
根据本公开的第一方面，定向波导可包括：输入端；用于沿着波导引导光的相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面；以及面向输入端的用于沿着波导将输入光反射回的反射端，第二引导表面被布置成将反射的输入光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且波导被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗中，该光学窗根据输入光的输入位置而分布在横向方向上，其中反射端是包括交替的反射小平面和拔模小平面的菲涅耳反射器，该反射小平面提供在正向上具有正光焦度的菲涅耳反射器，并且(a) 输入端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度与(b)反射端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度之间的比率具有跨横向方向的轮廓，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴处最大，并且朝向光轴的每个侧减小。所述比率的所述轮廓可补偿由菲涅耳反射器进行的光反射的效率的随着横向位置减小。输入端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度可具有跨横向方向的轮廓，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴处最高，并且朝向光轴的每个侧减小。有利地，与在横向方向上具有均匀比率的布置相比，显示器在横向方向上的空间均匀性对于同轴和离轴观察位置可以改善。
输入端在第一引导表面处的边缘可以是直的，并且输入端在第二引导表面处的边缘可以是弯曲的以提供所述轮廓。输入端在第一引导表面处和第二引导表面处的边缘可各自为弯曲的以提供所述轮廓。反射端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度可具有平坦轮廓。第一引导表面可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面包括多个光提取特征和位于光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被取向成在允许作为输出光穿过第一引导表面离开的方向上导向沿着波导引导的光，该中间区域可被布置成沿着波导引导光。第二引导表面可具有阶梯式形状，其中所述光提取特征可为中间区域之间的小平面。光提取特征在波导的横向方向上可具有正光焦度。
有利地，工具可方便地形成以提供此类弯曲的第一引导表面和第二引导表面，从而提供具有适当形状的低成本波导。
另外，根据本公开的第一方面，提供了定向波导，其包括：输入端；用于沿着波导引导光的相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面；以及面向输入端的用于沿着波导将输入光反射回的反射端，第二引导表面被布置成将反射的输入光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且波导被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗中，该光学窗根据输入光的输入位置而分布在横向方向上，其中反射端是包括交替的反射小平面和拔模小平面的菲涅耳反射器，该反射小平面提供在正向上具有正光焦度的菲涅耳反射器，并且输入端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度具有轮廓；该轮廓在菲涅耳反射器的光轴处最高，并且朝向光轴的每个侧减小。输入端的高度的所述轮廓可补偿由菲涅耳反射器进行的光反射的效率的随着横向位置减小。输入端在第一引导表面处的边缘可以是弯曲的，并且输入端在第二引导表面处的边缘可以是直的以提供所述轮廓。
根据本公开的第二方面，定向背光源可包括：根据第一方面的定向波导；以及跨波导输入端布置在横向方向上的不同输入位置处并且被布置成将光输入到波导中的输入光源的阵列。
根据本公开的第三方面，定向显示装置可包括根据第二方面的定向背光源；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输出光并对其进行调制以显示图像。
根据本公开的第四方面，定向显示设备可包括根据第三方面的定向显示装置；以及被布置成控制光源的控制系统。
有利地，可形成光学窗的阵列，以提供光学输出的可控方向性。光学窗可被布置成提供可在(i)与常规非成像背光源具有类似的空间和角度均匀性的宽视角模式，(ii)自动立体3D模式，(iii)防窥模式，(iv)双视图模式，(v) 节电模式，和(vi)户外操作的高效高亮度模式之间切换的操作模式。
根据本公开的第五方面，定向背光源可包括：具有输入端的波导；输入光源的阵列，其跨波导输入端被布置在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中，波导还包括用于沿着波导引导光相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面，在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的侧表面，以及面向输入端的用于沿着波导将输入光反射回并且在横向上具有正光焦度的反射端，第二引导表面被布置成使反射的输入光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且波导被布置成在输出方向上将输出光导向到光学窗中，该光学窗根据输入光的输入位置而分布在横向方向上；以及附加光源，该附加光源被布置成在一方向上将附加光导向到波导中，在该方向上附加光被反射端反射到相对侧表面上，并且被相对侧表面反射到波导的与相对侧表面相邻的区段中，该区段从反射表面和侧表面之间的拐角延伸。
有利地，背光源的输出的空间均匀性通过填充照明空隙对于离轴观察位置可以改善。
附加光源可沿着与输入端相邻的每个侧表面的至少一部分设置，该附加光源被布置成通过侧表面中的一个将附加光导向到波导中。
有利地，填充照明空隙的效率可被优化，从而降低功耗同时保持高的空间均匀性。
附加光源可沿着每个侧表面的仅仅所述部分设置。每个侧表面的附加光源沿着其设置的所述部分可为侧表面的至少20％。每个侧表面的附加光源沿着其设置的所述部分可为侧表面的至多80％。
装置还可包括沿着与输入端相邻的每个侧表面的至少一部分布置的反射器元件，附加光源可在输入光源的阵列的每个侧上沿着波导的输入端设置，并且可被布置成通过输入端将附加光导向到波导中到反射器元件上，并且反射器元件被布置成朝向反射端反射附加光，使得附加光被反射端反射到相对侧表面上，并且被相对侧表面反射到波导的与相对侧表面相邻的区段中，该区段从反射表面和侧表面之间的拐角延伸。反射器元件可沿着每个侧表面的仅仅所述部分设置。每个侧表面的反射器元件沿着其设置的所述部分可为侧表面的至少20％。
每个侧表面的反射器元件沿着其设置的所述部分可为侧表面的至多 80％。所述反射器元件可包括小平面的阵列，其被布置成在与从侧表面反射的附加光的光线不同的方向上反射。输入端可具有小平面，附加光源抵靠该小平面设置，该小平面面向反射器元件。
有利地，可以提供单个光条，从而降低组装的复杂性以及成本。可以减少与侧面相邻的区域中的另外的热点。
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包括多个光提取特征和位于光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被取向成在允许作为输出光穿过第一引导表面离开的方向上导向沿着波导引导的光，该中间区域被布置成沿着波导引导光。第二引导表面可具有阶梯式形状，其中所述光提取特征是中间区域之间的小平面。光提取特征在波导的横向方向上可具有正光焦度。反射端可以是包括交替的反射小平面和拔模小平面的菲涅耳反射器，该反射小平面可提供具有正光焦度的菲涅耳反射器。
有利地，提供的附加光源的数量可被最小化，从而降低成本和复杂性。
根据本公开的第六方面，定向显示装置可包括根据第五方面的定向背光源；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输出光并对其进行调制以显示图像。
根据本公开的第七方面，定向显示设备可包括根据第六方面的所述定向显示装置以及被布置成控制光源的控制系统。有利地，可形成光学窗的阵列，以提供光学输出的可控方向性。光学窗可被布置成提供可在(i)与常规非成像背光源具有类似的空间和角度均匀性的宽视角模式，(ii)自动立体 3D模式，(iii)防窥模式，(iv)双视图模式，(v)节电模式，和(vi)户外操作的高效高亮度模式之间切换的操作模式。
控制系统可被布置成控制被选择为将输出光导向到期望的光学窗中的输入光源，并且可进一步被布置成控制被选择为提供附加光的至少一个附加光源，该附加光沿与期望的光学窗相同的输出方向从定向背光源输出。当选择的输入光源的偏离输入光表面的阵列的中心时，控制系统可被布置成控制至少一个附加光源，该至少一个附加光源在定向背光源的与选择的输入光源相对的侧上。
有利地，未被至少第一光源照射的照明空隙可被第二光源照射，从而实现增加的照明均匀性，同时实现定向观察。
根据本公开的第八方面，提供了定向波导，其包括：输入端，用于跨输入端在横向方向上的不同输入位置处接收输入光；用于沿着波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面；以及用于沿着波导将输入光反射回的反射端，其中第二引导表面被布置成将从反射端反射的光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且波导被布置成在输出方向上将输出光导向到相应光学窗中，该光学窗根据输入光的位置而分布在横向方向上；并且还包括光阻挡层，该光阻挡层被设置在邻近输入端的相对的第一引导表面和第二引导表面中的至少一个引导表面上，并且被布置成吸收入射在其上的光。
所述光阻挡层可被设置在邻近输入端的相对的第一引导表面和第二引导表面中的每个引导表面上。光阻挡层可包括附接到相对的第一引导表面和第二引导表面中的所述至少一个引导表面的带。光阻挡层可包括相对的第一引导表面和第二引导表面中的所述至少一个引导表面上的涂料。定向波导可安装到安装元件，在该情况下，光阻挡层可设置在安装元件上。光阻挡层可沿着输入端的整个范围延伸。
根据本公开的第九方面，定向显示装置可包括根据第八方面的定向背光源；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输出光并对其进行调制以显示图像，光阻挡层被布置在空间光调制器的区域的外部。
有利地，靠近波导的输入的杂散光可以减少。可以减少输入侧处的进一步反射，使得对于包括自动立体3D和防窥显示器的离轴观察者的定向显示装置的操作模式改善了串扰。
本公开的方面中的任一个可以任何组合应用。
本文的实施方案可提供自动立体显示器，该自动立体显示器提供可允许定向观察和常规2D兼容性的广角观察。广角观察模式可用于观察者跟踪自动立体3D显示器、观察者跟踪2D显示器(例如用于防窥或节能应用)、用于宽视角2D显示器或用于宽视角立体3D显示器。此外，实施方案可提供受控照明器以便得到高效的自动立体显示器。此类部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，实施方案可涉及定向背光源设备以及可结合该定向背光源设备的定向显示器。此类设备可用于自动立体显示器，防窥显示器，多用户显示器以及可实现例如节电操作和/或亮度操作的其他定向显示器应用。
本文的实施方案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，本发明的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学部件。此类部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。此外，实施方案可提供受控照明器以便得到高效的自动立体显示器。
本公开的实施方案可用于各种光学系统中。实施方案可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学部件、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，本公开的方面可以几乎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，本公开的实施方案可用于光学系统、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方案之前，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方案。此外，可以不同的组合和布置来阐述本公开的各个方面，以限定实施方案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，其中主要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公开的全文后，本公开的这些和其他优点以及特征将变得显而易见。
附图说明
实施方案通过示例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并且其中：
图1A是根据本公开的示意图，其示出了定向显示装置的一个实施方案中的光传播的正视图；
图1B是根据本公开的示意图，其示出了图1A的定向显示装置的一个实施方案中的光传播的侧视图；
图2A是根据本公开的示意图，其以定向显示装置的另一个实施方案中的光传播的顶视图示出；
图2B是根据本公开的示意图，其以图2A的定向显示装置的正视图示出了光传播；
图2C是根据本公开的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传播；
图3是根据本公开的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；
图4A是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括弯曲光提取特征的定向显示装置中观察窗的生成；
图4B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括弯曲光提取特征的定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗的生成；
图5是根据本公开的示意图，其示出了包括线性光提取特征的定向显示装置中第一观察窗的生成；
图6A是根据本公开的示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用定向显示装置中第一观察窗的生成的一个实施方案；
图6B是根据本公开的示意图，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方案；
图6C是根据本公开的示意图，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方案；
图7是根据本公开的示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置；
图8是根据本公开的示意图，其示出了多观察者定向显示装置；
图9是根据本公开的示意图，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11是根据本公开的示意图，其示出了包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备；
图12是根据本公开的示意图，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13是根据本公开的示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导，该阶梯式成像波导包括连续弯曲的镜端和矩形镜以及输入端；
图14是根据本公开的轮廓图，其示出亮度随着图13的波导布置的横向位置的变化；
图15是根据本公开的示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导，该阶梯式成像波导包括菲涅耳反射器端以及矩形镜和输入端；
图16是根据本公开的示意图，其以正视图示出在菲涅耳反射器的小平面处的反射效率；
图17A是根据本公开的轮廓图，其示出菲涅耳反射器反射效率随着图 15的波导布置的横向位置的变化，该波导布置包括基本上矩形的输入孔形状；
图17B是根据本公开的轮廓图，其示出亮度随着图15的波导布置的横向位置的变化；
图18A和图18B是根据本公开的示意图，其示出具有不同效率的阶梯式成像波导；
图19是根据本公开的示出轮廓图的示意图，其中(a)输入端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度与(b)反射端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度之间的比率具有跨横向方向的轮廓，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴处最大，并且朝向光轴的每个侧减小；
图20是根据本公开的示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导，该阶梯式成像波导包括直线性菲涅耳反射器端和可变高度输入端；
图21是根据本公开的轮廓图，其示出亮度随着图20的波导布置的横向位置的变化；
图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29、图30和图 31是根据本公开的示意图，其示出具有输入和镜孔形状的不同组合的阶梯式成像波导；
图32是根据本公开的示意图，其以正视图示出定向波导中照明空隙不均匀性的来源；
图33是根据本公开的示意图，其以正视图示出定向波导中照明空隙不均匀性的校正；
图34是根据本公开的示意图，其以透视图示出定向波导中照明空隙不均匀性的校正；
图35是根据本公开的示意图，其示出被布置成提供定向波导中空隙不均匀性的校正的控制方法；
图36A和图36B是根据本公开的示意图，其以正视图示出被布置成实现空隙A填充的LED的布置；
图37A、图37B、图37C和图37D是根据本公开的示意图，其以正视图示出使用平面输入表面的成像波导的照明；
图38A和图38B是根据本公开的示意图，其以正视图示出输入孔横截面的布置，其包括被布置成实现宽角度范围的空隙B填充的平面和结构化表面；
图39A是根据本公开的示意图，其以正视图示出被布置成提供空隙的离轴照明的定向波导和光源的阵列；
图39B和图39C是根据本公开的示意图，其以正视图示出分别被布置成对于平面和结构化反射器提供空隙的离轴照明的定向波导和光源的阵列的一个输入拐角；
图40和图41是根据本公开的示意图，其以正视图示出被布置成提供结构化照明的输入侧微结构的布置；
图42是根据本公开的示意性轮廓图，其示出用于平面输入小平面和朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓；
图43是根据本公开的示意性轮廓图，其示出用于类似于图41所示的结构化输入小平面和朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓；
图44是根据本公开的示意性轮廓图，其示出用于类似于图41所示的倾斜结构化输入小平面和朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓；
图45是根据本公开的示意图，其示出通过对于相邻LED的LED控制来控制亮度均匀性；
图46A和图46B是根据本公开的示意性轮廓图，其示出通过对于相邻 LED的LED控制来控制亮度均匀性；
图47是根据本公开的示意图，其示出使用部分反射的输入侧的均匀性控制；
图48是根据本公开的示意图，其示出使用部分反射的输入侧和侧LED 的均匀性控制；
图49A是根据本公开的示意图，其示出定向波导的侧视图，该定向波导包括具有45°小平面角以及竖直输入小平面角的提取小平面；
图49B是根据本公开的示意图，其示出定向波导的侧视图，该定向波导包括具有大于45°的小平面角和竖直输入小平面角的提取小平面；
图49C是根据本公开的示意图，其示出定向波导的侧视图，该定向波导包括具有大于45°的小平面角和倾斜输入小平面角的提取小平面；
图50A、图50B、图50C、图50D和图50E是根据本公开的示意图，其示出用以实现亮度均匀性的校正的LED连接的布置；
图51A是根据本公开的示意图，其以侧视图示出跨包括黑带的波导的上侧和下侧布置的光阻挡层；
图51B是根据本公开的示意图，其以侧视图示出跨波导的上侧和下侧布置的光阻挡层，该波导在下表面上包括黑带并且在上表面上包括涂料；
图51C是根据本公开的示意图，其以侧视图示出跨波导的上侧和下侧布置的光阻挡层，该波导在上表面和下表面上包括吸收涂料；
图51D是根据本公开的示意图，其以侧视图示出跨包括透射粘合剂和吸收层的波导的上侧布置的光阻挡层；
图51E是根据本公开的示意图，其以侧视图示出跨包括透射粘合剂和吸收层的波导的下侧布置的光阻挡层，该光阻挡层形成发光元件的印刷电路的一部分；
图51F是根据本公开的示意图，其以顶视图示出布置成靠近波导的输入的光阻挡层；
图52和图53是根据本公开的示意图，其示出被布置成改善从波导的边缘的区域中的散射逸出的光的均匀性的另外光阻挡层；
图54A是根据本公开的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗发光强度与观察位置的另外的轮廓图；
图54B是根据本公开的示意图，其示出了用以补偿光源退化的光源的阵列的光通量分布的轮廓图；
图55A是根据本公开的示意图，其以侧视图示出被布置成提供现场 LED阵列校准的显示器和集成相机；
图55B和图55C是根据本公开的示意图，其以正视图示出被布置成提供现场LED校准的波导和键盘安装的检测器；
图56是根据本公开的示意图，其示出了定向背光源设备的控制系统和正视图；
图57A是根据本公开的示意图，其示出了在具有发光强度缺陷的波导的窗平面中的光学窗发光强度与观察位置的另外的轮廓图；
图57B是根据本公开的示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度与观察位置的轮廓图，进一步示出图57A的缺陷的校正；
图58A是根据本公开的示意图，其示出标称LED输出与时间的轮廓图；
图58B是根据本公开的示意图，其示出LED老化的补偿的流程图；
图59A是根据本公开的示意图，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59B是根据本公开的示意图，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59C是根据本公开的示意图，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59D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59B至图59C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；并且
图59E是根据本公开的示意图，其以透视图示出包括定向背光源的定向显示装置的结构，该定向背光源包括布置有空间光调制器的侧光源。
具体实施方式
时间多路复用自动立体显示器可通过以下方法有利地改善自动立体显示器的空间分辨率：在第一时隙中将来自空间光调制器的所有像素的光引导至第一观察窗，并且在第二时隙中将来自所有像素的光引导至第二观察窗。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来实现定向照明，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的阵列。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来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部件。
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性。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13/300,293(美国专利公布2012/0127573)(全文以引用方式并入本文)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公开中所讨论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，根据本公开，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个轴线上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个轴线上基本上形成为图像。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，
Figure BDA0001476285810000151
et al,Backlight Unit with Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)(
Figure BDA0001476285810000153
Figure BDA0001476285810000152
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中，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，例如以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自3M的BEFTM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，诸如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。在本公开中，光学阀不同于空间光调制器(即便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示例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特征而被提取，并导向至观察窗，如美国专利申请序列号 13/300,293(美国专利公布2012/0127573)中所述，该申请全文以引用方式并入本文。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀中的至少一个。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；以及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传播到反射侧并且可在基本上无损耗的情况下透射。光可在反射侧处反射并且在与第一方向基本上相反的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取特征上，该光提取特征能够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到窗平面。此类显示器可使用光提取特征的阵列，该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。
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7,528,893；微软公司(Microsoft)的例如美国专利 7,970,246，其在本文可称为“wedge type directional backlight”(楔型定向背光源)；RealID的例如美国专利申请13/300,293(美国专利公布 2012/0127573)，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。
本公开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，该阶梯式波导可包括第一侧和第一组特征。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和第一组表面的入射角，因此在这些内面处不能达到介质的临界角。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方案中的光传播的正视图的示意图，并且图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15n(其中n是大于1的整数)。在一个示例中，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至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以侧视图示出xz平面，并且包括照明器阵列15。SLM 48、提取特征12、引导特征 10和阶梯式波导1如图所示布置。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。照明器元件15a至15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置处。
波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面用于沿波导1来回引导光在输入端2与反射端4之间延伸。第二引导表面具有面向反射端4的多个光提取特征12，并且被布置为跨越不同方向上的输入端从不同输入位置穿过第一引导表面反射穿过定向波导1从反射端引导回的光的至少一些，所述不同方向取决于输入位置。
在此示例中，光提取特征12是反射小平面，但可使用其他反射特征。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引导光，而不提取光。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横向延伸至那些区域，使得第二引导表面具有阶梯式形状，该阶梯式形状可包括光提取特征12和中间区域。光提取特征12被取向成使来自光源的光在从反射端4反射后反射穿过第一引导表面。
光提取特征12被布置成将来自跨输入端在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中的每个在输出方向上将光导向到各自的光学窗中，所述光学窗根据输入位置而分布在横向方向上。对于输出光而言，跨其中分布有输入位置的输入端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方案中保持平行，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至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。
SLM 48跨波导延伸并且调制从其输出的光。虽然SLM 48可为液晶显示器(LCD)，但这仅仅作为示例，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置等，因为该照明器可以反射方式工作。在此示例中，SLM 48跨波导的第一引导表面设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。
可提供一维观察窗的阵列的定向显示装置的操作在图1A中以正视图示出，其侧轮廓在图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4后可即刻基本上或完全填充弯曲端侧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。连接阶梯式波导1的底侧的引导特征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。在具有约 45度倾斜的提取特征12的实施方案中，可大致垂直于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的一些实施方案中，当全内反射(TIR)失效时反射可减少，从而挤压xz角度轮廓并偏离法线。然而，在涂覆有银或金属化的提取特征的其他实施方案中，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方案，在xz平面中，光可大致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至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至15n于是使光能够从整个第一光导向侧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，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方案中，光轴可参照反射端4的拼片形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的线并且与末端4围绕x轴的反射对称轴线重合。在反射表面4为平坦的情况下，光轴可相对于具有
光焦度的其他部件(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的机械轴线重合。在通常在末端4处包括基本上圆柱形反射表面的本发明实施方案中，光学轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直线并且与侧4围绕x轴的反射对称轴线重合。光轴238通常与波导1的机械轴线重合。末端4处的圆柱形反射表面可通常包括球形轮廓以优化同轴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2、反射侧4、可基本上平坦的第一光导向侧6，以及包括引导特征10和光提取特征12的第二光导向侧8。在操作中，来自可例如为可寻址的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4。虽然反射侧4可为镜面并且可反射光，但在一些实施方案中光也可能穿过反射侧4。
继续讨论图3，由反射侧4反射的光线18可进一步通过反射侧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4和提取特征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特征12的反射锥角和输入侧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以正视图示出了在阶梯式波导1中进一步引导来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线。输出光线中的每一者从相应照明器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，在各种实施方案中，波导1的侧22,24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8(光导向侧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8的第二区域 36中的取向。
图4B是以正视图示出光学阀的示意图，该光学阀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40,42。侧4和光提取特征12上的反射端的曲率与来自照明器元件15h 的光线协作地产生与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。
有利的是，图4B中所示的布置可在观察窗26处提供照明器元件15c 的实像，其中反射侧4中的光焦度与可由细长光提取特征12在区域34和 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方案的示意图，该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类似的部件布置(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。
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方案，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方案，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方案。此外，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示意性地示出了照明窗 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31,33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a为大于一的整数。
图7是示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施方案。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 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)可提供对多于一个头部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(作为示例，包括成像定向背光源)的一个实施方案。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和第二观察窗26,44。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，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。本公开的实施方案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(作为示例，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，其被布置成对于跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直的输出提供距空间光调制器标称观察距离处的窗平面106中的观察窗26。竖直漫射体68可被布置成进一步延伸窗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。在一个示例中，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，在一个示例中，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。
另一个楔型定向背光源由美国专利7,660,047大体讨论，该专利全文以引用方式并入本文。楔型定向背光源和光学阀以不同方式处理光束。在楔型波导中，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而离开。相比之下，以一定角度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以朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不会提供跨显示表面的不均匀度。
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显示装置的定向背光源中。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。
图11是示意图，其示出了包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备。控制系统的布置方式和操作现在将被描述并且在必要时加以修改的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个。定向背光源包括波导1和如上所述布置的照明元件15a-15n的阵列15。控制系统被布置成选择性地操作照明元件15a-15n以将光导向到可选择观察窗中。
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配合以在观察平面处实现观察窗。透射空间光调制器48可被布置成接收来自定向背光源的光。在SLM 48上显示的图像可与阵列15的光源的照明同步呈现。
控制系统可包括传感器系统，其被布置成检测观察者相对于显示装置 100的位置。传感器系统包括位置传感器406，诸如被布置成确定观察者 408的位置的相机；以及头部位置测量系统404，该头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。位置传感器406可包括已知的传感器，这些传感器包括具有被布置成检测观察者脸部位置的相机和图像处理单元的那些传感器。位置传感器406还可包括立体传感器，其被布置成相比于单视场相机改善对纵向位置的测量。另选地，位置传感器406可包括对眼睛间距的测量以给出对来自定向显示器拼片的观察窗的相应阵列的要求位置的测量。
控制系统还可包括照明控制器和图像控制器403，这两者均提供有由头部位置测量系统404提供的观察者的检测位置。
照明控制器包括LED控制器402，其被布置成与波导1配合来确定阵列15的哪些光源应被转换来将光导向至观察者408的相应眼睛；以及LED 驱动器400，其被布置成通过驱动线407控制对光源阵列15的光源的操作。照明控制器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403被布置成控制SLM 48以显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器403和照明控制器可按照如下方式操作。图像控制器 403控制SLM 48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像，并且LED 控制器402操作光源15以将光导向进入观察窗中对应于观察者的左眼和右眼的位置，并同步地显示左眼和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。在一个示例中，通过用驱动线410对光源409(其可包括一个或多个LED)的操作可照明单个观察窗，其中其他驱动线并未如别处所述被驱动。
头部位置测量系统404检测观察者相对于显示装置100的位置。LED 控制器402根据头部位置测量系统404所检测到的观察者的位置来选择要操作的光源15，使得光导向进入其中的观察窗处于对应于观察者的左眼和右眼的位置。这样，可实现对应于观察者位置的波导1的输出方向性，使得在第一阶段第一图像可被导向至观察者的右眼，而在第二阶段导向至观察者的左眼。
图12是示意图，其以侧视图示出了包括楔形定向背光源的定向显示装置的结构，该楔形定向背光源包括具有小平面反射镜端1102的楔型波导 1104。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11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，该空间光调制器被进一步布置成提供光学窗。类似于图11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13是示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导，该阶梯式成像波导包括连续弯曲的镜端4以及矩形镜端4和输入端2。光源15照亮定向成像波导(诸如阶梯式波导1)的输入孔。光线200被弯曲镜4反射并且是准直的。被小平面12反射跨过线202的输出光可具有相对于跨波导1的宽度的位置的亮度轮廓。
图14是示出对于图13的波导布置亮度204随着跨波导1的横向位置 206变化的轮廓图。实现了基本上为平坦的轮廓208。有利地，对于光源 15a-n的阵列的中心光源15提供高横向均匀性。
与传统散射波导相比，到镜端4的连续轮廓增加了波导的占用面积，从而增加了边框尺寸。期望减小波导1的边框，同时保持轮廓208的横向均匀性。
在本实施方案中，跨线202的均匀性轮廓208表示跨波导1的空间均匀性。这与跨光学窗的阵列的角度均匀性是分开的。期望的是，将背光源布置成提供高的空间均匀性，通常跨显示区域大于70％。然而，相同的背光源可在广角模式中提供角度均匀性，其跨+/-45度角度范围内可大于 20％。在防窥、3D、高效率和户外操作模式下，角度均匀性跨+/-45度可大于2％。空间均匀性和角度均匀性是不同的特性。本实施方案被布置成以可控角度均匀性在横向方向上为定向背光源提供期望的空间均匀性。
图15是示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导 1，该阶梯式成像波导包括菲涅耳反射器端4以及矩形镜端4和输入端2。菲涅耳反射器具有光轴199。菲涅耳反射器可包括被布置成实现对光线200 和斜面222的准直功能的小平面220。在从弯曲小平面12反射之后，如本文在别处所述提供光学窗26。
因此定向波导1包括输入端2；用于沿着波导1引导光的相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面6,8；以及面向输入端2的用于沿着波导 1将输入光反射回的反射端4，该第二引导表面8被布置成将反射的输入光偏转穿过第一引导表面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导向到光学窗26中，该光学窗根据输入光的输入位置而分布在横向方向(y轴)上。
图16是以正视图示出在菲涅耳反射器端4的小平面处的光损耗的示意图。反射端4因此是菲涅耳反射器，其包括交替的反射小平面220和拔模小平面222，该反射小平面提供具有正光焦度的菲涅耳反射器。因此可由菲涅耳反射器对源15提供基本上准直的光线200。离轴光束224入射到由斜面222遮蔽的小平面220上。因此，跨小平面220的间距A，设置宽度为a 的反射光束228。反射效率然后可由比率a/A给出。
Figure BDA0001476285810000261
其中θ1是入射角，并且θf是小平面220角。因此，对于中心光源15，效率随着横向位置206降低。
图17A是轮廓图，其示出菲涅耳反射器反射效率212与图15的菲涅耳反射器波导布置的横向位置206的轮廓232，该波导布置包括基本上矩形的输入孔形状。图17B是示出亮度204随着图15的波导1布置的横向位置对应变化的轮廓图。因此，对于中心光源15，由菲涅耳反射器的斜面222对小平面220的遮蔽提供了亮度204随跨线202的位置206的横向滚降。
期望通过菲涅耳反射器实现的小的边框尺寸来实现高横向均匀性。
图18A至图18B是示出具有不同效率的阶梯式成像波导的示意图，在 x方向上成横截面。图18A示出输入侧2高度221为b并且菲涅耳反射器端 4高度223为m的第一横截面，并且图18B示出输入端2高度227为B并且镜端4高度231为M的第二横截面。因此，侧6通常不平行于阶梯式侧 8的元件10。两个横截面的波导1的相对几何效率近似由下式给出：
相对几何效率＝(1-b/m)/(1-B/M) 等式2
高度差可能源自通常不平行于侧6的区域10。另外的高度差225由阶梯式波导的阶梯12提供。期望的是，阶梯高度可为至少0.5微米，优选地为至少1.0微米，并且更优选地为至少1.5微米，以在波导1的加工和模制期间使小平面圆角最小化。为了使莫尔可见度最小化，小平面12的间距可以期望地小于500微米，更优选地小于350微米，并且最优选地小于200 微米。因此，光差225的范围可通过光导的制造和图像外观特性来确定。
期望控制横向几何效率以补偿图17A所示的菲涅耳反射器效率滚降。
图19是示出轮廓图的示意图，其中(a)第一引导表面和第二引导表面6, 8之间的输入端2的高度与(b)第一引导表面和第二引导表面6,8之间的反射端4的高度之间的比率205具有跨横向方向的轮廓211，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴199处最大，并且朝向光轴199的每个侧减小。
图20是示意图，其以顶视图、正视图和底视图示出了阶梯式成像波导，该阶梯式成像波导包括直线性菲涅耳反射器端和可变高度输入端。在示例性实施方案中，在x方向上高度为180mm并且在z方向上宽度为 300mm的波导可包括均匀高度223为1.5mm的镜端。输入孔可具有随横向位置的厚度变化t(y)，其由下式给出：
t(y)＝t0δ*y2 等式3
其中t0是与光轴199对准的输入孔的厚度，该厚度可为例如0.7mm，并且δ是变化参数，该变化参数可为例如0.000008mm-1。第一引导表面和第二引导表面6,8之间的输入端2的高度因此具有轮廓，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴199处最高，并且朝向光轴199的每个侧减小。
图21是示出均匀性随着图20的波导布置的横向位置的变化的轮廓图。输入端2的高度的所述轮廓t(y)因此补偿由菲涅耳反射器进行的光的反射的效率212随着横向位置206的减小。通过比较，示出了轮廓209，峰值亮度分别取决于图15和图20的两种布置的相对中心效率。
有利地，来自波导1的输出可设置有基本上均匀的轮廓208，同时保持菲涅耳反射器端4的小的占用面积。
图22至图25是示出随着横向位置具有改变的输入孔高度的阶梯式成像波导的示意图。在图24中，在第一引导表面6处的输入端2的边缘是弯曲的，例如凸形(在引导件周围的空气中为凹形)，并且在第二引导表面8 处的输入端的边缘是直的以提供所述轮廓t(y)。在图22至图23中，第一引导表面6处的输入端2的边缘是直的，并且第二引导表面8处的输入端2的边缘是弯曲的以提供所述轮廓t(y)。在图25中，第一引导表面6处以及第二引导表面8处的输入端2的边缘各自为弯曲的以提供所述轮廓t(y)。
在上述实施方案中，第一引导表面和第二引导表面6,8之间的反射端 4的高度在横向方向上具有可为平坦的轮廓。
第一引导表面6被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面 8包括多个光提取结构特征12以及位于光提取结构特征12之间的中间区域 10，所述多个光提取结构特征被取向成在允许作为输出光穿过第一引导表面6离开的方向上导向沿着波导1引导的光，该中间区域被布置成沿着波导1引导光。第二引导表面8具有阶梯式形状，其中所述光提取特征是中间区域10之间的小平面12。
光提取特征12在横向方向(y轴)上可具有正光焦度。
定向波导1可被布置成其中第一引导表面和第二引导表面6,8之间的输入端2的高度跨横向方向具有为平坦的轮廓205。第一引导表面和第二引导表面6,8之间的反射端2的高度可具有跨横向方向上的轮廓205，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴199处最低，并且朝向光轴199的每个侧增加。
定向背光源可包括定向波导1，该定向波导被布置成实现阵列15的中心光源的小占用面积和高横向均匀性，如本文所述；以及布置在跨波导1 的输入端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中的输入光源15a-n的阵列15。如图10所示，定向显示装置包括：定向背光源；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输出光并对其进行调制以显示图像。如图11所示，定向显示设备包括定向显示装置；以及被布置成控制光源的控制系统。
在制造中还可能期望调整反射端的形状以增加产率和/或装置均匀性。
图26至图31是示出具有输入和菲涅耳反射器孔形状的不同组合的阶梯式成像波导的示意图。从等式2可以看出，如果菲涅耳反射器高度在末端4的中心较低，则相对效率也增加。因此第一引导表面和第二引导表面6, 8之间的反射端4的高度可具有轮廓，该轮廓在菲涅耳反射器的光轴199处最低，并且朝向光轴的每个侧增加。反射端4的高度的所述轮廓补偿由菲涅耳反射器进行的光的反射的效率212随着横向位置206的减小。在图26 中，第一引导表面处的反射端的边缘是直的，并且第二引导表面8处的输入端的边缘是凸形的以提供所述轮廓。在图27中，第一引导表面6处的反射端4的边缘是凸形的，并且第二引导表面8处的反射端的边缘是直的以提供所述轮廓。在图28中，第一引导表面6处以及第二引导表面8处的反射端4的边缘各自为凸形的以提供所述轮廓。在图26至图28中，第一引导表面和第二引导表面之间的输入端2的高度跨横向方向具有为平坦的轮廓。有利地，可以减少单个表面的高度变化，从而增加制造产率。
如图29至图31所示，第一引导表面和第二引导表面6,8之间的输入端2的高度跨横向方向具有为平坦或弯曲的轮廓，并且第一引导表面和第二引导表面之间的反射端4的高度跨横向方向具有平坦或凸形的轮廓。总之，该轮廓可补偿由菲涅耳反射器进行的光的反射的效率的随着横向位置减小。因此，与图20相比，更一般地，所述比率205补偿由菲涅耳反射器进行的光的反射的效率的随着横向位置206减小。有利地，加工效率、制造产率和装置模制均匀性可以改善。
图32是以正视图示出了定向波导中照明空隙不均匀性的来源的示意图。如上所述，对于阵列15的同轴光源，靠近菲涅耳反射器的光轴199的那些，可通过补偿菲涅耳镜效率滚降来控制均匀性。对于离轴源，随后提供了额外的空隙区域。空隙A 300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301将空隙A与主照明区域分隔开。空隙B 302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303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33至图35是以正视图示出定向波导中照明空隙不均匀性的校正的示意图。如将要描述的，在图33中，可通过布置在波导1的左侧22上的光源阵列17来补偿例如由光轴199的右侧上的输入光源15e提供的空隙 A。可通过输入端的结构的修改来补偿空隙B。因此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还包括用于沿着波导1相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面6,8引导光，在第一引导表面和第二引导表面6,8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用于沿着波导1将输入光反射回，第二引导表面8被布置成使反射的输入光偏转穿过第一引导表面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导向到光学窗26a-n中，该光学窗根据输入光的输入位置而分布在横向方向上；以及附加光源17a-n，该附加光源被布置成在一方向上将附加光导向到波导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的与相对侧表面24相邻的区段中，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19a-n可被布置成在一方向上通过侧表面24中的一个将附加光导向到波导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的与相对侧表面22相邻的区段中，该区段从反射表面4和侧表面22之间的拐角延伸。
线301,303之间的区域305由光源15照亮。有利地，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A 300。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。
如图34所示，光源15e可被布置成从波导1的区域305提供光学窗 26e。当从光学窗26e的位置观察时，光源15e可被布置到光轴199的右侧。另外的光源17e可被布置成从波导1的空隙A区域300基本上照亮光学窗26e。当从前方观察时，空隙校正光源17e在光轴199的左侧。在实践中，光学像差将从不相同但相似的源15a-n和源17a-n产生光学窗26a-n的重叠。多个源的照明提供具有期望的角度和空间均匀特性的最终均匀的照明波导。
图35是示意图，其示出被布置成提供定向波导中空隙不均匀性的校正的控制方法。由步骤890,892,894,896,897,898说明的控制系统被布置成控制被选择为将输出光导向到期望的光学窗26a-n中的输入光源15e，并且进一步被布置成控制被选择为提供附加光的至少一个附加光源17a-n、19a- n(或815a-n，如将参考下图39A所述)，该附加光沿与期望的光学窗26a- n相同的输出方向从定向背光源输出。因此，当选择的输入光源偏离输入光表面的阵列的中心时，控制系统被布置成控制至少一个附加光源，该至少一个附加光源在定向背光源的与选择的输入光源相对的侧上。控制系统可用于确定各种操作模式(诸如广角、防窥、3D和节电)下的LED通量控制的查找表。控制系统还可包括如本文在别处例如图45所述的LED阵列电流控制设备。
期望通过使波导1的侧22,24上的光源17,19的数量最小化来降低成本和复杂性。
图36A至图36B是以正视图示出被布置成实现空隙A填充的LED的布置的示意图，图36B是图36A的拐角的细节。
附加光源17a-n、19a-n可沿着与输入端2相邻的每个侧表面22,24的至少一部分877,879设置，该附加光源17a-n、19a-n被布置成通过侧表面 22,24中的一个将附加光导向到波导1中。
通常期望为光学窗26提供空隙A 300填充，该光学窗在横向方向上离轴高达约46度。在高得多的角度下，可以提供波导1和漫射体元件中的一般漫射和杂散光以实现空隙A300填充和窗26防窥。此类窗方向需要最上面的光源17n以产生与侧24成一定角度θ的光线307，在x-y平面中的波导内该角度可为约30度。在示例性实施方案中，具有16:9纵横比的波导1 可设置有约20度的边缘小平面120小平面角θef。角度θ1由下式给出：
θ1＝θ+2.θef 等式5
为了继续示例性实施方案，θ1可为70度。没有光源17a-n的侧22的区域的相对尺寸可通常被确定为
Δ＝W/(L.tan(θ1)) 等式6
其中W是波导1宽度(在y方向上)，并且L是其高度(在x方向上)，因此对于波导1的16:9布置，Δ＝65％，并且对于波导1从输入侧的高度的 35％需要光源17。当θ＝θc时，则光平行于表面6离开波导。因此，最小Δ为约25％。
因此，每个侧表面的附加光源沿着其设置的所述部分877,879是来自输入端2的侧表面的至少20％，并且优选地是侧表面的至少40％。每个侧表面的附加光源沿着其设置的所述部分877,879是来自输入端2的侧表面的至多80％，并且优选地是侧表面的至多60％。
有利地，可以填充空隙A，并且可以减少光源17,19的数量，从而使成本最小化并且优化均匀性。在操作中，光源17,19被布置成在广角操作中为离轴光学窗提供照明。
有利地，由于与阵列15的同轴LED相比，在高角度下的相对低的照明水平，由此类LED提供的通量可被最小化。
期望提供空隙B 332的填充以便以有效方式优化均匀性。
图37A至图37B是以正视图示出使用平面输入表面的成像波导的照明的示意图。如图37A所示，对于垂直于光轴199的输入表面，空隙B 302 的填充可通过以大于临界角θc的角度将光注入到波导1中来实现。另外，期望地保持对应光学窗的角度亮度轮廓。
图37B示出由空气中的中心光源15进行的反射端4的照明，该光源将光输入到末端2处的平面透射输入表面。因此，提供了也可由极性照明轮廓324表示的锥形320，其可以方便地使16:9纵横比显示器过满。然而，在源15被横向移位时，反射端在一侧上未充满。
图37C示出输入源的布置，其中提供了主要输入小平面326和拔模小平面328。另外，光源15被关联为平行于小平面328。如图37D所示，波导1中的所得输出可被布置成使末端4处的菲涅耳反射器过满。可相对于横向位置来调整小平面326的倾斜角度325，以便保持锥体322的指向方向以填充菲涅耳反射器。
小平面326,328之间的夹角θ1在跨输入侧2的宽度的位置处可为例如 130度。此类角度方便地将光的回射最小化到波导中，从而使输出的均匀性中的杂散光伪影最小化。
有利地，可相对于光源的位移将光提供到菲涅耳镜的相对端，并且可填充空隙B322，从而增加均匀性。期望控制朝向空隙B 322导向的光的量。
图38至图39是示意图，其以正视图示出输入侧横截面的布置，其包括被布置成实现宽角度范围的照明空隙B填充的平面和结构化表面。
图38A示出输入小平面326可设置有平面(P)表面(其具有由临界角限制的极性轮廓)或结构化(S)表面(其具有可大于临界角的极性轮廓)。P 表面和S表面可与相应的可寻址光源15x和15y对准。在特定方向上的角度轮廓可由表面轮廓控制，因此可提供极性轮廓324,330。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324和330的组合，从而实现沿所述方向的实际光分布的调谐。所述方向的轴线可由P表面或 S表面的斜率325确定。
图38B示出波导1的输入侧2的一半。区域331中的对应于中心LED 的中心小平面可以是平面(P)型，因此实现反射端4的照明的高效率。在外部区域335中，可能期望光的更高的角度分布，使得可以使用S型表面。在中间区域333中，可能期望对照明的一些控制，使得可以提供具有对准的可寻址光源15x、15y的S表面和P表面的交错对，以有利地实现中间光学窗26位置处的均匀性的控制。
有利地，对于在横向方向上的宽范围的光学窗位置，可以控制空隙B 的填充。可以实现来自给定角度方向的角度轮廓均匀性和图像均匀性。
期望提供具有布置在单个光棒中的光源的照明空隙的离轴填充，该光棒被布置成提供同轴照明的主光源。
图39A是示意图，其以正视图示出被布置成提供空隙的离轴照明的光源的阵列。装置还包括沿着分别邻近输入端2的每个侧表面22,24的至少一部分872,874布置的反射器元件822,824。附加光源815a-c在输入光源 15a-n的阵列15的每个侧上沿着波导1的输入端2设置，并且被布置成通过输入端2将诸如由光线821示出的附加光导向到波导1中到反射器元件 822,824上。反射器元件824被布置成朝向反射端4反射附加光线821，使得附加光线821被反射端4反射到相对侧表面22上，并且被相对侧表面22 反射到波导1的与相对侧表面22相邻的区段中，该区段从反射表面4和侧表面22之间的拐角823延伸。
反射器元件824可沿着每个侧表面24的仅仅所述部分874设置，类似地，反射器元件822可沿着每个侧表面22的仅仅所述部分设置。每个侧表面的反射器元件沿着其设置的所述部分872,874是侧表面的至少20％，并且优选地是侧表面的至少40％。每个侧表面22,24的反射器元件822,824 沿着其设置的所述部分872,874是侧表面的至多80％，并且优选地是侧表面的至多60％。
输入端2可具有小平面328，附加光源815a-n抵靠该小平面设置，该小平面326面向反射器元件822,824。
光源815a-c被布置在输入侧2的拔模小平面328上。为了便于说明，外部光源在输入侧的左侧外部区域上未示出，但将存在于两侧上。
在操作中，将来自源815a-c的光穿过小平面328朝向侧24导向。反射器824(诸如来自3M公司的ESRTM)可被布置成邻近侧24以将来自源 815a-c的光朝向反射端4反射。在从末端4反射之后，光可入射在侧22上并被反射以提供如本文在别处所述的照明空隙的填充。另选地，侧22,24 可被金属化。
有利地，光源815a-c可被布置在与源15a-n相同的光棒上，从而降低复杂性和成本。另外，光源17a-n和19a-n可被移除，从而降低复杂性和成本。在来自光源17a-n和19a-n的光的输入区域附近的波导1中的另外的照明热点散射可能减少，从而改善均匀性。
图39B至图39C是示意图，其以正视图示出分别被布置成对于平面和结构化反射器提供空隙的离轴照明的定向波导1和光源815a-c的阵列的一个输入拐角。所述反射器元件822,824可包括小平面的阵列，其被布置成在与从侧表面反射的附加光的光线不同的方向上反射光。
换句话讲，反射器824可包括如图39B中更详细所示的平面表面，或者可以可选地包括微结构(诸如平面小平面825和拔模小平面827)的阵列，如图39C所示。在操作中，光线832在与从平面侧24反射的光线830 不同的方向上从小平面825反射。有利地，可以实现空隙填充的调谐，从而改善均匀性。来自中心LED的另外的光不被导向从高角度可见的空隙，从而在防窥操作模式中有利地减少离轴串扰。
期望减少与阵列的LED的连接的数量，同时保持对跨波导输出的角度均匀性和空间均匀性的控制。
图40至图41是示意图，其以正视图示出被布置成提供结构化照明的输入侧微结构的布置。
如图40所示，方便地，S型表面可由弯曲表面提供，该弯曲表面可以是半径260通常为30微米或更小的凸形结构以及半径小于5微米的尖端 262。此类结构方便地实现了如下文将描述的蝙蝠翼型轮廓。可以通过在加工步骤期间调整半径260的放置间距来控制来自阵列15的光源(未示出) 的输入光的透射角度轮廓。从侧4反射之后入射在输入侧2上的另外的返回光可具有可以通过调整在加工步骤期间可实现的半径260的放置的间距 259来控制的反射率。有利地，横向均匀性、防窥级别和可视图像条纹可通过调整所述间距259来控制。
在防窥操作中，返回到输入侧2的光线264可能不期望地在高角度光学窗处提供不需要的照明。图41示出可以是凹形的弯曲表面，其为光线 264提供不同的回射特性。
期望使用交错的P型和S型结构来匹配菲涅耳反射器的近拐角和远拐角的轮廓，如上所述。
图42是示意性轮廓图，其示出用于平面输入P型小平面和朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓274，相当于图38A中的极性轮廓 324。图43是示意性轮廓图，其示出用于类似于图41所示的结构化S型输入小平面和空气中的朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓 276，从而提供蝙蝠翼型角度轮廓，相当于图38A中的极性轮廓330。由于从离轴光源到拐角的角度是不同的(如θ1和θ2所示)，于是对于具有不同强度的特定光学窗，拐角将被照亮，并且将为特定光学窗位置处的观察者提供空间不均匀性。
图44是示意性轮廓图，其示出用于类似于图41所示的倾斜结构化输入小平面和朗伯光源的塑料中的光输入的角度亮度分布轮廓。轮廓276可在输入处通过LED旋转而平移，如图38A所示以及在图44中图示地描述。
图45是示出通过对于相邻LED的LED控制来控制亮度均匀性的示意图。因此，光通量为I1和I2的相邻LED可由照明均匀性控制器281来控制。
图46A至图46B是示意性轮廓图，其示出通过对于相邻LED的LED 控制来控制亮度均匀性，图46A示出不平衡布置，而图46B示出平衡布置。可通过调整提供不同角度输出的相邻LED的相对强度来实现平衡。
期望减少输入侧2上的光源的数量，以降低背光源单元的成本和物理尺寸，同时通过空隙填充保持期望的均匀性。
图47是示出使用部分反射的输入侧的均匀性控制的示意图。光源阵列 15a-n可被布置在第一区域905中，而输入侧2可在区域900中反射。侧22, 24的另外部分901可以是反射的。因此，入射到输入侧2上的光线902被反射区域900反射，该反射区域具有被布置成部分地照亮侧区域901并且重新反射到镜端4的轮廓。可以提供光线906，其填充离轴位置的空隙，并且有利地提供均匀的照明以降低成本和复杂性。
图48是示出使用部分反射的输入侧和侧LED的均匀性控制的示意图。可使用反射输入侧2和侧安装的光源阵列17a-n、19a-n的组合在空隙区域中实现增加的照明输出。有利地，与图47的实施方案相比，可以实现改善的均匀性控制。
输入小平面326,328提供输入光的角度重定向以增加高横向均匀性。在热循环期间，波导1的尺寸可改变，因此光源15a-n可以在x和y方向上相对于波导1在相对位置中改变，从而降低效率并产生热点。期望减少由于热循环引起的均匀性的劣化，同时对于输入侧2上的离轴位置保持横向均匀性并且使防窥操作中光的反射最小化。
图49A是示出定向波导的侧视图的示意图，该定向波导包括具有45°小平面角以及竖直输入小平面角的提取小平面，并且图49B是示出定向波导的侧视图的示意图，该定向波导包括具有大于45°的小平面角和竖直输入小平面角的提取小平面。输入侧2基本上垂直于侧6,8。光源15将包括具有锥体1652的中心光束的光线1650导向到波导1中。在从反射端4反射之后，光线1651可利用锥角1652以45°的角度1654由小平面12提取。波导 1的x-z平面中的漫射锥角1653可由锥角1652、小平面12的轮廓和小平面 12的倾斜角1654确定。如2014年2月21日提交的名称为“Directional backlight(定向背光源)”并且全文以引用方式并入本文的美国专利申请 14/186,862(美国专利公布2014/0240828，代理人参考号95194936.35501) 所述，小平面12的倾斜角1654可与棱镜后反射器(未示出)的倾斜角配合。
在操作中，角度1654可为例如55°，以与后反射器(未示出)的角度最佳配合。因此，可以相对于表面法线方向降低亮度，并且锥体1657可被导向远离表面法线方向，从而降低在法线方向上的亮度。
可能期望增加法线方向角中的总竖直漫射角度和亮度，即光锥1653的宽度和分布。
图49C是示出定向波导的侧视图的示意图，该定向波导包括具有大于 45°的小平面角和倾斜输入小平面角的提取小平面。输入侧2可以角度1660 倾斜到侧6。在操作中，光线1650和锥体1662倾斜到中心光束方向(图 49A中的光线1650)。在从侧6和区域10反射之后，提供了椎体1662, 1664，从而增加波导1中的光锥的尺寸。因此，小平面12可具有大于45°的角度1655。因此，在空气中传播的锥体具有增加的尺寸，并且与表面垂直的亮度增加。另外，后反射器可被布置成在x-z平面中提供互补的反射。有利地，在与横向方向正交的方向上的均匀性增加，并且与输出侧6垂直的亮度增加。
图50A是示意图，其以正视图示出用于与图38B的被布置成实现空隙 B填充的波导输入协作的LED的布置。光源阵列15,19连接的电极251的装置可由布置成多个组的LED提供，所述组包括区域331中的对250a- 250c，区域333中的对250d-250g，以及区域335中的对250h-250l。类似地，光源阵列19可包括布置成对252a-252d的LED19-19n，其从输入侧延伸波导1的高度的约1/3。
LED 15a-n和19a-n的分离可有利地是不均匀的。背光源中元件的漫射特性可以是角度相关的，因此在较高的角度输入位置处可以提供较高的分离。另外，可期望地在波导1的中心区域中每毫米设置更高的流明。
有利地，可以降低控制系统的LED的数量和可寻址信道的数量，从而降低成本，同时保持角度和空间均匀性性能。
图50B是示出用以实现亮度均匀性的校正的LED连接的布置的示意图，图50B示出类似于图50A的布置，其中使用具有成对布置的LED的 32个连接示出了64个LED的完整阵列。有利地，与单独的LED控制相比，连接数量减少。
图50C是示出用以进一步减少连接的数量的LED连接的布置的示意图。通过提供4个LED的匹配对称串，此类布置利用波导1的横向对称性。
有利地，此类布置将连接地数量从64减少到16，从而有利地减小了控制电路的尺寸和成本。
从菲涅耳反射器反射后从LED元件反射的波导中的光可以不期望地增加杂散光的水平并降低显示器的杂散光性能。期望在防窥操作模式中减少杂散光水平。
图50D是示出用以进一步减少连接数量的LED连接的布置的示意图。在阵列15'a-n中，第一组241可以包括双管芯LED，即包括两个单独的氮化镓发射管芯的LED。而组243可包括单管芯LED。因此，每个输入的寻址电压对于第一组和第二组241,243是相同的，但是总的连接数量减少。另外，阵列边缘处的光输出，例如组243中的光输出通常比组241更均匀而且光通量更低。有利地，可以在减少总的连接数量的同时实现跨阵列的期望的光通量变化。此类布置可以与本文在别处描述的对称设计结合使用。
图50E是示意图，其示出用以通过减少离轴位置中的杂散光的量来进一步改善防窥性能的LED连接和输入表面的另外布置。与图50A相比， LED 291,293,295被移除，从而减少从LED反射所得的杂散光。另外，剩余LED之间的区域中的光学表面可被布置成透射光或将返回光导向到侧22, 24以去除杂散光伪影。通过减少来自输入侧的反射，此类布置有利地改善了防窥性能。
空间不均匀性的另外的来源源自波导1的侧2,4,22,24附近的杂散光散射。另外，波导期望地附接到背光源和空间光调制器48的其余部分以提供机械坚固性。
图51A是示意图，其以侧视图示出布置在包括作为黑带的光阻挡层的波导1的上侧和下侧上的光阻挡层。
如将参考图59A进一步描述的，空间光调制器48可包括输出偏振器 2218，衬底2212,2214和输入偏振器2210。漫射体、偏振旋转元件和/或反射偏振器可被设置在可附接到偏振器2210的光学堆叠2208中。空间光调制器48可具有形成在具有有效区域边界2300的有效区域2302中的像素。
LED 15可被设置在诸如柔性印刷电路板之类的支撑衬底2500上。FPC 2500可具有白色、黑色或其他颜色的上层2502。
定向波导因此可包括用于在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置处接收输入光的输入端2；用于沿着波导1引导输入光2511的相对的第一引导表面和第二引导表面6,8；以及用于沿着波导1将输入光反射回的反射端4，其中第二引导表面8被布置成将从反射端4反射的光偏转穿过第一引导表面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导向到相应光学窗26中，该光学窗根据输入光的位置而横向分布。
在操作中，来自光源阵列15的光源15a的孔2504的杂散光可产生不期望的图像条纹。杂散光可由于例如制造缺陷、分型线、表面质量不足以及光源未对准输入侧2而产生。
从波导1的反射端4反射的光的输入侧2的反射可进一步提供使防窥和自动立体性能退化的不期望的串扰。期望减少光条纹和杂散光。
定向波导还可包括光阻挡层2510，该光阻挡层被设置在邻近输入端2 的相对的第一引导表面和第二引导表面6,8上，并且被布置成吸收入射在其上的光2511。
光阻挡层2510可包括吸收层2509和被布置成在波导1和吸收层2509 之间提供光耦合的粘合剂层2512。吸收层2509可以是例如黑带，使得光阻挡层包括附接到相对的第一引导表面和第二引导表面6,8的带。
光阻挡层2510可在边界2300和输入侧2之间布置在空间光调制器48 的有效区域2302(空间光调制器48的其中布置图像像素的区域2302)的外部。光阻挡层2510可被布置成吸收来自输入侧2的光中的一些，使得一些光能够在没有阻挡的情况下通过。
尽管在该示例中，光阻挡层2510设置在相对的第一引导表面和第二引导表面6,8中的每个上，但是作为替代，光阻挡层2510可设置相对的第一引导表面和第二引导表面6,8中的仅一个上。
定向显示装置可包括定向背光源1,15以及透射式空间光调制器48，该透射式空间光调制器被布置成接收来自波导1的输出光并对其进行调制以显示图像，光阻挡层2510被布置在空间光调制器的有效区域2302的外部。
来自输入侧附近的区域2513的散射可以产生光线2511，该光线可被提取以造成图像条纹2。此类不需要的光可以在吸收层2510中被吸收。有利地，通过吸收层2510可以减小输入附近的光条纹。
可以提供另外的粘合剂层2514以实现波导1和光阻挡层到印刷电路 (诸如柔性印刷电路(FPC)2500)的附接。吸收层2510可进一步提供到 FPC 2500的附接，以改善组装单元的机械稳定性。
所述光阻挡层2510可被设置在邻近输入端2的相对的第一引导表面和第二引导表面6,8中的每个或任一个上。波导1可以附接到偏振器2210以进一步改善机械稳定性。
图51B是以侧视图示出布置在波导的上侧和下侧上的光阻挡层的示意图，该波导在下侧上包括黑带并且在上侧上包括涂料层700。光阻挡层因此包括：吸收层2509和类似于图51A的在第一引导表面8上的布置的粘合剂层2512；以及第一引导表面6上的涂料700。此类涂料700可以是粘结剂材料中的涂覆材料，诸如染料或颜料，其包括可通过例如印刷或涂覆形成在波导1的一个或两个表面6,8上的油墨。
有利地，单元的组装可能比图51A的实施方案更不复杂，从而提高了产率并降低了组装成本。
除了直接从输入端减少杂散光之外，本实施方案还减少了可能被光源 15或输入侧2进一步反射的反射端4的多余光线2517。此类光线2517提供可使自动立体和防窥操作模式退化的不期望的串扰和条纹伪影。此类多余光可在光阻挡层2510中被部分地吸收。此类光沿向前和向后的方向(+x和 -x方向)入射到光阻挡层2510上，并且因此与来自观察光阻挡层2510的侧2的直接注入一次的光相比，可入射到光阻挡层2510上两次。因此，与直接输入的输入光相比，串扰优先减少。
有利地，可以减少串扰，并且对于防窥模式实现了改善的离轴图像质量，并且对于自动立体模式减少了左右眼串扰。
图51C是以侧视图示出布置在波导的上侧和下侧上的光阻挡层的示意图，该波导在上表面和下表面上包括吸收涂料。涂料层700,702的宽度可以不同以控制被阻挡的光量。
图51D是以侧视图示出布置在波导的上侧上的光阻挡层的示意图，该光阻挡层在第一引导表面6上，并且包括透射粘合剂710和可吸收的安装元件。因此，定向波导1可被安装到安装元件706上，光阻挡层2510设置在安装元件706上并且通过粘合剂710光学耦合到表面6。有利地，与黑带或黑色粘合剂相比，可以使用更多种类的粘合剂，从而降低成本和复杂性。随着黑带的厚度被移除，可以减小进一步的厚度。
图51E是示意图，其以侧视图示出布置在波导的下侧上的光阻挡层，该光阻挡层在第二引导表面8上，并且包括透射粘合剂和吸收层，其形成发光元件的印刷电路的一部分。有利地，除了减少的杂散光之外，FPC 2500可附接到波导1，从而改善FPC 2500和光源阵列15的LED与波导1 的机械对准，并减少光损耗。因此，在该布置中，FPC 2500是波导1安装到其的安装元件，类似于图51E。
图51F是以顶视图示出布置为靠近波导44的输入的光阻挡层的示意图。光阻挡层2510可采取上文参考图51A至图51E所述的形式中的任一种，并且沿着输入端2的整个范围延伸。光阻挡层2510可被布置在输入端 2和有效区域边界2300之间。
如果提供了光阻挡层，例如如上文参考图51A至图51F中的任一个所述，则光线511可被吸收而不是在波导1内被引导，并且可能发生光损耗。
黑带2509可以由反射带替换，使得防止杂散光线通过空间光调制器导向到观察者，但光线被导向到波导1中。反射带可为例如来自3M的 ESRTM。
图52示出另外的布置，其中漫射体257和棱镜反射膜255可在末端4 处靠近菲涅耳反射器涂覆有相应的黑色层290。有利地，此类黑色层可基本上与波导1接触而没有实质的光损耗，从而提供高效率的光传播，同时实现从波导1的边缘充分去除杂散光的外观。此类黑色层290可用作光阻挡层，如上所述。
图53示出图51B和图52在输入端处的组合布置。
有利地，杂散光可被控制，同时保持到波导1中的耦合的效率。
期望提供图像均匀性的自动控制以补偿光源劣化机制。
图54A是示意图，其示出了定向波导1的窗平面中的光学窗发光强度 1264与对应于输出方向的角度的观察位置1262的轮廓图，并且图54B是示意图，其示出了用以补偿光源退化的照明器元件的阵列15的光通量1263 分布的轮廓图。照明器元件诸如LED(包括氮化镓蓝光发射器和黄色磷光体)可经历老化，其中按比例缩放的光通量和色度可随使用而变化。具体地讲，与离轴照明器元件相比，同轴照明器元件可更频繁地或以更高的平均电流(以及因此更高的结温度)使用，该离轴照明器元件可在阵列15上提供发光度的不均匀退化。与参考水平1269相比，此类误差可如图所示由来自相应照明器元件的按比例缩放的光通量的分布1279来校正。有利的是，可在整个装置寿命中维持显示器的亮度分布。
2013年5月17日提交的名称为“Controlling light sources of a directionalbacklight(控制定向背光源的光源)”的美国专利申请公布2014/0009508 (代理人参考号95194936.348001)(该申请全文以引用方式并入本文)通常描述了亮度校准设备和方法，其中光电探测器被布置在定向波导1的输入侧2处，例如作为包括阵列15和电连接的光棒的一部分。期望降低光电探测器和控制设备的成本和复杂性。
图55A是以侧视图示出被布置成提供现场LED阵列校准的显示器和集成相机的示意图。波导1可被布置在铰链1420内的显示单元内，该显示单元还包括相机1410。铰链1424可用于连接可以包括键盘、光电探测器 1400和反射区域1423的基座单元1422。相机1410可被布置成从波导1接收光，例如在从区域1423反射之后。
图55B至图55C是以正视图示出被布置成提供现场LED校准的波导和键盘安装的检测器的示意图。图55B示出了光电探测器1400,1402,1406可被布置在基座单元1422的包括键盘1421的下面键的部分或基座单元1422 的其他部分中，使得当笔记本的封盖闭合或基本上闭合时，光可从波导单元接收。光电探测器可与发光键盘控制(在提供的情况下)集成。当笔记本闭合时，图55C示出了检测器1400,1402,1406相对于铰链单元1420中的显示器的波导1的相对位置。有利地，检测器可以测量跨波导的各种不同区域的显示器的输出。空隙A和B可能在其他方面意味着波导的一些部分不会对阵列15中的某些光源照射光电探测器。另外，当封盖不是完全闭合时，环境光传感器1430或相机1410可观察来自键板或反射器1423的反射光。有利地，此类光可用于校准光源阵列15以补偿单个LED的老化或损耗。
图56是示意图，其示出了控制系统和包括如上所述的定向背光源的定向背光源设备的正视图，所述定向背光源包括波导1和照明器元件的阵列 15。定向背光源设备包括控制系统，如上所述，该控制系统实施控制照明器元件15n如下进行驱动信号的校准的方法。
来自照明器元件1216的光线1210被导向到反射端4，发生反射并且朝向输入端2导回。来自光源1216的光中的一些将通过光提取结构特征12 来提取，而一些光将入射于输入端2的至少一部分上。可以包括1400,1402 的传感器元件可如上所述地布置。
可将来自传感器1400,1402的测得信号传递到照明控制器1274，该照明控制器使用照明器元件驱动器1233驱动阵列15的照明器元件，该照明器元件驱动器可为电流驱动器，其对驱动线路1244具有灰度控制，以向照明器元件的阵列提供驱动信号。照明控制器1274响应于表示所感测到的光的测得信号来如下校准提供至15n的驱动信号。
阵列光通量分布控制器1224可包括例如来自屏幕前测量的所存储的参考灰度分布1230，其可在制造时提供。这使得控制系统能够输出具有跨越光源的阵列的预定分布的按比例缩放的光通量，例如以如上所述改变按比例缩放的光通量。
来自传感器1400,1402的数据可被提供至例如校准测量系统1222，该校准测量系统可向光通量分布控制器1224内的查找表4226提供数据。可由选择控制器1228提供对发光强度分布的另外的选择(例如，以在发光强度分布1266,1272,1274,1276,1294之间进行选择)。选择控制器可具有用户输入或通过显示器观察条件的感测来确定的自动输入。例如，观察者数目、室内亮度、显示器取向、图像质量设置和/或功率节省模式设置可用于改变所选择的分布。
在装置制造中，可将传感器1400,1402响应于阵列15的每个光源的输出与来自放置在显示器的窗平面中的相机或检测器的信号进行比较。这实现了内部传感器相对于窗平面中的光的初始校准或定位。此类校准可存储在查找表或类似装置中。
在校准模式的操作中，阵列15的单个照明器元件被照明，并且传感器 1400,1402可测量所述照明器元件的信号。熄灭所述照明器元件，操作所述阵列的下一个光源并进行测量。将测量的阵列的输出与工厂校准进行比较，使得可内插用于给定光通量分布的输出发光强度。接着由控制器1224 和照明器元件控制器1233导出用于所需发光强度分布的适当光通量分布，该照明器元件控制器被适当地配置为实现期望的光通量分布。有利的是，来自整个阵列15的光可由传感器1400,1402的组合测量，并且可实现所需的发光强度分布。
传感器系统可在显示器制造期间与波导1布置在一起以用于表征目的并且在产品制造完成之后被移除。优选地，传感器系统可在正常操作期间与波导1布置在一起。现场校准阶段可应用于显示器接通期间。空间光调制器可在校准期间被布置有黑色图像以去除校准阶段对用户的可见度。可例如每天、每周或每月重复校准阶段，以补偿如图54A至图54B所示的老化伪影。
图57A是示意图，其示出当循环通过每个LED的照明时，在具有发光强度缺陷的波导的窗平面中的光学窗发光强度1264与观察位置1262的另外的轮廓图。光学系统的扩散特性意味着当在正常操作中组合来自光源的光强度输出时，此类轮廓图可能与输出不同。因此，与期望的输出1288相比，光源的阵列的单个LED 15在区域1272中可能失效。
图57B是示意图，其示出了在波导的窗平面中的光学窗的发光强度与观察位置的轮廓图，进一步示出图57A的缺陷的校正。此类输出可在例如图50C的对称驱动方案中发生。因此，图56所示的校准系统可在特定LED 对被照亮时检测角度输出的损耗。为了补偿特定LED的损耗，故障信道可能是未被驱动的，从而产生对称的下降区域1277。为了补偿下降，可以用更高的输出1273,1275照亮光轴199两侧上的相邻LED，使得在扩散之后可以提供期望的输出1288。有利地，可以在对称驱动系统中实现LED补偿。
期望通过消除光电探测和控制系统来进一步降低LED老化补偿系统的成本和复杂性。
图58A是示出标称LED输出与时间的轮廓图的示意图。阵列15的标称光源的光通量1500可随着时间1102而降低，如轮廓1504,1506状态所示。
图58B是示出LED老化的补偿的流程图的示意图。在第一步骤1508 中，对于第n个LED，可记录峰值电流Ipeakn(t)和平均电流Iavn(t)。在脉冲宽度调制方案中，峰值电流可显著高于平均电流。在第二步骤中，可使用类似于图58A的数据来计算平均预期亮度。在第三步骤1512中，可以计算 PWM控制之后的校正电流Iavn并将其施加到相应的LED。有利地，可以补偿LED老化效应，并降低成本和复杂性。
图59A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2204 可布置在波导1的输入处，以增加来自照明器元件的阵列15中光源15a至 15n的输入耦合效率并增大照明均匀度。具有孔2203的屏蔽层2206可被布置成隐藏在波导1边缘处的光散射区域。后反射器2200可包括小平面 2202，这些小平面可弯曲并布置为从阵列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2208可包括反射偏振器、延迟片层和漫射体。后反射器2200和光学堆叠2208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 14/186,862(美国专利公布2104/0240828，代理人参考号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 2210、TFT玻璃基板2212、液晶层2214、滤色器玻璃基板2216和输出偏振器2218。可将红色像素2220、绿色像素2222和蓝色像素2224成阵列地布置在液晶层2214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。
在图59A的实施方案中，输入光到波导中的注入沿着长边缘。阵列15 的LED封装的物理尺寸以及从输入端2附近的波导和其他表面的散射限制了可以实现的最小边框宽度。期望沿着波导的长边缘减小侧边框的宽度。
图59B至图59E是示意图，其分别以透视图、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1317a的光学阀。
图59B以顶视图示出来自布置在定向波导的短边上的光源阵列1319a-n 和1317a-n的光线的传播。图59C类似地以侧视图示出来自光源阵列 1317a-n的光线的传播。
图59D以透视图示出通过光源阵列1317a-n形成光学窗。图59E以透视图示出包括具有如图59B至图59D所示的波导的光学堆叠的显示设备。
如本申请要求优先权的美国临时专利申请62/167,203所述，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，第一引导表面和第二引导表面6,8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和第二引导表面6,8之间延伸的侧表面1322、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，以通过该侧表面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形成该菲涅耳反射器的拔模小平面，菲涅耳反射器1304具有在一方向上朝向侧表面1322倾斜的光轴1287，在该方向上菲涅耳反射器1304将来自光源的阵列1317的输入光偏转到波导1301 中。因此角度1277是非零的。
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将来自光源的阵列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59A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。
进一步期望的是在广角操作模式下，沿着波导的边缘实现具有窄边框的波导的均匀照明。本文在别处描述的实施方案可应用于图59A的长边光源阵列输入或图59B至图59E的短边光源阵列输入。有利地，在具有窄长边边框的定向显示器中可以实现均匀的显示外观。此类显示器可用于移动显示器中，诸如蜂窝电话或平板电脑以及膝上型电脑、电视和监视器。
与阶梯式波导定向背光源相关的实施方案可在必要时加以修改的情况下应用于本文所述的楔形定向背光源。
如在本文中可使用的，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。在各项之间的此相对性在大约0％至10％的范围内。
另外全文以引用方式并入本文的是美国专利公布2013/0307831、 2013/0335821和2013/0307946。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但应当理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非是限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施方案的限制，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，所描述的实施方案中提供了上述优点和特征，但不应将发布的这些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。
除此之外，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方案。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方案而言是现有技术。“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方案的表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于辩称在本公开中仅有单一新颖点。可以根据产生于本公开的多项权利要求的限制来阐述多个实施方案，并且此类权利要求因此限定由其保护的实施方案和它们的等同物。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 (38)

1.一种定向波导，所述定向波导包括：
输入端；
用于沿着所述波导引导光的相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面；以及
面向所述输入端的用于沿着所述波导将输入光反射回的反射端，所述第二引导表面被布置成将反射的所述输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，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，所述光学窗根据所述输入光的输入位置而分布在横向方向上，
其中
所述反射端是包括交替的反射小平面和拔模小平面的菲涅耳反射器，所述反射小平面提供在横向上具有正光焦度的所述菲涅耳反射器，并且
所述输入端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的高度与所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的高度之间的比率具有跨所述横向方向的曲线，所述曲线在所述菲涅耳反射器的光轴处最大，并且朝向所述光轴的每个侧减小。
2.根据权利要求1所述的定向波导，其中所述比率的所述曲线补偿由所述菲涅耳反射器进行的光反射的效率随着横向位置减小。
3.根据权利要求1或2所述的定向波导，其中所述输入端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的高度具有跨所述横向方向的轮廓，所述轮廓在所述菲涅耳反射器的所述光轴处最高，并且朝向所述光轴的每个侧减小。
4.根据权利要求3所述的定向波导，其中所述输入端在所述第一引导表面处的边缘是弯曲的，并且所述输入端在所述第二引导表面处的边缘是直的以提供所述轮廓。
5.根据权利要求3所述的定向波导，其中所述输入端在所述第一引导表面处的边缘是直的，并且所述输入端在所述第二引导表面处的边缘是弯曲的以提供所述轮廓。
6.根据权利要求3所述的定向波导，其中所述输入端在所述第一引导表面和所述第二引导表面处的边缘各自为弯曲的以提供所述轮廓。
7.根据权利要求1所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的所述高度具有跨所述横向方向为平坦的轮廓。
8.根据权利要求1所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的所述高度具有跨所述横向方向的轮廓，所述轮廓在所述菲涅耳反射器的所述光轴处最低，并且朝向所述光轴的每个侧增加。
9.根据权利要求8所述的定向波导，其中所述输入端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的所述高度具有跨所述横向方向为平坦的轮廓。
10.根据权利要求3所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的所述高度具有跨所述横向方向的轮廓，所述轮廓在所述菲涅耳反射器的所述光轴处最低，并且朝向所述光轴的每个侧增加。
11.根据权利要求8所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面处的边缘是弯曲的，并且所述反射端在所述第二引导表面处的边缘是直的以提供所述轮廓。
12.根据权利要求8所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面处的边缘是直的，并且所述反射端在所述第二引导表面处的边缘是弯曲的以提供所述轮廓。
13.根据权利要求8所述的定向波导，其中所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面处的边缘各自为弯曲的以提供所述轮廓。
14.根据权利要求1所述的定向波导，其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取特征和位于所述光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被取向成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沿着所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿着所述波导引导光。
15.根据权利要求14所述的定向波导，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，其中所述光提取特征是所述中间区域之间的小平面。
16.根据权利要求14所述的定向波导，其中所述光提取特征在所述横向方向上具有正光焦度。
17.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
根据权利要求1-16中任一项所述的定向波导；以及
跨所述波导的所述输入端布置在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所述波导中的输入光源的阵列。
18.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求17所述的定向背光源；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输出光并对所述输出光进行调制以显示图像。
19.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求18所述的定向显示装置；以及
被布置成控制所述光源的控制系统。
20.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
波导，所述波导包括输入端；
跨所述波导的所述输入端布置在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所述波导中的输入光源的阵列；
所述波导还包括用于沿着所述波导引导光的相对的横向延伸的第一引导表面和第二引导表面，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，以及面向所述输入端的用于沿着所述波导将所述输入光反射回并且在横向上具有正光焦度的反射端，所述第二引导表面被布置成使反射的所述输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，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，所述光学窗根据所述输入光的所述输入位置而分布在横向方向上；以及
附加光源，所述附加光源被布置成在一方向上将附加光导向到所述波导中，在所述方向上所述附加光被所述反射端反射到相对侧表面上，并且被所述相对侧表面反射到所述波导的与所述相对侧表面相邻的区段中，所述区段从所述反射端的反射表面和所述侧表面之间的拐角延伸。
21.根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述附加光源沿着与所述输入端相邻的每个侧表面的至少一部分设置，所述附加光源被布置成通过所述侧表面中的一个侧表面将附加光导向到所述波导中。
22.根据权利要求21所述的定向背光源，其中所述附加光源仅仅沿着每个侧表面的所述部分设置。
23.根据权利要求21或22所述的定向背光源，其中每个侧表面的所述附加光源沿着其设置的所述部分是所述侧表面的至少20%。
24.根据权利要求21所述的定向背光源，其中每个侧表面的所述附加光源沿着其设置的所述部分是所述侧表面的至多80%。
25.根据权利要求20所述的定向背光源，其中
所述定向背光源还包括沿着与所述输入端相邻的每个侧表面的至少一部分布置的反射器元件，
所述附加光源在所述输入光源的阵列的每个侧上沿着所述波导的所述输入端设置，并且被布置成通过所述输入端将附加光导向到所述波导中到所述反射器元件上，并且
所述反射器元件被布置成朝向所述反射端反射所述附加光，使得所述附加光被所述反射端反射到所述相对侧表面上，并且被所述相对侧表面反射到所述波导的与所述相对侧表面相邻的区段中，所述区段从所述反射表面和所述侧表面之间的拐角延伸。
26.根据权利要求25所述的定向背光源，其中所述反射器元件仅仅沿着每个侧表面的所述部分设置。
27.根据权利要求25或26所述的定向背光源，其中每个侧表面的所述反射器元件沿着其设置的所述部分是所述侧表面的至少20%。
28.根据权利要求25所述的定向背光源，其中每个侧表面的所述反射器元件沿着其设置的所述部分是所述侧表面的至多80%。
29.根据权利要求25所述的定向背光源，其中所述反射器元件包括小平面阵列，所述小平面阵列被布置成在与从所述侧表面反射的所述附加光的光线不同的方向上反射光。
30.根据权利要求25所述的定向背光源，其中所述输入端具有小平面，所述附加光源抵靠所述小平面设置，所述小平面面向所述反射器元件。
31.根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置成通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取特征和位于所述光提取特征之间的中间区域，所述光提取特征被取向成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沿着所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿着所述波导引导光。
32.根据权利要求31所述的定向背光源，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，其中所述光提取特征是所述中间区域之间的小平面。
33.根据权利要求31所述的定向背光源，其中所述光提取特征在所述横向方向上具有正光焦度。
34.根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述反射端是包括交替的反射小平面和拔模小平面的菲涅耳反射器，所述反射小平面提供具有正光焦度的所述菲涅耳反射器。
35.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求20至34中任一项所述的定向背光源；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输出光并对所述输出光进行调制以显示图像。
36.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求35所述的定向显示装置；以及
被布置成控制所述光源的控制系统。
37.根据权利要求36所述的定向显示设备，其中所述控制系统被布置成控制被选择为将输出光导向到期望的光学窗中的输入光源，并且进一步被布置成控制被选择为提供附加光的至少一个附加光源，所述附加光沿与所述期望的光学窗相同的输出方向从所述定向背光源输出。
38.根据权利要求37所述的定向显示设备，其中当选择的输入光源偏离输入光表面阵列的中心时，所述控制系统被布置成控制至少一个附加光源，所述至少一个附加光源在所述定向背光源的与所述选择的输入光源相对的侧上。
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