用于成像定向背光源的表面特征结构制造技术

本发明专利技术公开了一种成像定向背光源设备，所述成像定向背光源设备包括波导和光源阵列，该光源阵列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，其中阶梯可包括提取特征结构，所述提取特征结构光学隐藏至在前向方向上传播的引导光。在后向方向上传播的返回光可被所述特征结构折射、衍射或反射，以提供从所述波导的顶表面离开的离散照明束。观察窗通过使单独光源成像而形成，并限定系统元件和光线路径的相对位置。所述波导与机械和光学部件的对准可由所述波导的表面起伏特征结构提供，所述表面起伏特征结构布置在与所述输入表面相邻的区域中并且位于所述光源的所述发光区域的中间。可以低串扰实现高效、统一的操作，用于自动立体和防窥操作模式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于成像定向背光源的表面特征结构相关申请的交叉引用本申请要求以下专利的优先权：2015年11月13日提交的名称为“Wideangleimagingdirectionalbacklights”(宽视角成像定向背光源)的美国临时专利申请62/255,270(代理人参考号390000)，该申请全文以引用方式并入本文。
本公开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在空间光调制器例如LCD上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自该像素组中的每个像素组的光导向至不同的相应方向，以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。观察者将眼睛置于第一观察窗中用来自第一组像素的光可看到第一图像；而将眼睛置于第二观察窗中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，并且此外，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，此类散焦导致图像串扰程度加大并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
根据本公开，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源、用于向成像定向背光源提供光的照明器阵列。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。显示器背光源通常采用波导和边缘发光源。某些成像定向背光源具有将照明导向穿过显示器面板到观察窗中的另外的能力。成像系统可在多个光源和相应的窗图像之间形成。成像定向背光源的一个示例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示例。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，如美国专利公布2012/0127573中所述，所述专利公布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特征结构或透镜诸如菲涅耳透镜朝向观察窗成像。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，因此光跨越波导的整个区域朝向观察窗输出。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。可能期望的是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大小和成本。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方案可导致增加的亮度、局部独立照明和定向能力。根据本公开的第一方面，提供了一种定向背光源，该定向背光源包括：波导，该波导包括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以及在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的输入表面；以及光源阵列，该光源沿波导的输入表面布置在不同输入位置处，并且被布置成将输入光输入到波导中，这些光源具有间隔开的发光区域，该波导还包括用于将来自光源的输入光沿波导反射回的反射端，该第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过第一引导表面作为输出光，并且该定向背光源被布置成将输出光在输出方向上导向到光学窗中，这些光学窗取决于输入位置而沿输入了输入光的光源的输入表面横向地分布，其中该波导还包括至少一个表面起伏特征结构，该至少一个表面起伏特征结构形成在第一引导表面和第二引导表面中的至少一者上在与输入表面相邻的位置中且位于光源的发光区域的中间，或形成在输入表面上在光源的发光区域的中间。表面起伏特征结构的所述位置可位于由以下各项界定的区域内：输入表面的一部分，其位于一对相邻光源的发光区域的中间；以及一对相交想像线，这对相交想像线从与输入表面的该部分相邻的这对光源的发光区域的相应边缘延伸到反射端的在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的相应侧面。表面起伏特征结构可为机械固定特征结构。机械固定特征结构可固定到定向背光源的另一个部件。有利的是，可提供波导与系统的其他光学和机械部件的机械配准。在热膨胀增大的区域可以方便地实现机械配准。定向背光源还可包括后反射器，该后反射器包括反射小平面的线性阵列，其中这些反射小平面被布置成使来自光源的透射穿过波导的多个小平面第二引导表面的光反射回穿过波导，以离开穿过第一引导表面进入所述光学窗，该后反射器是机械固定特征结构所固定到的所述另一个部件。有利的是，可减少波导运动到后反射器而产生的光学伪影。此外，后反射器可与机械和光学系统的其他部件方便地对准。表面起伏特征结构可为突起。有利的是，对于自动立体和防窥操作模式，可实现输入光耦合区域的低可见度和串扰的减少。表面起伏特征结构可为凹陷部。有利的是，可实现机械对准的机械强度的增大。表面起伏特征结构可被布置成从波导中移除在由反射端反射后入射在其上的至少一些反射光。有利的是，可以进一步减少由于来自输入表面的背反射而导致的串扰。表面起伏特征结构可为识别标记。有利的是，可以实现部件的可追溯性而不会劣化光学路径。输入表面可为波导的与反射端相对的端部。输入表面可为波导的延伸离开反射端的侧表面。第一引导表面可被布置成通过全内反射来引导光，并且第二引导表面可包括多个光提取特征结构和位于光提取特征结构之间的中间区域，该多个光提取特征结构被取向为在允许作为输出光离开穿过第一引导表面的方向上导向沿波导引导的光，并且所述中间区域被布置成沿波导引导光。第二引导表面可具有阶梯式形状，其中所述光提取特征结构是中间区域之间的小平面。光提取特征结构可在波导的侧表面之间的方向上具有正光焦度，这些侧表面在第一引导表面和第二引导表面之间延伸。反射端可在反射端的侧面之间延伸的方向上具有正光焦度，这些侧面在第一引导表面和第二引导表面之间延伸。根据本公开的第二方面，定向显示装置可包括：根据第一方面的定向背光源；以及透射空间光调制器，该透射空间光调制器被布置成接收来自波导的输出光并且对其进行调制以显示图像。根据本公开的第三方面，定向显示设备可包括：根据第二方面的定向显示装置；以及控制系统，该控制系统被布置成控制光源。有利的是，可提供定向显示器以实现可切换定向操作，包括自动立体、防窥、宽视角、高亮度、夜间和节能功能。根据本公开的第四方面，定向背光源可包括：波导，该波导包括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以及在第一引导表面和第二引导表面之间延伸的输入表面；光源阵列，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向背光源，所述定向背光源包括：波导，所述波导包括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以及在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的输入表面；以及光源阵列，所述光源沿所述波导的所述输入表面布置在不同输入位置处并且被布置成将输入光输入到所述波导中，所述光源具有间隔开的发光区域，所述波导还包括反射端，所述反射端用于将来自所述光源的输入光沿所述波导反射回，所述第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成使所述光源成像使得来自所述光源的所述输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，所述光学窗取决于所述光源的所述输入位置横向地分布，其中所述波导还包括至少一个表面起伏特征结构，所述至少一个表面起伏特征结构形成在所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者上在与所述输入表面相邻的位置中且位于所述光源的所述发光区域的中间，和/或形成在所述输入表面上在所述光源的所述发光区域的中间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.13 US 62/255,2701.一种定向背光源，所述定向背光源包括：波导，所述波导包括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以及在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的输入表面；以及光源阵列，所述光源沿所述波导的所述输入表面布置在不同输入位置处并且被布置成将输入光输入到所述波导中，所述光源具有间隔开的发光区域，所述波导还包括反射端，所述反射端用于将来自所述光源的输入光沿所述波导反射回，所述第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成使所述光源成像使得来自所述光源的所述输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，所述光学窗取决于所述光源的所述输入位置横向地分布，其中所述波导还包括至少一个表面起伏特征结构，所述至少一个表面起伏特征结构形成在所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者上在与所述输入表面相邻的位置中且位于所述光源的所述发光区域的中间，和/或形成在所述输入表面上在所述光源的所述发光区域的中间。2.根据权利要求1所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构的所述位置在由以下各项界定的区域内：所述输入表面的一部分，其位于一对相邻光源的所述发光区域的中间，以及一对相交想像线，所述一对相交想像线从与所述输入表面的所述部分相邻的所述一对光源的所述发光区域的相应边缘延伸到所述反射端的在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的相应侧面。3.根据权利要求1或2所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构为机械固定特征结构。4.根据权利要求3所述的定向背光源，其中所述机械固定特征结构被固定到所述定向背光源的另一个部件。5.根据权利要求4所述的定向背光源，还包括后反射器，所述后反射器包括反射小平面的线性阵列，所述反射小平面被布置成使来自所述光源的透射穿过所述波导的多个小平面第二引导表面的光反射回穿过所述波导，以离开穿过所述第一引导表面进入所述光学窗，所述后反射器为所述机械固定特征结构所固定到的所述另一个部件。6.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构为突起。7.根据权利要求1至5中任一项所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构为凹陷部。8.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构被布置成从所述波导中移除在由所述反射端反射后入射在其上的至少一些所反射的光。9.根据权利要求1或2所述的定向背光源，其中所述表面起伏特征结构为识别或数据标记。10.根据前述权利要求中任一项所述的定向背光源，其中所述输入表面为所述波导的与所述反射端相对的端部。11.根据权利要求1至10中任一项所述的定向背光源，其中所述输入表面为所述波导的延伸离开所述反射端的侧表面。12.根据前述权利要求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成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特征结构和位于所述光提取特征结构之间的中间区域，所述多个光提取特征结构被取向为在允许作为所述输出光离开穿过所述第一引导表面的方向上导向沿所述波导引导的光，所述中间区域被布置成沿所述波导引导光。13.根据权利要求12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，其中所述光提取特征结构为所述中间区域之间的小平面。14.根据权利要求12或13所述的定向波导，其中所述光提取特征结构在所述波导的侧面之间的方向上具有正光焦度，所述侧面在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间以及在所述输入端和所述反射端之间延伸。15.根据前述权利要求中任一项所述的定向波导，其中所述反射端在所述波导的侧面之间延伸的方向上具有正光焦度，所述侧面在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间以及在所述输入端和所述反射端之间延伸。16.一种定向显示装置，所述定向显示装置包括：根据前述权利要求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被布置成接收来自所述波导的所述输出光并且对其进行调制以显示图像。17.一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：根据权利要求16所述的定向显示装置；以及控制系统，所述控制系统被布置成控制所述光源。18.一种定向背光源，所述定向背光源包括：波导，所述波导包括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以及在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的输入表面；以及光源阵列，所述光源沿所述波导的所述输入表面布置在不同输入位置处并且被布置成将输入光输入到所述波导中，所述光源具有间隔开的发光区域，所述波导还包括反射端，所述反射端用于将来自所述光源的输入光沿所述波导反射回，所述第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成使所述光源成像使得来自所述光源的所述输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，所述光学窗取决于所述光源的所述输入位置横向地分布，其中所述波导还包括粘合剂，所述粘合剂设置在所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者上在由以下各项界定的区域内的位置中：所述输入表面的一部分，其位于一对相邻光源的所述发光区域的中间，以及一对相交想像线，所述一对相交想像线从与所述输入表面的所述部分相邻的所述一对光源的所述发光区域的相应边缘延伸到所述反射端的在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的相应侧面。19.一种定向背光源，所述定向背光源包括：波导，所述波导包括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以及在所述第一引导表面和所述第二引导表面之间延伸的输入表面；光源阵列，所述光源沿所述波导的所述输入表面布置在不同输入位置处并且被布置成将输入光输入到所述波导中，所述光源具有间隔开的发光区域，所述波导还包括反射端，所述反射端用于将来自所述光源的输入光沿所述波导反射回，所述第二引导表面被布置成将所反射的输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，并且所述波导被布置成使所述光源成像使得来自所述光源的所述输出光在输出方向上导向到相应的光学窗中，所述光学窗取决于所述光源的所述输入位置横向地分布；以及至少一个条带，所述至少一个条带附着到所述波导的所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者并且沿其邻近于所述输入表面延伸，所述条带被布置成减少从所述波导内部入射到其上的光的反射。20.根据权利要求19所述的定向背光源，其中所述光源具有间隔开的发光区域，并且所述条带沿所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者延伸跨过邻近于所述光源的所述发光区域的位置以及所述光源的所述发光区域中间的位置两者。21.根据权利要求19或20所述的定向背光源，其中所述条带仅沿所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者的一部分延伸。22.根据权利要求21所述的定向背光源，其中所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者的所述部分从所述输入表面的中心偏离，所述条带沿所述部分延伸。23.根据权利要求21所述的定向背光源，其中所述第一引导表面和所述第二引导表面中的至少一者的所述部分跨过所述输入表面的中心，所述条带沿所述部分延伸。24.根据权利要求19至23中任一项所述的定向背光源，其中所述条带为粘合带。25.根据权利要求19至23中任一项所述的定向背光源，其中所述条带为粘合剂材料。26.根据权利要求19至25中任一项所述的定向背光源，还包括支撑件，所述支撑件支撑所述光源阵列并且具有跨所述波导的所述第一引导表面或所述第二引导表面延伸经过所述波导的所述输入表面的部分，并且其中所述至少一个条带包括附着到所述支撑件并且附着到所述波导的所述第一引导表面和所述第二引导表面中的一者以用于将所述波导相对于支撑在所述支撑件的所述光源保持在适当位置的至少一个条带。27.根据权利要求19至25中任一项所述的定向背光源，其中所述条带附着到所述支撑件并且附着到所述波导的所述第一引导表面和所述第二引导表面中的一者。28.根据权利要求19至25中任一项所述的定向背光源，其中所述条带附着到所述支撑件并且附着到所述波导的所述第一引导表面或所述第二引导表面。29.根据权利要求26至28中任一项所述的定向背光源，还包括至少一个另外的条带，所述至少一个另外的条带设置在所述波导的所述第一引导表面和所述第二引导表面中的另一者上并且沿其邻近所述输入表面延伸，所述另外的条带还被布置成吸收从所述波导内部入射在其上的光。30.根据权利要求19至25中任一项所述的定向背光源，其中所述至少一个条带包括附着到所述波导的所述第一引导表面的至少一个条带和附着到所述波导的所述第二引导表面的至少一个条带。31.根据权利要求19至30中任一项所述的定向背光源，其中所述条带吸收光，由此所述条带通过吸收所述光来减少从所述波导内部入射到其上的光的反射。32.根据权利要求31所述的定向背光源，其中所述条带吸收来自所述光源阵列的所述光的整个波长范围内的光。33.根据权利要求19至30中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·J·伍德盖特，M·G·鲁宾逊，R·拉姆西，J·哈罗德，
申请(专利权)人：瑞尔D斯帕克有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US