TW201640201A - 具有輸出方向控制的顯示裝置及用於此種顯示裝置的背光以及光導向方法 - Google Patents

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Abstract

一種包括一側光式光導之顯示背光具有一光耦出結構陣列以使光能夠在該等光耦出結構之位置處自該光導逸出。一光源配置用於在相對側邊緣之一者或兩者處將光提供至該光導中。該光源配置可控制以將至少第一及第二光輸出之一選定者提供至該光導中，該兩個光輸出具有與該光導之總平面之一不同角且導致自該光導逸出之光具有一不同射出角範圍。以此方式，基於將光耦入至一光導中之方式而實現一方向背光輸出。此提供一種僅需要控制提供至該光導之該光之簡單結構。該背光可例如實現形成一自動立體顯示而無需一雙凸透鏡陣列。

Description

具有輸出方向控制的顯示裝置及用於此種顯示裝置的背光以及光導向方法
本發明係關於一種用於一顯示裝置的背光，其尤其適用於其中在一狹窄範圍的輸出方向上顯示影像之一顯示裝置。一實例係一自動立體顯示裝置，其包括具有一顯示像素陣列之一顯示面板及用於將不同視圖導向至不同實體位置之一配置。另一實例係其中僅在一觀看者之方向上提供一顯示影像之一隱私顯示器。
一種已知自動立體顯示裝置包括二維液晶顯示面板，其具有充當一影像形成構件以產生一顯示之顯示像素(其中一「像素」通常包括一組「子像素」，且一「子像素」係最小可個別定址之單色圖像元素)之一列及行陣列。彼此平行延伸之一長形透鏡陣列上覆於顯示像素陣列且充當一視圖形成構件。此等構件稱為「雙凸透鏡」。來自顯示像素之輸出經投射穿過此等雙凸透鏡，該等雙凸透鏡用以修改輸出之方向。
將雙凸透鏡提供為一透鏡元件薄片，該等透鏡元件之各者包括一長形部分柱面(例如，半柱面)透鏡元件。雙凸透鏡在顯示面板之行方向上延伸，而使各雙凸透鏡上覆於一各自群組兩個或更多個相鄰行 之顯示子像素。
各雙凸透鏡可與兩行顯示子像素相關聯以使一使用者能夠觀察一單一立體影像。代替性地，各雙凸透鏡可與列方向上之一群組三個或更多個相鄰顯示子像素相關聯。各群組中之對應行之顯示子像素經適當配置以提供來自一各自二維子影像之一垂直切片(vertical slice)。隨著一使用者之頭部自左移動至右，觀察到一系列連續不同立體視圖而產生例如一身臨其境(look-around)印象。
圖1係一已知直視自動立體顯示裝置1之一示意性透視圖。已知裝置1包括充當一空間光調變器以產生顯示之主動矩陣型之一液晶顯示面板3。
顯示面板3具有顯示子像素5之列及行之一正交陣列。為清楚起見，圖中僅展示少量顯示子像素5。實務上，顯示面板3可包括約一千列及數千行之顯示子像素5。在一黑白顯示面板中，一子像素事實上構成一全像素。在一彩色顯示器中，一子像素係一全色像素之一色彩組分。根據一般術語，全色像素包括產生所顯示之一最小影像部分之全部色彩所需之全部子像素。因此，例如一全色像素可具有可用一白色及/或黃色子像素及/或用一或多個其他基本彩色子像素增強之紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)子像素。液晶顯示面板3之結構係完全習知的。特定言之，面板3包括其等之間提供一對準扭轉向列或另一液晶材料之一對隔開的透明玻璃基板。該等基板在其等相面對表面上承載透明銦錫氧化物(ITO)電極圖案。亦在基板之外表面上提供偏振層。
各顯示子像素5包括基板上之相對電極，其等之間具有中間液晶材料。顯示子像素5之形狀及佈局係由電極之形狀及佈局決定。顯示子像素5由間隙彼此規則地隔開。
各顯示子像素5與諸如一薄膜電晶體(TFT)或薄膜二極體(TFD)之一切換元件相關聯。顯示像素經操作以藉由將定址信號提供至切換元 件而產生顯示，且熟習此項技術者將已知適合定址方案。
顯示面板3係由一光源7照明，在此情況中，該光源7包括延伸遍及顯示像素陣列之區域之一平面背光。來自光源7之光經導向穿過顯示面板3，而使個別顯示子像素5經驅動以調變光且產生顯示。背光7具有側邊緣7a及7b、一頂邊緣7c及一底邊緣7d。其具有光自其輸出之一正面。
顯示裝置1亦包括配置於顯示面板3之顯示側上方之一雙凸透鏡薄片9，其執行一光導向功能及因此一視圖形成功能。雙凸透鏡薄片9包括彼此平行延伸之一列雙凸透鏡元件11，為清楚起見，僅以放大尺寸展示該等雙凸透鏡元件11之一者。
雙凸透鏡元件11呈凸(半)柱面透鏡之形式，其等各自具有垂直於元件之柱面曲率延伸之一長形軸12，且各元件充當一光輸出導向構件以提供自顯示面板3至定位於顯示裝置1前面的一使用者之眼睛之不同影像或視圖。
一雙凸透鏡型成像配置產生多個視錐。在各視錐內，不同視圖之組重複。對於多觀看者顯示器，此係一優點，此係因為其實現全視野充滿視圖。移動觀看者使用例如追蹤一單一或少數觀看者之位置的一頭部追蹤系統中之一單一視錐可為尤其有利的。
顯示裝置具有控制背光及顯示面板之一控制器13。
圖1中展示之自動立體顯示裝置1能夠在不同方向上提供數個不同透視圖，即，其能夠將像素輸出導向至顯示裝置之視野內的不同空間位置。特定言之，各雙凸透鏡元件11上覆於各列中之一小群組之顯示子像素5，其中在當前實例中，一列垂直於雙凸透鏡元件11之長形軸延伸。雙凸透鏡元件11在一不同方向上投射一群組之各顯示子像素5之輸出以形成數個不同視圖。隨著使用者之頭部自左移動至右，他/她的眼睛將依次接收該數個視圖之不同視圖。
基於雙凸透鏡之自動立體顯示器之一常見問題係3D模式中存在一降低的解析度。在各雙凸透鏡元件下方使用多個像素意謂數個視圖同時產生。與2D顯示面板之原始解析度相比，此使3D模式中之自動立體顯示之可用解析度降低。
避免3D模式中之面板解析度之此損失之一已知方法係以一時序(time-sequential)方式產生所需之不同視圖。此方法可例如用一方向背光組件完成，該方向背光組件在不同時刻產生成不同視角之準直光。
若背光方向性之切換速度足夠快且所產生之光輸出方向覆蓋多個視圖之所需範圍，則可採用此一背光來產生一3D顯示而無需一透鏡，且具有面板之全原始解析度。
存在提供方向輸出之背光之已知實例。US 2009/7518663中描述一雙視圖方向背光概念。顯示裝置包含一顯示面板、用於導向光穿過該顯示面板之一光重新導向元件及用於導向光朝向該光重新導向元件之一光導。兩個光源耦合至光導以在兩個方向上將光輸入至光導中。光重新導向元件具有一第一溝槽結構且光導具有一第二溝槽結構，使得來自光源之光經導向穿過顯示面板而具有兩種角分佈。溝槽式光耦出結構於光導之頂部上應用。
與使用一快速切換LCD在左眼與右眼之影像之間各自切換同步地將光交替發送至觀察者之左眼及右眼。
另一實例係在商業上可購自公司3M(商標)之一雙視圖方向背光。該設計包括在一光導之背板處具有稜鏡溝槽耦出結構之一背光組件、位於一光導之兩個不同側處之光源、一光重新導向膜及一LCD面板。整個設定產生在不同方向上投射至觀察者之眼睛中之兩個視圖。取決於在光導之一側或另一側處操作之光源，時序地產生視圖。
一替代方法係使用產生隔開的細線光源之一背光，其中一顯示面板在距光源之一固定距離處，使得射出各光源之光以一不同角方向 傳播穿過不同面板像素元件。
其他已知方向背光設計使用直接發射固定光源陣列及相關聯光學元件。
一光源陣列可例如用一常規背光及用作背光之頂部上之主動屏障之一LCD面板以及一雙凸透鏡實現。接著，一動態光源在透鏡之焦平面中以產生一準直輸出。此設計通常導致低效率及降低的亮度。一類似概念可使用固定可切換OLED條及頂部上之一雙凸透鏡。
圖2展示使用一準直背光來控制可看見一視圖之方向。背光7包括一條狀光發射器陣列30、一正透鏡陣列32及透鏡陣列與發射器之間之一複製結構34。透鏡陣列32準直來自細發光條陣列30之光。此一背光可由一系列發射元件(諸如LED或OLED條之線)形成。自發射元件提取之光呈按約透鏡結構之間距隔開之一細發光條陣列之形式。
此等解決方案通常使用與固定光學元件組合之主動源操縱(多個可定址光源或者與主動屏障組合之一背光)。因此，其等在結構上係複雜的。
用於顯示器的背光及前照明之側光式光導(另外稱為波導)係廉價的且穩健的。因此關於側光式技術以一準直背光組件為基礎將為有利的。然而已知側光式光導經設計以提供跨光導之整個表面之最大均勻性的光輸出，且因此未經設計以產生按約一組合透鏡之間距隔開之一細光條陣列。
圖3展示一側光式光導40之一示意性影像。光導包括一波導材料，諸如具有一頂面40a、一底面40b及側向邊緣40c之一固體材料板。存在圖3中無法看見之頂邊緣及底邊緣，此係因為圖3之橫截面係在側向側至側方向上取得。光導之平面圖一般為矩形。光導之頂邊緣及底邊緣(矩形之頂側及底側處)經對準以對應於相關聯顯示器之頂部及底部，且側向邊緣(矩形之左側及右側處)經對準以對應於相關聯顯 示器之左側及右側。
自圖3中之左側，耦入來自一光源42之光且在光導之底部處放置數個耦出結構44。光在具有高度H之光導內部按一角θin傳播。在此實例中，將耦出結構44繪製為半稜鏡，其具有一半頂角σ、高度h及一寬度w。
光導形成為由例如玻璃或聚碳酸酯製成之一介電板。在該板中，邊界處之全內反射在光傳播時使光保持侷限。板之邊緣通常用以耦入光且小光耦出結構44局部地將光耦出光導。
US 2012/0314145及US 2013/0308339揭示一種使用光導之一特殊設計之用於一自動立體顯示器的背光，該光導具有用作一透鏡之一反射端面。不同光源以不同方向將光提供至光導，且透鏡功能產生在一特定方向上之光導內之一準直路徑。將此自光導耦出以產生一特定背光輸出方向。此需要一複雜的光導結構。
本發明係基於使用一更基本光導型背光用於一自動立體顯示器或隱私顯示器，特定言之以實現產生一方向輸出，且其中使用時序操作以實現較高空間解析度。期望可保持薄且輕量之一光導設計。
本發明係由申請專利範圍界定。
根據一實例，提供一種顯示背光，其包括：一光導，其具有平行頂面及底面及一對相對側邊緣，其中光輸出係來自該頂面；一光源配置，其用於在該等相對側邊緣之一者或兩者處將光提供至該光導中；及一光耦出結構陣列，其形成於該平行頂面或底面處以重新導向光，使得其在該等光耦出結構之位置處自該光導逸出，其中該光源配置可控制以提供進入至該光導中之至少第一及第 二光輸出之一選定者，該等第一及第二光輸出至少部分經準直且經調適以使光相對於該等平行頂面及底面之平面以一不同仰角方向且跨邊緣至邊緣方向進入至該光導中，其中進入至該光導中之該等第一及第二光輸出導致自該頂面之不同光輸出角。
此背光藉由控制至該光導中之一耦入方向而實現使用準直光源來控制輸出方向。特定言之控制一仰角(即，相對於頂表面及底表面之平面)。可藉由光源定位或藉由光學元件而達成此控制。以不同傳播方向耦入至該光導中之光由該等光耦出結構提取至不同觀看方向中。藉由掃描方向控制，可產生來自該背光之多個方向視圖。
第一及第二光輸出可在相同側處進入該光導，或其等可在相對側處進入。或者，可將各光輸出提供至兩個相對側邊緣。
背光設計可使用光導之一簡單設計。其具有平行頂面及底面(忽略光耦出結構)，因此具恆定厚度，此意謂製造係簡單的且習知的。光導之平面圖形狀亦係習知的，例如具有筆直邊緣之一矩形光導。
背光適用於利用2D面板之全原始解析度之一自動立體3D顯示器。可使用方向背光設計來時序地產生多個視圖。
第一及第二光輸出(來自源配置)較佳導致自光導逸出之光在延伸於側邊緣之間之一法平面中具有一不同射出角範圍。以此方式，當側邊緣在背光之側向側處時，產生不同側向視角。源自第一光輸出之射出角範圍較佳與源自第二光輸出之射出角範圍不重疊。以此方式，產生離散不重疊之觀看方向。
第一及第二光輸出較佳在垂直於頂面及底面之平面之方向上且在於邊緣至邊緣方向上延伸之平面中(即，在具有圖2之橫截面之定向之一平面中)經準直。在一平面中/方向上之此準直可描述為「部分」準直。當光耦出結構垂直於此平面延伸時，其界定控制光自光導之逸出之相關角。準直可例如給出在該平面中小於4度、或較佳甚至更小 例如小於3度或小於2度之一光束角範圍。無需在平行於頂面及底面之一平面中準直，此係因為此平面中之光束角範圍之擴展容許光輸出擴展以覆蓋背光之全光輸出區域。
光耦出結構例如包括平行於側邊緣延伸之稜鏡條。其等可自頂邊緣完全延伸至底邊緣。接著，其等提供側向光束方向控制，此為自動立體顯示器所特定關注。
在一第一實例中，光源配置包括至少第一及第二光源，其等經安裝而與平行頂面及底面之平面成不同角。藉由以不同角實體安裝光源，可控制至光導之光輸入角。
在一第二實例中，光源配置包括至少第一及第二光源，其等各自具有用於設定與平行頂面及底面之平面之一光輸出角之一相關聯光束整形元件。接著可以相同方式安裝光源，且光學地而非機械地控制光輸出角。
光束整形元件可為靜態的，使得各光源專用於提供至光導中之一特定光輸入角。接著，光束整形元件可包括針對相對於平行頂面及底面之平面之一特定光輸出角設計之稜鏡結構。
光束整形元件代之可為動態的，使得一光源可在不同光輸出角之間掃描，藉此增加光學效率。接著，光束整形元件可包括電潤濕稜鏡裝置。此亦意謂相同實體光源提供第一及第二光輸出(在不同時間)且此等光輸出包括共用光源之不同操作模式。
在另一實例中，光源配置包括至少第一及第二光源，其等各自包括一光發射器陣列及一輸出透鏡。藉由選擇在陣列內啟動之光發射器，可產生一不同光輸出方向。因此，在此情況中，角控制係基於選擇空間中產生光輸出之一實體位置，及此實體位置與透鏡互動之方式。
可在光導之頂面上方提供一光重新導向配置。若例如來自光耦 出結構之角輸出經不對稱截割，則可使用該光重新導向配置來重新導向來自光耦出結構之角輸出使其朝向法向。
自頂面之光輸出角可依據頂面上方之位置而變化，使得來自頂面之全部位置至光到達一共同視點。此用以使視圖會聚朝向觀看者之眼睛以避免顯示器之暗區域。可使用一非均勻(在背光區域上方)光重新導向配置或藉由將非均勻性引入至光耦出結構之設計中而達成可變角。
本發明亦提供一種自動立體顯示裝置或一種隱私顯示器，其包括：如上文定義之一背光；及一顯示面板，其具有用於產生一顯示影像之一顯示像素陣列，該顯示面板由該背光照明。
該顯示面板例如經安裝而使側平行於該背光之側邊緣。此意謂背光角控制產生不同側向輸出方向。接著，可與該背光同步地控制該顯示面板以時序地針對不同觀看方向輸出不同影像。
為此目的，顯示器包括一控制器，且該控制器經調適以在兩種模式下操作該顯示器：一第一模式，其中將第一光輸出提供至該光導中且控制該顯示面板以顯示一第一影像；及一第二模式，其中將第二光輸出提供至該光導中且控制該顯示面板以顯示一第二影像，其中該控制器經調適以時序地實施該等第一及第二模式。
該等第一及第二影像可為一單一影像之左眼視圖及右眼視圖，或者其等對於不同使用者可為完全無關視圖。
可存在兩種以上模式，使得時序地提供多個(2個以上)視圖。若可防止不同視圖之間之光混合，則各影像亦可同時包含多個視圖。因 此，可存在時序多視圖操作。
本發明亦提供一種控制來自一背光之一光輸出之方向之方法，其包括：將光提供至一光導中，該光導具有平行頂面及底面及一對相對側邊緣，其中將該光提供至相對側邊緣之一者或兩者；使用形成於該平行頂面或底面處之一光耦出結構陣列來重新導向光，使得其在該等光耦出結構之位置處從該頂面自該光導逸出，其中該方法包括：控制該光跨各自具有一不同角方向之至少第一光輸出與第二光輸出之間的邊緣至邊緣方向相對於該等平行頂面及底面之平面進入光導之仰角方向，其中進入該光導之該等第一及第二光輸出導致自該頂面之不同光輸出角。
本發明亦提供一種控制一自動立體顯示裝置之方法，其包括：使用如上文定義之方法來控制來自一背光之光輸出之方向；將來自改背光之改光輸出提供至一顯示面板；及控制由顯示面板顯示之影像，其中藉此在兩種模式下操作顯示裝置：一第一模式，其中第一光輸出進入光導且該顯示面板經控制以顯示一第一影像；及一第二模式，其中第二光輸出進入該光導且該顯示面板經控制以顯示一第二影像，其中時序地提供該等第一及第二模式。
1‧‧‧直視自動立體顯示裝置
3‧‧‧液晶顯示面板
5‧‧‧顯示子像素/顯示像素
7‧‧‧光源/背光
7a‧‧‧側邊緣
7b‧‧‧側邊緣
7c‧‧‧頂邊緣
7d‧‧‧底邊緣
9‧‧‧雙凸透鏡薄片
11‧‧‧雙凸透鏡元件
12‧‧‧長形軸
13‧‧‧控制器
30‧‧‧光發射器陣列/細發光條陣列
32‧‧‧正透鏡陣列
34‧‧‧複製結構
40‧‧‧側光式光導
40a‧‧‧頂面
40b‧‧‧底面
40c‧‧‧側向邊緣
42‧‧‧光源
42a‧‧‧光源
42b‧‧‧光源
44‧‧‧光耦出結構/光耦出特徵部
70‧‧‧頂角
80‧‧‧顯示面板/2D面板
82a‧‧‧準直器
82b‧‧‧準直器
84a‧‧‧光耦入/操縱配置
84b‧‧‧光耦入/操縱配置
120‧‧‧光重新導向膜/光重新導向配置
130a‧‧‧光束整形元件/耦入光束整形元件
130b‧‧‧光束整形元件/耦入光束整形元件
150a‧‧‧光發射器矩陣
150b‧‧‧光發射器矩陣
152a‧‧‧透鏡
152b‧‧‧透鏡
154a‧‧‧機械支撐件
154b‧‧‧機械支撐件
156a‧‧‧光吸收結構/塗層
156b‧‧‧光吸收結構/塗層
157‧‧‧扇
158‧‧‧光源
159‧‧‧LED之線
160a‧‧‧主動光學元件
160b‧‧‧主動光學元件
α‧‧‧入射角
β‧‧‧角/稜鏡基底角
σ‧‧‧光耦出結構之半頂角
θin‧‧‧角
H‧‧‧光導之高度
h‧‧‧光耦出結構之高度
w‧‧‧光耦出結構之寬度
現將參考隨附圖式僅以實例之方式描述本發明之實施例，其中：圖1係一已知自動立體顯示裝置之一示意性透視圖；圖2展示使用條狀發射器之一已知方向背光設計； 圖3展示使用一側光式光導之一已知背光設計；圖4用以提供對圖3之光導之光學功能之一分析；圖5展示依據垂直於光導方向之平面中之垂直角及包含光導方向之平面中之側向角而變化之出射光之角強度分佈；圖6展示沿具有90度之一垂直角之側向角的光強度之一橫截面；圖7用以展示可於背光之輸出處應用之一光束重新導向功能；圖8展示照明一顯示器以形成一自動立體顯示之本發明之一般背光設計；圖9展示自一背光出射之一光束方向與光耦入至背光之一角之間的一關係；圖10展示針對耦入稜鏡頂角之三個值70°、120°及160°之角強度分佈圖；圖11以圖形形式而非使用一強度圖展示圖10之三個模擬之角光強度分佈；圖12展示背光設計之一第一更詳細實例；圖13展示背光設計之一第二更詳細實例；圖14展示給出四個不同光輸出角之圖12及圖13之設計；圖15展示背光設計之一第三更詳細實例；圖16展示背光設計之一第四更詳細實例；圖17用以展示可如何最佳化光導之光耦出結構之設計以提供最大輸出視錐寬度；及圖18展示用於背光以在視圖轉變期間遮蔽一可感知閃爍之一可能操作序列。
本發明提供一種顯示背光，其包括一側光式光導，該側光式光導具有一光耦出結構陣列以使光能夠在光耦出結構之位置處自光導逸 出。一光源配置用於在相對側邊緣之一者或兩者處將光提供至光導中。光源配置可控制以將至少第一及第二光輸出之一選定者提供至光導中，各不同光輸出具有與光導之總平面(general plane)之一不同角且導致自光導逸出之光具有一不同射出角範圍。以此方式，基於將光耦入至一光導中之方式而實現一方向背光輸出。此提供僅需要控制提供至光導之光之一簡單結構。背光可例如實現形成一自動立體顯示而無需一雙凸透鏡陣列。
本發明係基於對來自一光導背光之光學輸出之特性之一分析。
對於具有具一折射率n之材料之一平面光導，光線以在以下範圍內之入射角α在光導內部傳播θc<α<90° (1)
其中θc=sin-1(1/n)。
自光導提取光之一典型方式係使用耦出結構，例如光導之背板處之稜鏡結構。
圖4中展示具有與光導之總平面成一角β之一光耦出刻面之此等結構之效應。
因此，光以一角照射於稜鏡刻面上：γ=α-β
當滿足全內反射(TIR)之條件時此光將自刻面反射使得γ>θc。
光導之頂表面上之入射角係：φ=2γ-α=α-2β
且在以下情況時將自光導提取出此光線φ<θc
因此，關於β之組合條件係：α-2β<θc<α-β (2)
為最大化所提取光之角範圍之寬度，組合方程式(2)及(1)導致一 條件：2β=90°-θc
或等效地cos(2β)=1/n
用圖5中之光線追蹤模擬之結果繪示具有可自一光導耦出之角之一廣分佈範圍之可能性。
該圖繪示依據垂直於光導方向之平面中之垂直角(V，在y軸上標繪)及包含光導方向之平面中之側向角(L，在x軸上標繪)而變化之出射光之角強度分佈。光導平面之法向方向對應於L=V=90°。
將強度展示為圖之陰影區域中之區之亮度。
在此實例中，光導係由具有n=1.48之一折射率之聚(甲基丙烯酸甲酯)PMMA製成，且耦出結構係其中光重新導向經由全內反射而發生之稜鏡溝槽。稜鏡之頂角係132度且此滿足大於cos(2β)=1/n之條件。
應注意，光耦出結構可為對稱或非對稱稜鏡元件。
光源係簡單朗伯(Lambertian)發射LED而無耦合至光導中之任何額外光學組件。
在圖5中，左側較亮區域對應於較高強度。
圖6中展示沿具有V=90度之側向角L之光強度之一橫截面。
出射光具有具與法向成約45度之一最大值之一「平坦」強度部分。藉由在光導之頂部上添加重新導向稜鏡而將此出射光分佈重新導向成按法向方向(0度)為中心之一分佈。可藉由熟習此項技術者基於稜鏡材料之折射率及入射光角分佈而計算稜鏡角之最佳選擇。
對於圖5及圖6中展示之分佈及由PMMA材料製成之稜鏡，55度之一最佳稜鏡頂角容許將出射角光線分佈轉換成以背光之法向方向為中心之分佈。
圖7中展示具有55度頂角70之一稜鏡用於重新導向射出光線(如圖4中所展示)之此重新導向功能。頂角指向背光之頂面。
已知達成沿一光導之整個長度之均勻光耦出之數種方法。耦出結構之尺寸可遠小於其等之間之間距且結構之大小/密度朝向一光導之末端/中間部分可增加。
歸因於有限製造精度之一些結構缺陷(角之修圓、大小及幾何形狀變動)可降低一方向背光之效能(諸如峰值強度之一減小，在所要角範圍外部之稍微加寬或額外最大值)。
當與耦出結構之大小相比，缺陷之大小變得顯著時，此等效應可變得明顯。實務上，使用常見製造方法之結構之修圓半徑係約2微米或更小。此精度足以實現具有約25微米至50微米之結構大小的一方向背光之一良好效能。
自動立體顯示器中可採用具有在多個視圖方向上產生準直光輸出之一背光組件，且此將容許使用一顯示器之全空間解析度。消除通常形成於一厚玻璃間隔件上方之雙凸透鏡將容許顯著縮減一3D顯示器之厚度。不使用任何雙凸透鏡之操作亦避免視錐重複。
例如，對於一多視圖自動立體顯示器，可在若干不同視圖方向之間掃描背光發射準直光之方向。
圖8展示與一3D自動立體顯示器一起使用之背光設計之一第一實例。
顯示器包括具有光耦出結構44之一光導40及頂部上方之一顯示面板80。光導係邊緣照明，且展示兩個光源42a、42b。各光源具有一相關聯準直器82a、82b。此外，在來自各光源之光輸出進入光導之邊緣之處，提供呈一光耦入或操縱配置84a、84b之形式之一光束整形元件。
使用將光耦入至光導中之方式來控制光輸出方向。藉由操縱光 輸出，實現利用2D面板80之全解析度的一多視圖自動立體3D顯示器。可時序地更改光輸出方向使得在各時間時使用全解析度。
顯示面板80例如經安裝而使側平行於背光之側邊緣。因此，圖8展示跨顯示器之一橫截面。光耦出特徵部44平行於側邊緣延伸，因而其等控制側向方向上之光輸出方向。顯示器無需一雙凸透鏡陣列，此係因為全部方向控制係由背光實施。
顯示器經控制以顯示一序列之多個視圖。同時，一背光之光輸出之方向性與顯示面板之切換同步地在多個方向(對應於預期觀看方向)之間切換。
光耦出特徵部44可例如包括對稱非對稱稜鏡元件，且其等可於光導之頂平面或底平面上應用(如圖8中所展示)。可以已知方式達成跨整個面板之自光導之一均勻耦出。例如，可沿光導調諧結構之高度或密度以改變結構之各者之相對耦出。
準直器82a、82b確保所產生之光至少在一方向上(垂直於光導平面)經足夠準直。在另一方向上，光可更為發散。
光耦出結構44係例如總平面上方凸起之條，且在平行於此總平面之一平面中容許發散。此發散將不改變光耦出功能，該功能取決於垂直於條之長度之一平面中(即，圖8之平面中)之光方向。
背光單元藉由按某些經界定不同角將準直光耦入至光導中而在多個方向上產生光。可以數種方式(例如藉由使用位於光導之側上之靜態或動態切換之光學元件)實現光之耦入。
下文描述各種實例。
來自光源之光輸出需要一特定準直度。出自背光單元之光之角擴展係由光源之方向性決定。具有全內反射(TIR)準直器、反射器、複合拋物面聚光器(CPC)或其他光學元件之LED可用作一準直光源。或者，雷射可用作光源。
光優先在一方向上(即在垂直於光導平面(即，圖8之平面中)之方向上)經準直，且其在平行於光導平面之方向上可發散。
所需準直度取決於應用。對於具有兩個視圖之一可攜式自動立體裝置，一視圖之角寬係約4度，此將轉譯成對一光導之一特定設計之一光源之準直之一要求。對於一多視圖顯示器，可需要較高準直度。
由背光產生之光角強度分佈係由以下若干參數決定：光源方向性、決定光導內部之光傳播角的光束整形元件、光導材料之折射率、周圍介質之折射率及耦出結構之幾何形狀。取決於參數組合，來自背光單元之光輸出可覆蓋整個180°角範圍或可侷限於自法向之一較小角範圍(例如，0°至90°)內。此可藉由在一側上截割光而達成。接著，使用一額外光轉向光箔(例如用光重新導向稜鏡)容許將經截割出射角光線分佈變換成以背光之法向方向為中心之一分佈。
存在控制光導內部之光傳播之角範圍之多種方式。一方式係當將光耦入至光導中時侷限且操縱該光。此控制可使用經放置而與主動切換光源配準之主動光學元件或被動元件之任一者而實現。
下文藉由一般設計之光線追蹤模擬之結果繪示方向背光之功能性，該一般設計包括定位於光導之邊緣處之主動光束整形光學元件及一額外光束重新導向光學結構層(即，下文結合圖12描述之層120)。
光源在垂直於光導平面之方向上經準直(例如，準直至4度或更小之一發散)且在光導平面中發散。此發散可具有例如介於60度與180度之間之任何適合值(例如具有一90°角)。
在一平面中至遠大於一正交平面中之一度數之此準直給出在此文獻中稱為一「部分準直」光輸出之光輸出。
光源經由主動光學元件(例如，電潤濕稜鏡元件)自光導之一側耦入。在此實例中，光束整形稜鏡元件被視為具有與一光導材料相同之 折射率。
圖9及圖10中展示模擬結果。
圖9展示根據一般設計之一背光之光束掃描功能性之光線追蹤模擬之結果。在y軸上展示依據一光導之側上之光束整形稜鏡元件之角(此角係x軸)而變化之光束輸出方向。
圖10中使用與圖5中相同之軸展示針對光束整形(耦入)稜鏡頂角之三個值70°、120°及160°之角強度分佈圖。
圖11以一極座標圖而非使用一強度圖展示圖10之三個模擬之角光強度分佈。
結果繪示在自70°至110°之範圍內調諧所產生視圖之角之可能性，該範圍對應於自背光之法向方向±20°之角調諧範圍。
在角調諧範圍之一側(較大角)處，光之出射寬度略寬且當顯示器在垂直於光導引方向之平面中傾斜(即，V自90°偏離)時，視圖展示更多失真。當一半視圖由位於一顯示器之不同側上的光源及光學元件產生時，可顯著減少一設計中此等種類的失真。
現將參考圖12更詳細描述一第一實施例。
在此第一實施例中，不同光輸出方向之光源經配置而相對於光導之總平面成不同角(即，不同仰角)。等效地，光源經配置而相對於光在其處耦入至光導中之邊緣面成不同角。
圖12展示一平面圖及一橫街面視圖且展示具有一仰角或傾斜角之一組光源42a及具有一不同仰角或傾斜角之另一組光源42b。
藉由相對於光導40之耦入邊緣以一特定角配置準直光源而將光以不同光傳播角耦入至光導。提供光源之至少兩個不同角定向，例如在光導之一側處之一固定角及在另一側處之另一固定角。此容許由背光單元產生之光之至少兩個主要傳播方向。
取決於光導內之光耦出結構之幾何形狀及類型，可需要一光重 新導向膜120來將光重新導向至恰當方向中。光傳播之方向與光重新導向配置120組合將決定所產生視圖之出射角。
由一顯示面板顯示之影像與負責不同視圖之傳播之不同類型的光源之開啟/關閉之同步使能夠實現一時序多視圖顯示。
現將參考圖13更詳細描述一第二實施例。
在此第二實施例中，不同光輸出方向之光源具有光束整形元件130a、130b。此等元件係光導之側處之靜態耦入結構。此等光束整形元件放置於其等之各自光源前面。元件之不同之處在於其等按一不同角將光耦入至光導中。因此，光學地而非如第一實例中般機械地實施所要傾斜。藉由切換光源，輸入光可以所要角進入至光導中且藉此操縱出自光導之光。
此方向光可再次用以產生用於一時序自動立體面板之視圖。用以將光耦入至光導中之光束整形結構可包含反射(鏡)或折射(例如，稜鏡)光學元件至任一者。
在圖13之實例中，光束整形元件包括稜鏡結構。在此情況中，定義具有用以按不同角將光耦入至光導中之不同頂角的兩個不同類型之耦入光束整形元件130a、130b。
稜鏡結構通常將入射光分離至兩個方向中。相對於光導之總平面向下導向之角將耦出光導。
按一正角(相對於光導之總平面向上)耦入至光導中之光在其已在光導內部反射奇數次之後可耦出。因此，雖然稜鏡結構將各光源劃分至兩個主要方向中，但將僅存在來自各光源之耦出光之一主要方向。
在光導之頂部上係用以將耦出光導向至法向之一稜鏡光重新導向配置120。
藉由用於耦入光之不同類型之光束整形元件之數目Nin乘以發生照明之側之數目Nsides而給出用此實施例可產生之主要耦出方向之總 數目Ndir：Ndir=Nsides x Nin
因此，在所展示之實例中，方向之總數目係四。在圖14中，粗略描繪此等方向。藉由時序地開啟對應於此四個方向之一者之光源，可產生四個不同視圖。
現將參考圖15更詳細描述一第三實施例。
在此第三實施例中，不同光輸出方向之光源包含與一透鏡組合之一主動發射器矩陣。此組合用作再次實現更改入射於光導之光之傾斜角或仰角之一光束操縱方法。
各光源42a、42b包括一光發射器矩陣150a、150b及一透鏡152a、152b，該透鏡152a、152b由具有一光吸收結構或塗層156a、156b之一機械支撐件154a、154b支撐。
以此方式，代替需要多個不同光學元件，每光學元件可存在多個光源。透鏡通常將為具有與光源之位置近似匹配之一焦長之一柱面透鏡。因此，光源之位置平移至具有與光導法向至一角之一扇157中。
圖15更詳細展示發射器矩陣150a且展示個別光源158(諸如LED)。LED之一線159與一特定視圖方向相關聯。
可藉由選擇性地切換光源而掃描視圖。其他光學元件(諸如一雙凸透鏡陣列)可用以使光之多個扇與一單一光源相關聯。一雙凸透鏡之此使用產生非頭部追蹤多視圖操作可期望之視錐重複。
現將參考圖16更詳細描述一第四實施例。
在此第四實施例中，使用主動(即)可切換光學元件來實施一類似光束操縱方法，該方法再次實現更改入射於光導之光之傾斜角或仰角。
光源42a、42b提供提供至主動光學元件160a、160b之一準直輸 出，主動光學元件160a、160b提供光再次相對於光導之總平面耦入至光導中之可調諧角之功能性。
此等主動光學元件可係基於反射元件(例如，MEMS鏡)以改變光耦入方向，或係基於折射元件(例如，電潤濕稜鏡)以動態改變光耦入方向。
當使用電潤濕微稜鏡陣列作為耦入光束整形元件時，取決於對液體之折射率組合及微稜鏡胞元之幾何形狀之選擇，光束偏轉可相當大，理論上達到高達30°。主動光學元件可以高達一kHz頻率在不同角之間切換。若顯示像素能夠以相同或類似速率操作，則其可在多個準連續觀看方向上時序地產生大量視圖。
主動光學元件160a、160b可分離成群組(例如，與一光導之各側相關聯之兩個群組)。接著，各群組可負責產生多個視圖之一子集。此容許主動胞元至各者在減小的角範圍內操作且應導致切換時間之縮減。
內部光導耦出特徵部可具有不同設計。
一第一組實例係基於全內反射。其等藉由全內反射(TIR)而重新導向光至正面，光在該處提取出光導。
為最大化自光導提取之光線之角範圍，在稜鏡之基底處之較佳角β(即，反射刻面相對於光導之總平面之角)應遵守以下關係：cos(2β)=1/n1g
其中n1g係光導(與空氣接觸之稜鏡凹槽)之材料之折射率。更一般而言，此條件變換為：cos(2β)=no/n1g，
此係在光耦出結構與具有折射率no之另一介質接觸時。
此最大化可自光導提取之光線之角範圍。若β=0(無提取結構)，則將完全不提取光，對於β之一中間值(即，cos(2β)>no/n1g)，光導外 之光分佈將具有某一中間寬度，且對於β={cos-1(no/n1g)}/2，可提取之角分佈之寬度係約90度，如圖6中所展示。
一第二組實例係基於具有一反射表面之提取特徵部(即，無關於入射角)。例如用一反光塗層(例如，金屬)塗佈光導之背板處之光耦出結構。因為耦出結構處不再需要全內反射之約束，所以可自一較廣角β範圍(耦出稜鏡之基底)選擇。
已計算依據β而變化之耦出光之最大寬度且在圖17中展示結果，圖17標繪光輸出寬度(y軸)對稜鏡基底角β(x軸)。為最大化出射光之角寬，β可選擇為：sin-1[namb/n1g]β(90°-sin-1[namb/n1g]
對於PMMA，此相當於介於42度與48度之間之一β值。對於β之此等值，取決於耦入光之方向，耦出光可在-90度高達90度之範圍內。
在光導由PMMA材料(n=1.48)製成且耦出結構基於其中光重新導向經由全內反射而發生之稜鏡溝槽之情況下，內部光耦出稜鏡之頂角將最佳化為132度(使得β=44度)以滿足如上文概括之cos(2β)=1/n之條件。
圖17係針對在空氣中由PMMA製成之一光導。在180度處，存在視錐寬度最大之β之一小範圍。
上述一些實例使用呈光導上方之一重新導向膜120之形式之一光重新導向配置。例如若來自背光單元之(直接)光輸出侷限於自法向之一角範圍(例如，0°至90°)內，則需要此。若在一側上截割輸出光則為此情況。此角光分佈可變換成以法向方向為中心之一分佈，此實現將方向背光單元更直截了當地應用於多視圖顯示器。
包括用於重新導向光朝向法向方向之結構之一額外光學膜放置於光導之頂部上。結構可為具有可基於材料之折射率選取之一頂角(例如，對於PMMA約55°)且經定向朝向光導之稜鏡元件。
與具有一反射體塗層之耦出結構之實例相比，基於全內反射情況之實例中之光導中之稜鏡溝槽光耦出結構可具有較小基底角。因此，耦出結構更平坦且可更易於製造。
在光導之頂部上添加重新導向稜鏡容許將出射角光線分佈轉換成以背光之法向方向為中心之分佈。55度之一最佳頂角達成此重新導向。運用此設計，藉由調諧稜鏡在光導之側上之角，出射光束可例如在自法向±20°之範圍內掃描。圖9中展示上文論述之稜鏡角與光束導向之間之此關係，且圖9展示輸出光束方向可在大約90度±20度之範圍內調整。
現將參考圖18更詳細描述一第五實施例。
在此第五實施例中，可與一可切換光源組合使用主動光學元件以遮蔽視圖轉變。
主動光學元件之一些實施方案之一可能缺點係在任兩個光學模式之間切換所需之時間。在此轉變期間，應關閉光源以避免可見重影或一中等黑階。光學元件之切換時間可導致一低視圖計數或可感知閃爍及低亮度。
可藉由其中若干光源及光學元件組合同步作用以實現一無閃爍操作之一掃描背光方法來隱藏切換時間。各組合在一「轉變」或一「接通」狀態中。
圖18之實例具有一背光，該背光具有圖18(a)至圖18(d)中循序展示之四個子圖框。在各子圖框中，兩個視圖或模式「A」及「B」在作用中。模式「A」及「B」可例如對應於一單一觀看者之左眼及右眼或對應於觀看者「A」及「B」。不同視圖可對應於各圖框中之一不同視點。
標籤接通(ON)或關斷(OFF)標示一光源是否接通或關斷。各光源將其輸出呈現至一準直器及接著一可操縱光學器件系統。各光源遵循 模式A(光源接通)、切換至模式B(光源關斷)、模式B(光源接通)、切換至模式A(光源關斷)之一序列。以此方式，光源僅當光束操縱系統準備好時接通，且藉由使光源交錯而不存在不連續性。
此配置實現閃爍之一減少。
在圖18之系統中，「模式A」及「模式B」光源之光配置成不混合。此可藉由光源在光導之平面中之部分準直而達成，或可存在多個光導條使得光藉由條側壁上之全內反射而侷限於條內。
一完美準直背光單元將具有來自背光之全部區域之相同光輸出方向。當一背光之角光分佈足夠窄使得其小於一顯示之視野時，此可產生並非來自一顯示器之全部區域之光可到達觀察者之眼睛之一非所要效應(一顯示之一些部分將顯現暗)。
對於常見基於雙凸透鏡之自動立體顯示器，藉由顯示子像素之間距與雙凸透鏡間距之間之一失配而實現此所謂視點校正。以此方式，在相對於來自顯示面板之中心之光的不同方向上導向來自一顯示器之側處之像素之光。對於一方向背光單元，可在一重新導向光箔之位階處或(若未使用箔)光導內之光耦出結構之位階處實現一角分佈之此校正。校正需要沿背光之長度在空間上選擇性調整結構幾何形狀(重新導向稜鏡或其他光耦出結構之角)。
目的係確保來自背光之頂面之光輸出角(可或可不包含一光重新導向膜)依據頂面上方之位置而變化使得來自頂面之全部位置之光到達一共同視點。此共同視點對於背光之兩種模式將為不同的，但其將在距顯示器之相同距離處，使得一視點係一使用者之一眼睛所預期之位置且另一視點係使用者之另一眼睛所預期之位置。
對於顯示器尺寸之範圍，一典型視野在7度至12度(半角)內。已針對一設計執行光學模擬，其中在光重新導向膜之位階處實現角分佈校正。依據稜鏡結構距背光之中心線之距離而修改稜鏡結構之角。一 背光之側處之出射光方向之角校正係選取為±10°(光傾斜朝向觀看者)。
藉由光學模型化，具有一經修改光重新導向板之此設計之一背光之光束掃描功能性被檢查為在與圖9至圖11中所呈現之相同範圍內。已確證來自一背光之側及中心之光線會聚至相同觀看區域中，而提供對背光之整個角調諧範圍(±20°)之一有效視點校正。
一些顯示系統使用對觀看者位置之頭部追蹤。在此一系統中，可針對特定觀看者位置(或多個觀看者)之最佳舒適感調整主動光學元件之驅動以在一特定方向上產生視圖。
方向背光組件可應用於自動立體多視圖3D顯示器及具有隱私模式之顯示器。
自圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究，熟習此項技術者在實踐主張之本發明時可瞭解及實現所揭示實施例之其他變動。在申請專利範圍中，字詞「包括」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」或「一個」並不排除複數個。某些措施在相互不同的附屬請求項中敘述，但僅就此事實，並不表示此等措施之一組合無法用來獲得好處。申請專利範圍中之任何元件符號不應理解為限制範疇。
40‧‧‧側光式光導
42a‧‧‧光源
42b‧‧‧光源
44‧‧‧光耦出結構/光耦出特徵部
80‧‧‧顯示面板/2D面板
82a‧‧‧準直器
82b‧‧‧準直器
84a‧‧‧光耦入/操縱配置
84b‧‧‧光耦入/操縱配置

Claims (15)

  1. 一種顯示背光，其包括：一光導，其具有平行頂面(40a)及底面(40b)及一對相對側邊緣(40c)，其中光輸出係來自該頂面(40a)；一光源配置(42)，其用於在該等相對側邊緣之一者或兩者處將光提供至該光導中；及一光耦出結構(44)陣列，其形成於該平行頂面或底面處以重新導向光使得其在該等光耦出結構之位置處自該光導逸出，其中該光源配置可控制以提供至少第一及第二光輸出之一選定者進入至該光導中，該等第一及第二光輸出至少部分經準直且該光源配置經調適以使該等第一及第二光輸出相對於該等平行頂面及底面之平面以一不同仰角方向且跨邊緣至邊緣方向進入至該光導中，其中該等第一及第二光輸出進入至該光導中導致自該頂面(40a)之不同光輸出角。
  2. 如請求項1之背光，其中在該等平行頂面及底面之該平面中，該光導之形狀係一矩形。
  3. 如請求項1或2之背光，其中該等第一及第二光輸出導致自該光導逸出之光在延伸於該等側邊緣之間之一法平面中具有一不同射出角範圍。
  4. 如前述請求項中任一項之背光，其中該等第一及第二光輸出至少在垂直於該等頂面及底面之一平面中經準直。
  5. 如前述請求項中任一項之背光，其中該等光耦出結構包括平行於該等側邊緣延伸之稜鏡條(120)。
  6. 如前述請求項中任一項之背光，其中該光源配置包括至少第一及第二光源，其等經安裝而與該等平行頂面及底面之該平面成 不同角。
  7. 如請求項1至5中任一項之背光，其中該光源配置包括至少第一及第二光源，其等各自具有用於相對於該等平行頂面及底面之該平面設定至該光導中之一光輸出角之一相關聯光束整形元件。
  8. 如請求項7之背光，其中該等光束整形元件包括：靜態稜鏡結構，其等經設計用於至該等平行頂面及底面之該平面之一特定光輸出角；或動態光束整形元件，諸如稜鏡裝置。
  9. 如請求項1至5中任一項之背光，其中該光源配置包括至少第一及第二光源，其等各自包括一光發射器陣列及一輸出透鏡。
  10. 如前述請求項中任一項之背光，其進一步包括該光導之該頂面上方之一光重新導向配置。
  11. 如前述請求項中任一項之背光，其中自該頂面之該等光輸出角依據該頂面上方之位置而變化，使得來自該頂面之全部位置之光到達一共同視點。
  12. 一種自動立體顯示裝置或隱私顯示器，其包括：如前述請求項中任一項之背光；及一顯示面板(3)，其具有用於產生一顯示影像之一顯示像素(5)陣列，該顯示面板由該背光照明。
  13. 如請求項12之自動立體顯示裝置，其包括一控制器，其中該控制器經調適以在兩種模式下操作該顯示器：一第一模式，其中將該第一光輸出提供至該光導中且控制該顯示面板以顯示一第一影像；及一第二模式，其中將該第二光輸出提供至該光導中且控制該顯示面板以顯示一第二影像， 其中該控制器經調適以時序地實施該等第一及第二模式。
  14. 一種控制來自一背光之一光輸出之方向之方法，其包括：將光提供至一光導中，該光導具有平行頂面(40a)及底面(40b)及一對相對側邊緣(40c)，其中將該光提供至相對側邊緣之一者或兩者；使用形成於該平行頂面或底面處之一光耦出結構(44)陣列以重新導向光，使得其在該等光耦出結構之位置處從該頂面自該光導逸出，其中該方法包括：控制該光跨各自具有一不同角方向之至少第一光輸出與第二光輸出之間的邊緣至邊緣方向相對於該等平行頂面及底面之平面進入該光導之仰角方向，其中進入該光導之該等第一及第二光輸出導致自該頂面(40a)之不同光輸出角。
  15. 一種控制一自動立體顯示裝置之方法，其包括：使用如請求項14之方法控制來自一背光之光輸出之方向；將來自該背光之該光輸出提供至一顯示面板；及控制由該顯示面板顯示之影像，其中藉此在兩種模式下操作該顯示裝置：一第一模式，其中該第一光輸出進入光導且該顯示面板經控制以顯示一第一影像；及一第二模式，其中該第二光輸出進入該光導且該顯示面板經控制以顯示一第二影像，其中時序地提供該等第一及第二模式。
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