CN112075076A - 用于定向背光的光波导 - Google Patents

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Abstract

一种用于隐私显示器的可切换定向背光包括：具有相对的第一和第二输入端的波导，以及布置成收集从所述波导输出的光以输入到空间光调制器中的转向膜。所述波导具有布置在一个引导表面和相对平面表面上的光偏转特征结构的阵列。布置所述光偏转特征结构，使得从所述第一输入端输入的光以窄的角度范围输出，而从所述第二输入端输入的光以宽的角度范围输出。

Description

用于定向背光的光波导
技术领域
本公开大体上涉及来自光调制装置的照明，且更确切地说，涉及提供用于包含隐私显示器、户外显示器、用于夜间使用的低杂散光显示器和节能显示器的显示器中的亮度控制的光学堆叠。
背景技术
隐私显示器针对通常位于轴上位置的主要用户提供图像可见性，且减少通常位于离轴位置的窥探者对图像内容的可见性。微百叶窗光学膜可提供隐私功能，所述微百叶窗光学膜在轴上方向上透射来自显示器的高亮度，而在离轴位置上透射来自显示器的低亮度，然而这种膜不可切换，因此显示器仅限于隐私功能。
可通过控制离轴光学输出来提供可切换隐私显示器。
可借助于例如通过用于液晶显示器(LCD)空间光调制器(SLM)的可切换背光减小亮度来提供控制。显示器背光通常采用波导和边沿发射源。某些成像定向背光具有通过显示面板将照明导入观察窗的额外功能。可在多个源与相应窗口图像之间形成一种成像系统。成像定向背光的一个实例是可采用折叠光学系统的光学阀，且因此也可以是折叠成像定向背光的实例。如第9,519,153号美国专利所述，光可通过光学阀在一个方向上基本无损耗地传播，而反向传播的光可通过倾斜面的反射提取，所述专利以全文引用的方式并入本文中。
可借助于例如通过调节平面内切换LCD中的液晶偏置倾斜降低对比度来另外提供对离轴隐私的控制。
发明内容
根据本公开，一种定向照明设备可包括具有微结构化光导表面和平面光导表面的光波导，所述微结构化光导表面和平面光导表面布置成提供用于在一个输入端输入的光的窄光输出锥。布置微结构化光导表面，使得可借助于控制布置在光波导的相对的输入端的第一和第二光源来切换光学输出。背光可包括光波导、光转向膜和后反射器。显示器可包括背光和空间光调制器。显示器可另外包括可切换延迟光学堆叠，所述可切换延迟光学堆叠包括可切换液晶层、补偿延迟器和吸收偏振器。
在广角操作模式下，切换可切换液晶层以在大范围的极性输出角度内为环境照明提供高透射，且背光布置成从在第二端输入的光中得到具有宽视场的光。在隐私操作模式下，切换可切换液晶层以在主要用户观察的方向上为环境照明提供高透射；以及在窥探者观察的方向上为环境照明提供低透射，且背光布置成从在第一端输入的光中得到窄视场。
根据本公开的第一方面，提供了一种光波导，其包括：通过全内反射沿着所述光波导引导光的的相对的第一和第二光导表面；以及布置在第一与第二光导表面之间的至少一个光输入端，其中光输入端在横向方向上延伸，其中第二光导表面包括：(i)布置成阵列的多个非倾斜光提取特征结构，每一个非倾斜光提取特征结构是细长的、在垂直于横向方向的纵向方向上延伸且具有在正交于纵向方向的平面中变化而在纵向方向上不具有倾斜分量的表面法线方向；以及(ii)布置成阵列的多个倾斜光提取特征结构，每一个倾斜光提取特征结构具有表面法线方向，所述表面法线方向具有在纵向方向上具有分量的倾斜，所述多个非倾斜光提取特征结构和所述多个倾斜光提取特征结构定向成将引导的光作为输出光引导通过第一和第二光导表面。
有利地，单个模制表面可提供光波导的光学结构。可从光波导向显示器进行光提取，从而提高提取效率。光波导可不具有光学涂层，从而提高效率且降低成本和复杂性。可在柔性衬底上或柔性衬底中布置且形成极薄波导，以提供柔性显示器。
至少一个光输入端可包括第一光输入端和在纵向方向上面向所述第一光输入端的第二光输入端。来自波导的光学输出可具备分别用于从第一和第二端输入的光的第一和第二角度照明分布。对于在第一光输入端和第二输入端输入的光，光波导的光学输出可以不同。有利地，可提供可切换背光以实现显示设备的隐私与广角模式之间的切换。
多个非倾斜光提取特征结构可包括透镜表面或细长棱镜表面。有利地，特征结构可通过已知加工方法进行加工，且可以低成本和高均匀性在光波导的衬底上或衬底中形成。
多个倾斜光提取特征结构可包括第一多个倾斜光提取特征结构，所述第一多个倾斜光提取特征结构中的每一个光提取特征结构具有表面法线方向，所述表面法线方向具有在纵向方向上具有远离第一光输入端的分量的倾斜；以及第二多个倾斜光提取特征结构，所述第二多个倾斜光提取特征结构中的每一个光提取特征结构具有表面法线方向，所述表面法线方向具有在纵向方向上具有朝向第一光输入端的分量的倾斜。第一多个倾斜光提取特征结构的表面法线方向的倾斜的纵向方向上的分量的量值与第二多个倾斜光提取特征结构的表面法线方向的倾斜的纵向方向上的分量的量值不同。
第一多个倾斜光提取特征结构的表面法线方向的倾斜的纵向方向上的分量可在0.25度与5度之间、优选地在0.5度与4度之间且最优选地在1度与3度之间。有利地，可利用窄锥角实现均匀的光学输出。
第二多个倾斜光提取特征结构的表面法线方向的倾斜的纵向方向上的分量可在80度与90度之间，且优选地在85度与90度之间。有利地，可利用宽锥角实现均匀的光学输出。
倾斜光提取特征结构可包括平面倾斜光提取特征结构。平面倾斜光提取特征结构可具有在横向方向上不具有分量的表面法线方向。倾斜光提取特征结构可包括在纵向方向上延伸的透镜表面。有利地，特征结构可通过已知加工方法进行加工，且可以低成本和高均匀性在光波导的衬底上或衬底中形成。此外，光输出锥可布置成提供输出准直光。
多个非倾斜光提取特征结构中的至少一些非倾斜光提取特征结构可与至少一个倾斜光提取特征结构相交。与至少一个第一倾斜光提取特征结构相交的多个非倾斜光提取特征结构可在相交区域中与所述至少一个第一倾斜光提取特征结构相交；并且在所述相交区域中的非倾斜光提取特征结构的宽度可在纵向方向上变化。有利地，非倾斜和倾斜光提取特征结构可便于在同一工具上进行加工，且以低成本和高保真度的方式进行复制。
阵列可以是二维的。有利地，可提供空间光调制器的均匀照明以实现定向背光。
第一光导表面可包括平面表面。
根据本公开的第二方面，提供了一种背光设备，其包括第一方面的光波导和布置成在至少一个输入端处将光输入到所述光波导中的至少一个光源。有利地，可提供具有窄输出锥角的背光。
至少一个光源可布置成在第一输入端处将光输入到光波导中，且至少一个另外光源可布置成在第二输入端处将光输入到所述光波导中。有利地，当至少一个光输入端包括第一光输入端和在纵向方向上面向第一光输入端的第二光输入端时，可提供具有第一和第二角输出分布的背光。
背光设备可另外包括布置成控制来自第一和第二光源的光通量的控制系统。有利地，可控制背光的输出视场。可在窄角分布、广角分布与作为窄角分布和广角分布的组合的中间分布之间切换背光。
背光设备可另外包括光转向膜，所述光转向膜包括在横向方向上细长的棱镜元件阵列。有利地，显示器的输出中的至少一些输出可朝向显示器的法线方向。光中的至少一些光可被引导到轴上的观察者。
光波导的第二表面可布置在所述光波导的第一表面与光转向膜之间；并且所述光转向膜可布置成接收透射穿过所述光波导的第二表面的光。有利地，与后反射器接收透射穿过光波导的第二表面的光的布置相比，光输出的效率可提高。
棱镜元件阵列中的棱镜元件可各自包括相对的第一和第二棱镜面，其中：每一个第一棱镜面具有表面法线方向，所述表面法线方向具有在纵向方向上朝向第一输入端倾斜的分量；并且每一个第二棱镜面具有表面法线方向，所述表面法线方向具有在纵向方向远离第一输入端倾斜的分量。有利地，可增大输出锥角的尺寸。
每一个第一棱镜面包括平面表面，且每一个第二棱镜面包括波状表面，其中当光输入到光波导的第一输入端时，来自所述光波导的输出光被所述第二棱镜面折射并被所述第一棱镜面反射；并且当光输入到所述光波导的第二输入端时，来自所述光波导的输出光被所述第一棱镜面折射并被所述第二棱镜面反射。
有利地，来自第一光源的光的光锥可能具有小的漫射，而来自第二光源的光的光锥可能具有较大的漫射。广角模式光锥的尺寸可以增加，而窄锥角分布可以具有相似尺寸。有利地，增大了广角可见性，且隐私可见性未显著降级。
背光设备可另外包括面向第一光导表面的后反射器，所述后反射器布置成反射透射穿过光波导的第一表面的光。有利地，可提高光输出效率。
根据本公开的第三方面，提供了一种显示设备，其包括第二方面的背光设备，且另外包括布置成接收来自光转向膜的光的空间光调制器。有利地，显示器可具备针对轴上的观察者的高效光学输出。
显示设备可包括至少一个显示偏振器，其布置在空间光调制器的一侧上；额外偏振器，其与所述显示偏振器布置在所述空间光调制器的同一侧上；以及可切换液晶延迟器，其包括布置在所述显示偏振器和所述额外偏振器之间的液晶材料层。当光源布置成在第一输入端处将光输入到光波导中时，跨可切换液晶延迟器施加第一电压，并且当光源布置成在第二输入端处将光输入到所述光波导中时，跨所述可切换液晶延迟器施加不同于所述第一电压的第二电压。
有利地，可针对窥探者减小离轴亮度并增强隐私模式性能。轴上效率可基本不变。此外，将提高广角模式性能。
本公开的任何方面可以任何组合的形式应用。
本公开的实施例可在多种光学系统中使用。实施例可包含多种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含式投影仪系统、视觉和/或视听系统和电气和/或光学装置，或与它们一起使用。本公开的各个方面实际上可与以下设备一起使用：与光学和电气装置、光学系统、呈现系统有关的任何设备，或可含有任何类型的光学系统的任何设备。因此，本公开的实施例可在光学系统、在视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等以及在多个计算环境中使用。
在详细地进行所公开的实施例之前，应当理解的是，由于本公开能够用于其它实施例，因此本公开在其应用或创建上不限于所展示的特定布置的细节。此外，可以不同的组合和布置的形式来阐述本公开的方面，以限定本身独特的实施例。而且，本文使用的术语是出于描述的目的，而非限制。
通过阅读本公开的全部内容，本公开的这些和其它优点和特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
在附图中通过举例的方式示出了实施例，其中相似的附图标记指示类似的部分，并且其中：
图1是以侧透视图示出包括布置成照明空间光调制器的可切换背光的可切换隐私显示装置的光学堆叠的示意图；
图2是以侧透视图示出包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的示意图；
图3A和图3B是以透视图示出包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的示意图；
图4A是以侧透视图示出不在相交区域中的光波导的非倾斜透镜表面的示意图；
图4B是以侧透视图示出在相交区域中的光波导的非倾斜透镜表面的示意图；
图4C是以侧透视图示出在相交区域中的光波导的第一倾斜平面区域的示意图；
图4D是以侧透视图示出在相交区域中的光波导的第一倾斜平面区域的倾斜横截面分布的示意图；
图4E是以侧透视图示出在相交区域中的光波导的第二倾斜平面区域的示意图；
图4F是以侧视图示出光波导的非倾斜透镜表面的示意图；
图4G是以俯视图示出在相交区域中的光波导的非倾斜透镜表面和光波导的第一倾斜平面区域的示意图；
图5A是以侧视图示出包括用于轴上照明的非倾斜平面区域的光波导的第一倾斜平面区域的操作的示意图；
图5B是以侧视图示出用于轴上照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6A是以俯视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6B是以端视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6C是以侧视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6D是以俯视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图6E是以端视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图6F是以侧视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图6G是以俯视图示出在利用倾斜平面特征结构入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6H是以端视图示出在利用倾斜平面特征结构入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图6I是以侧视图示出在利用倾斜平面特征结构入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；
图7是以俯视图示出光波导的输出的示意图；
图8A是示出在入射到光转向膜上后图7的布置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图8B是以透视图示出包括平面相对面的光转向膜的示意图；
图9A是以俯视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图9B是以端视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图9C是以侧视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面特征结构的操作的示意图；
图10是以侧视图示出包括光波导、后反射器和光转向膜的背光的示意图，所述光波导包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面；
图11A、图11B、图11C和图11D是以透视图示出光转向膜的示意图，其中每一个第一棱镜面包括平面表面，每一个第二棱镜面包括波状表面；
图12A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图2的光波导和图8B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图12B是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图2的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图12C是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图2的光波导和图8B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图12D是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图2的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图13A是示出从光波导的第一和第二输入端输入的光的角亮度分布的示意图；
图13B是示出从光波导的第一和第二输入端输入的光的标准化的角亮度分布的示意图；
图14A、图14B、图14C、图14D和图14E是以透视图示出形成用于制造包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的表面的工具的方法的示意图；
图14F和图14G是以透视图示出用于制造包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的表面的工具的示意图；
图15是根据本公开的以俯视图示出弯曲输入形状的光波导的示意图；
图16是以第一透视图示出包括平面相对面和弯折相对面的光转向膜的示意图；
图17是以第二透视图示出包括平面相对面、弯折相对面和平面输出表面的光转向膜的示意图；
图18A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图2的光波导和图17A-B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图18B是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图2的光波导和图17A-B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图19A是以俯视图示出包括布置成提供隐私模式照明的光波导和可切换液晶延迟器的隐私显示器的光学堆叠的示意图；
图19B是示出在隐私操作模式下可切换延迟器的同步透射视场极坐标图的示意图；
图20A是以俯视图示出包括布置成提供广角照明的光波导和可切换液晶延迟器的隐私显示器的光学堆叠的示意图；
图20B是示出在广角操作模式下可切换延迟器的同步透射视场极坐标图的示意图；
图21A是以前透视图示出在隐私模式下操作的显示器的透射输出光的观察的示意图；
图21B是以前透视图示出在隐私模式下操作的图1A-1C的显示器的外观的示意图；
图22和图23是以侧透视图示出包括非倾斜透镜表面和与非倾斜透镜表面不相交的倾斜平面表面的光波导的示意图；
图24A是以侧透视图示出光波导的非倾斜透镜表面的示意图；
图24B是以侧透视图示出光波导的第一倾斜平面区域的示意图；
图24C是以侧透视图示出光波导的第二倾斜平面区域的示意图；
图25是以侧透视图示出包括非倾斜细长棱镜表面以及第一和第二倾斜相交平面表面的光波导的示意图；
图26A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图25的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图26B是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图25的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图27A、图27B和图27C是以透视图示出包括非倾斜透镜表面、倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的示意图；
图28是以透视图示出包括非倾斜透镜表面和布置在非倾斜透镜表面上的第一和第二倾斜平面表面的光波导的示意图；
图29A和图29B是以透视图示出包括非倾斜透镜表面以及相对的第一和第二倾斜平面表面的光波导的示意图；
图29C是以侧视图示出包括非倾斜透镜表面以及相对的第一和第二倾斜平面表面的光波导的示意图；
图30A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图29C的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图30B是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图29C的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；
图31是以俯视图示出包括显示器的车厢的示意图，所述显示器包括具有图29C的光波导1的背光；
图32是以侧透视图示出包括布置成照明空间光调制器的可切换定向波导的可切换隐私显示装置的光学堆叠的示意图；
图33是以侧透视图示出包括布置成照明空间光调制器的可切换定向波导的准直显示装置的光学堆叠的示意图。
具体实施方式
期望提供一种为显示设备提供相对窄的输出锥角的准直背光。在本公开中，将准直用作针对来自显示器和/或背光的窄角照明的可接受术语，例如小于40度且通常小于30度的半最大值全宽度(FWHM)亮度锥角。
与常规的广角背光相比，准直背光可以为正面的观察者提供高效的光输出，从而在给定功耗下实现亮度的增加，或者在给定亮度下实现功耗的降低。准直背光还可以针对隐私显示器提供低的离轴图像可见性。将进一步期望提供一种可切换准直背光，以在第一操作模式下提供窄角输出且在第二操作模式下提供广角输出。在操作中，可针对单个正面用户提供窄角输出，而可针对多个显示用户提供广角输出。
现将描述各种可切换显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同元件具有共同的附图标记。应注意，与任何元件有关的公开内容适用于其中提供同一或对应元件的每一个装置。因此，为简洁起见，不再重复这类公开内容。
图1是以侧透视图示出包括布置成照明可切换液晶延迟器300和空间光调制器48的可切换背光20的可切换隐私显示器100的光学堆叠的示意图。
光波导1包括通过全内反射沿着光波导1导光的相对的第一和第二光导表面6、8。至少一个光输入端2布置在第一与第二光导表面6、8之间，其中光输入端2在横向方向(y轴方向)上延伸。
背光20包括光波导1、后反射器3和光转向膜5。光波导1的第二表面8布置在光波导的第一表面6与光转向膜5之间；并且光转向膜5布置成接收透射穿过光波导1的第二表面8的光。
背光20另外包括布置成在第一输入端2处将光输入到光波导1中的光源15。光源15可包括例如白光发光二极管(LED)的光源阵列，所述LED阵列在横向方向上延伸。可以是另一LED阵列的至少一个另外的光源17布置成在第二输入端4处将光输入到光波导1中。
包括显示控制器310、背光控制器314、第一光源15驱动器315和第二光源17驱动器317的控制系统可布置成控制来自第一光源15和第二光源17的光通量。
显示设备100包括背光20、可切换液晶延迟器堆叠300和空间光调制器48以输出光400。
空间光调制器包括输入偏振器210；TFT衬底212；通常用红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224像素化的液晶层214；彩色滤光片衬底216和输出偏振器218。
可切换液晶延迟器堆叠300与背光20和空间光调制器48串联布置。堆叠300包括可切换液晶延迟器301，所述可切换液晶延迟器包括具有透明电极和对准层的衬底312、316，以提供液晶层314的可控对准。堆叠300另外包括额外偏振器332和补偿延迟器330，且在第10,126,575号美国专利和第2019-0086706号美国专利公开中描述了各种实施例，所述专利和专利公开两者以全文引用的方式并入本文中。
可切换液晶延迟器堆叠300和空间光调制器48布置成接收由光转向膜5透射的光。漫射器334可布置成修改输出锥角且进一步最小化龟纹(Moiré)和不均匀的影像。
控制系统可另外包括可切换液晶延迟器堆叠300控制器312和液晶单元驱动器315，以控制跨液晶延迟器301的电压。控制器312布置成对电压驱动器350进行寻址，使得当显示器在广角模式下操作时，在第一对准状态下驱动可切换液晶延迟器301，且当显示器在窄角隐私模式下操作时，在第二对准状态下驱动所述可切换液晶延迟器。
现将进一步描述光波导1的结构。
图2是以侧透视图示出包括非倾斜透镜表面30和倾斜平面表面32、36的光波导1的示意图；并且图3A-3B是以透视图示出包括非倾斜透镜表面30和倾斜平面表面32、36的光波导1的示意图。
光波导1的至少一个光输入端包括第一光输入端2和面向第一光输入端2的第二光输入端4。
光波导1的第一光导表面6包括平面表面。
第二光导表面8包括(i)包括透镜表面30的多个非倾斜光提取特征结构；以及(ii)包括布置成阵列的倾斜平面表面32、36的多个倾斜光提取特征结构。在当前实施例中，多个非倾斜光提取特征结构包括透镜表面30，每一个透镜表面包括在纵向(平行于x轴)方向上延伸的弯曲表面。
现将进一步详细描述第二光导表面8的结构。
图4A是以侧透视图示出不在相交区域34中的光波导的非倾斜透镜表面30的示意图。
第二光导表面8包括由布置成阵列的透镜表面30形成的多个非倾斜光提取特征结构，每一个非倾斜光提取特征结构30是细长的且在纵向方向(平行于x轴方向)上延伸。每一个非倾斜光提取特征结构30包括表面法线方向130a、130b、130c，所述表面法线方向在正交于纵向方向的平面129中变化且在纵向方向上不具有倾斜分量。
图4B是以侧透视图示出在相交区域34中的光波导的非倾斜透镜表面30的示意图。
多个非倾斜透镜表面30在相交区域34中与倾斜平面表面32、36相交；并且相交区域34中的非倾斜光提取特征结构31的宽度在纵向方向上变化。换句话说，在当前实施例中，每一个透镜表面30被与其相邻的倾斜平面表面32、36的平面等分，使得所述每一个透镜表面的宽度朝平面表面32、36之间的尖端37减小。
图4C是以侧透视图示出在相交区域34中的光波导1的第一倾斜平面区域32的示意图。
第二光导表面8另外包括布置成阵列的多个倾斜平面表面32，每一个倾斜平面表面32包括至少一个表面法线方向132，所述表面法线方向相对于在纵向方向上具有分量的显示法线方向130具有倾斜角133的倾斜。
多个倾斜光提取特征结构包括在图4C中以阴影展示的第一多个倾斜平面表面32。第一多个倾斜平面表面32中的每一个平面表面32具有含有倾斜角133的表面法线132，其中表面法线132的倾斜具有在纵向方向(平行于x轴)上远离第一光输入端2的分量。
多个倾斜光提取特征结构还包括在下文中进一步讨论的在图4E中以阴影展示的第二多个倾斜光提取平面表面36。每一个平面表面36具有含有倾斜角137的表面法线方向136，其中表面法线的倾斜137具有在纵向方向上朝向第一光输入端2的分量。
倾斜平面表面32、36是平面倾斜光提取特征结构。平面表面32、36还可具有在横向方向上不具有分量的表面法线方向，即表面法线132、136可布置在x-z平面中。
图4D是以侧透视图示出在相交区域中的光波导的第一倾斜平面区域的倾斜横截面分布33的示意图。例如，横截面分布33可包括三角形区域。有利地，如下文将描述，此类结构可便于进行加工。
图4E是以侧透视图示出在相交区域34中的光波导1的第二倾斜平面表面36的示意图；图4F是以侧视图示出光波导1的非倾斜透镜表面30的示意图；并且图4G是以俯视图示出光波导的非倾斜透镜表面30和在相交区域中的光波导的第一倾斜平面区域的示意图。可假设未进一步详细讨论的图2-4G的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在说明性实施例中，倾斜角133可以是2度，且倾斜角137可以是88度。更一般地说，在图2所示类型的光波导1中，在第一多个倾斜平面表面32的纵向方向上的倾斜角133可在0.25度与5度之间，优选地在0.5度与4度之间且最优选地在1度与3度之间；并且在第二多个倾斜平面表面36的纵向方向上的倾斜角137可在80度与90度之间，且优选地在85度与90度之间。
多个非倾斜透镜表面30中的至少一些非倾斜透镜表面在相交区域34中与至少一个倾斜平面表面32、36相交。下文中的图14A-G示出用于提供光波导1的表面8的工具的切割方法。在此类加工过程期间，平面表面32、36可被切割穿过透镜表面30，或者平面表面32、36可被透镜表面切穿。相交区域34由各个切割交叉点提供。
在当前实施例中，阵列是二维的。可为LCD背光提供大面积的照明，从而有利地实现高均匀性。
现将进一步针对来自第一输入端2的光输入描述光提取特征结构的操作。
图5A是以侧视图示出用于轴上照明的光波导1的第一倾斜平面表面32的操作的示意图。光线180通过在表面6与8之间引导而传播。光线180在表面6、8处的入射角通过由倾斜角133给定的平面表面32的锥形化而逐渐减小。以接近于掠射第一或第二引导表面6、8的角度来提取在比光波导1的材料中的临界角更小的入射角处的光线。在操作中，平面表面32的倾斜角133布置成不单独提供来自光波导1的足够的漏光；即如果不存在非倾斜透镜表面30，那么将存在不足的泄漏。
图5B是以侧视图示出用于轴上照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图。在非倾斜透镜表面30处的每一个反射处提供在图5B中在纸平面之外的光线182的偏转。由于透镜表面30的倾斜表面，因此所得光线会出现锥度效应。一些反射会增大入射角，而其它反射会减小入射角。在操作中，净光线入射角的变化很小，且不能提供来自光波导1的足够的漏光；即如果不存在平面表面32，那么将存在不足的泄漏。
现将针对入射在透镜表面30上的不同位置处的光线进一步描述从透镜表面30进行的光提取的方向性，以用于尚未在平面表面32处经历反射的光。
图6A是以俯视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；图6B是以端视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；并且图6C是以侧视图示出用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图。
光线184a、184b、184c在透镜表面30处分别具有入射位置185a、185b、185c。在俯视图中，光线184a、184c通过倾斜透镜表面30进行偏转。在端视图中，反射角在表面30上变化，而在侧视图中，反射角未改变。对于每一个反射，光线角都远大于临界角，而使得没有光被提取。
图6D是以俯视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图；图6E是以端视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图；并且
图6F是以侧视图示出用于离轴照明的倾斜平面特征结构的操作的示意图。
光线184a、184b、184c在平面表面32处分别具有入射位置185a、185b、185c。在俯视图和端视图中，倾斜平面表面32对光线184a、184b、184c进行轻微偏转。在侧视图中，可以看到平面表面32的主导效应，角度187b小于角度187a。因此，平面表面32的倾斜角133将光线184b引导成较接近临界角。
现将描述平面表面32和非倾斜透镜表面30的组合效果。
图6G是以俯视图示出在利用倾斜平面表面32入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；图6H是以端视图示出在利用倾斜平面表面32入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图；并且图6I是以侧视图示出在利用倾斜平面表面32入射后用于离轴照明的非倾斜透镜结构的操作的示意图。
与图6A-6C的布置相比，光线184a-c的入射角在平面表面32处反射后已经减小。当光线184a、184b入射到透镜表面30上时，所述光线仍然高于入射临界角。但是，光线184c以低于临界角的角度入射并被提取。如图6G所示，与入射光线角度相比，提取方向朝纵向方向倾斜。以此方式，平面表面32和透镜表面30协作以在接近纵向方向的方向上提取光。
图7是以俯视图示出光波导的输出的示意图。因此，包括光线188a、188b、188c的光锥优选地从透镜表面30输出，从而产生朝倾斜表面行进的光。因此，还提供来自相对倾斜的透镜表面的反射光束189a-c。
可假设未进一步详细讨论的图5A-7的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
图8A是在入射到如图8B所示的转向膜5上后图7的布置的模拟等亮度视场极坐标图的示意图，图8B是以透视图示出包括细长棱镜元件50的相对的平面面52、54的光转向膜的示意图。针对与沿着波导1的下侧布置的输入LED 15一起布置的装置示出分布，使得对于观看者来说，平行于x轴的方向表示高度，而正交方向表示横向方向。
本公开的视场图示出纵向视角的输出亮度相对于横向视角的变化。在当前说明性实施例中，源15可布置在显示器100的下边缘，且源17布置在显示器100的上边缘。在此布置中，水平视角方向在横向方向(平行于x轴)上，且垂直视角方向为纵向方向(平行于y轴)。
在纵向方向上，光线分布由以接近掠入射角的光提供到光导表面8上，且因此具有受限的锥角。在横向视角方向上，输出亮度分布由来自如图7中所示的透镜表面30的光线分布确定。
有利地，可提供极窄的锥角。此照明分布可用于在高效输出下降低功耗，或者在给定输入功耗下增加输出亮度。此外，如下文将进一步描述的，此类亮度分布可用于隐私显示器。
期望提供与图8A中所提供的相比更宽的输出角分布。
图9A是以俯视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面表面36的操作的示意图；图9B是以端视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面特征结构的操作的示意图；并且图9C是以侧视图示出用于来自第二输入端的光的倾斜平面特征结构的操作的示意图。
与图7相比，通过界面处的折射，以广泛的角度传播来引导入射在平面表面36上的光线190a、190b。如将进一步展示的，此输出提供光学输出的广泛传播。有利地，可提供具有可切换宽角度范围的光波导1。
从平面表面36的提取接近光转向膜5而不接近后反射器3。由于如果从第一引导表面8提取就会出现的菲涅耳(Fresnel)反射的增加，提取效率有所提高。有利地，增大了广角输出的效率。
现将进一步描述包括光波导1的图1的背光20的操作。
图10是以侧视图示出包括光波导、后反射器3和光转向膜5的背光20的示意图，所述光波导包括非倾斜透镜表面30和倾斜平面表面32、36。图11A-11D是以透视图示出光转向膜5的示意图，其中每一个第一棱镜面40包括平面表面，每一个第二棱镜面42包括波状表面。可假设未进一步详细讨论的图10-11D的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
光转向膜5包括通常为平面的第一表面55和面向第一表面55的第二表面，所述第二表面包括在横向方向(平行于y轴)上是细长的棱镜元件50的阵列。棱镜元件阵列中的棱镜元件50各自包括相对的第一和第二棱镜面52、54。每一个第一棱镜面52具有从显示法线方向(z轴方向)倾斜了倾斜角151的表面法线152方向，且具有在纵向方向(平行于x轴)上朝向第一输入端2倾斜的分量。每一个第二棱镜面54具有从显示法线方向(z轴方向)倾斜了倾斜角153的表面法线方向154，且具有在纵向方向上远离第一输入端2倾斜的分量。
当操作光源15时，光线172、174被输入到光波导1的第一输入端2中，且由波导1内的全内反射引导。如下文将进一步描述的，多个非倾斜透镜表面30和倾斜平面表面32定向成将引导的光线170作为输出光线172、174引导通过第一和第二光导表面6、8。平面表面36对于从第一输入端2传播的光是隐藏的，因此实质上并不促成输出光。
从表面8的输出方向用于接近光波导1内的临界角的光线172、174，因此通常接近空气中表面8的掠入射。
背光20另外包括面向第一光导表面6的后反射器3，所述后反射器布置成反射透射穿过光波导1的第一表面6的光线174。穿过表面6的光线入射到后反射器3上，并通过光波导1反射回去。
在从光波导输出后，来自光波导1的输出光线172、174被输入到转向膜5，接着所述光线被第二棱镜面54折射且通过全内反射而被第一棱镜面52反射。
光线朝显示表面法线方向(平行于z轴)反射，从而有利地实现高的正面亮度。
第二棱镜面54的波状可为光线172、174提供光线方向的一些偏转。出于说明性目的，表面54展示为在正交于横向方向的x-z平面中呈波状。然而，波状主要在x-y平面中。因此，光线展示为在纵向方向上漫射，然而，图11A到11D中所示出的此类波状面布置成主要在横向方向上提供漫射。
此类偏转由在波状面54处的折射提供且因此相对较小。可通过波状棱镜面54为光线172、174提供少量光锥漫射。
当前实施例可在第一端2处提供单个光源15。有利地，可提供窄输出锥角，从而实现用于隐私操作和高正面效率的低离轴亮度，如下文中将进一步描述。此外，可实现窄边框宽度。
可能期望提供与第一操作模式相比提供更宽视角的第二操作模式。
第二光源17可布置成将输入光输入到光波导1的第二输入端4中。多个非倾斜光提取特征结构30和倾斜平面表面32定向成将引导的光线176c作为引导光线引导在光波导1内。平面表面36面向第二输入端4，使得入射光线176a、176b作为输出光被平面表面36折射。如下文中将描述的，从用于透射光线176a、176b的平面表面36输出的光的锥角可基本上大于相同情况下对于光线172、174的锥角。
平面表面36与光转向膜5的棱镜元件50布置在光波导1的同一侧上。输出光不被后反射器3反射，也不通过第一平面表面6输出。与具有布置在反射器3附近的平面表面36的布置相比，当前实施例中的菲涅耳反射损耗减小，使得有利地提高第二操作模式下的提取效率。
来自光波导1的输出光线176a、176b被第一棱镜面52折射，且通过全内反射被第二棱镜面54反射。与光线172、174相比，光线在波状面54处经历反射而非折射。反射表面的有效光功率大约是折射光的同一表面的光功率的三倍，且因此与光线172、174的光功率相比，波状可提供相当大的漫射效应。
平面表面36和波状棱镜面54可通过源17得到从第二端输入的光的输出锥角，所述输出锥角基本上大于通过源15得到的从输入端2输入的光的输出锥角。有利地，可大大增加在广角模式下的输出锥角。此类背光20可提供可从大范围的视角方便地观看的显示器100。
现将针对光源15和光源17的照明描述图2-6D的说明性实施例的模拟亮度分布。
图12A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图2的光波导和图8B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；并且图12B是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图2的光波导1和图11A-11D的光转向膜5的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图。
因此，图12A-12B示出当前说明性实施例的光波导1和转向膜5通过光源15照明的模拟外观，其中每一个等高线表示20％的亮度等高线间距。参数X表示距第一输入端2的相对距离且通过等式1得出，其中x是距输入端2的距离且L是图10中所示的光波导1的长度。
X＝x/L 等式.1
在围绕显示法线方向130大约+/-20度横向视角内和+/-10度的纵向视角内提供亮度输出分布。
有利地，此类照明分布可实现对于正面用户的高效照明。此外，沿着光波导1的长度的此类分布基本上是均匀的，从而实现高亮度均匀性。此类分布还可以用于提供如下文将进一步描述的隐私显示器的隐私模式操作。
图12B与图12A的不同之处在于与平面表面相比，在转向膜5的面45上的波状基本上不增加横向漫射。有利地，波状仅在横向视场中提供了很小的变化，且隐私性能相似。
图12C是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图2的光波导和图8B的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；并且图12D是示出当光由光源17输入到光波导1的第二端2中时，在包括图2的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图。与图12B的输出相比，视场在横向方向上增加到大约+/-40度。有利地，对于广角操作模式，可从增大的横向观看方向的范围观看显示器。
图12D与图12C的不同之处在于与平面表面相比，在转向膜5的面45上的波状增加横向漫射。有利地，增大了横向视场，且改进了广角性能。
图12A-12D的视场分布可借助于漫射器334和例如输出偏振器218等布置在其它显示表面上的漫射器来进一步扩展。漫射器可以是对称或不对称的漫射器。例如，包括不对称表面起伏浮雕微观结构的不对称漫射器可例如在纵向方向上提供增大的锥角，而基本上不提供侧角分布的改变。有利地，可扩展纵向方向(其可通常为垂直方向)上的观看自由度，且基本上不改变横向方向上的隐私视角。各自具有在纵向方向上的主要分量的在光波导1的重复尖端37之间、光转向膜5与空间光调制器48的像素之间的进一步龟纹起伏可被最小化。
现将描述用于单个纵向视角的视角分布。
图13A是示出相对于从光波导1的第一和第二输入端2、4输入的光的横向视角72分布76、78的角亮度70的示意图；图13B是示出从光波导1的第一和第二输入端2、4输入的光的标准化的角亮度分布的示意图。在隐私操作模式下，可针对光源15的照明提供分布76，而在广角模式下，可针对光源17的照明提供分布78。分布78的半最大值全宽度基本上大于分布76的半最大值全宽度。此外，对于离轴观看位置，亮度大大减小。
有利地，可提供可切换隐私显示器。
现将描述提供用于形成光波导1的表面8的工具的方法。
图14A-14E是以透视图示出形成用于制造包括非倾斜透镜表面和倾斜平面表面的光波导的表面的工具的方法的示意图。
在如图14A中所示的第一步骤中，提供了平面工具60坯料。工具坯料可以是例如铜或镍。在如图14B所示的第二步骤中，使用具有弯曲的切割面63的金刚石62以在工具60的表面上划出平行于纵向方向对准的圆柱形凹槽64，且得到如图14C所示的均匀的透镜表面。
在第三步骤中，不同的金刚石66具有与工具60的表面成角度67倾斜的平面切割面65，其中角度67通常与平面表面法线的角度133相同。使用工具以在正交于纵向方向的横向方向上划出平面凹槽，使得所述工具在相交区域34中切割穿过透镜凹槽64。
图14E示出替代性切割序列。在第二步骤(未示出)中，在横向方向上切割线性面68，并且在第三步骤中，使用具有弯曲的切割面63的金刚石62在线性面68上切割透镜凹槽。
图14F-14G是以透视图示出用于制造光波导的表面的工具的示意图，所述光波导包括如图14A-14E所示被切割且包括凹槽64和平面区域61、69的非倾斜透镜表面和倾斜平面表面。可假设未进一步详细讨论的图14A-G的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
例如，此类工具可用于光波导1的注射模制、热压成形或UV铸造。
有利地，光学表面6是平面且可方便地由支撑衬底或平面注射模具提供。此外，可提供特征结构的高保真度，从而实现高效提取。可在例如0.4mm或更大厚度的PMMA或PET衬底等刚性衬底上提供表面8，以提供导光板(LGP)。或者，厚度小于0.4mm的薄的柔性衬底可用于提供用于柔性显示器的导光膜(LGF)。
期望提供用于显示器100的自由形状，例如以在显示区域中提供弯曲的角或凹口。
图15是以俯视图示出弯曲的输入形状的光波导1的示意图。通过模制或切割成型部件，输入侧2可具备线性区域21a和弯曲区域21c、21b。有利地，可提供自由形状的显示器。可假设未进一步详细论述的图15的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在典型的隐私模式操作中，显示器可在横向方向上具备相对窄的视角，且在纵向方向上具备较宽的观看自由度。期望使纵向方向上的观看自由度最大化，以使得显示器能够绕可通常是水平方向的横向方向上的轴旋转。
图16是以第一透视图示出包括平面相对面52和弯折相对面54的光转向膜5的示意图，所述弯折相对面包括彼此成角度57倾斜的面56a、56b。图17是以第二透视图示出包括平面相对面52、弯折相对面54和平面输出表面的光转向膜5的示意图。可假设未进一步详细讨论的图16-17的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
面54可包括两个以上的面，或者可以是弯曲的表面。与图11A-11D的波状表面相比，面布置成主要在纵向方向上提供漫射。
在操作中，与通过图11A-11D的波状表面在横向方向上传播相比，来自布置在第二端4处的源17的光线通过全内反射在转向膜5的面54处偏转，且在纵向方向上传播。
图18A是示出当光被输入到光波导1的第一端2中时，在包括图2的光波导1和图16-17的光转向膜的背光20上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；并且图18B是示出当光被输入到光波导1的第二端4中时，在包括图2的光波导1和图16-17的光转向膜5的背光20上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图。
在隐私操作模式下，提供窄视场以有利地实现高效率和低隐私串扰水平。例如，在广角模式下，与图12D相比，纵向方向上的视场基本增大。有利地，可从更宽的视角范围看到显示器。此外，对于观看风景和肖像两者，显示器可具有基本均匀的照明分布。
在当前实施例中，可通过来自两个光源15和17的照明来提供广角模式的总输出，且因此组合的输出可以是以由被驱动的源15、17的相对光通量确定的比例构成的图18A和18B的组合。有利地，可通过控制光源15、17来调谐输出方向性。
在隐私操作模式下，当前实施例的背光20可在观看区域中提供杂散光，所述杂散光可使窥探者能够感知显示器上的例如由背光20中的散射和漫射产生的图像数据。例如，窥探者可能能够根据环境照明条件以大于峰值正面亮度的0.5％的亮度观察图像数据。对于离轴观看位置(例如，+-45度的横向观看位置)，典型的窄角背光可实现2％或更高的离轴亮度。期望使对于窥探者的离轴图像的可见性最小化。
图19A是以俯视图示出包括背光20的隐私显示器的光学堆叠的示意图，所述背光包括由第一端2处布置成提供隐私模式照明的光源15照明的光波导1，以及在液晶对准的第一状态下驱动的可切换液晶延迟器300。
在第10,126,575号美国专利和第2019-0086706号美国专利公开中描述了用于增强隐私显示器的可切换液晶延迟器300，所述专利和专利公开两者以全文引用的方式并入本文中。
与图1相比，空间光调制器48布置在背光20与可切换液晶延迟器300之间，然而，对这两种布置的预期性能基本相同。因此，显示设备100另外包括：布置在空间光调制器48的一侧上的至少一个显示偏振器218或210；与显示偏振器218布置在空间光调制器48的同一侧上的额外偏振器318；以及包括布置在显示偏振器218与额外偏振器318之间的液晶材料层314的可切换液晶延迟器330、314。
返回图1，在隐私操作的第二状态下的操作中，激活光源驱动器315以驱动第一光源15。此外，操作液晶延迟器300控制器312以提供窄角视场。换句话说，当光源15布置成在第一输入端2处将光输入到光波导1中时，借助于电极311a、311b跨可切换液晶延迟器300施加第一电压V1，使得液晶层314的分子具有第一定向布置。
在操作中，来自背光20的非偏振光线400、402由具有电向量传输方向211的空间光调制器48输入偏振器210偏振。在通过像素层214调制后，具有电向量传输方向219的输出偏振器218为光线400、402提供偏振状态360、361。补偿延迟器300和可切换液晶层314布置成基本上不改变光线400的偏振状态362，但为离轴光线402提供修改的偏振状态364。具有平行于方向219的电向量传输方向319的额外偏振器318传输光线400但吸收光线402上的光，从而大大减少离轴方向上的传输。
图19B是示出在隐私操作模式下补偿可切换延迟器的同步透射视场极坐标图的示意图。
视场分布的定向可布置成在隐私模式下减小杂散光亮度。例如，通过图18A的输出光锥和图19B的透射视场分布的组合，可针对宽视场将离轴亮度减小到峰值正面亮度的1％以下。
有利地，与不包括可切换液晶延迟器的显示器相比，窥探者所看到的输出被大大降低，且实现增强的隐私性能。此外，正面亮度基本上不受影响，从而实现主要用户的高效率。
将进一步期望提供用于可切换隐私显示器的可切换宽视场。
图20A是以俯视图示出包括背光20的隐私显示器的光学堆叠的示意图，所述背光包括由第二端4处布置成提供广角照明的光源17照明的光波导1，以及在液晶对准的第二状态下驱动的可切换液晶延迟器300。
返回图1，在广角操作的第二状态下的操作中，激活光源驱动器317以驱动第二光源17。此外，操作液晶延迟器300控制器312以提供广角视场。换句话说，当光源17布置成在第二输入端4处将光输入到光波导1中时，借助于电极311a、311b，通过驱动器350跨可切换液晶延迟器300施加不同于第一电压的第二电压V2，使得液晶层314的分子具有第二定向布置。
在操作中，补偿延迟器300和可切换液晶层314布置成基本上不改变光线400和离轴光线402的偏振状态362。具有平行于方向219的电向量传输方向319的额外偏振器318传输光线400、402，从而基本上保持离轴方向上的亮度。
图20B是示出在广角操作模式下可切换延迟器的同步透射视场极坐标图的示意图。有利地，离轴观看者看到的输出具有高亮度，且保持高效操作。此外，正面亮度基本上不受影响，从而实现主要用户的高效率。
可假设未进一步详细讨论的图19A-20B的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
现将进一步描述隐私显示器的观看。
图21A是以前透视图示出在隐私模式下操作的显示器的透射输出光的观察的示意图。显示器100可具备白色区域603和黑色区域601。如果可感知到所观察区域601、603之间的亮度差，那么窥探者47可观察显示器上的图像。在操作中，通过光线400，主要用户45在可以是定向显示器的光学窗口的观看位置26观察全亮度图像。由于来自光波导和可选的可切换液晶延迟器300的离轴位置的亮度减小，因此窥探者47在观看位置27观察到亮度减小的光线402。
图21B是以前透视图示出在离轴亮度减小的隐私模式1下操作的图1的显示器的外观的示意图。因此，上观看部530、532、下观看部534、536和横向观看位置526、528提供减小的亮度，而上/下中央观看区域522、520和正面观看区域提供高得多的亮度。
有利地，可提供具有绕横向轴线旋转的舒适观看的隐私显示器。
现将描述光波导1的另一结构。
图22-图23是以侧透视图示出包括非倾斜透镜表面30和不与非倾斜透镜表面30相交的倾斜平面表面32、36的光波导1的示意图；图24A是以侧透视图示出光波导1的非倾斜透镜表面30的示意图；图24B是以侧透视图示出光波导1的第一倾斜平面表面32的示意图；并且图24C是以侧透视图示出光波导1的第二倾斜平面表面36的示意图。
在模拟中，此类结构提供与上文中图2所示出的视场亮度特性类似的视场亮度特性。与图2的实施例相比，此类结构可提供不横切的均匀细长透镜表面。可减小在横切表面的相交处的散射。有利地，可改进隐私性能。
现将描述光波导1的另一结构。
图25是以侧透视图示出光波导1的示意图，其中第二光导表面包括是具有两个表面80、82的棱镜特征结构的非倾斜细长特征结构，所述表面各自具有在垂直于横向方向的平面中成相对角倾斜的表面法线，使得表面法线在横向方向上的细长棱镜特征结构的宽度上变化。第二光导表面还包括形成倾斜光提取特征结构的第一和第二倾斜相交平面表面32、36。
可假设未进一步详细讨论的图22-25的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
图26A是示出当光被输入到光波导的第一端中时，在包括图25的光波导和图11A-11D的光转向膜的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；并且图26B是示出当光被输入到光波导的第二端中时，在包括图25的光波导和图11A-11D的光转向膜5的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图。有利地，棱镜表面可方便地用平面表面金刚石制成。此外，可以扩大隐私模式下输出的分布，从而提高轴上观看的均匀性。
现将描述光波导1的另一结构。
图27A-27C是以透视图示出光波导的示意图，其中第二引导表面包括是非倾斜光提取特征结构的非倾斜透镜表面30，以及是倾斜光提取特征结构的倾斜透镜表面432和倾斜平面表面436。即，倾斜光提取特征结构包括在纵向方向上延伸的透镜表面432和平面表面436。有利地，可使用用于切割非倾斜透镜表面30的同一金刚石来切割倾斜透镜表面432，从而降低成本和复杂性。
现将描述光波导1的另一结构。
图28是以透视图示出光波导的示意图，其中第二引导表面包括是非倾斜光提取特征结构的非倾斜透镜表面30，以及是布置在非倾斜透镜表面30上的倾斜光提取特征结构的第一和第二倾斜平面表面632、636。与图2相比，平面表面632、636可任意布置在光导表面8上，有利地减少龟纹的出现。
可能期望提供两个不同的窄角照明方向。
图29A-29B是以透视图示出光波导的示意图，其中第二引导表面包括是非倾斜光提取特征结构的非倾斜透镜表面730，以及是倾斜光提取特征结构的相对的第一和第二倾斜平面表面732、736；并且图29C是以侧视图示出同一光波导的示意图。
在x-z平面中，法线731相对于非倾斜透镜表面730的倾斜为零，即在纵向方向上不存在倾斜。
第一倾斜平面表面732具有在纵向方向上朝向第二输入端4倾斜的表面法线735，且第二倾斜平面表面736具有朝向第一输入端2倾斜的表面法线737。在第一和第二多个倾斜平面表面732、736中的每一个倾斜平面表面的纵向方向上的法线方向735、737的倾斜角733、739在0.25度与5度之间、优选地在0.5度与4度之间且最优选地在1度与3度之间。
可假设未进一步详细讨论的图27A-29C的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
图30A是示出当光通过光源15输入到光波导1的第一端2中时，在包括图29C的光波导1和图11A-11D的光转向膜5的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图；并且图30B是示出当光被输入到光波导1的第二端2中时，在包括图29C的光波导和图11A-11D的光转向膜5的背光上的不同位置的等亮度视场极坐标图的示意图。
因此，在由照明光源15提供的第一操作模式下，离轴照明分布在纵向方向上偏离法线方向30度。在第二操作模式下，可通过光源17的照明来提供轴上照明分布。
可通过调整光转向膜5的棱镜面52、54的表面法线方向的角度来控制两个照明分布的相对偏离。
有利地，此类显示器可为两个单独用户提供可控制的照明。现将描述将此类显示器应用到车厢环境。
图31是以俯视图示出包括显示器100的汽车550的车厢552的示意图，所述显示器包括具有图29C的光波导1的背光20。在第一模式下的操作中，照明光源15以向光锥554中的乘客提供照明。此类显示器可向驾驶员提供低亮度，且因此例如提供娱乐功能而不会分散驾驶员的注意力。可借助于图1的可切换液晶延迟器300进一步减小离轴亮度。
对于夜间操作，可减少杂散光，从而有利地提高安全性而免受不必要的车厢内照明的干扰。可增大显示器尺寸以用于车厢的低环境照明。
在第二操作模式下，背光20可替代地或另外由第二源17照明，使得驾驶员可感知来自显示器的图像。
显示在空间光调制器上的图像可进行时分复用。在第一阶段中，光源15可以被照明且第一图像显示在空间光调制器48上，所述空间光调制器48可以是例如具有100Hz或更高的帧率的快速响应的液晶显示器。在第二阶段中，光源17可被照明且显示空间光调制器48的第二图像。可向驾驶员提供第一图像，且可向乘客提供第二图像。有利地，显示器100可以低成本和低复杂性为乘客和驾驶员提供用于每一个用户的全空间分辨率的不同图像。
现将描述各种显示器布置。
图32是以侧透视图示出包括布置成照明空间光调制器的可切换定向波导的可切换隐私显示装置的光学堆叠的示意图。因此，可省略图1的可切换液晶延迟器300。有利地，减小了厚度和成本。此类显示器可方便地提供高亮度或降低的功耗以及夜间操作，以为非用户减少杂散光。
图33是以侧透视图示出包括布置成照明空间光调制器的非可切换定向波导的准直显示装置的光学堆叠的示意图。此类显示器省略光源17和相关联的连接，因此与图1相比具有较窄的边框宽度，且因此可以较小外观尺寸布置。可调整平面表面32、36和光转向膜5的形状以提供比图12A中所示更大的锥角，例如以实现所期望的广角分布以及具有由可切换液晶延迟器300提供的隐私切换。
可假设未进一步详细讨论的图33A-B的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
如本文中可以使用的，术语“基本上”和“大约”为其对应术语和/或项之间的相对性提供了行业上可接受的容限。此类行业上可接受的容限范围在百分之零到百分之十的范围内，且对应于但不限于分量值、角度等。这种项之间的相对性在大约百分之零与百分之十之间。
虽然上文已经描述了根据本文所公开的原理的各个实施例，但是应当理解，所述实施例仅借助于实例而非限制的方式呈现。因此，本公开的广度和范围不应受到上文描述的示例性实施例中的任何一个实施例的限制，而应仅根据从本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但是不应将这些已发布的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任何一个或全部优点的过程和结构。
此外，本文提供的章节标题与37CFR 1.77下的建议保持一致，或以其它方式提供组织提示。这些标题不应限制或表征本公开可能发布的任何权利要求中陈述的实施例。具体地且借助于实例，尽管标题是指“技术领域”，但权利要求不应受到在此标题下选择的用来描述所谓领域的语言的限制。此外，“背景技术”中对技术的描述不应解释为承认某些技术是本公开中的任何实施例的现有技术。“发明内容”也不应被解释成是所发布的权利要求中阐述的实施例的表征。此外，本公开中以单数形式对“发明”的任何提及不应用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个实施例，且此类权利要求相应地限定了受其保护的实施例及其等效物。在所有情况下，此类权利要求的范围应鉴于本公开而基于其自身优点加以考虑，而不应受到本文中阐述的标题的约束。

Claims (25)

1.一种光波导，其包括：
相对的第一和第二光导表面，其通过全内反射沿着所述光波导引导光；以及
至少一个光输入端，其布置在所述第一和第二光导表面之间，其中所述光输入端在横向方向上延伸，
其中所述第二光导表面包括：
(i)多个非倾斜光提取特征结构，其布置成阵列，每一个非倾斜光提取特征结构是细长的、在垂直于所述横向方向的纵向方向上延伸且具有在正交于所述纵向方向的平面中变化而在所述纵向方向上不具有倾斜分量的表面法线方向；以及
(ii)多个倾斜光提取特征结构，其布置成阵列，每一个倾斜光提取特征结构具有表面法线方向，所述倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向具有在所述纵向方向上具有分量的倾斜，
所述多个非倾斜光提取特征结构和所述多个倾斜光提取特征结构定向成将引导的光作为输出光引导通过所述第一和第二光导表面。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述至少一个光输入端包括第一光输入端和在所述纵向方向上面向所述第一光输入端的第二光输入端。
3.根据权利要求2所述的光波导，其中所述多个倾斜光提取特征结构包括：
第一多个倾斜光提取特征结构，所述第一多个倾斜光提取特征结构中的每一个光提取特征结构具有表面法线方向，所述第一多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向具有在所述纵向方向上具有远离所述第一光输入端的分量的倾斜；以及
第二多个倾斜光提取特征结构，所述第二多个倾斜光提取特征结构中的每一个光提取特征结构具有表面法线方向，所述第二多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向具有在所述纵向方向上具有朝向所述第一光输入端的分量的倾斜。
4.根据权利要求3所述的光波导，其中在所述第一多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向的所述倾斜的所述纵向方向上的所述分量的量值与在所述第二多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向的所述倾斜的所述纵向方向上的所述分量的量值不同。
5.根据权利要求4所述的光波导，其中所述第一多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向的所述倾斜的所述纵向方向上的所述分量在0.25度与5度之间、优选地在0.5度与4度之间且最优选地在1度与3度之间。
6.根据权利要求4或5所述的光波导，其中所述第二多个倾斜光提取特征结构的所述表面法线方向的所述倾斜的所述纵向方向上的所述分量在80度与90度之间，且优选地在85度与90度之间。
7.根据权利要求4或5所述的光波导，其中所述第二多个倾斜光提取特征结构的所述纵向方向上的所述倾斜在0.25度与5度之间，优选地在0.5度与4度之间，且最优选地在1度与3度之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，其中所述倾斜光提取特征结构包括平面倾斜光提取特征结构。
9.根据权利要求8所述的光波导，其中所述平面倾斜光提取特征结构具有在所述横向方向上不具有分量的表面法线方向。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的光波导，其中所述倾斜光提取特征结构包括在所述纵向方向上延伸的透镜表面。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，其中所述非倾斜光提取特征结构包括透镜表面或细长棱镜表面。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，其中所述多个非倾斜光提取特征结构与所述倾斜光提取特征结构相交。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，其中所述阵列是二维的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光波导，其中所述第一光导表面包括平面表面。
15.一种背光设备，其包括根据前述权利要求中任一项所述的光波导，且另外包括布置成在所述至少一个输入端处将光输入到所述光波导中的至少一个光源。
16.根据权利要求15所述的背光设备，当从属于权利要求2时，其包括至少一个光源和至少一个另外光源，所述至少一个光源布置成在所述第一输入端处将光输入到所述光波导中，所述至少一个另外光源布置成在所述第二输入端处将光输入到所述光波导中。
17.根据权利要求15或16所述的背光设备，其另外包括布置成控制来自所述光源的光通量的控制系统。
18.根据前述权利要求中任一项所述的背光设备，其另外包括光转向膜，所述光转向膜包括在横向方向上细长的棱镜元件阵列。
19.根据权利要求18所述的背光设备，其中
所述光波导的第二表面布置在所述光波导的第一表面与所述光转向膜之间，且
所述光转向膜布置成接收透射穿过所述光波导的所述第二表面的光。
20.根据权利要求18或19所述的背光，其中所述棱镜元件阵列中的所述棱镜元件各自包括相对的第一和第二棱镜面，其中：
每一个第一棱镜面具有表面法线方向，所述第一棱镜面的所述表面法线方向具有在纵向方向上朝向所述第一输入端倾斜的分量；并且
每一个第二棱镜面具有表面法线方向，所述第二棱镜面的所述表面法线方向具有在所述纵向方向上远离所述第一输入端倾斜的分量。
21.根据权利要求20所述的背光，其中每一个第一棱镜面包括平面表面，且每一个第二棱镜面包括波状表面，其中：
当光输入到所述光波导的所述第一输入端时，来自所述光波导的输出光被所述第二棱镜面折射并被所述第一棱镜面反射；并且
当光输入到所述光波导的所述第二输入端时，来自所述光波导的输出光被所述第一棱镜面折射并被所述第二棱镜面反射。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的背光设备，其另外包括面向所述第一光导表面的后反射器，所述后反射器布置成反射透射穿过所述光波导的所述第一表面的光。
23.一种显示设备，其包括根据权利要求15至22中任一项所述的背光设备，另外包括布置成接收来自所述光转向膜的光的空间光调制器。
24.根据权利要求23所述的显示设备，其另外包括：
至少一个显示偏振器，其布置在所述空间光调制器的一侧上；
额外偏振器，其与所述显示偏振器布置在所述空间光调制器的同一侧上；以及
可切换液晶延迟器，其包括布置在所述显示偏振器与所述额外偏振器之间的液晶材料层。
25.根据权利要求24所述的显示设备，当其从属于权利要求2时，其中当光源布置成在所述第一输入端处将光输入到所述光波导中时，跨所述可切换液晶延迟器施加第一电压，并且当光源布置成在所述第二输入端处将光输入到所述光波导中时，跨所述可切换液晶延迟器施加不同于所述第一电压的第二电压。
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