CN108323187A - 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。在第二向后方向上传播的返回光可被所述特征折射、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，在操作中，由于菲涅耳反射镜的结构的不利成像特征，可能形成亮度条纹和明亮照明区域。提供菲涅耳反射镜拔模小平面和反射小平面微结构，所述微结构可降低光条纹和明亮照明区域的可视性。

Description

广角成像定向背光源
相关申请的交叉引用
本专利申请要求以下专利的优先权：2015年4月13日提交的名称为“Wide AngleImaging Directional Backlights”(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 ImagingDirectional 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 DirectionalBacklights”(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 DirectionalBacklights”(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“Wide Angle Imaging DirectionalBacklights”(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)，所有这些专利申请全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地涉及用于从局部光源提供大面积照明以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用的光导。
背景技术
空间多路复用自动立体显示器通常使视差部件(诸如透镜状屏幕或视差屏障)与图像阵列对准，该图像阵列被布置成在空间光调制器(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。
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具有减小的发散度，通常通过波导反射端处的弯曲反射镜准直，并且通过弯曲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)。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波导反射回输入光的反射端，第二引导表面被布置成使经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，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，反射小平面为菲涅耳反射器在横向上提供正光焦度，并且在菲涅耳反射器的至少中心区域中，平行于反射端光轴的拔模小平面的深度大于反射小平面的深度。横向跨反射端的反射小平面的节距可以是恒定的。横向跨反射端的反射小平面的宽度为至多1mm。每个拔模小平面的深度可为至少0.5μm。位于第一引导表面与第二引导表面之间的反射端的高度可具有平坦的轮廓。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，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波导引导的光，中间区域被布置成沿波导引导光。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。
有利的是，菲涅耳反射器可在横向方向上具有基本上均匀的散射，从而实现增大的显示均匀度。
根据本公开的第二方面，定向波导可包括：输入端；用于沿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波导反射回输入光的反射端，第二引导表面被布置成使经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，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，反射小平面为菲涅耳反射器在横向上提供正光焦度，其中相邻的拔模小平面与反射小平面之间的内角相同。
在用于离轴观察的定向显示设备的防窥操作模式中，希望最大程度降低跨整个显示区域的亮度。来自菲涅耳反射器的拔模小平面的例如基本上平行的内反射可提供亮度增大的伪影区域。有利的是，根据第二方面，相比包括平行拔模小平面的菲涅耳反射器，伪影区域的亮度可减小。另外，可改善涂层效率，从而实现增大的显示亮度和横向均匀度。
根据本公开的第三方面，定向波导可包括：输入端；用于沿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波导反射回输入光的反射端，第二引导表面被布置成使经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，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，反射小平面为菲涅耳反射器在横向上提供正光焦度，每个反射小平面具有被构造成对从其反射的光提供横向角漫反射的微结构。
微结构包括多个弯曲的子小平面。弯曲的子小平面可为凹形的或凸形的，因为两种形状都可以提供横向角漫射。
在用于离轴观察的定向显示设备的广角操作中，希望最大程度地减少因输入光源阵列的光源之间的间隙成像而引起的条纹伪影。在此类显示器的防窥操作中，希望最大程度地减少因漫射片引起并且可增大离轴观察所看到的光量的散射。有利的是，根据本发明，可通过由菲涅耳反射器的小平面提供漫射特性来减少条纹伪影。另外，可控制菲涅耳反射器的漫射量以相比于漫射片减少散射，从而最大程度地降低离轴观察的亮度并改善防窥性能。
根据本公开的第三方面，定向波导可包括：输入端；用于沿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波导反射回输入光的反射端，第二引导表面被布置成使经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，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，反射小平面为菲涅耳反射器在横向上提供正光焦度，并且拔模小平面被布置成具有比反射小平面低的反射率。
在用于离轴观察的定向显示设备的防窥操作模式中，希望最大程度地降低跨整个显示区域的亮度，来自菲涅耳反射器的带反射涂层的拔模小平面的内反射可提供亮度增大的伪影区域。有利的是，根据第三方面，相比包括反射率与反射小平面基本上相同的拔模小平面的菲涅耳反射器，伪影区域的亮度可降低。
根据本公开的另一个方面，定向背光源可包括：根据上述任一方面所述的定向波导；以及跨波导的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阵列。
根据本公开的另一个方面，定向显示装置可包括根据上述方面所述的定向背光源；以及被布置成接收来自波导的输出光并且对其进行调制以显示图像的透射空间光调制器。
根据本公开的另一个方面，定向显示设备可包括根据上述方面所述的定向显示装置；以及被布置成控制光源的控制系统。
有利的是，可形成光学窗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以下模式之间切换的操作模式：(i)与常规非成像背光源具有类似空间和角均匀度的广角观察模式、(ii)自动立体3D模式、(iii)防窥模式、(iv)双视模式、(v)省电模式以及(vi)用于室外操作的有效高亮度模式。
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，用于防窥或省电应用)、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省电操作和/或高亮度操作的其它定向显示器应用。
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，如将描述的那样，本公开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。
定向背光源对源自基本上整个输出表面的照明提供控制，输出表面通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧处的独立LED光源来控制。控制发射光定向分布可使得单人观察：可实现安全功能，其中显示器可仅由单个观察者从有限的角度范围观察；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，本公开的这些以及其它优点和特征将变得显而易见。
附图说明
实施方案在附图中以举例的方式示出，其中类似的参考标号指示类似的部件，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包括连续弯曲反射镜端和矩形反射镜以及输入端的阶梯式成像波导；
图14是根据本公开的示意图，其示出了亮度随图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包括菲涅耳反射器端和矩形反射镜以及输入端的阶梯式成像波导；
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17是根据本公开的示意图，其以正视图示出了具有固定拔模角的菲涅耳反射器的涂覆方法；
图18是根据本公开的示意图，其以正视图示出了具有不完整金属化反射小平面的菲涅耳反射器的小平面处的反射效率；
图19是根据本公开的示意图，其以正视图示出了具有可变拔模角的菲涅耳反射器的涂覆方法；
图20和图21是根据本公开的示意图，其以正视图示出了反射端针对第一拔模角和第二拔模角的模具的切割。
图22和图23是根据本公开的示意图，其以正视图示出了在第一拔模角和第二拔模角的模具脱模步骤期间反射端与模具的脱离；
图24是根据本公开的示意图，其示出了因菲涅耳反射器中心的工具量化误差引起的图案化伪影；
图25是根据本公开的示意图，其示出了菲涅耳反射镜中心的小平面的高度，该菲涅耳反射镜的中心区域具有相比外部区域更宽的小平面；
图26是根据本公开的示意图，其以正视图示出了来自图25的菲涅耳反射镜的小平面的光衍射；
图27是根据本公开的示意图，其以正视图示出了菲涅耳反射镜的相邻小平面的阶段高度变化；
图28和图29是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图24的图案化伪影的起源；
图30A是根据本公开的示意图，其示出了图24的图案化伪影的校正；
图30B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了来自图30A的菲涅耳反射镜的小平面的光衍射；
图31是根据本公开的示意图，其以正视图示出了位于图30A的中心区域的菲涅耳反射镜的相邻小平面的阶段高度变化；
图32是根据本公开的示意图，其以正视图示出了图24的图案化伪影的校正；
图33A和图33B是根据本公开的示意图，其示出了被布置成修改菲涅耳反射镜的漫射特性的另一种菲涅耳反射器设计；
图34A是根据本公开的示意图，其以透视正视图示出了如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的位置；
图34B和图34C是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图35、图36、图37、图38和图39是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光线路径，该光线路径有助于形成如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形；
图40A和图40B是根据本公开的示意图，其以正视图示出了波导中的光线路径，该波导包括具有降低反射的带反射涂层的反射小平面和拔模小平面；
图40C是根据本公开的示意图，其以正视图示出了波导中的光线路径，该波导包括带反射涂层的反射小平面和漫射拔模小平面；
图41是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有垂直拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图42是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有倾斜拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图43是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有吸收性拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图44是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括恒定内角的菲涅耳反射器；
图45是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有恒定内角的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图46和图47是根据本公开的照片，其示出了具有平坦菲涅耳反射镜小平面的定向显示器的离轴观察的条纹伪影；
图48是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括垂直拔模和平坦反射小平面的菲涅耳反射器；
图49是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括垂直拔模和弯曲反射小平面的菲涅耳反射器；
图50是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括平坦拔模、弯曲反射小平面和恒定内角的菲涅耳反射器；
图51是根据本公开的示意图，其以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有恒定内角和弯曲反射小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成；
图52是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括弯曲拔模、弯曲反射小平面和恒定内角的菲涅耳反射器；
图53是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括弯曲反射小平面和恒定内角的菲涅耳反射器的中心区域；
图54是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了用于切割菲涅耳反射镜工具的弯曲小平面和平坦拔模的金刚石；
图55是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括凹形微结构化小平面的菲涅耳反射器；
图56是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括凸形微结构化小平面的菲涅耳反射器；
图57是根据本公开的示意图，其以顶视图示出了包括具有多个漫射特性的微结构化小平面的菲涅耳反射器；
图58是根据本公开的示意图，其以透视图示出了定向显示装置的结构，该定向显示装置包括具有空间光调制器的定向背光源；
图59A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀；
图59B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀；
图59C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59A至图59B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59D是根据本公开的示意图，其以透视图示出了定向显示装置的结构，该定向显示装置包括定向背光源，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，希望提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。可例如通过大小为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合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度。然而，照明器元件的大小增加意味着定向光学元件的大小成比例地增加。例如，成像到65mm宽观察窗的16mm宽的照明器可需要200mm的后工作距离。因此，光学元件的厚度增加可妨碍有效应用于例如移动显示器或大面积显示器。
为解决上述缺点，如全文以引用方式并入本文的共同拥有的美国专利申请13/300,293(美国专利公布2012/0127573)所述的光学阀有利地可与快速切换透射空间光调制器组合布置，以在薄型封装中实现时间多路复用自动立体照明，同时提供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。这样，来自多个光源中每一者的光对于处于相应观察窗之外的观察者眼睛而言是基本上不可见的。
相比之下，常规非成像背光源或导光板(LGP)用于2D显示器的照明，请参见例如et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec,2004)( 等人，双面发光的背光源单元，《国际信息显示学会会志》，第12卷，第4期，第379-387页，2004年12月)。非成像背光源通常被布置成将来自多个光源的照明导向穿过显示器面板进入对于多个光源中的每一者而言基本上共用的观察区中，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。这样，来自多个光源中每一者的光对于处于跨观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如以便与朗伯型照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自3M的BEFTM提供。然而，此类方向性可与相应光源中的每一者基本上相同。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它原因，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，其可为被称为例如光阀、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且导向至观察窗，如美国专利申请序列号13/300,293(美国专利公布2012/0127523)中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
此外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为至少一个光学阀。阶梯式波导是成像定向背光源的波导，该成像定向背光源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区域的时空定向照明。另外，可采用比光学元件后工作距离更薄的光学元件以将来自宏观照明器的光导向到窗平面。此类显示器可使用光提取特征阵列，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。
已提出和证实用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源具体实施，包括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。
本公开提供阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如可包括第一侧面和第一组特征的阶梯式波导的内面之间来回反射。在光沿着阶梯式波导的长度行进时，光可基本上不改变相对于第一侧面和第一组表面的入射角，并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是示出定向显示装置的一个实施方案中光传播的正视图示意图，并且图1B是示出图1A的定向显示装置中光传播的侧视图示意图。
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-15n来讨论，但可使用其它光源，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、SLM48、提取结构特征12、引导结构特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图为图1A中所示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-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，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸以沿波导1来回引导光。第二引导表面具有面向反射端4的多个光提取结构特征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穿过波导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，光提取特征12中间的第二引导表面的中间区域则引导光而不提取光。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可包括光提取特征12和中间区域的阶梯式形状。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各自的光学窗中，该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。如在输入端2处限定且相对于输出光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与横向方向大致正交。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。
可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1A中以正视图示出，其侧面轮廓在图1B中示出。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明器阵列15(诸如照明器元件15a至15n的阵列)发出，其沿着阶梯式波导1的薄端侧面2的表面x＝0位于不同位置y。光可在阶梯式波导1内在第一方向上沿+x传播，与此同时，光可在xy平面中成扇形射出并且在到达远处弯曲端侧面4后可基本上或完全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度高达但不超过引导材料的临界角。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，因此在第一方向上沿+x传播的基本上所有光都可能错过该提取特征12，从而确保基本上无损耗的前向传播。
继续讨论图1A和图1B，可使阶梯式波导1的弯曲端侧面4具反射性，通常通过用反射性材料(诸如银)涂覆而实现，但也可采用其他反射技术。光因此可在第二方向上重新导向，顺着引导件在-x方向上返回并且可在xy或显示器平面中基本上准直。角展度可在围绕主要传播方向的xz平面中基本上保持，从而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，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件15a-15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿输入边缘2具有独立照明器元件15a-15n随后使光能够从整个第一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图1A中所示。
用此类装置照明空间光调制器(SLM)48(诸如快速液晶显示器(LCD)面板)可实现自动立体3D，如图2A中的顶视图或从照明器阵列15末端观察的yz-平面、图2B中的正视图以及图2C中的侧视图所示。图2A是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，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SLM48的后方。在同步中，可选择性地打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至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图像中。
反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在反射端4通常具有正光焦度的实施方案中，光轴可参考反射端4的形状定义，例如为穿过反射端4的弯曲中心并且与端4围绕x轴的反射对称轴重合的线。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它部件类似地定义，所述其它部件例如为光提取特征12(如果它们是弯曲的)或下文所述的菲涅耳透镜62。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面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面2、反射侧面4、可基本上平坦的第一光导向侧面6，以及包括引导特征10和光提取特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自例如可为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16可在阶梯式波导1中通过第一光导向侧面6的全内反射以及引导特征10的全内反射引导至可为镜面的反射侧面4。虽然反射侧面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面4。
继续讨论图3，由反射侧面4反射的光线18可进一步在阶梯式波导1中通过反射侧面4的全内反射引导并且可被提取特征12反射。可入射在提取特征12上的光线18可基本上偏转离开阶梯式波导1的引导模式，并且可如图所示被光线20导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的大小、侧面4和提取特征12中的输出设计距离和屈光力确定。观察窗的高度可主要由提取特征12的反射锥角和输入侧面2处输入的照明锥角确定。因此，每个观察窗26代表相对于与标称观察距离处的平面相交的空间光调制器48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。
图4A是以正视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取特征。此外，图4A以正视图示出了在阶梯式波导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可在窗26中与光线20相交或可在窗中具有与如光线32所示的不同高度。此外，在各种实施方案中，波导1的侧面22,24可以是透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取特征12可为细长的，并且光提取特征12在光导向侧面8(光导向侧面8在图3中示出，但在图4A未中示出)的第一区域34中的取向可不同于光提取特征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。
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。侧面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，其中反射侧面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是以正视图示出具有基本上线性光提取特征的定向显示装置的实施方案的示意图。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是示出在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中第一观察窗的生成的一个实施方案的示意图，图6B是示出在第二时隙中时间多路复用成像定向背光源设备中第二观察窗的生成的另一个实施方案的示意图，并且图6C是示出时间多路复用成像定向显示装置中第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施方案的示意图。另外，图6A示意性地示出了通过阶梯式波导1生成照明窗26。照明器阵列15中的照明器元件群组31可提供导向观察窗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可提供导向观察窗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。可利用本文所述的所有定向背光源实现类似的操作。应当注意，照明器元件群组31和33各自包括来自照明元件15a至15n的一个或多个照明元件，其中n为大于一的整数。
图7是示出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，沿轴29选择性地打开和关闭照明器元件15a至15n提供观察窗的定向控制。可利用相机、运动传感器、运动检测器或任何其它适当的光学、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是示例性地示出包括成像定向背光源的多观察者定向显示装置的一个实施方案的示意图。如图8所示，至少两个2D图像导向一对观察者45,47，使得每个观察者可在空间光调制器48上观看不同的图像。图8的两个2D图像可以相对于图7所述类似的方式生成，其中两个图像依次并以与其光导向两个观察者的光源同步的方式显示。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是示出包括成像定向背光源的防窥定向显示装置的示意图。出于安全和效率目的，2D显示系统也可使用定向背光，其中光可主要在第一观察者45的眼睛处导向，如图9所示。另外，如图1所示，尽管第一观察者45可能能够观察装置50上的图像，但光不导向第二观察者47，因此防止第二观察者47观察装置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，其以侧视图示例性地示出了包括成像定向背光源的时间多路复用定向显示装置的结构。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，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，可因此使用激光提供照明器阵列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，并且进一步减少散斑。或者，照明器阵列15可为激光发光元件阵列。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大值所述，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式波导的光可从跨第一侧面的点输出，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定向膜以朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不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。现在将描述控制系统的布置方式和操作，并且在必要时加以修改的情况下可适用于本文所公开的每个显示装置。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-l5n以将光导向到可选择观察窗中。
反射端4会聚经反射的光。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99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；以及可例如包括计算机视觉图像处理系统的头部位置测量系统404。位置传感器406可包括已知的传感器，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。或者，位置传感器406可包括对眼睛间距的测量，从而测量来自定向显示器拼片的观察窗的相应阵列的所要求位置。
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提供的观察者的经检测位置。
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以将光导向至观察者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74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者的位置来选择要操作的照明器元件15，使得其中导入光的观察窗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以显示在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且同步地显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。在一个示例中，单个观察窗可通过借助驱动线410操作光源409(其可包括一个或多个LED)来照明，其中如本文其它地方所述，未驱动其它驱动线。
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，使得其中导入光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，并且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被布置成在从反射端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对齐且被进一步布置成提供光学窗的视差元件1100。类似于图11所示的控制系统72可被布置成提供对方向信息的控制，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包括连续弯曲的反射镜端4和矩形反射镜端4以及输入端2的阶梯式成像波导。光源15对定向成像波导诸如阶梯式波导1的输入孔照明，光线200被弯曲反射镜4反射并且准直。跨线202被小平面12反射的输出光可相对于跨波导1的宽度的位置具有亮度轮廓。
图14为曲线图，其示出了对于图13的波导配置，亮度204随跨波导1的横向位置206的变化。实现了基本上平坦的轮廓208。有利的是，为光源阵列15a-15n的中心光源15提供了高横向均匀度。
相比常规散射波导，反射镜端4的连续弯曲增大了波导的空间占用，从而增大了斜面尺寸。希望减小波导1的斜面并同时保持轮廓208的横向均匀度。
在本发明的实施方案中，跨线202的均匀度轮廓208表示跨波导1的空间均匀度。这与跨光学窗阵列的角均匀度是独立的。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，同一背光源可在广角模式下提供跨+/-45度角范围可大于20％的角均匀度。在防窥、3D、高效和室外操作模式中，跨+/-45度的角均匀度可大于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包括菲涅耳反射器端4和矩形反射镜端4以及输入端2的阶梯式成像波导1。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的准直不采取动作的小平面220，以及拔模222。在从弯曲小平面12反射之后，如本文其它地方所述提供光学窗26。
因此，定向波导1包括：输入端2；用于沿波导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的反射端4，该反射端用于沿波导1反射回输入光，第二引导表面8被布置成使经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)。
图16为示意图，其以正视图示出了菲涅耳反射器端4的小平面处的光损耗。反射端4因此是包括交替的反射小平面220和拔模小平面222的菲涅耳反射器，反射小平面为菲涅耳反射器提供正光焦度。因此，可通过菲涅耳反射器为光源15提供基本上准直的光线200。离轴光束224入射在被拔模222遮蔽的小平面220上，因此，跨小平面220的间距A，提供宽度为α的反射光束228。反射效率则可由α/A给出：
其中θi是入射角，并且θf是小平面220的角度。因此，对于中心光源15，效率随横向位置206降低。
效率降低率对于几乎垂直准直的光随小平面角度的增大而增大，并且导致中心/边缘的不一致的迎面亮度。可通过于2016年4月13日提交的美国专利申请15/097750中所述的各种方法来降低横向不均匀度，该专利全文以引用方式并入本文。
具有反射端的定向波导的横向不均匀度和效率可取决于所施加的反射涂层的结构，包括厚度和面积覆盖。希望提供经有效涂覆的菲涅耳反射镜的小平面。
图17是以正视图示出了具有固定拔模角的菲涅耳反射器的涂覆方法的示意图，固定拔模角即拔模小平面222相对于x轴方向的角度基本上恒定。当反射小平面220的角度随着跨菲涅耳反射器宽度的横向位置变化时，拔模小平面222与反射小平面220之间的内角1602,1604,1606跨菲涅耳反射器的宽度变化。
在涂覆反射层1605的过程中，涂覆材料1603可例如在蒸镀设备中具有一定方向性。这种涂覆方向性可提供涂覆程度不如其它区域的区域1607。区域1607可位于反射小平面的低点处，如图18所示，这将降低涂覆小平面220的反射效率。
图18是以正视图示出具有不完整金属化反射小平面的菲涅耳反射器的小平面处的反射效率的示意图。在操作中，入射的光锥224和反射小平面220上的角度θi被反射到光束226,228,230中，宽度a可减小，因此效率a/A可降低。另外，效率随横向位置的降低与经过充分涂覆的表面相比劣化，因此横向均匀度进一步劣化。
希望使用定向涂覆方法增大效率和横向均匀度。
图19是以正视图示出用于具有可变拔模角的菲涅耳反射器的涂覆方法的示意图。小平面222可具有恒定内角1611，因此拔模小平面不垂直，并且可改善涂层1605的效率，尤其是在经涂覆小平面220的低点处的区域1607中的效率。
希望提供在注塑过程中具有高收率的菲涅耳反射镜小平面形状。
图20至图21是以正视图示出第一拔模角和第二拔模角的反射端的模具切割的示意图。图20示出了可以例如是镍或铜并且形成有与波导1反向的结构的模具1670。在注入诸如聚碳酸酯的PMMA之类的材料之后，随后通过沿方向1680的相对移动将模具1670与波导1分离。此类移动导致在拔模小平面222处具有高阻力1682，从而可能在拔出过程中损坏所拔出的部件和/或工具。相比之下，如图22所示，反射小平面(在涂覆之前)和具有恒定内角1611的拔模小平面222在拔模小平面的区域上具有减小的提取压力，从而减少了波导1和工具1670的潜在损坏，有利地提高了提取收率。
希望缩短工具1670的切割时间。
图22至图23是示意图，以正视图示出了在第一拔模角和第二拔模角的脱模步骤期间反射端从模具的脱离。如图22所示，对于基本上平行的拔模工具小平面222T，则需要诸如金刚石1676的切割工具跨工具表面220T通过多次，这增加了切割时间并增加了工具不对准和加工伪影的可能性。相比之下，如图23所示，对于恒定内角1611，则单个金刚石1672可采用在切割之间旋转角度1679的轴1678方向，每次切割提供一对工具拔模小平面222T和工具小平面220T表面。有利的是，可缩短切割时间。
图24为照片，示出了当从离轴位置成像时菲涅耳反射器的中心处由加工量化误差引起的图案化伪影。在区域240中，可看到似乎从菲涅耳反射器的中心发出的垂直亮线和暗线。这些线随观看位置的变化而旋转。希望除去这些线的外观以提供更高的均匀度。
希望提供这样的菲涅耳反射镜，其可通过在相邻小平面之间具有可实现的最小可重现阶梯高度的加工和复制过程来提供。
图25是示意图，示出了菲涅耳反射镜的中心处的小平面的高度，该菲涅耳反射镜包括具有与外部区域相比宽度增加的小平面的中心区域。在中心区域中，小平面之间的阶梯高度变化减小。这种小阶梯高度在用于注塑光学波导的常规工艺中不容易重现；例如，期望的最小阶梯高度可为1μm。
示出了具有最小量化阶梯高度但被布置成与平滑表面的轮廓匹配的加工部件相对于横向位置206的菲涅耳反射器的表面高度249的曲线图。因此，在外部区域244中，菲涅耳反射器的小平面220和拔模小平面222区域可具有规则的间距。然而，在中央区域242中，工具的切割量化意味着阶梯之间的间距可增大以提供小平面220和拔模小平面222。在区域242，拔模高度与加工方法的量化高度相同，例如，可实现的最小切割高度。
图26是示意图，以正视图示出来自图25的菲涅耳反射镜的小平面的光衍射，其为来自图25的结构的光反射。菲涅耳反射器的中心区域中的光线246经受由于低相位结构而导致的相对低水平衍射，并且被菲涅耳反射器小平面反射为相对未衍射的光线248。通过比较，入射在外部区域244上的光线247遇到来自菲涅耳反射器的小平面220的相位结构，从而被散射到锥体250中。
图27是示意图，以正视图示出菲涅耳反射镜的相邻小平面的相位高度变化。小平面220和拔模小平面222的相对高度在方向上平行于光轴199。因此，由于区域244中菲涅耳反射镜的相邻小平面219,220之间具有阶梯267，通常存在小的反射光相移。然而，在中心区域242中，可能不提供相移。因此，对于反射而言，衍射特性可能在区域242,244之间变化。
图28至图29是示意图，以正视图示出了图24的图案化伪影的起源。图28示出了在阵列15的相应光源之间具有间隙252的光源阵列15的成像。由锥体250产生的模糊使得光源之间的间隙变得模糊，从而以类似于菲涅耳反射器的平面处的漫射体的方式起作用，因此看不到图案化伪影。然而，在中心区域中，不存在衍射，因此间隙252作为光线248的图案化保持对观察者可见。因此，在菲涅耳反射器的中心缺少衍射可提供光源之间的间隙以及整个视场中的可视图案化的可见度。
希望从菲涅耳反射器的中心去除图案化伪影的可见度。
图30A是示意图，示出了图24的图案化伪影的校正。定向波导1可包括输入端2；用于沿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6,8；以及面向输入端2的用于沿波导1反射回输入光的反射端4，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，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上。反射端4是包括交替的反射小平面220和拔模小平面222的菲涅耳反射器，反射小平面220为菲涅耳反射器提供正光焦度，并且在菲涅耳反射器的至少中心区域242中，平行于反射端的光轴的拔模小平面222的深度大于反射小平面220的深度。
图30B是示意图，示出了从图30A的结构进行的光反射。菲涅耳反射器的中心区域的光线246经受与菲涅耳反射器边缘处的光线247基本上相同的衍射效应。因此，光锥250,256具有基本上相同的漫射效应。横向跨反射端的反射小平面的宽度可为至多0.5mm，优选地为至多0.25mm。
图31是示意图，示出了经相位修改的菲涅耳反射镜的中心区域的相邻小平面的相对高度细节。小平面220,219a,215a表示在制得的波导的操作期间未校正的菲涅耳反射镜中的小平面的位置，此类小平面具有小相位阶梯并且不可进一步准确再现。因此，相邻小平面之间的小阶梯区域中的衍射减少。
小平面219b和215b示出了经修改的小平面位置。因此，小平面220和219a之间的阶梯219p增加到小平面220与219b之间的相位阶梯265p。在小平面219a与215a之间的进一步阶梯215p增加到小平面219b与215b之间的阶梯239p。
拔模小平面222的表面可平行于光轴199，也可倾斜以在波导1的模塑期间提供更直接的脱模。横向跨反射端的反射小平面的间距可以是恒定的。拔模小平面中的每一者的深度265可为至少0.5μm。
因此，可在相邻小平面220,219b之间的中心区域中提供附加阶梯高度265。附加阶梯高度265在不同的相邻小平面之间可以不同。拔模小平面中的每一者的深度可为至少0.5μm。
相邻小平面的衍射特性可通过所述小平面之间的相对相位阶梯来确定。因此，阶梯219p,215p包括例如可为530μm的给定波长的相位高度。物理高度265可具有与阶梯219p的相位高度相同的相位高度。因此，高度265可大于诸如1μm的给定值，但高度可以是变化的，使得阶梯的相位高度与未修改的结构中将具有的阶梯219p的相位高度相同。
有利的是，相位结构可以基本上与完全可再现结构的相位结构相匹配，从而最大程度减少来自端4处的菲涅耳反射器的中心的条纹伪影。
图32是示意图，以正视图示出了图24的图案化伪影的校正。因此，通过在菲涅耳反射器的区域242,244中的衍射而产生的光锥256,250均用于提供光源之间间隙的漫射。有利的是，与图25的布置相比，输出的均匀性得到改善。
图33A至图33B是示意图，示出了被布置成修改菲涅耳反射镜的漫射特性的另一种菲涅耳反射器设计。具体地讲，在靠近菲涅耳反射器的边缘的区域271处，可提供一定角度的随机取向以得到第n小平面220的倾斜角θn，
θn＝θf+δθ.rand 等式4
其中θf是未随机化的小平面角，rand是0和1之间的伪随机数，并且δθ为约θdiff/10；其中θdiff是在与LED平行的平面中的系统漫射器功能的半高全宽值，并且可例如介于10和30度之间。
有利的是，菲涅耳反射器的漫射可跨其宽度进行控制，以改善对横向漫射的控制，从而改善随着视角沿线202的显示均匀度。
在另外的实施方案中，菲涅耳反射器的小平面的间距可以是变化的。变化可以是随机的。有利的是，这减少了由于衍射引起的可导致竖直条纹伪影的影响。
希望提供这样的定向显示器，对于防窥模式下的离轴观察，其具有跨显示区域最小化的基本上均匀的亮度。
图34A是示意图，以透视正视图示出了如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的位置。在图34A中，可将离轴观察示出为梯形图像外观，对应于包括透视效果的显示器的离轴观察的视觉外观。在防窥模式下的离轴观察可例如通过45°角下的显示外观来示出，但也可考虑其它观察角度。
图34A进一步描述了存在于定向照明显示器系统的防窥模式和广角模式下的伪影，其中在波导1的反射端4处，拔模小平面222跨菲涅耳反射器的宽度基本上平行于x轴。
在防窥操作模式下，图像区域1000包括具有低亮度的中心区域1002以及通常为三角形且与区域1000的角部相关联的较高亮度伪像区域1004,1006。当输入端2在下侧且反射端4在上侧的情况下，从显示器的左侧以45°观察的观察者将看到在左上角和侧面22附近的明亮三角形伪影区域1006以及在右下角和侧面24的明亮三角形伪影区域1004。此类区域1004,1006是不期望的并且降低了防窥性能。此外，在广角模式下，此类三角形可产生不均匀性和条纹伪影。
希望降低区域1004,1006相对于区域1002增加的亮度，从而改善外观并增强离轴图像的防窥性(降低亮度)。
图34B至图34C是示意图，以正视图示出光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成。
为了便于例示，例如如图34B所示，在去除透视效果的情况下，离轴图像被示出为矩形。然而，光线追踪是指如图34A所示可具有透视外观的观察者所看到的图像。
图34B进一步示出了光线跟踪，其中菲涅耳反射器的拔模小平面222平行于x轴并且基本上跨反射端的宽度平行。
图34B示出了区域1004的形成。为了示意性地说明光线跟踪，对应于波导中在射出后从左侧以45°观察的光线的平行光线1005在输入端2处输入。光线1005作为回到输入端2的光线传播穿过波导1。在防窥模式下，光源阵列15a-n在输入侧面2的中心区域中操作。如果光线1009与输入端2处的阵列15a-n中的光源相交，则45°处的观察者将观察到区域1004中的明亮三角形照明。
图34C示出了区域1006的形成。为了示意性地说明光线跟踪，对应于波导中在射出后从左侧以45°观察的光线的平行光线1007(即，在侧面22处反射的光线1005)在输入端2处输入。光线1007作为回到输入端2的光线传播穿过波导1。如果光线1011与输入端2处的阵列15a-n的光源相交，则45°处的观察者将观察到区域1006中的明亮三角形照明。
期望去除与阵列15a-n相交的光线1009,1011，从而去除被导向到区域1004,1006中的光源阵列15a-n的光。
现在将针对来自菲涅耳反射器的拔模小平面222的反射更详细地描述光线1009,1011的起源。
图35至图39是示意图，以正视图示出了有助于形成如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的光线路径。图35至图38以类似于图34B至图34C的方式示出，因为它们表示由离轴观察者所看到的显示器左侧的图像1000，但为了便于例示所示出的图中去除了透视线索。
图35以正视图示出了来自光源15a-n的杂散光线1102。光线1102从反射端4反射，并且再次在输入侧面2的位置1104处反射。位置1104处的反射可能是由于菲涅尔反射、来自输入微结构的全内反射、来自光源封装的反射以及其它杂散光反射。位置1104于是表示将光线1103射入回到波导1中的虚拟光源。光线1103可入射在还可包括侧反射镜1100的侧面22上，如在2016年4月13日提交的美国专利申请15/097,750中更详细地描述，该专利申请全文以引用方式并入本文。在从反射端4反射后，光线1103可通过在光提取特征12处提取到区域1004中而输出。不可取的是，区域1004和1002的亮度可能增大。此类光线1103,1106的强度可通过降低区域1104中的输入侧面的反射率而减小，如在美国专利公布2013/0307946中更详细地描述，该专利公布全文以引用方式并入本文。
图36以正视图示出了来自光源15a的杂散光线1140。光线1140从侧面22和端4反射。在侧面24处全内反射之后，光随后被区域1004内的特征12提取。此类光线1140的亮度可通过利用源15a的区域中的侧面2处的输入微结构设计从波导1内的源15a以高角度控制光的发光强度来降低。
图37以正视图示出了来自光源15a的杂散光线1142。光线1142可在输入侧面1144处反射为光线1148。光线1148可在侧面24处反射并且入射在反射端4处的菲涅耳反射器的区域1146。如本文将要描述的那样，一些光线可被反射回到侧面24，然后被导向到区域1004中，在那里它们被提取特征12朝向离轴观察者提取。
图38至图39以正视图示出了来自光源15a的入射在反射端4上的光线1030,1031,1032，该反射端包括具有基本上垂直的拔模222和形成于反射小平面220和拔模小平面222两者上的反射涂层1605的菲涅耳反射器。光线1032是用于同轴观察的主要光线并且从反射小平面220直接反射。光线1031在小平面220之前入射在侧面24和拔模小平面222上，使得最终方向与光线1032相同并且提供可用于同轴观察的光。
相比之下，从侧面24反射并且在拔模小平面222之前入射在反射小平面220上的光线1030朝向侧面24反射回来。在侧面24处，可透射一些光(未示出)，然而一些光可被反射回到波导1中并且有助于如图34B至图34C和图37所示的区域1004,1006。
希望降低区域1004,1006中由于在拔模小平面222之前从反射小平面220反射的1030而产生的亮度。
图40A至图40B是示意图，以正视图示出了降低光线路径亮度的拔模小平面的布置，该光线路径有助于通过降低拔模222的反射率在定向显示器中形成明亮三角形。
图40A示出了未涂覆或部分涂覆的拔模小平面222，因此与图39的布置相比，拔模222的反射率降低，并且由于区域1607中无涂层或具有降低的涂层反射率，来自侧面24的反射光通过拔模小平面222透射之后，光线1043入射在小平面上。此外，光线1042直接透射穿过拔模。因此，拔模小平面222被布置成具有比反射小平面220低的反射率。
在双重反射光线用于照明显示器的不期望区域1004,1006的实施方案中，此类光可通过降低拔模小平面222的反射率而最小化，且不影响由反射小平面220提供的菲涅耳反射镜主要功能。
有利的是，光线1043的亮度降低，并且区域1004,1006中的明亮三角形可减小，从而提高防窥均匀度。
区域1607中涂层的反射率可使用诸如图17所示的定向涂覆方法来降低。因此，拔模小平面222不涂覆有反射材料1605。或者，与反射小平面220相比，通过较薄的反射层或区域1607中的反射涂层的涂层覆盖部分区域，拔模小平面222被涂覆为具有较低的反射率。
图40B示出了另外的实施方案，其中除反射层1605之外还可提供光吸收层1611。此类光吸收层可为在形成反射层1605之后可在反射端4上形成的墨水、颜料或其它吸收材料。涂覆可包括层形成方法，包括用于反射层和吸收层的蒸镀、溅镀、印刷、浸涂、喷涂和其它已知施用方法。
有利的是，如图39所示的光线1030的强度减小，并且因此区域1004,1006中的明亮三角形的亮度降低。防窥模式下的图像均匀度得到改善，杂散光减弱。
换句话讲，光产生了不期望的明亮三角形1004,1006，该光先从具有邻近的垂直拔模222的反射端4处的菲涅耳反射器的拔模小平面222再从反射小平面220发生双重反射，以减少由相同的双重反射形成的这种和其它伪影，这样可降低拔模小平面的镜面反射率。在一些情况下，可通过不涂覆反射金属来降低反射率，从而针对除全内反射光之外的所有反射光，保留约5％的裸露表面反射率。在其它情况下，可考虑用吸收材料进行选择性涂覆。在这两种情况下，可通过定向沉积诸如蒸镀法来实现选择性涂覆技术。
图40C是示意图，以正视图示出了包括带反射涂层的反射小平面和漫射拔模小平面的波导中的光线路径。降低拔模小平面的镜面反射率的另一种方法是引入也可抑制之后涂覆方法的漫射表面结构。因此，拔模小平面222可具有漫射微结构1609。此类漫射产生光线束1035，该光线束可进一步降低朝向区域1004,1006的光线的强度。有利的是，对于离轴观察者而言，防窥模式下的均匀度和杂散光得到改善。
希望使用均匀涂覆的菲涅耳反射器小平面提高防窥性能。
图41是示意图，以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有垂直拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成。如图34B至图34C针对垂直拔模小平面222所示并且合并成单个光线跟踪，与阵列15a-n的中心发射区域相交(即，从其发出)的光线1019的存在使得将在三角形区域1004,1006中看到不期望的光。
图42是示意图，以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有倾斜拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成。因此，沿(x轴)一定方向远离反射端4进入波导1(即，在图42中为向下)时，拔模小平面222朝向菲涅耳反射器的光轴199向内倾斜角度1021。因此，图42所示的位于右侧的拔模小平面22在向下方向上从右到左朝向轴199向内倾斜。左侧(图42中未示出)的拔模小平面222为镜像，因此在向下方向上从左到右朝向轴199向内倾斜。图42的光线跟踪示出了5°的角度1021。在这样的垂直拔模角度1021下，射在中心15a-n区域上的光线强度略微增加，意味着在防窥模式下明亮三角形的离轴可见度不期望地略微增加。
图43是示意图，以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有吸收性拔模小平面的菲涅耳反射镜的拔模和小平面上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成，该吸收性拔模小平面朝向光轴199以5°的角度1021倾斜。通过将拔模1021的反射率降低到零，中断先来自反射小平面220再来自拔模小平面222的光线的双重反射路径，从而去除从中心区域15a-n发出的那些光线，使得光线1017不与光源15a-n相交。有利的是，区域1004,1006中的明亮三角形在光线路径1017中都不可见。
希望降低均匀涂覆的菲涅耳反射器的区域1004,1006的亮度。
图44是示意图，以顶视图示出了在反射小平面220与拔模小平面222之间包括恒定内角1025的菲涅耳反射器。因此，相邻的拔模小平面222与反射小平面220之间的内角1025是相同的。此外，每个反射小平面220可以是横向直的，即，在图44中为水平的横向方向上是直的。尽管每个反射小平面220是直的，但反射小平面220在横向方向上具有不同的倾斜度，这提供了菲涅耳反射器的总体曲率和光焦度。
在拔模和小平面是结构化的或弯曲的情况下，内角的定义是介于两个表面的平均表面角度之间。对于靠近菲涅耳反射器的光轴199的非常浅的成角度小平面，小于90度的固定内角可能引入不期望的“突出”拔模小平面222，从而防止在制造过程中发生常规脱模。拔模小平面的角度可优选地基本上不大于从区域15a-n直接照明菲涅耳反射器的光线的角度，因为这可能损害性能。这种约束可通过小于约100度的内角1025来实现。
因此，拔模小平面222与反射小平面之间的角度1025可为90至100度，优选地为90至95度。
有利的是，具有相同的拔模/小平面角度能够对从拔模和小平面反射出的那些光线进行独立于位置的控制。例如，当拔模/小平面角度接近90度直角时，双重反射的光线(来自反射小平面220和拔模小平面222)在波导1内回复反射，从而保持任何入射光线的传播角度。
来自阵列15a-n的中心LED源的经由波导1侧面22,24入射在回复反射菲涅耳反射器上的高角度光将以不离开波导1的角度返回，从而提供改进的防窥显示功能。近回复反射特性的另外优点在于，使得来自阵列15a-n的LED的光能够以广角模式有效填充引导件的相同物理侧面的三角形空隙区域，如美国专利申请15/097,750和美国专利公布2013/0307831所述，这两篇专利全文以引用方式并入本文。有利的是，不需要复杂的涂覆方法，通过降低区域1004,1006的亮度即可改善防窥均匀度和杂散光水平。
当使用如图17所述的注塑制造技术时，大于90度的固定小平面/拔模角度确保可改善脱模的非垂直拔模角度。
图45是示意图，以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在具有91度恒定内角1021的菲涅耳反射器的拔模小平面222和反射小平面220上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成。光线1021不入射在光源阵列15a-n上，因此没有光从阵列被导向到区域1004,1006中的明亮三角形。有利的是，防窥均匀度得到改善。
希望最小化可在区域1004,1006和区域1002的边界(例如图34A所示)处观察到的广角模式下的拖影以便进行离轴观察。
图46至图47是照片，示出了定向显示器光学叠堆体的离轴观察的条纹伪影，该定向显示器光学叠堆体如将在图58中所述并且包括平坦菲涅耳反射镜反射小平面220。在光源阵列15a-n的全部LED照明波导1的广角模式下，从右侧以高离轴角度拍摄照片。为了进行示意性的说明，在照片上标记具有间隙1175的光源阵列15a-n。
两张照片中的突出显示的伪影1200,1202都来自阵列15a-n中LED源的离散空间分布，并且在LED之间具有间隙1175。伪影1200,1202可由图58的光学叠堆体2208中区域漫射器中的光的不充分漫射导致。在波导的输出之后以更多漫射片的形式引入更多漫射具有小效应，因为伪影1200,1202源于阵列15a-n的源的畸变角误差一维图像。更多的区域漫射器可能增加杂散光，从而降低离轴观察者所看到的防窥水平。
希望提供阵列15a-n的离散光源的进一步漫射以去除条纹伪影1200,1202。
图48是示意图，以顶视图示出了包括垂直拔模和平坦反射小平面的菲涅耳反射器。平行入射光线1050被反射为在反射小平面220的宽度上保持平行的光线1052。
图49是示意图，以顶视图示出了包括垂直拔模和弯曲反射小平面1048的菲涅耳反射器。因此，每个反射小平面1048是横向弯曲的，即，在图4中为水平的横向方向上是弯曲的。横向曲率意味着对于平行输入光线1050，反射光线1654,1056,1058不再平行，并且横向曲率将引入漫射。这种漫射提供了阵列15a-n的离散光源的漫射，并且有利的是，可减少或去除伪影1200,1202的可见度。虽然每个反射小平面220是横向弯曲的，但该横向曲率并不提供整体光焦度。然而，弯曲的反射小平面220具有不同的倾斜方向，这提供了菲涅尔反射器的总体曲率和光焦度。因横向方向上的不同倾斜，单个反射小平面的曲率半径不同于整个菲涅尔反射器的标称曲率半径。
图50是示意图，以顶视图示出了包括平坦拔模、弯曲反射小平面和恒定内角的菲涅耳反射器。有利的是，可减小或去除条纹伪影1200,1202和明亮三角形区域1004,1006。由于脱模改善，可进一步提高成品率。
图51是示意图，以正视图示出了光学光线跟踪，该光学光线跟踪示出了对于同时入射在经均匀涂覆且具有恒定内角1025、弯曲反射小平面1048和平坦拔模小平面222的菲涅耳反射器的拔模小平面222和反射小平面1048上的光线，如观察者在离轴观察位置所看到的在防窥模式下操作的定向显示器中的明亮三角形的形成。
小平面的曲率有利地实现了充分的光线传播，以填充阵列15a-n的离散LED源之间的角度间隙，从而降低在广角模式下尤其可见的伪影1200,1202的可见度，同时不在区域1004,1006中引入在防窥模式下尤其可见的不期望的明亮三角形伪影。这通过该图中缺少中心发射光线来证实，其中射线1204位于距阵列15a-n一定距离处。
在图51的示例性实施方案中，反射小平面220的曲率半径为3mm，小平面间距为0.2mm，波导高度为180mm。反射小平面220的半径不被布置成提供光源阵列中光源的成像。如果反射小平面220在横向方向上具有与菲涅耳反射镜的有效半径相同的半径，那么小平面220的绝对曲率半径大致小于相应反射小平面220的曲率半径。换句话讲，反射小平面的半径被布置成实现离散光源15a-n的漫射；并且反射小平面跨菲涅耳反射镜在横向方向上的标称角度的变化被布置成实现阵列15的光源的成像。
图52是示意图，以顶视图示出了包括弯曲拔模小平面1068、弯曲反射小平面1047和恒定内角的菲涅耳反射器。反射小平面1048和拔模小平面1048的这种曲率可通过具有两个弯曲抛光表面的切割金刚石提供。
有利的是，可在广角模式下提供离散源15a-n的进一步漫射。
图53是示意图，以顶视图示出了包括弯曲反射小平面1048和恒定内角1025的菲涅耳反射器的中心区域242。由于在切割方向水平翻转时切割设备在中心区域的对准，图30A至图30B的布置可能在制备模制工具期间难以实现。弯曲反射小平面1024可由于来自每个反射小平面的光线扇面1060而以锥角256提供增加的漫射，并且漫射中心衍射伪影。因此有利的是，可放宽工具切割公差并降低切割成本。
图54是示意图，以顶视图示出了用于切割菲涅耳反射镜工具的弯曲小平面和平坦小平面的金刚石。金刚石1070可具有分别用于形成反射小平面1048和拔模小平面222的弯曲切割表面1048D和222D。可提供表面1074以在切割期间方便地将金刚石插入到模制工具坯料中。
希望使用模制工具形成提供漫射的反射小平面220，模制工具使用具有(i)平坦表面或(ii)单个弯曲半径表面的金刚石制成。
图55是示意图，以顶视图示出了菲涅耳反射器的反射小平面220和拔模222，其中每个反射小平面具有被布置成提供从其反射的光的横向角向漫射的微结构1150。该微结构可包括多个弯曲的子小平面1151,1153,1155,1157，这些子小平面在图55中被示出为具有相同间距的凹形圆柱形小平面。在操作中，入射平行光线1152在反射到锥体1154中之后被漫射，从而在菲涅耳反射器处提供漫射功能。如图46所示，将微结构1150元件引入到小平面220表面将引起漫射，该漫射用于填充从具有间隙1175的阵列15a-n的离散LED源发出的光线束中的间隙。在菲涅耳反射器处漫射光提供光准直之前的光线分布填充，从而减少可能限制高角度的漫射片填充效应的光学像差。有利的是，对于广角模式下的高角度观察，条纹可减少。此外，可提供恒定的内角1025以降低区域1004,1006中的明亮三角形的可见度，如本文别处所述。或者，可将拔模小平面保持在恒定角度，并且来自反射小平面220的漫射提供充分的漫射以降低明亮三角形的可见度。
有利的是，例如与图50的布置相比，利用用于大量生产的工具更容易限定和构建微结构1150元件。
图56是示意图，以顶视图示出了菲涅耳反射器的小平面1150和拔模1022，其中每个反射小平面1022具有被布置成提供从其反射的光的横向角向漫射的另选凸形微结构。
图57是示意图，以顶视图示出了菲涅耳反射器的小平面1150和拔模1022，其中每个反射小平面1022具有被布置成提供从其反射的光的横向角向漫射的另选空间混合微结构。因此，反射小平面220的区域1156可具有被布置成提供第一漫射锥1160的第一微结构，并且第二区域1158可具有被布置成提供第二漫射锥1162的第二微结构。漫射锥1160,1162的尺寸可通过在工具制造期间调节恒定半径切割金刚石的间距来控制。或者，可使用两种不同的金刚石半径。
有利的是，可调节来自菲涅耳反射器的漫射量以优化效率和均匀度。
图58是示意图，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阵列15中光源15a-15n的输入耦合效率并增大照明均匀度。具有孔2203的遮光层2206可被布置成隐藏波导1的边缘处的光散射区域。后反射器2200可包括小平面2202，该小平面是弯曲的并且被布置成提供从由阵列15的成像光源提供的光学窗组到窗平面106的观察窗26。光学叠堆体2208可包括反射偏振器、延迟层和漫射体。后反射器2200和光学叠堆体2208在2014年2月21日提交的标题为“Directional backlight”(定向背光源)的美国专利申请14/186,862(美国专利公布2014/0240828；代理人参考号355001)中进一步描述，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58的实施方案中，输入光沿着长边射入波导中。阵列15的LED封装的物理尺寸以及来自波导和其它靠近输入端2的表面的散射限制了可实现的最小边框宽度。希望沿波导的长边减小侧面边框的宽度。
图59A至图59D是示意图，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59A以顶视图示出了来自布置在定向波导短边上的光源阵列1319a-n和1317a-n的光线的传播。图59B类似地以侧视图示出了来自光源阵列1317a-n的光线的传播。图59C以透视图示出了由光源阵列1317a-n形成光学窗。图59D以透视图示出了包括如图59A至图59C所示的包括波导的光学叠堆体的显示设备。
如美国临时专利申请62/167,203所述(本申请要求该临时专利申请的优先权)，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、从反射端1304的横向延伸边缘延伸的第一引导表面6和第二引导表面8，波导1301还包括在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的侧表面1322,1324，并且其中光源包括沿着侧表面1322布置的光源1317a-n的阵列1317，用于通过该侧表面1322提供所述输入光，并且反射端1304包括在横向方向上彼此交替的第一小平面1327和第二小平面1329，第一小平面1327是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面1329形成菲涅尔反射器的拔模小平面，菲涅尔反射器1304具有在一定方向上朝向侧表面1322倾斜的光轴1287，在该方向上菲涅耳反射器1304将来自光源阵列1317的输入光偏转到波导1301中。因此，角度1277不为零。类似地，第二小平面1329可以是反射性的并且形成在横向方向上具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，菲涅耳反射器1304具有光轴1289，该光轴在一定方向上朝向侧表面1324倾斜，在该方向上菲涅尔反射器1304将来自光源阵列1319的输入光偏转到波导1301中。
来自光源1317a的示例性光线1363可被布置成提供光学窗1326a，而来自光源1317b的光线1365可被布置成提供光学窗1326b。其它层诸如漫射体、棱镜反射膜、延迟片和空间光调制器可按照与针对例如图58的布置中的波导1所述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。
还希望在广角操作模式下沿波导的边缘实现具有窄边框的波导的均匀照明。本文别处所述的实施方案可适用于图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。有利的是，可在具有窄长边边框的定向显示器中实现均匀的显示外观。此类显示器可用于移动显示器，诸如移动电话或平板电脑以及膝上型电脑、电视机和监视器。
与阶梯式波导定向背光源相关的实施例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。
美国专利公布2013/0335821和2014/009508同样全文以引用方式并入本文。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的各种实施例，但应理解，这些实施例仅以举例的方式示出，而并非是限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施例的限制，而应该仅根据本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施方案中提供上述优点和特征，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例。具体来说并且以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求书不应受到在该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。另外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本公开中的任何实施例而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为是对发布的权利要求书中所述的实施例的表征。此外，本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例，并且此类权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本公开基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims (40)

1.一种定向波导，所述定向波导包括：
输入端；
用于沿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所述波导反射回输入光的反射端，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，所述反射小平面为所述菲涅耳反射器横向提供正光焦度，并且在所述菲涅耳反射器的至少中心区域中，平行于所述反射端的光轴的所述拔模小平面的深度大于所述反射小平面的深度。
2.根据权利要求1所述的定向波导，其中横向跨所述反射端的所述反射小平面的间距是恒定的。
3.根据权利要求1或2所述的定向波导，其中横向跨所述反射端的所述反射小平面的宽度为至多0.5mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定向波导，其中每个所述拔模小平面的深度为至少0.5μm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定向波导，其中位于所述第一引导表面与所述第二引导表面之间的所述反射端的高度具有平坦的轮廓。
6.根据前述权利要求中任一项所述的定向波导，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所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。
7.根据权利要求6所述的定向波导，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，其中所述光提取特征是位于所述中间区域之间的小平面。
8.根据权利要求6或7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。
9.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
根据前述权利要求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阵列。
10.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求9所述的定向背光源；以及
被布置成接收来自所述波导的所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像的透射空间光调制器。
11.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求10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。
12.一种定向波导，所述定向波导包括：
输入端；
用于沿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所述波导反射回输入光的反射端，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，所述反射小平面为所述菲涅耳反射器横向提供正光焦度，其中相邻的拔模小平面与反射小平面之间的内角是相同的。
13.根据权利要求12所述的定向波导，其中所述内角在90至100度，优选地90至95度的范围内。
14.根据权利要求12或13所述的定向波导，其中每个反射小平面在横向上是直的。
15.根据权利要求12或13所述的定向波导，其中每个反射小平面在横向上是弯曲的。
16.根据权利要求12或13所述的定向波导，其中每个反射小平面具有被布置成对从其反射的光提供横向角向漫射的微结构。
17.根据权利要求16所述的定向波导，其中所述微结构包括多个弯曲的子小平面。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的定向波导，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所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。
19.根据权利要求18所述的定向波导，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，其中所述光提取特征是位于所述中间区域之间的小平面。
20.根据权利要求18或19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。
21.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
根据权利要求12至20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阵列。
22.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求21所述的定向背光源；以及
被布置成接收来自所述波导的所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像的透射空间光调制器。
23.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求22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。
24.一种定向波导，所述定向波导包括：
输入端；
用于沿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所述波导反射回输入光的反射端，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，所述反射小平面为所述菲涅耳反射器横向提供正光焦度，每个反射小平面具有被布置成对从其反射的光提供横向角向漫射的微结构。
25.根据权利要求24所述的定向波导，其中所述微结构包括多个弯曲的子小平面。
26.根据权利要求24或25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所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。
27.根据权利要求26所述的定向波导，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，其中所述光提取特征是位于所述中间区域之间的小平面。
28.根据权利要求26或27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。
29.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
根据权利要求24至28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阵列。
30.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求29所述的定向背光源；以及
被布置成接收来自所述波导的所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像的透射空间光调制器。
31.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求30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。
32.一种定向波导，所述定向波导包括：
输入端；
用于沿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所述波导反射回输入光的反射端，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，所述反射小平面为所述菲涅耳反射器横向提供正光焦度，并且所述拔模小平面被布置成具有比所述反射小平面低的反射率。
33.根据权利要求32所述的定向波导，其中沿远离所述反射端进入所述波导的方向，所述拔模小平面朝所述菲涅耳反射器的光轴向内倾斜。
34.根据权利要求32或33所述的定向波导，其中所述反射小平面涂覆有反射材料，但所述拔模小平面未涂覆有所述反射材料。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的定向波导，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所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。
36.根据权利要求35所述的定向波导，其中所述第二引导表面具有阶梯形状，其中所述光提取特征是位于所述中间区域之间的小平面。
37.根据权利要求35或36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。
38.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
根据权利要求32至37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阵列。
39.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求38所述的定向背光源；以及
被布置成接收来自所述波导的所述输出光并且对所述输出光进行调制以显示图像的透射空间光调制器。
40.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求39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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