TW201701033A - 廣角成像方向性背光 - Google Patents

Abstract

一種成像方向性背光設備包括一波導、一光源陣列，用於自局部化光源提供大面積的經導向照明。該波導可包括一階梯式結構，其中該等階梯可進一步包括對依一第一向前方向傳播的經引導光而光學隱藏的提取特徵。依一第二偏轉方向傳播的返回光可被該等特徵折射、繞射、或反射，以提供自該波導之頂部表面出射的離散照明光束。透過自該波導之側使個別光源成像而形成觀看窗，且因此該等觀看窗界定系統元件及射線路徑之相對位置。可提供一種具有小佔用區域且低厚度之方向性背光。

Description

廣角成像方向性背光 【相關申請案之交互參考】

本申請案主張以下的優先權：2015年5月27日申請之美國臨時專利申請案第62/167,203號標題為「Wide angle imaging directional backlights」(廣角成像方向性背光)(代理人參考案號384000)及2015年5月27日申請之美國臨時專利申請案第62/167,185號標題為「Wide angle imaging directional backlights」(廣角成像方向性背光)(代理人參考案號379000B)，該兩案全文皆以引用之方式併入本文。

本揭露大體上係關於光調變裝置之照明，且更具體而言，係關於自局部化光源提供大面積照明的光導，以供在2D、3D及/或裸眼式立體顯示裝置(autostereoscopic display device)中使用。

空間多工裸眼式立體顯示器典型地把一視差組件(諸如一雙凸透鏡螢幕或視差屏障)與一影像陣列對齊，該影像陣列經配置為一空間光調變器(例如一LCD)上的至少第一組像素及第二組像素。該視差組件導向來自該等組像素之各者的光在不同的各別方向上，以在該顯示器的前方提供第一觀看窗及第二觀看窗(viewing window)。視線放在該第一觀看窗的觀察者可看到一第一影像(其有來自該第一組像素的光)；及視線放在該第二觀看窗的觀察者可觀看一第二影像(其有來自該第二組像素的光)。

與該空間光調變器之原生解析度相比較，此類顯示器具有減小之空間解析度，且進一步，藉由像素孔隙形狀及視差組件成像功能決定該等觀看窗之結構。像素之間之間隙(例如，用於電極的間隙)典型地產生非均勻觀看窗。不理想地，隨著觀察者相對於顯示器側向移動，此類顯示器展現影像閃爍，且因此限制顯示器之觀看自由度。可藉由使光學元件散焦而減小此類閃爍；然而，此類散焦導致影像串擾(image cross talk)之程度增加且增加觀察者視覺疲勞。可藉由調整像素孔隙之形狀而減小此類閃爍，然而，此類變更會減小顯示器亮度並且會在空間光調變器中包含定址電子器件。

根據本揭露，一種方向性照明設備可包括導向光之一成像方向性背光、提供光至該成像方向性背光之一照明器陣列。該成像方向性背光可包括用於引導光之一波導。該波導可包括一第一導光表面及一第二導光表面，該第二導光表面與該第一導光表面相對。

一般而言，顯示器背光採用波導及邊緣發射光源。某些成像方向性背光具有導向照明穿過顯示面板至觀看窗中之額外能力。一成像系統可形成於多個光源與各別窗影像之間。成像方向性背光之一實例係光學閥(optical valve)，其可採用一摺疊光學系統且因此亦可係摺疊成像方向性背光之一實例。光可實質上無損失地依一方向傳播 穿過該光學閥，同時反向傳播光可藉由反射離開偏斜之刻面(facet)而被提取，如美國專利申請案第13/300,293號(美國專利公開案第2012/0127573)所描述，該案全文以引用之方式併入本文。

方向性背光透過一波導提供照明，該照明以在該波導內的方向而成像至觀看窗。來自在輸入端部處之光源且在該波導內傳播的發散光經提供而具有經減小發散，且該發散光典型地藉由在該波導之一反射端部處的一曲形反射鏡予以準直、並且藉由曲形光提取特徵或一透鏡(諸如一菲涅耳透鏡)的手段而朝向一觀看窗成像。對於在軸觀看窗(on-axis viewing window)，經準直光實質上平行於矩形形狀之波導之邊緣，並且使得光跨該波導之整個區域、朝向觀看窗而輸出。對於離軸位置，經準直光之方向不平行於矩形波導之邊緣，而是依一非零角度傾斜。因此，一非經照明(或空隙)外部分(其形狀可係三角形)形成於經準直光束之一邊緣與波導之各別邊緣之間。來自該外部分內的光皆未被導向至各別觀看窗，並且顯示器將在此區域中顯示為黑暗。希望減小離軸觀看位置的黑暗外部分之外觀，使得可使用波導之更多區域來照明一空間光調變器，有利地，減小系統大小及成本。

一般而言，運用此及相關成像方向性背光系統，歸因於高角度的暈影使得非所有背光區域皆可用。可藉由引入光至為空隙之區域中來修改該系統而克服此限制。此類經修改明設備實施例可造成增加之亮度、局部獨立照明及方向性能力。

根據本揭露之一第一態樣，提供一種包含一方向性波導及光源之方向性背光，該方向性波導包含：一反射端部，其依一側向方向伸長；相對之第一引導表面及第二引導表面，其等自該反射端部之側向延伸邊緣延伸，用於引導輸入光沿該波導朝向該反射端部及用於引導藉由該反射端部所反射之光遠離該反射端部，該第二引導表面經配置以使自該反射端部反射之光偏轉穿過該第一引導表面作為輸出光；及側表面，其等延伸於該第一引導表面與該第二引導表面之間，其中該等光源包括沿一側表面配置之一光源陣列，以透過彼側表面提供該輸入光，及該反射端部包含依該側向方向彼此交替之第一刻面及第二刻面，該等第一刻面係反射性且形成具有依該側向方向之正光學倍率一菲涅耳反射器之反射刻面，該等第二刻面形成該菲涅耳反射器之錐度刻面(draft facet)，該菲涅耳反射器具有依一方向傾斜朝向該側表面之一光學軸，其中該菲涅耳反射器依該方向使來自該光源陣列之輸入光偏轉至該波導中，該波導經配置以依輸出方向導向來自該等光源之該輸出光至各別光學窗中，該等輸出方向取決於該等光源之位置而側向分佈。

有利地，可提供一種低厚度之方向性背光，其可提供可控制之光學窗陣列。光源可配置在矩形波導之一短側，達成小佔用區域，尤其適用於行動顯示裝置之應用。

該等光源可包括兩個光源陣列，各光源陣列沿該等側表面之一者而配置，且該等第一刻面及該等第二刻面可係反射性，該等第一刻面及該等第二刻面分別形成各具有依該側向方向之正光學倍率 的第一及第二菲涅耳反射器之反射刻面，該等第二刻面及該等第一刻面分別形成該等第一及第二菲涅耳反射器之錐度刻面，該等第一及第二菲涅耳反射器具有依方向傾斜朝向各別側表面之光學軸，其中該等菲涅耳反射器依該等方向使來自沿該各別側表面配置之該光源陣列之輸入光偏轉至該波導中。該等第一刻面及該等第二刻面可具有對著自該反射端部延伸之一對稱平面的鏡對稱(mirror symmetry)，該等第一及第二菲涅耳反射器之該等光學軸自該對稱平面傾斜朝向該等各別側表面。該等光源可經配置成對著該對稱平面而鏡對稱。有利地，與具有一單一光源陣列之配置相比較，可改良光學窗之角度均勻性、對於一給定觀看位置的跨波導區域之空間均勻性以及最大顯示器明度。

該第一引導表面可經配置以藉由全內反射來引導光，且該第二引導表面可包含複數個光提取特徵及該等光提取特徵之間之中間區域，該等光提取特徵經定向以依若干方向導向藉由該反射端部所反射之光，允許出射穿過該第一引導表面作為該輸出光，該等中間區域經配置以沿該波導引導光。該等光提取特徵可具有依該側向方向之正光學倍率。該等光提取特徵具有該菲涅耳反射器之該光學軸傾斜至其之一光學軸。該等光提取特徵及該等中間區域依一階梯式形狀彼此交替。有利地，可提供曲形光提取特徵，以達成精巧格式且高效率的光學窗之成像。

該方向性背光可進一步包含面對該反射端部之一後端部。有利地，該後端部可比已知方向性階梯式波導更薄，使得相比而言可增加裝置效率。該後端部之厚度可比該等光源之發射高度更薄。

可沿相鄰於該側表面的該後端部之至少部分配置輸入光源。該後端部之至少部分可係反射性。該後端部之至少部分可係非反射性。有利地，可增加裝置效率及均勻性。

(a)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之高度與(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間的比率於跨該側向方向可具有一形貌，該形貌在配置該光源陣列之該側處最大且依該側向方向減小。介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之高度於跨該側向方向可具有一形貌，該形貌在配置該光源陣列之該側處最大且依該側向方向減小。

有利地，與具有兩個光源陣列的波導相比較，可提供具有小佔用區域之一方向性波導，且具有高均勻性。

可提供具有兩個光源陣列之一方向性背光，其中(a)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之高度與(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間的比率於跨該側向方向具有一形貌，該形貌在該等光提取特徵之該光學軸處最小且朝向該光學軸之各側增加。介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之該高度於跨該側向方向可具有一形貌，該形貌在該等光提取特徵之該光學軸處最低且朝向該光學軸之各側減小。該第一引導表面處的該後端部之該邊緣可係曲形，且該第二引導表面處的該後端部之該邊緣可係筆直的，以提供該形貌。有利地，可增加在軸觀看位置之空間均勻性。

該波導可包括相鄰於該側表面之一漸縮區域，在該漸縮區域內，介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該波導之高度沿著自該波導之其餘部分朝向該側表面的一方向增加。依該側向方向的該漸縮區域之寬度依遠離該反射端部之方向增加。

有利地，與無漸縮區域之波導相比較，可使用高度大於該波導之最薄部分之高度的LED來達成更大的明度及效率。可減小波導厚度，且因此減小顯示器厚度。

該菲涅耳反射器之該光學軸可依一方向朝向該側表面傾斜，使得來自沿一側表面配置之該光源陣列之一光源的該輸出光被導向至光學窗分佈之中心光學窗中。沿其配置該光源陣列之該側表面可包含凹部，該等凹部包括面對該反射端部之輸入刻面，該等光源經配置以透過該等輸入刻面提供該輸入光。有利地，當藉由配置在該波導之該側的光源被照明時，可在軸觀看位置提供光學窗，而減小該背光之佔用區域(footprint)。

與沿其配置該光源陣列之該表面相對的該側表面可包含側反射刻面，其中該等側反射刻面提供一側菲涅耳反射器，該側菲涅耳反射器依該側向方向及光學軸方向之正光學倍率實質上相同於配置在該反射端部處的該菲涅耳反射器。有利地，與具有兩個光源陣列之配置相比較，一單一光源陣列可經配置成具有低佔用區域，同時達成離軸觀看位置之所欲空間均勻性。

該方向性背光可進一步包含一後反射器，該後反射器包含一線性反射刻面陣列，該線性反射刻面陣列經配置以反射來自該等 光源之光，該光透射穿過該波導之該複數個刻面、往回穿過該波導以出射穿過該第一引導表面至該等光學窗中。該波導之該等刻面及該後反射器之該等反射刻面可在正交於該側向方向之一共同平面中依相同方式傾斜。該波導之該等刻面可對該第一引導表面之法線傾斜一角度(π/2-α)，且該後反射器之該等反射刻面對該第一引導表面之法線傾斜一角度β而，且2β>π/2-sin^-1(n.sin(α-θ_c))，θ_c係該波導之該等刻面之臨界角，及n係該波導之材料之折射率。該後反射器可與該波導相間隔，使得來自該波導之一個別刻面的光入射在該後反射器之複數個反射刻面上，該後反射器進一步包含延伸於該後反射器之該等反射刻面之間之中間刻面，該等中間刻面依相對於該後反射器之該等反射刻面的一方式傾斜一角度，使得來自該等光源透射穿過該波導之該複數個刻面的該光不入射在該等中間刻面上。有利地，藉由該波導之該等光提取特徵透射的光可有效率地經導向朝向該等光學窗。

該後反射器之該等反射刻面可具有一不規則節距，該不規則節距可係一不規則、隨機化節距。該後反射器之該等反射刻面可具有跨該反射刻面陣列而變化的一傾度。有利地，可最小化該波導與後反射器之間之疊紋(Moiré)效應。

該後反射器之該等反射刻面可係線性及可係曲形。有利地，由該波導所直接提供的光學窗可與由該波導和該後反射器協作所提供的光學窗重疊。

根據本揭露之一第二態樣，一種方向性顯示裝置可包含：根據該第一態樣之一方向性背光；及一透射型空間光調變器，其 經配置以接收及調變來自該波導之該輸出光，以顯示一影像。有利地，可提供一方向性顯示器，其可達成與習知非方向性背光類似效能之廣角照明。進一步，此一顯示器可達成其他操作模式，包括但不限於用於戶外操作之裸眼式立體3D、隱私、雙視圖、省電及高明度。

該空間光調變器可具有一矩形形狀，其具有與該方向性波導之該反射端部對齊的一第一側，該菲涅耳反射器之該光學軸相對於該空間光調變器之該矩形形狀之一軸傾斜，該軸垂直於其第一側。有利地，可提供在顯示器之長邊緣無配置光源的顯示器，進而最小化長側邊框寬度。在精巧行動顯示裝置諸如手機中使用此類顯示器為有利的。

該空間光調變器可係透射性且經配置以接收透過該第一引導表面輸出之該光且經配置以調變具有一第一偏光的光之一第一偏光分量(polarization component)；且一反射偏光器可設置於該波導之該第一引導表面與該空間光調變器之間，且經配置以透射該第一偏光分量且反射具有與該第一偏光的一偏光正交之該輸出光之一第二偏光分量作為拒斥光(rejected light)，該後反射器進一步包含中間刻面，該等中間刻面延伸於該後反射器之該等反射刻面之間且於一共同平面中依相對於該後反射器之該等反射刻面的一方式傾斜，使得數對之一反射刻面及一中間刻面一起形成隅角刻面，該等隅角刻面經配置以反射拒斥光，用於往回供應至該空間光調變器，該等對之一反射刻面及一中間刻面在對著該空間光調變器之法線而定向的一平面中傾斜，使得在反射時，該後反射器將往回供應至空間光調變器的拒斥光之該偏光 轉換成為該第一偏光。一偏光旋轉器可設置於該反射偏光器與該空間光調變器之間，且經配置以旋轉該第一偏光分量。有利地，所製成之該背光有效率地提供經偏光之光至該空間光調變器，進一步以低成本提供增加之明度及均勻性。

根據本揭露之一第三態樣，一種方向性顯示設備可包含：根據該第二態樣之一方向性顯示裝置；及一控制系統，其經配置以控制該等光源。有利地，可達成可於不同操作模式之間切換的小形狀因子且高均勻性的顯示設備。

可依任意組合應用本揭露之態樣之任意者。

本文之實施例可提供一裸眼式立體顯示器，其提供廣角觀看，而可允許方向性觀看及習知的2D相容性。對於廣觀看角度型2D顯示器或對於廣觀看角度型立體3D顯示器，廣角觀看模式可用於觀察者追蹤裸眼式立體3D顯示器、觀察者追蹤2D顯示器(例如，用於隱私或省電應用)。進一步，實施例可提供用於有效率裸眼式立體顯示器用途之受控制照明器。可在方向性背光中使用此類組件，以提供方向性顯示器，包括裸眼式立體顯示器。此外，實施例可係關於可把該方向性背光設備併入之一種方向性背光設備及一種方向性顯示器。此一設備可用於裸眼式立體顯示器、隱私顯示器、多使用者顯示器及其他方向性顯示器應用，其可達成例如省電操作及/或高明度操作。

本文之實施例可提供一種大面積且薄結構之裸眼式立體顯示器。進一步，如將描述，本揭露之光學閥可達成具有大的後工作距離(back working distance)的薄光學組件。可在方向性背光中使用此 類組件，以提供方向性顯示器，包括裸眼式立體顯示器。進一步，實施例可提供用於有效率裸眼式立體顯示器用途之受控制照明器。

可在各種光學系統中使用本揭露之實施例。實施例可包括或搭配各種投影器、投影系統，光學組件、顯示器、微顯示器、電腦系統、處理器、自給式投影器系統、視覺系統及/或視聽系統以及電氣裝置及/或光學裝置。實務上，本揭露之態樣可搭配與光學裝置及電氣裝置相關之任意設備、光學系統、簡報系統或可含有任意類型光學系統之任意設備來使用。據此，可在光學系統、視覺及/或光學簡報中使用之裝置、視覺周邊裝置等以及在數種運算環境中採用本揭露之實施例。

在詳細說明所揭示之實施例之前，應明白，本揭露之應用或創作不限於所展示之特定配置的細節，此係因為本揭露能夠有其他實施例。另外，可依不同組合及配置提出本揭露之態樣，以憑藉其本身獨特地界定實施例。再者，使用於本文之術語係為了描述目的且非限制。

方向性背光提供對實質上自整個輸出表面發出之照明的控制，其典型地透過調變配置在光學波導之輸入孔隙側處的獨立LED光源進行控制。控制經發射之光方向性分佈可達成：用於安全性功能的單入觀看，其中僅可由單一觀看者自受限制角度範圍觀看顯示器；高電氣效率，其中僅在小角度方向性分佈中提供照明；交替左及右眼觀看，以用於時間循序式立體顯示及裸眼式立體顯示；及低成本。

所屬技術領域中具有通常知識者閱讀本揭露之全文後本揭露之此等及其他優點及特徵將為顯而易見。

1‧‧‧階梯式波導

2‧‧‧輸入端部；薄端部側；照明器輸入側；輸入側

4‧‧‧反射端部；遠曲形端部側；側；反射側

6‧‧‧導光側；第一導光側；側；階梯式側；第一(輸出)側

8‧‧‧導光側；第二導光側

10‧‧‧引導特徵；中間區域；元件；區域

12‧‧‧提取特徵；光提取特徵；曲形刻面

14‧‧‧照明器

15‧‧‧照明器陣列；光源陣列

15a‧‧‧照明器元件；照明元件；光源

15b‧‧‧照明器元件；照明元件；光源

15h‧‧‧第二照明器元件；光源

15n‧‧‧照明器元件；照明元件；光源

16‧‧‧光射線

17‧‧‧光錐

18‧‧‧光射線

19‧‧‧光錐

20‧‧‧射線

22‧‧‧(波導之)側

24‧‧‧(波導之)側

26‧‧‧觀看窗；一維觀看窗；第一觀看窗

26a‧‧‧光學窗

26b‧‧‧光學窗

26c‧‧‧光學窗

27a‧‧‧光學窗；在軸光學窗；觀看窗

27b‧‧‧光學窗；觀看窗

27n‧‧‧光學窗；觀看窗

29a‧‧‧光學窗；觀看窗

29b‧‧‧在軸光學窗；觀看窗

29n‧‧‧光學窗；觀看窗

31‧‧‧照明器元件群組

32‧‧‧射線

33‧‧‧照明器元件群組

34‧‧‧(導光側之)第一區域

36‧‧‧(導光側之)第二區域

40‧‧‧光射線；射線

42‧‧‧光射線；射線

44‧‧‧第二觀看窗；另一觀看窗

45‧‧‧頭部；檢視者

47‧‧‧頭部；檢視者

48‧‧‧空間光調變器(SLM)；透射型空間光調變器

49‧‧‧矩形作用區邊際

50‧‧‧裝置

50‧‧‧位置

51‧‧‧第一側

53‧‧‧軸

62‧‧‧菲涅耳透鏡

68‧‧‧垂直漫射器；漫射器層

72‧‧‧控制系統

99‧‧‧觀察者

101‧‧‧可切換型視差屏障

106‧‧‧窗平面

109‧‧‧窗

150‧‧‧可切換元件

152‧‧‧可切換元件

197‧‧‧軸

199‧‧‧軸

201‧‧‧光射線

202‧‧‧外框架

204‧‧‧長邊緣表框寬度；窄長邊緣表框寬度

205‧‧‧高度比率

206‧‧‧長邊緣表框寬度；窄長邊緣表框寬度

208‧‧‧短邊緣表框寬度

210‧‧‧短邊緣表框寬度

217‧‧‧光源陣列

219‧‧‧光源陣列

222‧‧‧刻面

224‧‧‧錐度

225‧‧‧高度差異

230‧‧‧空隙A

232‧‧‧邊界；空隙邊界

234‧‧‧空隙B

236‧‧‧邊界

238‧‧‧光學軸

240‧‧‧光射線

267a‧‧‧光錐；光學窗

267a_L‧‧‧光學窗

267a_R‧‧‧光學窗

267b_L‧‧‧光學窗

267b_R‧‧‧光學窗

267n‧‧‧光錐；光學窗

269a‧‧‧光錐；光學窗

269a_L‧‧‧光錐；光學窗

269a_R‧‧‧光錐；光學窗

269b_L‧‧‧光錐；光學窗

269b_R‧‧‧光錐；光學窗

269n‧‧‧光錐；光學窗

271‧‧‧方向

273‧‧‧方向

277‧‧‧非零角度

279‧‧‧非零角度

287‧‧‧第一光學軸；第一傾斜光學軸

289‧‧‧第二光學軸；第二傾斜光學軸

299‧‧‧光學軸

301‧‧‧方向性波導

302‧‧‧側；長側；後端部；反射後端部；後側

303‧‧‧反射刻面

304‧‧‧反射端部；菲涅耳反射器；刻面；菲涅耳反射器端部

307‧‧‧高度

311‧‧‧邊緣

313‧‧‧邊緣

317‧‧‧光源陣列

317a‧‧‧光源；照明元件；照明器元件

317b‧‧‧光源；照明元件；照明器元件

317c‧‧‧光源；照明元件；照明器元件

317d‧‧‧光源；照明元件；照明器元件

317n‧‧‧光源；照明元件；照明器元件

319‧‧‧光源陣列；陣列

319a‧‧‧光源；照明器元件；中心光源

319b‧‧‧光源；照明器元件

319c‧‧‧光源；照明器元件

319n‧‧‧光源；照明器元件

321‧‧‧輸入刻面；輸入區域；透射刻面

322‧‧‧側表面；側；短側；左側；短側表面

323‧‧‧錐度區域

324‧‧‧側表面；短側；右側；短側表面

325‧‧‧反射層

327‧‧‧第一刻面；錐度刻面；菲涅耳反射器

327_L‧‧‧刻面

327_R‧‧‧刻面

329‧‧‧第二刻面；錐度刻面；大面積刻面；微結構；菲涅耳反射器

329_L‧‧‧刻面

329_R‧‧‧刻面

330‧‧‧後反射器

331‧‧‧反射表面

332‧‧‧(反射刻面之)線性陣列

334‧‧‧中間刻面

336‧‧‧反射偏光器

337‧‧‧反射刻面

338‧‧‧選用之偏光旋轉器

339‧‧‧刻面；反射刻面

341‧‧‧微結構

344‧‧‧光射線；射線

346‧‧‧射線；拒斥光

350‧‧‧射線

357‧‧‧輸入角度；錐角

360‧‧‧輸入光；射線

362‧‧‧光；射線；光射線

362a‧‧‧射線

362b_L‧‧‧射線

362b_R‧‧‧射線

362c_L‧‧‧射線

362c_R‧‧‧射線

362c_R‧‧‧射線

363‧‧‧輸出光；射線；光射線

363a‧‧‧射線

364‧‧‧射線

367a‧‧‧輸出光

370‧‧‧光錐

372‧‧‧光錐

374‧‧‧光錐

376‧‧‧光錐

378‧‧‧光錐

380‧‧‧光錐

382‧‧‧光學窗

384‧‧‧位置

386‧‧‧形貌

387‧‧‧第一偏光；第一偏光狀態

388‧‧‧形貌

389‧‧‧第二偏光；第二偏光狀態

392‧‧‧窗平面

399‧‧‧光學軸

400‧‧‧LED驅動器

402‧‧‧光源控制器；LED控制器

403‧‧‧影像控制器

404‧‧‧頭部位置測量系統

406‧‧‧位置感測器

407‧‧‧驅動線

408‧‧‧觀察者

409‧‧‧驅動線

417a‧‧‧輸入光源

417a‧‧‧輸入光源

417b‧‧‧輸入光源

417c‧‧‧輸入光源

419a‧‧‧輸入光源

419a‧‧‧輸入光源

419b‧‧‧輸入光源

419c‧‧‧輸入光源

420‧‧‧明度

422‧‧‧顯示器明度

424‧‧‧側向位置；曲線

425‧‧‧觀看窗

427‧‧‧觀看窗

430‧‧‧刻面區域

432‧‧‧光射線；區域

434‧‧‧光射線

436‧‧‧光錐

438‧‧‧光錐

440‧‧‧光錐

442‧‧‧光錐

444‧‧‧光錐

454‧‧‧入射光錐

456‧‧‧反射光錐

458‧‧‧光錐

472‧‧‧反射光束

476‧‧‧離軸光束

480‧‧‧輸出明度

482‧‧‧側向位置

484‧‧‧形貌

486‧‧‧形貌

487‧‧‧(輸出明度)形貌

488‧‧‧(後端部)高度

489‧‧‧(菲涅耳反射器端部)高度

490‧‧‧(後端部)高度

491‧‧‧(後端部)高度

492‧‧‧輸入刻面

494‧‧‧反射刻面

502‧‧‧遮光層

503‧‧‧清透孔隙

504‧‧‧光學控制膜

510‧‧‧偏光器

512‧‧‧基材

514‧‧‧液晶層

516‧‧‧基材

518‧‧‧偏光器

520‧‧‧像素

522‧‧‧像素

524‧‧‧像素

528‧‧‧偏光器

530‧‧‧基材

532‧‧‧液晶層

534‧‧‧基材

601‧‧‧方向性波導

602‧‧‧後端部

604‧‧‧反射端部；刻面

605‧‧‧第一刻面

606‧‧‧第二刻面；錐度刻面

608‧‧‧側反射刻面；反射刻 面

610‧‧‧錐度刻面

614‧‧‧射線

615‧‧‧陣列

615a‧‧‧光源

615b‧‧‧光源

615c‧‧‧光源

615c‧‧‧光源

615f‧‧‧光源

615n‧‧‧光源

622‧‧‧短側；側表面

624‧‧‧短側；側表面

626c‧‧‧在軸光學窗

687‧‧‧光學軸

700‧‧‧(菲涅耳反射器之)高度

702‧‧‧(側之)高度

704‧‧‧(發光區域之)高度；LED發射孔隙高度

706‧‧‧(封裝之)高度

708‧‧‧封裝；LED

710‧‧‧發光區域；LED發射孔隙

712‧‧‧印刷電路板

720‧‧‧高度

722‧‧‧輸入漸縮區域

724‧‧‧輸入漸縮區域

730‧‧‧第一區域

732‧‧‧第二區域

1100‧‧‧空間光調變器；視差元件

1101‧‧‧光源陣列

1102‧‧‧刻面鏡端部；反射端部

1102‧‧‧楔形

1104‧‧‧楔形波導

1104‧‧‧反射端部

1105‧‧‧第一引導表面

1106‧‧‧第二引導表面

1108‧‧‧偏轉元件

1117a‧‧‧光源

1117b‧‧‧光源

1122‧‧‧側

1126a‧‧‧光學窗

1126b‧‧‧光學窗

1199‧‧‧軸

A‧‧‧節距

B‧‧‧(後端部)高度

M‧‧‧(菲涅耳反射器端部)高度

a‧‧‧寬度

b‧‧‧(後端部)高度

m‧‧‧(後端部)高度

在附圖中以實例的方式繪示實施例，圖式中相似的參考編號代表相似的部件，且圖式中：圖1A係繪示根據本揭露在方向性顯示裝置之一個實施例中之光傳播之前視示意圖；圖1B係繪示根據本揭露在圖1A之方向性顯示裝置之一個實施例中之光傳播之側視示意圖；圖2A係繪示根據本揭露之方向性顯示裝置之另一個實施例中之光傳播之俯視示意圖；圖2B係繪示根據本揭露之圖2A之方向性顯示裝置之前視圖中之光傳播的示意圖；圖2C係繪示根據本揭露之圖2A之方向性顯示裝置之側視圖中之光傳播的示意圖；圖3係繪示根據本揭露之方向性顯示裝置之側視圖中的示意圖；圖4A係繪示根據本揭露在包括曲形光提取特徵之方向性顯示裝置中產生觀看窗之前視示意圖；圖4B係繪示根據本揭露在包括曲形光提取特徵之方向性顯示裝置中產生第一及第二觀看窗之前視示意圖；圖5係繪示根據本揭露在包括線性光提取特徵之方向性顯示裝置中產生第一觀看窗的示意圖； 圖6A係繪示根據本揭露在第一時槽中在時間多工方向性顯示裝置中產生第一觀看窗之一個實施例的示意圖；圖6B係繪示根據本揭露在第二時槽中在時間多工方向性顯示裝置中產生第二觀看窗之另一個實施例的示意圖；圖6C係繪示根據本揭露在時間多工方向性顯示裝置中產生第一及第二觀看窗之另一個實施例的示意圖；圖7係繪示根據本揭露之觀察者追蹤裸眼式立體方向性顯示裝置的示意圖；圖8係繪示根據本揭露之多觀看者方向性顯示裝置的示意圖；圖9係繪示根據本揭露之隱私方向性顯示裝置的示意圖；圖10係繪示根據本揭露之時間多工方向性顯示裝置之結構之側視示意圖；圖11係繪示根據本揭露之包含楔形波導之方向性顯示裝置之結構之側視示意圖；圖12A及圖12B係分別繪示根據本揭露之包含階梯式波導之方向性顯示裝置之結構之前視圖及側視示意圖；圖12C係繪示根據本揭露之圖12A至圖12B之階梯式波導之操作之展開示意圖；圖13係繪示根據本揭露在行動顯示設備中之圖12A之波導之配置之前視示意圖；圖14及圖15係繪示根據本揭露之圖12A之波導中之空隙起源及空隙A填充之前視示意圖； 圖16A及圖16B係分別繪示根據本揭露之包含曲形光提取刻面及菲涅耳反射器之方向性波導之前視及側視示意圖，而菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖17係繪示根據本揭露之包含菲涅耳反射器之方向性波導之透視示意圖，而菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸；圖18A及圖18B係繪示根據本揭露之圖16A至圖16B之階梯式波導之操作之展開示意圖；圖18C係繪示根據本揭露之包含線性光提取刻面、菲涅耳透鏡及菲涅耳反射器之方向性波導之前視示意圖，而菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖19A係繪示根據本揭露之包含方向性波導之方向性顯示器之展開前視示意圖，而方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖19B係繪示根據本揭露之包含方向性波導之方向性顯示器之側視示意圖，而方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖20A係繪示根據本揭露之包含方向性波導之方向性顯示器之透視示意圖，而方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸； 圖20B係繪示根據本揭露之包含一視差屏障且進一步包含一方向性波導之方向性顯示器之透視示意圖，而方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖21係繪示根據本揭露之用於包含方向性波導之方向性顯示器的控制系統之示意圖，而方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖22係繪示根據本揭露之包含菲涅耳反射器之方向性楔形波導之透視示意圖，而菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸；圖23、圖24及圖25係繪示根據本揭露之包含菲涅耳反射器之方向性波導之照明之前視示意圖，而菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸；圖26及圖27係繪示根據本揭露之包含菲涅耳反射器之方向性波導之側向方向之放大率變化之前視示意圖，而菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸；圖28係繪示根據本揭露之第一及第二光源的在一側向方向之放大率變化的示意圖表；圖29係繪示根據本揭露之在方向性波導之同一側上的第一及第二光源的在一側向方向之放大率變化之前視示意圖；圖30係繪示根據本揭露之圖29之配置的光學窗大小之前視示意圖； 圖31係繪示根據本揭露之在方向性波導之兩側上的第一及第二光源的在一側向方向之放大率變化之前視示意圖；圖32係繪示根據本揭露之圖31之配置的光學窗大小之前視示意圖；圖33A及圖33B係繪示根據本揭露之圖23之配置的光學窗位置之俯視示意圖；圖34A及圖34B係繪示根據本揭露之圖24之配置的光學窗位置之俯視示意圖；圖35係繪示根據本揭露之圖33A至圖33B之配置的光學窗組合之俯視示意圖；圖36係繪示根據本揭露之圖35之光學窗組合的顯示器明度依據觀看角度變化之示意圖表；圖37係繪示根據本揭露之圖33A之配置的中心光學窗組合之俯視示意圖；圖38係繪示根據本揭露之圖37之光學窗組合的顯示器明度依據觀看角度變化之示意圖表；圖39係繪示根據本揭露之替代光學窗組合之俯視示意圖；圖40係繪示根據本揭露之圖37之光學窗組合的顯示器明度依據觀看角度變化之示意圖表；圖41係繪示根據本揭露之經配置以達成依側向方向跨菲涅耳反射器中的若干位置增加光學窗均勻性的菲涅耳反射器刻面之前視示意圖； 圖42及圖43係繪示根據本揭露之波導之前視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器以及與菲涅耳反射器相對之一反射側；圖44及圖45係繪示根據本揭露之波導之前視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器以及在與菲涅耳反射器相對之側上的光源；圖46係繪示根據本揭露之階梯式成像波導之俯視、前視及仰視示意圖，階梯式成像波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器、矩形鏡側以及相對於菲涅耳反射器之矩形側；圖47係繪示根據本揭露之菲涅耳反射器之刻面處的反射效率之前視示意圖；圖48係繪示根據本揭露之圖46之波導配置的輸出明度依據側向位置變化之圖表；圖49及圖50係繪示根據本揭露之具有不同效率之階梯式成像波導的示意圖；圖51係繪示根據本揭露之階梯式成像波導之俯視、前視及仰視示意圖，階梯式成像波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器，矩形鏡側以及與菲涅耳反射器相對之側，該側具有側向變化之高度形貌；圖52A係繪示根據本揭露之圖表變化之圖表，其中(a)介於第一引導表面與第二引導表面之間的輸入端部之高度；及(b)介於第一引導表面與第二引導表面之間的反射端部之高度之間之比率跨側向 方向具有一形貌，該形貌在菲涅耳反射器之中心處最小且朝向中心之各側減小；圖52B係繪示根據本揭露之圖51之波導配置的輸出明度依據側向位置變化之圖表；圖53、圖54、圖55及圖56係繪示根據本揭露之波導配置之透視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及依側向方向具有非平坦形貌的高度比率；圖57係繪示根據本揭露之在方向性波導中形成照明空隙之俯視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器；圖58、圖59、圖60、圖61及圖62係繪示根據本揭露之方向性波導之俯視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器，第一及第二傾斜光學軸經配置以提供照明空隙之填充；圖63係繪示根據本揭露之方向性波導之俯視示意圖，方向性波導包含具有傾斜光學軸之菲涅耳反射器及在短側上之光源；圖64係繪示根據本揭露之方向性波導之仰視示意圖，方向性波導包含具有傾斜光學軸之菲涅耳反射器及在短側上之光源；圖65係繪示根據本揭露之方向性波導之透視示意圖，方向性波導包含具有傾斜光學軸之菲涅耳反射器及在短側上之光源； 圖66係繪示根據本揭露之方向性波導之透視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及配置在短側上的LED；圖67A係繪示根據本揭露之漸縮且包含輸入及反射刻面之方向性波導之側之側視示意圖；圖67B係繪示根據本揭露之至圖66之波導中之LED陣列輸入之側視示意圖；圖67C係繪示根據本揭露之圖67B之LED陣列與圖67A之輸入側對齊之側視示意圖；圖67D係繪示根據本揭露之包含至少兩個LED高度之LED陣列與圖67A之輸入側對齊之側視示意圖；圖68A係繪示根據本揭露之方向性波導之透視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器、輸入錐度及配置在短側上的LED；圖68B係繪示根據本揭露之方向性波導之後視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器、配置在包含光提取特徵之波導之側上的輸入錐度及配置在短側上的LED；圖68C係繪示根據本揭露之方向性波導之後視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器、配置在波導之輸出側上的輸入錐度及配置在短側上的LED；圖69A係繪示根據本揭露之包含輸入錐度且包含輸入及反射刻面的方向性波導之側之側視示意圖； 圖69B係繪示根據本揭露之至圖68A之波導中之LED陣列輸入之側視示意圖；圖69C係繪示根據本揭露之圖69B之LED陣列與圖69A之輸入側對齊之側視示意圖；圖70A係以與反射端部相對之端部之端視圖繪示根據本揭露之LED陣列與圖68A之方向性波導之側對齊的示意圖；圖70B係以與反射端部相對之端部之端視圖繪示根據本揭露之LED陣列與圖68C之方向性波導之側對齊的示意圖；圖71係以反射端部之端視圖繪示根據本揭露之LED陣列與圖68A之方向性波導之側對齊的示意圖；

時間多工裸眼式立體顯示器可藉由在第一時槽中導向來自空間光調變器之所有該等像素之光至一第一觀看窗、及在第二時槽中導向來自所有該等像素之光至一第二觀看窗，而有利地改良裸眼式立體顯示器之空間解析度。因此，眼睛經配置以在第一及第二觀看窗中接收光的觀察者在多個時槽期間觀看跨整個顯示器的全解析度影像。時間多工顯示器可藉由使用方向性光學元件導向一照明器陣列穿過實質上透明時間多工型空間光調變器而有利地達成方向性照明，其中方向性光學元件實質上在窗平面中形成照明器陣列之影像。

觀看窗之均勻性可有利地獨立於空間光調變器中的像素之配置。有利地，此類顯示器可提供觀察者追蹤顯示器，對於移動中之觀察者，顯示器具有低閃爍及低程度串擾。

為了達成窗平面中之高均勻性，希望提供具有高空間均勻性的照明元件陣列。可例如藉由大小約100微米的空間光調變器像素組合透鏡陣列來提供時間循序照明系統之照明器元件。然而，此類像素遭受類似於空間多工顯示器的困難。進一步，此類裝置效率低且成本較高，還需要額外顯示器組件。

可使用宏觀照明器便利地達成高窗平面均勻性，例如，LED陣列與典型地大小為1mm或以上之均質且漫射光學元件組合。然而，增加照明器元件的大小意指方向性光學元件之大小成比例地增加。例如，成像至65mm寬觀看窗的16mm寬照明器會需要200mm後工作距離。因此，增加之光學元件厚度會防礙實用的應用，例如，行動顯示器或大面積顯示器。

為了解決前述缺點，如共同擁有之美國專利申請案第13/300,293號(美國專利公開案第2012/0127573)中所描述之光學閥可有利地經配置成與快速切換透射型空間光調變器組合，以在達成薄封裝之時間多工裸眼式立體照明，同時提供高解析度影像，並且在觀察者追蹤時無閃爍且低程度干擾。所描述為一種一維觀看位置陣列或窗陣列，其可在依第一(典型地為水平)方向移動時顯示不同影像，但是在依第二(典型地為垂直)方向移動時顯示相同影像。

習知之非成像顯示器背光通常採用光學波導且具有來自光源(諸如LED)的邊緣照明。然而應理解，此類習知非成像顯示器背光與在本揭露中論述之成像方向性背光之間有許多功能、設計、結構及操作上的基本差異。

一般而言，例如，根據本揭露，成像方向性背光經配置以依至少一軸導向來自多個光源之照明穿過顯示面板至各別多個觀看窗。藉由成像方向性背光之成像系統，使各觀看窗實質上形成為依光源之至少一軸的影像。一成像系統可形成於多個光源與各別窗影像之間。依此方式，在各別觀看窗外的觀察者眼睛實質上看不見來自該多個光源之各者之光。

相比而言，習知非成像背光或導光板(LGP)係用於2D顯示器的照明。請參閱例如Kälil Käläntär等人之「Backlight Unit With Double Surface Light Emission」《J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)》。非成像背光典型地配置以導向來自多個光源之照明穿過顯示面板至該多個光源之各者的實質上共同觀看區中，以達成廣觀看角度及高顯示器均勻性。因此，非成像背光不形成觀看窗。依此方式，觀察者眼睛可在跨觀看區的實質上所有位置實質上看見來自該多個光源之各者的光。此類習知非成像背光可具有一定方向性，例如，用以與朗伯(Lambertian)照明相比較增加螢幕亮度增益(screen gain)，其可藉由亮度增強膜(諸如來自3M之BEF^TM)提供。然而，各別光源之各者的此類方向性可實質上相同。因此，為了此等及其他原因，所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，習知非成像背光不同於成像方向性背光。可在液晶顯示器系統中使用側光式非成像背光照明結構，諸如在2D膝上型電腦、監視器及TV中所見的液晶顯示器系統。光自有損波導之邊緣傳播，有損波導可包括稀疏特徵 (典型地為波導之表面中的局部凹陷)，其無論光傳播方向為何皆造成光損失。

如本文中使用，光學閥係可為一類型的導光結構之光學結構或稱為例如光閥、光學閥方向性背光及閥方向性背光(「v-DBL」)的裝置。在本揭露中，光學閥不同於空間光調變器(即使在所屬技術領域中，空間光調變器有時候會大致上稱為「光閥(light valve)」)。成像方向性背光之一實例係可採用摺疊光學系統之光學閥。光可實質上無損失地依一方向傳播穿過光學閥、可入射在成像反射器上且可反向傳播，使得光可藉由反射離開偏斜之光提取特徵而提取、且導向至觀看窗，如美國專利申請案第13/300,293號(美國專利公開案第2012/0127573)中所描述。

此外，如本文中使用，階梯式波導成像方向性背光可係光學閥之至少一者。階梯式波導係用於成像方向性背光之波導，該成像方向性背光包含用於引導光之一波導，該波導進一步包含一第一導光表面及一第二導光表面，該第二導光表面與該第一導光表面相對，該第二導光表面進一步包含穿插有複數個提取特徵之複數個導光特徵，該複數個提取特徵經配置為階梯。

操作上，光可在一例示性光學閥內、依一第一方向自一輸入側傳播至一反射側且可實質上無損失地被透射。光可在該反射側處被反射且依與該第一方向實質上相對之一第二方向傳播。隨著光依該第二方向傳播，光可入射在光提取特徵上，該等光提取特徵係可操 作以重新導向在該光學閥之外側的光。換言之，該光學閥大體上允許光依該第一方向傳播，且可允許光依該第二方向傳播時被提取。

該光學閥可達成大顯示面積之時間循序方向性照明。此外，可採用比光學元件之後工作距離更薄的光學元件，以導向來自宏觀照明器(macroscopic illuminator)之光至一窗平面。此類顯示器可使用經配置以提取在實質上平行的波導中反向傳播之光的一光提取特徵陣列。

以下提議且示範與LCD使用的薄成像方向性背光實施方案：3M，例如美國專利第7,528,893號；Microsoft，例如美國專利第7,970,246號，其在本文中可稱為「楔形類型方向性背光(wedge type directional backlight)」；RealD，例如美國專利申請案第13/300,293號(美國專利公開案第2012/0127573)，其在本文中可稱為「光學閥(optical valve)」或「光學閥方向性背光(optical valve directional backlight)」，所有該等案全文以引用之方式併入本文。

本揭露提供階梯式波導成像方向性背光，其中光可在例如階梯式波導之內部面之間來回反射，該階梯式波導可包括一第一側及一第一組特徵。隨著光沿該階梯式波導之長度行進，光可實質上不變更相對於該第一側及第一組表面的入射角度，並且因此可能無法達到在這些內部面處介質之臨界角。有利地，可藉由傾斜至該第一組表面(階梯「踏面(tread)」)的一第二組表面(階梯「豎板(riser)」)來達成光提取。請注意，該第二組表面可不是該階梯式波導之導光操作之部件，但該第二組表面可經配置而自結構提供光提取。相比而言，一 楔形類型成像方向性背光可允許光在一具有連續內部表面的楔形形貌波導內引導。因此，該光學閥不是一楔形類型成像方向性背光。

圖1A係繪示在方向性顯示裝置之一個實施例中之光傳播之前視示意圖，及圖1B係繪示在圖1A之方向性顯示裝置中之光傳播之側視示意圖。

圖1A繪示在方向性顯示裝置之一方向性背光中之xy平面之前視圖，且包括可用以照明一階梯式波導1之一照明器陣列15。照明器陣列15包括照明器元件15a至照明器元件15n(其中n係大於1之整數)。在一實例中，圖1A之階梯式波導1可係一階梯式顯示器大小之波導1。照明元件15a至15n係光源，其可係發光二極體(LED)。雖然本文中將LED論述為照明器元件15a至15n，但是可使用其他光源，諸如但不限於二極體光源、半導體光源、雷射光源、局部場發射光源、有機發射器陣列等。此外，圖1B繪示xz平面中之側視圖，且包括如所展示配置之照明器陣列15、SLM 48、提取特徵12、引導特徵10及階梯式波導1。圖1B中提供之側視圖係圖1A中展示之前視圖的替代視圖。據此，圖1A及圖1B之照明器陣列15彼此對應，及圖1A及圖1B之階梯式波導1可彼此對應。

進一步，在圖1B中，階梯式波導1可具有一薄輸入端部2及一厚反射端部4。因此，波導1延伸於輸入端部2與反射端部4之間，輸入端部2接收輸入光，反射端部4將該輸入光往回反射穿過波導1。跨該波導依一側向方向的輸入端部2之長度大於輸入端部2 之高度。照明器元件15a至15n跨輸入端部2依一側向方向設置在不同輸入位置。

波導1具有延伸於輸入端部2與反射端部4之間之相對之第一引導表面及第二引導表面，用於沿波導1向前及向後引導光。該第二引導表面具有複數個光提取特徵12，其面對反射端部4且經配置以將來自跨該輸入端部上之不同輸入位置從該反射端部穿過波導1而引導回之光的至少一些依取決於該輸入位置的不同方向反射穿過該第一引導表面。

在此實例中，光提取特徵12係反射刻面，然而可使用其他反射特徵。光提取特徵12不引導光穿過波導，然而第二引導區域的中間區域中介光提取特徵12、引導光而不提取光。該第二引導表面之彼等區域係平坦的且可平行於該第一引導表面而延伸，或依一相對低傾度延伸。光提取特徵12側向延伸至彼等區域，使得該第二引導表面具有可包括光提取特徵12及中間區域的一階梯式形狀。光提取特徵12經定向以反射來自該等光源之光，自反射端部4反射後，穿過該第一引導表面。

光提取特徵12經配置以依相對於該第一引導表面且取決於輸入位置之不同方向導向來自跨該輸入端部依該側向方向之不同輸入位置之輸入光。由於照明元件15a至15n經配置在不同輸入位置，所以來自各別照明元件15a至15n之光依彼等不同方向反射。依此方式，照明元件15a至15n之各者依該側向方向分佈且取決於輸入位置之輸出方向導向光至一各別光學窗中。分布有輸入位置於其中之 跨輸入端部2的側向方向相對於輸出光與第一引導表面的法線之一側向方向對應。在此實施例中，輸入端部2處界定之側向方向及相對於輸出光之側向方向保持平行，其中在反射端部4及該第一引導表面處的偏轉大致上與側向方向正交。在一控制系統控制下，照明器元件15a至15n可被選擇性操作以導向光至一可選擇之光學窗中。可個別或成群組地使用光學窗作為觀看窗。

SLM 48延伸跨該波導且調變來自該波導之光輸出。雖然SLM 48可係一液晶顯示器(LCD)，但此僅係舉實例而言並且可使用其他空間光調變器或顯示器，包括LCOS、DLP裝置等，此係因為此照明器可反射運作。在此實例中，SLM 48經設置成跨該波導之該第一引導表面且調變自光提取特徵12反射後透過該第一引導表面輸出之光。

在圖1A中繪示可提供一維觀看窗陣列的方向性顯示裝置之操作之前視圖，且在圖1B中展示其側形貌。在操作中，在圖1A及圖1B中，光可發射自一照明器陣列15，諸如沿階梯式波導1薄端部側2之表面x=0定位在不同位置y處之照明器元件15a至15n之一陣列。光可在階梯式波導1內依一第一方向沿+x傳播，同時，光可在xy平面中扇出並且在抵達遠曲形端部側4後可實質上或完全填充曲形端部側4。傳播時，光可在xz平面中展開至一組角度、直至但是不超過引導材料之臨界角。連結階梯式波導1之底部側之引導特徵10的提取特徵12可具有大於該臨界角的傾斜角，且因此可因實質上所有光依第一方向沿+x傳播而被忽略，確保實質上無損失地向前傳播。

繼續圖1A及圖1B之論述，典型地，可藉由塗布有一反射材料(例如，諸如銀)而將階梯式波導1之曲形端部側4製作成反射，然而可採用其他反射技術。因此，光可依一第二方向予以重新導向、依-x之方向向下往回至該光導且可在xy或顯示器平面中實質上準直。可實質上保留xz平面中對著主傳播方向的角度擴展，其可允許光命中豎板邊緣且反射離開該光導。在具有約45度傾斜之提取特徵12之實施例中，光可有效率地經導向成大約法向於xy顯示器平面且相對於該傳播方向實質上維持xz角度擴展。當光透過折射而自階梯式波導1出射時可增加此角度擴展，但是可取決於提取特徵12之反射性質而稍微減小此角度擴展。

在一些實施例中，運用未塗布之提取特徵12，當全內反射(TIR)失敗時可使反射減小，壓縮xz角度形貌且偏離法線。然而，在具有經銀塗布或金屬化之提取特徵的其他實施例中，可保留擴增之角度擴展及中心法線方向。繼續說明具有經銀塗布之提取特徵的實施例，在xz平面中，光可大約準直地出射階梯式波導1且可經導向成與在照明器陣列15中之各別照明器元件15a至15n從輸入邊緣中心起之y位置成比例地偏離法線。接著，具有沿輸入邊緣2之獨立照明器元件15a至15n使光能夠自整個第一導光側6出射且依不同外角(external angle)傳播，如圖1A中所繪示。

用此類裝置照明一空間光調變器(SLM)48諸如一快速液晶顯示器(LCD)面板可達成裸眼式立體3D，如在圖2A中之俯視圖或自照明器陣列15端觀看之yz平面、在圖2B中之前視圖及在圖2C 中之側視圖中所展示。圖2A係繪示方向性顯示裝置中之光傳播之俯視示意圖；圖2B係繪示方向性顯示裝置中之光傳播之前視示意圖；及圖2C係繪示方向性顯示裝置中之光傳播之側視示意圖。如圖2A、圖2B及圖2C中所繪示，一階梯式波導1可定位在循序顯示右眼影像及左眼影像的一快速(例如，大於100Hz)LCD面板SLM 48後方。同步時，可選擇性開啟及關閉照明器陣列15之特定照明器元件15a至15n(其中n係大於1之整數)，憑藉系統方向性的好處，實質上獨立提供進入右眼及左眼的照明光。在最簡單情況中，一起開啟照明器陣列15的成組之照明器元件，提供：一維觀看窗26，或在水平方向具有有限寬度、但是在垂直方向延伸的一光學光瞳，其中水平分開的雙眼可觀看一左眼影像；及另一觀看窗44，其中可藉由雙眼主要地觀看一右眼影像；及一中心位置，其中雙眼可觀看不同影像。依此方式，當觀看者之頭部大約置中地對齊時，可觀看3D。移動至遠離中心位置之側可導致場景收合成2D影像。

反射端部4可具有跨該波導依該側向方向之正光學倍率。在其中典型地反射端部4具有正光學倍率之實施例中，可參考反射端部4之形狀界定光學軸，例如，該光學軸係行進穿過反射端部4之曲率中心且與反射端部4對著x軸之反射對稱軸重合的一線。在反射表面4係平坦的情況中，可類似地相對於具有光學倍率之其他組件，例如如為曲形之光提取特徵12或下文描述之菲涅耳透鏡62，來界定光學軸。典型地，光學軸238與波導1之機械軸重合。於端部4處典型地包含一實質上圓柱形反射表面的本實施例中，光學軸238係 行進穿過端部4處之表面之曲率中心且與側4對著x軸之反射對稱軸重合的一線。典型地，光學軸238與波導1之機械軸重合。端部4處之圓柱形反射表面可典型地包含一球形形貌，以最佳化在軸及離軸觀看位置之效能。可使用其他形貌。

圖3係繪示方向性顯示裝置之側視示意圖。進一步，圖3繪示可係透明材料之階梯式波導1之操作之側視圖的額外細節。階梯式波導1可包括一照明器輸入側2；一反射側4；一第一引導光側6，其可係實質上平坦的；及一第二引導光側8，其包括引導特徵10及光提取特徵12。在操作中，可藉由第一導光側6之全內反射且藉由引導特徵10之全內反射的手段，在階梯式波導1中引導來自一照明器陣列15(未在圖3中展示，其可係例如一可定址LED陣列)之一照明器元件15c之光射線16至反射側4(其可係一鏡面)。雖然反射側4可係一鏡面(mirrored surface)且可反射光，但是在一些實施例中，光行進穿過反射側4亦可行。

繼續圖3之論述，藉由反射側4反射之光射線18可藉由反射側4處之全內反射而進一步被引導在階梯式波導1中且可藉由提取特徵12予以反射。入射在提取特徵12上之光射線18可實質上偏轉遠離階梯式波導1之引導模式且可如射線20所示被導向穿過側6至可形成一裸眼式立體顯示器之一觀看窗26的一光學光瞳。可藉由至少照明器之大小、輸出設計距離以及側4及提取特徵12中之光學倍率來決定觀看窗26之寬度。可主要藉由提取特徵12之反射錐角及在輸入側2處輸入之照明錐角來決定該觀看窗之高度。因此，各觀看窗26表 示相對空間光調變器48之表面法線方向與在標稱觀看距離之一平面交叉的分開之輸出方向的一範圍。

圖4A係繪示方向性顯示裝置之前視示意圖，方向性顯示裝置可藉由一第一照明器元件被照明且包括曲形光提取特徵。進一步，圖4A展示在階梯式波導1中進一步引導來自照明器陣列15之照明器元件15c之光射線的前視圖。輸出射線之各者自該各別照明器14經導向朝向相同觀看窗26。因此，光射線30可與窗26中之射線20交叉，或可在該窗中具有一不同高度，如射線32所展示。此外，在各項實施例中，波導1之側22、24可係透明表面、鏡面或黑化表面。繼續圖4A之論述，光提取特徵12可伸長，且在導光側8(導光側8展示在圖3中，但是未展示在圖4A中)之一第一區域34中的光提取特徵12之定向可不同於在導光側8之一第二區域36中的光提取特徵12之定向。

圖4B係繪示可藉由一第二照明器元件照明之光學閥之前視示意圖。進一步，圖4B展示來自照明器陣列15之一第二照明器元件15h之光射線40、42。光提取特徵12及在側4上之反射端部之曲率合作地用來自照明器元件15h之光射線產生一第二觀看窗44，第二觀看窗44與觀看窗26側向分開。

有利地，在圖4B中繪示之配置可在一觀看窗26處提供照明器元件15c之一真實影像，在該觀看窗26中可藉由反射側4中之光學倍率及可由於介於區域34與36之間之伸長光提取特徵12之不同定向而產生之光學倍率的合作而形成該真實影像，如圖4A中所展 示。圖4B之配置可達成照明器元件15c成像至觀看窗26側向位置的改良像差。改良像差可達成裸眼式立體顯示器的延伸觀看自由度，同時達成低程度之串擾。

圖5係繪示具有實質上線性光提取特徵之方向性顯示裝置之實施例之前視示意圖。進一步，圖5展示類似於圖1之組件配置(其中相對應之元件為類似)，而差異之一在於光提取特徵12係實質上線性且彼此平行。有利地，此類配置可提供跨一顯示器表面之實質上均勻照明，且與圖4A及圖4B之曲形提取特徵相比可為更便於製造。

圖6A係繪示在第一時槽中在時間多工成像方向性顯示裝置中產生第一觀看窗之一個實施例的示意圖；圖6B係繪示在第二時槽中在時間多工成像方向性背光設備中產生第二觀看窗之另一實施例的示意圖；及圖6C係繪示在時間多工成像方向性顯示裝置中產生第一及第二觀看窗之另一實施例的示意圖。進一步，圖6A示意地展示自階梯式波導1產生照明窗26。照明器陣列15中之照明器元件群組31可提供經導向朝向一觀看窗26之一光錐17。圖6B示意地展示照明窗44之產生。照明器陣列15中之照明器元件群組33可提供經導向朝向觀看窗44之一光錐19。與一時間多工顯示器合作，可依序提供窗26及窗44，如圖6C中所展示。如果一空間光調變器48(未展示在圖6A、圖6B、圖6C中)上之影像調整成與光方向輸出對應，則對於位在適當位置之觀看者而言可達成裸眼式立體影像。可用本文描述之所有方向性背光達成類似操作。請注意，照明器元件群組31、33 各包括來自照明元件15a至15n之一或多個照明元件，其中n係大於一之整數。

圖7係繪示觀察者追蹤裸眼式立體方向性顯示裝置之實施例的示意圖。如圖7中所展示，沿軸29選擇性開啟及關閉照明器元件15a至15n提供觀看窗之方向性控制。可運用攝影機、運動感測器、運動偵測器或任意其他適合的光學、機械或電手段監視頭部45位置，及可開啟及關閉照明器陣列15之適合的照明器元件，以提供實質上獨立影像至各眼睛而無論頭部45位置。頭部追蹤系統(或一第二頭部追蹤系統)可監視超過一個頭部45、47(在圖7中未展示頭部47)且可供應相同的左眼影及右眼影像至各觀看者左右眼，提供3D至所有觀看者。再次，可用本文描述之所有方向性背光達成類似操作。

圖8係繪示多觀看者方向性顯示裝置之一個實施例的示意圖，作為包括成像方向性背光之實例。如圖8中所展示，至少兩個2D影像可經導向朝向一對觀看者45、47，使得各觀看者可在空間光調變器48上觀看一不同影像。可依類似於關於圖7所描述之方式產生圖8之兩個2D影像，其中用光被導向朝向兩個觀看者的光源依序且同步地顯示該兩個影像。在一第一階段中，在空間光調變器48上呈現一個影像，及在不同於該第一階段的一第二階段中，在空間光調變器48上呈現一第二影像。對應於該第一階段及該第二階段，調整輸出照明以分別提供第一觀看窗26及第二觀看窗44。雙眼注視著窗26之觀察者將感知一第一影像，而雙眼注視著窗44之觀察者將感知一第二影像。

圖9係繪示包括一成像方向性背光之隱私方向性顯示裝置的示意圖。2D顯示器系統亦可利用方向性背光以用於安全性及效率用途，其中光可係主要經導向而指向一第一觀看者45之眼睛，如圖9中所展示。進一步，如圖9中所繪示，雖然第一觀看者45能夠觀看裝置50上的一影像，但是光未經導向朝向第二觀看者47。因此防止了第二觀看者47觀看裝置50上的一影像。本揭露之實施例之各者可有利地提供裸眼式立體顯示、雙影像顯示或隱私顯示功能。

圖10係繪示時間多工方向性顯示裝置之結構之側視示意圖，作為包括一成像方向性背光之實例。進一步，圖10展示一裸眼式立體方向性顯示裝置之側視圖，該裸眼式立體方向性顯示裝置包括階梯式波導1及一菲涅耳透鏡62，其等經配置來在相距於該空間光調變器之一標稱觀看距離處的一窗平面106中提供觀看窗26，用於跨階梯式波導1輸出表面之一實質上準直輸出。一垂直漫射器68可經配置以進一步延伸窗26之高度。接著，光可透過空間光調變器48成像。照明器陣列15可包括發光二極體(LED)，其可例如係磷光體轉換之藍色LED，或可係分開之RGB LED。替代地，在照明器陣列15中之照明器元件可包括經配置以提供分開之照明區域的空間光調變器及一均勻光源。替代地，照明器元件可包括(多個)雷射光源。可例如使用一電流計(galvo)或MEMS掃描器，藉由掃描手段將雷射輸出導向至一漫射器上。在一實例中，可因此使用雷射光以提供在照明器陣列15中之適合的照明器元件，以搭配適合的輸出角度提供一實質上均勻光源，並且進一步提供光斑減小。替代地，照明器陣列15可係一雷射發 光元件陣列。此外，在一實例中，漫射器可係一波長轉換磷光體，使得照明波長可不同於可見輸出光。

藉由美國專利第7,660,047號大致上論述一進一步楔形類型方向性背光，該案全文以引用之方式併入本文。該楔形類型方向性背光及光學閥依不同方式進一步處理光束。在楔形類型波導中，依一適合角度輸入之光將在一主表面上之一經界定位置輸出，但是光射線將依實質上相同角度出射且實質上平行於該主表面。相比較而言，依一定角度輸入至一光學閥之一階梯式波導的光可自跨第一側之點輸出，且依據輸入角度來決定輸出角度。有利地，光學閥之階梯式波導可不需要進一步光重新導向膜以提取光朝向一觀察者，且輸入之角度非均勻性不會提供跨顯示器表面之非均勻性。

現在將描述基於且併入上文圖1至10之結構的一些波導、方向性背光及方向性顯示裝置。上文之描述同樣適用於下列波導、方向性背光及顯示裝置，但是為了簡短目的而將不重複描述，惟現在將描述之修改及/或額外特徵除外。下文描述之波導可被併入於如上文描述之一方向性背光或一方向性顯示裝置中。類似地，下文描述之方向性背光可被併入於如上文描述之一方向性顯示裝置中。

圖11係繪示包含楔形方向性背光之方向性顯示裝置之結構之側視示意圖，楔形方向性背光包含具有刻面鏡端部1102之一楔形波導1104。波導1104之第一引導表面1105經配置以藉由全內反射來引導光，且第二引導表面1106實質上平坦且依一角度傾斜，以依破壞全內反射之方向來導向光，以供透過第一引導表面1105輸出光。該 顯示裝置進一步包含延伸於跨波導1104之第一引導表面1105的一偏轉元件1108，用於使來自光源陣列1101之光偏轉朝向第一引導表面1105之法線。進一步波導1104可進一步包含一反射端部1102，用於使輸入光往回反射穿過波導1104，該第二引導表面1106經配置以使光自反射端部1102反射後偏轉穿過第一引導表面1105作為輸出光。依與例如在圖5中展示之反射端部類似之方式，該反射端部具有依該側向方向(y軸)之正光學倍率。反射端部1102中之進一步刻面使經反射的光錐在波導1104內偏轉，以達成在返回路徑上之輸出耦合。因此，依與在圖11中展示類似之方式產生觀看窗。進一步，該方向性顯示器可包含一空間光調變器1110及與空間光調變器1110對齊之視差元件1100，空間光調變器1110進一步經配置以提供光學窗。與在圖11中展示者類似之一控制系統72可經配置以提供方向性照明之控制，而自視差元件及對齊之空間光調變器提供觀看窗26及窗109。

因此，第一引導表面可經配置以藉由全內反射來引導光，且第二引導表面可實質上平坦且依一角度傾斜，以依破壞全內反射之方向來導向光，以供透過第一引導表面輸出光，且該顯示裝置可進一步包含延伸於跨波導之第一引導表面的一偏轉元件，用於使光偏轉朝向第一引導表面之法線。

圖12A至圖12B係分別繪示包含一階梯式波導之方向性顯示裝置之結構之前視及側視示意圖。

與圖5之配置相比較，波導之端部4處之反射圓頂被包含刻面222及錐度224之一菲涅耳反射器所取代。進一步，線性刻面 被曲形刻面所取代，曲形刻面經配置以提供藉由光源陣列15之一光源15a之影像所形成的一光學窗26。光源15a至15n經配置在一輸入側2上，輸入側2在波導1之薄端部處。

圖12A之配置可視為如將參考圖12C描述之一在軸成像系統，圖12C係繪示圖12A至圖12B之階梯式波導之操作之展開示意圖。此類展開圖在二維影像上便利地繪示系統之光學軸之三維配置。來自光源15a之光射線201經導向穿過波導1至在端部4處之菲涅耳反射器。在端部4處，反射被表示為穿過表面之透射，而提供實質上平行於軸199之射線方向。座標系統在提取特徵12處之位置50之任一側旋轉。在特徵12處之反射被表示為在表面處之透射。係為依光源15a之側向方向之一影像的光學窗26a以軸199為中心而有如光源15a的相同側向位移。因此，軸199可視為系統之光學軸。在此類在軸成像情況中，光學軸實質上與沿其而在系統中依側向方向(y軸)有一些程度的反射對稱之線相同。進一步，光學軸299未偏轉朝向波導1之側。

在圖12A至圖12C之在軸成像配置中，光學軸199進一步與菲涅耳反射器之光學軸299及曲形光提取特徵12之光學軸399重合。

圖13係繪示在一行動顯示設備中的圖12A之波導之配置之前視示意圖，行動顯示設備包含外框架202及包含矩形作用區帶49之一空間光調變器48。為了在空間光調變器48之邊緣處達成所欲均勻性，波導1之面積大於作用區帶49之面積。

在包含一菲涅耳反射器之側4上的自波導1之邊緣至框架202之內邊緣的長邊緣邊框寬度204可受限於菲涅耳反射器之光屏蔽，然而其可相對小，例如3mm或以下。在輸入側2上之長邊緣邊框寬度206係藉由光屏蔽、光源15深度、電扇出及光條力學(light bar mechanics)兩者予以決定且可典型地大於邊框寬度204。

典型地，需要稍微大的短邊緣邊框寬度208、210(係自邊緣22、24至框架202之內帶的距離)，例如約10mm或以上。因此，波導1的依側向方向之過大被視為比依正交(x軸)方向之過大更為所欲。

對於行動裝置(諸如手機)，例如希望最小化方向性波導之長邊緣邊框寬度，以達成一所欲外觀尺寸。

圖14至圖15係繪示在圖12A之波導中的空隙之起源及空隙A之填充之前視示意圖。對於離軸光源，諸如光源15b，於是提供空隙區域。由在藉由光源及菲涅耳反射器之相鄰邊緣定界之錐角外側的光來提供空隙A 230。邊界232使空隙A與主照明區域分開。由進入波導的光之臨界角θc外側的光射線來提供空隙B 234用於空氣中的光源。邊界236使空隙B與主照明區域分開。空隙兩者建立離軸觀看位置之非所欲非均勻性。

圖15係繪示校正在圖14之方向性波導中之照明空隙非均勻性之前視示意圖，且如美國臨時專利申請案第62/167,185號中所描述，該案全文以引用之方式併入本文。可藉由光射線240的手段， 藉由配置在波導1之側上之光源陣列217來補償空隙A 230，且類似地，在對稱情況中，光源陣列219可補償一空隙A。

與本文描述之實施例相比較，在側22、24上的光源217、219不提供在軸照明。菲涅耳反射器之光學軸299、399及曲形刻面12分別實質上置中地對齊波導1，並且因此不偏轉朝向波導之側22、24。

希望提供一方向性波導，其中在軸光學窗26具備最小輸入側邊框寬度206。

圖16A至圖16B係分別繪示一方向性波導301之前視及側視示意圖，方向性波導301包含曲形光提取刻面12及一菲涅耳反射器304，菲涅耳反射器304具有第一光學軸287及第二光學軸289。曲形刻面12可具有一光學軸399，其實質上平行於該x軸。

因此，一種方向性背光可包含一方向性波導301及光源317a至317n，方向性波導301包含：一反射端部304，其依一側向方向(y軸)伸長；相對之第一引導表面6與第二引導表面8，其等自反射端部304之側向延伸邊緣311、313延伸，用於沿波導301引導輸入光360朝向反射端部304及用於引導藉由反射端部304反射之光362遠離反射端部304，第二引導表面6經配置以使自該反射端部304反射之光偏轉穿過第一引導表面6作為輸出光363；及側表面322、324，其等延伸於第一引導表面6與第二引導表面8之間，其中光源317a至317n包括沿一側表面322配置之一光源陣列317，以透過彼側表面322提供輸入光360，且反射端部304包含依側向方向彼此交 替之第一刻面327及第二刻面329，第一刻面327係反射性且形成一菲涅耳反射器之反射刻面，菲涅耳反射器具有依側向方向之正光學倍率，第二刻面329形成菲涅耳反射器之錐度刻面，菲涅耳反射器具有依一方向傾斜朝向側表面322之一光學軸287，其中該方向使菲涅耳反射器使來自光源陣列317之輸入光360偏轉至波導301中。

進一步，光提取特徵12具有一光學軸399，菲涅耳反射器287之光學軸向其傾斜。因此，光學軸287可經配置成使得在側322上之陣列317中的光源可經配置以正常照明該等光提取特徵且提供一離軸光學窗。

光源317a至317n之陣列317所沿而配置之側表面322包含凹部，該等凹部包括面對反射端部304之輸入刻面321，光源317a至317n經配置以透過輸入刻面321提供輸入光。可提供具有輸入角度357之一光錐，其依側向方向導向至菲涅耳反射器。如果刻面321之表面係例如平坦，則錐角357可係約84度。有利地，可配置菲涅耳反射器之有效率照明。

圖17係繪示包含菲涅耳反射器之方向性波導之透視示意圖，菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸。為了便於圖解闡釋，展示一單一光提取特徵12，然而典型地，可依一階梯式形狀彼此交替光提取特徵12及中間區域10。

波導301經配置以依輸出方向導向來自光源317a至317n之輸出光360至各別光學窗27a至27n中，該等輸出方向取決於光源317a至317n之位置而側向分佈。

光提取特徵12具有依側向方向之正光學倍率。因此，光源317a藉由射線360、362、363的手段提供光學窗27a，且光源317b藉由射線364的手段提供光學窗27b，光學窗27b依側向方向自光學窗27a位移。可實質上藉由在x-z平面中在波導301內之光錐傳播來決定光學窗27a、27b在x方向之廣度。有利地，光源未被定位在與反射端部304相對的側302上，使得最小化邊框寬度206。

可藉由在顯示設備中的光源317a至317n、319a至319n之寬度及間距、光學像差及漫射來決定光學窗27a至27n、29a至29n依側向方向之廣度。

側302之高度307可比陣列17之光源17a至17n之所欲高度更薄。如將於下文所描述，有利地，與圖12A之配置相比較，可增加波導301之幾何效率。

圖16A至圖17進一步繪示一種方向性背光，其中光源包括兩個光源陣列317、319，各光源陣列沿側表面322、324之一者配置，且第一刻面327及第二刻面329係反射性，第一刻面327及第二刻面329分別形成第一及第二菲涅耳反射器之反射刻面，各反射刻面具有依側向方向之正光學倍率，第二刻面329及第一刻面327分別形成第一及第二菲涅耳反射器之錐度刻面327、329，該等第一及第二菲涅耳反射器具有依方向傾斜朝向各別側表面322、324之光學軸287、289，其中該等方向使該等菲涅耳反射器將來自沿該各別側表面配置之該光源陣列之輸入光偏轉至波導301中。

長側302可係實質上平坦或可具有其他光學結構，如將於下文所描述。短側322、324可具備光輸入區域321及錐度區域323。

第一刻面327及第二刻面329可具有對著自反射端部304對稱延伸之一平面的鏡對稱，該等第一及第二菲涅耳反射器之光學軸287、289自該對稱平面傾斜朝向該等各別側表面。因此，軸287可相對於含有軸199之一平面依非零角度277傾斜，且軸289可依非零角度279傾斜。軸287、289可在反射端部304處交叉，或可提供光學軸之某位移，以達成一窗偏移，如將於下文所描述。可提供窗形貌之控制，有利地，改良空間及角度均勻性之最佳化。

進一步，光源317a至317n及319a至319n可經配置成對著對稱平面而鏡對稱。光源陣列17可包含在短側322上與輸入區域321對齊之光源17a至17n。在軸光源可經配置以提供與軸197對齊之在軸光學窗27a、29b，軸197平行於軸199。

如圖16B及圖17中所繪示，第一引導表面6可經配置以藉由全內反射來引導光，且第二引導表面可包含複數個光提取特徵12及提取特徵12之間之中間區域10，光提取特徵12經定向以依方向導向藉由反射端部304所反射之光，允許出射穿過第一引導表面6作為輸出光363，中間區域10經配置以沿波導301引導光360、362。

圖18A至圖18B係繪示圖16A至圖17之階梯式波導之操作之展開示意圖。因此，自光源317a之中心沿與軸199傾斜角度277之軸287且沿軸399傳播的一射線可被導向至光學窗27a之中 心。類似地，自光源319a之中心沿與軸199傾斜角度279之軸289且沿軸399傳播的一射線可被導向至光學窗29a之中心，光學窗29a可在窗平面處與窗27a重疊，如將於本文描述。

圖18C係繪示包含線性光提取刻面、菲涅耳透鏡62及菲涅耳反射器之方向性波導之前視示意圖，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸。光提取特徵12可係線性，且藉由菲涅耳透鏡62提供依側向方向之光學倍率。有利地，可便利地達成波導1之模具之工具加工。

圖19A係繪示包含方向性波導301之方向性顯示器之展開前視示意圖，方向性波導301包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一傾斜光學軸287與第二傾斜光學軸289。

因此，一種方向性顯示裝置可包含：如上文描述之一方向性背光；及一透射型空間光調變器48，其經配置以接收及調變來自波導301之輸出光，以顯示一影像。空間光調變器48可具有一矩形形狀，其具有與方向性波導301之反射端部304對齊的一第一側51，菲涅耳反射器之光學軸287相對於空間光調變器48之矩形形狀之一軸53依一非零角55傾斜，軸53垂直於該空間光調變器之第一側51。

有利地，方向性顯示裝置可在行動顯示裝置(諸如手機)中提供窄長邊緣邊框寬度204、206。

希望有效率地收集來自波導301之光且分佈至光學窗。進一步，希望有效率地提供經偏光之光至空間光調變器48。

圖19B係繪示包含方向性波導之方向性顯示器之側視圖的示意圖，方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸。因此，一方向性背光可進一步包含一後反射器330，後反射器330包含反射刻面303之一線性陣列332，反射刻面303經配置以反射來自光源317a至317n、319a至319n之光，光透射穿過波導301之複數個刻面12、往回穿過波導301以穿過第一引導表面6出射至所述光學窗27a至27n、29a至29n中。波導301之刻面12及後反射器330之反射刻面303可在與側向方向正交之一共同平面中依相同方式傾斜。依類似於2014年2月21日申請並全文以引用之方式併入本文之美國專利公開案第2014/0240828號標題為「Directional backlight」(方向性背光)(代理人參考案號355001)中所描述之方式，波導之刻面12可依與對第一引導表面6之法線成一角度(π/2-α)而傾斜，且後反射器303之反射刻面可依與對第一引導表面之法線成一角度β而傾斜，且2β>π/2-sin^-1(n.sin(α-θ_c))，θ_c係波導之刻面之臨界角，且n係波導之材料之折射率。

有利地，藉由波導301之刻面12透射之光可有效率地經導向朝向觀看窗27a至27n、29a至29n。

後反射器可與波導301相間隔，使得來自波導301之一個別刻面12的光入射在後反射器330之複數個反射刻面303上，後反射器330進一步包含延伸於後反射器330之反射刻面303之間之中間刻面334，中間刻面334依相對於後反射器330之反射刻面303的一 方式傾斜一角度，使得來自光源透射穿過波導301之複數個刻面12的該光不入射在中間刻面334上。

有利地，自空間光調變器48反射之光可被收集且返回至光學窗，而增加效率。

後反射器之反射刻面303可具有一不規則節距，該不規則節距可係一不規則、隨機化節距。該後反射器之該等反射刻面具有跨該反射刻面陣列變化的一傾度。有利地，可減小波導301與後反射器330之間之疊紋效應。

後反射器330之反射刻面303可係線性。後反射器330之反射刻面303可係曲形。有利地，刻面330可係曲形如圖19A中所展示，以提供光學窗，該等光學窗實質上與藉由自光提取特徵12之反射光所直接提供的光學窗共置。

可提供後反射器330，其包含具有刻面303、304之反射表面331。來自光源317a之光射線362可藉由光提取特徵12予以偏轉且穿過波導301之側6出射，在入射至空間光調變器48上(未展示)之前，進一步傳播穿過反射偏光器336、漫射器層68、選用之偏光旋轉器338諸如一半波片，。

特徵12可未經塗布，使得一些光被透射且入射至後反射器330之刻面303上，且經導向往回穿過波導成為射線344，而有利地改良效率。對於光射線344、363，反射偏光器將透射一第一偏光狀態且反射正交偏光狀態成為射線346，射線346進一步入射在刻面303、334上。刻面303、334可經配置成具有例如一90度夾角，以達 成一逆反射性質，輸出與射線344、363相比較可具有反射對稱的射線350。有利地，改良輸入至空間光調變器中之效率。進一步，可改良角度均勻性。

希望在薄封裝中提供有效率方向性背光。

圖20A係繪示包含方向性波導之方向性顯示器之透視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器。

因此，一種方向性顯示裝置可包含：如本文所描述之一方向性背光包含波導301；一透射型空間光調變器48，其經配置以接收透過第一引導表面6輸出之光且經配置以調變具有一第一偏光387的光之一第一偏光分量；及一反射偏光器336，其經設置於波導301之第一引導表面6與空間光調變器48之間，且經配置以透射第一偏光387分量且反射具有與第一偏光387的一偏光正交之輸出光之一第二偏光389分量作為拒斥光346，後反射器330進一步包含中間刻面334，中間刻面334延伸於後反射器330之反射刻面303之間且在一共同平面中依相對於後反射器330之反射刻面303的一方向傾斜，使得數對之一反射刻面303及一中間刻面334一起形成隅角刻面，該等隅角刻面經配置以反射拒斥光346，用於往回供應至空間光調變器48，該等對之一反射刻面303及一中間刻面334在對著空間光調變器48之法線而定向的一平面中傾斜，使得在反射時，後反射器330將往回供應至空間光調變器48的拒斥光346之偏光轉換成為第一偏光387。可藉由配置第一偏光狀態387及第二偏光狀態389成為對著線 性延伸之反射刻面303、334以實質上45度傾斜的線性偏光狀態，而達成此類轉換。一偏光旋轉器338可進一步經設置於反射偏光器336與及空間光調變器48之間，且經配置以旋轉第一偏光分量。有利地，可達成一有效率偏光轉換配置且提供高顯示效率。

波導301及後反射器330經配置成具有含清透孔隙503之一遮光層502，清透孔隙503與空間光調變器48之作用區對齊，以遮掩來自波導301之邊緣區域的散射。光學控制膜504可包含反射偏光器、波片、漫射器，如在本文中其他地方所描述。空間光調變器48可包含：偏光器510、518；基材512、516，其可係玻璃；及液晶層514，其可進一步包含像素520、522、524。液晶模式可係TN、VA、IPS、ECB或其他類型的已知液晶模式。對於一些操作模式，空間光調變器可具有一高回應速度，例如，以提供120Hz或以上之圖框率(frame rate)操作。有利地，此類配置可達成行動顯示裝置所欲之一低厚度。進一步，可達成多個背光操作模式，如本文中將進一步描述。

希望提供顯示器之有效率裸眼式立體操作。

圖20B係繪示包包含一視差屏障且進一步包含一方向性波導之方向性顯示器之透視示意圖，方向性波導包含菲涅耳反射器，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸。此類顯示器描述於2015年3月19日申請之美國專利申請案第14/663,251號(美國專利公開案第2015/0268479)標題為「Directional backlight」(方向性背光)(代理人參考案號371001)中，該案全文以引用之方式併入本文。與圖20A之配置相比較，一進一步之可切換型視差屏障101經配 置成與波導301及空間光調變器48串聯。可切換型視差屏障101可進一步包含偏光器528、基材530、534及液晶層532，液晶層532可包含可經配置以於透射操作與吸收操作之間切換之可切換元件150、152。可回應於移動中之觀察者之位置而追蹤此類屏障元件。在一習知背光中，此類可切換型視差屏障一般為無效率。

有利地，本實施例可有效率地照明一觀察者之頭部，提供用於裸眼式立體操作之一明亮且低倍率消耗。進一步，可藉由減小幻視(pseudoscopic)區能見度來減小串擾。進一步可達成低厚度及小邊框寬度。

希望提供方向性顯示設備之可切換操作及用以最佳化功能之進一步控制構件。

圖21係繪示用於包含方向性波導之方向性顯示器之控制系統的示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器。因此，一方向性顯示設備可描述如本文所描述一方向性顯示裝置之及一控制系統，該控制系統經配置以控制光源317a至317n、319a至319n。

現在將描述該控制系統之配置及操作，且該控制系統可應用於本文所揭示之顯示裝置之各者，然若需要，搭配變更。方向性背光包含如上文描述配置之一波導301及照明元件317a至317n之陣列317、319。該控制系統經配置以選擇性操作照明元件317a至317n以導向光至可選擇之光學窗27a至27n中。

該控制系統可包含一感測器系統，該感測器系統經配置以偵測一觀察者99相對於該顯示裝置之位置。該感測器系統包含：一位置感測器406，諸如一攝影機，其經配置以判定一觀察者408之位置；及一頭部位置量測系統404，其可例如包含一電腦視覺影像處理系統。位置感測器406可包含已知之感測器，包括包含攝影機及影像處理單元之感測器，其等經配置以偵測觀察者面部之位置。位置感測器406可進一步包含一立體感測器，其經配置以與一單像攝影機相比較而改良縱向位置之測量。替代地，位置感測器406可包含眼睛間距之測量，以提供來自方向性顯示器之圖標(tile)的各別觀看窗陣列之必要置放之測量。

該控制系統可進一步包含一光源控制器402及一影像控制器403，可將自頭部位置測量系統404供應之所偵測觀察者位置供應給影像控制器403。替代地，可供應一模式選擇給光源控制器；本文中將進一步描述此類模式。

該照明控制器包含：一LED控制器402，其經配置與波導301合作以判定應切換陣列317之哪些光源而導向光至觀察者99之各別眼睛；及一LED驅動器400，其經配置以藉由驅動線407、409的手段分別控制光源陣列317、319之光源之操作。光源控制器402取決於藉由頭部位置測量系統72偵測的觀察者99的位置來選擇將操作的可控制照明器元件317a至317n、319a至319n，使得光被導向至其中的光學窗27a至27n、29a至29n係在相對應於觀察者99之 左右眼的位置中。依此方式，波導301之側向輸出方向性可對應於觀察者位置。

影像控制器403經配置以控制SLM 48以顯示影像。可與陣列317、319之光源之照明同步地呈現在SLM 48上顯示之影像。

為了提供一裸眼式立體顯示，影像控制器403及該照明控制器可如下操作。影像控制器403控制SLM 48以顯示暫時時間多工之左眼影像及右眼影像，並且LED控制器402操作光源317a至317n、319a至319n以與左眼影像及右眼影像之顯示，同步地將光導向至在相對應於觀察者99之左右眼的位置中之光學窗中。依此方式，使用分時多工技術達成裸眼式立體效果。在一實例中，可藉由驅動線410的手段，藉由光源409(其可包含一或多個LED)之操作照明單一觀看窗，其中其他驅動線未被驅動，如在其他地方所描述。

頭部位置測量系統404偵測觀察者相對於顯示裝置之位置。LED控制器402取決於藉由頭部位置測量系統404偵測的觀察者之位置來選擇將操作的光源15，使得光被導向至其中的觀看窗位在相對應於觀察者之左右眼的位置中。依此方式，可達成波導301之輸出方向性以對應於觀看者位置，使得一第一影像在一第一階段中可導向至觀察者之右眼，及在一第二階段中導向至觀察者之左眼。

圖22係繪示包含菲涅耳反射器之方向性楔形波導之透視示意圖，菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸。可提供依與圖11中展示類似方式自楔形1102提取光。反射端部1104可包含一複合鏡提供依側向方向且在x-z平面中 之偏轉。與軸1199相比較，反射端部之菲涅耳鏡組件之軸287、289係傾斜。因此，配置在側1122上之光源1117a可成像至光學窗1126a，且光源1117b可成像至光學窗1126b。有利地，減小長邊緣邊框寬度。

現在將描述光學窗成像特性及均勻性特性。

圖23至圖25係繪示包含菲涅耳反射器之方向性波導之照明之前視示意圖，菲涅耳反射器具有第一及第二傾斜光學軸。在圖23至圖24中，菲涅耳反射器之光學軸287依一方向傾斜朝向側表面322，使得來自沿一側表面配置之光源陣列317的光源之輸出光367a被導向至光學窗27a至27n分佈之中心光學窗27a中。圖23繪示光源317a可被導向朝向光學窗27a(其係在軸199)，而圖24繪示一不同光源，例如來自光源317b，被導向朝向在窗平面中與軸199對齊之光學窗27b(其經配置成在軸)。

圖23至圖24進一步繪示光源陣列317a、319a可合作以在窗平面中達成重疊窗27a、29a。有利地，與其中一單一光源提供一光學窗之配置相比較，此類重疊窗可達成增加的明度。此類顯示器可便利地達成高明度操作。有利地，當顯示器操作於高照明度環境，諸如晴天戶外時，可觀看到明亮影像。與具有相同顯示器明度之習知背光相比較，可減小總顯示器功率消耗。

進一步與圖12A相比較，提供在軸光學窗的陣列317、319之光源可被提供在側322、324之較厚部分處。因此，對於一給定總背光疊裝厚度，可使用具有比圖12A中者更高之孔隙高度之光源諸 如LED，如在16B圖中之光源317a及317b所進一步展示。因此，可使用習知LED封裝來達成較高明度操作。較接近側302之LED可經配置以提供離軸照明，如將描述。一般來說，不需要此類LED來提供用於離軸觀看位置的如此高明度程度。有利地，可進一步增加用於在軸觀看之顯示明度，進而最佳化戶外操作。

圖25繪示用於圖23之配置的光源319b、319c之離軸操作。光源319b、319c分別在波導301之右側上提供射線362b_R、362c_R，且在該左側上提供射線362b_L、362c_L。自光源319b至刻面329_R的射線362b_R之路徑長度不同於射線362b_L至刻面329_L之路徑長度。此路徑長度不同意指介於射線362b_R與362c_R之間之光錐372之角度大於該介於射線362b_L與362c_L之間之光錐376之角度。

圖26至圖27係繪示包含菲涅耳反射器之方向性波導之側向方向之放大率變化之前視示意圖，菲涅耳反射器具有經配置以提供第一及第二光學窗的第一及第二傾斜光學軸。因此，光錐370、374及378具有不同大小如同光錐372、376、380。錐角度隨著跨菲涅耳反射器之側向位置的變更使系統之放大率變更，其在圖28中進一步繪示，圖28係藉由標繪光學窗382之角度大小對跨波導301之位置384繪示第一及第二光源的在一側向方向之放大率變化的示意圖表。因此，對於陣列319，放大率可如由形貌386示意繪示地變更，及對於陣列317，放大率可如由形貌388示意繪示地變更。

圖29係繪示在方向性波導之同一側上的第一及第二光源的在一側向方向之放大率變化之前視示意圖；及圖30係繪示圖29之配置的光學窗大小之前視示意圖。因此，藉由光錐269a_R、269a_L、269b_R及269b_L提供在窗平面處之光學窗(其中來自波導301之不同區域的光錐重疊)具有依側向方向之不同位置及寬度。

圖31係繪示在方向性波導之兩側上的第一及第二光源的側向方向之放大率變化之前視示意圖；且圖32係繪示31之配置的光學窗大小之前視示意圖。因此，由左側322及右側324上之光源提供之光學窗進一步重疊，進而提供窗平面之對稱照明。

圖33A至圖33B係依類似於圖32之前視圖之方式繪示圖23之配置的光學窗位置之俯視示意圖。在此配置中，藉由刻面327_R及327_L之設計的手段，光學窗267a_R、267a_L可經配置成在軸對齊。類似地，藉由刻面329_R及329_L之設計的手段，光學窗269a_R、269a_L可經配置成在軸對齊。因此，沿側向方向依方向271提供光學窗269a至269n，且沿側向方向依方向273提供光光學窗267a至267n，方向273與方向271相對。有利地，歸因於重疊光學窗，可在窗平面392處之在軸光學窗區域中提供高明度。

希望增加重疊光學窗之寬度，以增加用於高明度操作的觀看者自由度之寬度。

圖34A至圖34B係繪示用於圖24之配置的光學窗位置之俯視示意圖。在這些配置中，光源317b及319b經配置以依與圖24類似之方式提供在軸光學窗。有利地，延伸觀看者自由度。

圖35係繪示圖33A至圖33B之配置的光學窗組合之俯視示意圖；且圖36係繪示圖35之光學窗組合在窗平面中顯示明度422依據側向位置424變化的示意圖表。圖37係繪示圖33A之配置的中心光學窗組合之俯視示意圖；且圖38係繪示圖37之光學窗組合在窗平面中顯示器明度422依據側向位置424變化的示意圖表。

在圖36繪示之一第一操作模式中，陣列317、319之數個光源可被照明。由曲線424表示的組合之觀看窗係顯示器表面之區域的光學窗之組合。有利地，可達成具有對稱角度觀看窗形貌之一廣觀看角度顯示。

在圖38繪示之一第二操作模式中，可藉由例如僅光源317a及319a之照明達成一較窄觀看窗大小。加入來自兩側之光可提供相對均勻顯示明度。此類第二模式可有利地經配置以提供下列一或多者：(i)隱私操作模式，類似於圖9；(ii)節約操作模式(green mode of operation)，其中光主要傳送至一中心觀看者，但是不會浪費在遠離觀看者眼睛的區域中；(iii)日光操作模式，其中對於與廣角模式相同的總功率消耗，在一較窄觀看角度內提供一高明度影像；(iv)視差光學元件照明，如參考圖20B所描述者。

上文之實施例描述在顯示器表面上之不同位置的不同大小之重疊窗。希望提供適合具有低串擾之裸眼式立體顯示操作之觀看窗配置。

圖39係繪示替代光學窗組合之俯視示意圖；且圖40係繪示圖39之光學窗組合之顯示明度依據觀看角度而變化的示意圖表。 光學窗269b_L、269b_R之在軸邊緣與光學窗269a_R、267a_L之在軸邊緣對齊。依此方式，可提供觀看窗427、425。有利地，一裸眼式立體窗配置可具備低串擾。

圖41係繪示經配置來達成依側向方向跨菲涅耳反射器位置之光學窗均勻性增加的菲涅耳反射器刻面之前視示意圖。考量光源319a、319c照明刻面329，接著光射線432、434及各別光錐436、440(表示光源之寬度)入射在刻面329上。光射線432入射在刻面區域430上，而光射線434入射在一可包含至少兩個區域430、432的大面積刻面329上。反射後，對於來自光源319a之光，藉由區域430提供光錐438。相比較而言，可分別自兩個刻面區域430、432提供光錐442、444。因此，對於射線434，全反射光錐寬度增加。有利地，可補償光源319a、319c與刻面329之間之路徑長度差異。進一步，可補償明度非均勻性。

希望增加效率且改良側向均勻性。

圖42至圖43係繪示波導之前視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器以及與菲涅耳反射器相對之一反射側。該方向性背光可進一步包含面對反射端部304之一後端部302。後端部302之至少部分可係反射性。反射層325可包含例如一塗佈或分開之反射材料。如圖16B中所繪示，端部302可具有一有限厚度，且因此，對於入射在側302上且經透射之光，會發生一些光損失。有利地，側302之厚度可小於在圖12B中之側2之厚度，因此，可最佳化幾何效率。

理想地，入射在後端部302上之光可在波導內反射，以提供離軸成像。如圖42中所展示，對於一平面反射器，入射光錐454可被鏡面反射回至菲涅耳反射器304。刻面327、329可經配置成具有一90度或類似夾角。此類夾角將反射光錐456，有利地增加輸出均勻性。

圖43繪示包含一結構化表面之一反射後端部302。此類表面可增加經反射光之光錐458。有利地，可提供延伸的廣角輸出且增加均勻性。

希望提供對廣角輸出之增加控制。

圖44至圖45係繪示波導之前視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器以及在與菲涅耳反射器相對之側上的光源。該背光可進一步包含分別沿相鄰於側表面322、324之後端部302之至少部分而配置之輸入光源417a至417c、419a至419c。如圖44中所繪示之後端部302之至少部分係非反射性，而在圖45中，光源417a、419a之間在後端部302上依側向方向之間隙可係反射性。有利地，可達成離軸照明之增加控制。

希望提供跨波導301之增加側向均勻性。

圖46係繪示階梯式成像波導之俯視、前視及仰視示意圖，階梯式成像波導包含具有第一傾斜光學軸287與第二傾斜光學軸289之一菲涅耳反射器，矩形鏡側304及矩形後端部302。窗放大率之側向變化、對稱光源陣列317、319及自後端部302反射之光皆促成跨波導之側向非均勻性。

圖47係繪示菲涅耳反射器之刻面處的反射效率之前視示意圖。因此，反射端部304係包含交替反射刻面327及329之一菲涅耳反射器，該等反射刻面使菲涅耳反射器具備正光學倍率。離軸光束476入射在被刻面327遮蔽的刻面329上。因此，跨刻面329之節距A，提供寬度a之反射光束472。接著，可藉由比率a/A給出反射效率： 其中θ_i係入射角度，且θ_f係刻面329角度。因此，對於一中心光源319a，效率跨菲涅耳反射器之側向廣度而變化。

圖48係繪示圖46之波導配置的輸出明度依據側向位置變化之圖表。因此，可藉由在圖47中繪示之鏡遮蔽提供形貌484，同時與放大率及其他變更的組合可達成可在波導之中心中提供較低效率的一所得形貌486。

圖49至圖50係繪示具有不同效率之階梯式成像波導的示意圖，其係依x方向之剖面。圖49繪示具有後端部302高度490(b)及菲涅耳反射器端部304高度488(m)之一第一剖面；且圖50繪示具有後端部302高度491(B)及菲涅耳反射器端部304高度489(M)之一第二剖面。因此，側6未大體上平行於階梯式側8之元件10。兩個剖面之波導301之相對幾何效率係大致上藉由下列給出：相對幾何效率=(1-b/m)/(1-B/M) 方程式2

高度差異可起因於典型地不平行於側6之區域10。理想地，階梯高度可係至少0.5微米、較佳地至少1.0微米且更佳地至少1.5微米，以在波導1之工具加工及模製期間最小化刻面圓化。為了最小化疊紋能見度，刻面12之節距可理想地小於500微米、更佳地小於350微米且最佳地小於200微米。因此，可藉由光導之製造及影像外觀特性判定高度差異225之範圍。

希望控制側向幾何效率，以補償在圖48中展示之菲涅耳反射器效率衰減(roll-off)。

圖51係繪示階梯式成像波導之俯視、前視及仰視示意圖，階梯式成像波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器、矩形鏡側及與菲涅耳反射器端部304相對之後側302，後側302具有側向變化之高度形貌。因此，該方向性波導可包含如本文所描述之一波導301，其中(a)介於第一引導表面6與第二引導表面8之間的後端部302之高度；及(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間之比率跨側向方向具有一形貌，該形貌在菲涅耳反射器之光學軸處最大且朝向該光學軸之各側減小的。

圖52A係繪示圖表變化之圖表，其中(a)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該輸入端部之高度；及(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間之比率跨側向方向具有一形貌，該形貌在菲涅耳反射器之中心處最小且朝向該中 心之各側減小；且圖52B係繪示圖51之波導配置的輸出明度480形貌487依據側向位置482為平坦的圖表。

有利地，可最佳化波導301之側向均勻性。

圖53至圖56係繪示波導配置之透視示意圖，波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及依側向方向具有非平坦形貌的高度比率。在提出之實施例中，反射端部304高度對後端部302高度之比率可典型地在光學軸199處最小，然而例如取決於跨菲涅耳鏡及光提取特徵12之輸出的詳細明度變化，高度比率可係在光學孔隙處最大，如圖53中所展示。

圖53至圖56之實施例可達成觀察者99自在軸光學窗位置觀看顯示設備的所欲空間均勻性。希望在窗平面392中提供離軸觀看位置之高空間均勻性。

圖53進一步展示波導301之一直式配置。有利地，可提供直式操作用於隱私及其他方向性操作模式。

圖57係繪示在方向性波導中形成照明空隙之俯視示意圖，方向性波導中包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器。依與在圖14中展示者類似之方式，自光源317b從刻面327反射之光射線232產生空隙A 230。對於自光源319b之反射幾何，一類似空隙(未展示)可存在於左側上。

希望移除空隙A 230之外觀。

圖58至圖62係繪示方向性波導之俯視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器，其經配置以 提供照明空隙A之填充。可如在本文中其他地方所揭示來配置透射刻面321。可進一步於透射刻面321之間配置反射刻面337。該等刻面可具有一傾度，使得來自光源317d之光射線自反射刻面337反射後保持平行於空隙邊界232。因此，刻面337作為包含刻面327及刻面337之一菲涅耳反射器之部件來操作。陣列317之光源之間之進一步刻面339可經配置以作為包含刻面329及刻面339之一菲涅耳反射器之部件來操作。

因此，與沿其配置光源陣列617之表面322相對的側表面324可包含側反射刻面337，其中側反射刻面337提供一側菲涅耳反射器，該側菲涅耳反射器依側向方向及光學軸方向之正光學倍率實質上相同於配置在反射端部604處的菲涅耳反射器。

圖59繪示輸入刻面492及反射刻面494可在不同於光源陣列317、319的一節距上。有利地，不需要使光源317a至317n、319a至319n與刻面對齊，並且光源可經配置成一線性陣列，改良機械耐用性。圖60繪示線性及旋轉光源之組合並且可提供輸入刻面321。有利地，可準確對齊高發光通量光源以最佳化效率，而可更便利地對齊低發光通量光源。

圖61繪示可具備微結構329之輸入刻面321。此類微結構可經配置以提供有效率擴散來自光源之光至菲涅耳反射器327、329及反射刻面337、339上。各刻面321、492上的微結構可相同或可沿波導之側變化，以提供最佳化均勻性及效率。圖62繪示來自光源317a至317n及319a至319n之光可進一步入射至具有一微結構341 之後端部302上，微結構341經配置以導向光至離軸觀看方向，便利地增加離軸光學窗明度。

考量圖13，進一步希望在波導301之一側上提供光源，因此減小短側邊框寬度，而且減小長側邊框寬度，因此達成一較小佔用區域背光。

圖63係繪示方向性波導之俯視示意圖，方向性波導包含具有一傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及在短側622上的光源615a至615n之陣列615；且圖64係繪示方向性波導之仰視示意圖，方向性波導包含具有一傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及在短側上之光源。圖65係繪示方向性波導之透視示意圖，方向性波導包含具有一傾斜光學軸之一菲涅耳反射器及在短側上之光源。

因此，一種方向性背光可包含一方向性波導601及光源615a至615n，方向性波導601包含：一反射端部604，其依一側向方向(y軸)伸長；相對之第一引導表面6與第二引導表面8，其等自反射端部604之側向延伸邊緣延伸，用於沿波導601引導輸入光朝向反射端部604及用於引導藉由反射端部604所反射之光遠離反射端部604，第二引導表面8經配置以使自反射端部604反射之光偏轉穿過第一引導表面6作為輸出光；及側表面622、624，其等延伸於第一引導表面6與第二引導表面8之間，其中該等光源包括沿一側表面622配置之光源615a至615n之一陣列615，以透過彼側表面622提供該輸入光，及反射端部604包含該側向方向彼此交替之第一刻面605及第二刻面606，第一刻面605係反射性且形成一菲涅耳反射器之反射刻 面，菲涅耳反射器具有依側向方向之正光學倍率，第二刻面606形成菲涅耳反射器之錐度刻面，菲涅耳反射器具有依一方向傾斜朝向側表面622之一光學軸687，其中該方向使菲涅耳反射器使來自光源陣列615之輸入光偏轉至波導601中，波導601中經配置以依輸出方向導向來自光源615a至615n之輸出光至各別光學窗26a至26n中，該等輸出方向取決於光源之位置而側向分佈。

與沿其配置光源陣列615之表面622相對的側表面624可包含側反射刻面608，其中側反射刻面608提供一側菲涅耳反射器，該側菲涅耳反射器依側向方向及光學軸方向之正光學倍率實質上相同於配置在反射端部604處的菲涅耳反射器。側反射刻面可依相同於例如如圖58中所描述之方式提供空隙A填充。

短側624可包含反射刻面608及錐度刻面610之一陣列。反射端部604可包含具有刻面604及錐度刻面606之一菲涅耳反射器。在操作中，來自光源615c之光可導向至反射端部604之刻面604且經準直，使得射線614平行於軸199。亦可對齊曲形刻面12之光學軸399，及在一窗平面處提供一在軸光學窗626c。

圖64繪示後端部602形狀使得(a)介於第一引導表面6與第二引導表面8之間的後端部602之高度；及(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的反射端部604之高度之間之比率跨側向方向具有一形貌，該形貌在配置光源陣列615之側處最大且依該側向方向減小。進一步，介於第一引導表面6與第二引導表面8之間的後端 部602之高度跨側向方向可具有一形貌，該形貌在配置光源陣列之側處最大且依側向方向減小。

有利地，可補償在軸光學窗位置的側向空間非均勻性。

有利地，可提供與例如圖17的配置相比較達成一較小佔用區域的一方向性背光。進一步，可達成自在軸光學窗位置及離軸光學窗位置觀看的空間均勻性。

希望使用一薄波導提供來自波導301之一高明度輸出。進一步希望使用高度類似於波導之反射端部之高度可包含LED的光源。

圖66係繪示方向性波導301之透視示意圖，方向性波導301包含具有第一及第二傾斜光學軸287的一菲涅耳反射器304以及配置在短側表面322、324上可包含LED的光源319。圖67A係繪示方向性波導301之一側324之側視示意圖，側324漸縮且包含輸入刻面及反射刻面。表面322、324可包含具有輸入刻面492及反射刻面494之一結構表面，如在本文中其他地方所描述。菲涅耳反射器304之高度700大於側302之高度702，並且具有一漸縮，該漸縮可係線性或藉由介於菲涅耳反射器304與側302之間的提取特徵12之高度及節距所決定之另一形貌。

圖67B係繪示至圖66之波導中之LED陣列輸入之側視示意圖。可藉由包含具有高度706之封裝708及具有高度704之發光區域710的LED之一LED陣列提供光源陣列319a至319n。發光區域710可例如包含一藍色發光半導體裝置(諸如氮化鎵晶片)且可進 一步包含經配置以與該半導體裝置合作以提供白光之一磷光體。替代地，可提供分開之彩色裝置，諸如紅色、綠色及藍色發射裝置。LED陣列可配置在一印刷電路板712上。

圖67C係繪示圖67B之LED陣列與圖67A之輸入側324對齊之側視示意圖。典型地，藉由在反射端部處的菲涅耳反射器304之厚度700來決定包含波導301之一背光之厚度。為了最小化雜散光，希望提供LED發射孔隙710之高度704小於側302之高度702。因此，在一薄封裝的LED高度704受限制。此類薄LED具有有限的發光通量，且因此顯示明度可低於所欲。

可藉由變更提取特徵12階梯高度及節距來增加側302之高度702。然而，增加高度702使波導效率減小。

希望增加LED發射孔隙高度704，同時提供具有高效率的薄波導。

圖67D係繪示包含至少兩個LED高度之LED陣列與圖67A之輸入側對齊之側視示意圖。在LED陣列之第一區域730中可提供低高度之LED，而在第二區域732中可提供較高高度之LED。區域732中之LED可經配置以提供高明度的在軸照明，而區域730中之LED可經配置以提供較低光照度之離軸照明。

有利地，與圖67C之配置相比較，可增加在軸明度。

希望在LED陣列中提供單一類型LED，同時達成高明度及高波導效率。

圖68A係繪示方向性波導之透視示意圖，方向性波導301包含具有第一傾斜光學軸287與第二傾斜光學軸289之一菲涅耳反射器，及具有配置在一恆定高度720之短側上的LED之輸入漸縮區域722、724。漸縮區域722、724可係平坦且可經配置成具有一形狀，例如實質上三角形，使得在表面8之提取特徵12之區域之邊緣處的輸入側302之高度702。在操作中，藉由引導使來自光源陣列319之光耦合於輸入側324與提取表面之區域之間。可藉由可被屏蔽層(未展示)隱藏的漸縮區域722、724來提供雜散光。

因此，一方向性波導301包括相鄰於側表面322、324的至少一漸縮區域722、724，在漸縮區域內，介於第一引導表面6與第二引導表面8之間之波導301之高度720沿自波導301之其餘部分朝向側表面322、324之一方向增加。依側向方向(y軸)的漸縮區域722、724之寬度依遠離反射端部304之方向增加。

圖68B係繪示方向性波導之後視示意圖，方向性波導包含具有第一及第二傾斜光學軸之一菲涅耳反射器，及經配置在波導301之包含光提取特徵之一側上的漸縮區域722、724。因此，可在波導301之具有第二引導表面8之側上提供漸縮區域。有利地，漸縮區域722、724及表面8可提供在相同工具表面上，提供用於切割之一單一工具及用於工具加工之一單一實質上平坦表面，因此，減小工具系統之複雜度且進一步增加模製產率。

圖68C係繪示方向性波導之後視示意圖，方向性波導包含在反射端部304處具有第一傾斜光學軸287與第二傾斜光學軸 289之一菲涅耳反射器，及配置在波導之一第一(輸出)側6的漸縮區域722、724。

有利地，與在圖68B中使用之工具相比，用於光提取表面8之工具可較不複雜。在其他實施例中，漸縮區域722、724可配置在表面6、8之兩側。

圖69A係繪示包含輸入漸縮且包含輸入刻面及反射刻面的方向性波導之側的側視示意圖。因此，輸入側324可係矩形，使得高度700、720實質上相同。

圖69B係繪示至圖68A之波導中之LED陣列輸入之側視示意圖。因此，相對於圖67B之陣列之LED，可增加發射孔隙710之高度704。圖69C係進一步繪示圖69B之LED陣與圖69A之輸入側302對齊之側視示意圖。

圖70A至圖70B係以反射端部相對之端部之端視圖分別繪示LED陣列與圖68B至圖68C之方向性波導之側對齊的情況的示意圖。因此，印刷電路板712可便利地與波導301對齊，以達成：(i)附接至實質上平坦表面6或及可覆蓋漸縮區域722、724之光屏蔽性質，如圖70A中所展示；或(ii)更便於製造波導301，亦如在圖68C中所繪示。圖70B亦繪示側302可具有一恆定高度，其小於光源陣列317、319之LED 708之高度。有利地，可達成便利的製造及組裝配置。

圖71係反射端部之端視圖繪示LED陣列與圖68A之方向性波導301之側對齊的情況的示意圖。

有利地，可針對在軸照明提供具有高發光通量之LED，同時最小化來自LED發射孔隙310與輸入側324未對齊之洩漏的雜散光。可增加LED發射孔隙710高度704，且可控制LED至波導中的耦合效率。進一步，可提供側302之一低厚度702，進而達成高效率。可使用相同LED，減小複雜度及成本，同時達成高在軸明度。

可應用關於階梯式波導方向性背光的實施例，視需要變更如本文所描述之楔形方向性背光。

如本文中使用之用語「實質上(substantially)」及「約(approximately)」提供相對應之用詞及/或項目之間相對性的產業可接受之容限度。此類產業可接受之容限度產業範圍為自零百分比至十百分比並且對應但不限於之分量值、角度等等。此類項目之間相對性範圍為約零百分比至十百分比之間。

下列專利全文以引用之方式併入本文：美國專利公開案第2013/0307831號、第2013/0335821號、第2013/0307946及第2014/0009508號；2016年4月13日申請之美國專利申請案第15/097,750號標題為「Wide angle imaging directional backlights」(廣角成像方向性背光)；2016年4月13日申請之美國專利申請案第15/098,084號標題為「Wide angle imaging directional backlights」(廣角成像方向性背光)；及2015年6月26日申請之美國專利申請案第14/751,878號標題為「Directional privacy display」(方向性隱私顯示器)。

雖然以上已描述根據本文所揭示之原理之各項實施例，但是應明白，該等實施例僅係舉實例呈現而言且非限制。因此，本揭露之廣度及範疇不應受限於上文描述之例示性實施例之任意者，而是應僅根據本揭露發表之任意請求項及其同等者所界定。另外，所描述之實施例中提供上述優點及特徵，但是此類發表之請求項之應用不應限於實現任意或所有上述優點的程序及結構。

此外，為了與依據37 CFR 1.77的建議一致或否則為了提供組織線索而提供本文中之段落標題。此等標題不應限制或特性化可自本揭露發表之任何請求項中載明的(多個)實施例。具體而言及舉實例而言，雖然標題引用「技術領域」，但是請求項不應受限於依據用以描述所謂領域之此標題而選用之語言。進一步，在「先前技術」中描述之技術不應視為某些技術係本揭露中之任意(多個)實施例的先前技術的認知。「發明內容」亦不應視為所發表之請求項中提出之(多個)實施例出之特性。另外，在本揭露中以單數形式對「發明(invention)」的任何引用不應用以議論在本揭露中僅有單一新穎點。根據本揭露發表之多項請求項之限制可提出多項實施例，並且據此，此類請求項界定藉此受保護的(多個)實施例及其同等物。在所有情況中，此類請求項之範疇應視為在本揭露中各有其優點，而不應受到本文提出之標題的約束。

Claims (36)

1. 一種包含一方向性波導及光源之方向性背光，該方向性波導包含：一反射端部，其依一側向方向伸長；相對之第一引導表面及第二引導表面，其等自該反射端部之側向延伸邊緣延伸，用於引導輸入光沿該波導朝向該反射端部及用於引導由該反射端部所反射之光遠離該反射端部，該第二引導表面經配置以使自該反射端部反射之光偏轉穿過該第一引導表面作為輸出光；及側表面，其等延伸於該第一引導表面與該第二引導表面之間，其中該等光源包括沿一側表面配置之一光源陣列，以透過彼側表面提供該輸入光，且該反射端部包含依該側向方向彼此交替之第一刻面及第二刻面，該等第一刻面係反射性且形成具有依該側向方向之正光學倍率的一菲涅耳反射器之反射刻面，該等第二刻面形成該菲涅耳反射器之錐度刻面(draft facet)，該菲涅耳反射器具有依一方向傾斜朝向該側表面之一光學軸，其中該菲涅耳反射器依該方向使來自該光源陣列之輸入光偏轉至該波導中，該波導經配置以依輸出方向導向來自該等光源之該輸出光至各別光學窗中，該等輸出方向取決於該等光源之位置而側向分佈。
2. 如請求項1之方向性背光，其中該等光源包括兩個光源陣列，各光源陣列沿該等側表面之一者而配置，且 該等第一刻面及該等第二刻面係反射性，該等第一刻面及該等第二刻面分別形成各具有依該側向方向之正光學倍率的第一及第二菲涅耳反射器之反射刻面，該等第二刻面及該等第一刻面各別形成該等第一及第二菲涅耳反射器之錐度刻面，該等第一及第二菲涅耳反射器具有依方向傾斜朝向各別側表面之光學軸，其中該等菲涅耳反射器依該等方向使來自沿該各別側表面配置之該光源陣列之輸入光偏轉至該波導中。
3. 如請求項2之方向性背光，其中該等第一刻面及該等第二刻面具有對著自該反射端部延伸之一對稱平面的鏡對稱，該等第一及第二菲涅耳反射器之該等光學軸自該對稱平面傾斜朝向該等各別側表面。
4. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中該等光源經配置成對著該對稱平面而鏡對稱。
5. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中該第一引導表面經配置以藉由全內反射來引導光，且該第二引導表面包含複數個光提取特徵及該等光提取特徵之間之中間區域，該等光提取特徵經定向以依方向導向由該反射端部所反射之光，允許出射穿過該第一引導表面作為該輸出光，該等中間區域經配置以沿該波導引導光。
6. 如請求項5之方向性背光，其中該等光提取特徵具有依該側向方向之正光學倍率。
7. 如請求項6之方向性背光，其中該等光提取特徵具有該菲涅耳反射器之該光學軸傾斜至其之一光學軸。
8. 如請求項5至7中任一項之方向性背光，其中該等光提取特徵及該等中間區域依一階梯式形狀彼此交替。
9. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其進一步包含面對該反射端部之一後端部。
10. 如請求項9之方向性背光，其進一步包含沿該側表面相鄰的該後端部之至少部分配置之輸入光源。
11. 如請求項9或10之方向性背光，其中該後端部之至少部分係反射性。
12. 如請求項9或10之方向性背光，其中該後端部之至少部分係非反射性。
13. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中(a)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之高度與(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間之比率跨該側向方向具有一形貌，該形貌在配置該光源陣列之該側處最大且依該側向方向減小。
14. 如請求項13之方向性波導，其中介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之該高度於跨該側向方向具有一形貌，該形貌在配置該光源陣列之該側處最大且依該側向方向減小。
15. 如請求項6之方向性背光，其中(a)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之高度與(b)介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該反射端部之高度之間之比率跨該側向方向具有 一形貌，該形貌在該等光提取特徵之該光學軸處最小且朝向該光學軸之各側增加。
16. 如請求項15之方向性波導，其中介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該後端部之該高度於跨該側向方向具有一形貌，該形貌在該等光提取特徵之該光學軸處最低且朝向該光學軸之各側減小。
17. 如請求項16之方向性波導，其中該第一引導表面處的該後端部之該邊緣係曲形，及該第二引導表面處的該後端部之該邊緣係筆直的，以提供該形貌。
18. 如前述請求項中任一項之方向性波導，其中該波導包括相鄰於該側表面之一漸縮區域，在該漸縮區域內，介於該第一引導表面與該第二引導表面之間的該波導之高度沿自該波導之其餘部分朝向該側表面的一方向增加。
19. 如請求項18之方向性波導，其中依該側向方向的該漸縮區域之寬度依遠離該反射端部之方向增加。
20. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中該菲涅耳反射器之該光學軸依一方向傾斜朝向該側表面，使得來自沿一側表面配置之該光源陣列之一光源的該輸出光被導向至光學窗分佈之中心光學窗中。
21. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中沿其配置該光源陣列之該側表面包含凹部，該等凹部包括面對該反射端部之輸入刻面，該等光源經配置以透過該等輸入刻面提供該輸入光。
22. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其中與沿其配置該光源陣列之該表面相對的該側表面包含側反射刻面，其中該等側反射刻面提供一側菲涅耳反射器，該側菲涅耳反射器依該側向方向及光學軸方向之正光學倍率實質上相同於配置在該反射端部處的該菲涅耳反射器。
23. 如前述請求項中任一項之方向性背光，其進一步包含一後反射器，該後反射器包含一線性反射刻面陣列，該線性反射刻面陣列經配置以反射來自該等光源之光，該光透射穿過該波導之該複數個刻面、往回穿過該波導以出射穿過該第一引導表面進入該等光學窗中。
24. 如請求項23之方向性背光，其中該波導之該等刻面及該後反射器之該等反射刻面在正交於該側向方向之一共同平面中依相同方式傾斜。
25. 如請求項23或請求項24之方向性背光，其中該波導之該等刻面對該第一引導表面之法線傾斜一角度(π/2-α)，且該後反射器之該等反射刻面對該第一引導表面之法線傾斜一角度β，且2β>π/2-sin^-1(n.sin(α-θ_c))，θ_c係該波導之該等刻面之臨界角，且n係該波導之材料之折射率。
26. 如請求項23至25中任一項之方向性背光，其中該後反射器與該波導相間隔，使得來自該波導之一個別刻面的光入射在該後反射器之複數個反射刻面上，該後反射器進一步包含延伸於該後反射器之該等反射刻面之間之中間刻面，該等中間刻面依相對於該後反射器之 該等反射刻面的一方式傾斜一角度，使得來自該等光源透射穿過該波導之該複數個刻面的該光不入射在該等中間刻面上。
27. 如請求項23至26中任一項之方向性背光，其中該後反射器之該等反射刻面具有一不規則節距。
28. 如請求項23至27中任一項之方向性背光，其中該後反射器之該等反射刻面具有一不規則、隨機化節距。
29. 如請求項23至28中任一項之方向性背光，其中該後反射器之該等反射刻面具有跨該反射刻面陣列而變化的一傾度。
30. 如請求項23至29中任一項之方向性背光，其中該後反射器之該等反射刻面係線性。
31. 如請求項23至30中任一項之方向性背光，其中該後反射器之該等反射刻面係曲形。
32. 一種方向性顯示裝置，其包含：一如前述請求項中任一項之方向性背光；及一透射型空間光調變器，其經配置以接收及調變來自該波導之該輸出光，以顯示一影像。
33. 一種方向性顯示裝置，其包含：一如前述請求項中任一項之方向性背光；一透射型空間光調變器，其經配置以接收透過該第一引導表面輸出之光且經配置以調變具有一第一偏光的彼光之一第一偏光分量；及 一反射偏光器，其設置於該波導之該第一引導表面與該空間光調變器之間，且經配置以透射該第一偏光分量且反射具有與該第一偏光的一偏光正交之該輸出光之一第二偏光分量作為拒斥光(rejected light)，該後反射器進一步包含中間刻面，該等中間刻面延伸於該後反射器之該等反射刻面之間且於一共同平面中依相對於該後反射器之該等反射刻面的一方式傾斜，使得數對之一反射刻面及一中間刻面一起形成隅角刻面，該等隅角刻面經配置以反射拒斥光，用於往回供應至該空間光調變器，該等對之一反射刻面及一中間刻面在對著對該空間光調變器之法線而定向的一平面中傾斜，使得在反射時，該後反射器將往回供應至空間光調變器的拒斥光之該偏光轉換成為該第一偏光。
34. 如請求項33之方向性顯示裝置，其進一步包含一偏光旋轉器，該偏光旋轉器設置於該反射偏光器與該空間光調變器之間，且經配置以旋轉該第一偏光分量。
35. 如請求項32至34中任一項之方向性顯示裝置，其中該空間光調變器具有一矩形形狀，該矩形形狀具有與該方向性波導之該反射端部對齊的一第一側，該菲涅耳反射器之該光學軸相對於該空間光調變器之該矩形形狀之一軸傾斜，該軸垂直於該空間光調變器之第一側。
36. 一種方向性顯示設備，其包含：如請求項32至35中任一項之方向性顯示裝置；及 一控制系統，其經配置以控制該等光源。