CN113646695B - 用于防窥显示器的漫射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防窥显示器，该防窥显示器包括偏振输出空间光调制器、反射偏振器、多个极性控制延迟片，和偏振器。双折射表面起伏漫射器结构被布置成以高透明度透射来自该显示器的光，并且向正面显示器用户提供环境光的漫反射。在防窥操作模式下，来自该空间光调制器的同轴光无损耗而且低漫射地被引导，而离轴光具有减小的亮度和增加的漫射。另外，对于环境光的同轴反射，总体显示器反射率降低，而对于离轴光，反射率增加。通过减小亮度、增加正面反射率和环境光的漫射来减小该显示器对离轴窥探者的可见度。在公共操作模式下，调节液晶延迟，使得离轴亮度和反射率不变。

Description

用于防窥显示器的漫射器
技术领域
本公开整体涉及来自光调制设备的照明，并且更具体地讲，涉及用于包括防窥显示器在内的显示器的漫射光学叠堆。
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，因此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。
可通过亮度减小(例如通过液晶显示器(LCD)空间光调制器的可切换背光源)来提供控制。显示器背光源通常采用波导和沿着该波导的至少一个输入边缘布置的光源。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。
还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。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于环境照明的显示设备，该显示设备包括：空间光调制器，该空间光调制器被布置成输出光；输出偏振器，该输出偏振器布置在空间光调制器的输出侧上，该输出偏振器是具有电矢量传输方向的线性偏振器；和输出漫射器结构，该输出漫射器结构布置在输出偏振器的输出侧上，该输出漫射器结构包括布置在输出偏振器的输出侧上的第一结构化输出层和第二结构化输出层，第一结构化输出层在第二结构化输出层的输出侧上并且在该输出侧上具有输出表面，并且第一结构化输出层和第二结构化输出层包括其间具有界面表面的第一透明材料和第二透明材料，第一透明材料和第二透明材料中的至少一者是具有光轴的双折射材料，该光轴平行于或正交于该输出偏振器的电矢量传输方向对准，其中：第一结构化输出层的输出表面具有第一表面起伏轮廓；界面表面具有第二表面起伏轮廓；第一表面起伏轮廓和第二表面起伏轮廓具有相同的、配向的形状，但沿着垂直于输出偏振器的平面的轴的幅度具有相对比例，使得第一表面起伏轮廓的幅度小于第二表面起伏轮廓的幅度；对于来自输出偏振器的输出光，第一透明材料的折射率大于第二透明材料的折射率，所述相对比例和第一透明材料与第二透明材料的所述折射率被选择为使得输出漫射器结构不引入由输出偏振器沿着顺着该输出偏振器的平面的法线的轴传递的光线的净角度偏转。
有利地，显示设备可被布置成提供环境光的漫反射，并且同时基本上不提供由漫射器透射的光对于同轴观察者而言的漫射。可提高对于显示器用户的图像保真度，同时可改善分散人注意力的镜面反射的可见度。漫射器可具有高效率并且以薄层形式提供。在不降低图像保真度的情况下，可增加像素平面与显示器前部之间的部件的厚度。可将用于防窥显示器和触摸屏部件的极性亮度和反射率控制部件添加到显示器的前部以有利地增加功能性，而不会损失图像保真度并且不存在镜面反射的可见度。
有利地，可增加前表面菲涅耳反射，从而降低镜面反射的可见度。可方便地在第一透明材料和第二透明材料之间提供期望的折射率差值。可通过模糊由离轴窥探者离轴观察的图像像素的外观以增加用于该图像像素的漫射锥角尺寸，从而实现视觉安全性水平的提高。
至少一种双折射材料可以是固化的液晶材料。有利地，固体层可具有低厚度。
第二结构化输出层可在输入侧上具有平坦的输入表面。有利地，降低了成本和复杂性。
至少一个极性漫射控制延迟片可布置在输出偏振器和输出漫射器结构之间，其中该至少一个极性漫射控制延迟片可能够同时不将净相对相移引入至由输出偏振器沿着顺着至少一个极性漫射控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由输出偏振器沿着倾斜于至少一个极性漫射控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。有利地，可增加针对离轴观察的漫射，以实现提高的视觉安全性水平。同轴观察者可保持获得高保真度的图像。
至少一个极性漫射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，其中在该可切换液晶延迟片的可切换状态下，该至少一个极性漫射控制延迟片可被布置成同时不将净相对相移引入至由输出偏振器沿着顺着至少一个极性漫射控制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输出偏振器沿着倾斜于至少一个极性漫射控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。可减少透射光的离轴漫射以用于在公共模式下观察，使得可向离轴用户提供高图像可见度。在防窥操作模式下，该显示器对于主要同轴用户可具有高图像可见度，并且窥探者看到的图像可具有增加的漫射和降低的图像保真度，从而实现提高的视觉安全性水平。
空间光调制器具有布置在该空间光调制器的输出侧上的显示偏振器；输出偏振器是布置在空间光调制器的输出侧上的附加偏振器以作为显示偏振器，该附加偏振器是线性偏振器；并且该显示设备还包括布置在附加偏振器和显示偏振器之间的多个延迟片。多个延迟片包括：经布置的至少一个极性相位控制延迟片，该经布置的至少一个极性相位控制延迟片能够同时不将净相对相移引入至由显示偏振器沿着顺着该至少一个极性相位控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由反射偏振器沿着倾斜于至少一个极性相位控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。可减小对于窥探者的离轴亮度，同时针对同轴显示器用户保持高亮度。离轴亮度减小可与输出漫射器结构的离轴漫射增加配合。有利地，在防窥显示器中，针对窥探者提高视觉安全性水平，同时向同轴用户提供高图像可见度。
该显示设备还可包括布置在显示偏振器和至少一个极性相位控制延迟片之间的反射偏振器，该反射偏振器是线性偏振器。在防窥显示器中，可增加离轴反射率，而同轴反射率基本上恒定。有利地，提高了视觉安全性水平。
至少一个极性相位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，其中在该可切换液晶延迟片的可切换状态下，至少一个极性相位控制延迟片可被布置成同时不将净相对相移引入至由反射偏振器沿着顺着该至少一个极性相位控制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反射偏振器沿着倾斜于该至少一个极性相位控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。有利地，该显示器可在公共模式与防窥模式之间切换，在公共模式下，该显示器在宽视角上具有高图像可见度，在防窥模式下，该显示器对于同轴用户具有高图像可见度并且对于离轴窥视者具有高视觉安全性水平。
输出漫射器结构可布置在距像素平面更远的距离处。对于同轴观察位置，漫射器对图像保真度基本上没有影响，而对于离轴观察位置，有利地通过增加间距而进一步降低图像保真度，以改善针对窥探者的离轴防窥性能。
输出偏振器可以是空间光调制器的显示偏振器。可减小输出漫射器结构与空间光调制器的像素之间的间距。有利地，可增加图像保真度并且降低图像复杂性。
所述相对比例、第一透明材料与第二透明材料的所述折射率以及第一结构化输出层的厚度可被选择为使得输出漫射器结构还将净角度偏转引入至由输出偏振器沿着倾斜于该输出偏振器的平面的法线的轴传递的光线。可增加离轴观察位置的漫射。可针对离轴观察者降低图像保真度，同时向同轴观察者提供高保真度。可有利地降低图像对离轴窥探者的可见度。
该显示设备还可包括：背光源，该背光源被布置成输出光；空间光调制器，该空间光调制器是被布置成接收来自背光源的输出光的透射式空间光调制器，其中该背光源可以与该空间光调制器的法线成大于45度的极角提供亮度，该亮度为沿着该空间光调制器的法线的亮度的至多30％，优选地为沿着该空间光调制器的法线的亮度的至多20％，并且最优选地为沿着该空间光调制器的法线的亮度的至多10％。针对窥探者观察位置减小离轴亮度。有利地，可进一步提高视觉安全性水平并且减小厚度。
本公开的实施方案可用于各种光学系统中。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/或光学设备。实际上，本公开的方面可以几乎跟与光学和电气设备、光学系统、演示系统有关的任何装置，或者可包括任何类型的光学系统的任何装置一起使用。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设备、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方案之前，应当理解，本公开并不将其应用或形成限于所示的具体布置的细节，因为本公开能够采用其他实施方案。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。
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
实施方案通过示例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号指示类似的部件，并且其中：
图1A是以侧透视图示出用于环境照明的可切换防窥显示器的示意图，该可切换防窥显示器包括透射式空间光调制器、反射偏振器、补偿可切换延迟片和双折射漫射器结构；
图1B是以前视图示出图1A的光学叠堆中的光学层的配向的示意图；
图2是以前透视图示出图1A至图1B的显示器在防窥操作模式下的外观的示意图；
图3是以侧透视图示出包括发射空间光调制器和双折射漫射器结构的用于环境照明的高分辨率显示器的示意图；
图4A是以侧视图示出输出漫射器结构的结构的示意图；
图4B是以侧视图示出在输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图；
图5A是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图；
图5B是示出在双折射层中线性偏振光线的折射率相对于入射角的变化的曲线图；
图5C是以侧视图示出在双折射漫射器结构中的反射光的传播的示意图；
图5D是示出可切换防窥显示器和漫射器结构的反射率随视角的变化的曲线图；
图6A是以前透视图示出显示器用户对来自显示器的界面表面的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构；
图6B是以前透视图示出离轴窥探者对在公共模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构。
图6C是以前透视图示出离轴窥探者对在防窥模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构；
图7A是以前透视图示出显示器用户对来自显示器的界面表面的反射环境光的观察的示意图，其中该显示器包括非漫射前表面；
图7B是以前透视图示出离轴窥探者对在防窥模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，其中省略了漫射器结构；
图8A是以侧视图示出双折射漫射器结构的示意图，其中第二透明材料是双折射材料；
图8B是以侧视图示出双折射漫射器结构的示意图，该双折射漫射器结构还包括共形涂层；
图9A、图9B、图9C、图9D、图9E和图9F是以侧视图示出形成漫射器结构的方法的示意图；
图10是示出用于不同收缩以实现期望的前表面漫射的期望的第一透明层折射率和第二透明层折射率的变化的曲线图；
图11A是以侧透视图示出包括极性漫射控制延迟片的输出漫射器结构的示意图，该极性漫射控制延迟片包括在正交于显示偏振器电矢量传输方向的平面中倾斜的负O板以及负C板，并且被布置成提供显示设备的视场漫射修改；
图11B是示出如果偏振器被布置成分析来自输出漫射器结构的输出光，则图11A的无源延迟片中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的曲线图；
图11C是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图，该双折射输出漫射器结构包括图11A的极性漫射控制延迟片；
图12A是以透视侧视图示出可切换极性漫射控制延迟片在防窥模式下的布置的示意图，该可切换极性漫射控制延迟片包括交叉的A板无源延迟片和水平配向的可切换LC延迟片；
图12B是示出如果偏振器被布置成分析来自输出漫射器结构的光的输出，则在防窥操作模式下，图11A的无源延迟片中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的曲线图；
图12C是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图，该双折射输出漫射器结构包括图12A的极性漫射控制延迟片；
图12D是以前透视图示出离轴显示器用户对在公共操作模式下图1A至图1B的显示器和图12A的漫射器元件的反射环境光的观察的示意图；
图13A是以透视侧视图示出在公共模式下可切换延迟片的布置的示意图，其中该可切换延迟片包括具有水平配向的可切换LC层和负C板极性控制延迟片；
图13B是示出在防窥模式下图13A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的曲线图；
图13C是示出在防窥模式下图13A中的反射光线的反射率随极方向的变化的曲线图；
图13D是示出在公共模式下图13A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的曲线图；
图13E是示出在公共模式下图13A中的反射光线的反射率随极方向的变化的曲线图；
图14A是以侧视图示出在防窥模式下来自空间光调制器的输出光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；
图14B是示出图4A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的曲线图；
图15A是以顶视图示出在防窥模式下环境照明光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；
图15B是示出图5A中的反射光线的反射率随极方向的变化的曲线图；
图16A是以侧视图示出在公共模式下来自空间光调制器的输出光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；
图16B是示出图16A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的曲线图；
图17A是以顶视图示出在公共模式下环境照明光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；
图17B是示出图17A中的反射光线的反射率随极方向的变化的曲线图；
图18是以前透视图示出定向背光源的示意图；
图19是以前透视图示出非定向背光源的示意图；
图20是示出在不同视场下显示器的亮度随横向视角的变化的曲线图；
图21A是以侧视图示出包括成像波导和可切换LC延迟片的可切换定向显示装置的示意图；
图21B是以后透视图示出在窄角模式下成像波导的操作的示意图；
图21C是示出在没有可切换LC延迟片的显示装置中使用时图21B的输出的视场亮度图的曲线图；
图22A是以侧视图示出在防窥模式下可切换定向显示装置的示意图，该可切换定向显示装置包括可切换准直波导和可切换LC延迟片；
图22B是以顶视图示出准直波导的输出的示意图；
图22C是示出图22A的显示装置的等亮度视场极坐标图的曲线图；并且
图23是以侧透视图示出显示设备的另选构造的示意图。
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和570nm之间的设计波长λ0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。
延迟片在入射在其上的光波的两个正交偏振分量之间提供相对相移，其特征在于它赋予两个偏振分量的相对相位的量Γ。在一些语境中，使用术语“相移”而不使用词语“相对”，但仍然意指相对相移。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＝ne-no 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。
现在将描述光线穿过一对偏振器之间的透明延迟片的传播的一些方面。
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的线性偏振分量平行于该线性偏振器的电矢量传输方向，并且衰减具有不同SOP的光。
吸收偏振器是吸收入射光的一个偏振分量并且透射第二正交偏振分量的偏振器。吸收线性偏振器的示例为二向色性偏振器。
反射偏振器是反射入射光的一个偏振分量并且透射第二正交偏振分量的偏振器。作为线性偏振器的反射偏振器的示例为多层聚合物膜叠堆(诸如得自3M公司的DBEFTM或APFTM)或线栅偏振器(诸如得自Moxtek的ProFluxTM)。反射线性偏振器还可包括串联布置的胆甾型反射材料和四分之一波片。
被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，其中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，即具有正Δn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LCD中的液晶的配向，其中分子基本上平行于基底配向。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ne>no，如等式2所述。盘状分子具有负双折射，使得ne<no。
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8,237,876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
图像对比度C由至少由空间光调制器的像素提供的灰度级来确定，并且由于光学系统中的漫射，还由在相邻像素之间的混合而提供的灰度级来确定。增加像素和观察者之间的漫射可降低面板对比度。
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
则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，对于几乎所有视角，面板对比度C均高于100:1，使得视觉安全性水平近似于：
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＝(Imax–Imin)/(Imax+Imin) 等式9
得到：
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
用于例如防窥显示器的并且包括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装置在美国专利号10,126,575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装置在美国专利号10,303,030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。
现在将描述各种可切换显示设备的结构和操作。在本说明书中，公共元件具有共同的附图标记。应当注意，涉及任何元件的公开内容适用于其中提供了相同或对应元件的每个设备。因此，为了简洁起见，不重复此类公开内容。
图1A是以侧透视图示出用于提供入射光线407的环境光照明源406的显示设备100的光学叠堆的示意图；并且图1B是以前视图示出图1A的光学叠堆中的光学层的配向的示意图。
用于环境光照明源406的显示设备100包括被布置成输出光400的空间光调制器48；其中空间光调制器48包括布置在空间光调制器48的输出侧上的显示偏振器218，该显示偏振器218是线性偏振器。
附加偏振器318布置在显示偏振器218的输出侧上，该附加偏振器318是线性偏振器；和布置在显示偏振器218和附加偏振器318之间的反射偏振器302，该反射偏振器302是线性偏振器。典型偏振器210、218、318可以是诸如二向色性偏振器的偏振器。
在图1A的实施方案中，附加偏振器318是显示器的输出偏振器。
至少一个极性相位控制延迟片300布置在反射偏振器302和附加偏振器318之间。反射偏振器302的电矢量传输方向303平行于附加偏振器318的电矢量传输方向319。反射偏振器302的电矢量传输方向303平行于显示偏振器218的电矢量传输方向219。
因此，用于环境光照明源406的显示设备包括被布置成输出光400的空间光调制器48。在本公开中，空间光调制器48可包括液晶显示器，该液晶显示器包括作为空间光调制器48的输入偏振器的另外的显示偏振器210、具有基底212、216的显示偏振器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。有利地，可增加图像均匀度。
将参考下图18至图22C进一步描述用于防窥显示器的背光源20的结构和操作。在图1A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％。
显示器还可包括布置在背光源20和空间光调制器48之间的反射再循环偏振器208。布置在背光源20和输入显示偏振器210之间的反射再循环偏振器208不同于布置在显示偏振器218和附加偏振器318之间的反射偏振器302。反射再循环偏振器208提供来自背光源的偏振光的反射，该背光源具有与二向色性输入偏振器210的电矢量传输方向正交的偏振。反射再循环偏振器208不会将环境光照明源406反射到窥探者。
因此空间光调制器48包括布置在空间光调制器48的输出侧上的显示偏振器218。显示偏振器218可被布置成为来自空间光调制器48的像素220、222、224的光提供高消光率，并且防止从反射偏振器302朝向像素220、222、224的背反射。
极性相位控制延迟片300布置在反射偏振器302与附加偏振器318之间。在图1A至图1B的实施方案中，极性相位控制延迟片300包括无源极性相位控制延迟片330和可切换液晶延迟片301，但通常可替换为至少一个延迟片的其他构型，其存在于设备中的一些示例在下文中描述。
至少一个极性相位控制延迟片300能够同时不将净相对相移引入至由反射偏振器302沿着顺着至少一个极性相位控制延迟片300的平面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反射偏振器302沿着倾斜于至少一个极性相位控制延迟片300的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。极性相位控制延迟片300不影响沿着顺着极性相位控制延迟片300的平面的法线的轴穿过反射偏振器302、极性相位控制延迟片300和附加偏振器318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，极性相位控制延迟片300会减小沿着倾斜于极性相位控制延迟片300的平面的法线的轴穿过上述元件的光的亮度。
引起该效果的原理在以引用的方式全文并入本文的美国专利号10,303,030中更详细地描述，并且是由于极性相位控制延迟片300引入到沿着相对于极性相位控制延迟片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。
极性相位控制延迟片300包括可切换液晶延迟片301和布置在反射偏振器302和附加偏振器318之间的基底312、316，该可切换液晶延迟片包括液晶材料的层314。极性相位控制延迟片300还包括可切换液晶延迟片301，该可切换液晶延迟片包括液晶材料414的层314，其中在可切换液晶延迟片301的可切换状态下，该至少一个极性相位控制延迟片300被布置成同时不将净相对相移引入至由反射偏振器302沿着顺着至少一个极性相位控制延迟片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反射偏振器302沿着倾斜于至少一个极性相位控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
如图1B中所示，在空间光调制器48是液晶显示器的情况下，在输入偏振器210处的输入电矢量传输方向211提供可由液晶层214变换的输入偏振分量，以提供由显示偏振器218的电矢量传输方向219确定的输出偏振分量。
反射偏振器302的电矢量传输方向平行于显示偏振器218的电矢量传输方向。另外，反射偏振器302的电矢量传输方向303平行于附加偏振器318的电矢量传输方向319。
在下面的图13A至图13E中描述了多个延迟片300的例示性实施方案。可切换液晶延迟片301的基底312、316(在图1A中示出)包括被布置成跨液晶材料414的层314提供电压的电极413、415(在图13A中示出)。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301的电极上施加的电压。
极性相位控制延迟片300还包括如下文将进一步描述的无源极性相位控制延迟片330。至少一个极性相位控制延迟片300包括至少一个无源延迟片330，该至少一个无源延迟片被布置成不将净相对相移引入至由反射偏振器302沿着顺着该至少一个无源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反射偏振器302沿着倾斜于该至少一个无源延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
输出漫射器结构600布置在作为附加偏振器318的输出偏振器的输出侧处，该输出漫射器结构包括：布置在输出偏振器的输出侧上的第一结构化输出层608和第二结构化输出层610。在图1B的实施方案中，第一透明材料601是双折射材料并且具有平行于输出偏振器的电矢量传输方向对准的光轴650。输出漫射器结构600的结构和操作将在下文进一步描述。
下面将参考图14A至图17B描述反射偏振器302的操作。现在将描述当在防窥模式下操作时图1A至图1B的显示器的外观。
图2是以前透视图示出在防窥模式下操作的图1A的显示器100的外观的示意图，其中不同的观察位置的例示性亮度和反射率变化将参考图12B和图13B在下文描述。
九个透视图520、522、524、526、528、530、532、534和536中的每一个透视图对应于来自对应观察位置的视图。
上观察象限视图530、532、下观察象限视图534、536和横向观察位置视图526、528提供环境光照明源406的减小的亮度806和增加的反射805，而向上中心观察区域视图522/向下中心观察区域视图524和正面视图520提供高得多的亮度和反射805，从而提供低反射率区域，基本上看不见来自反射偏振器302的反射。
环境光照明源406的来自显示器前部的镜面反射可向显示器用户提供与图像内容冲突的不期望的分散人注意力的图像。期望提供对来自显示器前部的镜面反射的漫射，而不会降低对主要用户的图像可见度或针对离轴窥探者的视觉安全性水平。降低镜面反射的可见度的前表面漫射器可通过将光散射到高角度来降低视觉安全性水平，从而增加离轴亮度。
期望提供对正面反射的漫射，同时实现高图像分辨率。
图3是以侧透视图示出包括发射空间光调制器和输出漫射器结构的用于环境照明的高分辨率显示器的示意图。
与图1A至图1B相比，空间光调制器48可由通过发射提供输出光400的其他显示器类型来提供，诸如有机LED显示器(OLED)或包括显示偏振器218的微型LED显示器，该显示偏振器作为显示器的输出显示偏振器。通过与图1A比较，在图3的实施方案中，空间光调制器显示偏振器218是显示器的输出偏振器。
显示偏振器218可通过插入在输出显示偏振器218与OLED像素平面之间的一个或多个延迟片518(未示出)来提供从发射像素平面反射的光的亮度减小。一个或多个延迟片518可以是四分之一波片，并且不同于多个延迟片300。
为了减少来自前表面的镜面反射，期望液晶层214的像素平面处的漫射锥420的立体角基本上不大于单个像素220、222、224。具有高漫射的漫射器可提供大的立体角漫射锥422，并且可降低不期望的图像保真度。另外，期望增加液晶层214的像素平面与前表面602之间的距离d以提供更多的层，诸如多个延迟片300和触摸屏层(例如在下图23中示出)，同时保持图像保真度。
未进一步详细讨论的图3的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
图4A是以侧视图示出输出漫射器结构600的结构的示意图。
第一结构化输出层608和第二结构化输出层610布置在如图1A中所示的输出偏振器318的输出侧上。第一结构化输出层608在第二结构化输出层610的输出侧上，并且在该输出侧上具有输出表面602。第一结构化输出层608和第二结构化输出层610包括其间具有界面表面604的第一透明材料601和第二透明材料603。第一透明材料601和第二透明材料603中的至少一者是具有光轴650的双折射材料，该光轴平行于或正交于输出偏振器318的电矢量传输方向319对准。
第一结构化输出层608包括布置在具有第一表面起伏轮廓的输出表面602与具有第二表面起伏轮廓的界面表面604之间的第一透明材料601。第二结构化输出层610包括布置在输出偏振器(即附加偏振器318)和界面表面604之间的第二透明材料603。
第一表面602具有表面起伏轮廓，并且第二表面604具有与其相同的、配向的形状的表面起伏轮廓。沿着垂直于输出偏振器318的平面的轴199的幅度的相对比例使得第一表面起伏轮廓的幅度611小于第二表面起伏轮廓的幅度612。输出表面602的轮廓的幅度611小于界面表面604的轮廓的幅度612，并且比例系数s由幅度611除以幅度612来提供。
考虑到输出表面602上的点615和界面表面604上的点617沿着光轴199，则表面602与光轴199所成的角度φ1大于界面表面604与光轴199所成的角度φ2。
漫射器结构600的输入表面606通常是平坦表面。
现在将描述漫射器结构600的操作。
图4B是以侧视图示出在输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图。
对于来自输出偏振器(即附加偏振器318)的输出光400，第一透明材料601的折射率大于第二透明材料603的折射率。法向入射光线402在入射点处朝向界面604的法线偏转，并且传播穿过第一结构化输出层608。在输出表面602处，表面角度φ1根据轮廓的比例系数而小于角度φ2。
如果层厚度较小，则比例系数被布置成使得光线402被引导到与其来自偏振器318的输入方向基本上相同的方向上。光线在界面表面604和输出表面602处的位置的小偏移可提供具有漫射光的小立体角的漫射锥420。
因此，输出漫射器结构600能够同时不引入由输出偏振器沿着顺着该输出偏振器的平面的法线199的轴199传递的光线的净角度偏转，并且将净角度偏转引入至由该输出偏振器沿着倾斜于该输出偏振器的平面的法线的轴传递的光线。有利地，同轴光线透射时可发生少量漫射。可针对同轴用户优化图像分辨率和保真度。
离轴光线404在输出表面处具有较大的漫射锥424A。第一结构化输出层608的有限厚度意味着入射点617、615横向偏移更远的距离619。在输出表面602处的反向光线偏转不补偿在界面604处的偏转。
相对比例(幅度611与幅度612的比率)、第一透明材料601与第二透明材料603的所述折射率以及第一结构化输出层608的厚度t被选择为使得输出漫射器结构600还将净角度偏转424A引入至由输出偏振器318沿着以角度θ倾斜于输出偏振器318的平面的法线的轴传递的光线404。
有利地，可增加对于离轴窥探者看到的图像的某种图像数据模糊。有利地，可针对离轴窥探者提高视觉安全性水平。
图4B还示出来自环境光照明源406的入射光线407通过在前表面602处的菲涅耳反射漫射到锥427中。有利地，减少了镜面反射，实现了增加的图像可见度，而不会出现分散人注意力的镜面反射。
另外，因为液晶层214的像素平面和输出表面604的间距增加，像素220、222、224对于同轴光线的漫射减少。极性控制延迟片300、偏振器318、反射偏振器302和触摸屏(未示出)可设置在液晶层214的像素平面和观察者之间。可有利地提供具有提高的视觉安全性水平的反射防窥显示器和触摸屏操作，而不会降低图像保真度。
另外，减少了来自显示器的极光锥的进一步散射，有利地实现了对于离轴观察位置的减小的亮度和增加的反射率以及提高的视觉安全性水平。
未进一步详细讨论的图4A至图4B的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
期望针对离轴观察位置提供增加的图像模糊，以实现提高的视觉安全性，同时保持针对同轴观察的高图像保真度。
图5A是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构600中的透射光的传播的示意图。如图1B中所示，第一结构化输出层608包括第一透明材料601(即，双折射材料)，其光轴650与输出偏振器318的电矢量传输方向319对准。
第一透明材料601可以是固化的液晶材料，诸如反应性液晶元材料。有利地，可提供无附加容纳部件的固体层。
第二结构化输出层可在输入侧上具有平坦的输入表面。有利地，可提供平面支撑基底并且实现低成本。
光线402、404可具有线性偏振分量440并且入射到具有非常折射率的第一透明材料601(在该实施例中为双折射材料)上。在该实施例中，第二透明材料603可以是具有小于第一透明材料601的非常折射率的折射率的各向同性材料。因此，光线440基本上未偏转地透射，并且在防窥模式下实现高图像保真度和高视觉安全性水平。
通过比较，如果同轴光线450透射穿过漫射器结构600产生正交偏振分量452，则可在界面604处基本上不具有偏转并且在输出表面602处具有大偏转，使得图像保真度和视觉安全性水平可降低。
图5B是示出在第一结构化输出层608中线性偏振光线的折射率相对于入射角的变化的曲线图，该双折射层是具有1.50的寻常折射率和1.62的非常折射率的双折射材料。
当入射到界面604上的角度增大时，则第一结构化输出层608中的光线404经历的折射率减小。因此，与图4B的布置相比，光线的偏转增大。有利地，由于图像模糊，离轴漫射锥424B增大并且针对离轴窥探者的视觉安全性水平提高。
现在将更详细地描述光在漫射器结构600处的反射。
图5C是以侧视图示出来自环境光照明源406的光线407在双折射漫射器结构600中的传播的示意图；并且图5D是示出对于一些反射光线，反射率390随空气中的横向视角392的变化的测量结果的示意曲线图。图5C还示出来自输出表面602通过菲涅耳反射而反射的光线428和从界面604反射的光线630。
如将在图15A至图15B中所述，光线432经过极性相位控制延迟片300透射至反射偏振器302并且被反射以提供反射率的角度变化。图5D中示出在防窥操作模式下零仰角的横向方向上的光线432的反射率的例示性分布460。从输出表面602和界面604反射的光线428和430的组合反射率由以上例示性双折射材料的分布466示出。通过比较，具有1.50的折射率的常规材料的反射率由分布464示出。有利地，双折射材料具有增加的反射率以实现对镜面反射的增加的抑制。
未进一步详细讨论的图5A至图5D的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
对于图1A的布置的总显示器100的反射率由分布468示出。有利地，在高视角下对窥探者的反射率增加并且视觉安全性水平提高。
现在将进一步描述图1A的显示器的防窥模式的操作。
图6A是以前透视图示出显示器用户对来自显示器的界面表面的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构。
在防窥操作模式和公共操作模式下的操作中，主要用户45观察到具有低显示器反射率的全亮度。显示器100可具有白色图像区域803和黑色图像区域801。由于漫射器结构600的正面方向上的低漫射，正面显示器用户45看到高频特征，诸如具有高图像保真度的黑色区域和白色区域的边界。漫射光线407从漫射器结构600反射，并且显示器提供反射805，反射805提供非镜面前反射。有利地，通过高图像保真度和不出现分散人注意力的镜面反射来实现高图像可见度。
图6B是以前透视图示出离轴窥探者对在公共模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构。
与图6A相比，可存在一些增加的漫射，这可导致离轴用户的区域801的对比度由于离轴漫射锥424(未示出)提供图像保真度的某种降低而降低，然而却实现了高亮度和低反射率，使得可有利地保持高图像可见度。
图6C是以前透视图示出离轴窥探者对在防窥模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，该显示器包括双折射漫射器结构600。
离轴用户观察到亮度降低的白色区域803和黑色区域801。有利地，提高了视觉安全性水平。
图5C中光线432的反射是镜面的，使得提供了镜面图像807。有利地，光线432的镜面反射对窥探者47提供图像内容的伪装，并且进一步提高视觉安全性水平。漫射光线407从漫射器结构600反射，并且显示器提供反射805，反射805提供非镜面前反射，从而进一步减小图像对比度并且提高视觉安全性水平。
现在将描述不具有漫射器结构600的显示器的操作。
图7A是以前透视图示出显示器用户对来自显示器的界面表面的反射环境光的观察的示意图，其中该显示器包括非漫射前表面。与图6A相比，入射光线407被镜面反射为光线29，并且在显示表面上看到反射环境光照明源406的图像807。这样的图像807对于显示器用户而言可能分散注意力并且是不期望的。
图7B是以前透视图示出离轴窥探者对在防窥模式下图1A至图1B的显示器的反射环境光的观察的示意图，其中省略了漫射器结构。对于在防窥模式下的窥探者47而言，黑色区域801的对比度降低程度可能不如图6C那样明显，并且可能降低视觉安全性水平。
未进一步详细讨论的图6A至图7B的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
现在将描述漫射器结构600的另外的实施方案。
图8A是以侧视图示出双折射漫射器结构的示意图，其中第二透明材料是双折射的。
在一个实施方案中，第一透明材料601可以是具有与输出偏振器318的电矢量传输方向319正交对准方向的双折射材料。第一结构化输出层608的机械性能可被调整成优于双折射材料，从而有利地增加处理期间的设备耐用性。输出偏振器318的电矢量传输方向319可正交于第二透明材料603(在该实施例中为双折射材料)的光轴650，使得光线404经历第二透明材料603的不随横向角度变化的折射率。离轴漫射锥角424A可与横向视角无关。有利地，可向在公共操作模式下的离轴显示器用户提供保真度增加的图像。
在另一个实施方案中，第一透明材料601可以是具有大于第二透明材料603的寻常折射率的折射率的各向同性材料。有利地，大折射率差值可方便地由已知的材料提供。
期望保护各层以实现加工、处理和机械耐用性。
图8B是以侧视图示出双折射漫射器结构的示意图，该双折射漫射器结构还包括分别布置在输出表面602和/或界面604上的可选的共形涂层622、624。当层622、624是共形的层时，它们可基本上不改变漫射器的光学特性，但可实现增加的耐用性，或可提供例如双折射材料的配向特性。未进一步详细讨论的图8A至图8B的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
现在将描述形成漫射器结构600的方法。
图9A至图9F是以侧视图示出形成漫射器结构的方法的示意图。在如图9A中所示的第一步骤中，在第二透明材料603(为各向同性的)中提供具有期望的表面起伏轮廓的结构，以形成界面表面604。这样的表面可通过与例如适于成形的工具接触的模塑来提供。未进一步详细讨论的图9A至图9F的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
在如图9B中所示的第二步骤中，在表面604上形成共形的配向层624，并且通过例如光定向或机械摩擦来提供合适的配向。
在如图9C中所示的第三步骤中，液晶材料的层形成在表面上并且可具有基本上平坦的上表面，或可对表面604的底层结构进行一定程度的调整。
在如图9D至图9E中所示的第四步骤中，该层经历如收缩箭头660所示的收缩过程，使得收缩之后的表面602的轮廓与表面604的轮廓成比例。这种收缩可通过第一透明材料601的材料特性诸如溶剂含量和粘度以及工艺条件(诸如温度和真空压力)来控制。
在如图9F中所示的第五步骤中，在收缩之后，例如通过UV照明662和/或通过热固化以提供交联621来固化各层。一些收缩也可在作为在第四步骤中的补偿的固化阶段中提供，或者第四步骤和第五步骤可组合进行。
有利地，可方便地提供第一透明材料601(在该实施例中为双折射材料)的收缩和配向，以实现输出表面602的与界面表面604的轮廓相比成比例的轮廓。
期望提供对比例系数的控制。
图10是示出用于不同收缩以实现期望的前表面漫射的期望的第一透明层折射率和第二透明层折射率的变化的曲线图。图10是针对不同的第一透明材料601和第二透明材料603的折射率的收缩的例示性实施方案。
在一个例示性实施方案中，诸如图5A中所示并且根据工艺点670，第一层可以是第一透明材料601，第一透明材料601是具有1.62的非常折射率的配向反应性液晶元材料。如工艺条件670所示，如果第二透明材料603的折射率是1.55，则期望在加工过程中收缩11％以使得同轴光线402不存在光线偏转。
在另一个例示性实施方案中，诸如图8A中所示并且根据工艺点672，第一层可以是第一透明材料601，第一透明材料601是具有1.50的寻常折射率的配向反应性液晶元材料。如工艺条件672所示，如果第二透明材料603的折射率是1.48，则期望在加工过程中收缩4％。也可向各向同性材料提供这种调整，例如，如图4B中所示。
有利地，可调整材料系统和工艺条件以实现期望的漫射和透射特性。
如针对图5A至图5B所述，可通过第一透明材料601或第二透明材料603的折射率随横向视角的变化来提供随视角变化的一些漫射的增加。期望针对离轴观察者提供进一步增加的漫射，以实现提高的视觉安全性水平。
图11A是以侧透视图示出包括极性漫射控制延迟片的输出漫射器结构的示意图，该极性漫射控制延迟片包括在正交于显示偏振器电矢量传输方向的平面中倾斜的负O板以及负C板，并且被布置成提供显示设备的视场漫射修改；并且图11B是示出如果偏振器被布置成分析来自表1的例示性实施方案的输出漫射器结构的输出光，则图11A的无源延迟片中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的曲线图。未进一步详细讨论的图11A至图11C的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
表1
至少一个极性漫射控制延迟片700布置在作为附加偏振器318的输出偏振器(但可以是例如空间光调制器显示偏振器218)与输出漫射器结构600之间，其中至少一个极性漫射控制延迟片700能够同时不将净相对相移引入至由输出偏振器沿着顺着至少一个极性漫射控制延迟片700的平面的法线的轴199传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由输出偏振器沿着倾斜于至少一个极性漫射控制延迟片700的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
当无源极性控制延迟片330设置在平行偏振器之间时，该无源极性控制延迟片的操作和另选布置在美国专利号10,303,030中有所描述。因此，图11B的分布指示入射到漫射器结构600上的偏振态，并且是出于例示性目的而示出。然而，此处不提供另外的附加偏振器，但会调整落在双折射漫射器结构600上的入射偏振。
图11C是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图，该双折射输出漫射器结构包括图11A的极性漫射控制延迟片。
与图5A相比，极性漫射器延迟片700设置在偏振器318和第一结构化输出层608之间。对于同轴光线402，不存在偏振态440的变化。然而，对于离轴光线，偏振态444被修改，使得其通常是椭圆偏振态，并且对于某些角度，可以是已旋转的线性偏振态。椭圆偏振态在第一结构化输出层608处经历折射率，该折射率不补偿表面602、604的轮廓差异，因此可增加漫射以提供漫射锥424C。为了进行对比，还示出来自图5A和图8A的锥424A和424B。
有利地，可降低防窥显示器中由窥探者所看到的离轴图像的保真度并且提高视觉安全性水平。
期望在公共操作模式下保持对于离轴观察位置的图像保真度，并且在防窥操作模式下降低离轴图像保真度。
图12A是以透视侧视图示出可切换极性漫射控制延迟片在防窥模式下的布置的示意图，该可切换极性漫射控制延迟片包括交叉的A板无源延迟片和水平配向的可切换LC延迟片；并且图12B是示出如果偏振器被布置成分析来自表2的例示性实施方案的输出漫射器结构的光的输出，则在防窥操作模式下，图11A的无源延迟片中的透射光线的输出透射率随极方向的变化的曲线图。未进一步详细讨论的图12A至图12D的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
表2
至少一个极性漫射控制延迟片包括可切换液晶延迟片701，该可切换液晶延迟片包括液晶材料721层，其中在该可切换液晶延迟片701的可切换状态下，至少一个极性漫射控制延迟片700被布置成同时不将净相对相移引入至由输出偏振器318沿着顺着至少一个极性漫射控制延迟片700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输出偏振器318沿着倾斜于至少一个极性漫射控制延迟片700的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
电极731、715被布置成通过电压控制器750提供跨液晶材料721的层的受控电压。
在一个例示性实施方案中，可切换液晶延迟片701包括两个表面配向层719a、719b，这两个表面配向层被设置成与液晶材料721的层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721中提供水平配向。可切换液晶延迟片701的液晶材料721层包括具有正介电各向异性的液晶材料721。液晶材料721层对波长为550nm的光具有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。延迟片730还包括一对无源延迟片730A、730B，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。
无源极性漫射控制延迟片730由具有交叉的轴731A、731B的一对A板730A、730B提供。在本发明的实施方案中，“交叉”是指延迟片平面中的两个延迟片的光轴之间基本上90°的角。为降低延迟片材料的成本，期望提供例如由于膜制造期间的拉伸误差而导致延迟片取向有些变化的材料。延迟片取向远离优选方向的变化可减小正面亮度并增加最小透射率。优选地，角710A为至少35°并且至多55°，更优选地至少40°并且至多50°，并且最优选地至少42.5°并且至多47.5°。优选地，角710B为至少125°并且至多145°，更优选地至少130°并且至多135°，并且最优选地至少132.5°并且至多137.5°。
现在将描述图12A的可切换漫射器的操作。
图12C是以侧视图示出在双折射输出漫射器结构中的透射光的传播的示意图，该双折射输出漫射器结构包括图12A的极性漫射控制延迟片。
与图11C的布置相比，入射到第一结构化输出层608的第一透明材料601(在该实施例中为双折射材料)上的偏振态可具有受控的偏振态。在公共模式下，可对光线404提供状态442A，使得第一结构化输出层608提供少量漫射并且提供锥424A。在防窥模式下，可切换漫射器，使得提供偏振态442C并且在第一结构化输出层608处提供增加的漫射。第一结构化输出层608与图像像素220、222、224(未示出)的间距提供了图像保真度的损失，并且有利地提高了显示器100的视觉安全性水平。另外，例如如果图12C的结构设置有图3的显示器，使得输出偏振器是空间光调制器偏振器218，则可在没有附加偏振器的情况下提供进一步增加的图像防窥。有利地，降低了成本和复杂性。
图12D是以前透视图示出离轴显示器用户对在公共操作模式下图1A至图1B的显示器和图12A的漫射器元件的反射环境光的观察的示意图。有利地，在基本上不损失图像保真度的情况下提供来自显示器的前部的反射805，反射805为漫反射。
现在将描述可应用本发明实施方案的输出漫射器结构的防窥显示器的示例性布置。
期望通过减小离轴亮度和增加离轴反射率来提供防窥模式下的视觉安全性水平，例如如图2中所示。现在将描述图1A中的极性相位控制延迟片300的操作。
图13A是以透视侧视图示出在公共操作模式下可切换延迟片300的布置的示意图，其中该可切换延迟片包括具有水平配向的可切换液晶延迟片301和负C板极性相位控制延迟片。
图13A的极性相位控制延迟片330和偏振器302、318的操作不同于图12A的极性漫射控制延迟片700、偏振器318和双折射输出漫射器结构。极性相位控制延迟片330被布置成在偏振器318上提供偏振态的相位控制，使得提供极性亮度控制，并且控制来自反射偏振器302的极性反射率。通过比较，极性漫射控制延迟片700被布置成控制入射到双折射输出漫射器600上的偏振态，并且不控制输出的亮度，而是控制漫射器在每个极角处提供的漫射量。
图13B是示出在防窥模式下图13A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的曲线图；图13C是示出在防窥操作模式下图13A中的反射光线的反射率随极方向的变化的示意曲线图；图13D是示出在公共操作模式下图13A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图；并且图13E是示出包括在表3中示出的实施方案的防窥操作模式下图13A中的反射光线的反射率随极方向的变化的示意曲线图。未进一步详细讨论的图13A至图13E的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
表3
可切换液晶延迟片301包括两个表面配向层419a、419b，这两个表面配向层被设置成与液晶材料421层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414中提供水平配向。可切换液晶延迟片301的液晶材料414层314包括具有正介电各向异性的液晶材料414。液晶材料414层对波长为550nm的光具有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。延迟片330还包括：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-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。
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。另外，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度的回复性。
无源极性相位控制延迟片330和液晶延迟片301的另选布置的布置在美国专利号10,303,030中有所描述。
有利地，公共操作模式可针对离轴和同轴观察位置提供高亮度和低反射率，从而实现高图像可见度。另外，防窥操作模式可针对离轴观察位置提供低亮度和高反射率，从而提供高视觉安全性水平。另外，可提供前表面漫射，该前表面漫射不会使主要用户看到的图像劣化，同时实现镜面反射对主要显示器用户的可见度的降低。
现在将针对同轴和离轴方向考虑来自显示偏振器218的偏振光的传播。
图14A是以侧视图示出在防窥操作模式下来自空间光调制器的输出光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；并且图14B是示出图14A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图。当液晶材料层314处于所述两种状态中的第二状态时，极性相位控制延迟片300不向沿着垂直于可切换延迟片的平面的轴穿过其中的输出光线400提供偏振分量360的总体变换，但向以与延迟片的平面的垂线成锐角的一些极角穿过其中的光线402提供偏振分量361的总体变换。未进一步详细讨论的图14A的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
来自显示偏振器218的偏振分量360由反射偏振器302透射并且入射到延迟片300上。同轴光具有未从分量360修改的偏振分量362，而离轴光具有由极性相位控制延迟片300变换的偏振分量364。至少，偏振分量361被变换为线性偏振分量364并且被附加偏振器318吸收。更一般地讲，偏振分量361被变换为椭圆偏振分量，该椭圆偏振分量被附加偏振器318部分地吸收。
因此，在防窥模式下由极性相位控制延迟片300和附加偏振器318进行的透射的极坐标表示中，提供了高透射率区域和低透射率区域，如图14B中所示。
图14B中示出的光透射的极坐标分布修改了底层空间光调制器48的亮度输出的极坐标分布。在空间光调制器48包括定向背光源20的情况下，离轴亮度可如上所述进一步减小。
有利地，所提供的防窥显示器具有对于离轴窥探者的低亮度，同时保持对于同轴观察者的高亮度。
现在将描述反射偏振器302对来自环境光照明源406的光的操作。
图15A是以顶视图示出在防窥操作模式下环境照明光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；并且图15B是示出图15A中的反射光线的反射率随极方向的变化的示意曲线图。未进一步详细讨论的图15A的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
环境光照明源406使用非偏振光照明显示器100。附加偏振器318透射垂直于显示器表面的光线410产生第一偏振分量372，该第一偏振分量是平行于附加偏振器318的电矢量传输方向319的线性偏振分量。
在两种操作状态下，偏振分量372保持未被极性相位控制延迟片300修改，并且因此透射偏振分量382平行于反射偏振器302和显示偏振器218的透光轴，因此环境光被引导穿过空间光调制器48并且损失。
通过比较，对于光线412，离轴光被引导穿过极性相位控制延迟片300，使得入射在反射偏振器302上的偏振分量374可被反射。该偏振分量在穿过延迟片300之后被重新转换成分量376，并且透射穿过附加偏振器318。
因此，当液晶材料层314处于所述两种状态中的第二状态时，反射偏振器302对于沿着垂直于极性相位控制延迟片300的平面的轴穿过附加偏振器318然后穿过极性相位控制延迟片300的环境光线410不提供反射光，但对于以与极性相位控制延迟片300的平面的垂线成锐角的一些极角穿过附加偏振器318然后穿过极性相位控制延迟片300的环境光提供反射光线412；其中反射光412再次穿过极性相位控制延迟片300，然后被附加偏振器318透射。
因此，极性相位控制延迟片300不向沿着垂直于可切换延迟片的平面的轴穿过附加偏振器318然后穿过极性相位控制延迟片300的环境光线410提供偏振分量380的总体变换，但向以与极性相位控制延迟片300的平面的垂线成锐角的一些极角穿过吸收偏振器318然后穿过极性相位控制延迟片300的环境光线412提供偏振分量372的总体变换。
因此，在图15B中示出的光反射的极坐标分布示出可通过极性相位控制延迟片300的防窥状态在典型的窥探者位置处提供高反射率。因此，在防窥操作模式下，对于离轴观察位置的反射率增加，并且来自空间光调制器的离轴光的亮度降低，如图14B中所示。
有利地，所提供的防窥显示器具有对于离轴窥探者的高反射率，同时保持对于同轴观察者的低反射率。如上所述，这种增加的反射率向周围照明环境中的显示器提供提高的视觉安全性水平。
图16A是以侧视图示出在公共操作模式下来自空间光调制器的输出光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；并且图16B是示出图16A中的透射光线的输出亮度随极方向的变化的示意曲线图。未进一步详细讨论的图16A至图16B的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
因此当液晶延迟片301处于所述两种状态中的第一状态时，极性相位控制延迟片300不向垂直于可切换延迟片301的平面穿过其中的输出光或以与可切换延迟片301的平面的垂线成锐角穿过其中的输出光提供偏振分量360、361的总体变换。即，偏振分量362与偏振分量360基本上相同，并且偏振分量364与偏振分量361基本上相同。因此图16B的角透射分布基本上均匀地跨宽极区透射。有利地，可将显示器切换到宽视场。
图17A是以顶视图示出在公共操作模式下环境照明光穿过图1A的光学叠堆的传播的示意图；并且图17B是示出图17A中的反射光线的反射率随极方向的变化的示意曲线图。未进一步详细讨论的图17A至图17B的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
因此，当液晶延迟片301处于所述两种状态中的第一状态时，极性相位控制延迟片300不向垂直于极性相位控制延迟片300的平面或与极性相位控制延迟片300的平面的垂线成锐角穿过附加偏振器318然后穿过极性相位控制延迟片300的环境光线412提供偏振分量372的总体变换。
在公共模式下的操作中，输入光线412在透射穿过附加偏振器318之后具有偏振态372。对于正面方向和离轴方向均不发生偏振变换，因此对来自反射偏振器302的光线402的反射率较低。输入光线412被反射偏振器302透射，并且在图1A的显示偏振器218、210或背光源中损失。另选地，在图3中示出的具有发射空间光调制器48的另一实施方案中，输入光线412将在具有部件显示偏振器218和一个或多个延迟片518(如上文参考图3所描述的)的光学隔离器中损失。
有利地，在公共操作模式下，在宽视场上提供高亮度和低反射率。这样的显示器可方便地由多个观察者以高对比度观看。
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18是以前透视图示出定向背光源20(或“窄角背光源”或“准直背光源”)的示意图，并且图19是以前透视图示出非定向背光源20(或“宽角背光源”或“非准直背光源”)的示意图，它们中的任一者可应用于本文所述的任何设备中。因此如图18所示的定向背光源20提供窄锥451，而如图19所示的非定向背光源20提供光输出光线的广角分布锥453。
图20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20的曲线图可以是穿过本文所述的极视场分布的横截面。未进一步详细讨论的图18至图20的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
朗伯型背光源具有与视角无关的亮度分布846。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°，更优选地大于60°，并且最优选地大于80°。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866可大于40°，优选地大于60°，并且最优选地大于80°。另外，+/-45°处的相对亮度864优选地大于7.5％，更优选地大于10％，并且最优选地大于20％。有利地，实现类似于广角背光源的衰减的显示器可向离轴用户提供高图像可见度。
包括广角背光源20和仅一个附加偏振器318以及极性相位控制延迟片330(不包括另外的极性相位控制延迟片300B和另外的附加偏振器318B)的显示器通常在防窥操作模式下不会实现针对离轴用户的期望的视觉安全性水平。期望此类显示器可具有定向背光源20，如现在将描述的。
背光源20可以是定向背光源，该定向背光源以与空间光调制器的法线在至少一个方位角的方向上成大于45度的极角提供亮度，该亮度为沿着该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％。定向背光源20可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°，优选地小于40°，并且最优选地小于20°。在例示性示例中，45度处的亮度868可以是来自背光源20的正面亮度的18％。
此类亮度分布可由下述定向背光源20提供，或也可由广角背光源与如本文别处所述的另外的附加偏振器318B和极性相位控制延迟片300B的组合提供。
现在将描述一种类型的可切换背光源20。
图21A是以侧视图示出可切换定向显示装置100的示意图，该可切换定向显示装置包括可切换液晶极性相位控制延迟片300和背光源20。图21A的背光源20可应用于本文所述的任何设备中，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21B是以后透视图示出在窄角操作模式下图21A的成像波导1的操作的示意图。
成像波导1是美国专利号9,519,153中所述的类型，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小平面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，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6和第二引导表面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808,810往回引导穿过波导1。后反射器的操作在美国专利号10,054,732中进一步描述，该专利全文以引用方式并入本文。
如图21B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21C是示出在没有可切换液晶延迟片的显示装置中使用时图21B的输出的视场亮度图的示意曲线图。未进一步详细讨论的图21A至图21C的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
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所述多个延迟片301,330来实现离轴亮度的进一步减小。
因此背光源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度亮度分布，以便在防窥操作模式下提供减小的离轴亮度并且在公共操作模式下提供更高的离轴亮度。
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22A是以侧视图示出可切换定向显示装置的示意图，该可切换定向显示装置包括具有可切换准直波导901的背光源20和可切换液晶极性相位延迟片300以及附加偏振器318。图22A的背光源20可应用于本文所述的任何设备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可设置有倾斜并且充当光提取特征结构的棱镜状结构912。透镜状结构904的所述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。
提供了可以是平面反射器的后反射器903，以使透射穿过表面908的光再次被引导穿过波导901。
入射在棱镜状结构912以及透镜状结构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和补偿可切换液晶极性相位控制延迟片300。
图22B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22C是示出图22A的显示装置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的结构来确定。未进一步详细讨论的图22A至图22C的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
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图22A所示的补偿可切换液晶极性相位控制延迟片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21A和图22A所述的类型)可与本发明实施方案的多个延迟片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1A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公共模式。
尽管以上描述涉及其中输出偏振器是与至少一个极性相位控制延迟片300和反射偏振器302组合使用的附加偏振器318的显示设备100，但是这不是必需的。在一些另选实施方案中，可省略附加偏振器318、至少一个极性相位控制延迟片300和反射偏振器302。在这种情况下，输出偏振器可以是作为显示器的输出偏振器的显示偏振器218。作为其示例，图23是以侧透视图示出可切换式防窥显示器100的另选构造的示意图，其中省略了附加偏振器318、至少一个极性相位控制延迟片300和反射偏振器302。未进一步详细讨论的图23的布置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，包括特征结构的任何潜在变化。
图23还示出具有电极502的布置在前表面602与空间光调制器48的液晶层214之间的触摸屏500。触摸屏500可布置在支撑基底504、506上，使得输出漫射器结构600的前表面602与像素之间的距离d相对较远。如图3中所示，这样的远距离可向前表面漫射器提供相邻像素之间增加的模糊和分辨率的损失。在本发明实施方案中，减少了模糊，并且有利地实现了对于高分辨率图像的高图像保真度。
如在本文中所用，术语“基本上”和“大约”为其相应术语和/或各项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。
虽然上文描述了符合本文公开原理的各种实施方案，但应当理解，这些实施方案仅以示例性而非限制性方式示出。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。
另外，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 (15)

1.一种用于环境照明的显示设备，所述显示设备包括：
空间光调制器，所述空间光调制器被布置成输出光；
输出偏振器，所述输出偏振器布置在所述空间光调制器的输出侧上，所述输出偏振器是具有电矢量传输方向的线性偏振器；和
输出漫射器结构，所述输出漫射器结构布置在所述输出偏振器的输出侧上，所述输出漫射器结构包括布置在所述输出偏振器的所述输出侧上的第一结构化输出层和第二结构化输出层，所述第一结构化输出层在所述第二结构化输出层的输出侧上并且在所述输出侧上具有输出表面，并且所述第一结构化输出层和所述第二结构化输出层包括其间具有界面表面的第一透明材料和第二透明材料，所述第一透明材料和所述第二透明材料中的至少一者是具有光轴的双折射材料，所述光轴平行于或正交于所述输出偏振器的所述电矢量传输方向对准，
其中：
所述第一结构化输出层的所述输出表面具有第一表面起伏轮廓；
所述界面表面具有第二表面起伏轮廓；
所述第一表面起伏轮廓和所述第二表面起伏轮廓具有相同的、配向的形状，但沿着垂直于所述输出偏振器的平面的轴的幅度具有相对比例，使得所述第一表面起伏轮廓的幅度小于所述第二表面起伏轮廓的幅度；
对于来自所述输出偏振器的输出光，所述第一透明材料的折射率大于所述第二透明材料的折射率，
所述相对比例和所述第一透明材料与所述第二透明材料的所述折射率被选择为使得所述输出漫射器结构不引入由所述输出偏振器沿着顺着所述输出偏振器的所述平面的法线的轴传递的光线的净角度偏转。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述双折射材料是固化的液晶材料。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第二结构化输出层在输入侧上具有平坦的输入表面。
4.根据权利要求1所述的显示设备，还包括布置在所述输出偏振器和所述输出漫射器结构之间的至少一个极性漫射控制延迟片，其中所述至少一个极性漫射控制延迟片能够同时不将净相对相移引入至由所述输出偏振器沿着顺着所述至少一个极性漫射控制延迟片的平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量，并且将相对相移引入至由所述输出偏振器沿着倾斜于所述至少一个极性漫射控制延迟片的所述平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
5.根据权利要求4所述的显示设备，其中所述至少一个极性漫射控制延迟片包括可切换液晶延迟片，所述可切换液晶延迟片包括液晶材料层，其中在所述可切换液晶延迟片的可切换状态下，所述至少一个极性漫射控制延迟片被布置成同时不将净相对相移引入至由所述输出偏振器沿着顺着所述至少一个极性漫射控制延迟片的所述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输出偏振器沿着倾斜于所述至少一个极性漫射控制延迟片的所述平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其中所述至少一个极性漫射控制延迟片还包括与所述可切换液晶延迟片串联布置的至少一个无源延迟片。
7.根据权利要求1所述的显示设备，其中：
所述空间光调制器具有布置在所述空间光调制器的所述输出侧上的显示偏振器；
所述输出偏振器是布置在所述显示偏振器的输出侧上的附加偏振器，所述附加偏振器是线性偏振器；并且
所述显示设备还包括布置在所述附加偏振器与所述显示偏振器之间的多个延迟片。
8.根据权利要求7所述的显示设备，其中所述多个延迟片包括经布置的极性相位控制延迟片，经布置的所述极性相位控制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极性相位控制延迟片的所述平面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极性相位控制延迟片的所述平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
9.根据权利要求8所述的显示设备，所述显示设备还包括布置在所述显示偏振器和所述极性相位控制延迟片之间的反射偏振器，所述反射偏振器是线性偏振器。
10.根据权利要求9所述的显示设备，其中所述极性相位控制延迟片包括可切换液晶延迟片，所述可切换液晶延迟片包括液晶材料层，其中在所述可切换液晶延迟片的可切换状态下，所述极性相位控制延迟片被布置成同时不将净相对相移引入至由所述反射偏振器沿着顺着所述极性相位控制延迟片的所述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反射偏振器沿着倾斜于所述极性相位控制延迟片的所述平面的法线的轴传递的光的正交偏振分量。
11.根据权利要求10所述的显示设备，其中所述极性相位控制延迟片还包括与所述可切换液晶延迟片串联布置的至少一个无源延迟片。
12.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述输出偏振器是所述空间光调制器的显示偏振器。
13.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述相对比例、所述第一透明材料与所述第二透明材料的所述折射率以及所述第一结构化输出层的厚度被选择为使得所述输出漫射器结构还将净角度偏转引入至由所述输出偏振器沿着倾斜于所述输出偏振器的所述平面的法线的轴传递的光线。
14.根据权利要求1所述的显示设备，还包括：
背光源，所述背光源被布置成输出光，所述空间光调制器是被布置成接收来自所述背光源的输出光的透射式空间光调制器。
15.根据权利要求14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30％。
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