CN107850804A - 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。所述波导可包括阶梯结构，其中所述阶梯还可包括提取特征，所述提取特征光学隐藏至在第一前向方向上传播的引导光。在第二偏转方向上传播的返回光可以被所述特征折射、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。观察窗通过从所述波导的侧使各个光源成像而形成，并因此限定系统元件和光线路径的相对位置。可以提供具有小占用面积和低厚度的定向背光源。
Description
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将视差组件(诸如双凸透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对准，所述图像阵列被布置为在空间光调制器(例如LCD)上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自该像素组中的每组的光导向到相应不同的方向，以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。观察者将眼睛置于第一观察窗中用来自第一组像素的光可看到第一图像；而将眼睛置于第二观察窗中用来自第二组像素的光可看到第二图像。
与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且此外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙(例如对于电极而言)通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦导致图像串扰程度加大并增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光调制器中的电子设备进行寻址。
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、用于将光提供至成像定向背光源的照明器阵列。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附加能力。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，如美国专利申请13/300,293(美国专利公布2012/0127573)中所述，该专利申请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，并且通过弯曲的光提取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)。没有光从外部内导向到相应观察窗，并且显示器在该区域看起来黑暗。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，提供了一种包括定向波导和光源的定向背光源，所述定向波导包括：在横向方向上为细长的反射端；从反射端的横向延伸的边缘延伸的相对的第一引导表面和第二引导表面，用于沿波导朝所述反射端引导输入光并且用于引导由反射端反射的光远离反射端，所述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；以及在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的侧表面，其中所述光源包括沿侧表面布置的光源阵列，以通过所述侧表面提供所述输入光，并且所述反射端包括在所述横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面，所述第一小平面是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，所述第二小平面形成所述菲涅尔反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在一定方向上朝所述侧表面倾斜的光轴，在所述方向上所述菲涅耳反射器将来自光源阵列的输入光偏转到波导中，所述波导被布置成在输出方向上将来自光源的输出光导向到相应的光学窗中，所述光学窗根据光源的位置而横向地分布。
有利的是，定向背光源可以具有低厚度，从而可提供可控的光学窗阵列。光源可被布置在矩形波导的短侧上，从而实现小的占用面积，尤其是用于应用到移动显示设备中。
光源可包括两个光源阵列，每个光源阵列沿侧表面中的一个侧表面布置，并且第一小平面和第二小平面可以是反射性的，第一小平面和第二小平面分别形成在横向方向上各自具有正光焦度的第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面和第一小平面分别形成第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的拔模小平面，第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器具有在多个方向上朝相应的侧表面倾斜的光轴，在所述多个方向上所述菲涅耳反射器将来自沿相应的侧表面布置的光源阵列的输入光偏转到波导中。第一小平面和第二小平面可以关于从反射端延伸的对称平面具有镜面对称性，第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的光轴从对称平面朝相应的侧表面倾斜。光源可以被布置为关于对称平面具有镜面对称性。有利的是，与具有单个光源阵列的布置相比，对于给定观察位置，光学窗的角度均匀度、跨波导区域的空间均匀度和最大显示亮度可得到改善。
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在光提取特征之间的中间区域，所述多个光提取特征被取向为在允许作为输出光穿过第一引导表面离开的方向上导向由反射端反射的光，所述中间区域被布置成沿波导引导光。光提取特征在波导的横向方向上可具有正光焦度。光提取特征具有光轴，菲涅耳反射器的光轴相对于所述光轴是倾斜的。光提取特征和中间区域以阶梯形状彼此交替。有利的是，可以提供弯曲的光提取特征以紧凑格式高效地实现光学窗的成像。
定向背光源还可包括面向反射端的后端。有利的是，后端可以比已知的定向阶梯波导更薄，从而可以相对提高装置效率。后端的厚度可以比光源的发射高度更薄。
输入源可沿与侧表面相邻的后端的至少一部分布置。后端的至少一部分可以是反射性的。后端的至少一部分可以是非反射性的。有利的是，装置效率和均匀度可提高。
(a)后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，该轮廓在其上布置光源阵列的侧处最高，并且在横向方向上降低。后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，该轮廓在其上布置有光源阵列的侧处最高，并且在横向方向上降低。
有利的是，与具有两个光源阵列的波导相比，具有小占用面积的定向波导可以提供高均匀度。
可以提供具有两个光源阵列的定向背光源，其中(a)后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，该轮廓在光提取特征的光轴处最小，并且朝光轴的每个侧增大。后端在第一引导表面和第二引导表面之间的高度具有跨横向方向的轮廓，该轮廓在光提取特征的光轴处最低，并且朝光轴的每个侧降低。后端在第一引导表面处的边缘可以是弯曲的，并且后端在第二引导表面处的边缘可以是直的，以提供所述轮廓。有利的是，用于同轴观察位置的空间均匀度可以增加。
波导可包括与侧表面相邻的锥形区域，在该区域内，波导在第一引导表面和第二引导表面之间的高度沿从波导的剩余部分朝侧表面的方向增大。锥形区域在横向方向上的宽度沿远离反射端的方向增加。
有利的是，与不具有锥形区域的波导相比，可以使用具有比波导的最薄部分更高的高度的LED来获得更大的亮度和效率。可以减小波导厚度和因此显示厚度。
菲涅耳反射器的光轴可以在一定方向上朝侧表面倾斜，使得来自沿侧表面布置的光源阵列的光源的输出光被导向到光学窗的分布的中央光学窗中。沿其布置有源阵列的侧表面可以包括凹陷部，所述凹陷部包括面向反射端的输入小平面，所述光源被布置成通过输入小平面提供输入光。有利的是，当由布置在波导的各侧的光源照明时，可以在同轴观察位置提供光学窗，从而减少背光源的占用面积。
与沿其布置有源阵列的表面相对的侧表面可以包括侧反射小平面，其中所述侧反射小平面提供侧菲涅耳反射器，该侧菲涅耳反射器在横向方向和光轴方向上具有与布置在反射端处的菲涅耳反射器基本相同的正光焦度。有利的是，与具有两个光源阵列的布置相比，单个光源阵列可被布置成具有低占用面积，同时为离轴观察位置实现期望的空间均匀度。
定向背光源还可包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，所述反射小平面的线性阵列被布置成使来自光源的透射穿过波导的多个小平面的光反射回穿过所述波导，以穿过第一引导表面离开而进入所述光学窗。波导的小平面和后反射器的反射小平面可在正交于所述横向方向的公共面上以相同的方向倾斜。波导的小平面可相对于第一引导表面的法线以角度(π/2-α)倾斜，并且后反射器的反射小平面相对于第一引导表面的法线以角度β倾斜，并且2β>π/2-sin-1(n.sin(α-θc))，θc是波导的小平面的临界角，并且n是波导材料的折射率。后反射器可与波导间隔开以使得来自波导的单个小平面的光入射在后反射器的多个反射小平面上，后反射器还包括在后反射器的反射小平面之间延伸的中间小平面，这些中间小平面在与后反射器的反射小平面相反的方向上以某个角度倾斜，使得来自光源的透射穿过波导的多个小平面的所述光不会入射在中间小平面上。有利的是，由波导的光提取特征透射的光可被有效地朝光学窗导向。
后反射器的反射小平面可具有不规则的节距，该节距可以是不规则的随机化节距。后反射器的反射小平面可具有跨反射小平面的阵列而变化的倾角。有利的是，波导与后反射器之间的莫尔效应可以被最小化。
后反射器的反射小平面可以是线性的也可以是弯曲的。有利的是，由波导直接提供的光学窗可以与由后反射器与波导协作提供的光学窗重叠。
根据本公开的第二方面，定向显示装置可包括：根据第一方面的定向背光源；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波导的输出光并对输出光进行调制以显示图像。有利的是，可提供一种可实现与常规的非定向背光源的广角照明的类似性能的定向显示器。另外，这种显示器可实现其他操作模式，包括但不限于自动立体3D、防窥、双重视图、节能和用于户外操作的高亮度。
空间光调制器可具有矩形形状，该矩形形状具有与定向波导的反射端对准的第一侧，菲涅耳反射器的光轴相对于空间光调制器的矩形形状的与其第一侧垂直的轴倾斜。有利的是，显示器可不具有布置在其长边上的光源，从而使长边边框宽度最小化。这种显示器对于用在诸如手机的小型移动显示装置中是有利的。
空间光调制器可以是透射式的，并且可被布置成接收穿过第一引导表面输出的光，并且被布置成调制具有第一偏振的所述光的第一偏振分量；并且反射偏振器可被设置在所述波导的第一引导表面与所述空间光调制器之间，并且被布置成透射第一偏振分量并反射作为被拒绝的光的所述输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与所述第一偏振正交的偏振，所述后反射器还包括中间小平面，所述中间小平面在所述后反射器的所述反射小平面之间延伸，并且在公共面上以与所述后反射器的所述反射小平面相反的方向倾斜，使得多对反射小平面与中间小平面共同形成拐角小平面，所述拐角小平面被布置成反射被拒绝的光以便供应回所述空间光调制器，所述多对反射小平面与中间小平面在围绕所述空间光调制器的法线取向的平面中倾斜，使得所述后反射器在反射时将供应回空间光调制器的被拒绝的光的偏振转换成所述第一偏振。偏振旋转器可被设置在反射偏振器与空间光调制器之间，并且被布置成旋转所述第一偏振分量。有利的是，所制成的背光源有效地向空间光调制器提供偏振光，从而进一步以低成本提供增加的亮度和均匀度。
根据本公开的第三方面，定向显示设备可包括：根据第二方面的定向显示设备；以及被布置成控制光源的控制系统。有利的是，可以实现能够在不同的操作模式之间切换的小的形状因数和高均匀度的显示设备。
本公开的任一方面可以任何组合应用。
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。这种设备可以用于自动立体显示器、隐私显示器、多用户显示器和其他可以实现例如省电操作和/或高亮度操作的定向显示应用。
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。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多种光学系统中。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，其以正视图示出了定向显示装置的一个实施方案中的光传播；
图1B是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了图1A的定向显示装置的一个实施方案中的光传播；
图2A是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了定向显示装置的另一个实施方案中的光传播；
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，其以侧视图示出了定向显示装置；
图4A是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括弯曲的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的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是根据本公开的示意图，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，其以侧视图示出了包括楔型波导的定向显示装置的结构；
图12A和图12B是根据本公开的示意图，其分别以正视图和侧视图示出了包括阶梯波导的定向显示装置的结构；
图12C是根据本公开的示意图，其以展开图示出了图12A至图12B的阶梯波导的操作；
图13是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图12A的波导在移动显示设备中的布置；
图14和图15是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图12A的波导中空隙的起源和空隙A的填充；
图16A和图16B是根据本公开的示意图，其分别以正视图和侧视图示出了包括弯曲的光提取小平面和具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导；
图17是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导；
图18A和图18B是根据本公开的示意图，其以展开图示出了图16A至图16B的阶梯波导的操作；
图18C是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括线性光提取小平面、菲涅耳透镜和具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导；
图19A是根据本公开的示意图，其以展开正视图示出了包括定向波导的定向显示器，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器；
图19B是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了包括定向波导的定向显示器，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器；
图20A是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括定向波导的定向显示器，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器；
图20B是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括视差屏障并且还包括定向波导的定向显示器，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器；
图21是根据本公开的示意图，其示出了用于包括定向波导的定向显示器的控制系统，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器；
图22是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向楔型波导；
图23、图24和图25是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导的照明；
图26和图27是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导在横向方向上放大的变化；
图28是根据本公开的示意曲线图，其示出了第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化；
图29是根据本公开的示意图，其以正视图示出了定向波导同一侧上的第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化；
图30是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图29的布置方式的光学窗尺寸；
图31是根据本公开的示意图，其以正视图示出了定向波导两侧上的第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化；
图32是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图31的布置方式的光学窗尺寸；
图33A和图33B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图23的布置方式的光学窗位置；
图34A和图34B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图24的布置方式的光学窗位置；
图35是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了图33A至图33B的布置方式的光学窗组合；
图36是根据本公开的示意曲线图，其示出了显示器亮度随图35的光学窗组合的视角的变化；
图37是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了图33A的布置方式的中央光学窗组合；
图38是根据本公开的示意曲线图，其示出了显示器亮度随图37的光学窗组合的视角的变化；
图39是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了另选的光学窗组合；
图40是根据本公开的示意曲线图，其示出了显示器亮度随图37的光学窗组合的视角的变化；
图41是根据本公开的示意图，其以正视图示出了被布置成在横向方向上跨菲涅耳反射器的位置实现增加的光学窗均匀度的菲涅耳反射器小平面；
图42和图43是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器以及与所述菲涅耳反射器相对的反射侧的波导；
图44和图45是根据本公开的示意图，其以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器以及在与所述菲涅耳反射器相对的侧上的光源的波导；
图46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包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、矩形镜面侧以及与菲涅耳反射器相对的矩形侧的阶梯成像波导；
图47是根据本公开的示意图，其以正视图示出了在菲涅耳反射器的小平面处的反射效率；
图48是根据本公开的曲线图，其示出了输出亮度随图46的波导布置方式的横向位置的变化；
图49和图50是根据本公开的示意图，其示出了具有不同效率的阶梯成像波导；
图51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包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、矩形镜面侧以及与菲涅耳反射器相对的具有横向变化的高度轮廓的侧的阶梯成像波导；
图52A是据本公开的曲线图，其示出了曲线图的变化，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，所述轮廓在菲涅耳反射器的中心处最小，并且朝中心的每个侧降低；
图52B是根据本公开的曲线图，其示出了输出亮度随图51的波导布置方式的横向位置的变化；
图53、图54、图55和图56是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴且高度比率在横向方向上具有非平坦轮廓的菲涅耳反射器的波导的布置方式；
图57是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了在包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导中照明空隙的形成；
图58、图59、图60、图61和图62是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括具有被布置成提供照明空隙的填充的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导；
图63是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和在短侧上的光源的定向波导；
图64是根据本公开的示意图，其以底视图示出了包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和在短侧上的光源的定向波导；
图65是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和在短侧上的光源的定向波导；
图66是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器和布置在短侧上的LED的定向波导；
图67A是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了定向波导的为锥形并且包括输入小平面和反射小平面的侧；
图67B是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了输入到图66的波导中的LED阵列；
图67C是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了图67B的LED阵列与图67A的输入侧的对准；
图67D是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了具有至少两种LED高度的LED阵列与图67A的输入侧的对准；
图68A是根据本公开的示意图，其以透视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、输入锥度和布置在短侧上的LED的定向波导；
图68B是根据本公开的示意图，其以后视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、布置在波导的侧上的包括光提取特征的输入锥度和布置在短侧上的LED的定向波导；
图68C是根据本公开的示意图，其以后视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、布置在波导的输出侧上的输入锥度和布置在短侧上的LED的定向波导；
图69A是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了包括输入锥度并且包括输入小平面和反射小平面的定向波导的一侧；
图69B是根据本公开的示意图，其以侧视图示出了输入到图68A的波导中的LED阵列；
图69C是根据本公开的示意图，以侧视图示出了图69B的LED阵列与图69A的输入侧的对准；
图70A是根据本公开的示意图，其以与反射端相对的端部的端视图示出了LED阵列与图68A的定向波导的各侧的对准；
图70B是根据本公开的示意图，其以与反射端相对的端部的端视图示出了LED阵列与图68C的定向波导的各侧的对准；并且
图71是根据本公开的示意图，其以反射端的端视图示出了LED阵列与图68A的定向波导的各侧的对准。
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，即，在第一时隙中将来自空间光调制器所有像素的光导向到第一观察窗，并在第二时隙中将来自所有像素的光导向到第二观察窗。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，且对于移动观察者的串扰水平较低。
为了在窗平面中实现高均匀度，期望提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。可例如通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，提供时序照明系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言的类似的难题。另外，此类装置可具有较低效率和较高成本，从而需要附加的显示组件。
可便利地用宏观照明器(例如LED阵列)与通常具有1mm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件的组合，来实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的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13/300,293(美国专利公布2012/0127573)中所述的光学阀可有利地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条轴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条轴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个光源的光对于处于相应观察窗之外的观察者眼睛而言基本上不可见。
相比之下，常规的非成像背光源或光引导板(LGP)用于2D显示器的照明。参见例如，et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)( 等人，双面发光的背光源单元，《国际信息显示学会会志》，第12卷，第4期，第379-387页，2004年12月)。非成像背光源通常被布置成将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多个光源中的每个光源而言基本上共用的观察区，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个光源的光对于处于跨观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如，以便与朗伯型照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜(诸如，来自3M的BEFTM)提供。然而，此类方向性对于相应光源中的每个光源而言可基本上相同。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。光从有损耗的波导的边缘传播，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(即便空间光调制器在本领域中可能有时一般称为“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，可入射在成像反射器上，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，并被导向到观察窗，如美国专利申请13/300,293(美国专利公布2012/0127573)中所述。
另外，如本文所用，阶梯波导成像定向背光源可为光学阀中的至少一个。阶梯波导是用于成像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括：第一光引导表面；和与第一光引导表面相对的第二光引导表面，还包括散布有被布置为阶梯的多个提取特征的多个光引导特征。
在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入侧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，光可入射在光提取特征上，所述光提取特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。
光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件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阵列，所述光提取特征阵列被布置成提取在基本上平行的波导中反向传播的光。
用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源实现方式已由如下提出和说明：3M的例如美国专利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)；RealD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“optical valve”(光学阀)或“optical valve directional backlight”(光学阀定向背光源)，所有上述专利全文以引用方式并入本文。
本公开提供了阶梯波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯波导的内面之间来回反射，所述阶梯波导可包括第一侧和第一组特征。在光沿着阶梯波导的长度行进时，光可基本上不改变相对于第一侧和第一组表面的入射角，且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波导1的照明器阵列15。照明器阵列15包括照明器元件15a至照明器元件15n(其中n是大于1的整数)。在一个示例中，图1A的阶梯波导1可为阶梯的、显示器大小的波导1。照明元件15a至照明元件15n为可以是发光二极管(LED)的光源。虽然LED在本文作为照明器元件15a-15n来讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极管源、半导体源、激光源、局域场致发射源、有机发射器阵列等。另外，图1B示出了在xz平面中的侧视图，并且包括如图所示布置的照明器阵列15、SLM 48、提取特征12、引导特征10和阶梯波导1。图1B中提供的侧视图为图1A中所示的正视图的替代视图。因此，图1A和图1B的照明器阵列15彼此对应，并且图1A和图1B的阶梯波导1可彼此对应。
另外，在图1B中，阶梯波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端2与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。输入端2在跨波导的横向方向上的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a至照明器元件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸以用于沿波导1来回引导光。第二引导表面具有面向反射端4的多个光提取特征12，并且被布置成跨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跨定向波导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形状，所述阶梯形状可包括光提取特征12和中间区域。光提取特征12被取向为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被布置成将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于照明元件15a-15n被布置在不同输入位置处，所以来自相应照明元件15a-15n的光在那些不同方向上反射。这样，照明元件15a-15n中的每个在输出方向上将光导向到相应的光学窗中，所述光学窗根据所述输入位置而在横向地分布。对于输出光而言，跨输入位置分布在其中的输入端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大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件15a-15n可被选择性地操作以将光导向到可选择的光学窗中。光学窗可单个地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而安置并调制在从光提取特征12反射后穿过第一引导表面输出的光。
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(诸如照明器元件15a至15n的阵列)发出，其沿着阶梯波导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平面中成扇形散开并且在到达远处弯曲端侧4时可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，可使阶梯波导1的弯曲端侧4具反射性，通常通过用反射材料(诸如例如银)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xz平面中围绕主要传播方向基本上保持，这可允许光撞击立板边缘并从引导件反射出来。在具有大约45度倾斜的提取特征12的实施方案中，可大约垂直于xy显示器平面有效地导向光，其中相对于传播方向基本上保持xz角展度。当光通过折射离开阶梯波导1时此角展度可增大，但根据提取特征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，当无法进行全内反射(TIR)时反射可减少，从而挤压xz角轮廓并偏离法线。然而，在具有银涂覆的或金属化的提取特征的其他实施方案中，可保持增大的角展度和中心法线方向。继续描述具有银涂覆的提取特征的实施方案，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件15a-15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿输入边缘2具有独立照明器元件15a-15n于是使光能够从整个第一光导向侧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端部观察的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，阶梯波导1可位于显示顺序的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1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时可观察到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的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的线并且与端部4围绕x轴的反射对称的轴重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光焦度的其他组件(例如光提取特征12，如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。在通常在端部4处包括基本上圆柱形的反射表面的本发明实施方案中，光轴238为穿过端部4处的表面的曲率中心的线并且与侧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。端部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是以侧视图示出了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波导1的操作的侧视图的附加细节。阶梯波导1可包括照明器输入侧2、反射侧4、可为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在阶梯波导1中可通过第一光导向侧6的全内反射和引导特征10的全内反射被引导至可为镜像表面的反射侧4。虽然反射侧4可为镜像表面且可反射光，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在阶梯波导1中可进一步通过反射侧4处的全内反射被引导，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尺寸、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是以正视图示出了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和侧24可为透明表面、镜像表面或涂黑表面。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与36之间的不同取向所引起的光焦度配合形成实像，如图4A中所示。图4B的布置可实现照明器元件15c至观察窗26中横向位置的成像的改善的像差。改善的像差可实现自动立体显示器的扩展的观察自由度，同时实现低串扰水平。
图5是以正视图示出了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光提取特征。另外，图5示出了与图1类似的组件布置(其中对应的元件是类似的)，其中差异之一是光提取特征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的示意图，图6B是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示意图，并且图6C是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的示意图。此外，图6A示意性地示出了由阶梯波导1生成照明窗26。照明器阵列15中的照明器元件群组31可提供朝观察窗26导向的光锥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可提供朝观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器的协作中，可按顺序提供窗26和44，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15n的一个或多个照明元件，其中n为大于1的整数。
图7是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的示意图。如图7所示，沿着轴29选择性地打开和关闭照明器元件15a至15n提供了观察窗的定向控制。可利用相机、运动传感器、运动检测器或任何其他适当的光学、机械或电气装置来监控头部45位置，并且可打开和关闭照明器阵列15的适当照明器元件以向每只眼睛提供基本上独立的图像而不考虑头部45位置。头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)可提供对不止一个头部45,47(头部47在图7中未示出)的监控，并且可向每个观察者的左眼和右眼提供相同的左眼图像和右眼图像，从而向所有观察者提供3D。同样地，用本文所述的所有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。与第一阶段和第二阶段相对应，调整输出照明以分别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于窗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是示出了包括成像定向背光源的防窥定向显示装置的示意图。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所示。另外，如图9所示，虽然第一观察者45也许能够观察到装置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)的结构的示意图。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯波导1和菲涅耳透镜62，该自动立体定向显示装置被布置成对于跨阶梯波导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RGBLED。另选地，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。另选地，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。另选地，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进一步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背光源或定向显示装置中。类似地，下文所述的定向背光源可结合到如上文所述的定向显示装置中。
图11是以侧视图示出了包括楔型定向背光源的定向显示装置的结构，该楔型定向背光源包括具有小平面反射镜端1102的楔型波导1104的示意图。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，以用于将光输出穿过第一引导表面1105。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和与空间光调制器1110对准的视差元件1100，该视差元件还被布置成提供光学窗。类似于图11所示的控制系统72可被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准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将光输出穿过第一引导表面，并且所述显示装置还可包括跨波导的第一引导表面延伸的偏转元件以用于使光朝第一引导表面的法线偏转。
图12A至12B是分别以正视图和侧视图示出了包括阶梯波导的定向显示装置的结构的示意图。
与图5的布置方式相比，波导端部4处的反射圆顶被包括小平面222和拔模平面224的菲涅耳反射器替代。此外，线性小平面被弯曲小平面替代，该弯曲小平面被布置成提供由光源阵列15的光源15a的图像形成的光学窗26。光源15a-n被布置在波导1的薄端处的输入侧2上。
图12A的布置方式可被认为是同轴成像系统，如将参照图12C所描述的，该图以展开图示出了图12A至图12B的阶梯波导的操作的示意图。这种展开图便于说明二维图像中系统的光轴的三维布置。来自源15a的光线201通过波导1被导向到端部4处的菲涅耳反射器。在端部4处，反射被表示为穿过表面的透射，从而提供基本上平行于轴线199的光线方向。坐标系在提取特征12处旋转位置50的任一侧。特征12处的反射被表示为表面处的透射。作为在光源15a的横向方向上的图像的光学窗26a以轴线199为中心，具有与源15a相同的横向位移。因此轴线199可以被认为是系统的光轴。在这种同轴成像情况下，光轴与系统中在横向方向(y轴)上具有一定程度的反射对称性的线基本上相同。另外，光轴299不朝向波导1的各侧偏转。
在图12A至图12C的同轴成像布置中，光轴199还与菲涅耳反射器的光轴299和弯曲的光提取特征12的光轴399重合。
图13是以正视图示出了在包括外框架202和空间光调制器48的移动显示设备中图12A的波导的布置方式的示意图，所述空间调制器包括矩形有效区域边界49。为了在空间光调制器48的边缘处实现期望的均匀度，波导1的面积大于有效区域边界49。
从波导1的边缘到包括菲涅耳反射器的侧4上的框架202的内边缘的长边边框宽度204可以被菲涅耳反射器的光屏蔽限制，然而可以相对较小，例如3mm或者更小。输入侧2上的长边边框宽度206由光屏蔽、光源15深度、电扇出和光条机构来确定，并且通常可以大于边框宽度204。
通常，对于短边边框宽度208,210(即从边缘22,24到框架202的内边界的距离)的要求稍大，例如大约10mm或以上。因此，在横向方向上加大尺寸的波导1被认为比在正交(x轴)方向上加大尺寸更合乎需要。
对于诸如手机的移动设备，例如，期望最小化定向波导的长边边框宽度，以实现期望的形状因数。
图14至图15是以正视图示出了图12A的波导中空隙的起源和空隙A的填充的示意图。对于诸如源15b的离轴源，提供了空隙区域。空隙A，230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232将空隙A与主照明区域分隔开。空隙B，234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236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度。
图15是以正视图示出了图14和如美国临时专利申请62/167,185中所述的定向波导中的照明空隙不均匀度的校正的示意图，所述专利申请全文以引用方式并入本文。空隙A230可以通过光线240由布置在波导1的各侧上的光源阵列217补偿，并且类似地，光源阵列219可以在对称情况下补偿空隙A。
与本文所述的本发明实施方案相比，侧22,24上的光源217,219不提供同轴照明。菲涅尔反射器和弯曲小平面12的光轴299,399分别在波导1的中心基本上对准，因此不会朝波导的侧22,24偏转。
期望提供定向波导，其中同轴光学窗26具有最小输入侧边框宽度206。
图16A至图16B是分别以正视图和侧视图示出了包括弯曲的光提取小平面12和具有第一光轴和第二光轴287和289的菲涅耳反射器304的定向波导301的示意图。弯曲小平面12可具有基本上平行于x轴的光轴399。
因此，定向背光源可包括定向波导301和光源317a-n，所述定向波导301包括：在横向方向(y轴)上为细长的反射端304；从反射端304的横向延伸的边缘311,313延伸的相对的第一引导表面和第二引导表面6,8，用于将输入光360沿波导301朝反射端304引导，并且用于将反射端304反射的光362远离反射端304引导，所述第二引导表面6被布置成将从反射端304反射的光偏转穿过第一引导表面6作为输出光363；并且侧表面322,324在第一引导表面和第二引导表面6,8之间延伸，其中所述光源317a-n包括沿侧表面322布置的光源阵列317，用于通过所述侧表面322提供所述输入光360，并且所述反射端304包括在横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面327,329，所述第一小平面327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，所述第二小平面329形成所述菲涅尔反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在一定方向上朝所述侧表面322倾斜的光轴287，在所述方向上所述菲涅耳反射器将来自所述光源阵列317的输入光360偏转到所述波导301中。
此外，光提取特征12具有光轴399，菲涅耳反射器287的光轴相对于所述光轴是倾斜的。因此，光轴287可被布置成使得在侧322上的阵列317中的光源可被布置成正常地照明光提取特征并且提供离轴光学窗。
沿其布置有源317a-n的阵列317的侧表面322被布置成包括凹陷部，所述凹陷部包括面向反射端304的输入小平面321，光源317a-n被布置成通过输入小平面321提供输入光。可以提供具有输入角357的光锥，其在横向方向上导向到菲涅耳反射器。如果小平面321的表面是例如平面的，那么锥角357可以是大约84度。有利的是，可以布置菲涅耳反射器的有效照明。
图17是以透视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导的示意图。为了说明方便，示出了单个光提取特征12，然而通常光提取特征12和中间区域10可以阶梯形状彼此交替。
波导301被布置成在输出方向上将来自光源317a-n的输出光360导向到相应的光学窗27a-n中，所述光学窗根据光源317a-n的位置而横向地分布。
光提取特征12在横向方向上可具有正光焦度。因此，光源317a通过光线360,362,363提供光学窗27a，并且光源317b通过光线364提供光学窗27b，所述光学窗27b从光学窗27a在横向方向上移位。在x方向上的光学窗27a,b的范围可以基本上由在xz平面中的波导301内的光锥的传播来确定。有利的是，光源不位于与反射端304相对的侧302上，使得边框宽度206最小化。
光学窗27a-n,29a-n在横向方向上的范围可由光源317a-n,319a-n的宽度和间隔、显示设备中的光学像差和漫射来确定。
侧302的高度307可以比阵列17的光源17a-n的期望高度更薄。如下文将要描述的那样，有利的是，与图12A的布置相比，可增加波导301的几何效率。
图16A至图17还示出了定向背光源，其中所述光源包括两个光源阵列317,319，每个光源阵列沿侧322,324中的一者布置，并且第一小平面327和第二小平面329是反射性的，第一小平面和第二小平面327,329分别形成在横向方向上各自具有正光焦度的第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面和第一小平面329,327分别形成第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的拔模小平面，第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器具有在多个方向上朝相应的侧表面322,324倾斜的光轴287,289，在所述多个方向上所述菲涅耳反射器将来自沿相应的侧表面布置的光源阵列的输入光偏转到波导301中。
长侧302可以是基本上平面的，或者可以具有其他光学结构，如下文将描述的那样。短侧322,324可以设置有光输入区域321和拔模区域323。
第一小平面和第二小平面327,329可以关于从反射端304延伸的对称平面具有镜面对称性，第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的光轴287,289从对称平面朝相应的侧表面倾斜。因此，轴287可相对于包含轴199的平面以非零角度277倾斜，并且轴289可以非零角度279倾斜。轴287,289可以在反射端304处相交，或者可以提供光轴的一些位移以实现窗偏移，如下文将描述的那样。可以提供窗轮廓的控制，从而有利地提高空间和角度均匀度的优化。
此外，光源317a-n和319a-n可以被布置为关于对称平面具有镜面对称性。光源阵列17可以包括与短侧322上的输入区域321对准的光源17a-n。同轴光源可被布置成提供与轴线197对准的同轴光学窗27a,29b，所述轴线197平行于轴线199。
如图16B和图17所示，第一引导表面6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12和在光提取特征12之间的中间区域10，所述多个光提取特征被取向为在允许作为输出光363穿过第一引导表面6离开的方向上导向由反射端304反射的光，所述中间区域被布置成沿波导301引导光360,362。
图18A至图18B是以展开图示出了图16A至图17的阶梯波导的操作的示意图。因此，来自沿轴线287传播的光源317a的中心的光线以角度277倾斜于轴线199并且沿轴线399可被导向到光学窗27a的中央。类似地，来自沿轴线289传播的光源319a的中央的光线以角度279倾斜于轴线199并且沿轴线399可被导向到光学窗29a的中心，光学窗29a可在窗平面处与窗27a重叠，如将在本文所描述的那样。
图18C是以正视图示出了包括线性光提取小平面、菲涅耳透镜62和具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导的示意图。光提取特征12可以是线性的，并且可以是由菲涅耳透镜62提供的在横向方向上的光焦度。有利的是，可更方便地实现波导1的模具的制模。
图19A是以展开正视图示出了包括定向波导301的定向显示装置的示意图，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴287,289的菲涅耳反射器。
因此定向显示装置可包括如上所述的定向背光源和透射式空间光调制器48，所述透射式空间光调制器被布置成接收来自波导301的输出光并对其进行调制以显示图像。空间光调制器48可以具有矩形形状，该矩形形状具有与定向波导301的反射端304对准的第一侧51，菲涅耳反射器的光轴287相对于空间光调制器48的矩形形状的与其第一侧51垂直的轴53以非零角度55倾斜。
有利的是，定向显示装置可以在诸如手机的移动显示装置中提供窄的长边边框宽度204,206。
期望有效地收集来自波导301的光并分配到光学窗中。此外，期望有效地向空间光调制器48提供偏振光。
图19B是以侧视图示出包括定向波导的定向显示器的示意图，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器。因此，定向背光源还可包括后反射器330，所述后反射器包括反射小平面303的线性阵列332，所述反射小平面被布置成使来自所述光源317a-n,319a-n的透射穿过所述波导301的多个小平面12的光反射回穿过所述波导301，以穿过所述第一引导表面6离开而进入所述光学窗27a-n,29a-n。波导301的小平面12和后反射器330的反射小平面303可在正交于所述横向方向的公共面上以相同的方向倾斜。以与于2014年2月21日提交的名称为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利公布2014/0240828(代理人参考No.355001)中所述类似的方式，该专利全文以引用方式并入本文，波导的小平面12可相对于第一引导表面的法线以角度(π/2-α)倾斜，并且后反射器303的反射小平面可相对于第一引导表面的法线以角度β倾斜，并且2β>π/2-sin-1(n.sin(α-θc))，θc是波导的小平面的临界角，并且n是波导材料的折射率。
有利的是，由波导301的小平面12透射的光可以被有效地朝观察窗27a-n,29a-n导向。
后反射器可与波导301间隔开以使得来自波导301的单个小平面12的光入射在后反射器330的多个反射小平面303上，后反射器330还包括在后反射器330的反射小平面303之间延伸的中间小平面334，这些中间小平面334在与后反射器330的反射小平面303相反的方向上成角度倾斜，使得来自光源的透射穿过波导301的多个小平面12的所述光不会入射在中间小平面334上。
有利的是，从空间光调制器48反射的光可被收集并返回到光学窗中，从而提高效率。
后反射器的反射面303可以具有不规则的节距，该节距可以是不规则的随机节距。后反射器的反射小平面具有跨反射小平面的阵列而变化的倾角。有利的是，可减小波导301与后反射器330之间的莫尔效应。
后反射器330的反射小平面303可以是线性的。后反射器330的反射小平面303可以是弯曲的。有利的是，小平面330可以如图19A所示弯曲，以提供与由光提取特征12的反射光直接提供的光学窗基本协同定位的光学窗。
后反射器330可以被设置成包括具有小平面303,304的反射表面331。来自光源317a的光线362可以被光提取特征12偏转并穿过波导301的侧6离开，进一步传播穿过反射偏振器336、漫射层68、可选的偏振旋转器338诸如半波片，然后入射到空间光调制器48(未示出)中。
特征12可以是未涂覆的，使得一些光将被透射并且入射到后反射器330的小平面303上，并且作为光线344被导向回穿过波导，从而有利地提高效率。对于光线344,363，反射偏振器将透射第一偏振态，并将正交偏振态反射为进一步入射到小平面303,334上的光线346。例如，小平面303,334可以90度的夹角布置，以实现回射属性，从而输出与光线344,363相比可能具有反射对称性的光线350。有利的是，输入到空间光调制器的效率得到改善。此外，可改善角均匀度。
期望在薄型封装中提供高效的定向背光源。
图20A是以透视图示出了包括定向波导的定向显示器的示意图，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器。
因此定向显示装置也可包括定向背光源，所述定向背光源包括如本文所述的光导301、透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器48被布置成接收穿过第一引导表面6输出的光，并且被布置成调制具有第一偏振的所述光的第一偏振分量387；以及反射偏振器336，所述反射偏振器被设置在波导301的第一引导表面6与空间光调制器48之间，并且被布置成透射第一偏振分量387并反射作为被拒绝的光346的所述输出光的第二偏振分量389，所述第二偏振分量具有与所述第一偏振387正交的偏振，所述后反射器330还包括中间小平面334，所述中间小平面在所述后反射器330的所述反射小平面303之间延伸，并且在公共面上以与所述后反射器330的所述反射小平面303相反的方向倾斜，使得多对反射小平面303与中间小平面334共同形成拐角小平面，所述拐角小平面被布置成反射被拒绝的光346以便供应回所述空间光调制器48，所述多对反射小平面303与中间小平面334在围绕所述空间光调制器48的法线取向的平面中倾斜，使得所述后反射器330在反射时将供应回空间光调制器48的被拒绝的光346偏振转换成所述第一偏振387。这种转换可以通过将第一偏振态和第二偏振态387,389布置成与线性延伸的反射小平面303,334大致倾斜45度的线性偏振态来实现。偏振旋转器338还可设置在反射偏振器336和空间光调制器48之间，并且被布置成旋转第一偏振分量。有利的是，可以实现有效的偏振转换装置并且提供高显示效率。
波导301和后反射器330布置有遮光层502，所述遮光层具有与空间光调制器48的有效区域对准的通光孔径503，以遮蔽来自波导301的边缘区域的散射。光学控制膜504可包括如本文其他地方所述的反射偏振器、波片、漫射体。空间光调制器48可包括偏振器510,518、基板512,516(其可以是玻璃)以及可还包括像素520,522,524的液晶层514。液晶模式可以是TN、VA、IPS、ECB或其他已知类型的液晶模式。对于某些操作模式，空间光调制器可以具有高响应速度，例如以提供120Hz或更高的帧速率操作。有利的是，这种布置可实现用于移动显示装置所需的低厚度。此外，如将在本文进一步描述的那样，可以实现多种背光操作模式。
可期望提供显示器的高效自动立体操作。
图20B是以透视图示出了包括视差屏障并且还包括定向波导的定向显示器的示意图，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器。这种显示器在于2015年3月19日(代理人参考No.371001)提交的题为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利申请14/663,251(美国专利公布2015/0268479)中有所描述，该专利申请全文以引用方式并入本文。与图20A的布置相比，另一个可切换的视差屏障101与波导301和空间光调制器48串联布置。可切换视差屏障101还可包括偏振器528、基板530,534和液晶层532，所述液晶层可包括可切换元件150,152，所述可切换元件可被布置成在透射操作和吸收操作之间切换。可响应于移动观察者的位置来跟踪这种屏障元件。在常规的背光源中，这种可切换视差屏障通常效率低下。
有利的是，本发明实施方案可以有效地照亮观察者的头部，从而提供明亮且低功耗的自动立体操作。此外，可通过减少幻视区可见性而减少串扰。此外可实现低厚度和小边框宽度。
期望提供定向显示设备的可切换操作以及进一步控制装置来优化功能。
图21是示出用于包括定向波导的定向显示器的控制系统的示意图，所述定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器。因此，定向显示设备可描述如本文所述的定向显示设备和被布置成控制光源317a-n,319a-n的控制系统。
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301和如上所述布置的照明元件317a-n的阵列317,319。控制系统被布置成选择性地操作照明元件317a-n以将光导向到可选择光学窗27a-n中。
控制系统可包括传感器系统，所述传感器系统被布置成检测观察者99相对于显示装置的位置。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，所述头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。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传感器。位置传感器406还可包括立体传感器，所述立体传感器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。
控制系统还可包括光源控制器402和提供有由头部位置测量系统404提供的被检测到的观察者位置的图像控制器403。另选地，光源控制器可提供有模式选择；本文将进一步描述这种模式。
照明控制器包括LED控制器402，其被布置成与波导301配合来确定阵列317的哪些光源应被转换以将光导向到观察者99的相应眼睛；以及LED驱动器400，其被布置成分别通过驱动线407,409控制对光源阵列317,319的光源的操作。光源控制器402可以是根据头部位置测量系统72所检测到的观察者99的位置进行操作的照明器元件317a-n,319a-n，使得光被导向到其中的光学窗27a-n,29a-n处于对应于观察者99的左眼和右眼的位置中。这样，波导301的横向输出方向性可对应于观察者位置。
图像控制器403被布置成控制SLM 48以显示图像。在SLM 48上显示的图像可与阵列317,319的光源的照明同步呈现。
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而LED控制器402操作光源317a-n,319a-n以将光导向到光学窗中对应于观察者99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，使得光导向到其中的观察窗处于对应于观察者的左眼和右眼的位置中。这样，可实现对应于观察者位置的波导301的输出方向性，使得在第一阶段第一图像可被导向到观察者的右眼，而在第二阶段被导向到观察者的左眼。
图22是以透视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向楔型波导的示意图。可以类似于图11所示的方式提供从楔型物1102的光提取。反射端1104可包括在横向方向和xz平面上提供偏转的复杂反射镜。反射端的菲涅耳反射镜部件的轴287,289相对于轴线1199倾斜。因此，布置在侧1122上的光源1117a可以成像到光学窗1126a中，并且光源1117b可以成像到光学窗1126b中。有利的是，减小长边边框的宽度。
现在将描述光学窗成像特性和均匀度特性。
图23至图25是以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导的照明的示意图。在图23至图24中，菲涅耳反射器的光轴287在一定方向上朝侧表面322倾斜，使得来自沿侧表面布置的光源阵列317的光源的输出光367a被导向到光学窗27a-n的分布的中央光学窗27a中。图23示出了光源317a可以朝在轴199上的光学窗27a导向，而图24示出了例如来自光源317b的不同光源朝光学窗27b导向，光学窗27b被布置成同轴的，即在窗平面中与轴线199对准。
图23至图24还示出了光源阵列317a,319a可协作以实现窗平面中的重叠窗27a,29a。有利的是，与其中单个光源提供光学窗的布置方式相比，这种重叠窗可以实现增加的亮度。这种显示器可以方便地实现高亮度操作。有利的是，当在高照明环境下诸如晴天在户外操作显示器时，可以看到明亮的图像。与具有相同显示亮度的常规背光源相比，可降低总显示功耗。
此外，与图12A相比，可以在侧322,324的较厚部分处提供阵列317,319的光源，所述阵列提供同轴光学窗。因此，对于给定的总背光层叠厚度，可以使用具有比图12A中的孔径高度更高的孔径高度的光源诸如LED，如图16B中对光源317a和317b进一步所示。因此使用常规的LED封装可以实现更高的亮度操作。更靠近侧302的LED可被布置成提供离轴照明，如将描述的那样。这种LED通常不需要为离轴观察位置提供这种高亮度水平。有利的是，可以进一步增加用于同轴观察的显示亮度，从而优化户外操作。
图25示出了图23的布置的光源319b,319c的离轴操作。光源319b,319c分别在波导301的右侧提供光线362b_R,362c_R，并在左侧提供光线362b_L，362c_L。来自光源319b的光线362b_R到小平面329_R的路径长度与光线362b_L到小平面329_L的路径长度不同。该路径长度不同意味着光线362b_R和362c_R之间的圆锥372的角度大于光线362b_L和362c_L之间的圆锥376的角度。
图26至图27是以正视图示出了包括具有被布置成提供第一光学窗和第二光学窗的第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导在横向方向上放大的变化的示意图。因此锥体370,374和378具有与锥体372,376,380不同的尺寸。锥角随菲涅耳反射器的横向位置的变化改变了系统的放大率，在图28中进一步示出，该图是通过绘制光学窗382相对于跨波导301的位置384的角度大小来示出第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化的示意曲线图。因此，对于阵列319，放大率可以如轮廓386所示意性示出地变化，并且对于阵列317，放大率可以如轮廓388所示意性示出地变化。
图29是以正视图示出了定向波导的同一侧上的第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化的示意图，图30是以正视图示出了用于图29的布置的光学窗尺寸的示意图。因此，通过锥体269a_R,269a_L,269b_R和269b_L在窗平面(在该平面来自波导301的不同区域的锥体重叠)处提供的光学窗在横向方向上具有不同的位置和宽度。
图31是以正视图示出了定向波导两侧的第一光源和第二光源在横向方向上放大的变化的示意图，图32是以正视图示出了图31的布置的光学窗尺寸的示意图。因此，由左侧322和右侧324上的光源提供的光学窗进一步重叠，从而提供窗平面的对称照明。
图33A至图33B是以顶视图示出了以与图32的正视图类似的方式布置的图23的光学窗位置的示意图。在该布置中，光学窗267a_R,267a_L可被布置成通过小平面327_R和327_L的设计同轴对准。类似地，光学窗269a_R,269a_L可被布置成通过小平面329_R和329_L的设计同轴对准。因此沿横向方向在方向271上提供光学窗269a-n，并且沿横向方向在与方向271相反的方向273上提供光学窗267a-n。有利的是，由于光学窗重叠，可在窗平面392处的同轴光学窗区域中提供高亮度。
期望增加重叠光学窗的宽度以增加用于高亮度操作的观察者自由度。
图34A至图34B是以顶视图示出了图24的布置的光学窗位置的示意图。在这些布置中，源317b和319b被布置成以与图24类似的方式提供同轴光学窗。有利的是，扩展了观察者自由度。
图35是以顶视图示出了图33A至图33B的布置方式的光学窗组合的示意图，图36是示出了图35的光学窗组合的窗平面中显示亮度422随横向位置424的变化的示意曲线图。图37是以顶视图示出了图33A的布置方式的中央光学窗组合的示意图，图38是示出了图37的光学窗组合的窗平面中的显示亮度422随横向位置424的变化的示意曲线图。
在图36所示的第一操作模式中，阵列317,319中的若干光源可以被照明。由曲线424表示的组合观察窗是用于显示表面的区域的光学窗的组合。有利的是，可以实现具有对称角观察窗轮廓的宽视角显示器。
在图38所示的第二操作模式中，较窄的观察窗尺寸可例如仅通过光源317a和319a的照明来实现。从两侧加入的光线可提供相对均匀的显示亮度。这种第二模式可有利地被布置成提供以下中的一者或多者：(i)防窥操作模式，类似于图9；(ii)绿色操作模式，其中光主要发送给中央观察者但不会在远离观察者眼睛的区域中浪费；(iii)日光操作模式，其中对于与广角模式相同的总功耗，在较窄的观察角度上提供高亮度图像；(iv)如参考图20B所述的视差光学元件照明。
以上实施方案描述了在显示表面上的不同位置的不同尺寸的重叠窗。期望提供一种适用于具有低串扰的自动立体操作的观察窗布置。
图39是以顶视图示出了另选的光学窗组合的示意图，图40是示出了图39的光学窗组合的显示器亮度随视角的变化的示意曲线图。光学窗269b_L,269b_R的同轴边缘与光学窗269a_R,267a_L的同轴边缘对准。这样，可以提供观察窗427,425。有利的是，自动立体窗布置方式可以具有低串扰。
图41是以正视图示出了菲涅耳反射器小平面的示意图，所述菲涅耳反射器小平面被布置成在横向方向上跨菲涅耳反射器的位置实现增加的光学窗均匀度。考虑到光源319a,319c照射小平面329，然后光线432,434和相应的光锥436,440(表示光源的宽度)入射在小平面329上。光线432入射在小平面区域430上，而光线434入射在可包括至少两个区域430,432的小平面329的较大区域上。在反射之后，由区域430为来自光源319a的光提供锥体438。通过比较，可以分别从两个小面区域430,432提供锥体442,444。因此，光线434的总反射锥体宽度增加。有利的是，可以补偿光源319a,319c和小平面329之间的路径长度的差值。此外，还可补偿亮度不均匀度。
期望提高效率和改善横向均匀度。
图42至图43是以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器以及与菲涅耳反射器相对的反射侧的波导的示意图。定向背光源还可包括面向反射端304的后端302。后端302的至少一部分可以是反射性的。反射层325可包括例如涂层或单独的反射材料。如图16B所示，端部302可以具有有限的厚度，并且因此入射在侧302上并且被透射的光可能发生一些光损失。有利的是，侧302的厚度可小于图12B中的侧2的厚度，因此可优化几何效率。
期望地，入射在后端302上的光可以在波导内被反射以提供离轴成像。如图42所示，对于平面反射器，入射光锥454可被镜面反射回菲涅耳反射器304。小平面327,329可以90度或类似的夹角布置。这种夹角将反射锥体456，从而有利地增加输出的均匀度。
图43示出了包括结构化表面的反射后端302。这种表面可增加反射光的锥体458。有利的是，可以提供扩展的广角输出并且增加均匀度。
期望提供对广角输出的增强控制。
图44至图45是以正视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器以及在与菲涅耳反射器相对的侧上的光源的波导的示意图。背光源还可包括分别沿与侧表面322,324相邻的后端302的至少一部分布置的输入源417a-c,419a-c。如图44所示，后端302的至少一部分是非反射性的，而在图45中，在源417a,419a之间的后端302上的横向方向上的间隙可以是反射性的。有利的是，可实现对离轴照明的增强控制。
期望跨波导301提供增加的横向均匀度。
图46是以顶视图、正视图和底视图示出了包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴287,289的菲涅耳反射器、矩形镜面侧304和矩形后端302的阶梯成像波导的示意图。窗放大的横向变化、对称光源阵列317,319以及来自后端302的反射光都会导致跨波导的横向不均匀度。
图47是以正视图示出在菲涅耳反射器的小平面处的反射效率的示意图。反射端304因此是包括交替的反射小平面327和329的菲涅耳反射器，所述反射小平面为该菲涅耳反射器提供正光焦度。离轴光束476入射在被小平面327遮蔽的小平面329上。因此，跨小平面329的节距A提供宽度为a的反射光束472。于是反射效率可以由比率a/A给出：
其中θi为入射角度，并且θf为小平面329的角度。因此，对于中央光源319a，所述效率跨菲涅耳反射器的横向范围变化。
图48是示出图46的波导布置方式的输出亮度随横向位置的变化的曲线图。因此，轮廓484可以通过图47中所示的镜面阴影来提供，而与放大和其他改变的组合可以实现所得的轮廓486，该轮廓可以在波导的中心提供较低的效率。
图49至图50是示出具有不同效率的阶梯成像波导的示意图，这些示意图为x方向上的横截面。图49示出了后端302的高度490为b且菲涅耳反射器端304的高度488为m的第一横截面，图50示出了后端302的高度491为B且菲涅耳反射器端304的高度489为M的第二横截面。因此，侧6一般不与阶梯侧8的元件10平行。波导301的两个横截面的相对几何效率大致由下式给出：
相对几何效率＝(1-b/m)/(1-B/M) 等式2
高度差可能由通常不平行于侧6的区域10引起。理想地，阶梯高度可以为至少0.5微米，优选地至少1.0微米并且更优选地至少1.5微米，以便在用工具加工和模制波导1期间最小化小平面倒角。为了最小化莫尔可见度，小平面12的节距可以理想地小于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，高度差225的范围可以通过光导的制造特征和图像外观特征来确定。
期望控制横向几何效率来补偿图48中所示的菲涅耳反射器效率滚降。
图51是以顶视图、正视图和底视图示出阶梯成像波导的示意图，该波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器、矩形镜面侧以及与菲涅耳反射器端304相对的具有横向变化的高度轮廓的后侧302。因此，所述定向波导可以包括如本文所述的波导301，其中(a)后端302在第一引导表面6和第二引导表面8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高，并且朝该光轴的每个侧降低。
图52A是示出曲线图的变化的曲线图，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中心处最小，并且朝该中心的每个侧降低；图52B是示出图51的波导布置方式的输出亮度480轮廓487随横向位置482变化呈平直状态的曲线图。
有利的是，波导301的横向均匀度可以被优化。
图53至图56是以透视图示出波导的布置方式的示意图，该波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器，并且具有在横向方向上为非平直轮廓的高度比率。在本发明的实施方案中，反射端304高度与后端302高度的比率通常可能在光轴199处最小，但是在如例如图53中所示的光孔处可能是最大的，这取决于跨菲涅耳反射镜和光提取特征12的输出的详细亮度变化。
图53至图56的实施方案可以针对从同轴光学窗位置观察显示设备的观察者99实现理想的空间均匀度。期望为窗平面392中的离轴观察位置提供高空间均匀度。
图53进一步示出了波导301的竖向布置方式。有利的是，可以向防窥操作模式和其他定向操作模式提供竖向操作。
图57是以顶视图示出在包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导中形成照明空隙的示意图。来自源317b的光线232从小平面327反射后，以类似于图14所示的方式生成空隙A，230。类似的空隙(未示出)可能存在于来自光源319b的反射几何形状的左侧上。
期望减少空隙A，230的出现。
图58至图62是以顶视图示出包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器的定向波导的示意图，所述定向波导被布置成提供照明空隙A的填充。透射小平面321可以如本文别处所公开的那样布置。反射小平面337可以被进一步布置在透射小平面321之间。所述小平面可以具有倾角，使得来自源317d的光线在从反射小平面337反射之后保持平行于空隙边界232。因此，小平面337作为包括小平面327和小平面337的菲涅耳反射器的一部分进行操作。阵列317的源之间的另外的小平面339可被布置成作为包括小平面329和小平面339的菲涅耳反射器的一部分进行操作。
因此，与沿其布置有光源的阵列617的表面322相对的侧表面324可以包括侧反射小平面337，其中所述侧反射小平面337提供侧菲涅耳反射器，该侧菲涅耳反射器在横向方向和光轴方向上具有与布置在反射端604处的菲涅耳反射器基本上相同的正光焦度。
图59示出输入小平面492和反射小平面494可以具有与光源阵列317,319不同的节距。有利的是，不需要将光源317a-n、319a-n与小平面对准，并且光源可以按线性阵列布置，从而改善机械耐用性。图60示出可以提供线性和旋转的光源与输入小平面321的组合。有利的是，可以准确地对准高光通量光源以优化效率，而低光通量光源可以更方便地对准。
图61示出输入小平面321可以具有微结构329。这样的微结构可被布置成将来自光源的光有效地铺展到菲涅耳反射器327、329和反射小平面337、339上。该微结构在每个小平面321、492上可以是相同的，或者可以沿波导的侧变化以提供对均匀度和效率的优化。图62示出来自光源317a-n和319a-n的光可以进一步入射到后端302上，该后端的微结构341被布置成将光导向到离轴观察方向，从而方便地增加离轴光学窗亮度。
考虑到图13，进一步期望在波导301的侧上提供光源，从而除减小长侧边框宽度之外减小短侧边框宽度，因而实现占用面积较小的背光源。
图63是以顶视图示出包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和短侧622上的光源615a-n的阵列615的定向波导的示意图；并且图64是以底视图示出包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和短侧上的光源的定向波导的示意图。图65是以透视图示出包括具有倾斜光轴的菲涅耳反射器和短侧上的光源的定向波导的示意图。
因此，定向背光源可以包括定向波导601和光源615a-n，所述定向波导601包括：在横向方向(y轴)上为细长的反射端604；从反射端604的横向延伸的边缘延伸的相对的第一引导表面和第二引导表面6,8，用于沿波导601朝反射端604引导输入光并且用于引导由反射端604反射的光远离反射端604，所述第二引导表面8被布置成将从反射端604反射的光偏转穿过第一引导表面6作为输出光；在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的侧表面622,624，其中所述光源包括沿侧表面622布置的光源615a-n的阵列615，用于通过该侧表面622提供所述输入光，并且所述反射端604包括在所述横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面605,606，所述第一小平面605是反射性的并且形成在所述横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，所述第二小平面606形成所述菲涅尔反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在一定方向上朝侧表面622倾斜的光轴687，在所述方向上所述菲涅耳反射器将来自光源阵列615的输入光偏转到波导601中，所述波导601被布置成在输出方向上将来自光源615a-n的输出光导向到相应的光学窗26a-n中，所述光学窗根据光源的位置而横向地分布。
与沿其布置有光源的阵列615的表面622相对的侧表面624可以包括侧反射小平面608，其中侧反射小平面608提供侧菲涅耳反射器，该侧菲涅耳反射器在横向方向和光轴方向上具有与布置在反射端604处的菲涅耳反射器基本上相同的正光焦度。侧反射小平面可以按与如例如图58中所述相同的方式提供空隙A的填充。
短侧624可以包括反射小平面608和拔模小平面610的阵列。反射端604可以包括具有小平面604和拔模小平面606的菲涅耳反射器。在操作中，来自源615c的光可以被导向到反射端604的小平面604并且被准直，使得光线614平行于轴线199。也可以对准弯曲小平面12的光轴399，并且在窗平面处提供同轴光学窗626c。
图64示出了后端602的形状，该形状使得(a)后端602在第一引导表面6和第二引导表面8之间的高度与(b)反射端604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，该轮廓在其上布置光源阵列615的侧处最高，并且在横向方向上降低。另外，后端602在第一引导表面6和第二引导表面8之间的高度可具有跨横向方向的轮廓，该轮廓在其上布置光源阵列的侧处最高，并且在横向方向上降低。
有利的是，可以补偿同轴光学窗位置的横向空间不均匀度。
有利的是，可以提供与例如图17的布置方式相比实现较小占用面积的定向背光源。另外，可以实现从同轴光学窗位置和离轴光学窗位置观察的空间均匀度。
期望使用薄波导从波导301提供高亮度输出。另外，期望使用可以包括高度与波导反射端的高度类似的LED的光源。
图66是以透视图示出定向波导301的示意图，该定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴287的菲涅耳反射器304以及可以包括被布置在短侧表面322、324上的LED的光源319。图67A是以侧视图示出定向波导301的为锥形并且包括输入小平面和反射小平面的侧324的示意图。表面322、324可以包括如本文别处所述的具有输入小平面492和反射小平面494的结构表面。菲涅耳反射器304的高度700大于侧302的高度702并且具有锥度，该锥度可以是线性的或者由菲涅耳反射器304和侧302之间的提取特征12的高度和节距确定的另一种轮廓。
图67B是以侧视图示出输入到图66的波导中的LED阵列的示意图。光源阵列319a-n可以由包括LED的LED阵列提供，所以LED具有高度为706的封装708和高度为704的发光区域710。发光区域710可以例如包括蓝色发光半导体器件诸如氮化镓芯片，并且还可以包括被布置成与所述半导体器件协作以提供白光的磷光体。另选地，可以提供分离的彩色装置，诸如红色、绿色和蓝色的发射装置。LED阵列可以被布置在印刷电路板712上。
图67C是以侧视图示出图67B的LED阵列与图67A的输入侧324对准的示意图。包括波导301的背光源的厚度通常由菲涅耳反射器304在反射端处的厚度700确定。为了使杂散光最小化，期望将LED发射孔710的高度704提供为小于侧302的高度702。因此，LED高度704被约束在薄封装中。此类薄LED具有有限的光通量，因此显示器亮度可能低于可能期望的亮度。
通过改变提取特征12的阶梯高度和节距，可以增大侧302的高度702。然而，增大高度702降低了波导效率。
期望在增大LED发射孔的高度704的同时提供高效率的薄波导。
图67D是以侧视图示出具有至少两种LED高度的LED阵列与图67A的输入侧对准的示意图。在LED阵列的第一区域730中可以提供具有低高度的LED，而在第二区域732中可以提供具有较大高度的LED。区域732中的LED可被布置成以高亮度提供同轴照明，而区域730中的LED可被布置成以较低的照度提供离轴照明。
有利的是，与图67C的布置方式相比，同轴亮度可以增大。
期望在LED阵列中提供单一类型的LED的同时实现高亮度和高波导效率。
图68A是以透视图示出定向波导301的示意图，该定向波导包括具有第一倾斜光轴287和第二倾斜光轴289的菲涅耳反射器，以及输入锥形区域722,724，所述输入锥形区域具有被布置在恒定高度720的短侧上的LED。锥形区域722,724可以是平坦的并且可以被布置为具有例如基本上为三角形的形状，使得输入侧302的高度702在表面8的提取特征12的区域的边缘处。在操作中，来自阵列319的源的光通过引导被耦合在输入侧324和提取表面的区域之间。杂散光可能由可以被屏蔽层(未示出)隐藏的锥形区域722,724提供。
因此，定向波导301包括与侧表面322、324相邻的至少一个锥形区域722,724，在所述锥形区域内，波导301在第一引导表面6和第二引导表面8之间的高度720沿从波导301的剩余部分朝侧表面322、324的方向增大。锥形区域722,724在横向方向(y轴)上的宽度在远离反射端304的方向上增大。
图68B是以后视图示出定向波导的示意图，该定向波导包括具有第一倾斜光轴和第二倾斜光轴的菲涅耳反射器，以及被布置在波导301的包括光提取特征的侧上的锥形区域722,724。锥形区域因此可以被设置在波导301的具有第二引导表面8的侧上。有利的是，锥形区域722,724和表面8可以被设置在同一个工具表面上，从而提供用于切割的单个工具和用于工具加工的单个基本上平坦的表面，因而降低了工具加工系统的复杂性并且进一步增大了模制收率。
图68C是以后视图示出定向波导的示意图，该定向波导包括在反射端304处的具有第一倾斜光轴287和第二倾斜光轴289的菲涅耳反射器，以及被布置在波导的第一(输出)侧6上的锥形区域722,724。
有利的是，用于光提取表面8的工具可以不如图68B中所使用的工具复杂。在其他实施方案中，锥形区域722,724可以被布置在表面6,8的两侧上。
图69A是以侧视图示出定向波导的侧的示意图，该侧具有输入锥度并且包括输入小平面和反射小平面。因此，输入侧324可以是矩形的，使得高度700,720基本上相同。
图69B是以侧视图示出输入到图68A的波导中的LED阵列的示意图。发射孔710的高度704因此可以相对于图67B的阵列的LED增大。图69C是以侧视图进一步示出图69B的LED阵列与图69A的输入侧302对准的示意图。
图70A至图70B是以与反射端相对的端部的端视图示出LED阵列分别与图68B至图68C的定向波导的各侧对准的示意图。因此，印刷电路板712可以方便地与波导301对准，以实现(i)附接到基本上平坦的表面6和/或可以覆盖如图70A中所示的锥形区域722,724的遮光性质，或者(ii)更方便地制造波导301，也如图68C中所示。图70B还示出了侧302可以具有小于光源阵列317,319的LED 708的高度的恒定高度。有利的是，可以实现方便的制造和组件布置方式。
图71是以反射端的端视图示出LED阵列与图68A的定向波导301的各侧对准的示意图。
有利的是，可以提供具有高光通量的LED来进行同轴照明，同时最小化由于LED发射孔310与输入侧324未对准造成的漏光所引起的杂散光。可以增大LED发射孔710的高度704，并且可以控制LED进入波导的耦合效率。另外，可以提供侧302的低厚度702，从而实现高效率。可以使用相同的LED，从而在实现同轴高亮度的同时降低复杂性和成本。
与阶梯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。
全文以引用方式并入本文的还有美国专利公布2013/0307831、2013/0335821、2013/0307946和2014/0009508，2016年4月13日提交的名称为“Wide angle imagingdirectional backlights”(广角成像定向背光源)的美国专利申请15/097,750，2016年4月13日提交的名称为“Wide angle imaging directional backlights”(广角成像定向背光源)的美国专利申请15/098,084，以及2015年6月26日提交的名称为“Directional privacydisplay”(定向防窥显示器)的美国专利申请14/751,878。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但应理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非是限制性的。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37 CFR 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 (36)
1.一种定向背光源，包括定向波导和光源，
所述定向波导包括：
在横向方向上为细长的反射端；
从所述反射端的横向延伸的边缘延伸的相对的第一引导表面和第二引导表面，用于沿所述波导朝所述反射端引导输入光并且用于引导由所述反射端反射的光远离所述反射端，所述第二引导表面被布置成将从所述反射端反射的光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光；以及
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，
其中
所述光源包括沿侧表面布置的光源阵列，用于通过所述侧表面提供所述输入光，并且
所述反射端包括在所述横向方向上彼此交替的第一小平面和第二小平面，所述第一小平面是反射性的并且形成在所述横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，所述第二小平面形成所述菲涅尔反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在一定方向上朝所述侧表面倾斜的光轴，在所述方向上所述菲涅耳反射器将来自所述光源阵列的输入光偏转到所述波导中，所述波导被布置成在输出方向上将来自所述光源的所述输出光导向到相应的光学窗中，所述光学窗根据所述光源的位置而横向地分布。
2.根据权利要求1所述的定向背光源，其中
所述光源包括两个光源阵列，每个光源阵列沿所述侧表面中的一个侧表面布置，并且
所述第一小平面和所述第二小平面是反射性的，所述第一小平面和所述第二小平面分别形成在所述横向方向上各自具有正光焦度的第一菲涅耳反射器和第二菲涅耳反射器的反射小平面，所述第二小平面和所述第一小平面分别形成所述第一菲涅耳反射器和所述第二菲涅耳反射器的拔模小平面，所述第一菲涅耳反射器和所述第二菲涅耳反射器具有在多个方向上朝相应的侧表面倾斜的光轴，在所述多个方向上所述菲涅耳反射器将来自沿所述相应的侧表面布置的所述光源阵列的输入光偏转到所述波导中。
3.根据权利要求2所述的定向背光源，其中所述第一小平面和所述第二小平面关于从所述反射端延伸的对称平面具有镜面对称性，所述第一菲涅耳反射器和所述第二菲涅耳反射器的所述光轴从所述对称平面朝所述相应的侧表面倾斜。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述光源被布置为关于所述对称平面具有镜面对称性。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，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在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为在允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开的方向上导向由所述反射端反射的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求6所述的定向背光源，其中所述光提取特征具有光轴，所述菲涅耳反射器的光轴相对于所述光轴是倾斜的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的定向背光源，其中所述光提取特征和所述中间区域以阶梯形状彼此交替。
9.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，还包括面向所述反射端的后端。
10.根据权利要求9所述的定向背光源，还包括输入源，所述输入源沿与所述侧表面相邻的所述后端的至少一部分布置。
11.根据权利要求9或10所述的定向背光源，其中所述后端的至少一部分是反射性的。
12.根据权利要求9或10所述的定向背光源，其中所述后端的至少一部分是非反射性的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中(a)所述后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(b)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轮廓，所述轮廓在其上布置所述光源阵列的所述侧处最高，并且在所述横向方向上降低。
14.根据权利要求13所述的定向波导，其中所述后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，所述轮廓在其上布置所述光源阵列的所述侧处最高，并且在所述横向方向上降低。
15.根据权利要求6所述的定向背光源，其中(a)所述后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(b)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轮廓，所述轮廓在所述光提取特征的所述光轴处最小，并且朝所述光轴的每个侧增大。
16.根据权利要求15所述的定向波导，其中所述后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，所述轮廓在所述光提取特征的所述光轴处最低，并且朝所述光轴的每个侧降低。
17.根据权利要求16所述的定向波导，其中所述后端在所述第一引导表面处的所述边缘是弯曲的，并且所述后端在所述第二引导表面处的所述边缘是直的，以提供所述轮廓。
18.根据前述权利要求中任一项所述的定向波导，其中所述波导包括与所述侧表面相邻的锥形区域，在所述锥形区域内，所述波导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沿从所述波导的剩余部分朝所述侧表面的方向增大。
19.根据权利要求18所述的定向波导，其中所述锥形区域在所述横向方向上的宽度在远离所述反射端的方向上增大。
20.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述菲涅耳反射器的所述光轴在一定方向上朝所述侧表面倾斜，使得来自沿侧表面布置的所述光源阵列的光源的所述输出光被导向到光学窗的分布的中央光学窗中。
21.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中沿其布置有所述源阵列的所述侧表面包括凹陷部，所述凹陷部包括面向所述反射端的输入小平面，所述光源被布置成通过所述输入小平面提供所述输入光。
22.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中与沿其布置有所述源阵列的所述表面相对的所述侧表面包括侧反射小平面，其中所述侧反射小平面提供侧菲涅耳反射器，所述侧菲涅耳反射器在所述横向方向和光轴方向上具有与布置在所述反射端处的所述菲涅耳反射器基本上相同的正光焦度。
23.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，还包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，所述反射小平面的线性阵列被布置成使来自所述光源的、透射穿过所述波导的多个小平面的光反射回穿过所述波导，以穿过所述第一引导表面离开而进入所述光学窗。
24.根据权利要求23所述的定向背光源，其中所述波导的所述小平面和所述后反射器的所述反射小平面在正交于所述横向方向的公共面上以相同的方向倾斜。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的定向背光源，其中所述波导的所述小平面相对于所述第一引导表面的法线以角度(π/2-α)倾斜，并且所述后反射器的所述反射小平面相对于所述第一引导表面的法线以角度β倾斜，并且2β>π/2-sin-1(n.sin(α-θc))，θc是所述波导的所述小平面的临界角，并且n是所述波导的材料的折射率。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器与所述波导间隔开，使得来自所述波导的单个小平面的光入射在所述后反射器的多个反射小平面上，所述后反射器还包括在所述后反射器的所述反射小平面之间延伸的中间小平面，所述中间小平面在与所述后反射器的所述反射小平面相反的方向上成角度倾斜，使得来自所述光源的透射穿过所述波导的多个小平面的所述光不会入射在所述中间小平面上。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器的所述反射小平面具有不规则节距。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器的所述反射小平面具有不规则的随机节距。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器的所述反射小平面具有跨反射小平面的阵列而变化的倾角。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器的所述反射小平面是线性的。
31.根据权利要求23至30中任一项所述的定向背光源，其中所述后反射器的所述反射小平面是弯曲的。
32.一种定向显示装置，包括：
根据前述权利要求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。
33.一种定向显示装置，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源；
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穿过所述第一引导表面输出的光，并且被布置成调制具有第一偏振的所述光的第一偏振分量；以及
反射偏振器，所述反射偏振器被设置在所述波导的所述第一引导表面与所述空间光调制器之间，并且被布置成透射所述第一偏振分量并反射作为被拒绝的光的所述输出光的第二偏振分量，所述第二偏振分量具有与所述第一偏振正交的偏振，
所述后反射器，所述后反射器还包括中间小平面，所述中间小平面在所述后反射器的所述反射小平面之间延伸，并且在公共面上以与所述后反射器的所述反射小平面相反的方向倾斜，使得多对反射小平面与中间小平面共同形成拐角小平面，所述拐角小平面被布置成反射被拒绝的光以便供应回所述空间光调制器，所述多对反射小平面与中间小平面在围绕所述空间光调制器的法线取向的平面中倾斜，使得所述后反射器在反射时将供应回空间光调制器的被拒绝的光的偏振转换成所述第一偏振。
34.根据权利要求33所述的定向显示装置，还包括偏振旋转器，所述偏振旋转器被设置在所述反射偏振器与所述空间光调制器之间，并且被布置成旋转所述第一偏振分量。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的定向显示装置，其中所述空间光调制器具有矩形形状，所述矩形形状具有与所述定向波导的所述反射端对准的第一侧，所述菲涅耳反射器的所述光轴相对于所述空间光调制器的所述矩形形状的与其第一侧垂直的轴倾斜。
36.一种定向显示设备，包括：
根据权利要求32至35中任一项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。
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