CN109496258A - 广角成像定向背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种成像定向背光源设备，所述成像定向背光源设备包括波导、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式结构，其中所述阶梯还可包括提取特征结构，所述提取特征结构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所述特征结构折射、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。通过由波导小平面和后反射器图像协作地对各个光源进行成像来形成观察窗。观察窗可设置在不同的第一窗平面和第二窗平面处以改善横向方向上的均匀度。另外，可通过所述后反射器的具有不同倾斜度的相应小平面的内部分和外部分来减少杂散光。

Description

广角成像定向背光源
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，所述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。视差部件将来自所述组像素中的每组像素的光导向到不同的相应方向，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。
显示器背光源通常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。成像系统可在多个源和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(现为美国专利9,519,153)中所述，该专利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特征结构或透镜诸如菲涅耳透镜朝向观察窗成像。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，因此光跨越波导的整个区域朝向观察窗输出。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)。在理想情况下，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而克服此限制。此类经修改的照明设备实施例可导致增加的亮度、局部独立照明和定向能力。
根据本公开的第一方面，可提供一种定向背光源，其包括：波导；光源阵列，该光源阵列被布置成在横跨波导的不同输入位置处将输入光输入波导中，其中波导包括用于沿波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，并且第二引导表面包括：(a)多个提取特征结构，该多个提取特征结构(i)被布置成反射一些输入光以便将其通过第一引导表面从波导输出，并且(ii)横向弯曲以沿横向具有正光焦度，使得从提取特征结构反射的输入光在第一窗平面中在定向背光源前面横向地形成提供观察窗的光源的实像，该提取特征结构还透射一些输入光；以及(b)提取特征结构之间的中间区域，该中间区域被布置成通过全内反射引导光；包括反射小平面的线性阵列的后反射器，该反射小平面(i)被布置成反射通过波导的提取特征结构透射的至少一些输入光，以便将其导向回通过波导以通过第一引导表面离开，并且(ii)横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从反射小平面反射的输入光在与第一窗平面分离的第二窗平面中横向地形成光源的图像。
与提供单个窗平面的显示器相比，有利的是可针对在横向方向上且不是在窗平面中移动的观察者改善横向均匀度。显示器中的另外条纹和其他伪影可具有降低的亮度，因此具有更低的可见度。
由从反射小平面反射的输入光形成的图像可以是在定向背光源前面提供另外观察窗的光源的实像。第二窗平面可比第一窗平面更靠近定向背光源。第二窗平面可比第一窗平面更远离定向背光源。由从反射小平面反射的输入光形成的图像可以是光源的虚像，该光源的虚像位于定向背光源后面。
有利的是，可使用具有线性小平面的后反射器以实现更低的成本和减少的莫尔条纹。
波导还包括反射端，光源被布置成朝向反射端将输入光输入波导中，反射端被布置成沿波导反射回输入光，提取特征结构被布置成在从反射端的反射之后反射一些输入光。波导还可包括与反射端相对的后端，以及第一引导表面和第二引导表面之间的侧表面。光源阵列沿后端布置。
光源可包括沿所述侧表面布置的光源，并且反射端可包括沿横向彼此交替的第一小平面和第二小平面，第一小平面是反射性的并形成沿横向具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面形成该菲涅耳反射器的拔模小平面，菲涅耳反射器具有在菲涅耳反射器将来自光源阵列的输入光偏转到波导中的方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴。反射端可沿横向具有正光焦度。反射端可以是菲涅耳反射器。后反射器还可包括中间小平面，中间小平面在后反射器的反射小平面之间延伸并以与后反射器的反射小平面相反的指向倾斜，使得成对反射小平面和中间小平面一起形成角隅小平面，角隅小平面被布置成反射入射在其上的至少一些输入光。
有利的是，定向显示器可设置有舒适的观察特性以用于不在单个窗平面内的移动观察者，并且实现用于防窥、夜间操作、自动立体、明亮阳光以及广角操作模式的定向照明。
根据本公开的第二方面，可提供一种定向显示装置，其包括：根据第一方面的定向背光源；以及透射空间光调制器，该透射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。
根据本公开的第三方面，可提供一种定向显示设备，其包括：根据第二方面的定向显示装置，以及被布置成控制光源的控制系统。
根据本发明的第四方面，可提供一种定向背光源，其包括：波导；光源阵列，其被布置成在横跨波导的不同输入位置处将输入光输入波导中，其中波导包括用于沿波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，并且第二引导表面包括：(a)多个提取特征结构，其(i)被布置成反射一些输入光以便将其通过第一引导表面从波导输出，提取特征结构还透射一些输入光；以及(b)提取特征结构之间的中间区域，该中间区域被布置成通过全内反射引导光；包括成对反射角隅小平面的线性阵列的后反射器，该反射角隅小平面被布置成反射通过波导的提取特征结构透射的至少一些输入光，以便将其导向回通过波导以通过第一引导表面离开，其中每对反射角隅小平面包括第一小平面和第二小平面，透射通过波导的提取特征结构的光入射在第一小平面上，每个第一小平面包括具有不同倾斜度的外部分和内部分。
有利的是，可减小从输入侧朝向反射端通过的光的光条纹的可见度。可针对离轴观察位置改善防窥操作模式的均匀度。
内部分的倾斜度可比外部分更浅。第一小平面的内部分和第二小平面可具有在85度至95度范围内、优选在89.5度至90.5度范围内的内角。第一小平面可横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从反射小平面反射的输入光在与第一窗平面分离的第二窗平面中横向地形成光源的图像。波导还可包括反射端，光源被布置成朝向反射端将输入光输入波导中，反射端被布置成沿波导反射回输入光，提取特征结构被布置成在从反射端的反射之后反射一些输入光。波导还可包括与反射端相对的后端，以及第一引导表面和第二引导表面之间的侧表面。光源阵列可沿后端布置。
光源可包括沿所述侧表面布置的光源，并且反射端包括沿横向彼此交替的第一小平面和第二小平面，第一小平面是反射性的并形成沿横向具有正光焦度的菲涅耳反射器的反射小平面，第二小平面形成该菲涅耳反射器的拔模小平面，菲涅耳反射器具有在菲涅耳反射器将来自光源阵列的输入光偏转到波导中的方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴。
根据本公开的第五方面，可提供一种定向显示装置，其包括：根据第一方面的定向背光源；以及透射空间光调制器，该透射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。
根据本公开的第六方面，可提供一种定向显示设备，其包括：根据第五方面的定向显示装置；以及控制系统，该控制系统被布置成控制光源。
本公开的任一方面均可以任何组合应用。
本文的实施例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，实施例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，实施例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。这种设备可用于自动立体显示、防窥显示、多用户显示以及可实现例如节能操作和/或高亮度操作的其他定向显示应用程序。
本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体显示器。另外，如将描述，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，实施例可提供受控照明器以便得到高效的自动立体显示器。
本公开的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本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，本公开的实施例可用于光学系统、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例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体布置的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置来阐述本公开的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。
定向背光源通常提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制，该输出表面通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源控制。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
实施例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是根据本公开的示出定向显示装置的一个实施例中的光传播的前视图的示意图；
图1B是根据本公开的示出图1A的定向显示装置的一个实施例中的光传播的侧视图的示意图；
图2A是根据本公开的以顶视图示出定向显示装置的另一个实施例中的光传播的示意图；
图2B是根据本公开的以前视图示出图2A的定向显示装置的光传播的示意图；
图2C是根据本公开的以侧视图示出图2A的定向显示装置的光传播的示意图；
图3是根据本公开的以侧视图示出定向显示装置的示意图；
图4A是根据本公开的以前视图示出在包括弯曲光提取特征结构的定向显示装置中生成观察窗的示意图；
图4B是根据本公开的以前视图示出在包括弯曲光提取特征结构的定向显示装置中生成第一观察窗和第二观察窗的示意图；
图5是根据本公开的示出在包括线性光提取特征结构的定向显示装置中生成第一观察窗的示意图；
图6A是根据本公开的示出在第一时隙中在时间多路复用定向显示装置中生成第一观察窗的一个实施例的示意图；
图6B是根据本公开的示出在第二时隙中在时间多路复用定向显示装置中生成第二观察窗的另一个实施例的示意图；
图6C是根据本公开的示出在时间多路复用定向显示装置中生成第一观察窗和第二观察窗的另一个实施例的示意图；
图7是根据本公开的示出观察者跟踪自动立体定向显示装置的示意图；
图8是根据本公开的示出多观察者定向显示装置的示意图；
图9是根据本公开的示出防窥定向显示装置的示意图；
图10是根据本公开的以侧视图示出时间多路复用定向显示装置的结构的示意图；
图11是根据本公开的示出包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备的示意图；
图12是根据本公开的以透视图示出通过定向波导形成光学窗的示意图；
图13是根据本公开的以前视图示出包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀的示意图；
图14是根据本公开的以侧视图示出包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀的示意图；
图15是根据本公开的以透视图示出通过具有布置类似于图13至图14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的示意图；
图16和图17是根据本公开的示出具有后反射器的波导的侧视图的细节的示意图，其中该后反射器具有反射小平面阵列；
图18是根据本公开的以透视图示出包括定向背光源并布置有空间光调制器的定向显示装置的结构的示意图，该定向背光源包括在与反射端相对的一侧上的输入；
图19是根据本公开的以透视图示出包括定向背光源并布置有空间光调制器的定向显示装置的结构的示意图，该定向背光源包括侧光源；
图20A是根据本公开的以顶视图示出用于观察具有无限远距离窗平面的光学阀的相机位置的示意图；
图20B是根据本公开的以前视图示出具有无限远距离窗平面的光学阀的不同位置处的相机图像的示意图；
图21A是根据本公开的以顶视图示出用于观察具有有限距离窗平面的光学阀的相机位置的示意图；
图21B是根据本公开的以前视图示出具有有限距离窗平面的光学阀的不同位置处的相机图像的示意图；
图22A是根据本公开的以顶视图示出用于观察具有两个有限距离窗平面的光学阀的相机位置的示意图；
图22B是根据本公开的以前视图示出具有两个有限距离窗平面的光学阀的不同位置处的相机图像的示意图；
图23是根据本公开的以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成实现共同窗平面的后反射器和阀的布置的示意图；
图24是根据本公开的以顶视图示出由图23的布置形成光学窗的示意图；
图25是根据本公开的示出用于观察窗的窗平面中的亮度随横向位置的变化的曲线图的示意图；
图26是根据本公开的以透视前视图示出从离轴观察位置的包括图23的布置的显示器的外观的示意图；
图27是根据本公开的以透视前视图示出从离轴观察位置的包括图31的布置的显示器的外观的示意图；
图28是根据本公开的以透视图示出通过从定向波导的小平面的反射进行光提取的示意图；
图29是根据本公开的以透视图示出通过穿过定向波导的小平面的透射进行光提取的示意图；
图30是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行；
图31是根据本公开的以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成实现不同窗平面位置的后反射器和阀的布置的示意图；
图32是根据本公开的以顶视图示出由图31的布置形成光学窗的示意图；
图33是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行，其中该后反射器的曲率半径小于图30的布置中的后反射器的曲率半径；
图34是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行，其中该后反射器的曲率半径大于图30的布置中的后反射器的曲率半径；
图35是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行，其中该后反射器具有线性范围；
图36是根据本公开的以透视图示出通过从定向波导的线性小平面的反射进行光提取的示意图；
图37是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的线性小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的线性小平面的透射和从后反射器的弯曲小平面的反射进行；
图38A、图38B和图38C是根据本公开的以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成实现不同窗平面位置的后反射器和阀的另外布置的示意图；
图39是根据本公开的以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的线性小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的线性小平面的透射和从后反射器的线性小平面的反射进行；
图40是根据本公开的以侧视图示出通过显示器对汽车车舱的照明的示意图；
图41是根据本公开的以顶视图示出通过显示器对汽车车舱的照明的示意图；
图42是根据本公开的以前视图示出通过各种显示器对乘员的照明的示意图；
图43是根据本公开的以侧视图示出了通过常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图44是根据本公开的示出常规照明显示器的亮度的角变化的示意曲线图；
图45是根据本公开的示出常规照明显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；
图46是根据本公开的示出通过处于纵向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图47是根据本公开的示出通过处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图48是根据本公开的示出处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；
图49是根据本公开的示出处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；
图50是根据本公开的示出通过处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图51是根据本公开的示出针对离轴眼睛位置的处于纵向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；
图52是根据本公开的示出处于纵向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；
图53是根据本公开的示出通过处于纵向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图54是根据本公开的示出横向自由度增加的处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；
图55是根据本公开的示出横向自由度增加的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；
图56是根据本公开的示出通过横向自由度增加的处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图57是根据本公开的以透视图示出包括定向背光源并布置有空间光调制器的定向显示装置的结构的示意图，该定向背光源包括在与反射端相对的一侧上的输入，该定向显示装置还包括被布置成提供在正交于横向方向的轴线上的高角度亮度的减小的微型百叶窗膜；
图58A和图58B是根据本公开的以侧视图示出微型百叶窗膜在定向显示器中的照明光学叠层位置，以在正交于横向方向的轴线上提供不同水平的高角度亮度的示意图；
图59是根据本公开的示出具有另外微型百叶窗膜的处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；
图60是根据本公开的示出具有微型百叶窗膜的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；
图61是根据本公开的示出通过具有另外微型百叶窗膜的处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图；
图62是根据本公开的以侧视图示出提取特征结构和反射小平面角度的示意图；
图63是根据本公开的示出包括偏振再循环以及提取特征结构和反射小平面角度的第一组合的显示器的角轮廓的示意曲线图；
图64是根据本公开的示出不包括偏振再循环但包括提取特征结构和反射小平面角度的第二组合的显示器的角轮廓的示意曲线图；
图65是根据本公开的示出具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；
图66是根据本公开的示出通过具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；
图67A是根据本公开的示出具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；
图67B是根据本公开的示出通过具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；
图68A是根据本公开的示出具有朝向乘员的窄横向角轮廓和远离驾驶员的宽角轮廓以及图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；
图68B是根据本公开的示出通过具有朝向驾驶员的窄横向角轮廓和远离驾驶员的宽角轮廓以及图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；
图69A是根据本公开的示出具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；
图69B是根据本公开的示出通过具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；
图70A是根据本公开的示出具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；
图70B是根据本公开的示出通过具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；
图71是根据本公开的以前视图示出用于沿显示器法线观察的定向波导中的输入光条纹的外观的示意图；
图72是根据本公开的以前视图示出用于以倾斜于横向方向上的显示器法线的角度观察的定向波导中的输入光条纹的外观的示意图；
图73是根据本公开的以侧视图示出定向波导的提取特征结构阶梯处的光学模式耦合的示意图；
图74是根据本公开的以侧视图示出定向波导的提取特征结构阶梯处的光偏转的示意图；
图75是根据本公开的以侧视图示出用于偏振再循环光路的从后反射器的小平面的反射的示意图；
图76是根据本公开的以侧视图示出杂散光从后反射器的小平面的反射的示意图；
图77是根据本公开的以侧视图示出杂散光从包括扭结反射小平面的后反射器的小平面的反射的示意图；并且
图78是根据本公开的以侧视图示出杂散光从包括扭结反射小平面阵列的后反射器的小平面的反射的示意图。
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引导至第一观察窗，并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导向穿过基本上透明的时间多路复用空间光调制器而实现定向照明，其中定向光学元件在窗平面中基本上形成照明器阵列的图像。
观察窗的均匀度可有利地与空间光调制器中像素的布置方式无关。有利的是，此类显示器可提供具有低闪烁的观察者跟踪显示器，并且对于移动观察者的串扰水平较低。
为了在窗平面中实现高均匀度，期望提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。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。
为了解决上述缺点，如共同拥有的美国专利申请No.13/300,293(现为美国专利No.9,519,153)中所述的光学阀有利地可以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)方向上移动时包括相同图像。
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和相应的窗图像之间。以此方式，来自多个光源中的每一个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一个而言基本上共用的观察区内，以实现宽视角和高显示均匀度。因此，非成像背光源不形成观察窗。以此方式，来自多个光源中的每一个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一个而言可基本上相同。因此，出于这些原因以及对于普通技术人员应当显而易见的其他原因，常规非成像背光源不同于成像定向背光源。边缘照明式非成像背光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结构；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结构而被提取，并导向到观察窗，如美国专利申请13/300,293(现为美国专利9,519,153)中所述，该专利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；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成阶梯的多个提取特征结构的多个光引导特征结构。
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，光可入射到光提取特征结构上，所述光提取特征结构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结构阵列，所述光提取特征结构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No.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(现为美国专利9,519,153)，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)，上述所有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，所述阶梯式波导可包括第一侧面和第一组特征结构。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，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，但可被布置成从该结构提供光提取。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例中的光传播的前视图的示意图，并且图1B是示出图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的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器尺寸的波导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、SLM48、提取特征结构12、引导特征结构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。将照明器元件15a-15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
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的多个光提取特征结构12，并且被布置成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。
在此例子中，光提取特征结构12是反射小平面，但可使用其他反射特征。光提取特征结构12不引导光穿过波导，而第二引导表面的介于光提取特征结构12中间的中间区域引导光，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。光提取特征结构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，所述阶梯式形状可包括光提取特征结构12和中间区域。光提取特征结构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。
光提取特征结构12被布置用于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中的每个照明元件在分布在横向方向中的输出方向上将光导向到各自的光学窗中，所述输出方向取决于输入位置。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例中保持平行，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-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跨越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设置并调制在从光提取特征结构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。链接阶梯式波导1的底侧的引导特征结构10的提取特征结构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结构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，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度倾斜的提取特征结构12的实施例中，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式波导1时此角展度可增加，但依据提取特征结构12的反射特性，可略有减小。
在具有未涂覆的提取特征结构12的一些实施例中，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，在涂覆有银或金属化的提取特征结构的其他实施例中，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结构的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的相应照明器元件15a–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–15n于是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，而图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，其中水平分开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察到3D。远离中心位置朝侧面的移动可导致场景塌缩在2D图像上。
反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的线并且与端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部件(例如光提取特征结构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4处包括基本上圆柱形反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过端4处的表面的曲率中心的线并且与侧面4围绕x轴的反射对称轴重合。光轴238通常与波导1的机械轴重合。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、以及包括引导特征结构10和光提取特征结构12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导特征结构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面4。虽然反射侧面4可为镜面且可反射光，但在一些实施例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可进一步通过反射侧面4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取特征结构12反射。入射在提取特征结构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所示导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的尺寸、侧面4和提取特征结构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结构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是以前视图示出可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取特征结构的定向显示装置的示意图。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。输出光线中的每一个从相应照明器14朝相同观察窗26导向。因此，光线30可与光线20相交于窗26中，或在窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导1的侧面22和侧面24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取特征结构12可为细长的，并且光提取特征结构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结构12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。
图4B是以前视图示出可由第二照明器元件照明的光学阀的示意图。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和光提取特征结构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横向分开的第二观察窗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是以前视图示出具有基本上线性的光提取特征结构的定向显示装置的实施例的示意图。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结构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的弯曲提取特征结构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的第一观察窗的生成的一个实施例的示意图，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的第二观察窗的生成的另一个实施例的示意图，并且图6C是示出时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例的示意图。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中的照明器元件组31可提供朝向观察窗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中的照明器元件组33可提供朝向观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器的协作中，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例的示意图。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是示出作为包括成像定向背光源的一个示例的多观察者定向显示装置的一个实施例的示意图。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源同步显示，所述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。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。本公开的实施例中的每一个可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示功能。
图10是以侧视图示出作为包括成像定向背光源示例的时间多路复用定向显示装置的结构的示意图。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，其被布置成对于跨越阶梯式波导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。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No.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/或另外的特征结构，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是示出包括定向显示装置和控制系统的定向显示设备的示意图。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更改的情况下可适用于本文所公开的显示装置中的每个显示装置。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。控制系统被布置用于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，其被布置为检测观察者99相对于显示装置100的位置。传感器系统包括位置传感器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用于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，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，其被布置为与波导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，该LED驱动器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，使得光导向进入的观察窗26位于对应于观察者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被布置为控制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到观察者的右眼，而在第二阶段导向到观察者的左眼。
图12是以透视图示出通过定向波导形成光学窗的示意图。因此，光源阵列15c、15e可被布置在与反射端4相对的一侧上，并且任选的光源17e可被布置在一侧上。光源15e、17e可协作以在光学阀1的与输出侧6相同的一侧上的窗平面中形成光学窗26e，其基本上是光源的实像。
图13是以前视图示出包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀的示意图，并且图14是以侧视图示出包括被布置成实现同轴光学窗的侧光源的光学阀的示意图。
通过与例如图12所示的光学阀进行比较并且如全文以引用方式并入本文的美国临时专利申请No.62/167,203(代理人参考号384000，现为美国专利申请No.15/165,960；美国专利公开No.2016-0349444；代理人参考号384001)所述的那样，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)上延长的反射端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和侧表面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形成该菲涅尔反射器的拔模小平面，菲涅尔反射器1304具有在菲涅耳反射器1304将来自光源阵列1317的输入光偏转到波导1301中的方向上朝向侧表面1322倾斜的光轴1287。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13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。
图15是以透视图示出通过具有布置类似于图13A至图13B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的示意图。因此，光学窗1326a可由源自光源1371a的光线1363围绕轴197在窗平面中形成。由光线1365形成的另外光学窗1326b可在窗平面中偏离并源自光源1317b。因此，光学窗1326a、1326b分别是光源1317a、1317b的实像的另外示例。
图16至图17是示出具有后反射器的波导的侧视图的细节的示意图，该后反射器具有反射小平面阵列，如全文以引用方式并入本文的美国专利公开No.2014-0240828(代理人参考号355001)所述的那样。
图16是示出包括后反射器的波导1的侧视图的细节的示意图，该后反射器包括反射小平面阵列。因此，反射器300可包括具有反射小平面310和拔模或中间小平面312的锯齿状结构。与小平面310的垂线的倾斜角β305可如下所述进行确定。因此，透射通过特征结构12(在本文中另外称为小平面12)的光线226被导向回通过波导1。有利的是，光线226提高了观察窗的亮度，同时保持观察窗的方向性，减少了图像串扰。
图17是示出包括后反射器的波导1的侧视图的细节的示意图，该后反射器包括反射小平面阵列。在该实施例中，中间小平面312可被布置成与垂线成倾斜角κ307，该倾斜角被布置成使得来自特征结构12的透射光被布置成由于反射小平面310所提供的屏蔽而不从中间小平面312反射。
后反射器可与波导1间隔开以使得来自波导1的单独小平面的光入射到后反射器300的多个反射小平面310上，后反射器300还可包括在后反射器的反射小平面之间延伸的中间小平面312，这些中间小平面在与后反射器的反射小平面相反的指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光不会入射到中间小平面上。
有利的是，图17的布置可更加方便地制造为具有均匀的反射率，并且不那么容易受到显示器组装过程中不良装配的影响。此外，图17的布置可实现偏振再循环，如全文以引用方式并入本文的美国专利公开No.2014-0240828(代理人参考号355001)和美国专利No.9,235,057(代理人参考号325001)所描述的那样。
图18是以透视图示出布置有空间光调制器48的包括波导1的定向显示装置的结构的示意图。反射端4可由菲涅耳镜提供。锥形区域2204可被布置在波导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的遮蔽层2206可被布置成用于隐藏在波导1边缘处的光散射区域。后反射器300可包括小平面310，这些小平面是弯曲的并被布置成用于从阵列15的成像光源提供的光学窗组向窗平面106提供观察窗26。光学叠堆2208可包括反射偏振器、延迟层和漫射体。后反射器300和光学堆叠2208在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No.14/186,862(美国专利公开No.2014-0240828中，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18的实施例中，将输入光注入到波导中沿着长边缘进行。阵列15的LED封装以及来自波导和靠近输入端2的其他表面的散射的物理尺寸限制可实现的最小边框宽度。
因此，定向显示装置可包括定向背光源1、300、2208；以及透射空间光调制器48，该透射空间光调制器被布置成接收来自波导1的输出光并且对其进行调制以显示图像。另外，定向显示设备可包括所述定向显示装置和诸如图11中所示的被布置成控制光源15a-n的控制系统。
图19以透视图示出了包括光学堆叠的显示设备，该光学堆叠包括如图13A至图14所示的波导。
现在将描述具有单个窗平面并且从显示设备前面的不同纵向位置观察的显示器的横向均匀度。
图20A是以顶视图示出用于观察具有无限远距离窗平面的光学阀的相机位置的示意图。图20B是以前视图示出具有无限远距离窗平面的光学阀的不同位置处的相机图像的示意图。
这种显示器可被称为准直显示器511并且是没有定向背光源(例如包括来自3M公司的BEFTM棱镜膜的显示器背光源)的显示器的输出的典型。这类显示器具有随角度在整个显示区域上成均匀的横向衰减。因此，对于所有位置，法线方向上的亮度大于离轴观察位置中的亮度。
为了清楚地说明，假设准直显示器可以表示为具有顶帽角度亮度函数，其对于围绕法线方向509的角度范围507而言是白色的，而对于角度范围507之外的区域而言是暗色的。在实践中，亮度随角度均匀地衰减，但是横向均匀度的以下说明表示在整个显示器宽度上看到的相对亮度。
在操作中，对于相机位置A和C，显示器的中心(高亮度区域2436)比显示器的边缘(低亮度区域2434)更亮。对于相机位置B和D，显示器的近侧(即，如果观察者向右移动，则为显示器的右侧)比显示器的远侧更亮。这种显示器外观通常被认为是相对于显示器的横向移动的自然亮度行为。
期望的是，实现用于观察者的横向移动的自然观看定向显示器。
图21A是以顶视图示出用于观察定向显示器的相机位置的示意图，该定向显示器包括具有有限距离窗平面191的光学阀1，并且图21B是以前视图示出具有有限距离窗平面191的光学阀1的不同位置处的相机图像的示意图。SLM 48被呈现有均匀的白色图像。
因此，窗平面191中的相机A(与波导1相距窗距离504并在观察窗26内)将看到来自观察窗26(其可包括多个光学窗)中的单个点的光。因此，在位置A处将看到基本均匀的白色(高亮度区域2436)图像，如图21B所示。在窗平面191中但在窗26外的相机B将看不到光，并且在区域2434中将看到具有低亮度的均匀图像。
对于距离505处的相机C，在图像中心将看到高亮度区域，而在侧面将看到低亮度2434边缘区域，其方式与图20B类似。相机B具有均匀的暗外观。有利的是，这种定向显示器可以为窗平面191中的观察者提供较高的横向均匀度。
然而，与图20B的高亮度区域相比，相机D具有为低亮度区域2434的近侧区域。对于窗平面191外的观察者，这种近侧暗区域可被认为是不自然的外观。
图22A是以顶视图示出用于观察具有第二有限距离窗平面189的光学阀的相机位置的示意图。图22B是以前视图示出了具有两个有限距离窗平面的光学阀的不同位置处的相机图像的示意图。
因此，观察者C和D看到均匀图像，而观察者B看到近侧暗图像。因此，观察者D所看到的图像的均匀度是来自每个窗平面的亮度贡献的加权平均值。有利的是，对于远离窗平面191的观察者，增加了显示器的横向均匀度。
现在将更详细地描述在包括单个窗平面191的显示器中形成观察窗。
图23是以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成实现共同观察窗平面191的后反射器300和定向光导1的布置的示意图。
图24是以顶视图示出由图23的布置形成光学窗的示意图。因此，对于单个光源，直接来自反射小平面12的光锥2400、2402和来自后反射器300的反射小平面310的光锥2404、2406被对准以在共同窗平面191中提供共同光学窗26。
图25是示出用于观察窗的窗平面中的亮度随横向位置的变化的曲线图的示意图。当来自多个光源的光学窗被组合以提供防窥操作模式时，这种轮廓2426表示用于图24的显示器的窗平面191中的典型横向均匀度变化。观察窗26可被定义为轮廓2426的半高全宽。
现在将描述来自定向显示器的图像的离轴外观。
图26是以透视前视图示出从离轴观察位置的包括图23的布置的显示器的外观的示意图。在可用光不足以提供用于此类广角观察位置的均匀度的布置中，可观察到空隙区域2412、2410，或者空隙的亮度与主光束区域2414的亮度不同，如全文以引用方式并入本文的美国专利申请No.15/097,750(美国专利公开No.2016-0299281；代理人参考号379001)所述的那样。
图27是以透视前视图示出从离轴观察位置的包括多个窗平面(如将参考图31的布置描述)的显示器的外观的示意图。对于窗平面191中的离轴观察者，可观察到空隙2410、2412，而对于导向到窗平面187的光，可以观察到空隙2411、2413。每个区域的空隙可具有与主区域2414相比较低的相对差异，并且因此可以组合从给定视角较不可见。有利的是，与图26的布置相比，改善了离轴观察位置的图像均匀度。
期望的是，与主光束区域2414相比，减小空隙区域2412、2410的可见度，以通过提供多个窗平面来优化均匀度。
现在将描述通过细长提取特征结构12和反射小平面310形成窗平面。
图28是以透视图示出通过从定向波导的小平面的反射的光提取的示意图，并且图29是以透视图示出通过穿过定向波导的小平面的透射的光提取的示意图。
在图28中，来自同轴光源的已经在反射端4处反射的平行光线506在光提取特征结构12处被全内反射进一步反射，并且作为光线503会聚到窗平面中的图像502，该图像与第一平面中的轴197上的波导相距距离504。特征结构12的曲率半径500通过在特征结构的倾斜弯曲表面处的偏转向光线503提供正光焦度。如前所述，这种图像502结合来自光源15a-n(或光源1317a-n、1319a-n)的阵列15光源的图像形成实光学窗。
在图29中，与光线506相比表示波导1中的不同引导模式的光线507入射在小平面12上并作为发散光线509从小平面12透射。虚像514可在大于距离504的距离512处形成于平面189中。
期望的是，通过收集透射通过波导1的小平面12的光并对其成像来进一步增加定向背光源的照明度。
图30是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导1的小平面12的反射以及(ii)穿过定向波导1的小平面12的透射和从具有曲率半径522的后反射器300的小平面310的反射进行。因此，透射的发散光线509可通过弯曲小平面310a、310b会聚，以形成在轴197上但可沿轴197具有不同位置的相应图像516、517。通过设计曲率522、500以补偿光线509的发散，图像516、517可被布置在与通过从波导1的光提取特征结构12的反射直接形成的图像502基本相同的窗平面191中。光学窗可在包括轴197的共同窗平面191中形成。
期望的是，提供多个窗平面以便为不在窗平面中并从非同轴上的位置观察的观察者实现增加的均匀度。
图31是以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成实现不同观察窗平面位置的后反射器和阀的布置的示意图，并且图32是以顶视图示出由图31的布置形成光学窗的示意图。
第一窗平面191处的观察者2401名义上观察到由光锥2400、2402提供的相同显示亮度，因为与光锥的角偏离在整个显示器宽度上是相同的。因此，对于导向到窗26中的光，显示器基本上是横向均匀的。然而，与光锥2406相比，观察者2401更靠近光锥2408的中心，因为所述光锥被导向到观察窗平面187以形成观察窗2428。因此，对于导向到观察窗2428的光，显示器的横向均匀度将是不同的。
类似地，窗平面187处的观察者2403看到来自光锥2406、2408，但与光锥2400相比更靠近光锥2402的基本均匀的照明。因此，对于导向到观察窗26中的光，亮度在整个显示器上变化。因此，观察者2401、2403在整个显示器宽度上看到均匀度的混合，其以与图21B和图22B所示的方式相类似的方式随观察者的纵向和横向位置而变化。
图33是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器300的小平面的反射进行，其中该后反射器的曲率半径小于图30的布置中的后反射器300的小平面310的曲率半径。
如前所示，定向背光源可包括波导1、光源15a-n阵列15(其被布置成在横跨波导1的不同输入位置处将输入光输入到波导1中)，其中波导包括用于沿波导1引导输入光的相对的第一引导表面6和第二引导表面8，
第一引导表面6被布置成通过全内反射引导光；
第二引导表面8可包括：(a)多个提取特征结构12，其(i)被布置成反射一些输入光以便将其通过第一引导表面6从波导1输出，并且(ii)横向弯曲以沿横向(即沿y方向)具有正光焦度，使得从提取特征结构12反射的输入光在第一窗平面191中在定向背光源前面横向地形成提供观察窗的光源的实像502，提取特征结构12还透射一些输入光；以及(b)提取特征结构12之间的中间区域10，其被布置成通过全内反射引导光；以及包括反射小平面310的线性阵列的后反射器300，所述反射小平面(i)被布置成反射通过波导1的提取特征结构12透射的至少一些输入光，以便将其导向回通过波导1以通过第一引导表面6离开，并且(ii)横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从反射小平面310反射的输入光在与第一窗平面191分离的第二窗平面187中横向地形成光源的图像503。
由从反射小平面12反射的输入光506形成的图像502是在定向背光源前面(即，沿正z方向)在平面191中提供另外的观察窗26的光源15a-n的实像。
在该实施例中，第二窗平面187比第一窗平面191更靠近定向背光源。
定向背光源还包括具有反射小平面310的后反射器300，其中该后反射器还包括中间小平面312，这些中间小平面在后反射器的反射小平面间之延伸并以与后反射器的反射小平面相反的指向倾斜，使得成对反射小平面和中间小平面一起形成角隅小平面，这些角隅小平面被布置成反射入射在其上的至少一些输入光。
提供了多个窗平面。有利的是，为不在窗平面中的横向移动的观察者增加了亮度均匀度。此外，与包括单个窗平面191的定向显示器相比，可减小近侧亮度衰减。此类显示器通常被认为看起来更自然。
图34是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行，其中该后反射器的曲率半径大于图30的布置中的后反射器的曲率半径。
在该实施例中，小平面310的半径被设置成使得第二窗平面187比第一窗平面191更远离定向背光源(包括波导1)。
图35是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的小平面的透射和从后反射器的小平面的反射进行，其中该后反射器具有线性范围。
在该实施例中，由从反射小平面310反射的输入光形成的图像521是光源的虚像，该光源的虚像位于定向背光源后面。
有利的是，可提供线性小平面310。与图34的弯曲小平面相比，线性小平面更方便加工和复制，从而降低了成本和复杂性。
期望的是，降低波导1的小平面12的制造复杂性，同时提供多个观察窗平面191、187。
图36是以透视图示出通过从定向波导1的线性小平面的反射进行的光提取的示意图。因此，反射光506的光线保持平行，并且在无限远处形成窗平面，也就是说，来自波导1的输出在整个波导宽度上被准直。
图37是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的线性小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的线性小平面的透射和从后反射器的弯曲小平面的反射进行。
图38A是以透视前视图示出第一小平面曲率和第二小平面曲率被布置成以与图37的布置类似的方式实现不同的窗平面位置的后反射器300和波导1的另一布置的示意图。这种布置可进一步减小如图27所示的空隙的出现。
图38B进一步示出了波导1的提取特征结构12可在与后反射器相反的方向上弯曲，使得波导1提供虚窗平面并且后反射器300提供实窗平面。
图38C示出了后反射器可被布置成提供虚窗平面185，而波导1可被布置成提供实窗平面。或者两个窗平面都可以是虚的。
有利的是，可为不在窗平面中的观察者调整显示器的横向均匀度特性。
图39是以透视图示出光提取的示意图，该光提取通过(i)由定向波导的线性小平面的反射以及(ii)穿过定向波导的线性小平面的透射和从后反射器的线性小平面的反射进行。
有利的是，可提供横向均匀度特性类似于图20B中所示的横向均匀度特性的准直显示器。可进一步降低制造复杂性。
期望的是，优化定向显示器的方向性以用于汽车应用中。
图40是以侧视图示出通过显示器1004对汽车100车舱1002的照明的示意图，并且图41是以顶视图示出通过显示器对汽车车舱的照明的示意图。光线1010可被导向到驾驶员位置1012，而光线1006可被导向到挡风玻璃1008上，之后被反射到车辆乘员1022(包括驾驶员位置1012)。
图42是以前视图示出了通过各种显示器对乘员的照明的示意图。因此，光线1014可进一步被侧窗1020反射以形成不想要的显示图像。
现在将考虑来自常规非定向显示器的光锥。
图43是以侧视图示出通过常规照明显示器104对乘员的照明的示意图。光线1010被直接发送到乘员1022，而在x-z平面中倾斜的光线1006被朝向挡风玻璃1008导向并部分地反射到乘员1022。因此，光线1007可能提供显示器1004的不想要的显示反射。另外的光线可从内部车辆表面散射并作为光线1013导向到观察者。
此类光线1013、1007可以产生对于夜间驾驶而言不想要的杂散光水平，从而破坏驾驶员的视野。此类光线的亮度随着显示器尺寸的增加而增加，从而不期望地限制了车舱中的最大显示器尺寸。
图44是示出常规照明显示器的亮度的角变化的示意曲线图。因此，在x-z平面中，输出可具有亮度1024轮廓1022，其如图所示随角度1026而变化。
图45是示出常规照明显示器的等亮度轮廓的示意曲线图。相对于水平角1037绘制垂直角1039提供了通常旋转对称的等亮度轮廓线1038。例如，轮廓线1038可表示与峰值亮度相比的5％亮度水平，如图44中的虚线所示。在用于前方乘客的显示器的示例中，方向1030可以是朝向挡风玻璃的方向，方向1034可以是朝向侧窗的方向，方向1036可以是朝向驾驶员的方向，并且方向1032可以是朝向搁脚空间的方向。
图46是示出通过处于纵向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图，并且图47是示出通过处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图。因此，窗1040可表示乘员处观察窗的位置，其中亮度落在某个水平例如峰值亮度的5％以上。在常规显示器中，亮度轮廓对于横向和纵向显示取向而言通常是相同的。
图48是示出了处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图。因此，可通过LED控制装置来控制轮廓1046以在z-y平面中提供更窄的角轮廓1046。
图49是示出处于横向取向的定向显示器的等亮度曲线的示意曲线图，并且图50是示出通过处于横向取向的具有窗形状1044的常规照明显示器对乘员的照明的示意图。因此，轮廓1042具有更窄的轮廓，使得有利地光不会横向地导向到驾驶员或侧窗。然而，光仍然可不期望地沿方向1030被朝向挡风玻璃1008导向。
图51是示出针对离轴眼睛位置的处于纵向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；图52是示出处于纵向取向的定向显示器的等亮度曲线的示意曲线图；并且图53是示出通过处于纵向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图。
因此，轮廓1046可提供乘客的等亮度轮廓线1048和相对窗位置1050。这种轮廓可减少到达窗的光量并且将峰值亮度重定向到显示器法线下方的位置以实现峰值亮度。有利的是，减少了挡风玻璃反射并且为不与显示器同轴的观察者保持峰值亮度。
期望的是，在横向取向显示器中减小导向到驾驶员的光量。
图54是示出横向自由度增加的处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图。图55是示出横向自由度增加的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；并且图56是示出通过横向自由度增加的处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图。因此，角轮廓1052可被布置成以等亮度轮廓线1054减小在方向1036上朝向驾驶员导向的光，同时向乘员1022提供较大观察窗1056。有利的是，横向显示器可为乘员实现舒适的头箱，同时减少朝向驾驶员导向的光。
期望的是，减少挡风玻璃反射、侧窗反射和导向到第二乘员诸如驾驶员的光。还期望的是提供横向显示器取向。
图57是以透视图示出包括定向背光源并布置有空间光调制器的定向显示装置的结构的示意图，该定向背光源包括在与反射端相对的一侧上的输入，该定向显示装置还包括被布置成提供在正交于横向方向的轴线上的高角度亮度的减小的微型百叶窗膜。图57在结构上类似于图18和图19，但是另外的微型百叶窗元件2207(诸如3M公司的ALCFTM)可插入光学堆叠中。
图58A至图58B是以侧视图示出定向显示器中的微型百叶窗膜2207的照明光学叠层位置以提供围绕x-z平面的不同水平的高角度亮度的示意图。漫射器2209、波板2211、反射偏振器2215和输入偏振器2210可与膜2207一起布置在叠层中。膜2207的位置可在反射偏振器2215之前或之后。膜的位置可确定系统中高角度光的减少程度。
图59是示出具有另外的微型百叶窗膜2207的处于横向取向的定向显示器的亮度的角变化的示意曲线图；图60是示出具有另外的微型百叶窗膜的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意曲线图；并且图61是示出通过具有另外的微型百叶窗膜的处于横向取向的常规照明显示器对乘员的照明的示意图。
有利的是，可为横向显示器提供被布置成减少挡风玻璃反射的垂直亮度轮廓。另外，通过控制光源照明在横向方向上的角轮廓，可实现不同的等亮度轮廓1060、1062。因此，可提供观察窗1064、1066以实现由驾驶员看到的光量的减少。
期望的是，提供具有减少的挡风玻璃反射并且没有微型百叶窗膜2207的复杂性和光学损耗的横向定向显示器。
图62是以侧视图示出提取特征结构角α和反射小平面角β和κ的示意图，如美国专利公开No.2014-0240828(代理人参考号355001)中描述的那样。
图63是示出包括偏振再循环以及提取特征结构和反射小平面角度(例如，与水平线成55度的波导小平面角α以及与垂线成53度的反射小平面角β)的第一组合的显示器的模拟角轮廓的示意曲线图。
图64是示出不包括偏振再循环但包括提取特征结构和反射小平面角度(例如，与水平线成45度的波导小平面角α以及与垂线成57度的反射小平面角β)的第二组合的显示器的角轮廓的示意曲线图。有利的是，z-x平面中的高角度光的亮度可以显著减小。
图65是示出具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；并且图66是示出通过具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图。
另外，图67A是示出具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图，并且图67B是示出通过具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图；图68A是示出具有朝向驾驶员的窄横向角轮廓和远离驾驶员的宽角轮廓以及图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图；并且图68B是示出通过具有朝向驾驶员的窄横向角轮廓和远离驾驶员的宽角轮廓以及图64的正交方向角轮廓的处于横向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图。
有利的是，横向显示器可以设置有朝向挡风玻璃导向的低亮度、针对驾驶员的减小的亮度，以及针对乘员1022的可控制的头箱形状。另外，可降低微型百叶窗膜的成本和复杂性。
图69A是示出具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图，并且图69B是示出通过具有宽横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图。
另外，图70A是示出具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器的等亮度轮廓的示意图，并且图70B是示出通过具有窄横向角轮廓和图64的正交方向角轮廓的处于纵向取向的定向显示器对乘员的照明的示意图。
有利的是，纵向显示器可以设置有朝向挡风玻璃导向的低亮度、针对驾驶员的减小的亮度，以及针对乘员1022的可控制的头箱形状，而没有微型百叶窗膜的成本和复杂性。
在另外的实施例中，微型百叶薄膜可与图64所示的角轮廓组合以进一步减小入射在挡风玻璃上的亮度，从而实现供夜间使用的增强的显示器性能。
输入波导1中的光可在第一方向上从输入侧2散射到反射端4。期望的是减小或移除散射的外观。
图71是以前视图示出用于沿显示器法线观察的定向波导中的输入光条纹的外观的示意图。光锥652由来自阵列15的光源的光折射到波导1中而形成。
例如，在防窥操作模式中，光锥652内的光可被波导内的特征结构散射，其外观在迎头观察时可以是垂直条纹650。此类迎头条纹可在外观上被迎头照明的亮度掩盖，该迎头照明由从反射端4反射并借助于特征结构12提取的光提供。
图72是以前视图示出用于以倾斜于横向方向上的显示器法线的角度观察的定向波导中的输入光条纹的外观的示意图。在防窥操作模式中，从主窗26看到低水平的光，并且因此条纹650可具有更高的对比度。期望的是移除或减小此类条纹的外观。
图73是以侧视图示出定向波导的提取特征结构阶梯处的光学模式耦合的示意图。在从输入侧2到反射端4的传播期间，光学模式耦合可在每个提取特征结构12处发生，使得光学模式710在一定光焦度损耗下耦合到光学模式712。此类损耗可作为例如掠射角光线704被观察到。
图74是以侧视图示出定向波导的提取特征结构阶梯处的光偏转的示意图。在通过模制方法来制造时，提取特征结构12可包括薄端结构700和修圆特征结构702，该薄端结构可稍微向内倾斜到塑料。这种结构700可提供一些光学耦合损耗，使得光线706作为损耗从波导输出。例如，一些光线706可被光学堆叠2208内的光学表面散射或反射。
图75是以侧视图示出用于偏振再循环光路的从后反射器的小平面的反射的示意图。后反射器75进行操作以反射通过特征结构12透射的光线740。另外的光线742被提取特征结构12直接反射。此外，可从堆叠2208中的反射偏振器反射的偏振光在反射小平面310和312之间的角隅棱镜中回射。
图76是以侧视图示出杂散光从后反射器的小平面的反射的示意图。因此，光线704、706可能不期望地被拔模反射小平面312反射以输出光线714。此类光线714可向条纹650提供光，其中方向性由波导1和后反射器300产生。
期望的是减小由于从输入侧2传递到反射端4的光的散射而引起的热点的可见性。
图77是以侧视图示出杂散光从包括扭结反射小平面的后反射器的小平面的反射的示意图，并且图78是以侧视图示出杂散光从包括扭结反射小平面阵列的后反射器的小平面的反射的示意图。
因此，定向背光源可包括：波导1；光源阵列15(这些图中未示出)，其被布置成在横跨波导1的不同输入位置处将输入光输入波导1中，其中波导1包括用于沿波导1引导输入光的相对的第一引导表面6和第二引导表面8，第一引导表面6被布置成通过全内反射引导光，并且第二引导表面8包括：(a)多个提取特征结构12，其(i)被布置成反射一些输入光742以便将其通过第一引导表面6从波导1输出，提取特征结构还透射一些输入光740；以及(b)提取特征结构12之间的中间区域10，其被布置成通过全内反射引导光；以及包括成对733反射角隅小平面731、734的线性阵列的后反射器301，所述反射角隅小平面被布置成反射通过波导1的提取特征结构12透射的至少一些输入光740，以便将其导向回通过波导1以通过第一引导表面6离开，其中每对733反射角隅小平面731、734包括第一小平面731和第二小平面734，透射通过波导的提取特征结构12的光740入射在第一小平面上，每个第一小平面731包括具有不同倾斜度744、746的外部分730和内部分732。
内部分732的倾斜度746可比外部分730的倾斜度744更浅。第一小平面731的内部分732和第二小平面734可具有在85度至95度范围内、优选在89.5度至90.5度范围内的内角748。
以与例如图35所示的方式相类似的方式，第一小平面731可以是线性的，或者如例如图37所示，可横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从反射小平面731反射的输入光在与第一窗平面191分离的第二窗平面185中横向地形成光源15a-n的图像。
另外的平面区域731可设置在小平面310和拔模小平面312之间，以提供与尖点相比改善的机械耐久性。
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。
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，所描述的实施例中提供了上述优点和特征结构，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方法和结构。
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一个或多个实施例。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一个或多个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一个或多个实施例的表征。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一个或多个实施例及其等同物。在所有情况下，应根据本公开基于所述权利要求书本身的特点来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims (26)

1.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
波导；
光源阵列，所述光源阵列被布置成在横跨所述波导的不同输入位置处将输入光输入所述波导中，
其中所述波导包括用于沿所述波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括：(a)多个提取特征结构，所述多个提取特征结构(i)被布置成反射一些所述输入光以便将其通过所述第一引导表面从所述波导输出，并且(ii)横向弯曲以沿横向具有正光焦度，使得从所述提取特征结构反射的所述输入光在第一窗平面中在所述定向背光源前面横向地形成提供观察窗的所述光源的实像，所述提取特征结构还透射一些所述输入光；以及(b)所述提取特征结构之间的中间区域，所述中间区域被布置成通过全内反射引导光；以及
包括反射小平面的线性阵列的后反射器，所述反射小平面(i)被布置成反射通过所述波导的所述提取特征结构透射的至少一些所述输入光，以便将其导向回通过所述波导以通过所述第一引导表面离开，并且(ii)横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从所述反射小平面反射的所述输入光在与所述第一窗平面分离的第二窗平面中横向地形成所述光源的图像。
2.根据权利要求1所述的定向背光源，其中由从所述反射小平面反射的所述输入光形成的所述图像是在所述定向背光源前面提供另外观察窗的所述光源的实像。
3.根据权利要求2所述的定向背光源，其中所述第二窗平面比所述第一窗平面更靠近所述定向背光源。
4.根据权利要求2所述的定向背光源，其中所述第二窗平面比所述第一窗平面更远离所述定向背光源。
5.根据权利要求1所述的定向背光源，其中由从所述反射小平面反射的所述输入光形成的所述图像是所述光源的虚像，所述光源的虚像位于所述定向背光源后面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的定向背光源，其中所述波导还包括反射端，所述光源被布置成朝向所述反射端将输入光输入所述波导中，所述反射端被布置成沿所述波导反射回所述输入光，所述提取特征结构被布置成在从所述反射端的反射之后反射一些所述输入光。
7.根据权利要求6所述的定向背光源，其中所述波导还包括与所述反射端相对的后端，以及所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的侧表面。
8.根据权利要求7所述的定向背光源，其中所述光源阵列沿所述后端布置。
9.根据权利要求7所述的定向背光源，其中所述光源包括沿所述侧表面布置的光源，并且
所述反射端包括沿横向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沿横向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耳反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在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的方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的定向背光源，其中所述反射端沿横向具有正光焦度。
11.根据权利要求10所述的定向背光源，其中所述反射端是菲涅耳反射器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的定向背光源，其中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以与所述后反射器的所述反射小平面相反的指向倾斜，使得成对反射小平面和中间小平面一起形成角隅小平面，所述角隅小平面被布置成反射入射在其上的至少一些所述输入光。
13.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的定向背光源；以及
透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置成接收来自所述波导的输出光并对其进行调制以显示图像。
14.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求13所述的定向显示装置；以及
控制系统，所述控制系统被布置成控制所述光源。
15.一种定向背光源，所述定向背光源包括：
波导；
光源阵列，所述光源阵列被布置成在横跨所述波导的不同输入位置处将输入光输入所述波导中，
其中所述波导包括用于沿所述波导引导输入光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述第一引导表面被布置成通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括：(a)多个提取特征结构，所述多个提取特征结构(i)被布置成反射一些所述输入光以便将其通过所述第一引导表面从所述波导输出，所述提取特征结构还透射一些所述输入光；以及(b)所述提取特征结构之间的中间区域，所述中间区域被布置成通过全内反射引导光；以及
包括成对反射角隅小平面的线性阵列的后反射器，所述反射角隅小平面被布置成反射通过所述波导的所述提取特征结构透射的至少一些所述输入光，以便将其导向回通过所述波导以通过所述第一引导表面离开，其中每对反射角隅小平面包括第一小平面和第二小平面，透射通过所述波导的所述提取特征结构的光入射在所述第一小平面上，每个第一小平面包括具有不同倾斜度的外部分和内部分。
16.根据权利要求15所述的定向背光源，其中所述内部分的倾斜度比所述外部分更浅。
17.根据权利要求15或16所述的定向背光源，其中所述第一小平面的所述内部分和所述第二小平面具有在89.5度至90.5度范围内的内角。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的定向背光源，其中所述第一小平面横向弯曲以沿横向具有光焦度，使得从所述反射小平面反射的所述输入光在与所述第一窗平面分离的第二窗平面中横向地形成所述光源的图像。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的定向背光源，其中所述波导还包括反射端，所述光源被布置成朝向所述反射端将输入光输入所述波导中，所述反射端被布置成沿所述波导反射回所述输入光，所述提取特征结构被布置成在从所述反射端的反射之后反射一些所述输入光。
20.根据权利要求19所述的定向背光源，其中所述波导还包括与所述反射端相对的后端，以及所述第一引导表面和所述第二引导表面之间的侧表面。
21.根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述光源阵列沿所述后端布置。
22.根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述光源包括沿所述侧表面布置的光源，并且
所述反射端包括沿横向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沿横向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耳反射器的拔模小平面，所述菲涅尔反射器具有在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的方向上朝向所述侧表面倾斜的光轴。
23.根据权利要求15至21中任一项所述的定向背光源，其中所述反射端沿横向具有正光焦度。
24.根据权利要求23所述的定向背光源，其中所述反射端是菲涅耳反射器。
25.一种定向显示装置，其中所述定向显示装置包括：
根据权利要求15至24中任一项所述的定向背光源；以及
透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置成接收来自所述波导的输出光并对其进行调制以显示图像。
26.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据权利要求25所述的定向显示装置；以及
控制系统，所述控制系统被布置成控制所述光源。
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