CN110178072B - 用于成像定向背光源的光学叠堆 - 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，用于从局部光源提供大面积导向照明。波导可包括阶梯式结构，其中阶梯还可包括提取特征结构，该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。后反射器被布置成接收由特征结构透射的光并提供偏振再循环。观察窗通过使单独光源成像而形成，并因此限定系统元件和光线路径的相对位置。提供延迟叠堆排列以提高偏振再循环的效率，降低损坏的可见度以及减少视角的颜色变化。

Description

用于成像定向背光源的光学叠堆
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至少第二组像素。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使得对空间光调制器中的电子设备的寻址受到损害。
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，如美国专利号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。来自输入端部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)。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，提供了一种定向显示装置，该定向显示装置包括：波导，该波导包括用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面以及在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的输入表面；光源阵列，该光源沿波导的输入表面设置在不同输入位置处，并且被布置成将输入光输入到波导中，该波导还包括反射端，该反射端用于沿波导反射回来自光源的输入光，该第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且该波导被布置成使光源在横向方向上成像，使得来自光源的输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，输出方向取决于光源的输入位置分布；透射空间光调制器，该透射空间光调制器被布置成接收输出光，并且被布置成调制具有第一偏振态的输出光的第一偏振分量；反射偏振器，该反射偏振器被设置在波导的第一引导表面与空间光调制器之间，并且被布置成透射第一偏振分量并且反射作为阻隔光的该输出光的第二偏振分量，该第二偏振分量具有与第一偏振态正交的第二偏振态；和设置在第二引导表面后方的后反射器，该后反射器被布置成反射阻隔光以供应回空间光调制器，该后反射器包括在垂直于空间光调制器的法线的预定方向上延伸的成对的反射角小平面的线性阵列，使得后反射器将具有来自一对角小平面的双反射的阻隔光的偏振态转换成正交偏振态；一个或多个校正延迟片，该一个或多个校正延迟片包括设置在反射型偏振器和后反射器之间的双折射材料，该一个或多个校正延迟片被布置成提供一种净效应，所述净效应使入射在所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上的所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的相位相对地沿垂直于空间光调制器的方向偏移半个波长，该一个或多个校正延迟片的双折射材料具有在垂直于预定方向的方向上延伸的慢轴。
有利的是，可増大垂直于预定方向的方向上的亮度并且提高显示效率。可减小视角的进一步颜色变化，并且可降低波纹的可见度和对光学元件的损坏。
所述一个或多个校正延迟器可以是单个校正延迟器。成本便可有利地降低。
校正延迟器可设置在波导和后反射器之间。有利的是，校正延迟器可减少后反射器与波导之间的损坏。
校正延迟片可设置在反射型偏振器和波导之间。有利的是，可将校正延迟片附接到空间光调制器以减少损坏并増加延迟片平坦度，从而最小化图像色差。
所述一个或多个校正延迟器可以是多个校正延迟片。有利的是，可优化色彩和亮度效率的调谐。所述多个校正延迟器可包括设置在波导和后反射器之间的校正延迟片和设置在反射型偏振器和波导之间的校正延迟片。有利的是，延迟器的平坦度可被优化，并且后反射器和波导之间的损坏减小。
定向显示装置还可包括设置在反射偏振器和后反射器之间的调节延迟片，并且其可被布置成调节第二偏振分量的偏振态。有利的是，在具有不同于45度的电矢量传输方向角的输入偏振片的显示器中，例如在平面切换液晶显示器中，可实现有效偏振再循环。可提高宽操作模式下的图像对比度和视角。
预定方向可为横向方向。第二偏振分量可在后反射器处时在与预定方向成45°角的方向反射时线性偏振。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光提取特征结构和在光提取特征结构之间的中间区域，该光提取特征结构被取向以反射光，该光被引导以允许作为输出光穿过第一引导表面射出的方向穿过波导，并且中间区域被布置成导向光穿过波导而不提取光。提取小平面可以是弯曲的，并且在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的波导的侧面之间的横向方向上具有正光焦度。反射端可具有横向正光焦度，该横向正光焦度在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的波导侧面之间延伸。所述成对的反射角小平面可以是弯曲的，并且在预定方向上具有光焦度。所述输入表面为与反射端相对的波导的端部。所述输入表面可为延伸离开反射端的波导的侧面的表面。
根据本公开的第二方面，提供了一种定向显示设备，包括：根据第一方面的定向显示装置；和控制系统，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。
定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源，来提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制发射光定向分布可实现安全功能的单人观察，其中显示器可仅被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中主要在小角度定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；以及可实现低成本。
本领域的普通技术人员在阅读本公开的全文后，本公开的这些和其他优点以及特征将变得显而易见。
附图说明
实施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12A是根据本公开示出了包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图；
图12B是根据本公开示出了由包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图；
图12C是根据本公开示出了包括在邻近反射侧面的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图；
图12D是根据本公开示出了由包括在邻近反射侧面的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图；
图13是示出根据本公开的本公开中其他附图的偏振器电矢量、延迟片慢轴和偏振态的取向的图例；
图14A是根据本公开示出了再循环定向背光中的光线路径的侧视图的示意图；
图14B和图14C是根据本公开示出了来自小平面后反射器的偏振光的反射的透视图的示意图；
图15A是根据本公开以透视正视图的方式示出了包括扭曲向列型液晶空间光调制器的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图；
图15B是根据本公开以侧视图的形式示出了图15A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图；
图16A是根据本公开以透视正视图的形式示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器内的定向显示设备的偏振管理部件叠堆的示意图；
图16B是根据本公开以侧视图的形式示出了图16A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图；
图17是根据本公开示出了包括图16A至图16B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的亮度变化的示意图；
图18是根据本公开示出了包括图16A至图16B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的颜色变化的示意图；
图19是根据本公开以侧视图的形式示出了在具有表面损伤的波导中的光传播的示意图；
图20是根据本公开以俯视透视图的形式示出了损坏缺陷的外观的示意图；
图21A是根据本公开以透视正视图的形式示出了包括扭转向列型模式液晶空间光调制器和校正延迟片的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图；
图21B是根据本公开以侧视图的形式示出了图21A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图；
图22A是根据本公开以透视正视图的形式示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器内的定向显示设备的偏振管理部件叠堆的示意图，并且还包括补偿延迟片；
图22B是根据本公开以侧视图的形式示出了图22A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图；
图23A是根据本公开以透视图的形式示出了通过偏轴光对延迟层的照明的示意图；
图23B是根据本公开以透视图的形式示出了由0度处的第一线性偏振态的偏轴光对延迟层的照明的示意图；
图23C是根据本公开以透视图的形式示出了由90度处的第一线性偏振态的偏轴光对延迟层的照明的示意图；
图23D是根据本公开以透视图的形式示出了由45度处的第一线性偏振态的偏轴光对延迟层的照明的示意图；
图24A是示出根据本公开以侧视图的形式示出了定向显示器的示意图，该定向显示器包括波导和后反射器之间的延迟层；
图24B是根据本公开以透视前视图示出了定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图，该定向显示设备包括平面切换模式液晶空间光调制器，其中延迟层设置在波导和后反射器之间；
图24C是根据本公开以侧视图的方式示出了图24B的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图；
图25是根据本公开示出了包括图16A至图24A至图24B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的亮度变化的示意图；
图26是根据本公开示出了包括图24A至图24B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的颜色变化的示意图；
图27是根据本公开以透视前视图的方式示出了包括多个校正延迟层的定向显示器的示意图；以及
图28是根据本发明以侧视图的形式示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器和多个校正延迟片的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图。
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。
为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利号9,519,153所述的光学阀有利地可与快速切换透射式空间光调制器组合布置，以在薄型封装中实现时间多路复用自动立体照明，同时提供高分辨率图像及无闪烁观察者跟踪和低串扰水平。描述了观察位置或窗的一维阵列，其可在第一(通常水平)方向上显示不同图像，但在第二(通常竖直)方向上移动时包括相同图像。
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，
Figure BDA0002126669670000101
et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)(
Figure BDA0002126669670000102
Figure BDA0002126669670000103
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而被提取，并导向到观察窗，如美国专利号9,519,153中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀中的至少一个。阶梯式波导是用于成像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括：第一光引导表面；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表面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的例如美国专利号9,519,153，其在本文可称为“optical valve”(光学阀)或“optical valve directionalbacklight”(光学阀定向背光源)，所有上述专利全文以引用方式并入本文。
本公开提供了阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之间来回反射，所述阶梯式波导可包括第一侧面和第一组特征。在光沿着阶梯式波导的长度行进时，光可基本上不改变相对于第一侧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、SLM 48、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部2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端部2与将输入光反射回穿过波导1的反射端4之间延伸。输入端部2在跨波导的横向方向上的长度大于输入端部2的高度。将照明器元件15a-15n设置在跨输入端部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部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部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12被布置成将来自在跨输入端部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部2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端部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1的横向方向上可具有正光焦度。换句话讲，反射端可在波导的侧面之间延伸的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面和第二引导表面之间以及在输入端部和反射端之间延伸。光提取特征结构12可在波导的侧面之间的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面6和第二引导表面8之间以及在输入端部2和反射端之间延伸。
波导1还可包括用于将来自光源的输入光沿波导1反射回的反射端4，第二引导表面8被布置成将所反射的输入光偏转穿过第一引导表面6作为输出光，并且波导1被布置成使光源15a-n成像使得来自这些光源的输出光在输出方向上导向到相应的光学窗26a-n中，这些输出方向取决于光源的输入位置而横向地分布。
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。控制系统被布置成选择性地操作照明元件15a-15n以将光导向到可选择观察窗中。
反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置成与反射端4配合以在观察平面处实现观察窗。透射空间光调制器48可被布置成接收来自定向背光源的光。在SLM 48上显示的图像可与阵列15的光源的照明同步呈现。
控制系统可包括传感器系统，其被布置为检测观察者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，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。
因此，定向显示设备可包括定向显示装置和被布置成控制光源15a至光源15n的控制系统。
图12A是示出了包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图。
反射端4可由菲涅耳镜提供。另外，锥形区域204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加照明均匀度。具有孔203的遮蔽层206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302，这些小平面可弯曲并布置成用于从阵列15的成像光源提供的光学窗组向窗平面提供观察窗。光学叠堆208可包括反射偏振器、延迟片层和漫射体。后反射器300和光学叠堆208在美国专利中被进一步描述。编号2014-0240828，2014年2月21日提交的名称为“定向背光源”(律师编号：355001)的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210、TFT玻璃基板212、液晶层214、滤色器玻璃基板216和输出偏振器218。可将红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224成阵列地布置在液晶层214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。
图12B是示出了由包括在与反射侧面相对的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图。因此，输入表面2可为波导1的与反射端相对的端部。
图12C是示出了包括在邻近反射侧面的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备光学叠堆的透视图的示意图，如美国专利公布号2016-0349444，2016年5月26日提交的题为“宽视角成像定向背光源”(代理人参考号384001)，其全部内容通过引用结合于此。波导301包括输入侧面322、324，其中在相应侧面上具有对准的光源317a-n和319a-n。与反射端304相对的端部302可被布置成为吸收端或反射端以分别提供低水平的串扰或提高的效率。
图12D是示出了由包括在与反射侧面相邻的侧面上具有光输入的定向波导的定向显示设备形成光学窗的透视图的示意图。在输入小平面321处的光源317a-n和319a-n被布置成分别围绕轴线197提供光学窗27a-n和29a-n。菲涅耳镜304被布置有第一光轴和第二光轴287、289。因此，输入表面可为波导301的延伸离开反射端304朝向较薄端3020的侧表面322。
因此，定向背光源包括第一引导表面6和第二引导表面8，该第一引导表面被布置成通过全内反射来引导光，并且该第二引导表面包括多个光提取特征结构12以及位于光提取特征结构12之间的中间区域10，该多个光提取特征结构被取向为在允许离开穿过第一引导表面6的方向上导向沿波导1，波导301引导的光作为输出光，这些光提取特征结构被布置成沿波导1、301引导光。
考虑到图12A至图12D的布置方式，第二引导表面6可具有阶梯式形状，其中所述光提取特征结构12是中间区域10之间的小平面。光提取特征结构12可在波导1、301的侧表面22、24或322、324之间的方向上具有正光焦度，这些侧表面在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸。反射端4，304可在反射端4、304的侧面22、24或322、324之间延伸的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面和第二引导表面6、8之间延伸。
因此，所有侧面2、4、6、8、22、24都提供反射以在防窥操作模式下实现均匀照明和低串扰。如果特征结构被施加到表面的许多区域，则由于特征结构处波导提取损耗的空间位置，可提供不均匀度。
因此，定向显示装置可包括波导，其中输入表面322为波导1的远离反射端304延伸的一侧的表面。
期望优化定向显示设备中偏振再循环的效率。本公开涉及偏振光在定向背光源中的传播。
图13是示出了用于本公开中的其他附图的示出偏振电矢量取向、延迟片慢轴和偏振态以及光线传播方向的符号的图例，除非另外指明。所述符号位于本文附图中的相应光线之上或附近。
图14A是示出了再循环定向背光源中的光线路径的侧视图的示意图。来自包括表面302和反射小平面303、305的后反射器300的偏振光的再循环已描述于美国专利号9,235,057和美国专利公布号2014-0240828中；其中每一项以引用方式全文并入本文。
图14A描述了在从反射端4反射之后由光提取特征结构12反射或透射的光线的输出。光线510由反射偏振器207和吸收偏振器210透射，该吸收偏振器在入射到液晶层214上之前与偏振器207对准。相似地，由特征部12透射并由后反射器300的小平面303反射的光线516由反射偏振器207和吸收偏振器210透射，该吸收偏振器在入射到液晶层214上之前与偏振器207对准。由反射偏振器207反射的光线512入射在后反射器的小平面303、小平面305上，并且随后透射穿过偏振器207、偏振器210。因此，光线510、光线512、光线516可有助于定向显示器的光输出。
在另一个光路514中，其在竖直方向上具有与法向方向成高角度。由特征部12透射的光线514被反射偏振器207反射并入射在小平面303上，之后在反射偏振器207处经历进一步的反射，并且因此无助于定向显示器的输出光。
现在将描述来自后反射器的偏振光的反射。
图14B至图14C是示出了来自小平面后反射器的偏振光的反射的透视图的示意图。图14B示出了入射在线性后反射器300上且偏振态为+45度的线性偏振光线512经历双反射，其中反射光的偏振旋转至-45度。这种双反射可有利地实现如图14A中所述的増加的偏振再循环效率。
图14C示出了入射在后反射器300的小平面303、小平面305上的光线514、光线517。以使反射发生在两个小平面303、小平面305中的仅一个的角度来提供这种光线。因此，入射偏振态不会旋转。
现在将描述在定向显示器(例如，包括小平面后反射器300的那些)中偏振光的传播。
图15A是以透视正视图的方式示出了包括扭曲向列型液晶空间光调制器的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图。参见图12A的光学叠堆，例如，输出偏振器218可具有+45度的电矢量透射方向620，其中输入偏振器210具有45度的电矢量透射方向622。反射偏振器207可具有与输入偏振器210的方向622对齐的电矢量透射方向624。
后反射器303、后反射器305可被布置成具有在横向方向上(平行于y轴)细长的小平面303、小平面305。另选地并且如本文所述，小平面303、小平面305可具有围绕z轴的曲率。所述曲率可被布置成提供与来自波导1的窗平面位置匹配或不同的窗平面位置的控制，如美国专利公布2017年5月18日提交的第2017-0339398号(代理人参考号397001)中，并且全文以引用方式并入本文。
现在将描述图15A的布置方式中的偏振态的传播。
图15B是以侧视图的形式示出了图15A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图。光线510示出了用-45度线性偏振态的光透射穿过反射偏振器207和输入偏振器210。光线512示出了来自波导1的光的传播，该波导具有+45度偏振态。在反射型偏振器207和后反射器300表面302处反射之后，偏振态被旋转至-45度并透射穿过LCD的输入偏振器210。
相比之下，光线514用+45度线性偏振态偏振，其不被后反射器300旋转，并因此继续在反射偏振器207和后反射器300之间传播，直到其在系统中损失。因此，在对顶角高于光线510、光线512的光线514不从系统输出。
现在将描述包括平面内切换(IPS)LCD的定向显示器中的偏振光的传播。
图16A是根据本公开以透视正视图的形式示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器内的定向显示设备的偏振管理部件叠堆的示意图，并且图16B是以侧视图形式示出了在图16A的定向显示器中再循环偏振光传播的示意图。
通过与图15A的布置方式进行比较，输出偏振电矢量方向620可为90度，并且输入偏振器方向622可为0度至预定方向(即横向方向)。为了在后反射器300处实现偏振旋转，使用设置在反射偏振器207和后反射器300之间的调节延迟片205来提供45度线性偏振态。调节延迟片205可具有22.5度或67.5度的慢轴方向，并且可为例如波长为500nm的半波长延迟片。
在操作中，沿着光线512传播的来自波导+45度的偏振光可通过在反射偏振器207反射之前调节延迟片205并从后反射器300反射来旋转至90度线性偏振，以提供-45度偏振态。所述偏振态可由调节延迟片205进一步旋转，使得提供0度线性偏振以透射穿过反射偏振器207和输入偏振器210。
有利的是，偏振再循环在包括输入偏振器的定向显示器中实现，该输入偏振器具有与后反射器的细长小平面不以45度倾斜的电矢量透射轴。
图17是示出了包括图16A至图16B的光学叠堆的定向显示器在包括与z方向大于45度的后反射器小平面303角度的显示器中的竖直方向上的亮度分布521的变化的示意图，使得角度305与z方向成小于45度的角度。
此类小平面角度有利地在竖直方向上为未再循环的输出光提供増大的头部亮度和角轮廓，使得正角度θ处的光具有低于负角度θ(如图15B和图16B所示)的光的亮度。后反射器的小平面303、小平面305不与z轴成45度倾斜，并且可提供在与z方向不相同的角度处最大的再循环效率。
大于0度的角度θ处的输出亮度可具有比具有小于0度的角度θ的那些亮度更低的亮度。
期望减小轮廓521的不对称性并且在竖直(向下)方向上提供更多的光。
图18是示出了包括图16A至图16B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的颜色变化的示意图，且可提供CIE 1931颜色xy坐标523用于轴向观察。
如将参考图23A至图23D所述，调整延迟片或校正延迟片的延迟随厚度而变化，从而随视角而变化。对于偏轴光，延迟因此下降，并且提供半波延迟效应的波长发生变化。在本发明图16A的示例性实施方案中，在观察到色点525进行45度偏轴(俯视)观察时，色点523头部的偏移527可提供明显的颜色变化，在该示例中，为俯视观察提供更蓝的颜色。
期望减少竖直方向上的色移，使得显示器针对不同的观察位置保留类似的颜色。
图19是以侧视图的形式示出了在具有表面损伤的波导中的光传播的示意图。图20是以俯视透视图的形式示出了显示器100上的损坏缺陷的外观的示意图。
光线611可从缺陷601散射，从而给定视角为观察者提供亮点601。通过光提取特征结构12处的碎片603可阻止光线621，其中光线613被散射或吸收。因此，暗点605可由缺失光线621提供。
此类暗点和亮点可降低视觉图像的外观；期望减小或移除此类光线的可视性。具体地讲，期望増加可覆盖缺陷和碎片外观的光线619的亮度。
通过为竖直方向上的偏轴观察位置提供增加的亮度，可以改善如图17至图20中所述的视觉质量劣化。
因此，希望实现入射在后反射器300的仅一个小平面303、小平面305上的光的偏振再循环。
图21A是以透视正视图的形式示出了包括扭转向列型模式液晶空间光调制器和校正延迟片的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图。图21B是以侧视图的形式示出了图21A的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图。图21A的结构类似于图15A，还包括设置在反射偏振器624和后反射器300之间的校正延迟片630。
图22A是以透视正视图的形式示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器在内并且还包括补偿延迟片的定向显示设备的偏振管理部件叠堆的示意图，并且图22B是以侧视图形式示出了在图22A的定向显示器中再循环偏振光传播的示意图。图22A的结构类似于图16A，还包括设置在反射偏振器624和后反射器300之间的校正延迟片630。
定向显示装置因此可包括：波导1，该波导包括用于沿波导1引导光的相对的第一引导表面6和第二引导表面8以及在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的输入表面2；光源阵列15，光源阵列15沿波导1的输入表面2设置在不同输入位置处，并且被布置成将输入光输入到波导1中。该波导还包括反射端4，反射端4用于沿波导1反射回来自光源15的输入光；第二引导表面6，第二引导表面6被布置成将所反射的输入光偏转穿过第一引导表面8作为输出光，并且波导1被布置成使光源15以横向方向成像，使得来自光源15的输出光在输出方向上导向到相应的光学窗26中，该输出方向取决于光源的输入位置分布。
透射空间光调制器被布置成接收输出光，并且被布置成调制具有第一偏振态的输出光的第一偏振分量625。在该示例中，第一偏振分量625为线性偏振。
反射偏振器207被设置在波导1的第一引导表面6与空间光调制器之间，并且被布置成透射第一偏振分量625并且反射作为阻隔光的该输出光的第二偏振分量627，第二偏振分量627具有与第一偏振态正交的第二偏振态。在该示例中，第二偏振分量625在反射型偏振器207处反射时为线性偏振。
在图21B和图22B中，第一偏振分量625由反射偏振器207透射，例如沿光线510透射。在图21B中，第一偏振态为相对于横向成-45度的角度的线性偏振态。在图22B中，第一偏振态为相对于横向方向为平行的0度的角度处的线性偏振态。
后反射器300设置在第二引导表面8的后面并且被布置为反射阻隔光以供应回空间光调制器，后反射器包括在垂直于空间光调制器的法线的预定方向上延伸的成对的反射角小平面的线性阵列，使得后反射器将具有来自一对角小平面的双反射的阻隔光的偏振态转换成正交偏振态，使得其在返回反射偏振器207时具有第一偏振分量的偏振态。
定向显示设备还可包括调节延迟片205，调节延迟片205具有相对于横向方向的慢轴角度629。调节延迟片205设置在反射偏振器207和后反射器300之间，并且被布置成调节偏振分量的偏振态。角度629可例如为22.5度，使得调节延迟片205为半波延迟片，其被布置成以45度至0度的角度旋转线性偏振光。因此，图22B包括调节延迟片205，延迟片205在0度处将入射的45度线性偏振态旋转至第一偏振。
定向显示设备还可包括一个或多个校正延迟片630，一个或多个校正延迟片630包括设置在反射偏振器207和后反射器300之间的双折射材料，一个或多个校正延迟片630被布置成提供一种净效应，净效应使入射在其上的第一偏振分量和第二偏振分量625、627的相位相对地沿垂直于空间光调制器48的方向偏移半个波长。因此，对于给定设计波长，延迟片沿垂直方向(平行于z轴)的双折射和厚度可提供半波长延迟片。
一个或多个校正延迟片的双折射材料可具有在垂直于预定方向的方向上延伸的慢轴634。如图22A至图22B所示，预定方向为横向方向，因此慢轴634在x轴方向上延伸。此外，一个或多个校正延迟片630为单个校正延迟片；并且校正延迟片630设置在反射偏振器207和波导1之间。
参见图21B和图22B，第二偏振分量的阻隔光在后反射器300处以与预定方向成45°的角度方向反射时被线性偏振。如图14B所示，偏振态由后反射器的细长小平面旋转，因此第二偏振分量627的偏振态可转换为正交偏振态偏振态。因此，当第二偏振分量627返回到反射偏振器207时，其具有与第一偏振分量625相同的偏振态。
尽管在这些示例中，当第二偏振分量627在反射偏振器207和后反射器300之间穿过时被示出为具有特定的线性偏振态，但这并不是限制性的，并且第二偏振分量627的偏振态可通过在反射偏振器207与后反射器300之间作为阻隔光穿过时包含延迟片或其他部件来改变。例如，第二偏振分量627可被转换为在反射偏振器207和后反射器300之间的任何给定点处具有不同的线性偏振态或圆形偏振态，前提条件是第二偏振分量627的偏振态被转换为后反射器300处的正交偏振态，并且当第二偏振分量627返回到反射偏振器207时，其具有与第一偏振态625相同的偏振态。
相似地，在这些示例中，被反射偏振器207穿过的第一偏振分量625为线性偏振态，或者，根据空间光调制器48的性质，被反射偏振器207穿过的第一偏振分量625可具有圆形偏振态。在这种情况下，在反射偏振器处反射时，第二偏振分量627将具有正交于第一偏振分量625的偏振态的圆形偏振态。同样，可如上所述改变第二偏振分量627的偏振态。
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8可包括光提取特征结构12和光提取特征结构12之间的中间区域10，该光提取特征结构12被取向以反射光，该光被引导以允许作为输出光穿过第一引导表面6射出的方向穿过所述波导1，并且中间区域10被布置成导向光穿过波导1而不提取光。提取小平面12可以是弯曲的，并且在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的波导1的侧面22、侧面24之间的横向方向上具有正光焦度。反射端4可具有横向方向正光焦度，该横向方向正光焦度在第一引导表面6和第二引导表面8之间延伸的波导1的侧面22、侧面24之间延伸。例如，如图12A所示，输入表面2可以是与反射端4相对的波导1的端部。
现在将描述校正延迟片的操作。
在本公开的图23A至图23D中，为了便于解释，未应用图13的图例。偏振态和延迟片轴的取向在附图的透视图中示出，如本文将进一步描述的。
图23A是以透视图的形式示出了通过偏轴光对延迟层的照明的示意图。校正延迟片630可包括双折射材料，其由折射率椭圆体632表示，其具有与x轴成0度的慢轴方向634，并且具有厚度631。法线光线636传播使得材料中的路径长度与厚度631相同。光线637在y-z平面中具有増加的路径长度，然而材料的双折射基本上与光线636相同。通过比较，位于x-z平面中的光线638在双折射材料中具有増加的路径长度，并且另外双折射不同于法线636。
因此，延迟片630的延迟量取决于相应光线的入射角，并且也取决于入射平面，即x-z中的光线638将具有与y-z平面中的法线636和光线637不同的延迟量。
现在将描述偏振光与延迟片630的相互作用。为了在定向背光源的操作期间与第一偏振分量和第二偏振分量区分，以下解释将涉及第三偏振分量和第四偏振分量。
图23B是以透视图示出了延迟层通过与x轴成90度的第三线性偏振态的偏轴光的照明的示意图，并且图23C是以透视图示出了延迟层通过与x轴成0度的第四线性偏振态的偏轴光的照明的示意图。在此类布置中，入射线性偏振态与由椭圆形632表示的双折射材料的光轴对齐。因此，不提供第三正交偏振分量和第四正交偏振分量之间的相位差，并且对于每个光线636、637、638线性偏振输入的偏振态不产生变化。
图23D是以透视图示出了延迟片630层通过45度处的线性偏振态的偏轴光的照明的示意图。线性偏振态可被分解成分别正交于并平行于慢轴634方向的第三偏振分量和第四偏振分量。由折射率椭圆体632表示的延迟片厚度631和材料延迟可提供将入射在其上的第三偏振分量和第四偏振分量的相位在由光线636表示的法向方向上对于设计波长相对移动半波长的净效应。设计波长可例如在500nm至550nm的范围内。
在设计波长下并且对于沿着光线636通常传播的光，则在-45度处输出偏振可旋转90度至线性偏振态640。沿着光线637传播的光可看到相位差，该相位差类似于但不同于由于厚度变化而沿光线637的相位差，并且因此可输出椭圆偏振态639，其可具有类似于光线636的输出光的线性偏振轴的长轴。
相比之下，沿光线638的入射线性偏振态的相位差可显著不同，具体地讲可提供较低的相位差。此类相位差可提供在给定倾斜角642下为基本上圆形的输出偏振态644。
现在将进一步参考图21B和图22B来描述包括校正延迟片630的定向显示器中的偏轴传播中的偏振光的行为。
在图21B中，具有在基本上法向方向上传播的第二偏振分量627的偏振光可由具有-45度线性偏振态的波导1沿光线512提供。在校正延迟片630处，偏振被旋转到+45度并且被反射偏振器207反射。在第二次穿过校正延迟片630时，偏振被旋转至-45度，然后被后反射器旋转至+45度的正交偏振态。偏振态由校正延迟片630第三次旋转到-45度并透射穿过校正延迟片。
与图15B的布置相比，校正延迟片630对于在法向方向上传播的光线512不提供显著不同的性能。
图22B中的光线512以类似的方式传播，其中调节延迟片提供偏振光在45度和0度之间的附加旋转，以提供以0度的角度处与后反射器的对准。
现在将描述偏轴光线514在包括校正延迟片630的定向背光源中的传播。
在图21B中，来自波导1的用于第二偏振分量的线性偏振光具有入射到反射偏振器207上的+45度的偏振方向。该偏振入射到校正延迟片上。如图23D中所述，圆形偏振态可入射在后反射器的小平面303上，例如右旋圆形偏振。由于没有来自小平面305的双反射，因此45度处的线性偏振态不会经历90度旋转。然而，入射圆偏振态在反射时经历相移，并且左手偏振状态被反射。此类状态穿过校正延迟片630并且被转换为+45度线性偏振态，其与第一偏振分量625对准并因此透射穿过反射偏振器207。
以类似的方式，图22B的偏轴光线514在定向背光源中再循环，其中调节延迟片205提供再循环光与第一偏振分量的反射偏振器207透射方向的对准。
有利的是，偏振再循环效率在远离法线方向的角度上増大，在x-z平面中，即横向显示器的竖直操作方向。如下文将描述的，提高对较高视角的效率可提供改善的亮度、减小的与方向的色移、以及降低的损坏易感性。
在本发明的实施例中，慢轴通常是指正交于法向方向的取向，其中基本上垂直于延迟片传播的线性偏振光具有平行于慢轴的电矢量方向以最慢速度行进。慢轴方向是该光在设计波长下具有最高折射率的方向。
对于正电介质各向异性单轴双折射材料，慢轴方向是双折射材料的非常轴。此类材料中的普通轴通常平行于法向方向，并且正交于法向方向和慢轴。
术语半波长和四分之一波长是指延迟片对于可通常在500nm和570nm之间的设计波长λ0的操作。延迟片在入射在其上的光波的两个垂直偏振分量之间提供相移，其特征在于它赋予两个偏振分量的相对相位的量；其通过以下公式与延迟片的双折射Δn和厚度d相关
Γ＝2.π.Δn.d/λ0 eqn.1
就半波延迟片而言，选择d、Δn和λ0之间的关系，使得偏振分量之间的相移为Γ＝π。对于四分之一波长延迟器，选择d、Δn和λ0之间的关系，使得偏振分量之间的相移为Γ＝π/2。
本文术语半波长延迟片通常是指垂直于延迟片传播并且垂直于空间光调制器的光。如图23D所示，延迟片630的动作可为垂直于延迟片的光线636提供半波延迟，并且对于在x-z平面中以角度642倾斜的光线638提供四分之一波长延迟。
现在将描述延迟器位置的各种布置方式。
图24A是以侧视图的形式示出了包括延迟层630和布置在波导1和后反射器300之间的保护层600的定向显示器的示意图。
保护层600可例如具有与微结构302类似的硬度。另外的平面层660可例如具有与波导1类似的硬度被添加到延迟层上方。在示例性实施方案中，层600可包括玻璃基底，并且层660可包括丙烯酸类漫射体表面。
有利的是，可减小微结构302和波导1的损坏。另外，可在波导1和后反射器300之间引入间距，以有利地减小两个表面之间的摩尔纹的对比度。
图24B是根据本公开以透视前视图示出了定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图，该定向显示设备包括平面切换模式液晶空间光调制器，其中校正延迟片630设置在波导1和后反射器300之间。图24C是以侧视图示出了图24B的定向显示器中的再循环偏振光传播的示意图。
偏振再循环系统相对于第一偏振分量625和第二偏振分量627的操作类似于如图22B所示的操作。
有利的是，可以低成本和低复杂度将校正延迟片630布置在结构内。
成对的反射角小平面303、反射角小平面305可以是弯曲的并且在预定方向上具有光焦度，以实现由后反射器进行的基本上类似于例如波导的窗口成像的窗口成像。光焦度可为正的或负的，以提供对从后反射器300反射的光的观察窗口距离的控制。另选地，成对的反射角小平面303、反射角小平面305可为直的，使得后反射器不提供光焦度。因此，成对的反射角小平面在预定方向上延伸，在这些实施方案中，该预定方向通常在横向方向上，但包括在预定方向上提供光焦度的弯曲小平面。
对于直接来自波导1的光和入射在后反射器上的光，可提供不同的窗口平面。有利地，可提供改善的横向观察自由度，如美国专利公布2017年5月18日提交的第2017-0339398号(代理人参考号397001)，且全文以引用方式并入本文。
入射偏振光的角度可基本上为预定方向的45度。与入射偏振的倾斜相比，弯曲小平面的倾斜可较小；随着小平面相对于横向方向的倾斜改变，在横向方向上可发生再循环效率的小变化。有利的是，当光从仅一个反射小平面303、反射小平面305的单个反射收集时，校正延迟片可提供减小的再循环效率滚降。
现在将更详细地描述由校正延迟片630提供的优点。
图25是示出了包括图24A至图24B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的亮度变化的示意图，图26是示出了包括图24A至图24B的光学叠堆的定向显示器在竖直方向上的颜色变化的示意图。
与图17至图18中所述的照明特性相比，有利的是，在竖直方向上由轮廓529提供増加的亮度。与视角(由点531、点535和色移535示出)的进一步颜色变化显著降低。
期望降低定向背光源内对光学部件的损坏的可见度。参见图19至图20，高角度光线的亮度的増加提供了减小的损坏缺陷601、损坏缺陷605的对比度。有利的是，可改善背光源的寿命和可靠性。
希望通过提供作为多个延迟片的校正延迟片630来进一步调节颜色和亮度。
图27是以透视前视图示出了包括多个校正延迟层的定向显示器的示意图，并且图28是以侧视图示出了包括平面切换模式液晶空间光调制器和多个校正延迟片的定向显示设备的偏振管理部件的叠堆的示意图。因此，一个或多个校正延迟片为多个校正延迟片。所述多个校正延迟器包括设置在波导和后反射器之间的校正延迟片和设置在反射型偏振器和波导之间的校正延迟片。
该操作类似于图22B的布置方式。然而，单个校正延迟片630被多个校正延迟片630a、校正延迟片630b替换，所述多个校正延迟片可例如通过具有90度的相应慢轴方向634a、慢轴方向634b的四分之一波片来替换。在光线512的两个延迟片之间，第一偏振分量625可具有左旋圆形偏振态，并且第二偏振分量627可具有例如右旋圆形偏振态。对于光线514，可在延迟片630a、延迟片630b之间提供椭圆偏振态。组合起来，延迟片630a、延迟片630b可实现与图22B中的延迟片630类似的偏振修改。
有利的是，多个校正延迟片630a、延迟片630b可提供在其上提供漫射表面的多个层。另外，多个校正延迟片可被布置成具有修改的角度、厚度和双折射，使得组合中与单片校正延迟片630相比，实现偏振再循环的效率的提高。
全文以引用方式并入本文的还有美国专利公布2016年11月10日提交的第2017-0139114号(律师参考号390001)。
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 (16)

1.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：
波导，所述波导包括用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面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输入表面；
光源阵列，所述光源沿所述波导的所述输入表面设置在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，
所述波导还包括反射端，所述反射端用于沿所述波导反射回来自所述光源的输入光，所述第二引导表面被布置成将所反射的输入光作为输出光偏转穿过所述第一引导表面，并且所述波导被布置成使所述光源在横向方向上成像，使得来自所述光源的所述输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，所述光学窗取决于所述光源的所述输入位置分布；
透射空间光调制器，所述透射空间光调制器被布置成接收所述输出光，并且被布置成调制具有第一偏振态的所述输出光的第一偏振分量；
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且反射作为阻隔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态正交的第二偏振态；以及
后反射器，所述后反射器设置在所述第二引导表面后方，所述后反射器被布置成反射所述阻隔光以供应回所述空间光调制器，所述后反射器包括在垂直于所述空间光调制器的法线的预定方向上延伸的成对的反射角小平面的线性阵列，使得所述后反射器将具有来自一对角小平面的双反射的所述阻隔光的所述偏振态转换成正交偏振态；
一个或多个校正延迟片，所述一个或多个校正延迟片包括设置在所述反射偏振器和所述后反射器之间的双折射材料，所述一个或多个校正延迟片被布置成提供一种净效应，所述净效应使入射在所述第一偏振分量和所述第二偏振分量上的所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的相位相对地沿垂直于空间光调制器的方向偏移半个波长，所述一个或多个校正延迟片的所述双折射材料具有在垂直于所述预定方向的方向上延伸的慢轴。
2.根据权利要求1所述的定向显示装置，其中所述一个或多个校正延迟片为单个校正延迟片。
3.根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述校正延迟片设置在所述波导与所述后反射器之间。
4.根据权利要求2所述的定向显示装置，其中所述校正延迟片设置在所述反射偏振器与所述波导之间。
5.根据权利要求1所述的定向显示装置，其中所述一个或多个校正延迟片为多个校正延迟片。
6.根据权利要求5所述的定向显示装置，其中所述多个校正延迟片包括设置在所述波导和所述后反射器之间的校正延迟片和设置在所述反射偏振器和所述波导之间的校正延迟片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，还包括调节延迟片，所述调节延迟片设置在所述反射偏振器和所述后反射器之间并且被布置成调节所述第二偏振分量的偏振态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述预定方向为横向方向。
9.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述第二偏振分量在所述后反射器处反射时在与所述预定方向成45°的角度的方向线性偏振。
10.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，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光提取特征结构和在所述光提取特征结构之间的中间区域，所述光提取特征结构被取向以反射光，所述光被引导以允许作为输出光穿过所述第一引导表面射出的方向穿过所述波导，并且所述中间区域被布置成导向光穿过所述波导而不提取光。
11.根据权利要求10所述的定向显示装置，其中提取特征结构是弯曲的，并且在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的所述波导的侧面之间的横向方向上具有正光焦度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述反射端在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的所述波导的侧面之间延伸的横向方向上具有正光焦度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中成对的反射角小平面是弯曲的，并且在所述预定方向上具有光焦度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的定向显示装置，其中所述输入表面为与所述反射端相对的所述波导的端部。
15.根据权利要求1至12中任一项所述的定向显示装置，其中所述输入表面为延伸离开所述反射端的所述波导的侧面的表面。
16.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：
根据前述权利要求中任一项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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