TWI689758B - 具有方向性控制輸出之顯示裝置，及該顯示裝置的背光 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種顯示器背光，其包括具有光耦出結構之一陣列之一邊緣光波導，該等光耦出結構(例如)各包括至該波導中之一投射。各個投射具有與法線呈一角α之一光束重引導面。該角α及該波導以及該波導外部(輸出面上方)之折射率經設計以滿足確保該光學輸出可經選擇以在一通常向前方向中於一所要角範圍內(且因此未經截割)的多種關係。

Description

具有方向性控制輸出之顯示裝置，及該顯示裝置的背光
本發明係關於一種顯示裝置的背光，其尤其適用於其中在一窄範圍之輸出方向中顯示影像之一顯示裝置。一實例係一自動立體顯示裝置，其包括具有顯示像素之一陣列之一顯示面板及用於將不同視圖引導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中提供一顯示影像之一隱私顯示器。
一已知自動立體顯示裝置包括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」係最小個別可定址單色圖像元素)之一列及行陣列之二維液晶顯示面板。平行於彼此延伸之長形透鏡之一陣列上覆顯示像素陣列且充當一視圖形成構件。此等稱為「雙凸透鏡」。來自顯示像素之輸出經投射穿過發揮作用以修改輸出之方向之此等雙凸透鏡。
雙凸透鏡經提供為一透鏡元件片，該等透鏡元件之各者包括一長形半圓柱形透鏡元件。雙凸透鏡在顯示面板之行方向中延伸，其中各個雙凸透鏡上覆顯示子像素之兩個或兩個以上鄰近行之一各自群組。
各個雙凸透鏡可與顯示子像素之兩行相關聯以使一使用者能夠觀察一單一立體影像。代替性地，各個雙凸透鏡可與在列方向中之三 個或三個以上鄰近顯示子像素之一群組相關聯。各個群組中之顯示子像素之對應行經適當配置以提供來自一各自二維子影像之一垂直圖塊。隨著一使用者之頭自左至右移動，觀察到產生(例如)一環視印象之一系列連續不同立體視圖。
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式矩陣類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。為了清楚起見，在圖式中僅展示小數目之顯示子像素5。在實務中，顯示面板3可包括約一千列及幾千行顯示子像素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，一子像素係一全色彩像素之一色彩分量。根據一般術語，全色彩像素包括用於產生經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)一全色彩像素可具有可能使用一白色子像素或使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。特定言之，面板3包括一對間隔之透明玻璃基板，在其等之間提供一對準扭曲向列或其他液晶材料。基板在其等之面對表面上承載透明銦錫氧化物(ITO)電極之型樣。在基板之外表面上亦提供偏振層。
各個顯示子像素5包括基板上之相對電極，其中中間液晶材料在其等之間。顯示子像素5之形狀及佈局由電極之形狀及佈局判定。顯示子像素5由間隙彼此規則間隔。
各個顯示子像素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由一光源7照明，在此情況中光源7包括在顯示像素陣 列之區域上方延伸之一平坦背光。來自光源7之光經引導穿過顯示面板3，其中個別顯示子像素5經驅動以調變光且產生顯示。背光7具有側邊緣7a及7b、一頂部邊緣7c及一底部邊緣7d。背光7具有自其輸出光之一正面。
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片9，該雙凸透鏡片9執行一光引導功能且因此執行一視圖形成功能。雙凸透鏡片9包括平行於彼此延伸之雙凸透鏡元件11之一列，為了清楚起見僅展示具有誇大尺寸之雙凸透鏡元件11之一者。
雙凸透鏡元件11呈各具有垂直於元件之圓柱形曲率延伸之一長形軸12之凸(半)圓柱形透鏡之形式，且各個元件充當一光輸出引導構件以將不同影像或視圖自顯示面板3提供至定位於顯示裝置1之前方之一使用者之眼睛。
顯示裝置具有控制背光及顯示面板之一控制器13。
圖1中所展示之自動立體顯示裝置1能夠提供在不同方向中之若干不同透視圖，即，其能夠將像素輸出引導至在顯示裝置之視野內之不同空間位置。特定言之，各個雙凸透鏡元件11上覆各個列中之顯示子像素5之一小群組，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在一不同方向中投射一群組之各個顯示子像素5之輸出以便形成若干不同視圖。隨著使用者之頭自左至右移動，其之眼睛將繼而接收若干視圖之不同者。
圖2更詳細展示如上文中描述之一雙凸透鏡類型之成像配置之操作之原理且展示背光20、顯示裝置24、液晶顯示面板及雙凸透鏡陣列28之橫截面。圖2展示雙凸透鏡配置28之雙凸透鏡27如何將一像素群組之像素26'、26"及26'''之輸出引導至顯示裝置之前方之各自三個不同空間位置22'、22"及22'''。不同位置22'、22"及22'''係三個不同視圖之部分。
以一類似方式，顯示像素26'、26"及26'''之相同輸出由配置28之雙凸透鏡27'引導至各自三個其他不同空間位置25'、25"及25'''中。當三個空間位置22'至22'''界定一第一觀看區域或第一視錐29'時，三個空間位置25'至25'''界定一第二視錐29"。應瞭解，取決於可引導諸如由像素26'至26'''形成之一像素群組之輸出之陣列之雙凸透鏡之數目，存在更多此等錐(未展示)。錐填充顯示裝置之整個視野。
上文中之視圖引導原理導致自一視錐至另一視錐上出現之視圖重複，此係因為在各個錐內，在一特定視圖內顯示相同像素輸出。因此，在圖2之實例中，空間位置22"及25"提供相同視圖，但分別在不同視錐29'及29"中。換言之，一特定視圖展示全部視錐中之相同內容。在視錐之間之邊界處，在極端視圖之間存在一跳躍使得破壞自動立體效果。
對此問題之一解決方案係(例如)藉由設計背光具有一方向性輸出而僅容許一單一視錐。WO 2011/145031揭示用於界定具有一單錐輸出之一顯示之多種方法。
已知用於控制自其可看見一視圖之方向之一準直背光之使用(例如)用於若干不同應用，包含用於凝視追蹤應用、隱私面板及增亮面板。此一準直背光之一已知組件係提取呈依約亦係背光之部分之一雙凸透鏡之間距間隔之薄發光條之一陣列之形式之其光之全部之一光產生組件。
在圖3中展示其中背光7包括條狀光發射體之一陣列30、一正透鏡陣列32及透鏡陣列與發射體之間之一複製結構34之此組態。透鏡陣列32準直來自薄發光條之陣列30之光。此一背光可由諸如LED或OLED條之一系列發射元件形成。
然而，此解決方案製造昂貴且歸因於OLED之情況下之一短壽命而易於故障。
發光元件之廣角發射型樣亦同時照明多個透鏡，且藉此其等仍產生錐重複。
用於顯示器之背面照明及正面照明的邊緣光波導係昂貴且粗糙的。因此在邊緣光技術周圍以一準直背光組件為基礎將係有利的。然而，已知邊緣光波導經設計以提供跨波導之整個表面之光輸出的最大均勻性，且因此未經設計用於產生依約一組合透鏡之間距間隔之薄光條之一陣列。
圖4展示一邊緣光波導40之一示意性影像。波導包括諸如具有一頂面40a、一底面40b及橫向邊緣40c之一固體材料板之一波導材料。存在於圖4中不可見之頂部邊緣及底部邊緣，此係因為圖4之橫截面係在橫向的側至側方向中獲得。波導之平面圖一般係矩形。波導之頂部邊緣及底部邊緣(在矩形之頂部側及底部側處)對應於相關聯之顯示的頂部及底部，且橫向邊緣(在矩形之左側及右側)對應於相關聯之顯示的左側及右側。從圖4中之左側，自一光源42耦入光且在波導之底部處放置若干耦出結構44。光在具有高度H之波導內部依一角θin傳播。在此實例中，將耦出結構44繪製為具有一半頂角α、高度h及一寬度w的半稜鏡。
波導經形成為由(例如)玻璃或聚碳酸酯製成之一介電板。在板中，於邊界處之全內反射在光傳播時使光保持侷限。板之邊緣通常用於耦入光，且小結構44在波導局部耦出光。
若假設在波導之一邊緣上耦入光，則結構之耦出效率應跨波導變動以確保一均勻耦出。可以不同方式調諧一結構之耦出效率。舉例而言，若結構類似於一稜鏡狀形狀(或一稜鏡之一半)，則可藉由改變稜鏡之高度、藉由改變半頂角α或藉由改變兩者來修改耦出效率。
本發明係基於用於一自動立體顯示器或隱私顯示器中之一波導類型之背光的最佳化，特定言之係關於實現一條狀輸出的產生。
本發明係由申請專利範圍界定。
根據一實例，提供一種顯示器背光，其包括：一波導材料，其具有一折射率nwg，且具有頂部及底部平行面及一對相對側邊緣，其中光輸出係來自頂面；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波導材料中；及一光耦出結構陣列，其經形成於頂部或底部平行面處，用於重引導光使得其在光耦出結構之位置處自波導逸出，其中光耦出結構提供具有限於小於180度且自頂面之平面角度間隔之輸出方向之一範圍的經逸出光。
光耦出結構以此方式產生小於180度寬且可係更窄使得可實施至少部分準直功能之一輸出光束。此外，輸出光束未由頂面截割，使得輸出光束通常經向前引導且不包含平行於頂面之分量。此意味著輸出光束之橫向方向可由適合設計選擇，同時維持相同角擴展。此等條件因此實現背光之設計經定製以提供來自背光且在一所要方向中之一所要角的輸出光束。以此方式，當與一顯示器組合使用時，可控制其中將一經顯示影像輸出至使用者之方向。此具有尤其用於隱私顯示器及自動立體顯示器之應用。
光耦出進一步各包括至波導材料中之一投射，各個投射具有與垂直於頂面及底面之一方向呈一角之一光束重引導面。波導材料具有用於提供光耦出之凹陷，且此等凹陷可在波導之頂部或底部處。
背光經調適以經使用具有頂面上方之波導材料外部之一折射率nout，且其中針對一折射率比率m=nwg/nout：1<m<
Figure 104131929-A0202-12-0006-21
；且
Figure 104131929-A0202-12-0007-2
其中α係光束引導面與法線方向之角。
折射率值與重引導面之傾斜角之間之此等關係引起經限制(即，小於180度)且未經截割(即，輸出角之一子範圍一般經中心界定於總體180度輸出內)之來自背光之所要光學輸出方向。折射率比率m通常低於用於習知波導材料之折射率比率。
在一實例中，光耦出結構之全部都具有相同光束重引導面角α。此意味著來自不同光耦出結構之光輸出之全部都界定為平行小光束。
在另一實例中，光耦出結構包括複數個組，各個組內之光耦出結構具有相同光束重引導面角α，且不同組具有不同光束重引導面角α。此意味著來自不同光耦出結構之光輸出界定平行小光束組。此可用於藉由使用不同小光束以照明一顯示面板之不同像素而提供不同方向中之不同影像。
光耦出結構可各包括自頂部邊緣至底部邊緣所橫跨之一柱，且其中顯示器背光進一步包括在波導材料上方之雙凸透鏡之一陣列，各個透鏡上覆一相關聯之光耦出柱或相關聯複數個光耦出柱。
柱用於形成一條狀背光輸出。條狀輸出接著照明一透鏡，且此用於產生一準直輸出以提供一所要方向中之一輸出(例如)用於一隱私顯示器。
輸出方向之範圍β可經選擇係：β=2tan-1(p/2e)其中p係雙凸透鏡之間距且e係自光耦出結構至透鏡陣列之光學路徑長度。
此界定可預防錐重複之一配置。特定言之，使角寬度與雙凸透鏡匹配，使得各個耦出光束僅命中一個透鏡。
針對其中光耦出結構之全部具有相同光束重引導面角α的實例，各個雙凸透鏡可(例如)係在一單一相關聯之光耦出柱上方居中，角α係45度，且自各個光耦出柱重引導之光具有一角寬度，使得僅一個雙凸透鏡實質上係由來自光耦出柱的反射光照明。
藉由確保來自一光耦出柱之光僅到達一個透鏡，可界定一單一視錐。
針對其中光耦出結構包括複數個組之實例，各個透鏡可(例如)上覆來自各個組的一個光耦出柱，其中來自各個光耦出柱之光具有一角寬度，使得僅一個雙凸透鏡的一部分係由來自光耦出柱之重引導光照明。
以此方式，一個透鏡可產生用於在透鏡下方之不同光耦出柱之不同輸出方向中之一輸出小光束。此可用於呈現(例如)用於一自動立體顯示器中之不同方向中的不同影像。
在一組實例中，各個光耦出結構之光束重引導面可包括一反射面，且光耦出結構經提供於底面上。底面接著使用反射以產生輸出光柱。此反射可基於全內反射，或投射可具有一反射塗層。
光源配置可用於將光提供至兩個側邊緣，且各個光耦出結構接著包括在與頂面及底面之法線之相對側上呈一角α的一對反射面。此實現來自兩個相對邊緣的照明。
在此實例中，折射率可滿足1.05<m<1.22。
在另一組實例中，可在頂面上提供光耦出結構，且其中波導材料之頂面經提供有填充投射之一塗層，其中塗層具有高於波導材料之折射率nwg之一折射率。此實現來自頂面中之透射的全內反射。
光耦出結構可各再次包括自頂部邊緣橫跨至底部邊緣之一柱。
在此實例中，折射率可滿足m<1.05，例如m<1.01。
一自動立體顯示裝置或一隱私顯示器可組合背光與具有用於產 生一顯示影像之顯示像素之一陣列之一顯示面板，顯示器係由背光照明。
另一態樣提供一種自動立體顯示裝置，其包括：如上文中界定之一背光，其使用複數組光耦出結構；及一顯示面板，其具有用於產生一顯示影像之顯示像素之一陣列，顯示器係由背光照明，其中顯示裝置進一步包括經提供於顯示器上方之雙凸透鏡之一進一步陣列，其具有在顯示器背光之透鏡與進一步陣列之透鏡之間之一對一映射。
多組光耦出結構實現產生多個視圖，且進一步透鏡陣列實現產生進一步視圖。
顯示器背光之透鏡係(例如)正透鏡，而進一步陣列之透鏡係負透鏡。顯示面板可包括一LCD面板，但可使用其他透射性顯示面板。
1‧‧‧自動立體顯示裝置
3‧‧‧液晶顯示面板
5‧‧‧顯示子像素
7‧‧‧光源/背光
7a‧‧‧側邊緣
7b‧‧‧側邊緣
7c‧‧‧頂部邊緣
7d‧‧‧底部邊緣
9‧‧‧雙凸透鏡片
11‧‧‧雙凸透鏡元件
12‧‧‧長形軸
13‧‧‧控制器
20‧‧‧背光
22'‧‧‧空間位置
22"‧‧‧空間位置
22'''‧‧‧空間位置
24‧‧‧顯示裝置
25'‧‧‧空間位置
25"‧‧‧空間位置
25'''‧‧‧空間位置
26'‧‧‧像素
26"‧‧‧像素
26'''‧‧‧像素
27‧‧‧雙凸透鏡
27'‧‧‧雙凸透鏡
28‧‧‧透鏡陣列/透鏡配置
29'‧‧‧第一觀看區域/第一視錐
29"‧‧‧第二視錐
30‧‧‧陣列
32‧‧‧正透鏡陣列
34‧‧‧複製結構
40‧‧‧邊緣光波導
40a‧‧‧頂面
40b‧‧‧底面
40c‧‧‧橫向邊緣
42‧‧‧光源
44‧‧‧光耦出結構
44a‧‧‧光耦出結構
44b‧‧‧光耦出結構
47‧‧‧虛線
48‧‧‧虛線
50‧‧‧背光
52‧‧‧塗層
54‧‧‧陣列
56‧‧‧雙凸透鏡
60‧‧‧負透鏡
62‧‧‧箭頭
α‧‧‧半頂角/角/光束重引導面角
β‧‧‧角寬度/內部角
γ‧‧‧角/錐角
θin‧‧‧角
θout‧‧‧角
θc‧‧‧角
θrefl‧‧‧角
nwg‧‧‧折射率
nout‧‧‧折射率
H‧‧‧高度
h‧‧‧高度
w‧‧‧寬度
p‧‧‧透鏡間距
e‧‧‧光學路徑長度
現在將參考隨附圖式僅藉由實例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係圖1中展示之顯示裝置之一示意性橫截面圖；圖3展示使用條狀發射體之一已知方向性背光設計；圖4展示使用一邊緣光波導之一已知背光設計；圖5用於提供圖4之波導之光學功能之一分析；圖6展示來自圖4及圖5之波導之輸出之角寬度之一分析；圖7展示圖6中繪示之功能如何界定三個單獨區域；圖8展示一方向性背光之一第一實例；圖9展示一自動立體顯示器之一第一實例；圖10展示一自動立體顯示器之一第二實例；圖11展示一自動立體顯示器之一第三實例；及 圖12用於展示不同光耦出結構引起不同光學重引導功能。
本發明提供一種顯示器背光，其包括具有光耦出結構之一陣列之一邊緣光波導，該等光耦出結構各包括至波導中之一投射。各個投射具有與法線呈一角α之一光束重引導面。角α及波導以及波導外部(在輸出面上方)之折射率經設計以滿足多種關係，其確保光學輸出可經選擇以在一通常向前方向中在一所要範圍內(且因此未經截割)。
本發明係基於來自一波導背光之光學輸出之特徵之一分析。
依其在波導耦出光之角主要由耦出結構之參數判定。在一稜鏡狀結構之實例中，基於結構之半頂角α而將光重引導至另一角。此半角對應於稜鏡形狀之側表面相對於法線方向之角。此外，耦出光束之寬度主要取決於波導之折射率nwg及波導外部之折射率nout之比率m。
圖5展示一波導40之部分以闡明出射光束之方向之計算。波導與波導之外部之間之折射率比率m=nwg/nout界定臨界角：θ c =sin-1(1/m)
折射率比率m應大於1以能夠引導波導內部之任何光。在大於臨界角之一角之情況下命中表面之光將經全內反射。此意味著存在可傳播通過波導之角之一範圍：θ in=[-90°+θ c ,90°-θ c ]
波導中之任何耦出結構可在波導耦出光。在此實例中，各個光耦出結構包括呈一反射面之形式之一光束重引導面，且在波導40之底面上提供光耦出結構。來自光耦出結構之反射以以下方式將光依其在波導中傳播之角自θin改變至θrefl：θ refl=2α-θ in-90°
若在反射之後之光具有其中|θrefl|<θc之一角，則其在波導耦出。當光耦出時，其亦在介面處折射。所得出射方向θout因此係 θ out=sin-1[m sin(θ refl)]=sin-1[m sin(2α-θ in-90°)] (1)
存在可修改光之方向以將其引導於波導之外之不同耦出結構。結構並非必須定位於波導之底部處但在波導之頂部處之結構亦可行。因此不應認為此文件中論述之稜鏡結構為限制性，而應僅將該等稜鏡結構視為一實例。本發明對於其他耦出結構亦有效但此等結構完成之方向之改變可由與此實例中使用之半頂角α不同之一參數描述。接著應相應地改變圖式、方程式及條件以反映此差異。
可藉由使用方程式(1)計算針對波導內部之角之範圍之最小及最大出射角而發現耦出光束之角寬度β。在圖6中將角寬度繪製為半頂角α及折射率比率m之函數。
圖6展示存在其中邊界由虛線47、48指示之不同區域。以此方式可基於參數α及m識別三個單獨體系：
(i)一體系，其中出射光束之角範圍總是[-90,90]，不管值α及m為何。
(ii)一體系，其中角範圍之一邊緣係-90度或90度(經截割)。
(iii)一體系，其中角範圍之兩個邊緣都在[-90,90]內使得可在此範圍內操縱出射光束。
僅在最後體系中可產生未經截割之一完全可操縱出射光束。
在圖7中，將三個不同體系指示為(i)、(ii)及(iii)。
對於由空氣包圍之由(例如)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成之一典型波導(nwg=1.49，因此m=1.49)，不可能產生一未經截割之可操縱光束。本發明因此使用導致比習知波導之折射率比率更小之一折射率比率之材料之其他組合以實現光束寬度及方向之控制且防止由光耦出結構提供之光束之截割。
可(例如)使用PMMA與某些黏膠之組合以形成具有小折射率差異之兩個不同材料達成針對波導之所要較低折射率比率。例如摻雜有氧 化鍺(GeO2)之一玻璃之摻雜玻璃廣泛用於光纖技術中。再次，一未摻雜玻璃及一摻雜玻璃一起可界定一所要低折射率差異。
僅在體系(iii)中，可藉由改變耦出結構之半頂角α而操縱耦出光束。在體系(i)中，耦出光束總是180度寬且改變半頂角α將不改變光束之方向。在體系(ii)中總是在一側上截割耦出光束。
針對某些實施方案，能夠將光之出射光束引導至跨波導之不同方向中而不截割係有利的。此方向性將接著需要出射光束顯著小於180度。
其中期望一未截割光束之一非常相關實例係當一波導及一透鏡陣列用於產生一準直背光時。若出射光束之角範圍太寬，則將導致產生一個以上準直光束之非所要錐重複。
基於上文中之分析，本發明提供限於體系(iii)之一背光設計。波導具有一折射率nwg且具有具一折射率nout之一包圍材料中之具半頂角α之耦出結構使得以下兩個條件適用：1<m<
Figure 104131929-A0202-12-0012-22
,m≡nwg/n out
Figure 104131929-A0202-12-0012-3
此等條件意味著可藉由改變角α而不截割以自由操縱耦出光束。
在由此等關係界定之一般體系內，可進一步限制條件以匹配不同實施例之特定需要。
一第一實施例提供避免一條狀背光中之錐重複之一設計。
在圖8中展示背光50。其包括如上文中解釋之一波導40。實例展示由具有兩個光源42之一光源配置自兩個橫向側邊緣照明波導40。光源可(例如)包括LED或CCFL(冷陰極螢光燈)。
光耦出結構44各包括自波導40之頂部邊緣至底部邊緣所橫跨之 一柱(使得圖8係在列方向中之一橫截面)。背光具有在波導40上方之雙凸透鏡56之一陣列54。各個透鏡56上覆一相關聯之光耦出柱44。
在此實例中，光耦出結構44之全部都具有相同光束重引導面角α且各個雙凸透鏡56在單一相關聯之光耦出柱44上方居中。由各個光耦出柱44重引導之光具有一角寬度β使得僅一雙凸透鏡56由來自光耦出柱44之光照明。
耦出結構44經設計使得光自波導40垂直耦出。以稜鏡狀結構為例，頂半角α係：α=45°
現在可使用方程式1計算耦出光束之角寬度β且角寬度β等於：
Figure 104131929-A0202-12-0013-23
為了防止錐重複，使角寬度與波導之頂部上之雙凸透鏡56匹配使得各個耦出光束僅命中一個透鏡。可藉由以下達成此：β=2tan-1(p/2e)
其中p係透鏡間距且e係自耦出結構44至透鏡56之光學路徑長度。
組合此等方程式，波導與雙凸透鏡之間之所需折射率比率m應係：
Figure 104131929-A0202-12-0013-5
β之一更大值需要增加光學像差之更強透鏡，而β之一更小值改良光學品質但導致一更厚光學堆疊。若吾人採取在20至45度之範圍中之針對β之值，則獲得在約1.05至1.23之範圍中的典型m值且因此可使用現實材料達成此比率。
儘管光源42接近邊緣，但可跨整個面板提供自波導之一均勻耦出。舉例而言，可沿著波導調諧結構之高度以改變結構之各者之相對 耦出。此係熟習此項技術者已知之一方法。
圖8之實施例產生一準直輸出。此可(例如)用於一隱私顯示器。
圖9中所展示之一第二實施例係基於形成一自動立體顯示器而無錐重複。
此係基於WO 2005/031412中展示之一般架構。
波導40具有提供於頂面上之光耦出結構44。此等光耦出結構44再次包括至波導中之投射。此外，波導材料之頂面經提供有填充投射44且視情況亦提供頂部上方之一層之一塗層52。塗層具有高於波導材料之折射率nwg之一折射率使得光耦出結構再次容許光之逸出。光射入跨低至高折射率邊界之一溝槽且接著在高至低折射率邊界處由全內反射反射。此反射光自波導40逸出。再次存在一反射面，但在此情況中反射必須藉由全內反射。
光耦出結構44再次各包括自頂部邊緣至底部邊緣所橫跨以形成照明條之一柱。
在背光50上方提供呈一LCD面板之形式之一顯示面板3。LCD面板自身充當一障壁(如稱為障壁類型之自動立體顯示器)使得不存在雙凸透鏡配置。
應注意，可在背光與LCD面板之間提供一可切換漫射器以使裝置可在2D模式與3D模式之間切換。此在當前申請人之WO 2005/031412中展示。
在上文中解釋之概念可應用至此類型之背光。選擇值m使得光散開以在較少或無重疊(以如圖8中展示之相同方式)之情況下照明LCD面板，因此產生無錐重複且具有最小數目之組件之一自動立體顯示器。
空氣中之錐角γ依以下對應於m：
Figure 104131929-A0202-12-0015-6
耦出結構44與LCD面板之間之間隔由內部角β及溝槽間距p得出，如上文中所解釋。若e稍微更大，則兩個最外視圖具有串擾。若e稍微更小，則最外視圖具有更小強度。兩者都導致有用錐大小之一有效減小但可在呈現中補償。因此間隔e可在80%至120%之光學值內。
針對此實施例，通常m<1.05或甚至m<1.01。折射率之此等非常低差異對於用於光纖之製造中之材料係常見的。
圖9之實例使用顯示面板實施一障壁功能且障壁提供不同方向中之不同視圖之方向。
圖10展示其中背光實施不同方向中之不同視圖之方向之一實例。為了此目的，光耦出結構包括複數個組。一第一組包括光耦出結構44a且一第二組包括光耦出結構44b。在各個組內，光耦出結構具有相同光束重引導面角α。然而，不同組具有不同光束重引導面角α。在圖10中展示此。
各個透鏡56上覆來自各個組之一個光耦出結構44a、44b，且來自各個光耦出結構之光具有一角寬度β使得僅一個雙凸透鏡之一部分由來自光耦出結構之重引導光照明。
在透鏡及波導堆疊之頂部上方提供顯示面板3。此設計提供空間交錯之準直光束。
堆疊經設計使得僅透鏡之部分由各個出射光束照明。經產生之視圖之數目等於光耦出結構之組之數目(即，在展示之實例中為兩個)。為了產生兩個視圖，僅透鏡之一半應由各個出射光束覆蓋。一般言之，藉由使出射光束之角寬度β等於以下而達成此：
Figure 104131929-A0202-12-0015-7
其中N係所要視圖之數目。因此，針對圖10之實例，N=2。注意圖8與其中N=1之圖10基本上等效，且因此適合於諸如一隱私顯示器之一單一視圖顯示器。
此外各個鄰近耦出結構44(在垂直於透鏡之方向中鄰近)應在一不同方向且在與耦出結構N位置進一步向前之相同方向中耦出光。可藉由使用上文中之方程式1調諧結構之角α及折射率比率m而達成此等不同方向。
光耦出結構44經放置於透鏡下方之正確位置處使得N個不同準直方向之光出射背光。光接著命中其中內容可編碼至光場中以使其為一N視圖自動立體顯示器之顯示面板3。
各個透鏡具有對應於等於視圖之數目之若干子像素之寬度之一間距。因此，在一不同方向中成像各個子像素。
為了產生多於N個由背光產生之視圖，可在顯示面板3上方在堆疊之頂部上提供負透鏡60之一陣列，如圖11中所展示。
各個透鏡60亦具有對應於等於視圖之數目之若干子像素之組合寬度之一間距。因此，透鏡60具有與透鏡56之寬度相同之寬度且因此存在顯示器背光之透鏡與進一步陣列之透鏡之間之一對一映射。
在此情況中，來自顯示器之經產生視圖之數目多於光耦出結構之組之數目。在圖11中，存在兩個組但存在六個視圖。由於六個子像素之各者在負透鏡60之一不同部分下方，所以該等子像素各經成像至一不同位置，如由箭頭62展示。
因此，各個子像素經成像於一不同方向中。
應注意，可將一負透鏡陣列添加至圖8之實例以依相同方式自單一視圖(N=1)轉換成多個視圖。
如在上文中之實例中，可提供跨整個面板之來自波導之一均勻耦出。
如上文中提及，本發明可應用至光耦出結構之不同設計，且呈現之方程式僅針對一組實例。圖12展示可用於圖9之波導之頂部處之兩個不同可能光耦出結構以展示不同設計需要不同數學解。
頂部影像展示具有執行折射之呈一角γ之一輸入面及執行反射之呈一角α之一輸出面之一投射。
底部影像展示具有垂直於波導之平面(即，γ=0)之一輸入面及執行反射之呈一角α之一輸出面之一投射。
雖然反射面角α相同，但光學重引導不同使得界定產生未截割且窄輸出光束之設計之範圍之方程式將不同。然而，使用上文中之教示，熟習此項技術者將瞭解如何模型化耦出效能且接著選擇所要參數以達成發明優勢。
自該等圖式、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組合不能利用以獲得好處。不應將申請專利範圍中之任意參考符號理解為限制範疇。
α‧‧‧半頂角/角/光束重引導面角
γ‧‧‧角/錐角

Claims (14)

  1. 一種顯示器背光，其包括：一波導材料，其具有一折射率nwg，且具有頂面(40a)及底面(40b)平行面及一對相對側邊緣(40c)，其中光輸出係來自該頂面(40a)；一光源配置(42)，用於在該等相對側邊緣之一者或兩者處將光提供至該波導材料中；及一光耦出結構(44)陣列，其經形成於該頂部或底部平行面處，用於重引導光，使得其在該等光耦出結構之位置處自該波導逸出，其中該等光耦出結構提供具有限於小於180度且自該頂面之平面角度間隔之輸出方向之一範圍的經逸出光，其中該等光耦出結構各包括至該波導材料中之一投射，各個投射具有與垂直於該頂面(40a)及該底面(40b)之一方向呈一各自角之一光束重引導面，其中該顯示器背光經調適以與具有該頂面(40a)上方之波導材料之一折射率nout使用，且其中針對一折射率比率m=nwg/nout： 1<m<
    Figure 104131929-A0305-02-0023-3
    ；且
    Figure 104131929-A0305-02-0023-2
     其中α係該光束引導面相對該法線方向的角度。
  2. 如請求項1之顯示器背光，其中：該等光耦出結構(44)之全部都具有相同的光束重引導面角α。
  3. 如請求項1之顯示器背光，其中：該等光耦出結構(44)包括複數個組(44a、44b)，各個組內之該 等光耦出結構具有相同的光束重引導面角α，且該等不同組具有不同的光束重引導面角α。
  4. 如請求項1之顯示器背光，其中該等光耦出結構各包括自該顯示器背光之一頂部邊緣至一底部邊緣所橫跨之一柱，且其中該顯示器背光進一步包括在該波導材料上方之雙凸透鏡(56)之一陣列(54)，各個透鏡上覆一相關聯之光耦出柱或相關聯複數個光耦出柱。
  5. 如請求項4之顯示器背光，其中輸出方向之該範圍β經選擇為：β=2tan-1(p/2e)其中p係該等雙凸透鏡(56)之間距，且e係自該等光耦出結構(44)至該透鏡陣列(54)之光學路徑長度。
  6. 如請求項4或5之顯示器背光，其中：該等光耦出結構(44)之全部都具有相同的光束重引導面角α；各個雙凸透鏡(56)係在一單一相關聯之光耦出柱上方居中；該角α係45度；且自各個光耦出柱重引導之該光具有一角寬度，使得僅一個雙凸透鏡係由來自該光耦出柱之反射光照明。
  7. 如請求項4之顯示器背光，其中：該等光耦出結構包括複數個組(44a、44b)，各個組內之該等光耦出結構具有相同的光束重引導面角α，且該等不同組具有不同的光束重引導面角α；且其中各個透鏡(56)上覆來自各個組之一個光耦出柱，其中來自各個光耦出柱之該光具有一角寬度，使得僅一個雙凸透鏡(56)之一部分係由來自該光耦出柱之重引導光照明。
  8. 如請求項4或5之顯示器背光，其中該等光耦出結構經提供於該 底面(40b)上，且其中各個光耦出結構包括：一反射面，其面對該光源配置(42)；或一對反射面，其等在與該頂面(40a)及該底面(40b)之法線之相對側上，且該光源配置(42)係用於將光提供至兩個側邊緣(40c)。
  9. 如請求項8之顯示器背光，其中1.05<m<1.23。
  10. 如請求項4或5之顯示器背光，其中該等光耦出結構(44)經提供於該頂面上，且其中該波導材料之該頂面經提供有填充該等投射(44)之一塗層(52)，其中該塗層具有高於該波導材料之該折射率nwg之一折射率。
  11. 如請求項10之顯示器背光，其中該等光耦出結構(44)各包括自該頂部邊緣橫跨至該底部邊緣之一柱。
  12. 如請求項10之顯示器背光，其中m<1.05，例如m<1.01。
  13. 一種自動立體顯示裝置或一隱私顯示器，其包括：如請求項1-12中任一項之一顯示器背光；及一顯示面板(3)，其具有用於產生一顯示影像之顯示像素(5)之一陣列，該顯示器係由該顯示器背光照明。
  14. 一種自動立體顯示裝置，其包括：如請求項6之一顯示器背光；及一顯示面板(3)，其具有用於產生一顯示影像之顯示像素(5)之一陣列，該顯示器係由該顯示器背光照明，其中該顯示裝置進一步包括經提供於該顯示器上方之雙凸透鏡之一進一步陣列，其具有一在該顯示器背光之透鏡與該進一步陣列之該等透鏡之間之一對一映射，其中該顯示器背光之該等透鏡係正透鏡，且該進一步陣列之該等透鏡係負透鏡。
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