CN113508334A

CN113508334A - 用于防窥显示器的光学叠堆

Info

Publication number: CN113508334A
Application number: CN201980093469.5A
Authority: CN
Inventors: B·艾海子; R·A·拉姆西; G·J·伍德盖特; J·哈罗德; M·G·鲁宾逊
Original assignee: Riel D Parker LLC
Current assignee: Riel D Parker LLC
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-10-15
Also published as: US20220252916A1; US20200218101A1; US11573439B2; WO2020146091A1; US11287677B2

Abstract

本公开提供了一种显示设备，该显示设备包括至少一个空间光调制器和至少一个弯曲视角控制元件，该至少一个弯曲视角控制元件包括被布置在每个空间光调制器的显示偏振器和附加偏振器之间的多个延迟片。该视角控制元件的曲率为正面用户提供增加的亮度均匀度并且提供防范离轴窥探者的增加的视觉安全性。

Description

用于防窥显示器的光学叠堆

技术领域

本公开整体涉及用于防窥显示器和低杂散光显示器的光学叠堆。

背景技术

防窥显示器向通常处于同轴位置的主要用户提供图像可见性，并且减小了通常处于离轴位置的窥探者对图像内容的可见性。防窥功能可由微型百叶窗光学膜提供，该微型百叶窗光学膜在同轴方向上透射来自显示器的高亮度并且在离轴位置透射来自显示器的低亮度，然而此类膜是不可切换的，并且该显示器仅限于防窥功能。

可通过对离轴光学输出的控制来提供可切换防窥显示器。可通过减小对比度来提供对离轴防窥性的控制，例如通过调节平面内切换LCD中的液晶偏置倾斜。还可通过减小离轴亮度来提供控制。减小亮度可通过液晶显示器(LCD)空间光调制器的可切换背光源来实现。减小离轴亮度也可由可切换液晶延迟片和补偿延迟片来提供，这些可切换液晶延迟片和补偿延迟片被布置成调制空间光调制器的输入和/或输出定向亮度分布。

还可通过增加离轴反射率来提供控制。增加反射率可通过可切换液晶延迟片、补偿延迟片来实现，这些可切换液晶延迟片和补偿延迟片被布置成控制落在反射偏振器上的环境光的偏振。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了显示设备，该显示设备包括：至少一个空间光调制器，该至少一个空间光调制器被布置成在输出侧上输出光；显示偏振器，该显示偏振器被布置在至少一个空间光调制器中的每个空间光调制器的一侧上；和视角控制元件，该视角控制元件被布置在至少一个空间光调制器的与至少一个空间光调制器的显示偏振器相同的一侧上；其中视角控制元件包括：附加偏振器；和至少一个延迟片，该至少一个延迟片被布置在附加偏振器和至少一个空间光调制器的显示偏振器之间，该至少一个延迟片能够同时不将净相对相移引入至由该显示偏振器沿着顺着至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由该显示偏振器沿着倾斜于至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量；并且当从输出侧观察时，视角控制元件以凹曲率弯曲。

有利地，可增加在防窥模式下操作的显示器前部的用户所看到的图像的均匀度。可增加由离轴窥探者所看到的视觉安全性水平的均匀度，从而有利地降低在显示设备的整个宽度上的图像可见度。

视角控制元件在第一方向上可以是弯曲的，并且在正交于该第一方向的第二方向上是线性的。该显示设备可具有长轴和短轴，并且第一方向是长轴的方向。有利地，可通过用于视角控制元件的低成本成形方法方便地实现曲率。

当从输出侧观察时，该至少一个空间光调制器可以凹曲率弯曲。有利地，显示器用户可看到图像环绕。

该显示设备还可包括至少两个空间光调制器，其中这些空间光调制器是平铺的。这些空间光调制器中的至少两个空间光调制器可在至少第一方向上相对于彼此倾斜。有利地，多个监视器可被配置为在大图像尺寸上实现防窥操作，其中两个相邻监视器之间的防窥模式具有高均匀度。

该显示设备还可包括至少两个视角控制元件，其中至少两个视角控制元件可串联布置。有利地，可提供广角背光源或发射显示器。在防窥操作模式下，离轴亮度和反射率可足以实现期望的视觉安全性水平。在公共操作模式下，离轴亮度可足够高以实现对多个显示器用户的高图像可见度。

该至少一个视角控制元件在第一方向上的曲率可不同于该至少一个空间光调制器在第一方向上的曲率。视角控制元件的曲率可大于该至少一个空间光调制器的曲率。有利地，可增加在防窥模式下针对主要用户的图像的均匀度。可减少或消除空间光调制器上的图像的失真。

空间光调制器可包括被布置成输出光的发射空间光调制器，在这种情况下，显示偏振器可以是布置在该发射空间光调制器的输出侧上的输出显示偏振器。有利地，可减小显示器厚度。

另选地，该至少一个空间光调制器可以是透射空间光调制器，在这种情况下，该显示设备还可包括被布置成照明至少一个空间光调制器的至少一个背光源。

在存在多个空间光调制器的情况下，空间光调制器中的每个空间光调制器可由相应的背光源照明。有利地，各个空间光调制器及其相应的背光源可作为集成单元提供。可提供多个现货供应的显示器来照明视角控制元件。

在存在多个空间光调制器的情况下，可提供单个背光源来照明多个空间光调制器。当从输出侧观察时，该至少一个背光源可以凹曲率弯曲。有利地，还可增加图像均匀度。可使用尺寸减小的空间光调制器来提供大面积显示，从而降低总显示成本。

在该至少一个空间光调制器是透射空间光调制器的情况下，该至少一个视角控制元件可被布置在至少一个空间光调制器的在至少一个空间光调制器和至少一个背光源之间的输入侧上。有利地，可减小空间光调制器前部的视角控制元件的厚度。

在至少一个空间光调制器是透射空间光调制器或发射空间光调制器的情况下，至少一个视角控制元件可被布置在该空间光调制器的输出侧上以接收来自该空间光调制器的输出光。

在这种情况下，反射偏振器可被布置在显示偏振器和附加偏振器之间。有利地，可增加该显示设备的视觉安全性水平。窥探者可看到弯曲反射偏振器，使得视觉安全性水平的均匀度增加。

气隙可被布置在显示偏振器和附加偏振器之间；其中至少一个延迟片包括：气隙输入延迟片，该气隙输入延迟片包括被布置在显示偏振器和气隙之间的至少一个延迟片；和气隙输出延迟片，该气隙输出延迟片包括被布置在气隙和附加偏振器之间的至少一个延迟片，其中该气隙输入延迟片被布置成提供相移，以在气隙中提供由显示偏振器沿着顺着该气隙输入延迟片的平面的法线的轴传递的光的圆偏振光分量；并且该至少一个延迟片能够同时不将净相对相移引入至由该显示偏振器沿着顺着至少一个延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将净相对相移引入至由该显示偏振器沿着倾斜于至少一个延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。气隙被布置成达到降低组装成本和提高制造产率的目的。多个空间光调制器可被布置有单个延迟叠堆和附加偏振器。可针对正面用户优化图像对比度。

该显示设备还可包括另外的视角控制元件，该另外的视角控制元件被布置在空间光调制器的与最初提到的视角控制元件相同的一侧上，或者在该空间光调制器是透射的情况下，被布置在空间光调制器的与最初提到的视角控制元件相对的一侧上。有利地，与包括单个附加偏振器的显示器相比，在防窥模式下离轴亮度可进一步减小。可使用来自空间光调制器的广角亮度输出分布来实现期望的视觉安全性水平。与准直背光源相比，可使用可以更高的产率制造的广角背光源。发射显示器可具有可切换的防窥功能，同时达到高视觉安全性水平。

显示偏振器和至少一个附加偏振器可具有平行的电矢量传输方向。该至少一个延迟片可包括可切换液晶延迟片。该至少一个延迟片可包括可切换液晶延迟片。有利地，显示器可在广角操作模式和防窥操作模式之间切换。

多个极性控制延迟片可包括可切换液晶延迟片，该可切换液晶延迟片包括液晶材料层。可切换液晶延迟片可包括两个表面配向层，这两个表面配向层被设置成与液晶材料层相邻并且在其相对的两侧上，表面配向层中的每个表面配向层被布置成在相邻液晶材料中提供垂直配向。可切换液晶延迟片的液晶材料层可包括具有负电介质各向异性的液晶材料。液晶材料层对波长为550nm的光可具有500nm至1000nm范围内、优选地600nm至900nm范围内并且最优选地700nm至850nm范围内的延迟。多个极性控制延迟片还可包括：无源延迟片，该无源延迟片具有垂直于延迟片的平面的光轴，该无源延迟片对波长为550nm的光具有-300nm至-900nm范围内、优选地-450nm至-800nm范围内并且最优选地-500nm至-725nm范围内的延迟；或一对无源延迟片，该对无源延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对无源延迟片中的每个无源延迟片对波长为550nm的光具有300nm至800nm范围内、优选地500nm至700nm范围内并且最优选地550nm至675nm范围内的延迟。有利地，公共模式可具有低功耗。有利地，可提供无源延迟片来匹配液晶模式。

可切换液晶延迟片可包括两个表面配向层，这两个表面配向层被设置成与液晶材料层相邻并且在其相对的两侧上，表面配向层中的每个表面配向层被布置成在相邻液晶材料中提供水平配向。可切换液晶延迟片的液晶材料层可包括具有正电介质各向异性的液晶材料。液晶材料层对波长为550nm的光可具有500nm至1000nm范围内、优选地600nm至850nm范围内并且最优选地700nm至800nm范围内的延迟。多个极性控制延迟片还可包括：无源延迟片，该无源延迟片具有垂直于延迟片的平面的光轴，该延迟片对波长为550nm的光具有-300nm至-700nm范围内、优选地-350nm至-600nm范围内并且最优选地-400nm至-500nm的延迟；或一对无源延迟片，该对无源延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对无源延迟片中的每个无源延迟片对波长为550nm的光具有300nm至800nm范围内、优选地350nm至650nm范围内并且最优选地450nm至550nm范围内的延迟。有利地，显示器可对所施加的机械应力具有增加的弹性。

背光源能够以与空间光调制器的法线成大于45度的极角提供亮度，即为沿空间光调制器的法线的亮度的至多33％，优选地为沿空间光调制器的法线的亮度的至多20％，并且最优选地为沿空间光调制器的法线的亮度的至多10％。有利地，可不需要另外的附加偏振器来实现防范离轴窥探者的期望的视觉安全性水平。可降低显示器厚度、复杂性和成本。

根据本公开的第二方面，提供了用于应用于显示设备的视角控制光学元件，该显示设备包括空间光调制器和被布置在该空间光调制器的一侧上的显示偏振器，该视角控制光学元件包括：附加偏振器；和至少一个延迟片，该至少一个延迟片被布置在附加偏振器和至少一个空间光调制器的显示偏振器之间，其中该至少一个延迟片能够同时不将净相对相移引入至由该显示偏振器沿着顺着至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由该显示偏振器沿着倾斜于至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量；并且当从输出侧观察时，该视角控制元件以凹曲率弯曲。

有利地，可提供独立视角控制元件来实现无粘结的可切换防窥显示器，并且包括光学元件和气隙的显示器可实现高图像对比度。

视角控制元件还可包括至少一个另外的延迟片和另外的附加偏振器，其中另外的附加偏振器被布置在最初提到的附加偏振器的输出侧上，并且该至少一个另外的延迟片被布置在最初提到的附加偏振器和另外的附加偏振器之间。

本公开的实施例可用于多种光学系统中。实施方案可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学部件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本公开的方面可以几乎跟与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本公开的实施例可用于光学系统、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1是以透视前视图示出防窥显示设备的示意图，该防窥显示设备包括两个弯曲空间光调制器，和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件；

图2是以顶视图示出图1的防窥显示设备的示意图；

图3A是以透视侧视图示出防窥显示设备的示意图，该防窥显示设备包括空间光调制器、第一对四分之一波片和第二对四分之一波片、第一可切换延迟片叠堆和第二可切换延迟片叠堆、附加偏振器和另外的附加偏振器；

图3B是以展开视图示出图3A的偏振器和延迟片的布置的示意图；

图4是示出在图3A的防窥显示设备的公共操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图；

图5是示出在包括平面视角控制元件的显示器的防窥操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图；

图6是示出在弯曲视角控制元件的防窥操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图；

图7是示出在弯曲视角控制元件的防窥操作模式下的显示器相对反射率随极方向的变化的示意图；

图8A是以透视前视图示出防窥显示设备的示意图，该防窥显示设备包括两个平面空间光调制器，和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件；

图8B是以顶视图示出图8A的防窥显示设备的示意图；

图9是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个倾斜的平面空间光调制器，和包括第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件的弯曲视角控制元件；

图10A是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个倾斜的弯曲空间光调制器、单个弯曲背光源，和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件；

图10B是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个平面空间光调制器、单个弯曲准直背光源和弯曲视角控制元件；

图11是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括弯曲空间光调制器、背光源，和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件，其中空间光调制器和背光源的曲率小于视角控制元件的曲率；

图12是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在弯曲空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件，和被布置成接收来自空间光调制器的光的第二弯曲视角控制元件，其中空间光调制器、背光源和第一视角控制元件的曲率小于第二视角控制元件的曲率；

图13是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在弯曲空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件，其中空间光调制器的曲率小于视角控制元件和背光源的曲率；

图14是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在平面空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件；

图15是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在平面空间光调制器和平面视角控制元件后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件；

图16是以透视侧视图示出用于图8A至图15的防窥显示设备中的角度控制元件的示意图；

图17是以侧视图示出防窥显示设备的表面反射的示意图，该防窥显示设备包括被布置在气隙的相对的两侧上的一对四分之一波片；

图18A是以透视侧视图示出包括空间光调制器和单个视角控制元件的防窥显示设备的示意图；

图18B是以展开视图示出图18A的偏振器和延迟片的布置的示意图；

图19A是以前透视图示出定向背光源的示意图；

图19B是以前透视图示出非定向背光源的示意图；

图19C是示出在不同视场下显示器的亮度随横向视角的变化的示意曲线图；

图19D是以侧视图示出包括成像波导和可切换液晶延迟片的可切换定向显示设备的示意图；

图19E是以后透视图示出成像波导在窄角操作模式下的操作的示意图；

图19F是示出在没有可切换液晶延迟片的显示设备中使用时图19E的输出的视场亮度图的示意曲线图；

图19G是以侧视图示出在防窥操作模式下操作的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括可切换准直波导和可切换液晶延迟片；

图19H是以顶视图示出准直波导的输出的示意图；

图19I是示出图19G的显示设备的等亮度视场极坐标图的示意曲线图；

图20是以顶视图示出显示设备的示意图，该显示设备包括处于显示器操作布置的平面空间光调制器、背光源和弯曲视角控制元件；

图21是以顶视图示出显示设备的示意图，该显示设备包括处于折叠布置的平面空间光调制器、背光源和可弯曲视角控制元件；

图22A是以透视图示出离轴光对延迟层的照明的示意图；

图22B是以透视图示出处于0度的第一线性偏振态的离轴光对延迟层的照明的示意图；

图22C是以透视图示出处于90度的第一线性偏振态的离轴光对延迟层的照明的示意图；

图22D是以透视图示出处于45度的第一线性偏振态的离轴光对延迟层的照明的示意图；

图23A是以透视图示出具有正仰角的离轴偏振光对C板延迟片的照明的示意图；

图23B是以透视图示出具有负横向角度的离轴偏振光对C板延迟片的照明的示意图；

图23C是以透视图示出具有正仰角和负横向角度的离轴偏振光对C板延迟片的照明的示意图；

图23D是以透视图示出具有正仰角和正横向角度的离轴偏振光对C板延迟片的照明的示意图；

图24是示出图23A至图23D中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的示意曲线图；

图25A是以透视图示出具有正仰角的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图；

图25B是以透视图示出具有负横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图；

图25C是以透视图示出具有正仰角和负横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图；

图25D是以透视图示出具有正仰角和正横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图；并且

图26是示出图25A至图25D中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的示意曲线图。

具体实施方式

现在将描述与用于本公开的目的的光学延迟片相关的术语。

在具有单轴双折射材料的层中，存在控制光学各向异性的方向，而与之垂直(或与之成给定角度)的所有方向具有等同的双折射。

光学延迟片的光轴是指单轴双折射材料中不会经历双折射的光线的传播方向。这不同于光学系统的光轴，该光轴可例如平行于对称线或垂直于主光线沿其传播的显示表面。

对于在正交于光轴的方向上传播的光，光轴是慢轴，此时具有平行于慢轴的电矢量方向的线性偏振光以最慢速度行进。慢轴方向是在设计波长下具有最高折射率的方向。类似地，快轴方向是在设计波长下具有最低折射率的方向。

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。对于负电介质各向异性单轴双折射材料，快轴方向是双折射材料的非常轴。

术语“半波长”和“四分之一波长”是指延迟片对于可通常在500nm至570nm之间的设计波长λ_δ的操作。在本例示性实施方案中，除非另外指明，否则提供550nm波长的示例性延迟值。

延迟片在入射到其上的光波的两个正交偏振分量之间提供相对相移，并且其特征在于它赋予这两个偏振分量的相对相位的量Γ；在一些语境下，使用术语“相移”而不使用词语“相对”，但其仍然意指相对相移。相对相移通过以下等式与延迟片的双折射Δn和厚度d相关：

Γ＝2.π.Δn.d/λ₀ 等式1

在等式1中，Δn被定义为非常折射率和寻常折射率之间的差值，即

Δn＝n_e-n_o 等式2

对于半波长延迟片，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片，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传播的光。

现在将描述光线传播穿过一对偏振器之间的透明延迟片的一些方面。

光线的偏振态(SOP)由任何两个正交偏振分量之间的相对振幅和相移来描述。透明延迟片不改变这些正交偏振分量的相对振幅，而仅作用于其相对相位。在正交偏振分量之间提供净相移改变SOP，而保持净相对相位保持SOP。

线性SOP具有非零振幅的偏振分量和零振幅的正交偏振分量。

线性偏振器透射独特的线性SOP，该线性SOP的线性偏振分量与线性偏振器的电矢量传输方向平行，并且衰减具有不同SOP的光。

布置在线性偏振器与不引入相对净相移的平行的线性分析偏振器之间的延迟片提供光的完全透射，而不是线性偏振器内的残余吸收。

在正交偏振分量之间提供相对净相移的延迟片改变SOP，并且在分析偏振器处提供衰减。

在本公开中，“A板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，该双折射材料层的光轴平行于该层的平面。

“正A板”是指正双折射A板，即Δn为正的A板。

在本公开中，“C板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，其中该双折射材料层的光轴垂直于该层的平面。“正C板”是指正双折射C板，即Δn为正的C板。“负C板”是指负双折射C板，即Δn为负的C板。

“O板”是指利用双折射材料层的光学延迟片，其中该双折射材料层的光轴具有平行于该层的平面的分量和垂直于该层的平面的分量。“正O板”是指正双折射O板，即Δn为正的O板。

可提供消色差延迟片，其中该延迟片的材料具有随波长λ变化的延迟Δn.d，即

Δn.d/λ＝κ 等式3

其中κ基本上是常数。

合适的材料的示例包括得自帝人膜(Teijin Films)的改性聚碳酸酯。在本发明的实施方案中可提供消色差延迟片，以有利地最小化具有低亮度减小的极角观察方向和具有增加的亮度减小的极角观察方向之间的颜色变化，如下文将描述的。

现在将描述本公开中所使用的与延迟片和液晶相关的各种其他术语。

液晶单元具有Δn.d给出的延迟，其中Δn是液晶单元中的液晶材料的双折射，并且d是液晶单元的厚度，它们与液晶单元中的液晶材料的配向无关。

水平配向是指可切换液晶显示器中的液晶的配向，其中分子基本上与基底平行配向。水平配向有时被称为平面配向。水平配向通常可具有诸如2度的小预倾角，使得液晶单元的配向层的表面处的分子轻微倾斜，如下文将描述。预倾角被布置成使单元切换时的简并最小化。

在本公开中，垂直配向是棒状液晶分子基本上与基底垂直配向的状态。在盘状液晶中，垂直配向被定义为由盘状液晶分子形成的柱状结构的轴线与表面垂直配向的状态。在垂直配向中，预倾角是靠近配向层的分子的倾角，并且通常接近90度，例如可为88度。

在扭曲液晶层中，提供了向列型液晶分子的扭曲构型(也称为螺旋结构或螺旋)。扭曲可通过配向层的非平行配向来实现。另外，可将胆甾型掺杂剂添加到液晶材料中，以破坏扭曲方向(顺时针或逆时针)的简并性，并进一步控制松弛(通常为未驱动)状态下的扭曲间距。超扭曲液晶层具有大于180度的扭曲。用于空间光调制器的扭曲向列层通常具有90度的扭曲。

具有正电介质各向异性的液晶分子在施加的电场的作用下从水平配向(诸如A板延迟片取向)切换到垂直配向(诸如C板或O板延迟片取向)。

具有负电介质各向异性的液晶分子在施加的电场的作用下从垂直配向(诸如C板或O板延迟片取向)切换到水平配向(诸如A板延迟片取向)。

棒状分子具有正双折射，使得n_e>n_o，如等式2所述。盘状分子具有负双折射，使得n_e<n_o。

正延迟片诸如A板、正O板和正C板通常可由拉伸膜或棒状液晶分子来提供。负延迟片诸如负C板可由拉伸膜或盘状液晶分子来提供。

平行液晶单元配向是指水平配向层平行或更通常反平行的配向方向。就预倾垂直配向而言，配向层可具有基本上平行或反平行的部件。混合配向的液晶单元可具有一个水平配向层和一个垂直配向层。扭曲的液晶单元可由不具有平行配向(例如彼此以90度取向)的配向层提供。

透射式空间光调制器还可包括输入显示偏振器和输出显示偏振器之间的延迟片，例如美国专利号8237876中所公开的，该专利全文以引用方式并入本文。此类延迟片(未示出)与本发明实施方案的无源延迟片处于不同的位置。此类延迟片补偿了离轴观察位置的对比度劣化，这与本发明实施方案的离轴观察位置的亮度减小的效果不同。

显示器的防窥操作模式是其中观察者看到低对比灵敏度使得图像不清晰可见的模式。对比灵敏度是对静态图像中不同级别的亮度进行区分的能力的量度。逆对比灵敏度(Inverse contrast sensitivity)可用作视觉安全性的量度，因为高视觉安全性水平(VSL)对应于低图像可见度。

对于向观察者提供图像的防窥显示器，视觉安全性可给定为：

VSL＝(Y+R)/(Y–K) 等式4

其中VSL为视觉安全性水平，Y为在窥探者视角下显示器的白态的亮度，K为在窥探者视角下显示器的黑态的亮度，并且R为来自显示器的反射光的亮度。

面板对比度给定为：

C＝Y/K 等式5

对于高对比度光学LCD模式，白态透射率随视角保持基本上恒定。在本发明实施方案的对比度降低液晶模式中，白态透射率通常随着黑态透射率的增加而降低，使得

Y+K～P.L 等式6

然后视觉安全性水平可进一步给定为：

其中离轴相对亮度P通常被定义为在窥探者角度处的正面亮度L的百分比，并且显示器可具有图像对比度C，并且表面反射率为ρ。

离轴相对亮度P有时被称为防窥级别。然而，此类防窥级别P描述了在给定极角下显示器相对于正面亮度的相对亮度，而不是防窥外观的量度。

显示器可由朗伯环境照度I照明。因此，在完全黑暗的环境中，高对比度显示器具有大约1.0的VSL。随着环境照度提高，感知到的图像对比度降低，VSL提高并且感知到防窥图像。

对于典型的液晶显示器，几乎所有视角的面板对比度C均高于100:1，使得视觉安全水平近似于：

VSL＝1+I.ρ/(π.P.L) 等式8

与防窥显示器相比，理想的广角显示器在标准环境照度条件下容易观察到。图像可见度的一个量度由对比灵敏度(诸如Michelson对比度)给出，其由下式给出：

M＝(I_max–I_min)/(I_max+I_min) 等式9

因此：

M＝((Y+R)–(K+R))/((Y+R)+(K+R))＝(Y-K)/(Y+K+2.R) 等式10

因此，视觉安全性水平(VSL)等于(但不等同于)1/M。在本讨论中，对于给定的离轴相对亮度P，广角图像可见度W近似为

W＝1/VSL＝1/(1+I.ρ/(π.P.L)) 等式11

曲率是弯曲的线的属性，并且对于本公开，曲率是曲率半径的倒数。平坦表面具有零曲率。

用于例如防窥显示器的并且包括被布置在显示偏振器和附加偏振器之间的多个延迟片的可切换定向显示设备在美国专利号10126575和美国专利公布号2019-0086706中有所描述，这两篇专利均全文以引用方式并入本文。还包括被布置在显示偏振器和延迟片之间的反射偏振器的定向显示设备在美国专利号10303030和美国专利公布号2019-0250458中有所描述，这两篇专利均全文以引用方式并入本文。包括被布置在显示偏振器和附加偏振器之间的无源延迟片的定向显示偏振器在美国专利公布号2018-0321553中有所描述，该专利公布全文以引用方式并入本文。

图1是以透视前视图示出防窥显示设备100的示意图，该防窥显示设备包括分别由背光源20A、20B照明的两个弯曲空间光调制器48A、48B，和第一弯曲视角控制元件360A与第二弯曲视角控制元件360B。

主要用户26从空间光调制器48A、48B的输出侧观察显示器，当从输出侧观察时，该空间光调制器是弯曲而且凹面的。光线402从显示设备100被引导到观察者26的眼睛。期望使在空间光调制器48A、48B的区域上被引导到用户26的亮度的均匀度最大化。

在防窥操作中，显示器可由窥探者27观察。期望使从显示设备100引导到窥探者27的光线404上的光的视觉安全性水平最大化。

图2是以顶视图示出图1的防窥显示设备100的示意图。视角控制元件360A、360B为防窥操作提供受限的光锥410。光锥410可例如表示来自显示器的亮度分布的半高全宽(FWHM)锥尺寸。光线402在光锥410内，光线404在这些光锥外。将在下面的图3A至图3B和图5中进一步描述光锥410的形成。

视角控制元件360A、360B的曲率提供在显示器边缘处倾斜的光锥410，使得来自显示器边缘的光线402保持在光锥内部。有利地，针对用户26增加显示均匀度，并且可在显示设备100的整个宽度上增加防范窥探者的视觉安全性水平V。

显示设备100包括：多个空间光调制器48A、48B，它们被布置成在每个空间光调制器48A、48B的输出侧上输出光。当从相应的空间光调制器48A、48B的输出侧观察时，每个空间光调制器48A、48B都以凹曲率弯曲。空间光调制器48A、48B是平铺的，并且还在第一方向上相对于彼此倾斜。该显示设备具有长轴和短轴，并且第一方向是长轴的方向。通常，对于其中监测器旨在用于横向取向的监测器应用而言，第一方向为水平方向。

空间光调制器48A、48B中的每一者由相应的背光源20A、20B照明。当从输出侧观察时，每个背光源20A、20B都以凹曲率弯曲。

视角控制元件360A、360B被布置成接收来自空间光调制器的输出光。视角控制元件360A、360B串联布置在空间光调制器48A、48B的输出侧上。因此，从空间光调制器48A、48B输出的光被引导通过第一视角控制元件360A。视角控制元件360B被布置成接收来自视角控制元件360B的光。

在图1的实施方案中，视角控制元件360A、360B在第一方向上是弯曲的并且在正交于该第一方向的第二方向上是线性的。

曲率通常可仅在第一方向上为圆柱形。曲率可具有圆形轮廓或可具有其他轮廓形状，例如中心区可以是线性的并且外部区可以是弯曲的。有利地，可通过将视角控制元件360A、360B附接到弯曲机械对准固定装置来实现曲率。在其他实施方案中，可提供在两个方向上弯曲的曲率，例如通过在弯曲步骤期间在弯曲模型上形成基底表面并施加热。

视角控制元件360A、360B在第一方向上的曲率不同于该至少一个空间光调制器48A、48B在第一方向上的曲率。参考图2，视角控制元件360A、360B的曲率半径被示出为距离450。弯曲空间光调制器48A、48B相对于彼此倾斜并且被布置成具有共同的曲率半径452。半径450小于半径452，使得视角控制元件360A、360B的曲率大于至少一个空间光调制器48A、48B的曲率。将参考图7至图9进一步描述弯曲视角控制元件360A、360B的操作。

现在将描述显示设备的一部分的结构。

图3A是以透视侧视图示出防窥显示设备100的示意图，该防窥显示设备包括背光源20、空间光调制器48，和第一视角控制元件与第二视角控制元件；并且图3B是以展开视图示出图3A的偏振器和延迟片的布置的示意图。

空间光调制器48是液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器包括显示偏振器即输入偏振器210和输出偏振器218。视角控制元件360A、360B被布置在至少一个空间光调制器48的与至少一个空间光调制器48的显示偏振器相同的一侧上。在图3中，视角控制元件被布置在空间光调制器48的输出侧上，并且显示偏振器是输出偏振器218。

在本实施方案中，偏振器210、218、318、302(以及任何其他偏振器)通常为线性偏振器，即它们分别输出具有电矢量传输方向211、219、319、303的线性偏振光。

视角控制元件360A、360B各自包括附加偏振器318A、318B；多个延迟片300A、300B被布置在附加偏振器318A、218B和空间光调制器48的显示偏振器218之间。多个延迟片300A、300B能够同时不将净相对相移引入至由显示偏振器218沿着顺着多个延迟片300A、300B的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由该显示偏振器沿着倾斜于多个延迟片300A、300B的法线的轴传递的光的正交偏振分量。

视角控制元件300A、300B串联布置，使得元件300B被布置成接收由元件300A透射的光。

视角控制元件300B还包括被布置在显示偏振器和附加偏振器之间并且也被布置在附加偏振器318A、318B之间的反射偏振器302。

现在将更详细地描述显示设备100的结构。

显示设备100包括：空间光调制器48，该空间光调制器被布置成输出光400；其中空间光调制器48包括布置在空间光调制器48的输出侧上的输出偏振器218。

在本公开中，空间光调制器48可包括液晶显示器，该液晶显示器包括输入偏振器210、具有基底212、216的输出偏振器218、液晶层214以及红色、绿色和蓝色像素220、222、224。背光源20可被布置成照明空间光调制器48，并且包括输入光源15、波导1、后反射器3和光学叠堆5，该光学叠堆包括漫射器、光转向膜和其他已知的光学背光结构。可在光学叠堆5中提供可包括例如非对称表面浮雕特征结构的非对称漫射器，使得与横向方向相比，可在仰角方向上提供增加的漫射。

在本发明的实施方案中，背光源20可被布置成提供角光分布，与正面亮度相比，该角光分布对于离轴观察位置具有减小的亮度。典型广角背光源在更高角度具有衰减，使得相对亮度的半高全宽可优选地大于40度，更优选地大于60度，并且最优选地大于80度。

背光源20还可包括可切换背光源，该可切换背光源被布置成切换输出角亮度分布，以便在防窥操作模式下提供减小的离轴亮度并且在广角操作模式下提供更高的离轴亮度。此类定向背光源提供了一些离轴亮度降低，有利地提高了正面效率并降低了针对离轴位置的显示器可见度和杂散光。

空间光调制器48可另选地由通过发射来提供输出光400的其他显示器类型提供，诸如有机LED显示器(OLED)，其在省略背光源20的情况下具有输出偏振器218。

因此空间光调制器48包括被布置在空间光调制器48的输出侧上的输出偏振器218。输出偏振器218可被布置成向来自空间光调制器48的像素220、222、224的光提供高消光比。

光学叠堆还包括如在图1至图2中示出的视角控制元件360A、360B。视角控制元件360A、360B可具有美国专利号10126575和美国专利公布号2018-0321553中有所描述，这两篇专利均全文以引用方式并入本文。

现在将给出视角控制元件360A、360B的例示性示例。

视角控制元件360A包括被布置在输出偏振器218的输出侧上的附加偏振器318A；和被布置在附加偏振器318A和输出偏振器218之间的多个延迟片300A。输出偏振器218的电矢量传输方向219平行于附加偏振器318A的电矢量传输方向319A。

多个延迟片300A被布置在输出偏振器218和附加偏振器318A之间。在图3A至图3B的实施方案中，多个延迟片300A包括无源延迟片330A和可切换液晶延迟片301A，但通常可替换为至少一个延迟片的其他配置。延迟片300A不影响沿着顺着延迟片300A的平面的法线的轴穿过延迟片300A和附加偏振器318A的光的亮度，但至少在可切换延迟片301A的可切换状态中的一者下，延迟片300A会减小沿着倾斜于延迟片300A的平面的法线的轴穿过其中的光的亮度。引起该效果的原理将在下文参考图22A至图26更详细描述，并且是由于延迟片300引入到沿着相对于延迟片300的液晶材料成不同角度的轴的光的相移的存在或不存在而引起。所有下述装置中实现了类似效果。

可切换液晶延迟片301的基底312A、316A包括被布置成跨液晶材料414的层314A提供电压的电极。控制系统(未示出)被布置成控制由电压驱动器在可切换液晶延迟片301的电极上施加的电压。

图3A至图3B还示出了提供在空间光调制器48的输出偏振器218与附加偏振器318A之间的气隙619A。期望在防窥操作模式和公共操作模式下均为可切换防窥显示器的同轴图像的观察提供高对比度。此外，期望在光学系统中的空间光调制器和其他部件之间提供气隙，以达到降低组装成本和复杂性的目的。

该多个延迟片还包括：气隙输入延迟片326A，该气隙输入延迟片包括被布置在显示偏振器218和气隙619A之间的至少一个延迟片；和气隙输出延迟片328A，该气隙输出延迟片包括被布置在气隙619和附加偏振器318之间的至少一个延迟片。

气隙输入延迟片326A被布置成提供净相移，以在气隙619中提供由显示偏振器218沿着顺着气隙输入延迟片326A的平面的法线的轴传递的光的圆偏振光分量。气隙输入延迟片和气隙输出延迟片有利地实现在视角控制元件360A与空间光调制器48之间的气隙619A中的反射光的减小。下面参考图17至图18更详细地描述造成这种效果的原理。

在组合时，多个延迟片326A、328A、300A能够同时不将净相对相移引入至由显示偏振器218沿着顺着多个延迟片326、328、300的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将净相对相移引入至由该显示偏振器沿着倾斜于多个延迟片326A、328A、300A的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。

视角控制元件360B在结构和操作上类似于图3A至图3B的实施方案中的视角控制元件360A。

视角控制元件360B包括被布置在附加偏振器318A的输出侧上的另外的附加偏振器318B；被布置在附加偏振器318A和另外的附加偏振器318B之间的反射偏振器302；和被布置在反射偏振器302和另外的附加偏振器318B之间的多个延迟片300B。反射偏振器302的电矢量传输方向303可平行于附加偏振器318A的电矢量传输方向319A。反射偏振器302的电矢量传输方向303可平行于附加偏振器318A的电矢量传输方向219。

多个延迟片300B被布置在反射偏振器302和另外的附加偏振器318B之间。在图3A至图3B的实施方案中，多个延迟片300B包括无源延迟片330B和可切换液晶延迟片301B，但通常可替换为至少一个延迟片的其他配置。延迟片300B不影响沿着顺着延迟片300的平面的法线的轴穿过反射偏振器302、延迟片300B和另外的附加偏振器318B的光的亮度，但至少在可切换延迟片301的可切换状态中的一者下，延迟片300B会减小沿着倾斜于延迟片300B的平面的法线的轴穿过其中的光的亮度。

可切换液晶延迟片301B的基底312B、316B包括被布置成跨液晶材料414的层314B提供电压的电极。控制系统352被布置成控制由电压驱动器350在可切换液晶延迟片301B的电极上施加的电压。

该显示设备可被布置用于环境照明604中。因此，用于环境照明604的显示设备100包括被布置成输出光400的空间光调制器48。

图3A至图3B还示出了提供在附加偏振器318A与反射偏振器302之间的气隙619B。

气隙输入延迟片326B包括被布置在附加偏振器318A和气隙619B之间的至少一个延迟片；和气隙输出延迟片328B，该气隙输出延迟片包括被布置在气隙619B和反射偏振器302之间的至少一个延迟片。

气隙输入延迟片326B被布置成提供相移，以在气隙619中提供由附加偏振器318A沿着顺着气隙输入延迟片326B的平面的法线的轴传递的光的圆偏振光分量。在组合时，多个延迟片326B、328B能够不将相移引入至由显示偏振器218沿着顺着多个延迟片326B、328B的平面的法线的轴传递的光的偏振分量。气隙输入延迟片和气隙输出延迟片有利地实现在视角控制元件360A与视角控制元件360B之间的气隙619B中的反射光的减小。下面参考图17更详细地描述造成这种效果的原理。

未进一步详细讨论的图3A至图3B的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。

表1至表2中给出了图3A至图3B的布置的例示性实施方案。

表1

表2

多个延迟片300A、300B包括可切换液晶延迟片301A、301B。现在将描述多个延迟片的另外的布置。

在一个替代方案中，可切换液晶延迟片301A、301B可包括两个表面配向层，这两个表面配向层被设置成与液晶材料414的层413A、413B相邻并且在其相对的两侧上，并且各自被布置成在相邻液晶材料中提供垂直配向。可切换液晶延迟片301A、301B的液晶材料414的层413A、413B可包括具有负电介质各向异性的液晶材料。液晶材料414的层413A、413B对波长为550nm的光可具有500nm至1000nm范围内、优选地600nm至900nm范围内并且最优选地700nm至850nm范围内的延迟。

在提供垂直配向的两个表面配向层被提供的情况下，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括延迟片，该延迟片具有垂直于该延迟片的平面的光轴，该至少一个无源延迟片对波长为550nm的光具有-300nm至-900nm范围内、优选地-450nm至-800nm范围内并且最优选地-500nm至-725nm范围内的延迟。

另选地，在提供垂直配向的两个表面配向层被提供的情况下，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括一对延迟片，该对延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对延迟片中的每个延迟片对波长为550nm的光具有300nm至800nm范围内、优选地500nm至700nm范围内并且最优选地550nm至675nm范围内的延迟。有利地，在这种情况下，可提供广角操作模式下增大的视场。此外，可提供广角操作模式下的零电压操作，从而降低功耗。

在另一个替代方案中，可切换液晶延迟片301A、301B可包括两个表面配向层，这两个表面配向层被设置成与液晶材料414的层413A、413B相邻并且在其相对的两侧上，并且各自被布置成在相邻液晶材料中提供水平配向。有利地，与液晶的相对两侧上的垂直配向相比，可实现在施加压力期间对液晶材料流可见性的增加的回复性。

可切换液晶延迟片301A、301B的液晶材料414的层413A、413B可包括具有正电介质各向异性的液晶材料。液晶材料414的层413A、413B对波长为550nm的光可具有500nm至900nm范围内、优选地600nm至850nm范围内并且最优选地700nm至800nm范围内的延迟。

在提供水平配向的两个表面配向层被提供的情况下，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括延迟片，该延迟片具有垂直于该延迟片的平面的光轴，该至少一个无源延迟片对波长为550nm的光具有-300nm至-700nm范围内、优选地-350nm至-600nm范围内并且最优选地-400nm至-500nm范围内的延迟。

另选地，在提供水平配向的两个表面配向层被提供的情况下，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括一对延迟片，该对延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对延迟片中的每个延迟片对波长为550nm的光具有300nm至800nm范围内、优选地350nm至650nm范围内并且最优选地450nm至550nm范围内的延迟。有利地，在这种情况下，可实现在施加压力期间对液晶材料流可见性的增加的回复性。

在另一个替代方案中，可切换液晶延迟片301A、301B可包括两个表面配向层，这两个表面配向层被设置成与液晶材料414的层413A、413B相邻并且在其相对的两侧上，其中一个表面配向层被布置成在相邻液晶材料中提供垂直配向，并且另一个表面配向层被布置成在相邻液晶材料中提供水平配向。

当被布置成提供水平配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，液晶材料414的层413A、413B对波长为550nm的光可具有700nm至2000nm范围内、优选地1000nm至1500nm范围内并且最优选地1200nm至1500nm范围内的延迟。

当被布置成提供水平配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括延迟片，该延迟片具有垂直于该延迟片的平面的光轴，该至少一个无源延迟片对波长为550nm的光具有-400nm至-1800nm范围内、优选地-700nm至-1500nm范围内并且最优选地-900nm至-1300nm范围内的延迟。

当被布置成提供水平配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括一对延迟片，该对延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对延迟片中的每个延迟片对波长为550nm的光具有400nm至1800nm范围内、优选地700nm至1500nm范围内并且最优选地900nm至1300nm范围内的延迟。

当被布置成提供垂直配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，液晶材料414的层413A、413B对波长为550nm的光可具有500nm至1800nm范围内、优选地700nm至1500nm范围内并且最优选地900nm至1350nm范围内的延迟。

当被布置成提供垂直配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括延迟片，该延迟片具有垂直于该延迟片的平面的光轴，该至少一个无源延迟片对波长为550nm的光具有-300nm至-1600nm范围内、优选地-500nm至-1300nm范围内并且最优选地-700nm至-1150nm范围内的延迟。

当被布置成提供垂直配向的表面配向层介于液晶材料414的层413A、413B与补偿延迟片330A、330B之间时，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括一对延迟片，该对延迟片具有在延迟片的平面中交叉的光轴，该对延迟片中的每个延迟片对波长为550nm的光具有400nm至1600nm范围内、优选地600nm至1400nm范围内并且最优选地800nm至1300nm范围内的延迟。有利地，在这种情况下，可实现在施加压力期间对液晶材料流可见性的增加的回复性。

每个配向层可具有呈预倾方向的预倾角，其中液晶层的平面中的一个分量与显示偏振器的电矢量传输方向平行或反平行或正交。有利地，显示器可具有横向方向上的窄视角以及供显示器围绕水平轴线旋转的宽观察自由度。这种显示器对于正面显示器用户可舒适地观察，而对于离轴显示器用户则难以观察。

所述至少一个无源延迟片可包括具有光轴的至少两个不同取向的至少两个无源延迟片，该至少两个无源延迟片可具有在延迟片的平面中交叉的光轴。增加了具有水平配向的液晶延迟片的视场，同时在施加压力期间提供了对液晶材料流可见性的回复性。

该对无源延迟片可具有相对于平行于显示偏振器的电矢量传输的电矢量传输方向分别成45度和135度延伸的光轴。可使用拉伸膜提供无源延迟片以有利地实现低成本和高均匀度。

可在该对无源延迟片之间提供可切换液晶延迟片301A、301B。有利地，可降低多个延迟片的厚度和复杂性。

透明电极和液晶配向层可在该对无源延迟片中的每一者的与可切换液晶延迟片301A、301B相邻的一侧上形成；并且还可包括在其间提供可切换液晶延迟片301A、301B的第一基底和第二基底，该第一基底和第二基底各自包括该对无源延迟片中的一者，其中该对无源延迟片中的每一者对波长为550nm的光具有150nm至800nm范围内、优选地200nm至700nm范围内并且最优选地250nm至600nm范围内的延迟。

在一个替代方案中，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括延迟片，该延迟片具有垂直于该延迟片的平面的光轴。有利地，可降低无源延迟片叠堆的厚度和复杂性。

该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括两个无源延迟片，这两个无源延迟片具有垂直于无源延迟片的平面的光轴，并且在这两个无源延迟片之间提供可切换液晶延迟片301A、301B。有利地，可降低多个延迟片的厚度和复杂性。可在广角模式和防窥模式下实现较高的正面效率，广角模式的宽视场和窥探者可能无法从宽范围的离轴观察位置感知到图像数据。

透明电极和液晶配向层可在这两个无源延迟片中的每一者的与可切换液晶延迟片301A、301B相邻的一侧上形成。可在其间提供可切换液晶延迟片301A、301B的第一基底和第二基底，该第一基底和第二基底各自包括这两个无源延迟片中的一者。这两个无源延迟片对波长为550nm的光可具有-300nm至-700nm范围内、优选地-350nm至-600nm范围内并且最优选地-400nm至-500nm范围内的总延迟。

在另一个替代方案中，该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括具有光轴的延迟片，其中该光轴的一个分量垂直于延迟片的平面并且一个分量在延迟片的平面中。有利地，可增大广角模式下的视场，并且窥探者可能无法从宽范围的离轴观察位置感知到图像数据。

该无源延迟片的平面中的分量可相对于与显示偏振器的电矢量传输平行或垂直的电矢量传输方向成0度延伸。该至少一个无源延迟片还可包括具有垂直于无源延迟片的平面的光轴的无源延迟片，或具有在无源延迟片的平面中交叉的光轴的一对无源延迟片。

该至少一个无源补偿延迟片330A、330B的延迟可与可切换液晶延迟片301A、301B的延迟大小相等、方向相反。

可切换液晶延迟片301A、301B可包括第一预倾角和第二预倾角；并且该至少一个无源补偿延迟片330A、330B可包括具有第一预倾角和第二预倾角的补偿延迟片330A、330B，补偿延迟片330A、330B的第一预倾角与液晶延迟片的第一预倾角相同，并且补偿延迟片330A、330B的第二预倾角与液晶延迟片的第二预倾角相同。

可切换液晶延迟片301A、301B还可包括电极，该电极被布置成施加电压以便控制液晶材料414的层413A、413B。电极可在液晶材料414的层413A、413B的相对的两侧上。可通过对液晶层的控制来切换显示器，从而有利地实现可切换防窥显示器或减少离轴杂散光的其他显示器。该显示器还可包括控制系统，该控制系统被布置成控制在该至少一个可切换液晶延迟片301A、301B的电极上施加的电压。

现在将使用图3A至图3B的示例性实施方案来描述来自图1A至图1B的显示器结构的显示均匀度。

图4是示出在利用表3中示出的例示性实施方案和用于图3A至图3B的显示设备的公共操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图。

表3

图4示出了可通过广角背光源20实现的等亮度线。视角控制元件360A、360B利用如表1所示的高电压驱动以提供公共模式(广角)操作，并且基本上不改变从空间光调制器48和背光源20输出的光的视场。

极区460示出了显示设备100对于同轴用户26的眼睛的视场，其中空间光调制器48和背光源20是平面，使得来自显示器的所有光锥410平行。极区460内的等亮度线示出了用户从显示设备100所看到的亮度的变化。

极区461示出了显示设备100对于同轴用户26的视场，其中空间光调制器48和背光源20具有围绕水平方向的1800mm的曲率半径。普通用户不容易辨别在极位置463和极位置464处的边缘亮度从大约82％到大约88％(与100％的正面亮度相比)的变化，因此弯曲空间光调制器和背光源20不会显著改变用户所看到的图像的亮度均匀度。

图4还示出了在距显示设备100 2000mm处的用户27的极区465中的视场，该显示设备具有1800mm的曲率半径(曲率＝0.55m)，以45度的横向角度和零度的仰角为中心。在这样的位置，用户27有利地看到具有良好亮度均匀度的高亮度图像。

图5是示出在包括平面视角控制元件的显示器的防窥操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图。与图4相比，随视角的变化，亮度的衰减显著增加。因此，在极位置463和464处的边缘亮度从大约15％(视角控制元件360A、360B无曲率)到大约45％(视角控制元件360A、360B具有0.55m的曲率)的变化是对于用户26而言所期望的显示均匀度的增加。

窥探者27可看到具有小侧向范围的极区465，因为显示器100的曲率类似于窥探器的观察距离。有利地，防范窥探者的视觉安全性水平具有高均匀度。

与在图5中示出的相比，期望进一步增加显示均匀度。

图6是示出在弯曲视角控制元件360A、360B的防窥操作模式下的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图。在图1的显示设备100的操作中，其中视角控制元件360A、360B的曲率大于空间光调制器的期望曲率，并且平面空间光调制器48A、48B和视角控制元件360A、360B的例示性实施方案具有1000mm的曲率半径。有利地，图像均匀度显著增加，如针对同轴用户26的极区462所示，其中在大部分显示器区域上的亮度均匀度大于60％。

图7是示出在弯曲视角控制元件360A、360B的防窥操作模式下的显示器相对反射率随极方向的变化的示意图。将反射率归一化为最大反射率，在实施过程中，考虑偏振器损耗、反射偏振器反射率和前表面菲涅耳反射，反射率为大约40％。

因此，针对同轴用户具有低图像反射率，即显示器拐角不具有高反射率。然而，离轴窥探者27在整个显示器区域上看到高反射率，例如大于30％的反射率。有利地，实现对于窥探者可视区的图像区域的所有部分的高视觉安全性。此外，当窥探者朝向更同轴的位置移动时，亮度可增加，但保持高反射率，使得远离优化极位置实现增加的视觉安全性水平。

现在将描述弯曲视角控制元件360的其他布置。

图8A是以透视前视图示出防窥显示设备100的示意图，该防窥显示设备包括两个平面空间光调制器48A、48B，和包括第一弯曲视角控制元件360A与第二弯曲视角控制元件360B的弯曲视角控制元件；并且图8B是以顶视图示出图8A的防窥显示设备的示意图。未进一步详细讨论的图8A至图8B的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。

与图1相比，空间光调制器48A、48B可以是平面的。有利地，可减少弯曲空间光调制器的表面上的图像失真。例如，由于图1的空间光调制器48的表面曲率，直线可被显示器用户360感知为是笔直的，而不是弯曲的。

然而，如在图6至图7中示出的，弯曲视角控制元件360A、360B可保持引导朝向主要用户26的光锥410，使得有利地观测到高图像均匀度。

图9是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个倾斜的平面空间光调制器，和包括第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件的弯曲视角控制元件。未进一步详细讨论的图9的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。

倾斜的空间光调制器48A、48B可为典型多屏幕环境提供期望的多显示器配置，同时在防窥模式下实现针对中心观察者326的增加的均匀度。

现在将描述具有单个背光源20的布置。

图10A是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个倾斜的平面空间光调制器、单个弯曲背光源，和包括第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件的弯曲视角控制元件；并且图10B是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括两个平面空间光调制器、单个弯曲准直背光源和弯曲视角控制元件360。

在图10A至图10B中，提供了单个背光源20来照明空间光调制器48A、48B。图10A示出了背光源20可具有相对高亮度衰减的光锥412(但不是朗伯型)，而图10B示出了下文图19I至图19E所示类型的具有窄光锥412的准直背光源。

有利地，背光源20、光锥412和视角校正元件360配合，以便为显示器前方的正面用户提供增加的均匀度，并且提供防范窥探者的增加的视觉安全性水平。另外，空间光调制器的曲率可与空间光调制器48A、48B的曲率无关。

现在将描述具有单个空间光调制器48的各种布置。

图11是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括弯曲空间光调制器、背光源，和包括第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件的弯曲视角控制元件，其中空间光调制器和背光源的曲率小于视角控制元件的曲率；图12是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在弯曲空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件，和被布置成接收来自空间光调制器的光的第二弯曲视角控制元件，其中空间光调制器、背光源和第一视角控制元件的曲率小于第二视角控制元件的曲率；图13是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在弯曲空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件，其中空间光调制器的曲率小于视角控制元件和背光源的曲率；图14是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在平面空间光调制器后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件与第二弯曲视角控制元件；并且图15是以顶视图示出防窥显示器的示意图，该防窥显示器包括被布置在平面空间光调制器和平面视角控制元件后面的弯曲背光源和第一弯曲视角控制元件。

未进一步详细讨论的图11至图15的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。

图11示出了类似于图1的实施方案，其包括单个空间光调制器48和背光源20，其中空间光调制器48和背光源的曲率不同于视角控制元件360A、360B的曲率。有利地，减少了空间光调制器48上直线的失真，同时改善了防窥模式下的均匀度。另外，与图9的平面非倾斜空间光调制器48A、48B相比，公共模式下的亮度均匀度得到改善。

图12示出了一个实施方案，其中一个视角控制元件360A被布置在该至少一个空间光调制器48和背光源20之间。弯曲前部元件的增加的厚度可有利地减小，而图3A中所示类型的反射前部视角控制元件360B可用于有利地增加针对离轴用户27的视觉安全性水平。

图13至图14示出视角控制元件360A、360B两者可被布置在背光源20和空间光调制器48之间，该空间光调制器可如图13那样是弯曲的或如图14那样是平面的。有利地，可独立于提供给显示器用户26的均匀度来提供图像直线的线性度。

图15示出平面视角控制元件360B可应用于平面空间光调制器的前方，而弯曲视角控制元件360A提供在弯曲准直背光源20和该空间光调制器之间。有利地，可在减小屏幕前方元件的厚度的同时增加显示均匀度，同时利用图3A中所示类型的视角控制元件360B来实现可切换反射率。

现在将描述视角控制元件。

图16是以透视侧视图示出用于图3A的防窥显示设备中的角度控制元件的示意图。未进一步详细讨论的图16的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。可在空间光调制器48上提供视角控制元件360A、360B，这些视角控制元件可设置有四分之一波片328A、326B、328B。

为了实现具有不同曲率的显示器前方部件，期望在空间光调制器48和视角控制元件360A、360B之间提供气隙。在不控制反射的情况下，此类气隙将由于表面反射而导致图像对比度降低。此类反射可通过气隙延迟片326、328来减少。现在将描述在图3A的气隙619B处的气隙输入延迟片326B和气隙输出延迟片328B的操作。

图17是以侧视图示出防窥显示设备的一部分中的表面反射的示意图，该防窥显示设备包括被布置在气隙619B的相对的两侧上的一对四分之一波片。

气隙输入延迟片326B被布置在气隙619B的一侧上，并且气隙输出延迟片328B被布置在气隙619B的相对侧上，并且两者分别包括四分之一波片。

气隙输入延迟片326B和气隙输出延迟片328B的第一四分之一波片和第二四分之一波片具有交叉的光轴；并且来自空间光调制器48的光400具有偏振分量，该偏振分量在交叉的第一延迟片326B和第二延迟片328B中发生大小相等并且方向相反的相移。

在操作中，同轴环境光线623入射到反射偏振器302上，其偏振分量630在透射穿过无源延迟片330和可切换液晶层314之后为基本上线性的。偏振分量630平行于反射偏振器302的电矢量传输方向，并且透射到延迟片328B的四分之一波片中，并且发生四分之一波相移以提供左圆偏振分量632。

延迟片328B的四分之一波片为透射光线623提供相反的相移，使得光由偏振器218透射并且在视角控制元件360A或空间光调制器48中被吸收。

对于输出光线400，交叉的延迟片326B、328B也能彼此抵消，从而有利地实现高输出效率。

如环境光线625所示，在四分之一波片延迟片326B到气隙619B的界面处的一些光发生菲涅耳反射，在此处光发生相移，从而提供右圆偏振分量634，该右圆偏振分量入射到四分之一波片延迟片328B上并且被转换成线性偏振分量636，该线性偏振分量在正交于分量630的反射偏振器302处被反射。该偏振分量发生相移以输出入射到延迟片326B的四分之一波片上的右圆偏振分量638，该右圆偏振分量被相移成由显示偏振器218消除的线性偏振状态640。

另外，如环境光线627所示，来自延迟片328B的波片的界面的菲涅耳反射以类似方式在显示偏振器218处被吸收。

有利地，可提供具有高同轴对比度和低离轴对比度的显示器，同时提供气隙以增加产率并且降低组装成本和复杂性。延迟随极角的角度变化很小，使得视角控制元件360A、360B可具有弯曲形状，同时保持具有高对比度的图像。

返回图3A至图3B，四分之一波片326A、328A的操作类似于其在图17的操作，不同的是省略了反射偏振器302并且四分之一波延迟片326A、326B的操作可与延迟片300A的操作组合。有利地，可实现具有高同轴对比度和低离轴亮度的显示器，同时提供气隙以增加产率并且降低组装成本和复杂性。

图18A是以透视侧视图示出包括空间光调制器和单个视角控制元件的防窥显示设备的示意图；并且图18B是以展开视图示出图18A的偏振器和延迟片的布置的示意图。未进一步详细讨论的图18至图19的实施方案的特征结构可被假定为对应于具有如上所讨论的等效附图标号的特征结构，包括特征结构中的任何潜在变化。

与图3A至图3B的布置相比，图18至图19包括单个视角控制元件360而不是图16的独立元件360A、360B。

光转向膜926包括棱镜层，该棱镜层具有被布置在棱镜层支撑基底929上的棱镜表面927，该棱镜层支撑基底被布置在光波导1和空间光调制器之间以接收来自光波导1的输出光并且引导该输出光穿过空间光调制器48。

棱镜层被布置在光波导1和棱镜层支撑基底之间。

通过比较，在例如如在图4中示出的具有宽亮度视场的空间光调制器48和任选的背光源20的布置中，单个元件360可在防窥操作模式下为离轴观察方向提供相对高的亮度。这种高亮度将提供防范离轴窥探者27的不期望的低视觉安全性。光转向膜926被布置成使得细长棱镜表面927被布置在背光源20的棱镜层支撑基底929和波导1之间。有利地，可提供针对离轴观察位置具有低亮度的光锥，如下文将进一步描述的。

期望减小提供给离轴窥探者27的亮度。

此外，背光源20可为定向背光源，该定向背光源以与空间光调制器的法线成大于45度的极角提供亮度，该亮度为沿着空间光调制器的法线的亮度的至多30％，优选地为沿着空间光调制器的法线的亮度的至多20％，并且更优选地为沿着空间光调制器的法线的亮度的至多10％。

与图3A的布置相比，在图18A的例示性实施方案中，与空间光调制器的法线成大于45度的极角处的亮度可为至多18％。此类背光源20可通过例如准直波导1来提供，该准直波导设置有表面提取特征结构，该表面提取特征结构以接近掠入射的角度从波导表面进行提取并且具有窄横向角度。此类已知的准直波导1可包括透镜状表面和棱镜提取特征结构。

期望通过来自空间光调制器48的定向照明来提供离轴亮度的进一步减小。现在将描述定向背光源20对空间光调制器48的定向照明。

图19A是以前透视图示出定向背光源20的示意图，并且图19B是以前透视图示出非定向背光源20的示意图，它们中的任一者可应用于本文所述的任何装置中。因此如图19A所示的定向背光源20提供窄锥450，而如图19B所示的非定向背光源20提供光输出光线的广角分布锥452。

图19C是示出各种不同背光源布置下亮度随横向视角的变化的示意曲线图。图19C的曲线图可为穿过本文所述的极视场分布的横截面。

朗伯型背光源具有与视角无关的亮度分布846。

典型广角背光源在更高角度具有衰减844，使得相对亮度的半高全宽866可大于40度，优选地大于60度，并且最优选地大于80度。此外，+/-45度的相对亮度864优选地大于7.5％，更优选地大于10％，并且最优选地大于20％。

相比之下，定向背光源20在更高角度具有衰减，使得相对亮度的半高全宽862可小于60度，优选地小于40度，并且最优选地小于20度。此外，背光源20能够以与空间光调制器48的法线成大于45度的极角提供亮度868，该亮度为沿着空间光调制器48的法线的亮度的至多33％，优选地为沿着空间光调制器48的法线的亮度的至多20％，并且最优选地为沿着空间光调制器48的法线的亮度的至多10％。

当可切换延迟片300布置在输入显示偏振器210与附加偏振器318之间时，空间光调制器48中的散射和衍射可使防窥模式操作劣化。与可切换延迟片300布置在输入显示偏振器210与附加偏振器318之间的布置相比，在可切换延迟片300布置在输出显示偏振器218与附加偏振器318之间的布置中，可增加与空间光调制器的法线成大于45度的极角下的亮度。

有利地，对于图18A的布置，可实现更低的离轴亮度。

图19D是以侧视图示出包括可切换液晶延迟片300和背光源20的可切换定向显示设备100的示意图。图19D的背光源20可应用于本文所述的任何装置中，并且其包括由光源阵列15透过输入端2照明的成像波导1。图19E是以后透视图示出图19D的成像波导1在窄角操作模式下的操作的示意图。

成像波导1为美国专利号9519153所述的类型，该专利全文以引用方式并入本文。波导1具有输入端2，该输入端沿着波导1在横向方向上延伸。光源阵列15沿着输入端2设置并且将光输入到波导1中。

波导1还具有相对的第一引导表面6和第二引导表面8，它们跨波导1从输入端2延伸到反射端4以便将输入端2处输入的光沿着波导1向前和向后引导。第二引导表面8具有面向反射端4的多个光提取特征结构12，并且被布置成使穿过波导1从反射端4引导回的光的至少一些在不同方向上从跨输入端2的不同输入位置偏转穿过第一引导表面6，该不同方向取决于输入位置。

在操作中，光线从光源阵列15被引导穿过输入端，并且在第一引导表面和第二引导表面6,8之间引导而对于反射端4无损失。反射的光线入射到小平面12上并且通过反射作为光线230输出或作为光线232透射。透射的光线232由后反射器800的小平面803,805往回引导穿过波导1。后反射器的操作在美国专利号10054732中进一步描述，该专利全文以引用方式并入本文。

如图19E所示，弯曲反射端4和小平面12的光焦度提供光学窗26，该光学窗透射穿过空间光调制器48并且具有通常与波导1的光轴199对准的轴197。类似的光学窗26由后反射器800所反射的透射光线232提供。

图19F是示出在没有可切换液晶延迟片的显示设备中使用时图19E的输出的视场亮度图的示意曲线图。

因此对于离轴观察而言，窥探者47所观察到的位置可具有减小的亮度，例如在0度仰角和+/-45度横向角度下介于中心峰值亮度的1％与3％之间。通过本发明实施方案的多个延迟片301,330来实现离轴亮度的进一步减小。

现在将描述具有低离轴亮度的另一种类型的定向背光源。

图19G是以侧视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括具有可切换准直波导901的背光源20，以及可切换液晶延迟片300和附加偏振器318。图19G的背光源20可应用于本文所述的任何装置中并且按如下方式布置。

波导901具有输入端902，该输入端沿着波导901在横向方向上延伸。光源阵列915沿着输入端902设置并且将光输入到波导1中。波导901还具有相对的第一引导表面和第二引导表面906,908，它们跨波导1从输入端2延伸到反射端4以便将输入端2处输入的光沿着波导1向前和向后引导。在操作中，光在第一引导表面906和第二引导表面908之间被引导。

第一引导表面906可设置有包括多个细长透镜状元件905的透镜状结构904，并且第二引导表面908可设置有倾斜并充当光提取特征结构的棱镜状结构912。透镜状结构904的多个细长透镜状元件905及多个倾斜光提取特征结构使被引导穿过波导901的输入光偏转以穿过第一引导表面906离开。

提供了可为平面反射器的后反射器903，以使透射穿过表面908的光往回引导穿过波导901。

入射在棱镜状结构912及透镜状结构904的透镜状元件905上的输出光线以接近表面906的掠入射的角度输出。包括小平面927的棱镜状转向膜926被布置成通过全内反射重新引导输出光线234穿过空间光调制器48和补偿可切换液晶延迟片300。

图19H是以顶视图示出准直波导901的输出的示意图。棱镜状结构912被布置成以一定入射角将光提供在透镜状结构904上，这些入射角低于临界角，因此光可逃逸。在入射在透镜状表面的边缘处时，该表面的倾斜度提供了使光线逃逸的光偏转并且提供了准直效果。在入射在准直波导901的透镜状结构904的位置185上时，可由光线188a-c和光线189a-c提供光线234。

图19I是示出图19G的显示设备的等亮度视场极坐标图的示意曲线图。因此可提供窄输出光锥，其尺寸由结构904,912和转向膜926确定。

有利地，在窥探者可能以例如45度或更大的横向角度定位的区域中，来自显示器的输出的亮度较小，通常小于2％。期望实现输出亮度的进一步减小。此类进一步减小由如在图19G中示出的补偿可切换液晶延迟片300和附加偏振器318提供。有利地，可在宽视场内提供具有低离轴亮度的高性能防窥显示器。

对于典型窥探者47位置而言，定向背光源(诸如图19D和图19G所述的类型)可与本发明实施方案的该多个延迟片301、330一起实现小于1.5％、优选地小于0.75％并且最优选地小于0.5％的离轴亮度。此外，可为主要用户45提供高同轴亮度和均匀度。有利地，可在宽视场内提供具有低离轴亮度的高性能防窥显示器，可借助于图18A所示的控制系统352通过控制可切换延迟片301来使该高性能防窥显示器切换到广角模式。

上述实施方案的波导1可弯曲以实现弯曲背光源20。在包括弯曲凹面背光源20的实施方案中，例如，如在图5中示出的弯曲视角控制实施方案所示，可在图像均匀度和视觉安全性水平方面获得类似的改善。

可期望提供具有弯曲视角控制元件360的移动显示装置。

图20是以顶视图示出显示设备的示意图，该显示设备包括处于显示器操作布置的平面空间光调制器、背光源和弯曲视角控制元件；并且图21是以顶视图示出显示设备的示意图，该显示设备包括处于折叠布置的平面空间光调制器、背光源和可弯曲视角控制元件。这种布置可应用于可折叠装置，诸如例如膝上型电脑。在如图20中示出的操作模式下，柔性构件600延伸，同时视角控制元件360的中心保持紧邻空间光调制器48。在如图21中示出的运输模式下，构件600可回缩，并且元件360可折平到例如笔记本电脑装置的键盘602。有利地，紧凑型显示器可在操作模式下向正面用户提供增加的均匀度，并且可在运输模式下以薄封装提供。

现在将进一步描述用于离轴照明的平行偏振器之间的延迟片层的操作。在上述各种装置中，至少一个延迟片以各种不同的配置布置在反射偏振器318和附加偏振器218之间。在每种情况下，至少一个延迟片被配置为使得它不影响沿着顺着延迟片的平面的法线的轴穿过反射偏振器318、至少一个延迟片和附加偏振器218的光的亮度，但至少在补偿可切换延迟片300的可切换状态中的一者下，它会减小沿着倾斜于延迟片的平面的法线的轴穿过反射偏振器318、至少一个延迟片和附加偏振器218的光的亮度。现在将更详细地给出该效果的描述，其原理一般可应用于上述所有装置。

图22A是以透视图示出离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度的光轴方向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。在y-z平面中的光线637具有增加的路径长度；然而，材料的双折射与光线636基本相同。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101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22B是以透视图示出与x轴成90度的第三线性偏振态的离轴光对延迟层的照明的示意图，并且图22C是以透视图示出与x轴成0度的第四线性偏振态的离轴光对延迟层的照明的示意图。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。因此，延迟片630不将相移引入至由延迟片630的输入侧上的偏振器沿着顺着延迟片630的平面的法线的轴线传递的光的偏振分量。因此，延迟片630不影响穿过延迟片630及延迟片630的每一侧上的偏振器(未示出)的光的亮度。虽然图29A至图29C具体地涉及无源的延迟片630，但由上述装置中的延迟片实现了类似效果。

图22D是以透视图示出处于45度的线性偏振态的离轴光对延迟片630层的照明的示意图。线性偏振态可被分解成分别正交于并平行于光轴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。因此，延迟片630将相移引入至由延迟片630的输入侧上的偏振器沿着与倾斜于延迟片630的平面的法线的光线638相对应的轴线传递的光的偏振分量。虽然图29D涉及无源的延迟片630，但由上述延迟片在与防窥模式相对应的可切换液晶延迟片的可切换状态下实现了类似效果。

为了示出延迟片叠堆的离轴行为，现在将参照平行偏振器500、210之间的C板的操作，针对各种离轴照明布置来描述附加偏振器318与输出显示偏振器218之间的C板308A、308B的角亮度控制。

图23A是以透视图示出具有正仰角的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。入射线性偏振分量704在垂直于延迟片560(其为C板)的平面的光轴方向上507入射到延迟片560的双折射材料632上。偏振分量704在通过液晶分子传输时看不到净相位差，因此输出偏振分量与分量704相同。因此，通过偏振器210可看到最大传输。因此，延迟片560具有垂直于延迟片560的平面即x-y平面的光轴561。具有垂直于延迟片平面的光轴的延迟片560包括C板。

图23B是以透视图示出具有负横向角度的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。与图23A的布置一样，偏振态704没有净相位差，并且以最大亮度透射。因此，延迟片560不将相移引入至由延迟片560的输入侧上的偏振器沿着顺着延迟片560的平面的法线的轴线传递的光的偏振分量。因此，延迟片560不影响穿过延迟片560及延迟片560的每一侧上的偏振器(未示出)的光的亮度。虽然图29A至图29C具体地涉及无源的延迟片560，但由上述装置中的延迟片实现了类似效果。

图23C是以透视图示出具有正仰角和负横向角度的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。与图23A至图23B的布置相比，偏振态704相对于双折射材料632分解为本征态703、705，从而在透射穿过延迟片560时提供净相位差。与在图23A至图23B中示出的光线相比，所得椭圆偏振分量656以减小的亮度透射穿过偏振器210。

图23D是以透视图示出具有正仰角和正横向角度的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。以与图23C类似的方式，偏振分量704被分解成经历净相位差的本征态703、705，并且提供了椭圆偏振分量660，该椭圆偏振分量在透射穿过偏振器之后减小了相应的离轴光线的亮度。因此，延迟片560将相移引入至由延迟片560的输入侧上的偏振器沿着倾斜于延迟片560的平面的法线的轴线传递的光的偏振分量。虽然图29D涉及无源的延迟片560，但由上述延迟片在与防窥模式相对应的可切换液晶延迟片的可切换状态下实现了类似效果。

图24是示出图23A至图23D中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的示意曲线图。因此，C板可在极象限中提供亮度减小。与本文其他地方所述的可切换液晶延迟层314相结合，(i)可在第一广角操作状态下提供C板的亮度减小的消除，(ii)可在第二防窥操作状态下实现亮度减小的扩展极区。

为了示出延迟片叠堆的离轴行为，现在将针对各种离轴照明布置来描述附加偏振器318和输出显示偏振器218之间的交叉的A板308A、308B的角亮度控制。

图25A是以透视图示出具有正仰角的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图。具有电矢量传输方向219的线性偏振器218用于在交叉的A板308A、308B的第一A板308A上提供与横向方向平行的线性偏振态704。光轴方向309A相对于横向方向倾斜+45度。延迟片308A在正仰角方向上对于离轴角θ₁的延迟提供了所得偏振分量650，其在输出时通常是椭圆形的。偏振分量650入射到交叉的A板308A、308B中的第二A板308B上，该第二A板具有与第一A板308A的光轴方向309A正交的光轴方向309B。在图25A的入射平面中，第二A板308B对离轴角θ₁的延迟等于第一A板308A的延迟并且与之相反。因此，为入射偏振分量704提供净零延迟，并且输出偏振分量与输入偏振分量704相同。

输出偏振分量与附加偏振器318的电矢量传输方向对准，从而被有效地透射。有利地，对具有零横向角度角分量的光线基本上不提供损耗，以便实现完全透射效率。

图25B是以透视图示出具有负横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图。因此，输入偏振分量被第一A板308A转换为通常为椭圆偏振态的中间偏振分量652。第二A板308B再次提供与第一A板大小相等、方向相反的延迟，使得输出偏振分量与输入偏振分量704相同，并且光有效地透射穿过偏振器318。

因此，该延迟片包括一对延迟片308A、308B，该对延迟片具有在延迟片308A,308B的平面中交叉的光轴，在本发明的实施方案中，该平面为x-y平面。该对延迟片308A、308B具有各自相对于与偏振器318的电矢量传输平行的电矢量传输方向成45度延伸的光轴309A、309B。

有利地，对具有零仰角分量的光线基本上不提供损耗，以便实现完全透射效率。

图25C是以透视图示出具有正仰角和负横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图。偏振分量704被第一A板308A转换为椭圆偏振分量654。所得椭圆分量656从第二A板308B输出。与第一偏振分量704的输入亮度相比，输入偏振器318以减小的亮度对椭圆分量656进行分析。

图25D是以透视图示出具有正仰角和正横向角度的离轴偏振光对交叉的A板延迟层的照明的示意图。由第一A板308A和第二A板308B提供偏振分量658和660，因为第一延迟片和第二延迟片的净延迟不提供补偿。

因此，对于非零横向角度和非零仰角分量的光线，亮度减小。有利地，可增加布置在观察象限中的窥探者的显示防窥性，而基本上不降低主要显示用户的发光效率。

图26是示出图25A至图25D中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的示意曲线图。与图24的布置相比，针对离轴观察增加了亮度减小的区域。然而，针对第一广角模式操作状态下的离轴观察，可切换液晶延迟层301可提供与C板布置相比降低的均匀度。

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方案，但应理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非进行限制。因此，本公开的广度和范围不应受到上述任何示例性实施方案的限制，而应该仅根据本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施方案中提供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方案。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方案而言是现有技术。“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方案的表征。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方案，并且此类权利要求因此限定由其保护的一个或多个实施方案及其等同物。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

1.一种显示设备，包括：

至少一个空间光调制器，所述至少一个空间光调制器被布置成在输出侧上输出光；

显示偏振器，所述显示偏振器被布置在所述至少一个空间光调制器中的每个空间光调制器的一侧上；和

视角控制元件，所述视角控制元件被布置在所述至少一个空间光调制器的与所述至少一个空间光调制器的所述显示偏振器相同的一侧上，

其中

所述视角控制元件包括：

附加偏振器；和

至少一个延迟片，所述至少一个延迟片被布置在所述附加偏振器和所述至少一个空间光调制器的所述显示偏振器之间，

所述至少一个延迟片能够同时不将净相对相移引入至由所述显示偏振器沿着顺着所述至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由所述显示偏振器沿着倾斜于所述至少一个延迟片的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且

当从所述输出侧观察时，所述视角控制元件以凹曲率弯曲。

2.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述视角控制元件在第一方向上是弯曲的并且在正交于所述第一方向的第二方向上是线性的。

3.根据权利要求2所述的显示设备，其中所述显示设备具有长轴和短轴，并且所述第一方向是所述长轴的方向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中当从所述输出侧观察时，所述至少一个空间光调制器以凹曲率弯曲。

5.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，所述显示设备包括至少两个空间光调制器，其中所述空间光调制器是平铺的。

6.根据权利要求5所述的显示设备，其中所述空间光调制器中的至少两个空间光调制器在至少所述第一方向上相对于彼此倾斜。

7.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，所述显示设备包括至少两个视角控制元件，其中所述至少两个视角控制元件串联布置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个视角控制元件在所述第一方向上的所述曲率不同于所述至少一个空间光调制器在所述第一方向上的所述曲率。

9.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中所述视角控制元件的所述曲率大于所述至少一个空间光调制器的所述曲率。

10.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，所述显示设备还包括另外的附加偏振器和至少一个另外的延迟片，所述另外的附加偏振器被布置在所述空间光调制器的所述输出侧上，所述至少一个另外的延迟片被布置在所述至少一个另外的附加偏振器和所述输出偏振器之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个空间光调制器包括被布置成输出光的发射空间光调制器，并且所述显示偏振器是被布置在所述发射空间光调制器的所述输出侧上的输出显示偏振器，所述显示偏振器是被布置在所述空间光调制器的所述输出侧上的输出偏振器，并且所述至少一个视角控制元件被布置在所述至少一个空间光调制器的所述输出侧上。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个空间光调制器是透射空间光调制器，并且所述显示设备还包括被布置成照明所述至少一个空间光调制器的至少一个背光源。

13.根据权利要求12所述的显示设备，其中当从所述输出侧观察时，所述至少一个背光源以凹曲率弯曲。

14.根据权利要求12或13所述的显示设备，其中所述背光源包括光波导和光源阵列，所述光波导被布置成接收来自所述光源阵列的光。

15.根据权利要求14所述的显示设备，其中包括被布置在棱镜层支撑基底上的棱镜层的光转向膜被布置在所述光波导和所述空间光调制器之间以接收来自所述光波导的输出光并且引导所述输出光穿过所述空间光调制器。

16.根据权利要求15所述的显示设备，其中所述棱镜层被布置在所述光波导和所述棱镜层支撑基底之间。

17.根据权利要求15或16所述的显示设备，其中所述棱镜层支撑基底被布置在所述光波导和所述棱镜层之间。

18.根据权利要求17所述的显示设备，所述显示设备还包括另外的光转向膜，其中

所述转向膜和所述另外的转向膜上的棱镜表面是细长的，并且

所述转向膜和所述另外的转向膜的所述细长棱镜表面的取向是交叉的。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的显示设备，其中所述背光源以与所述空间光调制器的法线成大于45度的极角提供亮度，所述亮度为沿着所述空间光调制器的所述法线的亮度的至多33％，优选地为沿着所述空间光调制器的所述法线的亮度的至多20％，并且最优选地为沿着所述空间光调制器的所述法线的亮度的至多10％。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个空间光调制器包括多个空间光调制器，并且所述至少一个背光源包括被布置成照明每个空间光调制器的相应背光源。

21.根据权利要求12至19中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个空间光调制器包括多个空间光调制器，所述空间光调制器中的至少两个空间光调制器由单个背光源照明。

22.根据权利要求12至21中任一项所述的显示设备，其中所述显示偏振器为被布置在所述空间光调制器的所述输入侧上的输入偏振器，并且所述至少一个视角控制元件被布置在所述至少一个空间光调制器的在所述至少一个空间光调制器和所述至少一个背光源之间的所述输入侧上。

23.根据权利要求22所述的显示设备，所述显示设备还包括：

另外的显示偏振器，所述另外的显示偏振器是被布置在所述空间光调制器的所述输出侧上的输出偏振器，

另外的附加偏振器，所述另外的附加偏振器被布置在所述空间光调制器的所述输出侧上；和

至少一个另外的延迟片，所述至少一个另外的延迟片被布置在所述至少一个另外的附加偏振器和所述另外的显示偏振器之间。

24.根据权利要求1至22中任一项所述的显示设备，其中所述显示偏振器为被布置在所述空间光调制器的所述输出侧上的输出偏振器，并且所述至少一个视角控制元件被布置在所述至少一个空间光调制器的所述输出侧上以接收来自所述空间光调制器的输出光。

25.根据权利要求24所述的显示设备，其中反射偏振器被布置在所述显示偏振器和所述附加偏振器之间。

26.根据权利要求24或25所述的显示设备，其中

气隙被布置在所述显示偏振器和所述附加偏振器之间；

所述至少一个延迟片包括：

气隙输入延迟片，所述气隙输入延迟片包括被布置在所述显示偏振器和所述气隙之间的至少一个延迟片；和

气隙输出延迟片，所述气隙输出延迟片包括被布置在所述气隙和所述附加偏振器之间的至少一个延迟片，所述气隙输入延迟片被布置成提供相移，以在所述气隙中提供由所述显示偏振器沿着顺着所述气隙输入延迟片的平面的法线的轴传递的光的圆偏振光分量，并且

所述至少一个延迟片能够同时不将净相对相移引入至由所述显示偏振器沿着顺着所述至少一个延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将净相对相移引入至由所述显示偏振器沿着倾斜于所述至少一个延迟片的所述平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的显示设备，所述显示设备还包括至少一个另外的延迟片和另外的附加偏振器，其中所述另外的附加偏振器被布置在最初提到的附加偏振器的输出侧上，并且所述至少一个另外的延迟片被布置在最初提到的附加偏振器和所述另外的附加偏振器之间。

28.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中所述显示偏振器和所述至少一个附加偏振器具有平行的电矢量传输方向。

29.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中所述至少一个延迟片包括可切换液晶延迟片。

30.一种用于应用于显示设备的视角控制光学元件，所述显示设备包括空间光调制器和被布置在所述空间光调制器的一侧上的显示偏振器，所述视角控制光学元件包括：

附加偏振器；和

其中

当从所述输出侧观察时，所述视角控制元件以凹曲率弯曲。

31.根据权利要求30所述的视角控制光学元件，所述视角控制光学元件还包括至少一个另外的延迟片和另外的附加偏振器，其中所述另外的附加偏振器被布置在最初提到的附加偏振器的输出侧上，并且所述至少一个另外的延迟片被布置在最初提到的附加偏振器和所述另外的附加偏振器之间。