定向顯示設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光引導閥設備，所述光引導閥設備包括成像定向背光源、照明器陣列和觀察者提取跟蹤系統(tǒng)，所述觀察者跟蹤系統(tǒng)被布置用于實現(xiàn)對照明器陣列的控制，所述照明器陣列可在寬的橫向和縱向觀察范圍內向觀察者提供定向顯示，其中作為觀察窗向所述觀察者呈現(xiàn)的光學窗的數(shù)量根據(jù)觀察者的所述橫向和縱向位置或速度而受控。
【專利說明】定向顯設備

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明整體涉及光調制裝置的照明，并且更具體地講，涉及用于從局部光源提供 大面積照明的光導，以便在2D、3D和/或自動立體顯示裝置中使用。

【背景技術】
[0002] 空間多路復用自動立體顯示器通常使視差組件諸如透鏡狀屏幕或視差屏障與圖 像陣列對準，所述圖像陣列被布置用于空間光調制器例如IXD上的至少第一組像素和第二 組像素。視差組件將來自所述組像素中每組的光導向至各自不同的方向以在顯示器前面提 供第一觀察窗和第二觀察窗。眼睛置于第一觀察窗中的觀察者用來自第一組像素的光可 看到第一圖像；并且眼睛置于第二觀察窗中的觀察者用來自第二組像素的光可看到第二圖 像。
[0003] 與空間光調制器的原始分辨率相比，此類顯示器具有降低的空間分辨率，并且此 夕卜，觀察窗的結構由像素孔形狀和視差組件成像功能決定。像素之間的間隙（例如對于電 極而言）通常產(chǎn)生不均勻的觀察窗。不期望的是，當觀察者相對于顯示器橫向移動時，此類 顯示器呈現(xiàn)圖像閃爍，因此限制了顯示器的觀察自由度。此類閃爍可通過使光學元件散焦 而減少；然而，此類散焦會導致增加的圖像串擾水平并增加觀察者的視覺疲勞。此類閃爍可 通過調整像素孔的形狀而減少，然而，此類改變可降低顯示器亮度并且可包括對空間光調 制器中的電子設備進行尋址。


【發(fā)明內容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供包括顯示裝置的定向顯示設備，該顯示裝置可包括 透射式空間光調制器。透射式空間光調制器可包括像素陣列，該像素陣列可被布置用于調 制從其中通過的光。顯示裝置也可包括波導，該波導具有輸入端和用于沿波導引導光的相 對的第一引導表面和第二引導表面。相對的第一引導表面和第二引導表面可從輸入端跨空 間光調制器延伸。顯示裝置也可包括在橫向方向上跨波導輸入端的不同輸入位置處的光源 陣列。波導可被布置用于將來自跨輸入端的不同輸入位置處的光源的輸入光作為輸出光導 向穿過第一引導表面，以供通過空間光調制器在分布在橫向方向中的輸出方向上進入各自 的光學窗，所述輸出方向取決于輸入位置。自動立體顯不設備也可包括傳感器系統(tǒng)和控制 系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)可被布置用于檢測觀察者相對于顯示裝置的位置，該控制系統(tǒng)可被布 置用于操作光源以基于被檢測到的觀察者的位置將光導向進入包括至少一個光學窗的一 個或多個觀察窗中?？刂葡到y(tǒng)可被布置用于基于傳感器系統(tǒng)的輸出來更改一個或多個觀察 窗的光學窗的數(shù)量。
[0005] 通過更改用于形成觀察窗的光學窗的數(shù)量，定向顯示設備可以在減少顯示器閃爍 和控制功率消耗之間實現(xiàn)所需的平衡。
[0006] 定向顯示設備可為自動立體顯示設備，其中控制系統(tǒng)還被布置用于控制空間光調 制器以使用時間多路復用左圖像和右圖像調制光，并且同步被布置用于基于被檢測到的觀 察者的位置操作光源以將通過左圖像和右圖像調制的光導向進入左眼觀察窗和右眼觀察 窗，所述左眼觀察窗和右眼觀察窗包括在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中的至少一個 光學窗。在這種情況下，更改用于形成觀察窗的光學窗的數(shù)量可以減少顯示器閃爍同時基 本上保持減少的圖像串擾。
[0007] 控制觀察窗中的光學窗的數(shù)量可以基于多種方式的傳感器系統(tǒng)的輸出，其一些例 子如下。
[0008] 控制系統(tǒng)可以響應于在橫向方向上被檢測到的觀察者的位置來更改一個或多個 觀察窗的光學窗的數(shù)量，例如通過響應于被檢測到的觀察者的位置而使光學窗的數(shù)量增 力口，觀察者處于在橫向方向上以預先確定的量遠離顯示裝置的法線移位的位置中。
[0009] 控制系統(tǒng)可以響應于沿顯示裝置的法線的被檢測到的觀察者的位置來更改一個 或多個觀察窗的光學窗的數(shù)量，例如通過響應于被檢測到的觀察者的位置而使光學窗的數(shù) 量增加，觀察者處于沿顯示裝置的法線以預先確定的量遠離標稱窗平面朝顯示裝置移位的 位置中。
[0010] 控制系統(tǒng)可以響應于觀察者在橫向方向上離開顯示裝置的法線的速度或加速度 來更改一個或多個觀察窗的光學窗的數(shù)量，例如通過響應于觀察者在橫向方向上離開顯示 裝置的法線的超過預先確定的量的速度或加速度而使光學窗的數(shù)量增加。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了可包括顯示裝置的自動立體顯示設備，該顯示裝 置包括：包括像素陣列的透射式空間光調制器，該像素陣列被布置用于調制從其中通過的 光。顯示裝置也可包括波導，該波導具有輸入端和用于沿波導引導光的相對的第一引導表 面和第二引導表面，所述相對的第一引導表面和第二引導表面從輸入端跨空間光調制器延 伸。顯示裝置也可包括在橫向方向上跨波導輸入端的不同輸入位置處的光源陣列。波導可 被布置用于將來自跨輸入端的不同輸入位置處的光源的輸入光作為輸出光導向穿過第一 引導表面，以供通過空間光調制器在分布在橫向方向中的輸出方向上進入各自的光學窗， 所述輸出方向取決于輸入位置。自動立體顯示設備還可包括傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)被 布置用于檢測觀察者相對于顯示裝置的位置。自動立體顯示設備還可包括控制系統(tǒng)，該控 制系統(tǒng)被布置用于控制空間光調制器，以及基于被檢測到的觀察者的位置操作光源以將光 導向進入觀察窗，該觀察窗包括在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中的至少一個光學 窗?？刂葡到y(tǒng)可被布置用于響應于被檢測到的觀察者的位置（其位于圍繞顯示裝置的法線 的橫向位置的中心區(qū)域），通過控制空間光調制器以使用時間多路復用的左圖像和右圖像 來調制光，并且同步操作光源以將左圖像和右圖像導向進入觀察窗，來提供3D圖像顯示， 該觀察窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中。控制系統(tǒng)還可被布置用于響應于被檢測 到的觀察者的位置（其位于中心范圍之外的橫向位置），通過控制空間光調制器以使用2D 圖像來調制光，并且操作光源以將該2D圖像導向進入觀察窗，來提供2D圖像顯示，該觀察 窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中。
[0012] 在一個實施例中，光學窗畸變可由于光學像差而增加偏軸，例如其可在無補償布 置方式下形成不均勻的照明?？舍槍ζS觀察位置來增加可被照明的光學窗的數(shù)量以補 償窗畸變，使得顯示區(qū)域針對偏軸觀察位置中的觀察者的相應眼睛而保持基本上均勻地填 充。
[0013] 另外，在觀察區(qū)域邊緣處或其附近增加光學窗陣列的尺寸可在一定程度上補償光 學窗圖像的像差，并且可減少不期望的圖像閃爍的出現(xiàn)，特別是在光學系統(tǒng)的輸出處由于 視場像差的出現(xiàn)而引起的圖像閃爍。
[0014] 通過比較的方式，與可以方便地在空間多路復用顯示器中實現(xiàn)的窗寬度相比，可 以實現(xiàn)更寬的窗寬度，而無需增加在兩眼間區(qū)域中的窗之間的重疊。窗寬度可以變化，以增 加在朝向和遠離顯示器的縱向方向上，以及在相對于顯示器的光軸的橫向方向上的觀察自 由度。
[0015] 可以類似于前述的方式在縱向跟蹤期間調節(jié)觀察窗的尺寸以增加觀察自由度。有 利的是，可通過較小的觀察窗在窗平面附近實現(xiàn)減小的串擾，而對于遠離窗平面的觀察距 離而言，可以照明更遠的光學窗以增加縱向觀察自由度以及提供較大的觀察窗?？赏ㄟ^控 制分立的發(fā)光元件來實現(xiàn)光學窗在觀察者位置之間的切換。注意，可對構成觀察窗的光學 窗的數(shù)量進行調節(jié)，而無需降低顯示器的空間分辨率。
[0016] 一個實施例可以在自動立體觀察和2D觀察之間提供超過自動立體觀察位置限制 的具有所需圖像質量的基本上無縫的過渡。
[0017] 另外，在于縱向或橫向方向上達到觀察者位置之前，如果例如系統(tǒng)像差增至某個 程度，在該程度下顯示器照明均勻度或圖像串擾降到觀察者舒適度的期望限制以下，則可 使用如本文所討論的機構來切換至2D(非自動立體）觀察。
[0018] 在另一個實施例中，當觀察者在顯示器前方的位置范圍內時，顯示器可以處理用 戶位置以打開另外的2D背光源，使得可以保持照明顯示器的邊緣并且進一步增加舒適的 觀察自由度。
[0019] 在另一個實施例中，當觀察者接近限定的位置諸如觀察自由度的限制時，可采用 偏心加重電機。該加重電機可包括振動模式，該振動模式可以與手持式顯示器或可從手持 式控制臺或裝置操作的顯示器一起很好的工作。此外，用于檢測觀察者位置的裝置也可用 于通知觀察者已經(jīng)超過了自動立體觀察的所需范圍。
[0020] 另外一種選擇是在自動立體3D觀察區(qū)域之外具有2D觀察區(qū)域的自動立體顯示 器，從而不在相應觀察的3D觀察區(qū)域之外提供光。該顯示器可實現(xiàn)寬的觀察自由度，該寬 的觀察自由度確保在觀察3D時，圖像具有所需的圖像質量。
[0021] 另外，該實施例可實現(xiàn)對于兩個不同的觀察者而言將在整個屏幕上方同時觀察到 兩個不同的2D圖像通道，或對于同一觀察者而言在不同的空間位置中的不同觀察。
[0022] 本發(fā)明的任何所述方面可以任意組合一起應用。
[0023] 顯示器背光源通常采用波導和邊緣發(fā)射源。某些成像定向背光源具有將照明導向 穿過顯示面板進入觀察窗的另外功能。成像系統(tǒng)可在多個光源與各自的窗圖像之間形成。 成像定向背光源的一個例子是可采用折疊光學系統(tǒng)的光學閥，因此也可以是折疊成像定向 背光源的例子。光可在基本上無損耗的情況下在一個方向上傳播穿過光學閥，同時反向傳 播光可通過反射離開傾斜小平面而被提取，如專利申請No. 13/300, 293中所述，所述專利 申請全文以引用方式并入本文。
[0024] 美國專利No. 6, 377, 295大體討論了由于跟蹤控制延遲，預測可用于校正坐標，該 專利全文以引用方式并入本文。這將應用于機械運動視差光學元件，必須一直或連續(xù)控制 其位置。通過比較的方式，本實施例在由顯示器照明脈沖設定的限定的將來時間處提供預 測生成的觀察者位置，而不是跟蹤延遲。有利的是，其可能不適于連續(xù)地確定位置，而適于 在照明的分立的將來時間處確定位置。美國專利No. 5, 959, 664大體討論了觀察者的縱向 跟蹤以及通過調節(jié)顯示器SLM的內容轉向，該專利全文以引用方式并入本文。通過比較的 方式，下文所述的實施例可以在無需調節(jié)或裁剪顯示器SLM上的圖像的情況下通過調節(jié)光 學閥的照明來實現(xiàn)縱向跟蹤。
[0025] 本文的實施例可提供具有大面積和薄型結構的自動立體顯示器。此外，如將描述 的，本發(fā)明的光學閥可實現(xiàn)具有較大后工作距離的薄型光學組件。此類組件可用于定向背 光源，以提供包括自動立體顯示器的定向顯示器。此外，實施例可提供受控照明器以便得到 高效的自動立體顯示器。
[0026] 本發(fā)明的實施例可用于多種光學系統(tǒng)中。實施例可包括或利用各種投影儀、投影 系統(tǒng)、光學組件、顯示器、微型顯示器、計算機系統(tǒng)、處理器、獨立成套的投影儀系統(tǒng)、視覺和 /或視聽系統(tǒng)以及電和/或光學裝置。實際上，本發(fā)明的方面可以跟與光學和電氣裝置、光 學系統(tǒng)、演示系統(tǒng)有關的任何設備，或者可包括任何類型的光學系統(tǒng)的任何設備一起使用。 因此，本發(fā)明的實施例可用于光學系統(tǒng)、視覺和/或光學呈現(xiàn)中使用的裝置、視覺外圍設備 等，并且可用于多種計算環(huán)境。
[0027] 詳細進行所公開的實施例之前，應當理解，本發(fā)明并不將其應用或形成限于所示 的具體布置方式的細節(jié)，因為本發(fā)明能夠采用其他實施例。此外，可以不同的組合和布置方 式來闡述本發(fā)明的各個方面，以限定實施例在其本身權利內的獨特性。另外，本文使用的術 語是為了說明的目的，而非限制。
[0028] 定向背光源通常通過調制布置在光學波導的輸入孔側的獨立LED光源，來提供對 從基本上整個輸出表面發(fā)出的照明的控制。控制發(fā)射光定向分布可實現(xiàn)安全功能的單人觀 察，其中顯示器可僅被單個觀察者從有限角度范圍看到；可實現(xiàn)高電效率，其中僅在小角度 定向分布內提供照明；可實現(xiàn)對時序立體顯示器和自動立體顯示器的左右眼交替觀察；以 及可實現(xiàn)低成本。
[0029] 本領域的普通技術人員在閱讀本公開內容全文后，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點及特 征將變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 實施例通過舉例的方式在附圖中示出，其中類似的附圖標號表示類似的部件，并 且其中：
[0031] 圖1A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了定向顯示裝置的一個實施例中的光傳播 的正視圖；
[0032] 圖1B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了圖1A的定向顯示裝置的一個實施例中的 光傳播的側視圖；
[0033] 圖2A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以定向顯示裝置的另一個實施例中的光傳播的 頂視圖示出；
[0034] 圖2B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以圖2A的定向顯示裝置的正視圖示出了光傳 播；
[0035] 圖2C是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以圖2A的定向顯示裝置的側視圖示出了光傳 播；
[0036] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以定向顯示裝置的側視圖示出；
[0037] 圖4A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了定向顯示裝置中且包括彎曲光 提取結構特征的觀察窗的生成；
[0038] 圖4B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了定向顯示裝置中且包括彎曲光 提取結構特征的第一觀察窗和第二觀察窗的生成；
[0039] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了包括線性光提取結構特征的定向顯示裝置 中的第一觀察窗的生成；
[0040] 圖6A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了在第一時隙中時間多路復用成像定向顯 示裝置中的第一觀察窗的生成的一個實施例；
[0041] 圖6B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了在第二時隙中時間多路復用定向顯示裝 置中的第二觀察窗的生成的另一個實施例；
[0042] 圖6C是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了在時間多路復用定向顯示裝置中的第一 觀察窗和第二觀察窗的生成的另一個實施例；
[0043] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了包括時間多路復用定向顯示裝置的觀察者 跟蹤自動立體顯示設備；
[0044] 圖8是示意圖，其示出了多觀察者定向顯示裝置；
[0045] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了防窺定向顯示裝置；
[0046] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以側視圖示出了時間多路復用定向顯示裝置的 結構；
[0047] 圖11A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了楔型定向背光源的正視圖；
[0048] 圖11B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了楔型定向背光源的側視圖；
[0049] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了包括顯示裝置和控制系統(tǒng)的定向顯示設 備；
[0050] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以頂視圖示出了觀察窗的形成；
[0051] 圖14A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了第一觀察窗布置方式；
[0052] 圖14B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了用于移動觀察者的第二觀察窗 布置方式；
[0053] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了窗平面中圖14A的窗的外觀；
[0054] 圖16是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于移動觀察者的窗平面中圖14B的窗的 外觀；
[0055] 圖17是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了用于移動觀察者的不同尺寸的 窗；
[0056] 圖18是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于在第一方向上移動的觀察者的觀察 窗的布置方式；
[0057] 圖19是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于在與第一方向相對的第二方向上移 動的觀察者的觀察窗的布置方式；
[0058] 圖20是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了用于正在加速的觀察者的觀察 窗的第一布置方式；
[0059] 圖21是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了在觀察區(qū)域的邊緣處增大窗尺 寸；
[0060]圖22是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示意性地示出了圖21的觀察窗的布置方式； [0061]圖23A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了自動立體顯示裝置的觀察區(qū)域 的第一布置方式；
[0062] 圖23B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了自動立體顯示裝置的觀察區(qū)域 的另選的布置方式；
[0063] 圖23C是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了針對過于接近自動立體顯示裝 置的觀察者切換到單個2D窗以跨整個顯示寬度進行自動立體觀察；
[0064] 圖23D是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了針對過于接近自動立體顯示裝 置的觀察者切換到2D背光源照明以跨整個顯示寬度進行自動立體觀察；
[0065]圖23E是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了指示觀察者過于接近自動立體顯示裝置 的方法；
[0066] 圖23F是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了指示觀察者相對于自動立體顯示裝置的 觀察過于偏軸的方法；
[0067] 圖24A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了在自動立體3D觀察區(qū)域之外具 有2D觀察區(qū)域的自動立體顯示裝置；
[0068]圖24B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了可位于不同2D窗中的兩個觀察者；[0069]圖24C是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了 3D和2D圖像的區(qū)域；
[0070]圖24D是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了 3D和2D圖像的區(qū)域；
[0071] 圖24E是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了 3D和2D圖像的區(qū)域的另外的布置方式；
[0072] 圖24F是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了 3D和2D圖像的區(qū)域的另外的布置方式；
[0073] 圖25A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了當跟蹤系統(tǒng)已獲得對觀察者的 鎖定時，由自動立體顯示器生成的自動立體觀察窗；
[0074] 圖25B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其以正視圖示出了當跟蹤系統(tǒng)已丟失對觀察者的 鎖定時，由自動立體顯示裝置生成的2D觀察窗；
[0075] 圖26是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示意性地示出了針對相對于窗取向具有傾斜的 眼位置的觀察者的觀察窗的布置方式；
[0076] 圖27A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了當超過用于自動立體3D觀察的限定觀察 區(qū)域時的窗布置方式；
[0077] 圖27B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了當超過用于自動立體3D觀察的限定觀察 區(qū)域時的另外的窗布置方式；
[0078] 圖28A是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀 察的窗布置方式；
[0079] 圖28B是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀 察的另選的窗布置方式；
[0080] 圖28C是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀 察的另選的窗布置方式；
[0081] 圖29是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于2D定向顯示系統(tǒng)的另選的窗布置方 式，該2D定向顯示系統(tǒng)被布置用于根據(jù)觀察位置修改觀察窗結構；以及
[0082] 圖30是根據(jù)本發(fā)明的示意圖，其示出了用于不同的觀察者距離的2D定向顯示系 統(tǒng)的另選的窗布置方式。

【具體實施方式】
[0083] 時間多路復用自動立體顯示器可有利地通過在第一時隙中將來自空間光調制器 所有像素的光引導至第一觀察窗并在第二時隙中將來自所有像素的光引導至第二觀察窗， 而改善自動立體顯示器的空間分辨率。因此眼睛被布置用于接收第一觀察窗和第二觀察窗 中的光的觀察者將經(jīng)多個時隙看到整個顯示器的全分辨率圖像。時間多路復用顯示器可有 利地通過使用定向光學元件將照明器陣列引導穿過基本上透明的時間多路復用空間光調 制器，而實現(xiàn)定向照明，其中定向光學元件在窗平面中基本上形成照明器陣列的圖像。
[0084] 觀察窗的均勻度可有利地與空間光調制器中像素的布置方式無關。有利地，此類 顯示器可提供具有低閃爍的觀察者跟蹤顯示器，且對于移動觀察者的串擾水平較低。
[0085] 為在窗平面中實現(xiàn)高均勻度，期望的是提供具有高空間均勻度的照明元件陣列。 可例如通過尺寸為大約100微米的空間光調制器的像素與透鏡陣列的組合，提供時序照明 系統(tǒng)的照明器元件。然而，此類像素會遭受對于空間多路復用顯示器而言類似的困難。此 夕卜，此類裝置可具有較低效率和較高成本，需要另外的顯示組件。
[0086] 可便利地用宏觀照明器例如LED陣列與通常具有1_或更大尺寸的均勻化和漫射 光學元件的組合，實現(xiàn)高窗平面均勻度。然而，照明器元件的尺寸增加意味著定向光學元件 的尺寸成比例增加。例如，成像到65mm寬的觀察窗的16mm寬的照明器可需要200mm后工 作距離。因此，光學元件的厚度增加可妨礙有效應用于例如移動顯示器或大面積顯示器。 [0087] 為解決上述缺點，如共同擁有的美國專利申請No. 13/300, 293所述的光學閥有利 地可與快速切換透射空間光調制器組合布置，以在薄型封裝中實現(xiàn)時間多路復用自動立體 照明，同時提供具有無閃爍觀察者跟蹤和低串擾水平的高分辨率圖像。描述了觀察位置或 窗的一維陣列，其可在第一（通常水平）方向上顯示不同圖像，但在第二（通常堅直）方向 上移動時包含相同圖像。
[0088] 常規(guī)非成像顯示器背光源通常采用光學波導并且具有來自光源諸如LED的邊緣 照明。然而，應當理解，此類常規(guī)非成像顯示器背光源與本發(fā)明所討論的成像定向背光源之 間在功能、設計、結構和操作方面存在許多根本差別。
[0089] 一般而言，例如，根據(jù)本發(fā)明，成像定向背光源被布置用于將來自多個光源的照明 沿至少一個軸線導向穿過顯示面板到達各自的多個觀察窗。每個觀察窗通過成像定向背光 源的成像系統(tǒng)沿光源的至少一個軸線基本上形成為圖像。成像系統(tǒng)可在多個光源與各自的 窗圖像之間形成。這樣，來自多個光源每者的光對于處于各自觀察窗之外的觀察者眼睛而 言基本上不可見。
[0090] 相比之下，常規(guī)非成像背光源或光引導板（LGP)用于2D顯示器的照明。參見例如， Kalil KiilanUir et al. , Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004) ( KiUilKiiHinliir 等人，雙面發(fā)光的 背光源單元，《信息顯示協(xié)會雜志》，第12卷，第4期，第379-387頁，2004年12月）。非成 像背光源通常被布置用于將來自多個光源的照明引導穿過顯示面板進入對于多個光源每 者而言基本上公共的觀察區(qū)，以實現(xiàn)寬視角和高顯示均勻度。因此，非成像背光源不形成觀 察窗。這樣，來自多個光源每者的光對于處于整個觀察區(qū)的基本上所有位置的觀察者眼睛 而言可以是可見的。此類常規(guī)非成像背光源可具有一定方向性，例如以便與朗伯照明相比 增加屏幕增益，這可通過增亮膜諸如得自3M的BEF?提供。然而，此類方向性對于各自光源 每者而言可基本上相同。因此，出于這些原因以及對于普通技術人員應當顯而易見的其他 原因，常規(guī)非成像背光源不同于成像定向背光源。邊緣照明式非成像背光源照明結構可用 于液晶顯示系統(tǒng)，諸如2D膝上型計算機、監(jiān)視器和電視中看到的那些。光從有損耗波導的 邊緣傳播，所述有損耗波導可包括稀疏結構特征；通常為引導件的表面中的局部壓痕，所述 局部壓痕引起光損耗而不論光的傳播方向如何。
[0091] 如本文所用，光學閥是這樣的光學結構，其可以是稱為例如光閥、光學閥定向背光 源和閥定向背光源（"v-DBL"）的光引導結構或裝置的類型。在本發(fā)明中，光學閥不同于空 間光調制器（其有時稱為"光閥"）。成像定向背光源的一個例子是可采用折疊光學系統(tǒng)的 光學閥。光可在基本上無損耗的情況下在一個方向上傳播穿過光學閥，可入射到成像反射 器上，并且可反向傳播，使得光可通過反射離開傾斜的光提取結構特征而被提取，并導向至 觀察窗，如美國專利申請No. 13/300,293中所述，所述專利申請全文以引用方式并入本文。 [0092] 如本文所用，成像定向背光源的例子包括階梯式波導成像定向背光源、折疊成像 定向背光源、楔型定向背光源或光學閥。
[0093] 另外，如本文所用，階梯式波導成像定向背光源可為光學閥。階梯式波導是用于成 像定向背光源的波導，其包括用于引導光的波導，其可包括第一光引導表面和與第一光引 導表面相對的第二光引導表面，還包括散布有被布置為階梯的多個提取結構特征的多個光 引導結構特征。
[0094] 此外，如所用的，折疊成像定向背光源可為楔型定向背光源或光學閥中的至少一 者。
[0095] 在操作中，光可在示例性光學閥內在第一方向上從輸入端傳播到反射端并且可在 基本上無損耗的情況下傳輸。光可在反射端反射并且在與第一方向基本上相對的第二方向 上傳播。當光在第二方向上傳播時，光可入射到光提取結構特征上，所述光提取結構特征可 操作以將光重新導向到光學閥之外。換句話說，光學閥一般允許光在第一方向上傳播并且 可允許光在第二方向上傳播時被提取。
[0096] 光學閥可實現(xiàn)大顯示面積的時序定向照明。另外，可采用比光學元件后工作距離 更薄的光學元件以將來自宏觀照明器的光導向到標稱窗平面。此類顯示器可使用光提取結 構特征陣列，其被布置用于提取沿基本上平行的波導反向傳播的光。
[0097] 用于與IXD -起使用的薄型成像定向背光源具體實施已由如下提出和說明：3M的 例如美國專利No. 7, 528, 893 ;微軟公司（Microsoft)的例如美國專利No. 7, 970, 246,其在 本文可稱為"楔型定向背光源";RealD的例如美國專利申請No. 13/300, 293,其在本文可稱 為"光學閥"或"光學閥定向背光源"，所有這些專利全文以引用方式并入本文。
[0098] 本發(fā)明提供了階梯式波導成像定向背光源，其中光可在例如階梯式波導的內面之 間來回反射，所述階梯式波導可包括第一側面和第一組結構特征。當光沿著階梯式波導的 長度傳播時，光可基本上不改變相對于第一側面和第一組表面的入射角，因此在這些內面 處可不達到介質的臨界角。光提取可有利地由第二組表面（階梯"立板"）實現(xiàn)，所述第二 組表面斜向于第一組表面（階梯"踏板"）。應當注意，第二組表面可不為階梯式波導的光 引導操作的部分，但可被布置用于由該結構提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可 允許光在具有連續(xù)內表面的楔形輪廓波導內引導。因此，光學閥不是楔型成像定向背光源。
[0099] 圖1A是示意圖，其示出了定向顯示裝置的一個實施例中的光傳播的正視圖，并且 圖1B是示意圖，其示出了圖1A的光學閥結構中的光傳播的側視圖。
[0100] 圖1A示出了在定向顯示裝置的定向背光源的xy平面中的正視圖，并且包括可用 于照明階梯式波導1的照明器陣列15。照明器陣列15包括照明器元件15a至照明器元件 15n (其中n是大于1的整數(shù)）。在一個例子中，圖1A的階梯式波導1可為階梯式的、顯示器 大小的波導1。照明器元件15a至照明器元件15n為可為發(fā)光二極管（LED)的光源。雖然 LED在本文作為照明器元件15a至照明器元件15n討論，但可使用其他光源，諸如但不限于 二極管光源、半導體光源、激光源、局域場致發(fā)射光源、有機發(fā)射體陣列等。另外，圖1B示出 了在xz平面中的側視圖，并且包括如圖所示布置的照明器陣列15、SLM(空間光調制器）48、 提取結構特征12、引導結構特征10和階梯式波導1。圖1B中提供的側視圖是圖1A中所示 的正視圖的替代視圖。因此，圖1A和圖1B的照明器陣列15彼此對應，并且圖1A和圖1B 的階梯式波導1可彼此對應。
[0101]此外，在圖1B中，階梯式波導1可具有較薄的輸入端2和較厚的反射端4。因此， 波導1在接收輸入光的輸入端2與將輸入光穿過波導1反射回的反射端4之間延伸。在跨 波導的橫向方向上的輸入端2的長度大于輸入端2的高度。將照明器兀件15a至照明器兀 件15n設置在跨輸入端2的橫向方向上的不同輸入位置。
[0102] 波導1具有相對的第一引導表面和第二引導表面，所述引導表面在輸入端2與反 射端4之間延伸，用于通過全內反射沿波導1來回引導光。第一引導表面是平坦的。第二引 導表面具有多個光提取結構特征12,所述光提取結構特征面向反射端4并傾斜以在多個方 向上反射穿過波導1從反射端引導回的光的至少一些，所述多個方向破壞第一引導表面處 的全內反射并且允許穿過第一引導表面（例如圖1B中朝上）輸出，所述輸出提供至SLM48。
[0103]在該例子中，光提取結構特征12是反射小平面，但可使用其他反射結構特征。光 提取結構特征12不會將光引導穿過波導，而光提取結構特征12之間的第二引導表面的中 間區(qū)域在不提取光的情況下引導光。第二引導表面的這些區(qū)域是平坦的并且可平行于第一 引導表面或以相對較低的傾角延伸。光提取結構特征12橫向延伸到那些區(qū)域，使得第二引 導表面具有階梯式形狀，所述階梯式形狀包括光提取結構特征12和中間區(qū)域。光提取結構 特征12被取向為在從反射端4反射后使來自光源的光反射穿過第一引導表面。
[0104]光提取結構特征12被布置用于將來自在跨輸入端的橫向方向上的不同輸入位置 的輸入光在相對于第一引導表面的不同方向上導向，所述不同方向取決于輸入位置。由于 照明元件15a至照明元件15n被布置在不同輸入位置處，來自各自照明元件15a至照明元 件15n的光在這些不同方向上反射。這樣，照明元件15a至照明元件15n每者在分布在橫 向方向中的輸出方向上將光導向進入各自的光學窗，所述輸出方向取決于輸入位置。對于 輸出光而言，輸入位置分布在其中的跨輸入端2的橫向方向對應于第一引導表面法線的橫 向方向。如輸入端2處限定且對于輸出光而言的橫向方向在該實施例中保持平行，其中反 射端4和第一引導表面處的偏轉大體與橫向方向正交。在控制系統(tǒng)的控制下，照明器兀件 15a至照明器元件15n可選擇性地操作以將光導向進入可選擇光學窗。
[0105]在本發(fā)明中，光學窗可對應于窗平面中的單光源的圖像，所述窗平面為其中跨整 個顯示裝置形成光學窗的標稱平面?；蛘?，光學窗可對應于一起驅動的一組光源的圖像。有 利地，此組光源可增加陣列121的光學窗的均勻度。
[0106] 通過比較的方式，觀察窗是其中提供光的窗平面中的區(qū)域，包括來自整個顯示區(qū) 域的基本上相同的圖像的圖像數(shù)據(jù)。因此，觀察窗可由單個光學窗或由多個光學窗形成。
[0107] SLM 48延伸跨波導，其為透射性的并調制從其中穿過的光。雖然SLM 48可為液晶 顯示器（IXD)，但這僅僅作為例子，并且可使用其他空間光調制器或顯示器，包括LCOS、DLP 等，因為該照明器可以反射方式工作。在該例子中，SLM 48跨波導的第一引導表面設置并 調制在從光提取結構特征12反射后穿過第一引導表面的光輸出。
[0108] 可提供一維觀察窗陣列的定向顯示裝置的操作在圖1A中以正視圖示出，且其側 面輪廓在圖1B中示出。在操作中，在圖1A和圖1B中，光可從照明器陣列15發(fā)出，所述照 明器陣列諸如為沿著階梯式波導1的薄端側面2的表面x = 0位于不同位置y的照明器元 件15a至照明器元件15n的陣列。光可在階梯式波導1內在第一方向上沿著+x傳播，與此 同時，光可在xy平面中成扇形射出并且在到達遠處彎曲端側面4時可基本上或完全填充彎 曲端側面4。在傳播時，光可在xz平面中展開成一組角度，該組角度最多至但不超過引導材 料的臨界角。連接階梯式波導1的底部側面的引導結構特征10的提取結構特征12可具有 大于臨界角的傾斜角，因此在第一方向上沿著+x傳播的基本上所有光都可能錯過提取結 構特征12,確保了基本上無損耗的前向傳播。
[0109] 繼續(xù)討論圖1A和圖1B，階梯式波導1的彎曲端側面4可制成反射性的，通常通過 用反射性材料例如銀涂布而實現(xiàn)，但可采用其他反射技術。光可因此在第二方向上重新導 向，順著引導件在-x方向上返回并且可在xy或顯示器平面中基本上準直。角展度可在主 要傳播方向相關的xz平面中基本上保持，這可允許光射在立板邊緣上并反射出引導件。在 具有大約45度傾斜的提取結構特征12的實施例中，可將光有效地導向至大約垂直于xy顯 示器平面，且xz角展度相對于傳播方向基本上保持。當光通過折射離開階梯式波導1時， 該角展度可增大，但根據(jù)提取結構特征12的反射特性，該角展度也可稍微減小。
[0110]在具有未帶涂層的提取結構特征12的一些實施例中，當全內反射（TIR)失效時反 射可減少，從而壓縮xz角輪廓并偏離法向。然而，在具有帶銀涂層或金屬化的提取結構特 征的其他實施例中，增大的角展度和中心法線方向可保持。繼續(xù)描述具有帶銀涂層的提取 結構特征的實施例，在XZ平面中，光可大約準直地離開階梯式波導1，并且可與照明器陣列 15中的各照明器元件15a至照明器元件15n離輸入邊緣中心的y位置成比例地導向偏離法 向。沿著輸入邊緣2具有獨立照明器元件15a至照明器元件15n進而能夠使光從整個第一 光導向側面6離開并以不同外角傳播，如圖1A中所示。
[0111] 在一個實施例中，顯示裝置可包括階梯式波導或光閥，其繼而可包括可被布置用 于通過全內反射引導光的第一引導表面。光閥可包括第二引導表面，該第二引導表面可具 有多個光提取結構特征，該多個光提取結構特征傾斜以在多個方向上反射引導穿過波導的 光，從而允許作為輸出光穿過第一引導表面離開。第二引導表面也可具有介于光提取結構 特征之間的區(qū)域，所述區(qū)域可被布置用于將光導向穿過波導而不提取光。
[0112] 在另一個實施例中，顯示裝置可包括具有至少第一引導表面和第二引導表面的波 導，該第一引導表面可被布置用于通過全內反射引導光，該第二引導表面可為基本上平坦 的并且以某個角度傾斜以在破壞全內反射的多個方向上反射光，以便穿過第一引導表面輸 出光，顯示裝置可包括跨波導的第一引導表面延伸的偏轉元件以便朝向SLM 48的法線偏 轉光。
[0113] 在又一個實施例中，顯示裝置可包括波導，該波導可具有面向輸入端的反射端，以 便將來自輸入光的光穿過波導反射回來。波導還可被布置用于在從反射端反射之后穿過第 一引導表面輸出光。
[0114] 用此類裝置照明SLM 48諸如快速液晶顯示器（IXD)面板可實現(xiàn)自動立體3D，如 圖2A中的頂視圖或從照明器陣列15末端觀察的yz-平面、圖2B中的正視圖和圖2C中的 側視圖所示。圖2A是以頂視圖示出光在定向顯示裝置中的傳播的示意圖，圖2B是以正視 圖示出光在定向顯示裝置中的傳播的示意圖，并且圖2C是以側視圖示出光在定向顯示裝 置中的傳播的示意圖。如圖2A、圖2B和圖2C所示，階梯式波導1可位于顯示順序右眼圖像 和左眼圖像的快速（例如，大于l〇〇Hz)IXD面板SLM 48的后方。在同步中，可選擇性打開 和關閉照明器陣列15的具體照明器元件15a至照明器元件15n (其中n是大于一的整數(shù)）， 從而借助系統(tǒng)的方向性提供基本上獨立地進入右眼和左眼的照明光。在最簡單的情況中， 一起打開照明器陣列15的各組照明器元件，從而提供在水平方向上具有有限寬度但在堅 直方向上延伸的一維觀察窗26或光瞳，其中水平間隔的兩只眼均可觀察到左眼圖像；并提 供另一個觀察窗44,其中兩只眼均可主要觀察到右眼圖像；并提供中心位置，其中兩只眼 均可觀察到不同圖像。這樣，當觀察者的頭部大約居中對準時可觀察到3D。遠離中心位置 朝側面移動可導致場景塌縮在2D圖像上。
[0115] 反射端4在跨波導的橫向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度 的實施例中，光軸可參照反射端4的形狀限定，例如為穿過反射端4的曲率中心的直線并且 與末端4圍繞x軸的反射對稱的軸線重合。在反射表面4平坦的情況下，光軸可相對于具 有光焦度的其他組件例如光提取結構特征12 (如果它們是彎曲的話）或下文所述的菲涅耳 透鏡62類似地限定。光軸238通常與波導1的機械軸重合。在通常在末端4處包括大致 圓柱形反射表面的本發(fā)明實施例中，光軸238為穿過末端4處的表面的曲率中心的直線并 且與側面4圍繞x軸的反射對稱的軸線重合。光軸238通常與波導1的機械軸重合。末端 4處的圓柱形反射表面可通常包括球形輪廓以優(yōu)化軸向和離軸觀察位置的性能。可使用其 他輪廓。
[0116] 圖3是以側視圖示出定向顯示裝置的示意圖。此外，圖3示出了可為透明材料的 階梯式波導1的操作的側視圖的另外細節(jié)。階梯式波導1可包括照明器輸入端2、反射端 4、可基本上平坦的第一光導向側面6、以及包括引導結構特征10和光提取結構特征12的 第二光導向側面8。在操作中，來自可例如為可尋址LED陣列的照明器陣列15(圖3中未 示出）的照明器元件15c的光線16,可通過第一光導向側面6的全內反射和引導結構特征 10的全內反射，在階梯式波導1中引導至可為鏡面的反射端4。雖然反射端4可為鏡面并 可反射光，但在一些實施例中光也可以穿過反射端4。
[0117] 繼續(xù)討論圖3,反射端4所反射的光線18可進一步通過反射端4處的全內反射在 階梯式波導1中引導，并且可被提取結構特征12反射。入射在提取結構特征12上的光線 18可基本上遠離階梯式波導1的引導模式偏轉并且可如光線20所示導向穿過側面6到達 可形成自動立體顯示器的觀察窗26的光瞳。觀察窗26的寬度可至少由照明器的尺寸、側 面4和提取結構特征12中的輸出設計距離和光焦度決定。觀察窗的高度可主要由提取結構 特征12的反射錐角和輸入端2處輸入的照明錐角決定。因此，每個觀察窗26代表相對于 與標稱觀察距離處的平面相交的SLM 48的表面法線方向而言的一系列單獨的輸出方向。
[0118] 圖4A是以正視圖示出定向顯示裝置的示意圖，所述定向顯示裝置可由第一照明 器元件照明并且包括彎曲的光提取結構特征。在圖4A中，定向背光源可包括階梯式波導1 和光源照明器陣列15。此外，圖4A以正視圖示出了來自照明器陣列15的照明器元件15c 的光線在階梯式波導1中的進一步引導。每條輸出光線從各自照明器14朝相同觀察窗26 導向。因此，光線30可與光線20相交于窗26中，或在窗中可具有不同高度，如光線32所 示。另外，在各種實施例中，波導的側面22、24可為透明表面、鏡面或涂黑表面。繼續(xù)討論 圖4A，光提取結構特征12可為延長的，并且光提取結構特征12在光導向側面8 (在圖3中 示出但未在圖4A中示出的光導向側面8)的第一區(qū)域34中的取向可不同于光提取結構特 征12在光導向側面8的第二區(qū)域36中的取向。
[0119] 圖4B是以正視圖示出定向顯示裝置的示意圖，所述定向顯示裝置可由第二照明 器元件照明。此外，圖4B示出了來自照明器陣列15的第二照明器元件15h的光線40, 42。 側面4和光提取結構特征12上的反射表面的曲率可與來自照明器元件15h的光線配合產(chǎn) 生與觀察窗26橫向間隔的第二觀察窗44。
[0120] 有利地，圖4B中所示的布置方式可在觀察窗26處提供照明器元件15c的實像，其 中反射端4中的光焦度和可由延長光提取結構特征12在區(qū)域34與36之間的不同取向所 引起的光焦度配合形成實像，如圖4A所示。圖4B的布置方式可實現(xiàn)照明器元件15c到觀 察窗26中橫向位置的成像的改善像差。改善像差可實現(xiàn)自動立體顯示器的擴展觀察自由 度，同時實現(xiàn)低串擾水平。
[0121] 圖5是以正視圖示出定向顯示裝置的實施例的示意圖，所述定向顯示裝置包括具 有基本上線性的光提取結構特征的波導1。此外，圖5示出了與圖1類似的組件布置方式 (且對應的元件是類似的），并且其中一個差別是光提取結構特征12為基本上線性的且彼 此平行。有利地，此類布置方式可在整個顯示表面上提供基本上均勻的照明，并且與圖4A 和圖4B的彎曲提取結構特征相比可更便于制造。
[0122] 圖6A是示意圖，其示出了在第一時隙中時間多路復用成像定向顯示裝置（即光學 閥設備）中的第一觀察窗的生成的一個實施例。圖6B是示意圖，其示出了在第二時隙中 時間多路復用成像定向背光源設備中的第二觀察窗的生成的另一個實施例。圖6C是示意 圖，其示出了在時間多路復用成像定向顯示裝置中的第一觀察窗和第二觀察窗的生成的另 一個實施例。此外，圖6A示意性地示出了由階梯式波導1生成觀察窗26。照明器陣列15 中的照明器元件組31可提供朝觀察窗26導向的光錐17。圖6B示意性地示出了照明窗44 的生成。照明器陣列15中的照明器元件組33可提供朝觀察窗44導向的光錐19。在與時 間多路復用顯示器配合的情況下，可按順序提供窗26和44,如圖6C所示。如果對應于光方 向輸出來調整SLM 48 (圖6A、圖6B、圖6C中未示出）上的圖像，則對于處于適當位置的觀 察者而言可實現(xiàn)自動立體圖像。用本文所述的所有定向背光源和定向顯示裝置可實現(xiàn)類似 的操作。應當注意，照明器元件組31、33各自包括來自照明元件15a至照明元件15n的一 個或多個照明元件，其中n為大于一的整數(shù)。
[0123] 圖7是示意圖，其示出了包括時間多路復用定向背光源的觀察者跟蹤自動立體定 向顯示裝置的一個實施例。如圖7所示，沿著軸線29選擇性地打開和關閉照明器元件15a 至照明器元件15n提供了觀察窗的定向控制。頭部45位置可用相機、運動傳感器、運動檢 測器或任何其他適當?shù)墓鈱W、機械或電氣裝置監(jiān)控，并且可打開和關閉照明器陣列15的適 當照明器元件以便為每只眼提供基本上獨立的圖像，而不必考慮頭部45位置。頭部跟蹤系 統(tǒng)（或第二頭部跟蹤系統(tǒng)）可提供不止一個頭部45、47 (頭部47未在圖7中示出）的監(jiān)控， 并且可為每個觀察者的左眼和右眼提供相同的左眼圖像和右眼圖像，從而為所有觀察者提 供3D。同樣地，用本文所述的所有定向背光源和定向顯示裝置可實現(xiàn)類似的操作。
[0124] 圖8是示意圖，其示出了多觀察者定向顯示裝置（作為例子，包括成像定向背光 源）的一個實施例。如圖8所示，至少兩幅2D圖像可朝一對觀察者45、47導向，使得每個 觀察者可觀看SLM 48上的不同圖像。圖8的這兩幅2D圖像可與相對于圖7所述的類似方 式生成，因為這兩幅圖像將按順序且與光源同步顯示，所述光源的光朝這兩個觀察者導向。 一幅圖像在第一階段中呈現(xiàn)于SLM 48上，并且第二圖像在不同于第一階段的第二階段中 呈現(xiàn)于SLM 48上。對應于第一階段和第二階段調整輸出照明以分別提供第一觀察窗26和 第二觀察窗44。兩只眼處于窗26中的觀察者將感知到第一圖像，而兩只眼處于窗44中的 觀察者將感知到第二圖像。
[0125] 圖9是示意圖，其示出了包括成像定向背光源的防窺定向顯示裝置。2D圖像顯示 系統(tǒng)也可利用定向背光源以用于安全和效率目的，其中光可主要導向于第一觀察者45的 眼睛，如圖9所示。此外，如圖9所示，雖然第一觀察者45可能夠觀察到裝置50上的圖像， 但光不朝第二觀察者47導向。因此，防止第二觀察者47觀察到裝置50上的圖像。本發(fā)明 的每個實施例可有利地提供自動立體、雙重圖像或防窺顯示器功能。
[0126] 圖10是示意圖，其以側視圖示出了時間多路復用定向顯示裝置（作為例子，包括 成像定向背光源）的結構。此外，圖10以側視圖示出了自動立體定向顯示裝置，其可包括階 梯式波導1和菲涅耳透鏡62,它們被布置用于為跨階梯式波導1輸出表面的基本上準直的 輸出提供觀察窗26。堅直漫射體68可被布置用于進一步延伸觀察窗26的高度。然后可通 過SLM 48對光成像。照明器陣列15可包括發(fā)光二極管（LED)，其可例如為磷光體轉換藍色 LED，或可為單獨的RGB LED。或者，照明器陣列15中的照明器元件可包括被布置用于提供 單獨照明區(qū)域的均勻光源和SLM 48。或者，照明器元件可包括一個或多個激光源。激光輸 出可通過掃描，例如使用振鏡掃描器或MEMS掃描器，而導向到漫射體上。在一個例子中，激 光可因此用于提供照明器陣列15中的適當照明器元件以提供具有適當輸出角度的基本上 均勻的光源，并且還提供散斑的減少。或者，照明器陣列15可為激光發(fā)射元件的陣列。另 外在一個例子中，漫射體可為波長轉換磷光體，使得可在不同于可見輸出光的波長處照明。
[0127] 圖11A是示意圖，其示出了另一個成像定向顯示裝置（如圖所示，楔型定向背光 源）的正視圖，并且圖11B是示意圖，其示出了相同楔型定向顯示裝置的側視圖。楔型定向 背光源由名稱為"Flat Panel Lens"（平板透鏡）的美國專利No. 7, 660, 047大體討論，所 述專利全文以引用方式并入本文。該結構可包括楔型波導1104,所述楔型波導具有可優(yōu)先 地用反射層1106涂布的底部表面并且具有也可優(yōu)先地用反射層1106涂布的末端波紋表面 1102。如圖11B所示，光可從局部光源1101進入楔型波導1104,并且在反射離開末端表面 之前光可在第一方向上傳播。光可在其返回路徑上時離開楔型波導1104,并且可照明顯示 面板1110。作為與光學閥的比較，楔型波導通過錐形提供提取，所述錐形減小了傳播光的入 射角，使得當光以臨界角入射到輸出表面上時，光可逃逸。楔型波導中以臨界角逃逸的光基 本上平行于表面?zhèn)鞑?，直到被重新導向?108諸如棱鏡陣列偏轉。楔型波導輸出表面上的 誤差或粉塵可改變臨界角，從而形成雜散光和均勻度誤差。此外，使用反射鏡折疊楔型定向 背光源中的光束路徑的成像定向背光源可采用帶小平面的反射鏡，所述反射鏡偏置楔型波 導中的光錐方向。此類帶小平面的反射鏡一般制造復雜，并且可導致照明均勻度誤差以及 雜散光。
[0128] 楔型定向背光源和光學閥進一步以不同方式處理光束。在楔型波導中，以適當角 度輸入的光將在主表面上的限定位置處輸出，但光線將以基本上相同的角度且基本上平行 于主表面離開。作為比較，以特定角度輸入光學閥的階梯式波導的光可以由輸入角所決定 的輸出角從整個第一側面上的位點輸出。有利地，光學閥的階梯式波導可不需要另外的光 重新導向膜以朝觀察者提取光，并且輸入的角不均勻度可能不會造成整個顯示表面上的不 均勻度。
[0129] 下文對一些定向顯示設備進行了描述，所述定向顯示設備包括定向顯示裝置和控 制系統(tǒng)，其中定向顯示裝置包括定向背光源，定向背光源包括波導和SLM。在以下描述中，波 導、定向背光源和定向顯示裝置基于上面圖1至圖11B的結構并且包含所述結構。除了現(xiàn) 在將描述的修改和/或其他特征之外，上面的描述同樣適用于以下波導、定向背光源和顯 示裝置，但為了簡明起見將不再重復。
[0130] 圖12是示意圖，其示出了包括顯示裝置100和控制系統(tǒng)的定向顯示設備?？刂葡?統(tǒng)的布置方式和操作現(xiàn)在將進行描述并且在加以必要的變更的情況下可適用于本文所公 開的每個顯示裝置。如圖12所示，定向顯示裝置100可包括本身可包括階梯式波導1和光 源照明器陣列15的定向背光源裝置。如圖12所示，階梯式波導1包括光導向側面8、反射 端4、引導結構特征10和光提取結構特征12。定向顯示裝置100還可包括SLM 48。
[0131] 波導1按照上文所述那樣布置。反射端4會聚反射光。菲涅耳透鏡62可被布置 用于與反射端4配合以在觀察者99所觀察的觀察平面106處實現(xiàn)觀察窗26。透射式SLM 48可被布置用于接收來自定向背光源的光。另外，可提供漫射體68以基本上移除波導1與 SLM 48的像素以及菲涅爾透鏡結構62之間的莫爾條紋跳動（Moir6beating)。
[0132] 控制系統(tǒng)可包括傳感器系統(tǒng)，其被布置用于檢測觀察者99相對于顯示裝置100的 位置。傳感器系統(tǒng)包括位置傳感器70諸如相機，和頭部位置測量系統(tǒng)72,所述頭部位置測 量系統(tǒng)可例如包括計算機視覺圖像處理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)還可包括照明控制器74和圖像控 制器76,這兩者均提供有由頭部位置測量系統(tǒng)72提供的被檢測到的觀察者的位置。
[0133] 照明控制器74選擇性地操作照明器元件15以配合波導1將光導向進入觀察窗 26。照明控制器74根據(jù)頭部位置測量系統(tǒng)72所檢測到的觀察者的位置，來選擇要操作的 照明器元件15,使得光導向進入其中的觀察窗26處于對應于觀察者99的左眼和右眼的位 置。這樣，波導1的橫向輸出方向性對應于觀察者位置。
[0134] 圖像控制器76控制SLM 48以顯示圖像。為提供自動立體顯示器，圖像控制器76 和照明控制器74可按照如下方式操作。圖像控制器76控制SLM 48以顯示時間上多路復 用的左眼圖像和右眼圖像。照明控制器74操作光源15以將光導向進入各自觀察窗中對應 于觀察者左眼和右眼的位置，并且同時顯示左眼圖像和右眼圖像。這樣，使用時分多路復用 技術實現(xiàn)了自動立體效果。
[0135] 圖13是示意圖，其以正視圖示出了觀察窗的形成。另外，圖13以頂視圖示出了圖 12的實施例。顯示器100可在窗平面106 (其為標稱平面）中產(chǎn)生光錐102的扇形和觀察 窗104的陣列。具有鼻部位置112的觀察者99可以看到來自顯示器100的照明。當左眼 110大約與窗116對齊，并且右眼108大約與窗114對齊，并且存在于窗114和116中的圖 像數(shù)據(jù)為立體像對時，則自動立體3D圖像可被觀察者所感知?；蛘?，窗114和116可以顯 示基本上相同的數(shù)據(jù)，因此顯示裝置100可以用作2D圖像顯示裝置。窗114和116可以同 步于左眼和右眼圖像數(shù)據(jù)的面板上的顯示而在單獨的時隙中被照明。
[0136] 現(xiàn)在將描述觀察窗的各種布置方式?？赏ㄟ^如上所述的控制系統(tǒng)的適當?shù)牟僮鱽?提供這些布置方式中的每一者，例如通過選擇性地操作照明器元件15以同步于SLM 48上 的圖像的顯示而將光導向進入觀察窗26。定向顯示設備可為可操作的，以在相同或不同的 時間處例如以定向顯示設備的不同操作模式來提供這些觀察窗布置方式中的任一種，或這 些觀察窗布置方式的任何組合。
[0137] 在示出觀察窗的布置方式的各個附圖中，光學窗的結構示出了光學窗的標稱位 置，而不是可采用各種形式以及可重疊的實際光分布。
[0138] 圖14A和圖14B不出了控制系統(tǒng)基于響應于觀察者移動的傳感器系統(tǒng)的輸出而執(zhí) 行的控制。圖14A是示意圖，其以正視圖示出了第一觀察窗布置方式。另外，圖14A以正視 圖示出了圖12的實施例。觀察者99被示出為稍微在垂直于顯示器100的近似中心的平面 118的右側。因此，左眼觀察窗114和右眼觀察窗116可被生成在顯示器的稍微右側。在 圖14B中，觀察者99被示出為在方向120上重新定位在右側，因此窗114、116可以作為響 應轉向右側。圖14B是示意圖，其以正視圖示出了用于移動觀察者的第二觀察窗布置方式。 有利的是，在觀察者移動期間，觀察者的左眼和右眼可用左眼和右眼圖像數(shù)據(jù)照明。
[0139] 可通過與觀察者99在窗平面106中的移動相對應的照明器陣列15的機械移動來 提供窗移動。然而，此類移動是復雜且昂貴的。因此，期望在控制系統(tǒng)的控制下，通過切換 分立的照明器元件來實現(xiàn)照明器陣列15的照明器元件的移動的成本和復雜性的降低。
[0140] 圖15是示意圖，其示出了窗平面106中圖14A的窗的外觀。另外，圖15示意性 地示出了光學窗的陣列121 (其也可被稱為子窗），其可被布置用于實現(xiàn)觀察窗的可切換陣 列。陣列121的每個光學窗可對應于窗平面106中的圖像，諸如在圖12和圖13中示出的 照明器陣列15的照明器元件，如上所述。
[0141] 窗平面106中的光學窗陣列121的照明結構可大約對應于如圖14A所示的觀察 者99的橫向位置。在本實施例中，用于左眼的觀察窗116可包括光學窗122和光學窗陣列 134。右眼觀察窗114可包括光學窗124和光學窗陣列136。光學窗126和128可不被照 明，使得相應的照明器元件可不被照明。
[0142] 圖16是示意圖，其示出了用于移動觀察者的窗平面中圖14B的窗的外觀。另外，圖 16示出了光學窗陣列121的細節(jié)，所述細節(jié)大約對應于在沿方向120移動之后如圖14B中 所示的觀察者99的位置。左眼觀察窗116可被布置為包括光學窗126和光學窗陣列134。 因此，光學窗122可被關閉。對于右眼觀察窗而言相似的是，光學窗128可被打開并且光學 窗124可被關閉，使得右眼觀察窗114被布置為包括光學窗128和光學窗陣列136。
[0143] 有利的是，此類實施例可關閉遠離觀察者眼睛的光學窗，使得當觀察者99移動 時，可實現(xiàn)具有大大增強的觀察自由度的顯示裝置100的外觀。光學窗，諸如可大致對應于 眼睛之間的位置的光學窗124,例如可被關閉以改善顯示圖像的串擾。低串擾可有利地提高 3D立體圖像的感知質量。
[0144] 另外，觀察者的二維或三維位置和運動特性（諸如速度、加速度、方向和頭部取 向）可由傳感器70和控制單元72確定。這繼而可用于在將來的照明時隙中生成可能的觀 察者眼位置。因此，可以確定光學窗的陣列121的適當照明結構，以在給定照明時隙中優(yōu)化 來自顯示器100的光的輸出方向性，并且可通過設置該時隙的照明器陣列15的各自照明器 元件的照明結構來確定。另外，SLM 48上的圖像數(shù)據(jù)可被調整為有利地實現(xiàn)如本文所述的 環(huán)視功能、二維圖像或其他圖像特性。
[0145] 圖17是示意圖，其以正視圖示出了用于移動觀察者的不同尺寸的窗。圖17示出 了由控制系統(tǒng)基于傳感器系統(tǒng)的輸出來執(zhí)行控制的例子，在該例子中，響應于觀察者99在 橫向方向上離開顯示裝置1〇〇的光軸118的速度或加速度來更改觀察窗114和116中的光 學窗的數(shù)量，所述光軸也是顯示裝置100的法線。具體地講，光學窗的數(shù)量響應于觀察者99 在橫向方向上超過預先確定的量的速度或加速度而增加。在示例性例子中，該預先確定的 量可為0. OSmjr1的速度或0. 05mjT2的加速度。例如，在低于0. OSmjr1的速度下，觀察窗116 可包括間距為1〇_的四個光學窗。在預先確定的速度和/或加速度下，在用于左眼的觀察 窗116中可照明五個光學窗。對于右眼觀察窗114而言，在預先確定的速度下增加的光學 窗的數(shù)量可為相同的。另外，在第二預先確定的速度〇. lms_1下，可沿傳播方向120在觀察 窗114中照明其他光學窗，而拖尾觀察窗116可具有與速度大于5ms 4的情況相同數(shù)量的 光學窗，使得觀察窗116包括五個光學窗并且觀察窗114包括七個光學窗。另外，圖17以 正視圖示出了觀察者99在橫向于顯示裝置100的光軸118的方向120上快速移動的例子。 在速度或加速度超過預先確定的量的情況下，窗114和116 "打開"以包括增加數(shù)量的光學 窗，使得觀察者99保持基本上位于可被制作得更大的觀察窗114和116內。觀察窗116可 上升到鼻部位置或剛好超過鼻部位置，而基本上不增加串擾。另外，可沿運動方向增加觀察 窗尺寸。注意，觀察窗114和116可以至少部分地在空間上重疊，因為它們在不同的時間處 照明。這對于移動觀察者99而言可能尤為如此。
[0146] 圖18是示意圖，其示出了用于在第一方向移動的觀察者的觀察窗的布置方式，并 且圖19是示意圖，其示出了用于在與第一方向相對的第二方向上移動的觀察者的觀察窗 的布置方式。另外，圖18示意性地示出了對應于圖17的光學窗陣列121的結構，并且圖19 示出了當觀察者的移動方向120反向時，在觀察者99的相同空間位置處的窗結構。
[0147]有利的是，可形成各個觀察窗114U16的光學窗的數(shù)量和布置方式可以進行更 改，具體取決于觀察者99的位置、速度和加速度中的任一者或全部。這樣，觀察者99的眼睛 可以保持基本上位于觀察窗內，使得可以減小閃爍效應。相似地，可在觀察者變慢或變得靜 止時減小觀察窗的尺寸，例如如圖15所示。減小觀察窗寬度可以改善顯示器的串擾性能并 且還可有利地減小功率消耗?？商峁┯糜谠O置每個用戶在串擾和閃爍之間的權衡的參數(shù)。 有利的是，這可調節(jié)顯示參數(shù)以適合用戶偏好。任選地，該調節(jié)可以是自動的并且可隨正在 顯示圖像的類型而改變。另外，如果例如視覺系統(tǒng)被用作跟蹤傳感器，則顯示器可識別和確 定各個用戶，使得可以調節(jié)顯示器性能以適合將來時間處的特定用戶。高對比度的緩慢移 動圖像可提供低串擾，并且低對比度的快速移動圖像可以提供較高的串擾容差。
[0148] 圖20示出了由控制系統(tǒng)基于傳感器系統(tǒng)的輸出來執(zhí)行控制的另一個例子，在該 例子中，響應于觀察者99在橫向方向上離開顯示裝置100的光軸118的速度或加速度來更 改觀察窗114和116中的光學窗的數(shù)量，所述光軸也是顯示裝置100的法線。具體地講，光 學窗的數(shù)量響應于觀察者99在橫向方向上超過預定的量的速度或加速度而增加。圖20為 示意圖，其以正視圖示出了用于正在加速觀察者的觀察窗的第一布置方式。另外，圖20以 正視圖示意性地示出了用于從操作的靜止相變?yōu)橐苿酉嗟挠^察者的觀察窗的一個過渡。當 觀察者不移動或緩慢移動時，可以使用"低速"尺寸觀察窗114、116,并且當觀察者高速移動 或加速移動時，可選擇包括增加數(shù)量的光學窗的一組較大的觀察窗144和140。
[0149] 圖21示出了由控制系統(tǒng)基于傳感器系統(tǒng)的輸出來執(zhí)行控制的例子，在該例子中， 響應于在橫向方向上相對于顯示裝置100的光軸118的觀察者99的檢測位置來更改觀察 窗114和116中的光學窗的數(shù)量，所述光軸也是顯示裝置100的法線。具體地講，光學窗的 數(shù)量響應于處于某一位置的觀察者99而增加，觀察者處于在橫向方向上以預先確定的量 遠離顯示裝置100的法線移位的位置中。在示例性例子中，觀察窗可各自包括五個光學窗， 窗平面106中的每個標稱間距均為10mm。當觀察者的最偏軸的眼睛被布置為與裝置100的 法線118成20° (其可為預先確定的量）的角度119時，則觀察窗146可包括六個光學窗， 并且觀察窗144可包括八個光學窗。圖21是示意圖，其以正視圖示出了觀察區(qū)域的邊緣處 增大觀察窗尺寸。另外，圖21以正視圖示意性地示出了常規(guī)觀察窗114和116可根據(jù)觀察 者99在相對于顯示裝置100的法線的方向上的位置而在尺寸（S卩，形成觀察窗的光學窗的 數(shù)量）上有所變化，具體地講，當觀察者99處于以預定的量在橫向方向上移位的位置時，增 加形成觀察窗144和146的光學窗的數(shù)量，所述觀察窗在橫向于顯示裝置100的法線移位 的位置處。當觀察者99偏軸移動時，陣列121的光學窗中的像差可增加，從而導致扭曲的 光學窗圖像。圖22在窗平面中示出了這一現(xiàn)象。另外，圖22是示意圖，其示意性地示出了 圖21的觀察窗的布置方式。圖21中的光學窗陣列結構示出了光學窗的標稱位置，而不是 實際光分布?；蛘?，當窗在較大的橫向位置的上方呈現(xiàn)時，光學窗模糊可偏軸增加，使得可 被照明的光學窗的數(shù)量可以減小以補償光學窗結構模糊。
[0150] 圖21和圖22首先示出了觀察者99在相對于顯示裝置100的第一位置中的情況， 該第一位置設置在顯示裝置100的法線上。顯示裝置100可提供第一對左眼和右眼觀察窗 114、116,如圖所示。圖21和圖22接著示出了觀察者99在相對于顯示裝置100的第二位置 中的情況，該第二位置從顯示裝置100的法線橫向移位，在該例子中，稍微在顯示裝置100 的近似中心的法線的右側。換句話說，觀察者99相對于顯示裝置100的第二位置偏移至顯 示裝置100的右側。在這種情況下，顯示裝置100可于之后提供第二對左眼和右眼觀察窗 146、144,其也被定向到顯示裝置100的右側。與第一對左眼和右眼觀察窗114、116相比， 第二對左眼和右眼觀察窗146、144由增加數(shù)量的光學窗形成。這示出了觀察窗可根據(jù)觀察 者99相對于顯示裝置100的橫向位置而在尺寸上有所變化。在圖21中，觀察窗144可以 與上述圖18中的情況類似的方式而大于觀察窗146。另外，當觀察者99將位置更改至相對 于顯示裝置100的左側時，左眼觀察窗可變得大于右眼觀察窗。
[0151] 有利的是，在觀察區(qū)域邊緣處或其附近增加光學窗陣列144的尺寸可在一定程度 上補償光學窗圖像的像差，并從而減少不期望的圖像閃爍的出現(xiàn)，特別是在光學系統(tǒng)的輸 出處由于視場像差的出現(xiàn)而引起的圖像閃爍。
[0152] 圖23A和圖23B示出了由控制系統(tǒng)基于傳感器系統(tǒng)的輸出來執(zhí)行控制的例子，在 該例子中，響應于沿顯示裝置100的法線的觀察者99的檢測位置來更改觀察窗114和116 中的光學窗的數(shù)量。具體地講，光學窗的數(shù)量響應于觀察者99的檢測位置而增加，觀察者 處于沿顯示裝置100的法線以預定的量遠離標稱窗平面朝顯示裝置100移位的位置中。圖 23A是示意圖，其以正視圖示出了自動立體顯示裝置的觀察區(qū)域的第一布置方式。另外，圖 23A以正視圖示出了對應于窗平面106中的觀察窗116U14的菱形觀察區(qū)域152、150。注 意，當觀察者99在方向154上移動（沿顯示裝置100的法線從窗平面106移位并朝向顯示 裝置100)時，觀察區(qū)域的橫向寬度可減小直到大約位于位置156處，在該位置處可能幾乎 沒有觀察自由度。這可在選擇觀察窗中的光學窗的數(shù)量時通過受控制系統(tǒng)影響的控制來實 現(xiàn)。
[0153] 圖23B是示意圖，其以正視圖示出了自動立體顯示裝置的觀察區(qū)域的另選的布置 方式。另外，圖23B示出了通過增加窗平面中的觀察窗的尺寸（S卩，形成觀察窗的光學窗的 數(shù)量），在方向154上的觀察自由度可例如響應于檢測觀察者99以預先確定的量朝向顯示 裝置100移動到近似位置157而增加。有利的是，與可以方便地在空間多路復用顯示器中 實現(xiàn)的觀察窗寬度相比，本發(fā)明的實施例可以實現(xiàn)更寬的觀察窗寬度，而無需增加在兩眼 間區(qū)域中的觀察窗之間的重疊。
[0154] 換句話講，圖23A示出了觀察者99在相對于顯示裝置100的第一位置處的情況下 的觀察窗的形成，該第一位置設置在窗平面106上。在這種情況下，顯示裝置100可提供第 一對左眼和右眼觀察窗114、116,如圖所示。圖23B示出了觀察者99在相對于顯示裝置100 的第二位置處的情況下的觀察窗的形成，該第二位置沿顯示裝置100的法線從窗平面106 移位，在該例子中朝向顯示裝置100到位置157。在這種情況下，顯示裝置100可于之后提 供第二對左眼和右眼觀察窗114、116,與圖23A中所示的第一對左眼和右眼觀察窗114、116 相比，該第二對左眼和右眼觀察窗由增加數(shù)量的光學窗形成。這示出了觀察窗可根據(jù)觀察 者99沿顯示裝置100的法線相對于顯示裝置100的縱向位置而在尺寸上有所變化。
[0155] 在示例性例子中，寬度為300mm的顯示器可使用介于顯示裝置100和窗平面106 之間的500mm標稱觀察距離布置。在窗平面中，每個觀察窗114、116可包括八個光學窗。當 觀察者在100mm的距離155 (其可為預先確定的量）處到達觀察平面156時，則每個觀察窗 114、116中的光學窗的數(shù)量可增加至九。
[0156] 有利的是，觀察窗114、116的尺寸可以變化，以增加在朝向顯示裝置100的方向 154上的縱向觀察自由度，而不是僅在圖20所示的橫向上增加?？稍谟^察者99沿遠離顯 示裝置100的法線從窗平面106遠離顯示裝置100移位時，通過以相同的方式控制觀察窗 114U16的尺寸來實現(xiàn)類似的優(yōu)點，但這并非是必需的，并且可僅在觀察者99朝向顯示裝 置100移位時來執(zhí)行所述控制。
[0157] 這可在選擇觀察窗中的光學窗的數(shù)量時通過受控制系統(tǒng)影響的控制來實現(xiàn)。在觀 察者99的檢測位置沿顯示裝置100的法線縱向移位的情況下，該控制可為另選的，或者除 在觀察者99的檢測位置從顯示裝置100的法線橫向移位的情況下進行控制以外，可例如如 結合圖20所述進行控制，使得左圖像和右圖像被導向進入觀察窗，該觀察窗可包括多個光 學窗，該多個光學窗在觀察者99的檢測位置縱向和橫向移位的兩種情況下均增加。
[0158] 可以類似于前述的方式在縱向跟蹤期間調節(jié)觀察窗的尺寸以增加觀察自由度。有 利的是，可通過如圖23A所示的較小的窗在窗平面106附近實現(xiàn)減小的串擾，而對于遠離窗 平面的觀察距離而言，可以照明更遠的光學窗以增加縱向觀察自由度。可通過控制照明器 陣列15的分立照明器元件來實現(xiàn)觀察者位置之間的光學窗的切換。
[0159] 在這些光學閥實施例中并且通過與空間多路復用顯示器比較的方式，重要的是可 以調節(jié)構成窗的光學窗的數(shù)量，而不減小顯示裝置100的空間分辨率。
[0160] 圖23C是示意圖，其以正視圖示出了針對過于接近自動立體顯示裝置的觀察者切 換到單個2D窗以跨整個顯示寬度進行自動立體觀察。另外，圖23C以正視圖示出了這樣的 實施例，在該實施例中，觀察者99已在方向158上沿顯示裝置100的法線越過位置156移 動到位置160。在該點處，對于觀察者99而言，可能無法在顯示裝置100的整個顯示區(qū)上看 到自動立體圖像。然而，如果開啟光學窗陣列121的多個或全部光學窗并且在顯示裝置100 的空間光調制器48上呈現(xiàn)單個圖像，則可以舒適地觀察2D圖像。此類實施例可以有利地 在自動立體觀察和2D觀察之間提供超過自動立體觀察限制的基本上無縫的過渡。
[0161] 有利的是，如果例如左眼圖像和右眼圖像之間的圖像視差可使立體像對的定影變 得困難，則前述機構可用于在到達位置156之前切換到2D觀察。另外，對于方向158上的 位置而言可行的是，切換的發(fā)生可隨圖像顯示的類型而改變。具體地講，其可為圖像視差因 變量和/或觀察者因變量。有利的是，這可實現(xiàn)這樣的顯示器，該顯示器可針對一系列具有 不同視覺調節(jié)范圍的觀察者產(chǎn)生舒適的和合適的圖像。
[0162] 移動至比位置160更接近顯示裝置100可導致顯示器的邊緣開始變暗。圖23D示 出了這樣的實施例，在該實施例中，提供另外的2D背光源布置方式168并且其可針對比位 置160更接近的觀察者而被激活。圖23D是示意圖，其以正視圖示出了針對過于接近自動 立體顯示裝置的觀察者切換到2D背光源照明以跨整個顯示寬度進行自動立體觀察。當例 如觀察者99在方向164上移動至比位置160更接近顯示裝置100時，背光源168可在方向 170上產(chǎn)生光，所述光可在可能無法被圖12的照明器陣列15照明的顯示裝置100的邊緣中 實現(xiàn)填充。
[0163] 有利的是，當觀察者99大約在顯示裝置100和位置160之間時，包括顯示裝置100 的顯示設備可以處理用戶位置以打開另外的2D背光源，使得可以保持照明顯示器的邊緣 并且進一步增加舒適的觀察自由度。
[0164] 圖23E是示意圖，其示出了指示觀察者過于接近自動立體顯示裝置的方法。另外， 圖23E示出了可響應于觀察者過于接近屏幕所采取的示例性動作（諸如顯示屏幕上信息）。 或者，例如顯示裝置可變黑或變白，或淡入淡出為黑色或白色，或低對比度的圖像，或它們 的任何組合。在另外的實施例中，顯示裝置可生成聲音指示，諸如蜂鳴音。
[0165] 圖23F是示意圖，其示出了指示觀察者相對于自動立體顯示裝置過于偏軸的方 法。另外，圖23F示出了當觀察者被檢測為例如向右移動過遠時顯示設備可采取動作的方 式的另一個例子。與圖23E描述的選項一樣，顯示裝置可被形成為在觀察者接近限定位置 (諸如觀察自由度的限值）時振動，例如，使用偏心加重電機。有利的是，振動模式很好地與 手持式顯示裝置或通過手持式控制臺或裝置操作的顯示裝置配合。此外，觀察者位置檢測 裝置可實現(xiàn)增加的顯示裝置觀察自由度和觀察范圍，此外，其也可用于通知觀察者已經(jīng)超 過了范圍。
[0166] 圖24A是示意圖，其以正視圖示出了在提供3D圖像顯示的自動立體3D觀察區(qū)域 之外具有提供2D圖像顯示的2D觀察區(qū)域的自動立體顯示裝置。另外，圖24A示出了這樣 的實施例，在該實施例中，觀察者99在方向120上移動超過顯示裝置100的可接受的3D自 動立體圖像性能的范圍172。響應于觀察者99的位置的檢測，在區(qū)域174、176中，可調節(jié)光 學窗陣列121以實現(xiàn)針對該觀察者的2D圖像顯示。例如，圖12的照明器陣列15可在照明 器元件陣列的任一側包括不分段的照明區(qū)域。
[0167] 如上所述，自動立體顯示裝置可包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)被布置用于控制SLM 48,以及操作光源以將光導向進入觀察窗。觀察窗可包括在對應于觀察者的左眼和右眼的 位置中的至少一個光學窗，這取決于被檢測到的觀察者的位置?？刂葡到y(tǒng)可被布置用于響 應于所檢測到的在預先確定的區(qū)域中的觀察者的位置來提供3D圖像顯示。
[0168] 例如，如圖24A所示，可響應于在相對于顯示裝置100大致居中定位的區(qū)域172中 的觀察者99來提供3D圖像顯示。在圖24A中，當觀察者99在區(qū)域172中時，顯示裝置可 向觀察者99提供3D圖像顯示。該3D圖像顯示可通過以下方式提供：控制SLM 48以使用 時間多路復用的左圖像和右圖像來調制光，并且基本上同步操作光源以將左圖像和右圖像 導向進入觀察窗，該觀察窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中。
[0169] 另外，控制系統(tǒng)可被布置用于響應于在預先確定的區(qū)域172之外的位置中（例如 在區(qū)域174和176中）的被檢測到的觀察者的位置來提供2D圖像顯示。2D圖像顯示可通 過以下方式提供：控制SLM 48以使用2D圖像調制光，以及操作光源以將該2D圖像導向進 入觀察窗，該觀察窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中。例如并且如圖24A所示，可響 應于在方向120上向右移動的觀察者99來提供2D圖像顯示。一旦觀察者99位于預先確 定的區(qū)域172之外的位置，則觀察者可在區(qū)域174、176中的任一者中觀察2D圖像。
[0170] 在該實施例的例子中，預先確定的區(qū)域172可為相對于顯示裝置100的法線橫向 位置的主要中心范圍。作為在圖23C中示出的例子中示出的替代形式并且如上所述，預先 確定的區(qū)域可為相對于顯示裝置100的法線的縱向位置的范圍?；蛘?，可響應于橫向和縱 向移動來提供所述控制，使得預先確定的區(qū)域可為相對于顯示裝置100的法線的橫向和縱 向位置的中心區(qū)域。
[0171] 有利的是，當超過3D范圍時，這可實現(xiàn)替代形式以將圖像切換為黑色，并且可實 現(xiàn)寬觀察自由度顯示，該寬觀察自由度顯示確保在觀察3D時圖像具有高質量。
[0172] 圖24B是示意圖，其示出了可位于不同2D窗中的兩個觀察者。另外，圖24B示出 了另一個實施例，在該實施例中，兩個觀察者99和98可位于不同的2D窗176、174內。不 同于圖24A，可能不能在可為黑色的區(qū)域172中提供中心3D圖像。
[0173] 有利的是，該實施例可實現(xiàn)對于兩個不同的觀察者而言將在整個屏幕上方同時觀 察到兩個不同的2D圖像通道，或對于同一觀察者而言在不同的空間位置中的不同觀察。
[0174] 圖24C以頂視圖示意性地示出了這樣的實施例，在該實施例中，定向自動立體顯 示設備5100包括定向顯示裝置和控制系統(tǒng)。相機5102可檢測區(qū)域5116上的邊界5108內 的觀察者（未示出）的位置，例如所述區(qū)域5116可由相機5102的收集錐角5106限定。顯 示系統(tǒng)5100可實現(xiàn)具有邊界5115的自動立體觀察區(qū)域5114,其表示可接受的3D觀察區(qū)域 5114。可接受的3D觀察區(qū)域可例如為這樣的區(qū)域，在該區(qū)域中，串擾低于特定值，或在該區(qū) 域中，對于被跟蹤的觀察者的雙眼而言，顯示均勻度高于特定值。
[0175] 如圖24C所示，邊界5115可為菱形或風箏形。在邊界5115之外，提供具有邊界 5111的區(qū)域5112,其中可在整個顯示寬度（其中顯示器為多個窗26提供圖像）上看到可 接受的2D圖像?？山邮艿?D觀察區(qū)域5112可例如為這樣的區(qū)域，在該區(qū)域中，對于觀察 者的雙眼而言，顯示均勻度高于特定值。如圖所示，窗平面5104可為近似平面，其中2D觀 察區(qū)域5112和3D觀察區(qū)域5114兩者可為最寬。
[0176] 在一個實施例中，自動立體顯示裝置可包括透射式SLM 48。透射式SLM 48可包括 像素陣列，該像素陣列被布置用于調制從其中通過的光。自動立體顯示裝置可包括波導，該 波導可具有輸入端和用于沿波導引導光的相對的第一引導表面和第二引導表面，所述相對 的第一引導表面和第二引導表面從輸入端跨SLM 48延伸。自動立體顯示裝置可包括照明 器元件陣列，該照明器元件陣列位于跨波導的輸入端的不同輸入位置處。波導可被布置用 于對來自跨輸入端的不同輸入位置的光源的輸入光作為輸出光導向穿過第一引導表面，以 供通過SLM 48在輸出方向上進入光學窗。輸出方向可以相對于第一引導表面的法線并且 可主要基于輸入位置。自動立體顯示器還可包括傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)被布置用于檢 測觀察者相對于顯示裝置和控制系統(tǒng)的位置?？刂葡到y(tǒng)可被布置用于控制SLM 48,以及操 作光源以將光導向進入觀察窗。觀察窗可包括在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中的至 少一個光學窗，這取決于被檢測到的觀察者的位置?？刂葡到y(tǒng)也可被布置用于響應于在預 先確定的區(qū)域中的被檢測到的觀察者的位置來提供3D圖像顯示。該3D圖像顯示可通過以 下方式提供：控制SLM 48以使用時間多路復用的左圖像和右圖像來調制光，并且同步操作 光源以將左圖像和右圖像導向進入觀察窗，該觀察窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置 中?？刂葡到y(tǒng)還可被布置用于響應于在預先確定的區(qū)域之外的位置中的被檢測到的觀察者 的位置來提供2D圖像顯示。2D圖像顯示可通過以下方式提供：控制SLM 48以使用2D圖 像調制光，以及操作光源以將該2D圖像導向進入觀察窗，該觀察窗在對應于觀察者的左眼 和右眼的位置中。在一個例子中，預先確定的區(qū)域可為相對于顯示裝置100的法線的縱向 位置的近似范圍。在另一個例子中，預先確定的區(qū)域可為相對于顯示裝置100的法線的橫 向和縱向位置的中心區(qū)域。
[0177] 用于3D觀察的預先確定的區(qū)域可為這樣的區(qū)域，在該區(qū)域上，觀察者的雙眼可以 看到具有可接受的圖像質量水平的自動立體圖像的各自的圖像。圖像質量可包括但不限于 針對移動觀察者的串擾、圖像均勻度和圖像閃爍的評估。此類可接受的限制可例如通過結 合人類心理需求的知識測量顯示特性來確定。在示例性實施例中，顯示器可在窗平面5104 中具有+/-25度的區(qū)域5114的寬度，其中窗平面5104中區(qū)域5112的寬度為+/-50度。相 機5102的收集錐角5106可由此被設定為+/-50度或更大。在另外的示例性實施例中，具 有500mm窗平面距離的15"對角線顯不器可在于窗平面中具有+/-150mm的橫向寬度和 +/-100mm的軸向縱向觀察自由度的區(qū)域中實現(xiàn)3D圖像。在由這些參數(shù)限定的邊界之外，可 呈現(xiàn)2D圖像。
[0178] 在時間多路復用顯示系統(tǒng)中，2D圖像可通過以下方式實現(xiàn)：調整照明器陣列15的 多個發(fā)光元件的相使其與在SLM 48上顯示的圖像中的一者同步。有利的是，控制系統(tǒng)可以 不與顯示系統(tǒng)5100的圖形系統(tǒng)交互。另外，為了減小從3D過渡到2D觀察處的閃爍偽影， 2D圖像的亮度可被布置為與3D圖像的亮度基本上相同。或者，SLM 48可針對兩個照明相 僅顯示一個圖像，或第一相中的2D圖像和第二相中的黑色圖像。
[0179] 繼續(xù)圖24C的討論，在邊界5111之外，圖像可具有一些形式的偽影，因此，可切換 顯示器以在區(qū)域5116中顯示例如黑色或非照明圖像。有利的是，可針對這些觀察區(qū)域關閉 顯示器照明。另外有利的是，如果例如區(qū)域5118中的觀察者被檢測到位于區(qū)域5116內但 在區(qū)域5114、5112之外，則可關閉顯示器或將其切換至功率節(jié)省"綠色模式"。如果相機未 檢測到觀察者，則顯示器可被設置為例如黑色或可被設置為低功率2D模式，使得顯示器在 相機感測誤差的情況下繼續(xù)發(fā)揮作用。
[0180] 有利的是，相機5102和跟蹤系統(tǒng)可與顯示器5100配合，使得可響應于所確定的觀 察者的位置來修改所顯示的圖像和相應的照明。因此，觀察者可以看到基本上沒有不期望 偽影的合適的圖像。顯示器可在觀察者重新進入感測區(qū)時自動打開。顯示器可在處于感測 區(qū)5108中的觀察者轉身遠離顯示器時關閉照明，并在觀察者回頭看時自動地重新照明顯 示器，從而進一步降低功率消耗。在感測空間5116內，相機5102可與顯示器5100配合以將 相同或不同形狀的觀察區(qū)實施為例如風箏形邊界5111，以生成減小的觀察區(qū)域防窺顯示。
[0181] 圖24D以頂視圖示意性地示出了另一個實施例，在該實施例中，自動立體定向顯 示設備5100包括定向顯示裝置和控制系統(tǒng)。在2D觀察區(qū)域5112之外，其中雙眼基本上看 到相同的圖像，提供具有相應外部邊界5134、5140的另外的區(qū)域5136、5138。當所測量的 觀察者位置（其例如可涉及鼻部位置或可為眼部位置）跨過邊界5111時，立體像對圖像 中的一者被關閉，同時另一者保持打開。如前所述，可通過切換相應的光源或通過切換SLM 48上的圖像或這兩者來實現(xiàn)圖像的切換。具體地講，當所測量的觀察者位置穿過邊界5111 朝左側移動時，可在區(qū)域5136中關閉左眼圖像，而右眼圖像可保持打開。與區(qū)域5138中相 似，可關閉右眼圖像同時左眼圖像可保持打開。在邊界5134、5140之外，可關閉兩種圖像。
[0182] 在操作中，向左側移動的觀察者將看到左眼圖像在右眼圖像之前關閉。此類效應 類似于向窗框左側移動的體驗；從而感知的圖像將保持具有基本上類似的亮度。另外，從 2D圖像到3D的過渡將較少突然地發(fā)生并且可提供增強的用戶體驗。有利的是，在光學閥 中，觀察者看不到偽影諸如成像的三角形偽影（在圖64中有所描述），或用于有限寬度照明 器的條紋邊界。在其他顯示系統(tǒng)諸如透鏡狀顯示系統(tǒng)中，觀察者在由最偏軸眼睛體驗的較 大觀察角度處感知不到增加的串擾和圖像模糊。
[0183] 有利的是，本發(fā)明實施例針對給定的照明系統(tǒng)實現(xiàn)了擴展的觀察自由度，并且通 ?？稍诖捌矫嫣帉崿F(xiàn)大約130_的額外自由度（針對65_的典型兩眼間間隔）。
[0184] 圖24E示出了另外的實施例，在該實施例中，3D區(qū)域5114和2D區(qū)域5112在窗平 面5104中具有基本上相同的寬度。有利的是，這可最大化用于該類型顯示器的3D觀察區(qū) 域，同時實現(xiàn)可接受的3D觀察區(qū)域和用于2D觀察的擴展的縱向觀察自由度。
[0185] 圖24F示出了另外的實施例，在該實施例中，在區(qū)域5112、5114之間的過渡處引入 受控量的滯后。例如，對于移出區(qū)域5114的觀察者而言，3D區(qū)域5114的邊界可在5115處， 并且對于移入?yún)^(qū)域5114的觀察者而言，所述邊界可在5120處。相似地，對于移出區(qū)域5112 進入?yún)^(qū)域5116的觀察者而言，2D區(qū)域5114的邊界可在5111處，并且對于從區(qū)域5116移入 區(qū)域5112的觀察者而言，所述邊界可在5122處。有利的是，滯后可以減小在相應區(qū)域的邊 界處或其附近看到的所感知的顯示器閃爍的量。
[0186] 圖25A是示意圖，其以正視圖示出了當跟蹤系統(tǒng)已獲得對觀察者的鎖定時，由自 動立體顯示裝置生成的自動立體觀察窗，并且圖25B為示意圖，其以正視圖示出了當跟蹤 系統(tǒng)已丟失對觀察者的鎖定時，由自動立體顯示裝置生成的2D觀察窗。另外，圖25A示出 了觀察窗114、116,所述觀察窗響應于觀察者99、觀察者檢測傳感器70、控制系統(tǒng)72和照明 控制器74由光轉向系統(tǒng)針對觀察者99創(chuàng)建。在圖25B的正視圖中，觀察者99被示出為轉 身離開顯示裝置100的表面。這可通過傳感器70檢測，并且在這種情況下，可將顯示器切 換至2D模式，例如通過在窗平面中形成單個較大的2D窗178,直至觀察者回頭看向顯示裝 置100時，并且可由跟蹤系統(tǒng)重新獲得，同時可恢復3D窗114、116。較大窗178的創(chuàng)建也可 在跟蹤系統(tǒng)丟失觀察者的位置時發(fā)生，或在觀察者的眼位置的生成誤差隨后由位置測量確 定為具有超過閾值的誤差時發(fā)生。
[0187] 圖26是示意圖，其示意性地示出了針對相對于窗取向具有傾斜的眼位置的觀察 者的觀察窗的布置方式。另外，圖26示出了這樣的實施例，在該實施例中，光學窗陣列121 可響應于另外檢測到的觀察者的位置而更改圖15的窗114、116。在該實施例中，觀察者被 示出為與光學窗成一角度，并且可以調節(jié)窗180和178以進行補償。另外，在環(huán)視系統(tǒng)中， 可以調節(jié)在SLM 48上顯示的圖像以提供立體透視圖。另外，可以調節(jié)所述環(huán)視以在至少一 個軸線（例如朝向顯示裝置100的方向）上提供放大的透視圖。有利的是，跟蹤和轉向系 統(tǒng)可將觀察自由度耐受性實現(xiàn)為一定程度的頭部傾斜。
[0188] 圖27A是示意圖，其示出了當超過用于自動立體3D觀察的限定觀察區(qū)域時的窗布 置方式。另外，圖27A示出了具有光學窗陣列121的實施例，該實施例適用于當跟蹤系統(tǒng)檢 測到觀察者99的位置中存在較大誤差或較大不確定度時的情況。如前所述，這可通過將用 于將來照明脈沖時間處的眼睛的已生成位置值與隨后在該時間處或附近接收的位置進行 比較來完成。有利的是，可產(chǎn)生較大的2D窗182,而不是顯示可能較差的3D圖像。當跟蹤 誤差減小時，可將顯示器切換回3D。這樣，可保持觀察舒適度而無明顯的顯示器閃爍。
[0189] 與檢測觀察者位置中的高不確定度或誤差的條件一樣，跟蹤系統(tǒng)也可完全檢測觀 察者位置的丟失。這是與高誤差條件不同的情況。這是觀察者轉身或甚至離開時的情況。 當檢測到該條件時，可將顯示裝置有利地切換至具有非常寬的2D窗，如圖27B中的184處 所示。圖27B是示意圖，其示出了當超過用于自動立體3D觀察的限定觀察區(qū)域時的另外的 窗布置方式。例如，顯示裝置可被設置為視情況自動獲取或重新獲取觀察者的位置，并且一 旦完成這一點，則可將窗從圖案184切換回圖15的那些。
[0190] 圖28A是示意圖，其示出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀察的窗布置方 式。另外，圖28A示出了這樣的例子，在該例子中，不止一個觀察者共享所述顯示裝置。在 這種情況下，中心觀察者99看到窗188和186并且感知3D圖像。偏軸觀察者97可完全位 于窗186內并且可觀察2D圖像。區(qū)域190可被關閉。
[0191] 圖28B是不意圖，其不出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀察的另選的窗 布置方式。另外，圖28B示出了另一個實施例，在該實施例中，窗194和192可被布置用于 實現(xiàn)用于觀察者99的中心3D圖像和用于兩個2D觀察者95、97的偏軸觀察。有利的是，相 同的顯示裝置可實現(xiàn)用于不止一個觀察者的可用觀察，即使可用窗的數(shù)量對于所有觀察者 進行可靠的自動立體觀察是不足的。
[0192] 圖28C是不意圖，其不出了用于由多個觀察者同時進行2D和3D觀察的另選的窗 布置方式。另外，圖28C示出了不止一個觀察者可通過提供多個右眼窗194、193和左眼窗 192U95來觀看3D圖像。觀察者95、97、99可與顯示器以及彼此進行配合。觀察者跟蹤系 統(tǒng)可能夠檢測此類沖突并執(zhí)行動作。此類動作可包括為觀察者給出方向建議或將一個或多 個觀察者切換至2D圖像。如果跟蹤系統(tǒng)檢測到用于自動立體觀察的合適的條件，則可針對 一個或多個觀察者自動重新使用3D模式。
[0193] 圖29是示意圖，其示出了用于2D定向顯示設備的另選的窗布置方式，該2D定向 顯示設備被布置用于根據(jù)觀察位置修改觀察窗結構。例如，如圖8所述，此類顯示器可適用 于防窺操作模式以及高效率和高亮度模式。對于定位為鼻部基本上與顯示系統(tǒng)的光軸118 對齊的觀察者99而言，觀察窗300可由光學窗陣列形成，所述光學窗陣列包括中心光學窗 陣列306和另外的邊緣光學窗302、304,所述另外的邊緣光學窗被布置用于實現(xiàn)顯示區(qū)的 均勻填充。當觀察者移動到偏軸位置時，觀察窗308可包括擴展數(shù)量的光學窗，所述擴展數(shù) 量的光學窗包括組310、312,所述組在寬度上大于光學窗302、304。有利的是，將每個觀察 位置中的光學窗的數(shù)量最小化，從而優(yōu)化顯示效率，同時實現(xiàn)SLM 48的填充和針對移動觀 察者的低閃爍。因此，對降低光學窗的再現(xiàn)性的偏軸像差進行補償。
[0194] 圖30是示意圖，其示出了用于不同的觀察者距離的2D定向顯示設備的另選的窗 布置方式。因此，針對在窗平面106處的觀察者99通過控制系統(tǒng)提供觀察菱形320,而可針 對在平面322處的更近的觀察者生成菱形322,從而產(chǎn)生窗平面106處的觀察區(qū)域324 (部 分示出）和相交的寬的寬度（表示窗寬度，并通過光學窗的數(shù)量給出）。從幾何方面考慮， 當觀察者移動接近顯示器時，需要以圖23A和圖23B中所示類似的方式來增加窗平面106 處的觀察窗的寬度。從而可針對給定的觀察距離和橫向位置使照明的光學窗的數(shù)量最小 化，優(yōu)化效率，同時實現(xiàn)均勻的顯示填充。
[0195] 如本文可能所用，術語"基本上"和"大約"為其相應的術語和/或術語之間的相 關性提供了行業(yè)可接受的容差。此類行業(yè)可接受的容差在0%至10%的范圍內，并且對應 于但不限于分量值、角度等等。各項之間的此類相關性在大約0%至10%的范圍內。
[0196] 雖然上文描述了根據(jù)本文所公開的原理的多個實施例，但應當理解，它們僅以舉 例的方式示出，而并非限制。因此，本發(fā)明的廣度和范圍不應受到任何上述示例性實施例的 限制，而應該僅根據(jù)產(chǎn)生于本發(fā)明的任何權利要求及其等同物來限定。另外，所描述的實施 例中提供了上述優(yōu)點和特征，但不應將此類公開的權利要求的應用限于實現(xiàn)任何或全部上 述優(yōu)點的方法和結構。
[0197] 另外，本文的章節(jié)標題是為了符合37 CFR 1.77下的建議或者提供組織線索。這 些標題不應限制或表征可產(chǎn)生于本公開的任何權利要求中所列出的實施例。具體地和以舉 例的方式，雖然標題是指"【技術領域】"，但權利要求不應受到在該標題下選擇用于描述所謂 的領域的語言的限制。此外，"【背景技術】"中對技術的描述不應被理解為承認某些技術對本 發(fā)明中的任何實施例而言是現(xiàn)有技術。"
【發(fā)明內容】
"也并非要被視為公開的權利要求中所述 的實施例的表征。另外，該公開中對單數(shù)形式的"發(fā)明"的任何引用不應被用于辯稱在該公 開中僅有一個新穎點。可以根據(jù)產(chǎn)生于本發(fā)明的多項權利要求來提出多個實施例，并且此 類權利要求因此限定由其保護的實施例和它們的等同物。在所有情況下，應根據(jù)本發(fā)明基 于權利要求書本身來考慮其范圍，而不應受本文給出的標題的約束。
【權利要求】
1. 一種定向顯不設備，包括： 顯示裝置，所述顯示裝置包括： 透射式空間光調制器，所述透射式空間光調制器包括像素陣列，所述像素陣列被布置 用于調制從所述像素陣列中通過的光； 波導，所述波導具有輸入端和用于沿所述波導引導光的相對的第一引導表面和第二 引導表面，所述相對的第一引導表面和第二引導表面從所述輸入端跨所述空間光調制器延 伸；以及 光源陣列，所述光源陣列在跨所述波導的輸入端的橫向方向上的不同輸入位置處，所 述波導可被布置用于將來自跨所述輸入端的所述不同輸入位置處的光源的輸入光作為輸 出光導向穿過所述第一引導表面，以供通過所述空間光調制器在分布在所述橫向方向中的 輸出方向上進入各自的光學窗，所述輸出方向取決于所述輸入位置， 所述定向顯示設備還包括： 傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)被布置用于檢測觀察者相對于所述顯示裝置的位置；以 及 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被布置用于操作所述光源以基于被檢測到的觀察者的位置將 光導向進入一個或多個觀察窗，所述一個或多個觀察窗包括至少一個光學窗， 其中所述控制系統(tǒng)被布置用于基于所述傳感器系統(tǒng)的輸出來更改所述一個或多個觀 察窗的光學窗數(shù)量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于在所述 橫向方向上被檢測到的觀察者的位置來更改所述一個或多個觀察窗的光學窗數(shù)量。
3. 根據(jù)權利要求2所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于被檢測 到的觀察者的位置而增加所述一個或多個觀察窗的光學窗數(shù)量，所述觀察者處于在所述橫 向方向上以預先確定的量遠離所述顯示裝置的法線移位的位置中。
4. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響 應于沿所述顯示裝置的法線的被檢測到的觀察者的位置來更改所述一個或多個觀察窗的 光學窗數(shù)量。
5. 根據(jù)權利要求4所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于被檢測 到的觀察者的位置來增加所述一個或多個觀察窗的光學窗數(shù)量，所述觀察者處于沿所述顯 示裝置的法線以預先確定的量遠離標稱窗平面朝向所述顯示裝置的移位的位置中。
6. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響 應于所述觀察者在所述橫向方向上離開所述顯示裝置的法線的速度或加速度來更改所述 一個或多個觀察窗的光學窗數(shù)量。
7. 根據(jù)權利要求6所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于所述觀 察者在所述橫向方向上離開所述顯示裝置的法線的超過預先確定的量的速度或加速度來 增加所述一個或多個觀察窗的光學窗數(shù)量。
8. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的定向顯示設備，其中所述第一引導表面被布置用 于通過全內反射引導光，并且所述第二引導表面包括多個光提取結構特征，所述光提取結 構特征被取向為在多個方向上反射被引導穿過所述波導的光，從而允許作為所述輸出光穿 過所述第一引導表面離開。
9. 根據(jù)權利要求8所述的定向顯示設備，其中所述第二引導表面具有介于所述光提取 結構特征之間的中間區(qū)域，所述中間區(qū)域被布置用于引導光穿過所述波導，而不對光進行 提取。
10. 根據(jù)權利要求9所述的定向顯示設備，其中所述第二引導表面具有階梯式形狀，所 述階梯式形狀包括構成所述光提取結構特征的小平面和所述中間區(qū)域。
11. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的定向顯示設備，其中所述第一引導表面被布 置用于通過全內反射引導光，并且所述第二引導表面為基本上平面的并且以一定的角度傾 斜，以在破壞所述全內反射的多個方向上反射光，以便穿過所述第一引導表面輸出光， 所述顯示裝置還包括偏轉元件，所述偏轉元件跨所述波導的第一引導表面延伸，以便 使光朝所述空間光調制器的法線偏轉。
12. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的定向顯示設備，其中所述波導具有面向所述 輸入端的反射端，以便將來自所述輸入光的光穿過所述波導反射回，所述波導被布置用于 在從所述反射端反射之后穿過所述第一引導表面輸出光。
13. 根據(jù)權利要求12所述的定向顯示設備，其中所述反射端在所述橫向方向上具有正 光焦度。
14. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的定向顯示設備，其中所述控制系統(tǒng)進一步被布 置用于控制所述空間光調制器以使用時間多路復用的左圖像和右圖像調制光，并且同步被 布置用于基于被檢測到的觀察者的位置操作所述光源以將通過所述左圖像和所述右圖像 調制的光導向進入左眼觀察窗和右眼觀察窗，所述左眼觀察窗和所述右眼觀察窗包括在對 應于觀察者的左眼和右眼的位置中的至少一個光學窗。
15. -種自動立體顯示設備，包括： 顯示裝置，所述顯示裝置包括： 透射式空間光調制器，所述透射式空間光調制器包括像素陣列，所述像素陣列被布置 用于調制從所述像素陣列中通過的光； 波導，所述波導具有輸入端和用于沿所述波導引導光的相對的第一引導表面和第二 引導表面，所述相對的第一引導表面和第二引導表面從所述輸入端跨所述空間光調制器延 伸；以及 光源陣列，所述光源陣列在跨所述波導的輸入端的橫向方向上的不同輸入位置處，所 述波導可被布置用于將來自跨所述輸入端的所述不同輸入位置處的光源的輸入光作為輸 出光導向穿過所述第一引導表面，以供通過所述空間光調制器在分布在所述橫向方向中的 輸出方向上進入各自的光學窗，所述輸出方向取決于所述輸入位置， 所述自動立體顯示設備還包括： 傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)被布置用于檢測觀察者相對于所述顯示裝置的位置；以 及 控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)被布置用于控制所述空間光調制器，以及基于被檢測到的觀 察者的位置操作所述光源以將光導向進入觀察窗，所述觀察窗包括在對應于觀察者的左眼 和右眼的位置中的至少一個光學窗， 所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于在預先確定的區(qū)域中的被檢測到的觀察者的位置，通 過控制所述空間光調制器以使用時間多路復用的左圖像和右圖像來調制光，并且同步操作 所述光源以將所述左圖像和所述右圖像導向進入各自的觀察窗，來提供3D圖像顯示，所述 觀察窗在對應于觀察者的左眼和右眼的位置中，并且 所述控制系統(tǒng)被布置用于響應于在所述預先確定的區(qū)域之外的位置中的被檢測到的 觀察者的位置，通過控制所述空間光調制器以使用2D圖像來調制光，并且操作所述光源以 將所述2D圖像導向進入觀察窗，來提供2D圖像顯示，所述觀察窗在對應于觀察者的左眼和 右眼的位置中。
16. 根據(jù)權利要求15所述的自動立體顯示設備，其中所述預先確定的區(qū)域為在相對于 所述顯示裝置的法線的所述橫向方向上的橫向位置的中心范圍。
17. 根據(jù)權利要求15所述的自動立體顯示設備，其中所述預先確定的區(qū)域為在相對于 所述顯示裝置的法線的縱向位置的范圍。
18. 根據(jù)權利要求15所述的自動立體顯示設備，其中所述預先確定的區(qū)域為在相對于 所述顯示裝置的法線的所述橫向方向上的橫向位置和縱向位置的中心區(qū)域。
19. 根據(jù)權利要求15至18中任一項所述的自動立體顯示設備，其中所述第一引導表面 被布置用于通過全內反射引導光，并且所述第二引導表面包括多個光提取結構特征，所述 光提取結構特征被取向為在多個方向上反射被引導穿過所述波導的光，從而允許作為所述 輸出光穿過所述第一引導表面離開。
20. 根據(jù)權利要求19所述的自動立體顯示設備，其中所述第二引導表面具有介于所述 光提取結構特征之間的中間區(qū)域，所述中間區(qū)域被布置用于引導光穿過所述波導，而不對 光進行提取。
21. 根據(jù)權利要求20所述的自動立體顯示設備，其中所述第二引導表面具有階梯式形 狀，所述階梯式形狀包括構成所述光提取結構特征的小平面和所述中間區(qū)域。
22. 根據(jù)權利要求15至18中任一項所述的自動立體顯示設備，其中所述第一引導表面 被布置用于通過全內反射引導光，并且所述第二引導表面為基本上平面的并且以一定的角 度傾斜，以在破壞所述全內反射的多個方向上反射光，以便穿過所述第一引導表面輸出光， 所述顯示裝置還包括偏轉元件，所述偏轉元件跨所述波導的第一引導表面延伸，以便 使光朝所述空間光調制器的法線偏轉。
23. 根據(jù)權利要求15至22中任一項所述的自動立體顯示設備，其中所述波導具有面向 所述輸入端的反射端，以便將來自所述輸入光的光穿過所述波導反射回，所述波導被布置 用于在從所述反射端反射之后穿過所述第一引導表面輸出光。
24. 根據(jù)權利要求23所述的自動立體顯示設備，其中所述反射端在所述橫向方向上具 有正光焦度。
【文檔編號】G02F1/1335GK104487877SQ201380026064
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月17日 優(yōu)先權日:2012年5月18日
【發(fā)明者】J·哈羅德, M·G·魯賓遜, G·J·伍德蓋特, M·H·舒克, A·J·希爾 申請人:瑞爾D股份有限公司