CN111279123A - 背光式透明显示器、透明显示系统和方法 - Google Patents

背光式透明显示器、透明显示系统和方法 Download PDF

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Abstract

背光式透明显示器和透明显示系统提供了显示图像，同时使得背景场景能够通过显示器可见。背光式透明显示器包括光导、多个散射元件以及光阀阵列，该光阀阵列被配置为调制从光导散射的发射光以提供表示显示图像的经调制发射光。背光式透明显示器的透明度被配置为使得背景场景能够通过背光式透明显示器可见。透明显示系统包括光阀阵列和透明背光体。透明显示系统被配置为提供被叠加在通过透明显示系统可见的背景场景上的显示图像。

Description

背光式透明显示器、透明显示系统和方法
相关申请的交叉引用
不适用
关于联邦资助研究或开发的声明
不适用
背景技术
电子显示器是用于向各种各样的设备和产品的用户传达信息的几乎无处不在的介质。最常用的电子显示器包括阴极射线管(cathode ray tube，CRT)、等离子显示面板(plasma display panel，PDP)、液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、电致发光显示器(electroluminescent display，EL)、有机发光二极管(organic light emittingdiode，OLED)和有源矩阵OLED(active matrix OLED，AMOLED)显示器、电泳显示器(electrophoretic display，EP)以及采用机电的或电流体光调制的各种显示器(例如，数字微镜设备、电润湿显示器等)。通常，电子显示器可被分为有源显示器(即，发射光的显示器)或无源显示器(即，调制由另一源提供的光的显示器)。有源显示器中最明显的示例是CRT、PDP和OLED/AMOLED。当考虑发射光时，被典型地归类为无源的显示器的是LCD和EP显示器。无源显示器虽然常常展现出包括但不限于固有低功耗的引人注目的性能特性，但因为缺少发射光的能力而在许多实际的应用中使用受到一些限制。
为了克服无源显示器的与发射光相关联的限制，许多无源显示器耦合到外部光源。耦合光源可以允许这些原本无源的显示器发光并且基本上起到有源显示器的作用。这种耦合光源的示例是背光体。背光体可以用作放置在原本无源的显示器后面来照明该无源显示器的光源(通常是面板背光体)。例如，背光体可以耦合到LCD或EP显示器。背光源发射的光穿过LCD或EP显示器。发射的光由LCD或EP显示器调制，然后从LCD或EP显示器依次发射调制光。通常，背光体被配置为发射白光。然后使用滤色器将白光转换为显示器中使用的各种颜色。例如，可以将滤色器放置在LCD或EP显示器的输出处(较不常见)，或者可以将其放置在背光源与LCD或EP显示器之间。
附图说明
参照以下结合附图的详细描述，可以更容易地理解根据本文描述的原理的示例和实施例的各种特征，其中相似的附图标记表示相似的结构元素，并且其中：
图1示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的光束的角分量的图形表示，该光束具有对应于多视图显示器的视图方向的特定主角方向。
图2示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅的截面图。
图3A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器的透视图。
图3B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器的平面图。
图3C示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器的另一透视图。
图4A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的包括散射元件的背光式透明显示器的一部分的截面图。
图4B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件的背光式透明显示器的一部分的截面图。
图5A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的包括多个子光栅的衍射光栅的截面图。
图5B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的图5A中示出的衍射光栅的平面图。
图6示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的一对散射元件的平面图。
图7A示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件的背光式透明显示器的一部分的截面图。
图7B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件的背光式透明显示器的一部分的截面图。
图8示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件的背光式透明显示器的一部分的截面图。
图9示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的透明显示器的框图。
图10示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的透明显示器操作方法的流程图。
某些示例和实施例具有其他特征，这些特征是对上述附图所示特征的补充或替代。这些和其他特征将在下面参考上述附图进行详细描述。
具体实施方式
根据本文描述的原理的示例和实施例提供了透明显示器和透明显示系统，其使得能够通过透明显示器观看背景场景。此外，根据与本文描述的原理一致的各种实施例，由透明显示器显示的图像可以叠加在背景场景上并与背景场景一起被观看。在本文描述的一些实施例中，提供了一种透明显示器，其采用光导和多个散射元件作为背光体来照明透明显示器的光阀阵列。根据一些实施例，散射元件可以提供漫射光，漫射光被配置为提供显示图像作为二维(2D)图像。在其他实施例中，透明显示器可以是多视图透明显示器，多视图透明显示器被配置为提供多视图图像作为显示图像。本文描述的透明显示器的用途包括各种显示应用，例如但不限于增强现实显示器。
本文中，“二维显示器”或“2D显示器”被定义为被配置为无论从哪个方向观看图像(即，在2D显示器的预定观看角度或范围内)，均提供图像的基本上相同的视图的显示器。在智能手机和计算机监视器中发现的传统液晶显示器(LCD)是2D显示器的示例。本文中，与之相反，“多视图显示器”被定义为被配置为在不同视图方向上或从不同视图方向提供多视图图像的不同视图的电子显示器或显示系统。具体地，不同视图可以表示多视图图像的场景或对象的不同透视图。
根据本文的定义，视图方向或者等同地，具有与多视图显示器的视图方向对应的方向的光束，通常具有由角分量{θ,φ}给出的主角方向。角分量θ可被称为光束的“仰角分量”或“仰角”。角分量φ可被称为光束的“方位角分量”或“方位角”。根据定义，仰角θ是垂直平面(例如，垂直于显示屏的平面)中的角度，而方位角φ是水平平面(例如，平行于显示屏的平面)中的角度。
图1示出了光束10的角分量{θ,φ}的图形表示，光束10具有特定主角方向或简单的“方向”。例如，所述光束10的主角方向可以对应于多视图显示器的视图方向。此外，光束10从特定点发射或发出。也就是说，根据定义，光束20具有与多视图显示器内的特定原点相关联的中心光线。图1还示出了光束(或视图方向)原点O。
在本文中，在术语“多视图图像”和“多视图显示器”中使用的术语“多视图(multiview)”被定义为多个视图，该多个视图表示不同视角(perspective)或包括多个视图中的视图之间的角差异(angular disparity)。此外，根据本文定义，本文中术语“多视图”明确地包括多于两个不同的视图(即，最少三个视图并且通常多于三个视图)。因此，本文采用的“多视图显示器”明确区别于仅包括两个不同视图来表示场景或图像的立体显示器。然而，应当注意，虽然多视图图像和多视图显示器包括多于两个视图，但是根据本文的定义，通过一次仅选择多视图视图中的两个视图来观看(例如，每只眼睛一个视图)，多视图图像可以作为立体图像对而被观看(例如，在多视图显示器上)。
“多视图像素”在本文被定义为多视图显示器的相似的多个不同视图中的每一个中的一组子像素或“视图”像素。具体地，多视图像素可以具有单独视图像素，该单独视图像素对应于或表示多视图图像的不同视图中的每一个中的视图像素。此外，根据本文的定义，多视图像素的视图像素是所谓的“定向像素”，因为每个视图像素与不同视图之中对应一个视图的预定视图方向相关联。此外，根据各种示例和实施例，多视图像素的不同视图像素在每个不同视图中可以具有等同或至少基本上相似的位置或坐标。例如，第一多视图像素可以具有在多视图图像的不同视图中的每一个中位于{x1,y1}处的单独视图像素，而第二多视图像素可以具有在不同视图中的每一个中位于{x2,y2}处的单独视图像素，以此类推。
在本文中，“光导”被定义为使用全内反射或‘TIR’来在结构内引导光的结构。具体地，光导可以包括在光导的工作波长下基本上透明的芯。在各种示例中，术语“光导”通常指采用全内反射来在光导的电介质材料与围绕该光导的材料或介质之间的界面处引导光的电介质光波导。根据定义，全内反射的条件是光导的折射率大于与光导材料表面相邻的周围介质的折射率。在一些实施例中，除了或代替前述的折射率差，光导还可以包括涂层，以进一步便于全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。光导可以是几种光导中的任何一种，包括但不限于板(plate)或片(slab)光导以及条带(strip)光导中的一个或两者。
此外，在本文中，术语“板”在应用于如在“板光导”中的光导时被定义为分段或可微平面的层或薄片，其有时被称为“片”光导。具体地，板光导被定义为被配置为在由光导的顶表面和底表面(即，相对表面)界定的两个基本上正交的方向上引导光的光导。此外，根据本文的定义，顶表面和底表面两者彼此分开并且可以至少在微分意义上基本上相互平行。也就是说，在板光导的任何可微的小区段内，顶表面和底表面基本上平行或共面。
在一些实施例中，板光导可以是基本上平坦的(即限于平面)，并且因此，板光导是平面光导。在其他实施例中，板光导可以在一个或两者正交维度中弯曲。例如，板光导可以在单个维度中弯曲，以形成圆柱形形状的板光导。然而，任何曲率都具有足够大的曲率半径，以确保在板光导内保持全内反射以引导光。
在本文中，“保角(angle-preserving)散射特征”、“保角散射元件”或等效地“保角散射器”是如下的任何特征或散射器，该特征或散射器被配置为以在散射后的光中基本上保留入射在该特征或散射器上的光的角展度的方式来散射光。具体地，根据定义，由保角散射元件散射的光的角展度σs是入射光的角展度σ的函数(即，σs＝f(σ))。在一些实施例中，散射光的角展度σs是入射光的角展度或准直因子σ的线性函数(例如，σs＝a·σ，其中a是整数)。也即，由保角散射元件散射的光的角展度σs可以基本上与入射光的角展度或准直因子σ成比例。例如，散射光的角展度σs可以基本上等于入射光的角展度σ(例如，σs≈σ)。均匀的衍射光栅(即，具有基本上均匀或恒定的衍射特征间距或光栅节距的衍射光栅)是保角散射元件的示例。相反，根据本文的定义，朗伯散射器或朗伯反射器以及一般的漫射体(例如，具有或近似朗伯散射)不是保角散射器。
在本文中，“保偏(polarization-preserving)散射特征”、“保偏散射元件”或等效地“保偏散射器”是如下的任何特征或散射器，该特征或散射器被配置为以在散射后的光中基本上保留入射到该特征或散射器上的光的偏振或至少偏振度的方式来散射光。因此，“保偏散射元件”是入射到特征或散射器上的光的偏振度基本上等于散射光的偏振度的任何特征或散射器。此外，根据定义，“保偏散射”是保留或基本上保留被散射的光的预定偏振的散射(例如，对引导光的散射)。例如，被散射的光可以是由偏振光源提供的偏振光。
在本文中，“衍射光栅”通常被定义为被布置成提供对入射到衍射光栅上的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在一些示例中，可以以周期性或准周期性的方式布置多个特征。例如，衍射光栅可以包括以一维(1D)阵列布置的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽(groove)或脊(ridge))。在其他示例中，衍射光栅可以是特征的二维(2D)阵列。例如，衍射光栅可以是材料表面上的凸起(bump)或材料表面中的孔的二维阵列。
因此，并且根据本文的定义，“衍射光栅”是提供对入射到衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光导入射到衍射光栅上，则提供的衍射或衍射散射可以导致因此被称为的“衍射耦合”，因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合出光导。衍射光栅还通过衍射(即，以衍射角)重定向或改变光的角度。具体地，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光通常具有与入射在衍射光栅上的光(即，入射光)的传播方向不同的传播方向。通过衍射在光的传播方向上的改变在本文中被称为“衍射重定向”。因此，衍射光栅可以被理解为包括衍射特征的结构，该衍射特征使入射到衍射光栅上的光衍射地重定向，并且如果光从光导入射，则衍射光栅也可以衍射地耦合出来自该光导的光。
此外，根据本文的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是以下中的一个或多个：在材料表面(即，两种材料之间的边界)处、表面中或表面上。例如，表面可以是光导的表面。衍射特征可以包括使光衍射的各种结构中的任何一种，包括但不限于在表面处、表面中和表面上的凹槽、脊、孔和凸起中的一种或多种。例如，衍射光栅可以包括在材料表面中的多个基本上平行的凹槽。在另一示例中，衍射光栅可以包括从材料表面伸出的多个平行的脊。衍射特征(例如，凹槽、脊、孔、凸起等)可以具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任何一种，包括但不限于正弦轮廓、矩形轮廓(例如，二元衍射光栅)、三角形轮廓和锯齿形(例如，闪耀光栅)中的一种或多种。
根据本文描述的各种示例，可以采用衍射光栅(例如，如下所述的散射元件的衍射光栅或可替代地多束元件的衍射光栅)来将光衍射地散射或耦合出光导(例如，板光导)作为光束。具体地，局部周期性衍射光栅的衍射角θm或由局部周期性衍射光栅提供的衍射角θm可以由等式(1)给出为：
Figure BDA0002467392650000071
其中λ是光的波长，m是衍射级，n是光导的折射率，d是衍射光栅的特征之间的距离或间距，θi是光在衍射光栅上的入射角。为简单起见，等式(1)假设衍射光栅与光导的表面相邻，并且光导外部的材料的折射率等于1(即，nout＝1)。通常，衍射级m由整数给出。由衍射光栅产生的光束的衍射角θm可以由等式(1)给出，其中衍射级m是正的(即，m＞0)。例如，当衍射级m等于1时(即，m＝1)，提供一级衍射。
图2示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅20的截面图。例如，衍射光栅20可以位于光导30的表面上。另外，图2示出了以入射角θi入射在衍射光栅20上的光束40。入射光束40可以是光导30内的引导光束(即，被引导光束)。还示出了作为对入射光束40的衍射的结果，由衍射光栅20衍射地产生并耦合出的定向光束50。定向光束50具有由等式(1)给出的衍射角θm(本文中为“主角方向”)。衍射角θm可以对应于衍射光栅20的衍射级“m”，例如，衍射级m＝1(即，第一衍射级)。
根据本文的定义，“多束元件”是背光体或显示器的结构或元件，其产生包括多个光束的光。在一些实施例中，多束元件可以光学耦合到背光体的光导，以通过耦合或散射出在光导中的引导光的一部分来提供多个光束。此外，根据定义，由多束元件产生的多个光束中的光束具有彼此不同的主角方向。具体地，根据定义，多个光束中的一光束具有与多个光束中的另一光束不同的预定主角方向。因此，根据本文的定义，光束被称为“定向光束”，并且多个光束可以被称为“多个定向光束”。此外，多个定向光束可以表示光场。例如，多个光束可以被限制在基本上圆锥形的空间区域，或者具有预定角展度，该角展度包括多个光束中的光束的不同的主角方向。因此，各光束相结合(即，多个光束)的预定角展度可以表示光场。
根据各种实施例，多个定向光束中的各定向光束的不同的主角方向由以下特性来确定，包括但不限于多束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等)。在一些实施例中，根据本文的定义，多束元件可以被认为是“扩展点光源”(即跨多束元件的范围而分布的多个点光源)。此外，根据本文的定义，由多束元件产生的定向光束具有由角分量{θ,φ}给出的主角方向，如以上参考图1所述。
在本文中，“准直器”被定义为被配置为准直光的基本上任何光学设备或装置。例如，准直器可以包括但不限于准直镜或反射镜、准直透镜、衍射光栅、锥形光导以及它们的各种组合。根据各种实施例，由准直器提供的准直量可以以预定的度或量从一个实施例到另一实施例发生变化。此外，准直器可以配置为在两个正交方向(例如，垂直方向和水平方向)之一或两者上提供准直。也即，根据一些实施例，准直器可以在两个正交方向之一或两者上包括提供光准直的形状或类似的准直特性。
在本文中，“准直因子”被定义为光被准直的程度。具体地，根据本文的定义，准直因子定义了准直光束内光线的角展度。例如，准直因子σ可以指定准直光束中的大部分光线在特定的角展度内(例如，准直光束的中心或主角方向周围的+/-σ度)。根据一些示例，准直光束的光线可以在角度方面具有高斯分布，并且角展度可以是准直光束的峰值强度的一半所确定的角度。
在本文中，“光源”被定义为光的源(例如，配置为产生并发射光的光发射器)。例如，光源可以包括光发射器，诸如当被激活或接通时发射光的发光二极管(LED)。具体的，在本文中，光源可以基本上是任何光源或基本上包括任何光发射器，包括但不限于发光二极管(LED)、激光器、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管、基于等离子体的光发射器、荧光灯、白炽灯以及实际上光的任何其他源中的一个或多个。由光源产生的光可以具有颜色(即，可以包括特定波长的光)，或者可以是一波长范围(例如，白光)。在一些实施例中，光源可以包括多个光发射器。例如，光源可以包括一组光源或一群组的光发射器，其中至少一个光发射器产生具有与由该组或群组中的至少一个其他光发射器产生的光的颜色或等效地波长不同的颜色或波长。不同的颜色可以包括例如原色(例如，红色、绿色、蓝色)。“偏振”光源在本文中基本上被定义为产生或提供具有预定偏振的光的任何光源。例如，偏振光源可以在光源的光发射器的输出处包括偏振器。
此外，如本文中所用的，冠词“一”意图具有其在专利文献中的普通的含义，即“一个或多个”。例如，“一个散射元件”指一个或多个多束元件，同样，“所述散射元件”在本文中表示“所述散射元件(或所述多个散射元件)”。此外，本文中对“顶”、“底”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任何提及在本文中无意成为限制。在本文中，术语“大约”在被应用于一个值时，通常表示在用于产生该值的装备的容差范围之内，或者可以表示正负10％、或正负5％、或正负1％，除非另有明确规定。此外，如本文中所用的，术语“基本”意味着大部分或几乎全部或全部或在约51％至约100％的范围内的量。此外，本文的示例意图仅是说明性的，并且是为了讨论的目的而呈现的，而不是作为限制。
根据本文描述的原理的一些实施例，提供了背光式透明显示器。图3A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器100的透视图。图3B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器100的截面图。图3C示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的背光式透明显示器100的另一透视图。图3C中的透视图以局部剖视图示出，以仅仅便于本文的讨论。
图3A-图3C所示的背光式透明显示器100被配置为提供发射光102，该发射光102随后被调制以表示显示图像。具体地，根据各种实施例，由背光式透明显示器100提供的发射光102被指向远离背光式透明显示器100，而朝向观看者和朝向背景场景101之一或两者。此外，发射光102被调制(例如，使用光阀阵列，如下所述)以提供或“显示”该显示图像。根据各种实施例，被指向观看者的发射光102可以直接被调制(例如，在发射之后)以表示显示图像，而被指向背景场景101的发射光102仅在由背景场景101或其中的对象反射之后可以被调制以表示显示图像。例如，发射光102可以用作背景场景101的照明源。继而，例如，由背景场景101反射的发射光102然后可以被调制以表示显示图像。在一些实施例中，显示图像可以包括二维(2D)内容，并且因此可以表示2D图像或可以是2D图像。在其他实施例中，显示图像可以包括三维(3D)内容(例如，以不同透视图表示的虚拟对象，当该虚拟对象被用户观看时显现为3D对象)，并且因此可以表示或为3D图像。
此外，背光式透明显示器100被配置为使得背景场景101能够通过背光式透明显示器100可见。也就是说，背光式透明显示器100可以使用户同时观看由背光式透明显示器100提供的显示图像和背景场景101两者。并且，当通过背光透明显示器100观看背景场景101时，可以提供叠加在背景场景101上或者在背景场景101“中”的显示图像，或者显示图像可以让观看者看起来是叠加在背景场景101上或者在背景场景101“中”。因此，根据一些实施例，背光透明显示器100可以向用户提供增强现实(AR)体验，其中2D和3D虚拟对象之一或两者看上去在背景场景101之中或是背景场景101的一部分。
如图3A所示，用户可以从位置或区域A观看背光式透明显示器100，并且背景场景101可以位于背光式透明显示器100的与区域A相对的一侧，例如，在区域B中。例如，用户可以在由粗体箭头和虚线指示的方向上观看背光式透明显示器100的“前”侧(即，从区域A观看)。反之，背景场景101可以位于区域B中，在背光式透明显示器100的后面。图3A还以示例而非限制的方式示出了发射光102既被指向区域A中的观看者又被指向区域B的背景场景101。
图3A-图3C所示的背光式透明显示器100包括光导110。根据一些实施例，光导110可以是板光导。光导110被配置为沿着光导110的长度引导光，作为引导光104。例如，光导110可以包括被配置为光波导的电介质材料。电介质材料可以具有第一折射率，第一折射率大于电介质光波导周围的介质的第二折射率。例如，折射率的差被配置为根据光导110的一个或多个引导模式，来便于引导光104的全内反射。
具体地，光导110可以是片或板光波导，其包括光学透明的电介质材料的延伸的基本平坦的薄片。电介质材料的基本平坦的薄片被配置为使用全内反射来引导该引导光104。根据各种示例，光导110的光学透明材料可以包括或由各种电介质材料中的任何一种制成，各种电介质材料包括但不限于各种类型的玻璃(例如，二氧化硅玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃等)和基本上光学透明的塑料或聚合物(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)或“丙烯酸玻璃”、聚碳酸酯等)中的一种或多种。在一些示例中，光导110可以进一步包括在光导110的表面(例如，顶表面和底表面中的一个或两者)的至少一部分上的覆层(未示出)。根据一些示例，覆层可用于进一步便于全内反射。
此外，根据一些实施例，光导110被配置为根据全内反射，以非零传播角在光导110的第一表面110’(例如，“前”表面或侧面)和第二表面110”(例如，“后”表面或侧面)之间引导该引导光104，如图3B所示。具体地，引导光104通过以非零传播角在光导110的第一表面110’和第二表面110”之间反射或“反弹”来传播。在一些实施例中，引导光104包括不同颜色光的多个引导光束。多个引导光束的光束可以由光导110以不同的颜色特定的非零传播角中的相应非零传播角来引导。注意，为了简化说明，未示出非零传播角。然而，描绘传播方向103的粗箭头示出了引导光104沿着图3B中的光导长度的总体传播方向。
如本文所定义，“非零传播角”是相对于光导110的表面(例如，第一表面110’或第二表面110”)的角度。此外，根据各种实施例，非零传播角既大于零又小于光导110内的全内反射的临界角。例如，引导光104的非零传播角可以在大约十(10)度与大约五十(50)度之间，或在一些示例中，在大约二十(20)度与大约四十(40)度之间，或在大约二十五(25)度与大约三十五(35)度之间。例如，非零传播角可以是大约三十(30)度。在其他示例中，非零传播角可以是大约20度，或者大约25度，或者大约35度。此外，只要具体的非零传播角被选择为小于光导110内的全内反射的临界角，就可以为特定的实现方式选择(例如，任意选择)具体的非零传播角。
光导110中的引导光104可以以非零传播角(例如，大约30-35度)引入或耦合到光导110中。例如，透镜、镜子或类似的反射器(例如，倾斜的准直反射器)、衍射光栅和棱镜(未示出)中的一个或多个可以便于以非零传播角将光耦合到光导110的输入端，作为引导光104。一旦耦合到光导110中，引导光104沿着光导110在通常可能远离输入端的方向(例如，由沿着图3B中的x轴指向的粗箭头示出)上传播。
此外，根据一些实施例，引导光104或等效地通过将光耦合到光导110中所产生的引导光104可以是准直光。在本文中，“准直光”或“准直光束”通常被定义为光或更具体地定义为一束光，其中光束的光线在光束(例如，引导光104)内基本上彼此平行。此外，根据本文定义，从准直光束发散或散射的光线不被认为是准直光束的一部分。在各种实施例中，在光导110内被引导为引导光104的准直光可以根据准直因子σ而被准直或具有准直因子σ。
在一些实施例中，光导110可以被配置为“再循环”引导光104。具体地，已经沿着光导长度被引导的引导光104可以在不同于传播方向103的另一传播方向上沿着该长度被重定向回来。例如，光导110可以在光导110的、与和引导光104的源相邻的输入端相对的一端处包括反射器(未示出)。反射器可以被配置为将引导光104朝向输入端反射回来，作为再循环的引导光。如下所述，通过使引导光(例如，对于散射元件)可用不止一次，以这种方式再循环引导光104可以增加背光透明显示器100的亮度(例如，增加发射光102的强度)。
如图3B-图3C所示，背光式透明显示器100还包括沿着光导长度彼此隔开的多个散射元件120。具体地，多个散射元件中的散射元件120彼此分开有限的间距，并且表示沿着光导长度的单独的不同散射元件，如图所示。也就是说，根据本文的定义，多个散射元件120根据有限的(即，非零)元件间距离(例如，有限的中心到中心距离)彼此隔开。此外，根据一些实施例，多个散射元件中的散射元件120通常不相交、重叠或以其它方式彼此接触。也就是说，每个散射元件120通常是与多个散射元件中其他的散射元件120不同的且彼此分开的。
根据一些实施例，多个散射元件120可以以一维(1D)阵列或二维(2D)阵列布置。例如，多个散射元件120可以布置成线性1D阵列。在另一示例中，多个散射元件120可以布置成矩形2D阵列或圆形2D阵列。在一些实施例中，散射元件120在阵列内的布置可以是随机的或至少是伪随机的。也就是说，在跨光导110或等效地跨阵列的不同点处，相邻的散射元件120之间可以有不同的间隔。在一些实施例中，相邻的散射元件120之间的间隔或等效地为散射元件120的局部密度可以作为跨光导110或等效地跨阵列的距离的函数而变化。在又一实施例中，散射元件在阵列(即，1D或2D阵列)内的分布可以是规则或基本上均匀的。具体地，散射元件120之间的元件间距离(例如，中心到中心距离或间距)可以跨阵列是基本上均匀或恒定的。
根据各种实施例，多个散射元件中的散射元件120被配置为耦合或散射出引导光104的一部分作为发射光102。具体地，图3B将发射光102图示为多个发散箭头，该多个发散箭头被描绘为由散射元件120指向远离光导110的第一(或前)表面110'。根据一些实施例，多个发散箭头可以表示漫射地散射的光，并且发射光102可以是漫射光或基本上漫射的光。
在其他实施例中(图3A-图3C中未示出)，发射光102可以是基本上定向的。具体地，散射元件120可以包括多束元件，该多束元件被配置为将引导光104的一部分散射出作为具有与多视角图像的各个不同视图方向相对应的不同主角方向的多个定向光束。在这些实施例中，发射光102包括多个定向光束。例如，根据这些实施例中的一些，发射光102中的定向光束可以表示光场。
如图3A-图3C所示，背光式透明显示器100还包括光阀130的阵列。光阀130的阵列被配置为调制由散射元件120提供的发射光102。具体地，光阀阵列可以被配置为将发射光102调制为或提供由背光透明显示器100显示的图像，诸如显示图像。在图3C中，光阀130的阵列被部分切开以允许在光阀阵列下方的光导110和散射元件120的可视化。在各种实施例中，可以采用多种不同类型的光阀中的任何一种作为光阀阵列的光阀130，包括但不限于液晶光阀、电泳光阀和基于或采用电润湿的光阀中的一个或多个。在图3B中，使用虚线箭头示出了离开光阀阵列的发射光102以强调该调制。
在一些实施例中，散射元件120的尺寸小于或等于背光式透明显示器100的光阀阵列的光阀130的尺寸。例如，如果将散射元件的尺寸表示为“s”，以及将光阀尺寸表示为“S”(例如，如图3B所示)，则散射元件的尺寸s可以由等式(2)给出：
s≤S (2)
在本文中，“尺寸”可以以各种方式中的任何一种来定义，包括但不限于长度、宽度或面积。例如，光阀130的尺寸S可以是其长度，并且散射元件120的尺寸s也可以是散射元件120的长度。在另一个示例中，尺寸可以指面积，诸如散射元件120的面积和光阀130的面积。在一些示例中，光阀130的“面积”可以指其开口或孔径。在一些实施例中，散射元件120的尺寸可以小于光阀尺寸的大约百分之九十(90％)。在其他实施例中，散射元件尺寸可以小于光阀尺寸的大约百分之八十(80％)，或者小于光阀尺寸的大约百分之七十(70％)，或者小于大约百分之六十(60％)，或者小于光阀尺寸的百分之五十(50％)。
根据各种实施例，散射元件120可以包括被配置为耦合出引导光104的一部分的多种不同结构中的任何一种。例如，所述不同结构可以包括但不限于衍射光栅、微反射散射元件、微折射散射元件(例如，倒置微棱镜)及其各种组合。在各种实施例中，包括衍射光栅的散射元件120被配置为衍射地散射或耦合出引导光部分作为发射光102。包括微反射散射元件的散射元件120可以被配置为反射地散射或耦合出引导光部分作为发射光102，并且包括微折射散射元件的散射元件120可以被配置为通过或使用折射来散射或耦合出引导光部分(即，折射地耦合出引导光部分)作为发射光102。在一些实施例中，散射元件120可以是被配置为沿基本上单一方向散射光的单向散射元件。在一些实施例中，散射元件120可以是保角散射元件和保偏偏振散射元件之一或两者。
图4A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的包括散射元件120的背光式透明显示器100的一部分的截面图。图4B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件120的背光式透明显示器100的一部分的截面图。具体地，图4A-4B示出了包括衍射光栅122的背光式透明显示器100的散射元件120。衍射光栅122被配置为衍射地耦合引导光104的一部分作为多个发射光102。衍射光栅122包括多个衍射特征，所述多个衍射特征彼此间隔开衍射特征间隔或衍射特征或光栅节距，该衍射特征间隔或衍射特征或光栅节距被配置为提供引导光部分的衍射耦合输出。根据各种实施例，衍射光栅122中的衍射特征的间隔或光栅节距可以是亚波长(即，小于引导光的波长)。
在一些实施例中，散射元件120的衍射光栅122可以位于光导110的表面处或邻近光导110的表面。例如，衍射光栅122可以在光导的第一表面110'处或邻近光导的第一表面110'，如图4A中所示。光导第一表面110'处的衍射光栅122可以是透射模式衍射光栅，该透射模式衍射光栅被配置为将引导光部分通过第一表面110'衍射地耦合出，作为发射光102。透射模式衍射光栅可以在两个方向上提供衍射散射，例如，在衍射光栅122的上方和下方。
在另一示例中，如图4B所示，衍射光栅122可以位于光导110的第二表面110”处或邻近光导110的第二表面110”。当位于第二表面110”时，衍射光栅122可以是反射模式衍射光栅。作为反射模式衍射光栅，衍射光栅122被配置为衍射引导光部分并且将经衍射的引导光部分朝向第一表面110'反射，以作为衍射发射光102通过第一表面110'射出。反射模式衍射光栅是单向散射元件的示例。具体地，反射模式衍射光栅可以被配置为仅在一个方向上(例如，在衍射光栅122上方)提供衍射散射。在其他实施例(未示出)中，衍射光栅可以位于光导110的表面之间，例如，作为透射模式衍射光栅和反射模式衍射光栅之一或两者。
根据一些实施例，衍射光栅122的衍射特征可以包括彼此间隔开的凹槽和脊之一或两者。凹槽或脊可以包括光导110的材料，例如，可以形成在光导110的表面中。在另一个示例中，凹槽或脊可以由除光导材料以外的材料形成，例如，光导110的表面上的另一种材料的膜或层。
在一些实施例中，散射元件120的衍射光栅122是均匀的衍射光栅，其中衍射特征间隔在整个衍射光栅122中基本上是恒定的或不变的。在其他实施例中，衍射光栅122可以是啁啾衍射光栅。根据定义，“啁啾”衍射光栅是表现出或具有衍射特征的衍射间距(即，光栅间距)的衍射光栅，所述衍射间距跨啁啾衍射光栅的范围或长度上变化。在一些实施例中，啁啾衍射光栅可以具有或表现出随距离线性变化的衍射特征间距的“啁啾”或改变。因此，根据定义，啁啾衍射光栅是“线性啁啾”衍射光栅。在其他实施例中，散射元件120的啁啾衍射光栅可以表现出衍射特征间距的非线性啁啾。可以使用各种非线性线性啁啾，包括但不限于指数啁啾、对数啁啾或以另一种基本不均匀或随机但仍单调的方式变化的啁啾。也可以采用非单调啁啾，例如但不限于正弦啁啾或三角形或锯齿啁啾。也可以采用这些类型的啁啾的任何组合。
在一些实施例中，衍射光栅122可包括多个衍射光栅或等效地包括多个子光栅。图5A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的包括多个子光栅的衍射光栅122的截面图。图5B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的图5A中示出的衍射光栅122的平面图。例如，图5A中的截面图可以表示从左到右通过图5B中所示的衍射光栅122中的底行子光栅所截取的横截面。如图5A和5B所示，多个子光栅在光导110的表面(例如，如图所示的第二表面110”)上的散射元件120的衍射光栅122内包括第一子光栅122a和第二子光栅122b。在图5A和5B中均示出了散射元件120的尺寸s，而在图5B中使用虚线示出了散射元件120的边界。
根据一些实施例，在多个散射元件中的不同散射元件120之间的衍射光栅122内的子光栅的可微(differential)密度可以被配置为控制由各个不同散射元件120衍射地散射出的发射光102的相对强度。换句话说，散射元件120可以在其中具有不同密度的衍射光栅122，并且该不同密度(即，子光栅的可微密度)可以被配置为控制发射光102的相对强度。具体地，与具有相对更多子光栅的另一散射元件120相比，在衍射光栅122内具有更少子光栅的散射元件120可以产生具有较低的强度(或光束密度)的发射光102。例如，可以使用在散射元件120内的缺少或不具有子光栅的位置(诸如图5B中所示的位置122')，来提供子光栅的可微密度。
图6示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的一对散射元件120的平面图。如图所示，该对中的第一散射元件120a在衍射光栅122内具有比该对中的第二散射元件120b中更高的子光栅密度。具体地，相比于第一散射元件120a，第二散射元件120b具有带有更少的子光栅和更多的没有子光栅的位置122'的衍射光栅122。在一些实施例中，第一散射元件120a中较高密度的子光栅可以提供多个定向光束，所述多个定向光束具有比第二散射元件120b提供的多个定向光束的强度更高的强度。根据一些实施例，由图6中所示的可微子光栅密度提供的各自多个定向光束的较高和较低的强度可被用于补偿光导内的引导光的光强度作为传播距离的函数的改变。通过示例而非限制，图6还示出了带有具有弯曲衍射特征的子光栅的衍射光栅122。
图7A示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件120的背光式透明显示器100的一部分的截面图。图7B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件120的背光式透明显示器100的一部分的截面图。具体地，图7A和7B示出了包括微反射散射元件的散射元件120的各种实施例。用作散射元件120或在散射元件120中所使用的微反射散射元件可以包括但不限于：采用反射材料或反射材料层(例如，反射金属)的反射器或基于全内反射(TIR)的反射器。根据一些实施例(例如，如图7A-7B所示)，包括微反射散射元件的散射元件120可以位于光导110的表面(例如，第二表面110”)处或邻近光导110的表面。在其他实施例(未示出)中，微反射散射元件可以位于第一表面110'和第二表面110”之间的光导110内。
例如，图7A示出了包括微反射散射元件124的散射元件120，该微反射散射元件124具有反射刻面(facet)(例如，“棱柱形”微反射散射元件)，该微反射散射元件124位于邻近光导110的第二表面110”。所示的棱柱形微反射散射元件124的刻面被配置为将引导光104的一部分从光导110中反射出(即，反射地散射)，作为发射光102。例如，刻面可以相对于引导光104的传播方向偏斜或倾斜(即，具有倾斜角度)，以将引导光部分从光导110反射出。根据各种实施例，刻面可以是使用反射材料在光导110内形成的(例如，如图7A所示)，也可以是第二表面110”中的棱柱形腔的表面。在一些实施例中，当采用棱柱形腔时，腔表面处的折射率变化可以提供反射(例如TIR反射)，或者形成刻面的腔表面可以被反射材料涂覆以提供反射。
在另一个示例中，图7B示出了包括微反射散射元件124的散射元件120，该微反射散射元件124具有基本平滑的弯曲表面，例如但不限于半球形的微反射散射元件124。例如，微反射散射元件124的特定的表面曲率可以配置为取决于引导光104与之接触的曲面上的入射点而以不同方向反射引导光部分。如图7A和7B所示，通过示例而非限制，反射地散射出光导110的引导光部分从第一表面110'出射或发射。如同图7A中的棱柱形微反射散射元件124一样，图7B中的微反射散射元件124可以是光导110内的反射材料，也可以是形成在第二表面110”中的腔(例如，半圆形腔)，如图7B所示作为示例而非限制。
图8示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的包括散射元件120的背光式透明显示器100的一部分的截面图。具体地，图8示出了包括微折射散射元件126的散射元件120。根据各种实施例，微折射散射元件126被配置为将引导光104的一部分从光导110折射地耦合或散射出。也就是说，微折射散射元件126被配置为采用折射(例如，与衍射或反射相反)以将引导光部分从光导110耦合或散射出作为发射光102。在一些实施例中，微折射散射元件126可以进一步采用反射来散射出引导光部分，例如，如图8所示并如下所述。
根据各种实施例，微折射散射元件126可以具有各种形状，包括但不限于半球形、矩形或棱柱形(即，具有倾斜的刻面的形状)。如图所示，微折射散射元件126可以延伸或突出到光导110的表面(例如，第一表面110')之外，或者可以是该表面中的腔(未示出)。此外，在一些实施例中，微折射散射元件126可以包括光导110的材料。在其他实施例中，微折射散射元件126可以包括与光导表面相邻，以及在一些示例中，与光导表面接触的另一材料。
具体地，通过示例而非限制，图8所示的微折射散射元件126包括倒置微棱镜。如图所示，微折射散射元件126的倒置微棱镜具有带有输入孔径127、倾斜侧壁128和输出孔径129的截圆锥形或棱柱形形状。在一些实施例中，微折射散射元件126可以例如在微折射散射元件126的尺寸s内包括多个倒置微棱镜。
微折射散射元件126的倒置微棱镜被配置为散射或耦合出(或更一般地接收)引导光104的一部分。具体地，倒置微棱镜被配置为在输入孔径127处或通过输入孔径127接收引导光104，并且通过在倒置微棱镜的倾斜侧壁128(或多个倾斜侧壁128)处反射接收到的引导光，以在输出孔径129处提供或“发射”光作为发射光102。在本文中，根据定义，通过输入孔径127接收引导光部分是折射散射，因为其仅涉及在输入孔径127的各侧上的材料的折射率。
在各种实施例中，倒置微棱镜元件可具有类似于或基本类似于截圆锥、截棱锥和各种其他多面结构的形状。此外，倒置微棱镜元件126的特定形状以及其倾斜侧壁128的预定倾斜角可以被配置为控制发射光102的角形状或角强度以及其他方面。在一些实施例中，倾斜侧壁128可进一步包括反射层或反射材料(例如，在倾斜侧壁128的外表面上的反射材料层)。反射层可以被配置为在倒置微棱镜的内表面处提供或增强反射。可替代地，可以通过全内反射来提供在倾斜侧壁的内表面处的反射，从而不需要反射层。根据本文描述的原理的各种实施例，包括倒置微棱镜的微折射散射元件126是单向散射元件的另一示例。
再次参考图3A，背光式透明显示器100可以进一步包括光源140。根据各种实施例，光源140被配置为提供将在光导110内引导的光。具体地，光源140可以位于与光导110的入口表面或入口端(输入端)相邻。在各种实施例中，光源140可以包括基本上任何光源(例如，光发射器)，包括但不限于一个或多个发光二极管(LED)、或激光器(例如，激光二极管)。在一些实施例中，光源140可以包括光发射器，该光发射器被配置为产生具有由特定颜色表示的窄带光谱的基本上单色的光。具体地，单色光的颜色可以是特定颜色空间或颜色模型(例如，红绿蓝(RGB)颜色模型)的原色。在其它示例中，光源140可以是被配置为提供宽带或多色光的基本上宽带的光源。例如，光源140可以提供白光。在一些实施例中，光源140可以包括被配置为提供不同颜色的光的多个不同的光发射器。不同的光发射器可以配置为提供具有与光的每种不同颜色相对应的不同的颜色特定的非零传播角的光。
在一些实施例中，光源140可以进一步包括准直器(未示出)。准直器可以被配置为从光源140的一个或多个光发射器接收基本上未准直的光，以及将该基本上未准直的光转换成准直的光。具体地，根据一些实施例，准直器可以提供准直光，所述准直光具有以下特性：具有非零传播角、和根据预定准直因子被准直。此外，当采用不同颜色的光发射器时，准直器可以被配置为提供准直光，所述准直光具有以下中的一个或两者：不同的颜色特定的非零传播角、和不同的颜色特定的准直因子。准直器进一步被配置为将准直光传送到光导110，以作为引导光104传播，如以上所述的。
在各种实施例中，背光式透明显示器100被配置为对在与引导光104的传播方向103正交的、通过光导110的方向上光是基本上透明的。具体地，光导110和多个散射元件中隔开的散射元件120允许光通过第一表面110’和第二表面110”两者穿过光导110。至少部分地由于散射元件120的相对较小的尺寸和散射元件120的相对较大的元件间间距两者，所以可以促进透明度。此外，在一些实施例中，特别是当散射元件120包括衍射光栅时，散射元件120对与光导表面110’、110”正交地传播的光也可以是基本上透明的。此外，至少在某些情况下(例如，当将光阀被设置为透明(clear)或“白光”状态时)，光阀130的阵列被配置为对于正交传播的光也是透明的。因此，例如，根据各种实施例，来自背景场景101的光可以在正交方向上穿过具有多个散射元件的光导110并且还穿过光阀阵列的光阀130中的至少一些光阀，以便于通过背光式透明显示器100观看背景场景101。
根据本文描述的原理的一些实施例，提供了透明显示系统。透明显示系统被配置为发射调制光作为显示在透明显示器上或由透明显示器显示的图像的像素。此外，根据各种实施例，透明显示系统被配置为使得背景场景能够通过透明显示系统可见。
在一些实施例中，透明显示器可以是二维(2D)透明显示系统，其被配置为发射具有相对宽的但是基本上非定向的视角的调制光。也就是说，2D透明显示系统可以发射调制光作为显示图像的像素，例如，作为“2D”图像。此外，作为2D图像，显示图像被配置为在宽视角内的基本上任何地方向观看者提供显示图像的相同的视图。根据各种实施例，由透明显示系统提供的显示图像可以看起来像是叠加在背景场景之上或之中。
在其他实施例中，透明显示系统可以是透明多视图显示系统，其中，所发射的调制光包括所发射的调制定向光束，其优选被指向透明多视图显示系统的多个观察方向。关于透明多视图显示系统实施例，显示图像可以是包括定向像素的三维(3D)图像或多视图图像，该定向像素具有与调制的定向光束的方向相对应的方向。具体地，所发射的调制定向光束中的不同光束可以对应于与多视图图像相关联的不同“视图”的单独定向像素。例如，不同的视图可以提供由透明多视图显示系统显示的多视图图像中的信息的表示的“免眼镜”(例如，自动立体)观看体验。此外与2D图像一样，根据各种实施例，由透明多视图显示系统提供的多视图图像可以看起来像是叠加在背景场景之上或之中。
图9示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的透明显示系统200的框图。根据各种实施例，透明显示系统200被配置为显示图像，该图像对透明显示系统200的观看者或用户而言看起来像是叠加在背景场景201(即，在透明显示系统200后面或通过透明显示系统200观看的场景)上。具体地，透明显示系统200被配置为提供叠加在通过透明显示系统200可见的背景场景201上的显示图像。
在如上所述的各种实施例中，显示图像可以是2D图像或多视图图像。具体地，由透明显示系统200提供的经调制的发射光202对应于显示图像的像素(即，2D像素和多视图/3D像素之一或两者)。此外，在一些实施例中，当显示2D图像时，来自透明显示系统200的经调制的发射光202可以是漫射的或具有相对宽的视角。在其他实施例中，经调制的发射光202可以是经调制的定向光束，因此可以对应于所显示的多视图图像的不同视图的定向像素。调制的发射光202在图9中被示为从透明显示系统200传出的箭头。作为示例而非限制，将虚线用于经调制的发射光202的箭头以强调其调制。
图9中示出的透明显示系统200包括光阀210的阵列。光阀210的阵列被配置为调制发射光204以提供表示显示图像的调制发射光202(即，显示图像的像素)。在一些实施例中，光阀210的阵列可以基本类似于上文描述的背光式透明显示器100的光阀130的阵列。
图9中示出的透明显示系统200还包括透明背光体220。根据各种实施例，透明背光体220包括具有多个散射元件224的光导222。在各种实施例中，透明背光体220还包括耦合到光导222的边缘的光源226。光源226被配置为提供要在光导224内被引导为引导光的光。多个散射元件224被配置为散射出引导光的一部分作为发射光204。根据各种实施例，发射光204可具有朝向光阀阵列和背景场景201之一或两者的方向。此外，根据各种实施例，透明背光体220和光阀210的阵列的组合的透明度被配置为使得背景场景201能够通过透明显示系统200可见。
在一些实施例中，透明背光体220的光导222和多个散射元件224可以分别基本类似于上文描述的背光式透明显示器100的光导110和多个散射元件120。例如，多个散射元件224可以包括保偏散射元件、保角散射元件和单向散射元件中的一个或多个。此外，在各个实施例中，多个散射元件中的散射元件224可以包括在图4A-图8中示出和描述的任何散射元件120。也就是说，多个散射元件中的散射元件224可以包括光学地连接到光导222并且被配置为散射出引导光的一部分的衍射光栅、微反射散射元件和微折射散射元件中的一个或多个。此外，在一些实施例中，散射元件224的尺寸可以小于光阀阵列中的光阀210的尺寸。
在其他实施例中，多个散射元件224可以包括多个多束元件。根据这些实施例，多个多束元件中的多束元件可以被配置为将引导光的一部分散射出作为具有不同主角方向的多个定向光束。具体地，多个定向光束中的各个定向光束的不同主角方向可以对应于多视图图像的各个不同视图方向。因此，透明显示系统200可以是多视图透明显示系统，并且显示图像可以是或表示多视图图像。在一些实施例中，多束元件的尺寸在光阀210的阵列中的光阀210的尺寸的约百分之五十至约百分之二百之间。
在一些实施例中，多个散射元件中的散射元件224的密度可以被配置为作为距与光源226耦合的光导222的边缘的距离的函数而变化。例如，密度可以作为距离的函数而变化，以补偿光导222内的引导光的强度的变化。
此外，根据一些实施例，透明背光体220的光源226可以基本类似于如上所述的背光式透明显示器100的光源140。例如，光源226可以被配置为提供引导光，所述引导光具有以下特性中之一或两者：具有非零传播角和根据预定的准直因子被准直。光源226可以包括准直器，该准直器被配置为例如提供引导光作为具有预定准直因子的准直引导光。
在一些实施例中，光阀210的阵列可以邻近光导222的第一表面，该第一表面与邻近背景场景201的第二表面相对。散射元件224可以进一步被配置为将引导光的另一部分穿过第二表面从光导散射出。例如，由散射元件224散射出的引导光的另一部分可以用于照明背景场景201(或用作背景场景201的照明源)。图9将由透明背光体220的散射元件224从引导光的另一部分提供的发射光202图示为指向背景场景201的箭头。尽管在图9中未明确示出，但是在这些实施例中，光阀阵列可以被配置为调制由背景场景201反射的发射光202。
在一些实施例中，光源226可以被配置为提供具有预定偏振的光。例如，光源226可以包括偏振器或偏振光发射器。在这些实施例中，多个散射元件224可以被配置为提供偏振保持散射，并且发射光204可以具有例如被配置为与光阀210的阵列的输入偏振匹配的偏振。
根据本文描述的原理的其他实施例，提供了一种透明显示器操作方法。图10示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的透明显示器操作方法300的流程图。如图10中所示，透明显示器操作方法300包括沿着光导的长度将光引导310为引导光。在一些实施例中，光可以以非零传播角被引导310。此外，可以根据预定的准直因子来对引导光进行准直。此外，引导光可以是偏振的或具有预定的偏振。根据一些实施例，光导可以基本类似于上文关于背光式透明显示器100所描述的光导110。
如图10所示，透明显示器操作方法300还包括使用多个散射元件将引导光的一部分散射320出光导作为发射光。在一些实施例中，多个散射元件基本类似于上文关于背光式透明显示器100所描述的多个散射元件120。
图10中所示的透明显示器操作方法300还包括使用透明光阀阵列来调制330发射光。透明光阀阵列被配置为调制发射光作为显示图像。根据各种实施例，透明显示器的光导、多个散射元件和透明光阀阵列的组合使得背景场景能够通过透明显示器可见。此外，根据各种实施例，可以通过透明显示器操作将显示图像叠加在可见的背景场景上。在一些实施例中，透明光阀阵列可以基本类似于上文描述的背光式透明显示器100的光阀130的阵列。
在一些实施例中，在散射320中使用的多个散射元件中的散射元件的尺寸小于光阀阵列中的光阀的尺寸。在一些实施例中，多个散射元件包括光学地连接到光导的衍射光栅、微反射散射元件和微折射散射元件中的一个或多个。在一些实施例中，发射光被指向透明光阀阵列和背景场景之一或两者，指向背景场景的发射光被配置为向背景场景提供照明。
在一些实施例中(未示出)，透明显示器操作方法300还包括使用光源向光导提供光。所提供的光可以是引导光，该引导光具有以下特性之一或两者：在光导内具有非零的传播角、以及根据准直因子在光导内被准直以在光导内提供引导光的预定角展度。在一些实施例中，光源可以基本类似于如上所述的背光式透明显示器100的光源140。
因此，已经描述了背光式透明显示器、透明显示系统以及背光式透明显示器操作方法的示例和实施例，其使得背景场景能够通过透明显示器可见并且可以将显示图像叠加在可见的背景场景上。应当理解，上述示例仅仅是表示本文描述的原理的许多具体示例中的一些示例。显然，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，本领域的技术人员可以容易地设计出许多其它布置。

Claims (21)

1.一种背光式透明显示器，包括：
光导，被配置为沿着所述光导的长度将光引导为被引导光；
沿着光导并且跨光导彼此间隔开的多个散射元件，所述多个散射元件被配置为将所述被引导光的一部分散射出作为发射光；以及
光阀阵列，被配置为将所述发射光调制为显示图像，所述多个散射元件中的散射元件的尺寸小于所述光阀阵列中的光阀的尺寸，
其中，所述背光式透明显示器的透明度被配置为使得背景场景能够通过所述背光式透明显示器可见。
2.根据权利要求1所述的背光式透明显示器，其中，所述多个散射元件被配置为将所述发射光提供为散射光，所述显示图像被叠加在通过所述背光式透明显示器看的所述背景场景的视图上。
3.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述多个散射元件中的散射元件位于所述光导的第一表面处和第二表面处中的一个，所述散射元件被配置为将被引导光部分通过邻近所述光阀阵列的第一表面散射出。
4.根据权利要求1所述的背光式透明显示器，其中，所述多个散射元件中的散射元件包括衍射光栅，所述衍射光栅被配置为将所述被引导光的一部分衍射地散射出作为所述发射光。
5.根据权利要求1所述的背光式透明显示器，其中，所述多个散射元件包括微反射散射元件和微折射散射元件中的一个或两者，所述微反射散射元件被配置为反射地散射出所述被引导光的一部分，所述微折射散射元件被配置为折射地散射出所述被引导光的一部分。
6.根据权利要求1所述的背光式透明显示器，其中，所述多个散射元件中的散射元件包括单向散射元件。
7.根据权利要求6所述的背光式透明显示器，其中，所述单向散射元件包括倒置棱镜散射元件。
8.根据权利要求1所述的背光式透明显示器，其中，所述多个散射元件还被配置为在所述背景场景的方向上发射光，指向所述背景场景的发射光被配置为照明所述背景场景。
9.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述光阀阵列包括液晶光阀。
10.一种透明显示系统，包括根据权利要求1所述的背光式透明显示器，所述透明显示系统还包括光学地耦合到所述光导的输入边缘的光源，所述光源被配置为提供所述被引导光，所述被引导光具有以下特性中的一个或两者：具有非零传播角和根据预定的准直因子被准直。
11.一种透明显示系统，包括：
光阀阵列，配置为调制发射光以提供显示图像；以及
透明背光体，包括具有多个散射元件的光导和耦合到所述光导的边缘的光源，所述光源被配置为提供要在所述光导内被引导为被引导光的光，并且所述多个散射元件被配置为将所述被引导光的一部分散射出作为所述发射光，所述发射光具有朝向所述光阀阵列和背景场景中的一个或两者的方向，
其中，所述透明显示系统被配置为提供被叠加在通过所述透明显示系统可见的所述背景场景上的显示图像。
12.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，指向所述背景场景的所述发射光用作所述背景场景的照明源，所述光阀阵列被配置为调制由所述背景场景反射的发射光。
13.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，所述多个散射元件中的散射元件包括光学地连接到所述光导以散射出所述被引导光的一部分的衍射光栅、微反射散射元件和微折射散射元件中的一个或多个。
14.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，所述多个散射元件中的散射元件的密度被配置为作为距所述光导的、所述光源耦合到的边缘的距离的函数而变化，所述密度作为距离的函数而变化以补偿所述光导内的被引导光的强度的变化。
15.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，所述散射元件的尺寸小于所述光阀阵列中的光阀的尺寸，所述显示图像表示二维(2D)内容，并且所述透明显示系统是2D透明显示系统。
16.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，所述多个散射元件包括多个多束元件，所述多个多束元件中的多束元件被配置为将所述被引导光的一部分散射出作为多个定向光束，所述多个定向光束具有与多视图图像的各个不同视图方向相对应的不同主角方向，所述透明显示系统是多视图透明显示系统，并且所述显示图像是多视图图像。
17.根据权利要求16所述的透明显示系统，其中，所述多束元件的尺寸在所述光阀阵列中的光阀的尺寸的百分之五十到百分之二百之间。
18.根据权利要求11所述的透明显示系统，其中，所述多个散射元件包括保偏散射元件、保角散射元件和单向散射元件中的一个或多个。
19.一种透明显示器操作方法，所述方法包括：
沿着光导的长度将光引导为被引导光；
使用多个散射元件将所述被引导光的一部分从所述光导中散射出作为发射光；以及
使用透明光阀阵列调制所述发射光，所述透明光阀阵列配置为将所述发射光调制为显示图像，
其中，所述透明显示器的光导、多个散射元件和透明光阀阵列的组合使得背景场景能够通过所述透明显示器可见，所述显示图像被叠加在可见的背景场景上。
20.根据权利要求19所述的透明显示器操作方法，其中，所述多个散射元件中的散射元件的尺寸小于所述光阀阵列的光阀的尺寸，并且其中，所述多个散射元件包括光学地连接到所述光导的衍射光栅、微反射散射元件和微折射散射元件中的一个或多个。
21.根据权利要求19所述的透明显示器操作方法，其中，所述发射光指向所述透明光阀阵列和所述背景场景中的一个或两者，指向所述背景场景的发射光配置为向所述背景场景提供照明。
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