定向照明波导装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光引导阀设备，其包括光学阀、二维光源阵列和聚焦光学器件，以用于从局部光源提供大面积准直照明。阶梯式波导可为阶梯式结构，其中所述阶梯可为光学隐藏至引导光的提取结构特征，从而在第一前向方向上传播。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离散照明光束。可产生二维观察窗阵列。此类受控照明可提供具有较宽观察自由度和低串扰的高效多用户自动立体显示器，以及基本上透明的近眼显示器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】定向照明波导布置方式
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使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成空间光调制器例如IXD上的至少第一组像素和第 二组像素。视差组件将来自所述组像素中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的观察者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
根据本专利技术的方面，提供了定向照明波导布置方式，包括：波导，该波导包括输入 端以及用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。第一引导表面可被布置 为通过全内反射来引导光。第二引导表面可具有包括多个小平面的阶梯式形状，其跨波导 在横向方向上延伸并被取向为使输入光从输入端反射穿过第一引导表面作为输出光。第二 引导表面还可具有小平面之间的中间区域，其被布置为将光导向穿过波导而不提取光。波 导布置方式还可包括照明系统，该照明系统可选择性地操作以提供输入光，该输入光（a) 从分布在横向方向上的不同横向位置导向，并且（b)在垂直于横向方向分布的不同输入方 向上导向。穿过第一引导表面输出的输入光可在输出方向上导向，所述输出方向（a)根据 所述输入光的横向位置在横向方向上相对于第一引导表面的法线而分布。穿过第一引导表 面输出的输入光可在输出方向上导向，所述输出方向（a)根据输入光的输入位置相对于垂 直方向上的第一引导表面的法线而分布。 本专利技术实施例可有利地实现照明，所述照明可从跨波导区域的点在第一角正交方 向和第二角正交方向上调制。 在一种使用中，此类定向照明可实现被布置用于远场观察的定向显示装置中的观 察窗的二维阵列。在这种情况下，波导可形成定向显示装置的一部分，该显示装置还包括透 射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨波导的第一引导表面延伸并且被布置为调制从 波导的第一引导表面输出的光。此类定向显不器可用于自动立体3D显不器、防窥显不器和 高效率显示模式。此类显示器可被布置为在横向和纵向模式中操作，并且用于两者之间的 取向，因此非常适合于移动显示平台。另外，此类显示器可实现用于观察者的水平和坚直运 动的观察者跟踪功能。根据另一个方面，显示设备可包括定向显示装置和控制系统，所述控 制系统被布置为选择性地操作照明系统以将光导向进入对应于所述输出方向的观察窗中。 显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统被进一步布置为控制显示装置以显示时间 上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼 和右眼的位置的观察窗中。控制系统还可包括传感器系统，其被布置为检测在显示装置对 面的观察者的位置，并且控制系统可被布置为根据被检测到观察者的位置将显示的图像导 向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。 在进一步的使用中，此类定向照明可用于显示准直图像，从而实现近眼显示设备。 在这种情况下，可操作照明系统以根据要显示的图像提供输入光，该输入光（a)从不同横 向位置导向，并且（b)在不同输入方向上导向，使得输出光将所述图像表示为准直图像。例 如，在近眼显示设备中，可根据表示图像的图像数据通过控制系统来操作照明系统。因此， 输出光可将图像表示为准直图像。当二维角度调制输出置于观察者角膜附近时，可通过观 察者的眼睛将其成像为视网膜图像。波导可对外部光具有高透射性，但可提供明亮图像。可 通过单个观察者来照明一只或两只眼睛，并且可提供较大输出光瞳尺寸，以便于相对于眼 睛的输入瞳孔放置波导。 为了允许用作近场显示器，此类波导布置方式可便利地结合到适于戴在用户头上 的头戴式设备中，其中波导被布置为当佩戴头戴式设备时，跨用户的至少一只眼睛延伸。该 设备还可布置有通信系统以能够提供图像数据。 根据本专利技术的另一个方面，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源， 其可包括波导和位于第一光引导表面和第二光引导表面之间的输入光学器件，所述输入光 学器件可操作以将来自照明元件阵列的每个元件的光导向进入成像定向背光源内的相应 不同定向分布中。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光学系统的光学阀，因此也可以是折叠成像定向 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。 本专利技术实施例从显示设备实现二维窗阵列，该显示设备包括成像定向背光源，并 且具体地讲，包括具有另外的输入聚焦光学器件的阶梯式波导成像定向背光源。此类二维 窗阵列有利地可实现增强的功能，包括坚直环顾、头部倾斜跟踪、横向纵向操作以及增加数 目的独立跟踪观察者，并且因此特别适用于大面积显示。另外，本专利技术实施例可有效地限制 在可用于实现更紧凑显示结构的阶梯式波导内传播的角度范围。 本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体显示器。另外，如将描述 的，本专利技术的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学组件。此类组件可用于定向背 光源，以提供包括自动立体显示器的定向显示器。另外，实施例可提供受控照明器以便得到 高效的自动立体显示器。 本专利技术的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影 系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和 /或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本专利技术的方面可以跟与光学和电气装置、光 学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。 因此，本专利技术的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备 等，并且可用于多种计算环境。 详细进行所公开的实施例之前，应当理解，本专利技术并不将其应用或形成限于所示 的具体布置方式的细节，因为本专利技术能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置方 式来阐述本专利技术的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术 语是为了说明的目的，而非限制。 定向背光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向照明波导布置方式，包括：波导，所述波导包括输入端以及用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面；所述第一引导表面可被布置为通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面具有包括多个小平面的阶梯式形状，所述小平面跨所述波导在横向方向上延伸并被取向为使输入光从所述输入端反射穿过所述第一引导表面作为输出光；以及所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为将光导向穿过所述波导而不提取光；照明系统，所述照明系统可选择性地操作以提供输入光，所述输入光(a)从分布在所述横向方向上的不同横向位置导向，并且(b)在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上导向，所述输入光输出穿过在输出方向上导向的所述第一引导表面，所述输出方向(a)根据所述输入光的横向位置在所述横向方向上相对于所述第一引导表面的法线而分布，并且(b)根据所述输入光的输入方向在垂直于所述横向方向的方向上相对于所述第一引导表面的法线而分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.18 US 61/648,873;2012.05.18 US 61/649,1411. 一种定向照明波导布置方式，包括： 波导，所述波导包括输入端以及用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二 引导表面；所述第一引导表面可被布置为通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面 具有包括多个小平面的阶梯式形状，所述小平面跨所述波导在横向方向上延伸并被取向为 使输入光从所述输入端反射穿过所述第一引导表面作为输出光；以及所述小平面之间的中 间区域，所述中间区域被布置为将光导向穿过所述波导而不提取光； 照明系统，所述照明系统可选择性地操作以提供输入光，所述输入光（a)从分布在所 述横向方向上的不同横向位置导向，并且（b)在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向 上导向，所述输入光输出穿过在输出方向上导向的所述第一引导表面，所述输出方向（a) 根据所述输入光的横向位置在所述横向方向上相对于所述第一引导表面的法线而分布，并 且（b)根据所述输入光的输入方向在垂直于所述横向方向的方向上相对于所述第一引导 表面的法线而分布。2. 根据权利要求1所述的波导布置方式，其中所述照明系统包括二维光源阵列和在垂 直于所述横向方向的方向上具有正光焦度的聚焦光学兀件，所述聚焦光学兀件布置在所述 光源阵列与所述波导之间，所述光源阵列在所述横向方向上跨所述波导的输入端分布以提 供来自不同横向位置的所述输入光，所述横向位置在所述横向方向上分布并且在垂直方向 上分布，以在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上提供所述输入光。3. 根据权利要求2所述的波导布置方式，其中所述二维光源阵列布置在所述聚焦光学 元件的焦平面中。4. 根据权利要求2或3所述的波导布置方式，其中所述光源为离散的。5. 根据权利要求2或3所述的波导布置方式，其中所述照明系统包括背光源和透射空 间光调制器。6. 根据权利要求2至5中任一项所述的波导布置方式，其中所述光源阵列在所述横向 方向和所述垂直方向上具有不同间距。7. 根据权利要求2至6中任一项所述的波导布置方式，其中所述聚焦光学元件包括透 镜兀件。8. 根据权利要求7所述的波导布置方式，其中所述透镜元件包括所述波导的输入端上 的透镜表面。9. 根据权利要求7所述的波导布置方式，其中所述透镜元件包括布置在所述光源阵列 与所述波导之间的附加透镜元件。10. 根据权利要求2至6中任一项所述的波导布置方式，其中所述聚焦光学元件包括反 射元件。11. 根据权利要求2至10中任一项所述的波导布置方式，其中所述聚焦光学元件主要 布置在所述聚焦光学元件光轴的一侧上。12. 根据权利要求2至11中任一项所述的波导布置方式，其中所述光源通过气隙与所 述波导的输入端分开。13. 根据权利要求1所述的波导布置方式，其中所述照明系统包括一维光源阵列，所述 一维光源阵列在所述横向方向上跨所述波导的输入端分布以提供来自在所述横向方向上 分布的不同横向位置的所述输入光；以及布置在所述光源阵列与所述波导之间的偏转器元 件，所述偏转器元件可选择性地操作以使所述光源阵列输出的所述光垂直于所述横向方向 偏转不同的量，以在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上提供所述输入光。14. 根据权利要求13所述的波导布置方式，其中所述偏转器元件为反射元件，所述反 射兀件可旋转以垂直于所述横向方向将所述光源阵列输出的所述光偏转不同的量。15. 根据权利要求13或14所述的波导布置方式，其中所述光源被布置为以光束形式输 出光，并且所述波导布置方式还包括漫射体元件，所述漫射体元件设置在所述偏转器元件 与所述波导之间并且被布置为主要在所述横向方向上漫射光。16. 根据权利要求13或14所述的波导布置方式，还包括在垂直于所述横向方向的方向 上具有正光焦度的聚焦光学元件，所述聚焦光学元件布置在所述光源与所述波导之间。17. 根据前述权利要求中任一项所述的波导布置方式，其中所述波导还包括反射端，所 述反射端面向所述输入端以用于将来自所述输入光的光穿过所述波导反射回，其中所述波 导的第二引导表面的所述多个小平面被取向为在从所述反射端反射之后反射光。18. 根据权利要求17所述的波导布置方式，其中所述反射端在跨所述波导的所述横向 方向上具有正光焦度。19. 根据权利要求17所述的波导布置方式，其中所述反射端为平坦的，并且所述小平 面在跨所述波导的所述横向方向上具有正光焦度。20. 根据前述权利要求中任一项所述的波导布置方式，其中所述第二引导表面的小平 面具有沿着所述波导的光轴变化的倾角。21. -种定向显示装置，包括： 根据前述权利要求中任一项所述的波导布置方式；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的第一引导表面延伸并且被布 置为调制从所述波导的第一引导表面输出的光。22. -种显不设备，包括： 根据权利要求21所述的定向显示装置；以及 控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述照明系统以将光导向进入对应于 所述输出方向的观察窗中。23. 根据权利要求22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 控制系统被进一步布置为控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并 且同步地将所述显示图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。24. 根据权利要求23所述的自动立体显示设备，其中 所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为检测在所述显示装置对面 的观察者的位置，并且 所述控制系统被布置为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在 对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。25. -种适于戴在用户头部的头戴式设备，包括根据权利要求1至20中任一项所述的 波导布置方式，其中所述波导被布置为当佩戴所述头戴式设备时跨所述用户的至少一只眼 睛延伸。26. 根据权利要求25所述的头戴式设备，其中所述小平面的间距为不规则的。27. 根据权利要求25或26所述的头戴式设备，还包括补偿光学元件，所述补偿光学元 件跨所述波导的第二引导表面延伸并且具有面向所述第二引导表面的表面，所述表面具有 匹配形状。28. 根据权利要求25至27中任一项所述的头戴式设备，还包括控制系统，所述控制 系统被布置为操作所述照明系统以根据表示图像的图像数据提供所述输入光，所述输入光 (a)从所述不同横向位置导向，并且（b)在所述不同输入方向上导向。29. 根据权利要求25至28中任一项所述的头戴式设备，所述头戴式设备为包括透镜的 一副眼镜，所述透镜被布置为当佩戴所述一副眼镜时跨所述用户的两眼延伸。30. 根据权利要求29所述的一副眼镜，其中所述透镜为具有用于矫正视力的光焦度的 矫正透镜。31. 根据权利要求30所述的一副眼镜，其中所述矫正透镜为与所述波导分开的元件。32. 根据权利要求30所述的一副眼镜，其中所述矫正透镜由所述波导的引导表面形 成。33. -种...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·J·伍德盖特，M·G·鲁宾逊，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