广角成像定向背光源制造技术

本发明专利技术公开了一种成像定向背光源设备，其包括波导、光源阵列，以用于从局部光源提供大面积导向照明。所述波导可包括阶梯式结构，其中所述阶梯还可包括提取结构特征，所述提取结构特征光学隐藏至在第一前向方向上传播的引导光。在第二后向方向上传播的返回光可通过所述结构特征折射、衍射或反射以提供从所述波导的顶表面离开的发散照明光束。观察窗通过使单独光源成像而形成，并因此限定系统元件和光线路径的所述相对位置。当离轴观察时，所述未校正的系统形成未被照明的空隙部分，从而阻碍均匀的广角2D照明模式。通过引入远离所述系统的对象平面的另外的光源、另外的成像表面和/或通过改变光线路径，所述系统可被校正以去除这种不均匀度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】广角成像定向背光源
本专利技术整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提供 大面积照明的光导，以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。
技术介绍
空间多路复用自动立体显示器通常将视差组件诸如双凸透镜状屏幕或视差屏障 与图像阵列对准，所述图像阵列被布置为在空间光调制器例如IXD上的至少第一组像素和 第二组像素。视差组件将来自像素组的每组的光导向至相应不同的方向以在显示器前面提 供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗的观察者用来自第一组像素的光可看到 第一图像；而眼睛置于第二观察窗中时发散用来自第二组像素的光可看到第二图像。 与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且另 夕卜，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙（例如对于电 极而言）通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类 显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦 而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并且增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁 可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光 调制器中的电子设备进行寻址。
技术实现思路
根据本专利技术，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于提供光至 成像定向背光源的照明器阵列和改变成像定向背光源的光学系统以提供基本上均匀的2D 照明方式的附加光学元件。成像定向背光源可包括用于引导光的波导。波导可包括第一光 引导表面以及与第一光引导表面相对的第二光引导表面。 显示器背光源一般采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明导向 穿过显示面板进入观察窗的另外功能。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。 成像定向背光源的一个例子是可采用折叠式光学系统的光学阀，因此也可以是折叠式成像 定向背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，同时反 向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请No. 13/300, 293中所述，该专 利申请全文以引用方式并入本文。 定向背光源提供穿过波导的照明，所述照明以波导内的多个方向成像至观察窗。 来自输入端处的光源并在波导内传播的发散光提供有减小的发散度，并且通常通过波导反 射端处的弯曲反射镜而准直，并且通过弯曲光提取结构特征或透镜诸如菲涅耳透镜朝观察 窗成像。对轴向观察窗而言，准直光基本上平行于矩形形状的波导的边缘，因此光跨波导的 整个区域朝观察窗输出。对于离轴位置而言，准直光的方向并不平行于矩形波导的边缘，但 以非零的角度倾斜。因此，在准直光束的一个边缘和波导的相应边缘之间形成未被照明的 (或空隙）外部（其可为三角形形状）。没有光从外部内导向至相应观察窗，并且显示器在 该区域看起来黑暗。期望减少离轴观察位置的黑暗外部的出现，使得更多的波导区域可用 于照明空间光调制器，从而有利地减小系统尺寸和成本。 一般来讲，利用这种系统和相关的成像定向背光源系统，由于高角处的光晕，并非 所有背光源区域均为可用的。对系统的修改可通过将光引入空隙区域可克服此限制。此类 经修改的照明设备实施例可导致增加的亮度、局部独立照明和定向能力。 根据本专利技术的第一方面，提供了定向背光源设备，其包括：波导，其在用于接收输 入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；光源阵列，其设置在 跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用 于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入 端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的 输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置；以及控制系统，其被布置为选 择性地操作光源以将光导向进入可选择的观察窗中，其中反射端会聚反射光，使得来自与 波导光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，波导还包括在输入端和反射端之间并且 在引导表面之间延伸的侧面，所述侧面为被布置为反射来自光源的光的平坦的表面，并且 控制系统被布置为在对第一光源进行选择性的操作以将光导向进入观察窗中时，同时操作 第二光源，该第二光源将由反射端反射并且然后由波导的侧面反射的光导向进入波导的外 部，所述外部未被第一光源照明。 根据本专利技术的第二方面，提供了定向背光源，其包括波导，其在用于接收输入光的 输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；以及光源阵列，其设置在跨 波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于 沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端 的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置，其中反射端会聚反射光，使得来 自与波导的光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，并且波导还包括在输入端和反射 端之间以及在引导表面之间延伸的侧面，所述侧面被布置为将从光源入射的光反射进入波 导的外部，所述外部未被该光源照明。 根据本专利技术的第三方面，提供了定向背光源装置，其包括：波导，其在用于接收输 入光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；以及光源阵列，其设 置在跨波导输入端的横向方向上的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸 以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨 输入端的不同输入位置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向 上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置，其中反射端会聚反射光， 使得来自与波导的光轴偏离的光源的反射光未照明波导的外部，并且该定向背光源装置还 包括第二光源阵列，其沿波导的每个侧面设置，所述侧面在输入端和反射端之间以及在引 导表面之间延伸并且被布置为将光提供给波导的所述外部。 根据本专利技术的第四方面，提供了定向显示装置，其包括：波导，其在用于接收输入 光的输入端与用于将输入光穿过该波导反射回的反射端之间延伸；光源阵列，其设置在跨 波导输入端的不同输入位置处，波导具有在输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引 导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，波导被布置为将来自跨输入端的不同输入位 置处的光源的输入光在从反射端反射之后反射进入分布在横向方向上的输出方向上的相 应光学窗内，所述输出方向取决于输入位置；以及透射空间光调制器，其跨波导延伸以便调 制从其输出的光，其中空间光调制器仅跨波导的区域的一部分延伸。 根据本专利技术的第五方面，提供了背光源设备，其包括：定向波导，其在用于接收输 入光的输入端和用于穿过定向波导将输入光反射回的反射端之间延伸，该定向波导具有在 输入端和反射端之间延伸以用于沿波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表 面，其中第二引导表面具有面向反射端的多个光提取结构特征并且被布置为，在穿过所述 第一引导表面的不同方向上，反射来自跨所述输入端的不同输入位置的、从所述反射端穿 过所述定向波导引导回来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向背光源设备，包括：波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述波导反射回的反射端之间延伸；光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置处，所述波导具有在所述输入端和所述反射端之间延伸以用于沿所述波导来回引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置为将来自跨所述输入端的所述不同输入位置处的光源的输入光在从所述反射端反射之后反射进入分布在所述横向方向上的输出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置；以及控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入可选择的观察窗中，其中所述反射端会聚反射光，使得来自与所述波导的光轴偏离的光源的反射光未能照明所述波导的外部，所述波导还包括侧面，所述侧面在所述输入端和所述反射端之间并且在所述引导表面之间延伸，所述侧面为被布置为反射来自所述光源的光的平坦的表面，并且所述控制系统被布置为在选择性地操作第一光源以将光导向进入观察窗中时，同时操作第二光源，所述第二光源将由所述反射端反射然后由所述波导的侧面反射的光导向进入所述波导的外部，所述外部未被所述第一光源照明。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.18 US 61/648,840;2012.05.18 US 61/649,054;1. 一种定向背光源设备，包括： 波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述波导反射回 的反射端之间延伸； 光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置 处，所述波导具有在所述输入端和所述反射端之间延伸以用于沿所述波导来回引导光的相 对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置为将来自跨所述输入端的所述不同输 入位置处的光源的输入光在从所述反射端反射之后反射进入分布在所述横向方向上的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置；以及 控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入可选择的观 察窗中， 其中 所述反射端会聚反射光，使得来自与所述波导的光轴偏离的光源的反射光未能照明所 述波导的外部， 所述波导还包括侧面，所述侧面在所述输入端和所述反射端之间并且在所述引导表面 之间延伸，所述侧面为被布置为反射来自所述光源的光的平坦的表面，并且 所述控制系统被布置为在选择性地操作第一光源以将光导向进入观察窗中时，同时操 作第二光源，所述第二光源将由所述反射端反射然后由所述波导的侧面反射的光导向进入 所述波导的外部，所述外部未被所述第一光源照明。2. 根据权利要求1所述的定向背光源设备，其中选择所述第二光源以将光导向进入与 所述第一光源相同的观察窗中。3. 根据权利要求1或2所述的定向背光源设备，其中所述波导的侧面是平行的。4. 根据权利要求1或2所述的定向背光源设备，其中所述波导的侧面从所述输入端至 所述反射端发散。5. 根据权利要求1或2所述的定向背光源设备，其中所述波导的侧面从所述输入端至 所述反射端会聚。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的定向背光源设备，其中所述波导的侧面被布置 为通过全内反射反射来自所述光源的光。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的定向背光源设备，其中所述波导的侧面具有反 射涂层。8. 根据权利要求1至7中任一项所述的定向背光源设备，其中所述第一引导表面被布 置为通过全内反射来引导光并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取 结构特征取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，以允许作为输出光穿过所述 第一引导表面离开。9. 根据权利要求8所述的定向背光源设备，其中所述光提取结构特征为所述第二引导 表面的小平面。10. 根据权利要求9所述的定向背光源设备，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状， 所述阶梯式形状包括所述小平面和所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为导 向光穿过所述波导而不提取光。11. 根据权利要求1至7中任一项所述的定向背光源设备，其中所述第一引导表面被布 置为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且倾斜成一定角度以 在多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射以便穿过所述第一引导表面输出光， 所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以便 使光朝所述空间光调制器的法线偏转。12. -种显示设备，包括： 根据权利要求1至11中任一项所述的定向背光源设备；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述定向背光源设备延伸以便调制从所 述定向背光源设备输出的光。13. 根据权利要求12所述的显示设备，其中所述空间光调制器跨所述波导的第一引导 表面设置。14. 根据权利要求12或13所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中 所述控制系统被布置为控制所述空间光调制器以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼 图像，并同步地操作所述光源以将光导向进入对应于观察者的左眼和右眼的位置中的观察 窗内。15. 根据权利要求14所述的显示设备，还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为 检测观察者相对于所述显示装置的位置，所述控制系统根据被检测到的观察者的位置将所 述显示的图像导向进入对应于所述观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。16. -种定向背光源，包括： 波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将输入光穿过所述波导反射回的反 射端之间延伸；以及 光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置 处，所述波导具有在所述输入端和所述反射端之间延伸以用于沿所述波导来回引导光的相 对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置为将来自跨所述输入端的所述不同输 入位置处的光源的输入光在从所述反射端反射之后反射进入分布在所述横向方向上的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置； 其中 所述反射端会聚反射光，使得来自与所述波导的光轴偏离的光源的反射光未能照明所 述波导的外部，并且 所述波导还包括侧面，所述侧面在所述输入端和所述反射端并且在所述引导表面之间 延伸，所述侧面被布置为将从光源入射的所述光反射进入所述波导的外部，所述外部未被 所述光源照明。17. 根据权利要求16所述的定向背光源，其中所述侧面各自包括反射小平面阵列。18. 根据权利要求16所述的定向背光源，其中所述侧面各自包括全息膜。19. 根据权利要求16至18中任一项所述的定向背光源，其中所述侧面被布置为将从光 源入射的所述光在与来自所述光源的由所述波导的反射端反射的光相同的方向上反射。20. 根据权利要求16至19中任一项所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置 为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结 构特征取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，以允许作为输出光穿过所述第 一引导表面离开。21. 根据权利要求20所述的定向背光源，其中所述光提取结构特征为所述第二引导表 面的小平面。22. 根据权利要求21所述的定向背光源，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，所 述阶梯式形状包括所述小平面和所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为导向 光穿过波导而不提取光。23. 根据权利要求16至19中任一项所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置 为通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且倾斜成一定角度以 在多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射以便穿过所述第一引导表面输出光， 所述定向背光源还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以 便使光朝所述空间光调制器的法线偏转。24. -种显示装置，包括： 根据权利要求16至23中任一项所述的定向背光源；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述定向背光源设备延伸以便调制从所 述定向背光源设备输出的光。25. 根据权利要求24所述的显示装置，其中所述空间光调制器跨所述波导的第一引导 表面设置。26. -种显示设备，包括根据权利要求24或25所述的显示装置，以及控制系统，所述控 制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入可选择的观察窗中。27. 根据权利要求26所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述 控制系统被布置为控制所述空间光调制器以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像， 并同步地操作所述光源以将光导向进入对应于观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。28. 根据权利要求27所述的显示设备，还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为 检测观察者相对于所述显示装置的位置，所述控制系统根据被检测到的观察者的位置将所 述显示的图像导向进入对应于所述观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。29. -种定向背光源，包括： 波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述波导反射回 的反射端之间延伸；以及 光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置 处，所述波导具有在所述输入端和所述反射端之间延伸以用于沿所述波导来回引导光的相 对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置为将来自跨所述输入端的所述不同输 入位置处的光源的输入光在从所述反射端反射之后反射进入分布在所述横向方向上的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置； 其中 所述反射端会聚反射光，使得来自与所述波导的光轴偏离的光源的反射光未照明所述 波导的外部，并且 所述定向背光源还包括第二光源阵列，所述第二光源沿所述波导的每个侧面设置并且 被布置为将光提供给所述波导的所述外部，所述波导在所述输入端和所述反射端之间并且 在所述引导表面之间延伸。30. 根据权利要求29所述的定向背光源，其中所述波导的侧面包括面向所述第二光源 的小平面阵列。31. 根据权利要求30所述的定向背光源，其中所述波导的侧面包括透镜阵列，所述透 镜与相应第二光源对准并且被布置为控制从所述第二光源提供的光的方向。32. 根据权利要求29至31中任一项所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置 为通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结 构特征取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，以允许作为输出光穿过所述第 一引导表面离开。33. 根据权利要求32述的定向背光源，其中所述光提取结构特征为所述第二引导表面 的小平面。34. 根据权利要求33所述的定向背光源，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，所 述阶梯式形状包括所述小平面和所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为导向 光穿过波导而不提取光。35. 根据权利要求29至31中任一项所述的定向背光源，其中所述第一引导表面被布置 为通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且倾斜成一定角度以 在多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射以便穿过所述第一引导表面输出光， 所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以便 使光朝所述空间光调制器的法线偏转。36. -种显示装置，包括： 根据权利要求29至35中任一项所述的定向背光源；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述定向背光源设备延伸以便调制从所 述定向背光源设备输出的光。37. 根据权利要求38所述的显示装置，其中所述空间光调制器跨所述波导的第一引导 表面设置。38. -种显示设备，包括根据权利要求36或37所述的显示装置，以及控制系统，所述控 制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入可选择的观察窗中。39. 根据权利要求38所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述 控制系统被布置为控制所述空间光调制器以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像， 并同步地操作所述光源以将光导向进入对应于观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。40. 根据权利要求39所述的显示设备，还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为 检测观察者相对于所述显示装置的位置，所述控制系统根据被检测到的观察者的位置将所 述显示的图像导向进入对应于所述观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。41. 一种显示装置，包括： 波导，所述波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述波导反射回 的反射端之间延伸； 光源阵列，所述光源阵列设置在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置 处，所述波导具有在所述输入端和所述反射端之间延伸以用于沿所述波导来回引导光的相 对的第一引导表面和第二引导表面，所述波导被布置为将来自跨所述输入端的所述不同输 入位置处的光源的输入光在从所述反射端反射之后反射进入分布在所述横向方向上的输 出方向上的相应光学窗内，所述输出方向取决于所述输入位置；以及 透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述波导延伸以便调制从所述波导输出 的光，其中所述空间光调制器仅跨所述波导的区域的一部分延伸。42. 根据权利要求41所述的显示装置，其中所述反射端会聚反射光，使得来自每个光 源的反射光照明所述空间调制器延伸跨的所述波导的全部部分。43. 根据权利要求41或42所述的显示装置，其中所述波导的侧面在所述输入端和所述 反射端之间延伸，从所述输入端至所述反射端发散。44. 根据权利要求41至43中任一项所述的显示装置，其中所述空间光调制器跨所述波 导的第一引导表面设置。45. 根据权利要求41至44中任一项所述的显示装置，其中所述第一引导表面被布置为 通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结构 特征取向为使穿过所述波导引导的光在多个方向上反射，以允许作为输出光穿过所述第一 引导表面离开。46. 根据权利要求45所述的显示装置，其中所述光提取结构特征为所述第二引导表面 的小平面。47. 根据权利要求46所述的显示装置，其中所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述 阶梯式形状包括所述小平面和所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为导向光 穿过波导而不提取光。48. 根据权利要求41至44中任一项所述的显示装置，其中所述第一引导表面被布置为 通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面为基本上平坦的并且倾斜成一定角度以在 多个方向上反射光，所述多个方向破坏全内反射以便穿过所述第一引导表面输出光， 所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以便 使光朝所述空间光调制器的法线偏转。49. 一种显示设备，包括根据权利要求41至48中任一项所述的显示装置，以及控制系 统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述光源以将光导向进入可选择的观察窗中。50. 根据权利要求49所述的显示设备，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述 控制系统被布置为控制所述空间光调制器以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像， 并同步地操作所述光源以将光导向进入对应于观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。51. 根据权利要求50所述的显示设备，还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为 检测观察者相对于所述显示装置的所述位置，所述控制系统根据被检测到的观察者的位置 将所述显示的图像导向进入对应于所述观察者的左眼和右眼的位置中的观察窗内。52. -种定向背光源，包括： 定向波导，所述定向波导在用于接收输入光的输入端和用于将所述输入光穿过所述定 向波导反射回的输出端之间延伸，所述定向波导具有在所述输入端和所述反射端之...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·G·鲁宾逊，G·J·伍德盖特，J·哈罗德，M·H·舒克，
申请(专利权)人：瑞尔D股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US