TWI628468B - 在一定向顯示裝置中的偏振恢復 - Google Patents

Abstract

可恢復偏振的影像定向定向裝置包含有一影像定向定向背光源，該影像定向背光源設有至少一偏振敏感反射器，該偏振敏感反射器設有偏振轉換元件或/且偏振變向元件。視窗藉由影像定向裝置所產生且定義出各元件與光線路徑的相對位置。當使用一般的偏振器作為顯示螢幕的輸入時，影像定向背光源系統提供無偏振的光線至液晶顯示螢幕時少會產生百分之五十的光線損失。本發明提供一種偏振敏感反射器，藉由偏振敏感反射器將想要的偏振與不想要的偏振加以分離，以便將反射光線轉換及轉向為可利用的照度。藉由新增元件，例如延遲膜及反射鏡面，也可產生偏振轉換及偏振轉向。

Description

在一定向顯示裝置中的偏振恢復

本發明提供一種可調變的照明裝置，尤指一種可用於二維、三維及/或裸眼三維的顯示裝置且具有較大面積之照度的光源導引器。

空間多工裸眼三維顯示裝置使得視差元件(例如雙凸透鏡螢幕或視差屏障)的影像陣列與空間光調變器(例如液晶顯示器)的影像陣列相互對齊。空間光調變器的影像陣列配置為至少二組像素。視差元件將每一組像素的光線分別定向不同方向，以便在顯示器的前方提供第一視窗及第二視窗。當觀看者的眼睛位於第一視窗時，可看見第一影像，而第一影像具有第一組像素的光線；而當觀看者的眼睛位於第二視窗時可看見第二影像，而第二影像具有第二組像素的光線。

相較於空間調光器的解析度，目前這些顯示器已降低的解析度。進一步地說，視窗的結構可經由像素光圈之形狀以及視差元件之影像功能來決定。該些像素之間的間隙(例如電極)可產生不均勻的視窗。很不幸地，當觀看者相對顯示器橫向移動時，這些顯示器會產生閃爍的影像，如此一來，觀看者觀看顯示器的自由度將受到限制。藉由散焦光學元件，可降低閃爍現象；然而，散焦的動作將提高影像的失真程度，而且提升觀看者的視覺應變。藉由調整像素光圈的形狀可降低閃爍現象，然而會降低顯示器以及空間光線調變器中的定址電子設備的亮度。

依據本發明的一實施例，提供一種定向顯示裝置，其包含有一導波器，該導波器具有一輸入端。定向顯示裝置也可包含有一光源陣列，而光源陣列的數個光源設於橫跨於輸入端的一側向方向之不同的輸入位置。導波器更包含有相對的第一、第二導引面，第一、第二導引面導引光線沿 著導波器傳遞。第一導引面藉由全內反射去導引光線。第二導引面可包含有數個光線的擷取特徵以及數個中間區，其中該些擷取特徵可將導波器中的光線沿著數個方向加以反射而穿出於第一導引面之外而成為輸出光線。至於該些中間區則位於該些擷取特徵之間而可將光線定向至穿出導波器而不進行擷取。該導波器可導引該些光源發出的光線穿過該第一導引面而進入分佈於該側向方向的數個光學視窗作為輸出光，而該些輸入光的傳遞方向與該些光源的輸入位置相關。定向顯示裝置也包含有一透射式的空間光調變器，該空間光調變器接收穿出於第一導引面的輸出光線而且調變輸出光線的第一偏振量。定向顯示裝置也可包含有一反射式偏振器，該偏振器設於第一導引面以及空間光調變器之間，而該偏振器可傳輸第一偏振量以及將輸出光線的第二偏振量加以反射，其中第二偏振量垂直於第一偏振量。進一步地說，定向顯示裝置也包含有一後反射器，而該後反射器設於第二導引面之後方，其中第二導引面可將拒絕光線加以反射至空間光調變器。定向顯示裝置更可將拒絕光線的偏振量轉換為第一偏振量。

有利地，本發明的實施例可使用透射式的空間光調變器來提升光線的利用率，其中透射式的空間光調變器需要偏振的輸入光線。如此一來可增加顯示亮度以及延長電池之使用壽命，而顯示器可使用於更加明亮的環境中。進一步地說，視窗經由背光源的光線而產生，由於視窗處於入射之偏振狀態，使得顯示器在定向模式下具有較高的亮度。如此一來，便可提供具有較高亮度且具有效率的定向顯示裝置，例如裸眼三維顯示裝置、隱密顯示裝置、以及高效率二維顯示裝置。

依據本發明的又一實施例，提供一種偏振定向照明裝置，包含有一影像定向背光源。該影像定向背光源可包含有一用來導引光線的導波器。該導波器可包含有一第一光導引面、一第二光導引面、一光輸入面以及一偏振敏感反射器，第一光導引面可將一光源陣列的光線定向第一方向。第二導引面可使得光線離開於導波器之外。光輸入面可接收光源陣列的光線，而偏振敏感反射器之位置靠近第一光導引面，而且至少可提供偏振選擇反射。

依據本發明的一實施例，提供一種影像定向背光源，其包含 有一輸入側、一反射側、一第一光定向側、及一第二光定向側。輸入側位於一導波器的一第一端，其中該輸入側可接收至少一光源陣列的光線。該反射側位於該導波器的一第二側。第一光定向側與第二光定向側位於導波器的輸入側與反射側之間。第二光定向側可使得光線穿出於導波器之外。影像定向背光源也可包含有一偏振敏感反射器，該偏振敏感反射器靠近於導波器的第一光定向側，而且至少提供偏振選擇反射。

依據本發明的一實施例，提供一種可復原偏振量的光學閥系統，其包含有一可導引光線的導波器。該導波器可包含有彼此相對的一第一光導引面與一第二光導引面。該導波器更包含有至少一導引特徵以及數個擷取特徵。當光線沿著第一方向做傳遞時，光線可通過該些擷取特徵且僅產生少量光線損，藉由遭遇該些擷取特徵的的至少一第一擷取特徵而允許光線離開。光學閥系統可包含有一空間光調變器以及一偏振敏感反射器，該空間光調變器靠近於導波器，而偏振敏感反射器靠近於導波器的第一光定向側而且至少提供偏振選擇反射。

依據本發明的另一實施例，提供一種偏振定向照明裝置，包含有一影像定向背光源以及一反射型的偏振器，該偏振器靠近於導波器的第一導光面而且至少提供偏振選擇反射。該影像定向背光源可包含有一可導引光線的導波器，而該導波器可包含有一第一光導引面、一第二光導引面、及一光輸入面。該第一光導引面可將自光源陣列的光線定向至第一方向。第二光導引面可使得光線離開於導波器之外。光輸入面可接收光源陣列的光線。

顯示背光源通常會使用導波器以及邊緣發射源。這些影像定向背光源可增加將照度定向穿出於顯示螢幕而進入視窗的附加功能。一影像系統可形成於多種光源以及數個視窗影像。在一實施例中，影像定向系統可為一光學閥，該光學閥可為折疊型的光學系統。當倒傳遞的光線未被美國第12/300,293號專利申請案的反射截止面所擷取時，透過光學閥，光線可沿一方向傳遞且不會產生光線損失。

一般的定向背光源系統，沒有偏振的光線使得液晶顯示器的預偏振片產生至少百分之五十的光線損失。在一些背光源單元中，不正確 的偏振量的光線可藉由反射型偏振片恢復以便指引光線重新進入擴散反射及偏振混合元件。藉由控制光線傳遞的特點，可恢復偏振量的改良式影像定向背光系統具有高效率是可預期的。

在一實施例中，反射型偏振層將不想要偏振狀態的光線重新定向至穿過影像定向背光源的導波器。反射的光線重新穿過於反射偏振器以及進入均勻的偏振照明光束之前，光線可在偏振作用下作傳遞。

在本發明其他實施例中，未偏振的光源可獨立地耦合於局部偏振恢復系統，而該恢復系統可包含有數個反射偏振層、偏振操作裝置以及定向反射器。

影像定向背光恢復偏振裝置包含有一影像定向背光源，影像定向背光源具有至少一偏振敏感反射器，偏振敏感反射器具有可選擇的偏振轉換元件及偏振改向元件。可選擇地，影像定向背光源可為一楔形定向背光源、一光學同軸定向背光源、或一光學閥。該光學閥可包含有一導波器、一光源陣列、以及一聚焦光學儀器，其中該聚焦光學儀器經由局部光源提供較大面積的定向照度。導波器可包含有一階梯面，其中該階梯面包含有數個擷取特徵，而該些擷取特徵隱藏朝著第一前進方向傳遞的光線。朝著第二後退方傳遞的光線被該些擷取特徵折射、衍射、或反射而使得離散的光束經由導波器的頂面離開。獨特的影像光源產生視窗而由此定義出元件的相對位置以及光線路徑。基本的影像定向背光系統主要為液晶顯示器的照明裝置提供未偏振的光線，當目前的偏振片作為顯示器的輸入端時，將使得輸出光線達到百分之五十的損失。在其他實施例中，提供一種偏振敏感反射器，偏振敏感反射器可將需求的偏振量及非需求的偏振量加以分離，以達到將照明裝置的反射光線加以轉換及轉向的目的。藉由增加一些元件，例如延遲膜及反射鏡，可以轉換及轉向偏振量。

在一實施例中，提供一種較大面積以及較薄厚度的裸眼三維顯示裝置。進一步地說，上述的光學閥為一種具有較大的重新工作距離的薄型光學元件，而該光學元件可使用在定向背光源以供定向顯示裝置(包含裸眼三維顯示裝置)使用。進一步地說，這些實施例提供一控制器而提高裸眼三維定向顯示器的效率。

本發明的實施例可適用在數種的光學系統，本發明的實施例可包含或與多種的投影機、投影系統、光學元件、顯示器、微顯示器、電腦系統、處理器、獨立投影系統、視覺及/或視聽系統、及電子及/或光學元件一起運作。本發明的實施例實際上可與任何光學裝置、電子裝置、光學系統、圖像系統或包含任何種類的光學系統的裝置一起使用。因此，本發明的實施例可使用於光學系統、視覺及/或光學圖像的裝置、視覺周邊裝置、以及一些運算環境。

詳細地揭露本發明的實施例之前，應該理解到本發明的實施例揭露的內容不限制各項技術特徵單一實施或不同結合方式實施。因此，本發明實施例揭露的內容為闡明本發明特徵之實施例，不應拘限本發明於所揭示的權利範圍。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明之範例，權利範圍並不受其限囿。其他元件之變化或組合的實施例皆有可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

定向背光源可控制全部輸出面發射出的照度，而全部輸出面受到獨立的發光二極體光源控制，而發光二極體光源設置於光學導波的器輸入孔的一側。為了安全理由，可控制放射光線僅可讓一人看見，而觀察者也僅能在一限制範圍的角度內看到影像；高電子效率的照明裝置，可提供較小角度的定向分佈，而左眼及右眼可看見時間連續立體顯示影像及裸眼三維顯示影像，而且具有較低的成本。

本發明的多種實施例以及多種技術特徵可以相互結合應用。

詳細地閱讀本發明內容後，本發明領域具有通常知識者可以明顯地發現其優點。

1‧‧‧導波器

2‧‧‧輸入端

4‧‧‧反射端

6‧‧‧第一光定向側

8‧‧‧第二光定向側

10‧‧‧導引特徵

12‧‧‧擷取特徵

15‧‧‧光源陣列

15a~15n‧‧‧光源

17‧‧‧錐形光線

19‧‧‧錐形光線

26‧‧‧視窗

28‧‧‧光學軸

34‧‧‧區域

36‧‧‧區域

44‧‧‧視窗

45‧‧‧觀看者

47‧‧‧觀看者

48‧‧‧空間光調變器

62‧‧‧菲涅爾透鏡

68‧‧‧散射器

70‧‧‧位置感測器

72‧‧‧頭部量測系統

74‧‧‧照明控制器

100‧‧‧定向顯示裝置

1101‧‧‧局部光源

1102‧‧‧端部波紋面

1104‧‧‧楔形導波器

1106‧‧‧反射層

1108‧‧‧轉向膜

1110‧‧‧顯示面板

1202‧‧‧材料層

1212‧‧‧後反射層

1214‧‧‧延遲膜

1304‧‧‧四分之一波延遲器

1306‧‧‧反射型偏振層

1308‧‧‧鏡子

1310‧‧‧第一偏振分量

1314‧‧‧第二偏振分量

1403‧‧‧縱向偏振分量

1405‧‧‧光線

1406‧‧‧導波器

1407‧‧‧拒絕光線

1408‧‧‧反射型偏振器

1409‧‧‧水平線性偏振分量

1410‧‧‧偏振片

1411‧‧‧圓形偏振分量

1502‧‧‧階梯面

1602‧‧‧延遲器

1604‧‧‧清除型偏振片

1606‧‧‧四分之一波延遲器

1810‧‧‧鏡面

1814‧‧‧四分之一波延遲器

200‧‧‧分光反射膜

201‧‧‧反射層

202‧‧‧反射型偏振器

203‧‧‧反射鏡面

205‧‧‧反射鏡面

204‧‧‧延遲器

206‧‧‧清除型偏振器

220‧‧‧基材

222‧‧‧液晶層

224‧‧‧基材

226‧‧‧輸出偏振器

236‧‧‧第一偏振分量

第1A圖繪示本發明一實施例的定向顯示裝置之光線傳遞的前視圖；第1B圖繪示第1A圖的定向顯示裝置之光線傳遞的側視圖；第2A圖繪示本發明另一實施例的定向顯示裝置之光線傳遞的俯視圖；第2B圖繪示第2A圖的定向顯示裝置之光線傳遞的前視圖； 第2C圖繪示第2A圖的定向顯示裝置之光線傳遞的側視圖；第3圖繪示定向顯示裝置的側視圖；第4A圖繪示定向顯示裝置的前視圖；第4B圖繪示定向顯示裝置的第一視窗及第二視窗的前視圖；第5圖繪示具有線性擷取特徵的定向顯示裝置產生第一視窗的前視圖；第6A圖繪示一實施例之時序多工定向顯示裝置產生第一視窗的示意圖；第6B圖繪示另一實施例之時序多工定向顯示裝置產生第二視窗的示意圖；第6C圖繪示另一實施例之時序多工定向顯示裝置產生第一視窗與第二視窗的示意圖；第7圖繪示觀看者追蹤裸眼三維定向顯示裝置的示意圖；第8圖繪示複數觀看者型的定向顯示裝置的示意圖；第9圖繪示隱密型定向顯示裝置的示意圖；第10圖繪示定向顯示裝置的側視圖；第11A圖繪示一實施例的楔形定向背光源的前視圖；第11B圖繪示楔形定向顯示裝置的側視圖；第12圖繪示觀看者可追蹤的控制系統的示意圖；第13A圖繪示採用楔形定向導波器的恢復偏振量的方法；第13B圖繪示偏振恢復系統的示意圖；第14A圖繪示第一實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖；第14B圖繪示第14A圖的定向背光源的側視圖；第15A圖繪示第二實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖；第15B圖繪示第15A圖的定向背光源的側視圖；第16A圖繪示第三實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖；第16B圖繪示第四實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖；第17圖繪示第五實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖；第18A圖繪示另一實施例的楔形定向背光源的示意圖；第18B圖繪示第18A圖的偏振恢復裝置的放大剖視圖；第18C圖繪示又一實施例的楔形定向背光源的示意圖；第18D圖繪示第18C圖的偏振恢復裝置的放大剖視圖； 第19圖繪示一實施例的偏振恢復裝置的示意圖；第20圖繪示第19圖的偏振恢復裝置的詳細示意圖；第21圖繪示第19圖的偏振恢復裝置的前視圖；以及第22圖繪示另一實施例的偏振量恢復裝置的側視圖。

時序多工裸眼三維顯示裝置藉由將空間光調變器的所有像素的光定向第一時間狹縫的第一視窗以及所有像素的光定向第二時間狹縫的第二視窗，如此一來，有助於改良裸眼三維顯示器的空間解析度。因此，觀看者的眼睛於第一視窗及第二視窗接收光時，在多個時間狹縫的期間，可於顯示器上看見完整的解析影像。時序多工顯示裝置藉由定向光源陣列達到定向照明的目的，而定向光源陣列藉由具有定向光學元件的透明式時序多工空間光調變器，其中定向光學元件於視窗平面產生光源陣列的影像。

視窗的均勻性有助於獨立的空間光調變器的像素配置。這些顯示裝置可使得觀看者看到較少閃爍的畫面以及降低觀看者移動時的影像失真程度。

為了在視窗平面的高均勻度，需要一種具備高空間均勻度的光源陣列，可提供時序連續照明系統的光源，舉例來說，尺寸約100微米且具有透鏡陣列的空間光調變器的像素。然而，這些像素為了空間多工顯示都遇到相同的困難。進一步地說，這些裝置的效率較低且花費較高，且需要額外新增顯示元件。

藉由微小的照明裝置可方便地達到高度的視窗均勻性，其中照明裝置可為結合有均勻及擴散的光學元件的發光二極體陣列，而光學元件為1毫米或大於1毫米光學元件。然而，光源之尺寸增加即表示定向光學元件的尺寸也會等比例地增加。例如，映射至寬度為65毫米的視窗的寬度為16毫米的照明裝置需要200毫米的背面工作距離。因此，光學元件的厚度增加時會無法使用於一些裝置，例如行動顯示裝置或較大面積的顯示裝置。

為了解決上述的缺點，美國專利第13/300,293號申請案揭露 一種光學閥，其結合了高速的切換透射式空間光調變器，使得較薄的封裝中的時序多工裸眼三維照明裝置，觀察者看到的影像無閃爍而且較沒有失真。一維的視窗陣列可沿著第一方向(水平方向)顯示不同影像，但是當沿著第二方向(縱向方向)移動時包含相同影像。

傳統的非影像顯示背光源通常使用光源導波器且具有來自光源(例如發光二極體)的邊緣照度。然而，應該發現到這些傳統的非影像顯示背光源與本發明的影像定向背光源，無論在功能、設計或結構上都有很多不同。

一般來說，影像定向背光源導引多個光源的光線去穿過於顯示螢幕以進入至少一軸線的多個視窗。藉由影像定向背光源的影像系統，每一視窗中可產生光源的至少一軸線的影像。一影像系統形成於多個光源與視窗之間。在此架構下，觀看者於視窗的外側看不到光源的光線。

相較於習知的用於二維顯示裝置的非影像背光源或光導引板(LGPs)。參見2004年12月公開文獻(Kälil Käläntär et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387)。非影像背光源一般用來指引光源的光線穿過於顯示螢幕以進入每一光源的觀看區域，藉此達到寬廣的視角以及較高的顯示均勻度。如此一來，非影像背光源不會形成視窗。在此設計下，觀察者於沿著觀賞區域的任一位置都可看見光源的光線。這些習知的非影像背光源具有相同的定向性，舉例來說，藉由提供亮度增強膜(例如3M公司的BEFTM)去增加相較於朗伯體照度(Lambertian illumination)的螢幕增益。然而，該定向性對於每一光源均為相同。因此，基於這些理由以及對於本發明相關領域具有通常知識者而言為顯而易見的理由，傳統的非影像背光源不同於影像定向背光源。邊光非影像背光源照明裝置可使用於液晶顯示系統，例如二維筆記型電腦、監視器及電視。光線經由低光線損失的導波器的邊緣傳遞，其中導波器具有擷取特徵。無論光線往任一方向傳遞，導波器的表面的凹口將使得光線產生損耗。

在一實施例中使用光學閥，光學閥為一種光學導引結構或裝置，例如光學閥、光學閥定向背光源以及閥定向背光源(v-DBL)。在本發明 中，光學閥不同於空間光調變器(即使空間光調變器有時候與光學閥具有相關聯的技術)。影像定向背光源的一實施例可為具有折疊式光學系統的光學閥。藉由光學閥，使得光線在傳遞時不會產生損耗，光線可入射於影像反射器以及反向傳遞，從而光線被反射之後會被傾斜的擷取特徵擷取，以及被定向至數個視窗(參見美國專利第13/300,293號申請案)。

影像定向背光源的實施例可為具有階梯型導波器之影像定向背光源、折疊型影像定向背光源、楔形定向背光源、或光學閥。

再者，具有階梯型導波器之影像定向背光源可為光學閥。階梯型導波器可導引光線，進一步地說，該導波器包含有彼此相對的第一導引面與第二導引面，進一步地說，還包含有數個導引特徵以及擷取特徵，該些導光特徵與擷取特徵呈階梯狀配置。

此外，折疊型影像定向背光源可為楔形定向背光源及光學閥的至少一者。

在操作方面下，光線可經由輸入側沿著第一方向傳遞至反射側，而且沒有產生光線損耗。光線可於反射側被反射而且沿著第二方向傳遞，而第二方向反向於第一方向。當光線沿著第二方向傳遞時，光線入射至擷取特徵後，而擷取特徵可重新指引光線穿出至光學閥之外。換句話說，光學閥通常允許光線沿著第一方向傳遞以及當光線沿第二方向傳遞時允許被擷取。

光學閥可達到較大面積顯示區域的時序連續定向照度。此外可使用厚度小於背向工作距離的光學元件，將光線從微小的照明裝置定向至視窗平面。這些顯示裝置可使用擷取特徵之陣列，而擷取特徵之陣列可對導波管中反向傳遞的光線作擷取。

使用於液晶顯示器的影像定向背光源已經被數間公司提出與證實，例如3M公司的美國公告專利第7,528,893號、Microsoft公司的美國公告專利第7,970,246號(楔形定向背光源)、以及RealD公司的美國第13/300,293號專利申請案(光學閥、光學閥定向背光源)。

本發明提供一種具有階梯型導波器之影像定向背光源，其中光線可於該背光源的內側面之間朝向後方及前方作反射。舉例來說，階梯 型的導波器包含有一第一側以及一第一組表面。當光線沿著導波器的長度方向傳遞時，光線相對於第一側以及第一組表面的入射角不會改變，而如此不會達到這些內側面的媒介的臨界角。第二組表面(階梯的縱向部)有助於擷取光線，而第二組表面傾斜於第一組表面(階梯的橫向部)。第二組表面不會導引光線，但是可擷取光線。反之，楔形定向背光源可允許光線導引於楔形的導波器內，而楔形導波器具有連續的內表面。因此光學閥不是楔形影像定向背光源。

第1A圖繪示本發明一實施例的定向顯示裝置傳遞光線的前視圖，而第1B圖繪示第1A圖的側視圖。

第1A圖繪示定向顯示裝置的定向背光源在xy平面的前視圖。該定向顯示裝置包含有一光源陣列15，而該光源陣列15可對階梯型的導波器1進行照明。光源陣列15包含有數個光源15a~15n，其中n為大於1的整數。在本實施例中，導波器1為階梯型。該些光源15a~15n為發光二極體，然而亦可為其他種類的發光元件，例如二極體、半導體、雷射、局部場發射源、或有機發射陣列，並未限制光源種類。再者，第1B圖繪示xz平面的側視圖，定向顯示裝置包含有導波器1(waveguide)、光源陣列15(illuminator array)、空間光調變器48(spatial light modulator)、擷取特徵12(extraction feature)、以及導引特徵10(guiding feature)。第1B圖為第1A圖的側視圖。因此，第1A圖與第1B圖的光源陣列15及導波器1彼此相符。

進一步地說，參閱第1B圖，導波器1可設有一輸入端2以及一反射端4，而反射端4的寬度大於輸入端2。導波器1延伸於輸入端2以反射端4之間，其中輸入端2接收輸入光線，而反射端4將輸入光線反射出導波器1之外。輸入端2沿著導波器1的側向方向的長度大於輸入端2的高度。該些光源15a~15n橫跨於輸入端2的一側向方向分別設置於不同之輸入位置。

導波器1設有彼此相對的第一導引面及第二導引面，第一導引面與第二導引面延伸於輸入端2及反射端4之間。透過全內反射的作用，可將光線定向導波器1的前方與後方。第一導引面為平面。第二導引面設有數個光線的擷取特徵12，該些擷取特徵12面向於反射端4，擷取特徵12 呈傾斜且至少將一些來自反射端4的光線反射出導波器1之外，使得光線的全內反射中斷於第一導引面以及允許光線穿出於第一導引面，而穿出於第一導引面的光線定向至第1B圖的空間光調變器48。

在此實施例中，該些擷取特徵12為反射鏡，也可使用其他類型的反射物件。擷取特徵12不指引光線離開於導波器1，反之第二導引面的中間區可調節擷取特徵12去導引光線而不擷取光線。第二導引面的中間區為平面而且平行於第一導引面，或者具有相對較低的傾斜度。該些擷取特徵12相對於該些中間區側向地延伸，以致使第二導引面為階梯面，而該階梯面上包含有該些擷取特徵12以及該些中間區。該些擷取特徵12將來自反射端4的光線反射出第一導引面之外。

該些擷取特徵12將該些光源15a~15n發出的光分別相對於第一導引面導引至不同方向，而該些光線的傳遞方向與該些光源的輸入位置相關。當該些光源15a~15n設置在不同的輸入位置時，光源15a~15n發出的光線會沿著不同方向被反射。在此架構下，光源15a~15n發出的光分別沿著不同的輸出方向定向分佈於該側向方向的數個視窗，而且該些輸出光的傳遞方向與該些光源的輸入位置相關。輸入位置所分佈之橫跨輸入端2的側向方向係相應於正交於第一導引面的一側向方向。在本實施例中，輸入端2的側向方向與輸出光線的側面方向彼此相互平行，發生於反射端4與第一導引面的偏斜通常垂直於該側向方向。在控制系統的控制之下，光源15a~15n可指引光線進入可選擇的視窗，而該些視窗可單獨或一起使用。

空間光調變器48延伸於導波器1的對面，而空間光調變器48為透射式且可調變光線穿過導波器1。在此實施例中，空間光調變器48為液晶顯示器，但僅為其中一種實施例，而其他可使用的實施例可為矽基液晶裝置或數位光源處理裝置。在此實施例中，空間光調變器48設置於導波器的第一導引面的對面，而且當光線被反射後，可將穿出於第一導引面之外的光線作調變。

定向顯示裝置之操作提供視窗的一維陣列，而視窗繪示於第1A圖的前視圖，而視窗的側視圖繪示於第1B圖。參閱第1A圖及第1B圖的操作，光源陣列15射出光線，例如光源15a~15n沿著導波器1的厚度較 薄的輸入端2的表面(x=0)分別設置於不同位置(y)。光線沿著第一方向(+x方向)傳遞於導波器1內，同時，光線在xy平面扇出而且傳遞至彎曲形的反射端4，實際上可全部到達反射端4。光線在傳遞時，可在xz平面上依據一組角度散開，但是該角度不會超出導引材料的臨界角。擷取特徵12連接於導引特徵10，而導引特徵10設於導波器1的底側，擷取特徵12的傾斜角大於臨界角，因此，所有沿著+x方向傳遞的光線都不會遇到擷取特徵12，實際上證實光線往前傳遞時所產生的損失很小。

繼續討論第1A圖及第1B圖，彎曲形的反射端4的表面塗佈有反射材料，例如銀。然而亦可使用其他種類的反射材料。因此，光線轉向至第二方向(-x方向)時以及平行於xy平面或顯示平面。展開角度實際上維持在xz平面大約主要的傳遞方向，如此光線可以撞擊到凸緣以及反射至導波器之外。在本實施例中，擷取特徵12的傾斜角大約45度，隨著維持xz角度展開相對於傳遞方向，光線可有效地被定向垂直於xy顯示平面。當光線折射出導波器1之外時，展開角度會增加，但由於擷取特徵12的反射而稍微減少展開角度。

在其他的實施例中，可提供未塗佈反射材料的擷取特12，當全內反射失敗時，反射會減少，擠壓xz角度輪廓及偏離正交。然而，在其他實施例中，提供塗佈銀的擷取特徵或化合有銀的擷取特徵，可維持增加的展開角度以及中央法線方向。進一步地說，光線可依據大約平行的方向離開導波器1，而且經由輸入邊緣中心被導引離開於與光源15a~15n的y位置成比例的法線。如第1A圖所示，光源15a~15n沿著輸入端2設置且彼此獨立，可使得光線離開於第一光定向側6而且依據不同之外角傳遞。

快速液晶顯示面板具有空間光調變器48可達到裸眼三維的效果，如俯視圖所示或第2A圖所示yz平面上的光源陣列15，第2B圖所示的前視圖以及第2C圖所示的側視圖。第2A圖繪示定向顯示裝置之傳遞光線的俯視圖，第2B圖繪示定向顯示裝置之傳遞光線的前視圖，而第2C圖繪示定向顯示裝置之傳遞光線的側視圖。如第2A圖至第2C圖所示，階梯型的導波器1可位於快速液晶顯示面板(高於100赫茲)的後方，而該快速液晶顯示面板顯示連續的右眼及左眼影像。在同步下，光源陣列15的光源 15a~15n(n為大於1的整數)可選擇地開啟及關閉，提供進入左眼及右眼的照明光線，而實際上光源陣列15的光線與系統的定向效能之間呈獨立關係。在最簡單的例子下，光源陣列15的光源同時開啟時，可提供一維視窗或在水平方向具有限制寬度之光學瞳孔，但延展於垂直方向，水平地分隔的雙眼可觀察一左眼影像，以及在另一視窗44中，雙眼可觀看到右眼影像，以及雙眼於一中央位置可觀看到不同影像。依此方法，當觀看者的頭幾乎對齊於中央位置時，可觀看到三維影像。由中央位置往側向移動時，會使得三維影像變為二維影像。

第3圖繪示定向顯示裝置的側視圖。進一步地，第3圖繪示導波器1運作的詳細側視圖，而導波器1可為透明材料。導波器1可包含有輸入端2、反射端4、一第一光定向側6，其中該第一光定向側6可為平面，以及一第二光定向側8，該第二光定向側8包含有導引特徵10以及光線的擷取特徵12。在操作上，光源陣列15的光源15c所發射的光線16(未顯示於第3圖)，例如可為發光二極體的可定址陣列，光線16可藉由全內反射於導波器1內被導引至反射端4，其中全內反射藉由第一光定向側6以及導引特徵10來達成，而反射端4可為影像面。雖然反射端4可為影像面且可反射光線，但是在其他一些實施例中也可能使得光線穿設於反射側4。

繼續討論第3圖，從反射端4反射的光線18更可藉由全內反射被導引於導波器1內以及被擷取特徵12所反射。入射至擷取特徵12的光線18可受到導波器1的導引而產生偏離而且定向為光線20，光線20穿過第一光定向側6而可形成裸眼三維的視窗26。如要決定視窗26的寬度，至少可經由光源的尺寸、反射端4以及擷取特徵12的輸出設計距離以及屈光率來判定。視窗的高度主要由擷取特徵12的反射錐角以及輸入側2的輸入照明錐角來決定。因此每一視窗26表現出分隔的輸出方向的範圍，而該輸出方向的範圍與空間光調變器48的表面正交方向相關，而該表面正交方向與觀看距離上的平面相交錯。

第4A圖繪示定向顯示裝置的前視圖，而定向顯示裝置接受第一光源的照射，而且該前視圖中包含有曲形的擷取特徵。進一步地說，第4A圖顯示光源陣列15的光源15c發射的光線導引於階梯型的導波器1 中的前視圖，導波器1具有一光學軸28。在第4A圖中，定向背光源可包含有導波器1及作為光源的光源陣列15。每一光源15c從輸入端2朝向視窗26發射光線。第4A圖的光線可離開於導波器1的反射端4。如第4A圖所示，光線16可經由光源15c定向至反射端4。接著，光線18可被擷取特徵12反射且離開於反射側4而定向至視窗26。因此，光線30可與光線20相交於視窗26，或者可在視窗具有不同高度，如圖所示的光線32。此外，在其他實施例中，導波器1的二側部22、24可為透明面、影像面或暗面。繼續討論第4A圖，擷取特徵12的形狀可為細長狀，而且擷取特徵12於第二光定向側8(顯示於第3圖)在第一區域34中的方向不同於在第二區域36中的方向。此外，第4A圖的擷取特徵可與導引特徵10相互替換以形成另一實施例。如第4A圖所示，導波器1可包含有一反射面，該反射面設於反射側4。在本實施例中，導波器1的反射端在沿著導波器1的側向方向上具有正屈光率。

在其他實施例中，每一定向背光源的擷取特徵12可在沿著導波器1的側向方向上具有正屈光率。

在其他實施例中，每一定向背光源可包含有擷取特徵12，而擷取特徵12可為第二導引面的鏡面。第二導引面具有數個可交替鏡面的區域，而該些鏡面可指引光線穿過導波器而不會被擷取。

第4B圖繪示定向顯示裝置的前視圖，其中定向顯示裝置被第二照明裝置所照射。進一步地說，第4B圖繪示光源陣列15的光源15h所發射的光線40、42。反射端4的反射面的曲度與擷取特徵12共同地產生一第二視窗44，而第二視窗44側向地間隔於視窗26，而視窗26具有來自光源15h的光線。

有利地來說，如第4B圖所示，於視窗26中可提供光源15c的真實影像。如第4A圖所示視窗26中的真實影像可藉由反射側4的屈光率與第一區域34與第二區域36之間的不同方向的擷取特徵產生的屈光率共同達成。如第4B圖所示，可改善光源15c的影像至視窗的側面的色差。當達到低串擾程度時，色差的改善可延長裸眼三維顯示的自由度。

第5圖繪示一實施例之具有線性的擷取特徵的定向顯示裝 置的前視圖。進一步地說，第5圖的實施例與第1圖的實施例相似(有相同的元件)，不同點是擷取特徵12為線性且彼此平行。有利地說，此實施例可於顯示面上提較為均勻的照度，而且相較於第4A圖及第4B圖的曲形擷取特徵，在製造上更為方便。導波器1的光學軸321可為反射端4的表面的光學軸方向。反射端4的屈光率係沿著光學軸方向，因此入射至反射端4的光線將產生偏斜，而偏斜的角度變化依據光學軸321的入射光線的側向偏移39。

第6A圖繪示一實施例在第一時間狹縫下時序多工影像定向顯示裝置產生第一視窗的示意圖，第6B圖繪示另一實施例在第二時間狹縫下時序多工影像定向背光源產生第二視窗的示意圖，而第6C圖繪示另一實施例之時序多工影像定向顯示裝置產生第一視窗與第二視窗的示意圖。進一步地說，第6A圖顯示導波器1所產生的視窗26。光源陣列15之光源群組31可提供定向至視窗26的錐形光線17。第6B圖顯示產生的視窗44。光源陣列15的光源群組33可提供定向至視窗44的錐形光線19。如第6C圖所示，若是將二組時序多工顯示裝置加以合併，可依序產生視窗26及視窗44。如果空間光調變器48的影像(未顯示於第6A圖至第6C圖)相符於光線輸出方向做調整，接著對於處於適當位置的觀察者可以看到裸眼三維影像。相同的操作可藉由上述任一影像定向背光源來達成。光源群組31及32各具有光源15a~15n的至少一者，其中n為大於1的整數。

第7圖繪示一實施例之觀看者追蹤具有時序多工定向顯示裝置之裸眼三維顯示裝置的示意圖。如第7圖所示，可選擇地開啟及關閉軸線29上的光源15a~15n，以提供視窗的定向控制。頭部45的位置可被攝影機、移動感測器、移動偵測器或任何適合的光學、機械或電子裝置所監測，而光源陣列15的適當光源可被開啟及關閉，以便實際地提供獨立影像至每一眼睛而無關於頭部45的位置。該頭部追蹤系統(或第二頭部追蹤系統)可監測多於一個觀看者45、47的頭部(觀看者47的頭部未顯示於第7圖)而且可提供相同的左眼與右眼影像至每一觀看者的左眼及右眼，已提供三維影像至所有觀看者。上述所有的影像定向背光源可達成相同的操作。

第8圖繪示一實施例的具有影像定向背光源的複數觀看者 型的定向顯示裝置的示意圖。如第8圖所示，至少有二個二維影像可定向於一對觀看者45、47，因此使得每一觀看者可於空間光調變器48看到不同的影像。第8圖所示的二個二維影像可依據第7圖所描繪的相同方法產生。其中二個影像依序地顯示且與數個光源同步，其中該些光源的光線定向於該二觀看者。其中一個呈現於空間光調變器48的影像位於第一平面，而另一個呈現於空間光調變器48的影像位於第二平面，其中第二平面不同於第一平面。對應於第一平面及第二平面，調整輸出照度來分別提供視窗26及視窗44。當一位觀察者的雙眼在視窗26將察覺到第一影像時，同時另一觀察者的雙眼將於視窗44察覺到第二影像。

第9圖繪示具有影像定向背光源的隱密型定向顯示裝置的示意圖。二維顯示系統也可為了安全與效率而利用定向背光源，而定向背光源的光線主要可定向於觀看者45的雙眼。進一步來說，雖然觀看者45可以在裝置50上看到影像，光線沒有定向觀看者47。因此可以避免觀看者47看到裝置50上的影像。本發明的每一實施例有助於提供裸眼三維影像、雙重影像或隱密顯示功能。

第10圖繪示一實施例的具有影像定向背光源的時序多工定向顯示裝置的側視圖。進一步地說，第10圖顯示出裸眼三維定向顯示裝置的側視圖，其中該顯示裝置可包含有階梯型的導波器1以及菲涅爾透鏡62(Fresnel lens)，其中菲涅爾透鏡62為了橫跨導波器1的瞄準輸出而提供視窗26。一個縱向散射器68可進一步延展視窗26的高度。接著光線可藉由空間光調變器48映射。光源陣列15可包含數個發光二極體，舉例來說，該些發光二極體可為螢光粉轉換藍光發光二極體(phosphor converted blue LED)，或者是相互分隔的紅光、綠光、及藍光發光二極體。可選擇地，光源陣列15的光源可包含一均勻光源以及提供分離的照明區域的空間光調變器。可選擇地，光源可包含雷射光源，而雷射光源可藉由掃瞄定向散射器，例如使用Galvo或MEMS掃描器。在一實施例中，因此雷射光可作為合適的光源來提供具有適當輸出角度的均勻光源，而且還可以降低光班。可選擇地，光源陣列15可為雷射光陣列。此外，散射器可為波長轉換螢光體，所以可產生不同波長的可見輸出光。

第11A圖繪示另一實施例的影像定向背光源(楔形定向背光源)的前視圖，而第11B圖繪示楔形定向顯示裝置的側視圖。美國公告專利第7,660,047號(專利名稱：Flat Panel Lens)所揭露的楔形定向背光源在此作為本發明的參考文獻。該楔形定向背光源可包含有一楔形導波器1104，該楔形導波器1104具有一底面以及一端部波紋面1102，其中該底面可優先地覆蓋一反射層1106，而該端部波紋面1102也可優先地覆蓋一反射層1106。

第11B圖所示的實施例中，該定向顯示裝置包含有一導波器(例如楔形導波器1104)，該楔形導波器1104具有一輸入端、相對的第一導引面及第二導引面、以及一反射端。第一導引面與第二導引面用來導引光線沿著導波器傳遞，而反射端面向於輸入端而且用來將輸入光線反射出導波器之外。該定向顯示裝指也可包含一光源陣列，其中該光源陣列的光源設於橫跨導波器之輸入端的一側向方向之不同輸入位置。在光線從反射端反射後分別沿著數個輸出方向(其中該些輸出方向垂直於第一導引面)進入光學視窗之後，導波器可將光源的光線定向穿出於第一導引面作為輸出光線，而且獨立於輸入位置。該定向顯示裝置也可包含有透射式空間光調變器，例如顯示面板1110，其用來接收來自第一導引面的輸出光線以及調變輸出光線的第一偏振分量。進一步地說，定向顯示裝置也可包含有一反射型偏振器，其中該偏振器設置於導波器的第一導引面以及空間光調變器之間，而且用於傳遞第一偏振分量以及反射輸出光線的第二偏振分量，其中第二偏振分量垂直於作為拒絕光線的第一偏振分量。該定向顯示裝置也可包含有一後反射器，其中該後反射器設置於第二導引面的後方，而第二導引面用來將拒絕光線反射至空間光調變器。定向顯示裝置還可將拒絕光線的偏振量轉換為第一偏振。

本實施例之楔形定向背光源，第一導引面藉由全內反射來導引光線，而第二導引面可為平面，而且具有一傾斜角度來反射光線以致使全內反射的中斷以便將光線輸出且穿出於第一導引面。該楔形定向背光源可為定向顯示裝置的一部分。定向顯示裝置也可包含一偏斜元件，而該偏斜元件延伸於導波器的第一導引面之對面，以便使光線偏斜而定向至空間光調變器的法線。

如第11B圖所示，局部光源1101發射的光線可進入楔形導波器1104，而且在光線反射出末端面時，光線可沿著第一方向傳遞。當光線在返回路徑時，光線可離開於楔形導波器1104而且可以照亮一顯示面板1110。相較於光學閥，楔形導波器藉由一錐形體提供擷取功能，而該錐形體可降低光線的入射角，以致使當光線依據臨界角入射於一輸出面時，光線會漏出。在楔形導波器中以臨界角漏出的光線以平行於表面之方向傳遞，直到被一轉向膜1108(例如稜鏡陣列)影響而產生偏斜。楔形導波器的輸出表面上的誤差或灰塵可改變臨界角，創造漫射光線以及均勻度誤差。進一步地說，使用反射鏡去折疊楔形定向背光源中的光束路徑的影像定向背光源，其使用一磨光反射鏡去偏斜楔形導波器中的光錐方向。該磨光反射鏡通常在製造上很複雜而且造成照明均勻度誤差，例如漫射光線。

楔形定向背光源以及光學閥依據不同方式處理光束。在楔形導波器中，依據適當角度輸入的光線將於主要表面的定義位置輸出，但是光線將依據相同角度沿著平行於該主要表面的方向離開。相較之下，輸入至光學閥的階梯型導波器的光線，其依據輸入角所決定的輸出角而經由第一側的數點位置輸出。有利地說，光學閥的階梯型導波器不需要光線轉向膜去擷取趨向於觀看者的光線，而且不一致的輸入角度不會造成顯示表面的不均勻。

第12圖繪示具有控制系統的定向顯示裝置100的示意圖。該控制系統的配置與操作之後將會描述以及對於每個顯示裝置的需求改變來加以應用。

定向顯示裝置100包含一定向背光源，該定向背光源包含該導波器1以及該光源陣列15。控制系統用來操控該些光源15a~15n去將光線定向至可選擇的數個視窗。

導波器1的配置如上所述。反射端4收斂反射光線。一菲涅爾透鏡62可與反射端4配合來產生數個視窗26，而觀看者99可於一觀看面106看到該些視窗26。一透射式的空間光調變器48可接收定向背光源的光線。進一步說，散射器可將導波器1與空間光調變器48的像素(或菲涅爾透鏡62)之間的莫爾差頻(Moire beating)移除。

控制系統可包含一感測單元，該感測單元可偵測觀看者99相對於顯示裝置100的位置。感測單元包含一位置感測器70(例如攝影機)以及一頭部量測系統72(例如電腦視覺影像處理系統)。該控制系統更可包含一照明控制器74以及一影像控制器76，而頭部位置量測系統72可提供觀看者的偵測位置給該照明控制器74以及該影像控制器76。

照明控制器74與導波器1相搭配來操控光源陣列15去將光線定向至該些視窗26。照明控制器74選擇光源陣列15去被相依於觀看者的位置來操作，而觀看者的位置被頭部量測系統72所偵測，以致使視窗26的位置相應於觀看者99的左右眼。在此設計下，導波器1的側向輸出定向性與觀看者的位置相符。

影像控制器76操控空間光調變器48來顯示影樣。如要提供出裸眼三維顯示之效果，影像控制器76與照明控制器74可顯示暫時性多工左右眼影像。照明控制器74操作光源陣列15去將光線定向至視窗，且定向的位置相應於觀看者的左右眼，而觀看者的左右眼同步於顯示於左右眼的影像。在此設計下，使用時間分割多工技術可達到裸眼三維顯示之效果。

如第12圖所示，定向背光源可包含階梯型的導波器1以及光源陣列15。如第12圖所示，導波器1包含光定向側8、反射側4、導引特徵10、及擷取特徵12。

以上描述的內容可應用於每一或所有的裝置，修改且/或增加的特徵，個別地或任何相互結合將會描述。

在其他實施例中，定向顯示裝置更包含一控制系統，該控制系統可操控光線定向至視窗，其中視窗相應於前述的輸出方向。在此實施例中，也可結合任何定向背光源、定向顯示裝置等等。

在其他實施例中，定向顯示裝置可為具有控制系統的裸眼三維顯示裝置。該控制系統還可控制定向顯示裝置來暫時地顯示多工左右眼影像以及同步地將顯示影像定向至視窗，而視窗的位置相應於觀看者的左眼及右眼中至少一個。控制系統可包含一感測器，該感測器可偵測顯示裝置對面的觀看者的位置，而且也可將顯示影像定向至視窗，而視窗的位置 相應於觀看者的左眼及右眼中至少一個。視窗的位置主要取決於觀看者的偵測位置。

美國專利申請案第13/470,291號揭露一種恢復偏振量的方法，其使用第11A圖及第11B圖的楔形定向背光源，該楔形定向背光源可作為參考且繪示於第13A圖。第13A圖繪示一種恢復偏振量的方法，其使用第11B圖的楔形導波器1104。

如第13A圖所示，楔形導波器1104的頂面可塗佈具有高折射率或低折射率的數層材料層1202，以便提供離開的光線1206、1208偏振選擇反射與傳遞。該些材料層1202可藉由傳遞輸出光線的第一偏振分量以及反射輸出光線的第二偏振分量以形成反射型偏振器，其中輸出光線來自導波器的第一導引面，被反射的第二偏振分量成為拒絕光線，第二偏振分量的方向垂直於第一偏振分量。光線離開於楔形定向背光源的角度的範圍較窄，可造成較高偏振與較少材料層1202。

導波器的第二導引面設有一後反射層1212，而該後反射層1212可作為一後反射器。導波器的第二導引面或底部設有一延遲膜1214，該延遲膜1214轉換反射光線的偏振來使得光線離開後反射層1212。未偏振的光線1204入射至後反射層1212，以致使光線1206以第一偏振分量被輸出以及光線1206以第二偏振分量被反射，而第一偏振分量正交於第二偏振分量，旋轉後反射層1212以及輸出具有第一偏振分量的光線1208。

繼續討論第13A圖，延遲膜1214作為相位延遲器而且設置於反射型偏振器與後反射器之間，其中後反射層形成反射型偏振器，而反射層212形成後反射器。當光線離開於楔形導波器1104以提供至空間光調變器時，延遲膜1214可將拒絕光線的偏振量轉換為第一偏振。

第13B圖繪示一偏振恢復系統的示意圖。進一步來說，第13B圖繪示偏振恢復系統的一實施例。影像定向背光源系統可接收未偏振光1302以提供偏振光線至液晶顯示螢幕，其中液晶顯示螢幕可使用偏振片而可吸收至少百分之五十的光線。藉由設置一反射型偏振層1306，有可能將被吸收的光線加以恢復，其中反射型偏振層1306的功能為一反射型偏振器。該反射型偏振層1306允許所需的第一偏振分量1310穿透以及反射第二偏 振分量1314，其中第二偏振分量1314垂直於第一偏振分量1310。接著，藉由四分之一波延遲器1304，可更有效率地修改反射光線的偏振，其中四分之一波延遲器1304與光線的偏振軸之間的夾角大約45度，而四分之一波延遲器1304的功能作為相位延遲器。藉由鏡子1308反射而轉向的光線可第二次通過於四分之一波延遲器1304，如此可完成偏振量轉換以及允許有效率的穿過於反射型偏振器1306，就如同使得光線1312的傳遞方向幾乎平行於光線1310。在理想的例子中，光線的損失量很少而且結合照明的定向性可保存。反射光的偏振轉換與轉向可藉由其他方式達成，例如藉由隨後介紹的背光照明裝置的散射功能。為了量測偏振恢復量，可使用最少量的反射型偏振元件。

不同於美國專利申請案第13/470,291號，此實施例不必仰賴窄頻的反射，幾乎小於偏振離開光線2度以及可使用反射型偏振器，反射型偏振器可使得光線的角度延展至超過顯示觀察角大約45度。

第14A圖繪示一實施例之採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖，而第14B圖繪示第14A圖的定向背光源的側視圖。進一步地說，第14A圖顯示一實施例的定向背光源的導波器結構及其側視圖顯示於第14B圖。一階梯型的導波器1406可具有階梯面1502(第一導引面)，其覆蓋有反射材料以形成後反射器，反射材料例如銀或鋁，但不限制僅可為銀或鋁。

傳遞於導波器1406(光學閥)內且被階梯面1502的擷取特徵所反射的光線1401實際上未受偏振。通過相位延遲器(例如四分之一波延遲器1404)之後，光線依然未受偏振。所需縱向偏振分量1403的光線1405通過於反射型偏振器1408以及清除具有縱向偏振傳輸定位的偏振片1410，以便通過於空間光調變器48。如此光線1405可通過於空間光調變器且實際上光線的定向性沒有改變。

在本實施例中，反射型偏振器1408設置於導波器1406的前方，而四分之一波延遲器1404的功能為相位延遲器，其可設置於導波器1406與反射型偏振器1408之間且位於階梯面1502的後反射器與反射型偏振器1408之間。

不想要的水平線性偏振狀態1409的光線1407可離開於階梯型的導波器1406，而且從反射型偏振器1408被反射而成為拒絕光線。在水平偏振狀態1409下被反射型偏振器1408殘餘傳遞的光線，其可被偏振片1410所清除，其中該偏振片1410設置反射型偏振器1408之前方。

當光線定向至偏振片1410前方的空間光調變器(圖為顯示)時，四分之一波延遲器1404可將拒絕光線的偏振量轉換為第一偏振。具有水平偏振狀態的拒絕光線1407可往後通過於四分之一波延遲器1404，其中四分之一波延遲器1404具有幾乎呈45度的光學軸，而且拒絕光線1407可被轉變至圓形偏振狀態1411。接著，在該些拒絕光線從導波器1406的階梯面1502被反射之前，該些拒絕光線分別穿過於導波器1406(透射式的光學閥)。光線1407的圓形偏振分量1411可藉由反射轉變為正交圓形偏振分量1413而且明顯地轉換為想要的縱向偏振分量1417隨後第二次通過於四分之一波延遲器1404，其中四分之一波延遲器1404透過反射型偏振器1408與偏振片1410達到傳遞。接著，光線1415與原本被偏振片1410所傳遞的光線1405相結合，以便產生均勻的偏振定向光束，其實際上的強度為原來的二倍而且具有相同的定向性。因此，視窗的強度可以隨著低影像串擾而增加。藉由降低階梯面1502的反射率以及反射光線1407的菲涅爾反射的額外損失，可使得光線1415的強度損失較少。四分之一波延遲器1404可為具有單一光學軸方向的單層延遲器。增加延遲器的層數以及結合光學軸方向，可增加延遲器的光譜頻寬。每一延遲器的光學軸可將光線從線性轉變所需的圓形偏振狀態。縱向偏振分量1403、1417可與偏振片140的需要的輸出偏振方向相互對齊，而且可在扭轉列型液晶模式(twisted nematic liquid crystal mode)處於正45度或負45度，或者在其他已知光學模式，例如縱向對齊模式，可為縱向或水平。

為了維持原本光束的定向精確度，反射型偏振器1408可幾乎平行於階梯面1502，而且可配置於空間光調變器的輸入端，以便提供一平面。彈性膜可設置於清除型偏振膜的附近，或者直接地設於平面。清除型偏振器可包含有一吸收型偏振器，例如碘及延展膜。彈性膜可設置於清除型偏振膜的附近，或者直接地設於平面。

適合的反射型偏振器可為多層雙折射膜(例如3M公司的產品DBEF)。其他適合的反射型偏振器的實施例可為玻璃的週期金屬光柵結構，其週期性小於可見光(如Moxtek所提供)的波長。進一步地說，此實施例的反射型偏振器可為相似的金屬光柵結構，其可設置於Asai Kasei.所保存的膜上。

當導波器1406的材料顯得很小以致於不會產生雙折射現象時，可達到有效率的偏振轉換。雙折射沿著縱向方向或水平方向主要決定於導波器的結構，雙折射可被外加的延遲膜所補償，或者從平行對齊的四分之一波延遲器去除。如第14A圖與14B圖所示，膜最好與光學軸之間呈現大約45度的交角。

任何外加的光學元件，例如不均勻的散射器或菲涅爾透鏡，可設置於反射型偏振器1408與偏振片1410之間。

在此實施例中，反射型偏振器1408可造成不均勻的散射，最大的散射的方向可為縱向(如第14B圖所示)。基本型的光學閥可於平面產生影像以及可忍受縱向的散射。

第15A圖繪示第二實施例的採用偏振恢復方法的定向背光源的示意圖，其中偏振恢復方法以導波器為基礎，而第15B圖繪示第15A圖的定向背光源的側視圖。

參閱第14A圖與第14B圖，定向背光源可包含一導波器1406一反射型偏振器1408、一偏振片1410。替換導波器的階梯面1502(第一導引面)上的反射塗佈層，可於導波器1406的後方設置一分離的反射層1402，其中導波器1406作為後反射器，以及四分之一波延遲器1404可設置於導波器的後方，尤其是導波器與反射層1402之間(第15A圖與第15B圖)。在本實施例中，反射型偏振器可為高折射率或低折射率的材料層。因此，光線1415、1405可以具有相同的定向性以及偏振。本實施例的操作方式與第14A圖及第14B圖的實施例相同。

不是必須塗佈階梯面可減少散射及成本。也可設置延遲層於導波器的後方，使得具有線性偏振的光線可往回反射而穿出於導波器，而導波器對於不均勻具有誤差容忍度，儘管平行、雙折射在任何模組部分都 可能發生。有利地，大部分導波器1406的雙折射的光學軸的方向可平行或垂直於偏振分量1417，以便達到減少偏振轉換的不均勻性，而因此降低顯示的不均勻性。

第16A圖繪示第三實施例的採用偏振量恢復方法的定向背光源的示意圖。進一步地說，第16A圖為使用導波器的另一實施例。相似於第14A圖的實施例，第16A圖的定向背光源包含有一階梯型的導波器1406、一四分之一波延遲器1404、一反射型偏振器1408、以及一偏振片1410。其中偏振片1410的配置與操作與第14A圖的實施例相同。如第16A圖所示，導波器1406的曲形的反射端可替換為與菲涅爾反射器等效的結構，而曲形的擷取階梯可呈現外來的影像元件於系統，例如第12圖的菲涅爾透鏡。導波器1406的階梯面1502可直接地塗佈一反射塗料層，以便將光線往回反射來達到恢復偏振之效果。

第16B圖繪示第四實施例的採用偏振量恢復方法的定向背光源的示意圖，其中偏振量恢復方法以導波器為基礎。進一步地說，第16B圖的實施例還包含有一偏振旋轉膜1602，該偏振旋轉膜1602設置於反射型偏振器1408與空間光調變器(圖未顯示)之間。偏振旋轉膜1602作為偏振轉換器，在反射型偏振器1408輸出的第一偏振分量提供至空間光調變器之前，偏振旋轉膜1602先將第一偏振分量轉動。如此可用來將輸出線性偏振分量1405、1417轉換為偏振分量1419，其中偏振分量1419來自於延遲器1602，而延遲器1602可為半波延遲器，該半波延遲器可為寬頻延遲器，其中寬頻延遲器堆疊有適當方向的光學軸。在偏振片1604進行清除之後，偏振分量1421的方向幾乎與縱軸呈45度，以便更佳地操作扭轉列型液晶顯示面板。平行對齊之清除型偏振片1604可替換為偏振片1410，使得偏振光線在適當的方向下具有較高的對比操作。

如第16B圖所示，定向顯示裝置可包含有一階梯型的導波器1406、一四分之一波延遲器1404、一偏振感測層1408、及一偏振片1410。該定向顯示裝置更包含一偏振旋轉器，其設置於反射型偏振器與空間光調變器之間。偏振旋轉器可配置來轉動第一偏振分量。

第17圖繪示第五實施例的使用偏振量恢復方法的定向背光 源的示意圖，其中偏振量恢復方法相較於第16B圖的實施例有進行修改以便提供一光學閥，該光學閥的輸出偏振量的方向大約為45度。進一步地說，第17圖所繪示的定向背光源，為了定向恢復扭轉列型想要的偏振光線，會將薄膜的定向偏轉大約45度。因此，偏振狀態1423、1425的角度不是0度，也不是90度，而四分之一波延遲器1606可與入射偏振狀態共同搭配來達到偏振旋轉的效果。四分之一波延遲器1606可平行於光學閥的側面而且相關於殘餘雙折射來定向。選擇一個不同於四分之一波的延遲值可補償任何殘餘導波雙折射。

第18A圖繪示另一實施例的楔形定向背光源的示意圖，其中楔形定向背光源內設有偏振反射層而偏振反射層與具有光束偏移功能的單一薄膜為一體成型，而更詳細的結構繪示於第18B圖。進一步地說，第18A圖與第18B圖繪示一實施例使用偏振恢復方法的楔形定向導波器。轉向膜1108的鏡面1810可塗佈一偏振敏感反射層，藉此，楔形定向背光源可使得未受偏振的光束1802以較小的角度離開表面。位於不想要的偏振狀態的光束內的光線可向下偏移離開偏振敏感反射層以及遠離照明方向。反之，想要的偏振狀態的光線1804可向上傳遞以及轉向。向下傳遞的光束可穿過透射式的楔形導引材料，而且藉由四分之一波延遲器1814與反射面1106可傳遞光束以及使光束往後轉向。傳輸的光線可重新穿過於導波器1104以及轉向膜1108以便與想要的偏振量的初始光束相結合。

在一實施例中，定向顯示裝置可包含一導波器，其中該導波器設有一第一導引面及一第二導引面，該第一導引面係配置以藉由全內反射來導引光線，而該第二導引面可包含有數個光線的擷取特徵。擷取特徵可反射導波器內的光線以及允許光線離開第一導引面而成為輸出光線。第二導引面也可包含數個中間區，而該些中間區分別設置於該些擷取特徵之間，而且可導引光線穿出於該導波器之外而不進行擷取。此外，擷取特徵可為第二導引面的鏡面以及第二導引面可為階梯形，而階梯形的第二導引面可包含有反射鏡面以及中間區。本實施例的導波器可與先前所述的定向顯示裝置且/或導波器的任一實施例相搭配。

第18C圖繪示又一實施例的楔形定向背光源的示意圖，而 詳細結構揭露於第18D圖。第18D圖繪示第18C圖的放大剖視圖。進一步地說，第18B圖繪示的實施例中，四分之一波延遲器1814可設置於導波器的離開面，而不是設置於導波器與反射層1812之間。

第19圖繪示一實施例的偏振恢復裝置的側視圖。此實施例相似於第15A圖的實施例，但是經過修改而將四分之一波延遲器1404取代掉。當光線往回定向至空間光調變器時，後反射器將拒絕光線的偏振轉變為第一偏振分量。

在一實施例中，定向顯示裝置包含一導波器1及光源陣列15，如同空間光調變器48，其接收導波器1的輸出光線。該顯示裝置更可於導波器1與空間光調變器48之間設置有菲涅爾透鏡62、相位延遲器(例如半波延遲器204)、不對稱的散射器68、反射型偏振器202、以及清除型偏振器206位於空間光調變器48的輸入端。空間光調變器48的第二導引面的後方設有一分光反射膜200，其功能為後反射器。

由於配置在導波器1的第一導引面與空間光調變器48之間的反射型偏振器202，傳遞於導波器1的無偏振之光線208被定向為光線210而傳遞至視窗26，其中空間光調變器48配置以傳遞第一偏振分量，而無偏振之光線208定向至視窗26的方式與前述藉由反射型偏振器202以及清除型偏振器206傳遞第一偏振分量的實施例相同。第二偏振分量的光線210的偏振量垂直於第一偏振分量，而且被反射型偏振器202反射為拒絕光線，而且藉由導波器1的導波器傳遞至分光反射膜200，而光線210被分光反射膜200反射且定向為光線212以返回空間光調變器48。因此，光線212於視窗26的縱向位置不同於光線210。然而，這樣光線可在側向方向(y軸)具有相同的光學視窗。分光反射膜200將拒絕光線的偏振量轉變為第一偏振。

第20圖繪示第19圖的偏振恢復裝置的側視圖，而第21圖繪示第19圖的偏振恢復裝置的前視圖。為了清楚起見，菲涅爾透鏡62與散射器68未顯示於圖式。

傳遞於導波器1內的光線208包含無偏振狀態230。從擷取特徵12反射的光線實際上未被偏振而且入射於反射型偏振器202。第一偏 振量的傳遞光線210穿過延遲器204，而延遲器204可為半波延遲器，而該延遲器204具有適當的定向光學軸，而定向光學軸配置以定向第一偏振分量236，而第一偏振分量236位於空間光調變器48的清除型偏振器206的傳輸軸之上。

空間光調變器48更包含基材220、224，例如玻璃基材，液晶層222以及輸出偏振器226。

光線212被反射型偏振器202反射而成為拒絕光線，而且穿過導波器1且入射於分光反射膜200，分光反射膜200可包含反射層201，反射層201的材料例如鋁或銀。分光反射膜200設有數對反射鏡面203、205的線性陣列。該些反射鏡面203、205對稱地傾斜於一平面，以致使光線可被反射鏡面203、205反射，而設有該些反射鏡面203、205之平面的方向正交於空間光調變器48，以致使後反射器將拒絕光線的偏振量轉變為第一偏振，其中拒絕光線反射回空間光調變器，而第一偏振從反射鏡面反射。藉由設有該些反射鏡面203、205之平面以45度作延伸，可達到分光反射膜200上的第二偏振分量。

如第20圖所示，光線212被分光反射膜200的反射鏡面203、205所反射。光線234以45度入射於分光反射膜200的反射鏡面203、205。在兩次反射之後，可達到偏振旋轉，使得光線234之偏振分量由於相位的改變而旋轉為偏振分量236。因此，穿出於空間光調變器48的光線212具有偏振分量236，而偏振分量236實際上相同於光線212的偏振分量。有利地說，本發明的實施例不需要複雜的延遲堆疊，也可增加寬頻的偏振旋轉，而因此可以較小的成本達到高亮度輸出視窗。

第22圖繪示另一實施例的偏振恢復裝置的側視圖。此實施例相似於第20圖的實施例，差別在於分光反射膜200的方向顛倒。如此的配置可以使得偏振旋轉由於分光反射膜200的前表面的擷取而超過寬廣的照明角度。進一步地說，延遲層可與分光反射膜200共同配合以達到控制偏振旋轉的目的。

以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則 之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

Claims (37)

1. 一種定向顯示裝置，包括：一導波器，其具有一輸入端；一光源陣列，該光源陣列的數個光源設於橫跨該導波器之該輸入端的一側向方向的數個不同輸入位置，該導波器更包含彼此相對的一第一導引面及一第二導引面，該第一導引面與該第二導引面導引光線沿著該導波器傳遞，該第一導引面藉由全內反射去導引光線，該第二導引面包含數個光線的擷取特徵以及數個中間區，導引於該導波器內的光線被該些擷取特徵加以反射進而分別沿著數個輸出方向穿出於該導波器之外而成為輸出光，而該些中間區分別位於該些擷取特徵之間而且可導引光線穿過該導波器而不進行擷取，該導波器可導引該些光源發出的光線穿過該第一導引面而進入分佈於該側向方向的數個光學視窗作為輸出光，而該些輸入光的傳遞方向與該些光源的輸入位置相關；一透射式的空間光調變器，用以接收穿出於該第一導引面之外的輸出光線以及調變具有一第一偏振之該輸出光線的一第一偏振分量；一反射型的偏振器，設置於該第一導引面以及該空間光調變器之間，該偏振器可傳輸該第一偏振分量以及反射該輸出光線的第二偏振分量而成為拒絕光線，其中該第二偏振分量與該第一偏振分量彼此垂直；一後反射器，設置於該第二導引面的後方且將該拒絕光線反射回到該空間光調變器；及一延遲器，設置以接收該拒絕光線且將該拒絕光線的偏振轉換為該第一偏振，藉此允許該定向顯示裝置將供應回所述空間光調變器的該拒絕光線的偏振量轉換為該第一偏振。
2. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，更包括一相位延遲器，該相位延遲器設置於該偏振器與該後反射器之間，當該拒絕光線反射至該空間光調變器時，該相位延遲器將該拒絕光線的偏振量轉換為該第一偏振。
3. 如申請專利範圍第2項所述的定向顯示裝置，其中該相位延遲器設置於該導波器與該偏振器之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的定向顯示裝置，其中該後反射器為該第二導引面的反射層。
5. 如申請專利範圍第2項所述的定向顯示裝置，其中該相位延遲器設置於該導波器與該後反射器之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該後反射器包含有一線性陣列，該線性陣列包含有數個成對的反射頂角面，該些反射頂角面相互對稱且傾斜地設於一垂直於該空間光調變器的平面的兩側，使得該後反射器藉由一對反射頂角面的反射將該拒絕光線的偏振量轉換為該第一偏振。
7. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該偏振器為多層雙折射薄膜。
8. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該偏振器為玻璃的週期金屬光柵結構。
9. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該偏振器為軟片的金屬光柵結構。
10. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，更包括一偏振旋轉器，該偏振旋轉器設於該偏振器與該空間光調變器之間，該偏振旋轉器將該第一偏振分量旋轉。
11. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該導波器更包含一反射端，該反射端面對於該輸入端且將輸入光線反射至該導波器，該些擷取特徵將光線反射至該第一導引面之外而成為輸出光線。
12. 如申請專利範圍第1項所述的定向顯示裝置，其中該些擷取特徵為該第二導引面的數個反射面，而該些反射面以及該些中間區呈階梯狀。
13. 如申請專利範圍第11項所述的定向顯示裝置，其中該反射端在該導波器的側向方向具有正的屈光率。
14. 如申請專利範圍第1至13項中的任一項所述的定向顯示裝置，更包括一控制系統，該控制系統可將該些光源的光線分別沿著該些輸出方向定向至數個視窗。
15. 如申請專利範圍第14項所述的定向顯示裝置，其中該定向顯示裝置為裸眼三維顯示裝置，該控制系統更可控制該定向顯示裝置來暫時地顯示多工左右影像以及同步地將該影像指引至與觀察者的左眼及右眼相對應的視窗。
16. 如申請專利範圍第15項所述的定向顯示裝置，其中該控制系統更包含有一感測器，該感測器可偵測面對於該顯示裝置觀察者的位置，而該控制系統將顯示的影像導引至相應於觀察者的左眼與右眼的視窗。
17. 一種偏振定向照明裝置，包括：一影像定向背光源，其中該影像定向背光源包含有：一導波器，該導波器用來導引光線且包含：有一第一光導引面，可將一光源陣列的光線定向至第一方向；一第二光導引面，可使導引光線穿出於該導波器；及一光輸入面，可接收來自該光源陣列的光線；一偏振敏感反射器，設置以在該反射器的一第一側上接收來自該導波器的光線，傳輸接收光線的具有一第一偏振狀態的一第一部分至該反射器的一第二側，且反射接收光線的具有一第二偏振狀態的一第二部分至該導波器；及一延遲器，設置以自該偏振敏感反射器接收反射光線且實質地改變反射光線的偏振狀態自該第二偏振狀態至該第一偏振狀態。
18. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，更包括一靠近於該第二光導引面的延遲膜，該延遲膜改變反射光線的偏振量。
19. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該導波器為楔形導波器。
20. 如申請專利範圍第19項所述的偏振定向照明裝置，其中該楔形定向背光源覆蓋有高折射率材料且/或低折射率材料。
21. 如申請專利範圍第19項所述的偏振定向照明裝置，其中該第一光導引面覆蓋有一反射層。
22. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該導波器為光學閥。
23. 如申請專利範圍第22項所述的偏振定向照明裝置，其中該光學閥具有一階梯面，該階梯面覆蓋有一反射材料。
24. 如申請專利範圍第22項所述的偏振定向照明裝置，其中該光學閥為透明。
25. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該偏振敏感反射器為多層雙折射膜。
26. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該偏振敏感反射器為玻璃的週期金屬光柵結構。
27. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該偏振敏感反射器為軟片的金屬光柵結構。
28. 如申請專利範圍第17項所述的偏振定向照明裝置，其中該延遲器包含一四分之一波片。
29. 一種影像定向背光源，包括：一輸入側，位於一導波器的一第一端，該輸入側可接收至少一光源陣列的光線；一反射側，位於該導波器的一第二端；一第一光定向側以及一第二光定向側，其位於該輸入側及該反射側之間，該第二光定向側可導引光線穿出於該導波器；一偏振敏感反射器，設置以在該反射器的一第一側接收來自該導波器的光，傳輸接收光的具有一第一偏振狀態的一第一部分，且反射接收光的具有一第二偏振狀態的一第二部分；及一延遲器，設置以接收來自該偏振敏感反射器的反射光線，且改變反射光的偏振狀態自該第二偏振狀態至該第一偏振狀態。
30. 如申請專利範圍第29項所述的影像定向背光源，其中該延遲器包含一四分之一波片。
31. 一種提供偏振回復的光學閥系統，包括：一導波器，用於導引光線，該導波器更包括：一第一光導引面以及一第二光導引面，該第二光導引面與該第一光導引面彼此相對，且該第二光導引面還包括有至少一導引特徵以及數個擷取特徵，當光線沿著一第一方向傳遞時，可通過於該些擷取特徵且具有較低的光線損失，而且光線可藉由遇到至少一該擷取特徵而離開於該導波器；一空間光調變器，靠近於該導波器；一偏振敏感反射器，設置以在該反射器的一第一側接收來自該導播器的光，傳輸接收光的具有一第一偏振狀態的一第一部分，且反射接收光的具有一第二偏振狀態的一第二部分；及一延遲器，設置以接收來自該偏振敏感反射器的反射光線，且改變反射光的偏振狀態自該第二偏振狀態至該第一偏振狀態。
32. 如申請專利範圍第31項所述的光學閥系統，更包括一個四分之一波片，該波片位於該導波器與該偏振敏感反射器之間。
33. 如申請專利範圍第32項所述的光學閥系統，更包含有一片狀偏振器，該片狀偏振器具有清理偏振器的功能且位於偏振敏感反射器之後的光線路徑上。
34. 如申請專利範圍第33項的光學閥系統，其中該光學閥系統更包括一階梯面，而該階梯面覆蓋有一反射材料。
35. 如申請專利範圍第34項的光學閥系統，其中該反射材料為銀。
36. 如申請專利範圍第32項所述的光學閥系統，其中該偏振敏感反射器平行於該階梯面。
37. 如申請專利範圍第31項所述的光學閥系統，其中該延遲器包含一四分之一波片。