專利名稱：用于3d顯示器的背光中的陰影消除的制作方法
用于3D顯示器的背光中的陰影消除
背景技術：
光導可以用于傳輸光以用于照明。例如，在包括計算機監(jiān)視器，電視，儀表面板，航空器或航海器駕駛艙顯示器，標牌，以及諸如視頻播放器、游戲設備、鐘、表、計算器、靜止圖像攝像機、視頻攝像機、移動電話/蜂窩電話和其它電話的消費設備的許多應用中，光導可以用作例如液晶顯示器(LCD)的背光。再者，掃描背光為纖細背光，其發(fā)射準直射線，該準直射線的準直方向可以被掃描。諸如在各種應用中被使用的頭戴式顯示器中，光導也可以用于提供投影顯示器，所述各種應用包括軍事、航空、醫(yī)學、視頻游戲、娛樂、體育運動等。透視頭戴式顯示器允許用戶觀察他或她周圍的實體世界，而光學元件將光添加到用戶的視覺路徑中，從而提供增強的現(xiàn)實圖像。然而，難以為這種光導提供均勻照明。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種被均勻照明的光導設備。一個可能配置包括具有輸出表面和輸入邊緣的平面光導。兩個側邊緣位于輸入邊緣的兩個側面，所述側邊緣同時被配置以反射入射射·線以及將它們的偏振狀態(tài)改變到正交形式。兩個正交偏振的光源設置在輸入邊緣處，使得相對于來自一個源的光，來自另一個源的光朝向?qū)α冗吘壭羞M，但是當在光導的平面內(nèi)分解時，會聚到每個側邊緣的角度相同。偏振器抵靠輸出表面放置，并且取向為只有當來自一個源的光不反射離開各側面其中之一時讓該光通過，以及只有當來自另一個源的光不反射離開各側面其中之一時讓該光通過。在一個實施例中，光導設備包括光導，該光導具有光輸入端部和相對端部，連接光輸入端部和相對端部的相對的左側面和右側面，以及連接光輸入端部和相對端部的相對的前表面和后表面。另外，雙折射膜設于光導的相對的左側面和右側面上，該雙折射膜切換入射光的偏振。光導設備還包括毗鄰光輸入端部的輸入部件。輸入部件提供具有第一偏振的光到光輸入端部以及具有與第一偏振正交的第二偏振的光到光輸入端部。例如，第一偏振可以是右手圓偏振，第二偏振可以是左手圓偏振，并且雙折射膜可以將具有右手圓偏振的入射光切換到左手圓偏振，以及將具有左手圓偏振的入射光切換到右手圓偏振。在一種方法中，輸入部件包括第一和第二組分立光源。在另一個方法中，輸入部件包括毗鄰光輸入端部的第一和第二透明桿(rod)。在另一個方法中，輸入部件包括毗鄰光輸入端部的第一和第二板片(slab)光導。提供此發(fā)明內(nèi)容從而以簡化形式介紹下面在說明書中進一步描述的概念集合。此發(fā)明內(nèi)容不意圖確認要求保護的主題的關鍵特征或?qū)嵸|(zhì)特征，也不意圖用于限制要求保護的主題的范圍。


在圖中，相似編號的元件彼此對應。
圖IA說明具有彎曲反射端部的示例光導的透視圖，示出了來自位于光導的光輸入端部的左側面的光源的光線。圖IB說明圖IA的光導配置，示出了陰影區(qū)域和反射區(qū)域。圖IC說明圖IA的光導的透視圖，示出了來自位于光導的光輸入端部的右側面的光源的光線。圖2A說明包括圖IA的光導的光導設備，其具有包括分立光源的輸入部件260。圖2B說明圖2A的光導沿著軸113的截面圖。圖2C說明圖2A的光導設備的端視圖。圖3A說明包括矩形光導和輸入部件360的光導設備，該輸入部件包括一個或多個 透明桿。圖3B說明圖3A的光導的截面圖，示出了前表面301和相對的后表面302。圖3C說明圖3A的透明桿中的光線。圖3D1說明圖3A的光導設備的端視圖，不出了一個透明桿和兩個光源。圖3D2說明圖3A的光導設備的端視圖，示出了一個透明桿和一個光源。圖3E說明圖3A的光導設備的端視圖，示出了兩個透明桿。圖3F說明圖3E的兩個透明桿的透視圖，示出用于每個桿的單獨光源。圖3G說明圖3E的兩個透明桿的透視圖，示出了用于兩個桿的單個光源。圖4A說明光導設備，該光導設備包括楔形光導和兩個矩形板片以提供輸入光到楔形光導。圖4B1說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有兩個光源的一個矩形板片。圖4B2說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有一個光源的一個矩形板片。圖4C說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有各自光源的兩個矩形板片。圖4D說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有單個光源的兩個矩形板片。圖5說明具有光柵的矩形光導。圖6A說明使用圖3A的光導設備作為平視顯示器(head-up display)。圖6B說明使用圖3A的光導設備作為頭戴式顯示器。圖6C說明使用在后表面上具有反射鏡(mirror)的圖3A的光導設備。圖6D說明使用圖4A的光導設備作為平視顯示器。
具體實施例方式如開篇所述，光導通常在諸如用于LCD的背光的應用中使用以及用于提供投影顯示器。在相當?shù)膶嵤┓绞街?，背光在輸入處接收非偏振光并且光導的幾何致使該光以準直方式被發(fā)射，該光仍是非偏振的。在此處提供的進展中，輸入到光導的光是偏振的，并且在光導中使用偏振切換材料以致使光以準直方式從光導的面發(fā)射。與在所有方向上發(fā)射光的光導相比，此方法的優(yōu)點在于使用戶可看到放置在背光前方的LCD上的圖像需要更少的電力。另外，用戶具有隱私，因為除了他們以外任何人看不到顯示器。附加地，準直方向可以被掃描，使得在用戶的眼睛四處移動時，照明可以連續(xù)地被引導到用戶的眼睛，并且單獨的圖像可以依次顯示給每個眼睛，使得用戶看到自動立體(3D)圖像，諸如按照通過引用結合于此的Travis，A. R. L. , ^Autostereoscopic 3-D display, 〃 Applied Optics 29, pp.4341 to 4343,10October 1990中所解釋的方式。圖IA說明具有彎曲反射端部的示例光導的透視圖，示出了來自位于光導的光輸入端部的左側面的光源的光線。光導100包括光輸入端部108和相對的反射端部106,前表面或面110和相對的后表面或面(圖2B中111)，以及設有諸如雙折射膜的偏振切換材料的相對的邊緣表面102和104。光導100可以由透明材料制成，該透明材料為諸如玻璃或諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PLEXIGLAS )的透明熱塑性材料。在一種方法中，光導100不包括衍射光柵。諸如在通過引用結合于此的Weber等人的文章〃Giant Birefringent Optics inMultilayer Polymer Mirrors," Science,vol. 287,p. 2451-2456, March 31, 2000 中所討論，可以通過用一個或多個層的單軸雙折射膜涂覆相對的邊緣表面102和104來提供該雙 折射膜，雙折射軸垂直于邊緣。Weber等人的文章指出，可以使用在折射率中表現(xiàn)大的雙折射的聚合物來構造隨著入射角增大而維持或增大反射率的多層反射鏡。在光導各側面上的多層雙折射膜或反射鏡可能是恰當?shù)?，并且可以使用本領域技術人員可獲得的技術來制作，所述技術包括在Weber等人的文章中討論的技術。用于設計該膜的軟件工具也是可獲得的。此膜在入射光被反射時切換入射光的偏振狀態(tài)。例如，雙折射膜可以將入射光的右手圓偏振切換到左手圓偏振，以及將入射光的左手圓偏振切換到右手圓偏振。在一個可能實施方式中，光導100為楔形，并且反射端部106是彎曲的且具有菲涅耳化(Fresnelated)表面(見圖2A)以將入射光往回反射到光輸入端部108。通常，在具有彎曲反射端部的楔形光導中，進入光輸入端部的非準直光在楔本身內(nèi)扇出，隨后以準直方式反射離開厚的彎曲端部。這種類型的光導比某些其它方法更緊湊且更容易模制，不過彎曲反射鏡會弓I入透鏡像差。光導的軸113沿著光導的子午平面(包括光軸的平面)。在一種方法中，子午平面平行于邊緣102和104。附加地，除了彼此平行，邊緣102和104可以與光輸入端部108成直角。當光導100是楔形時，前表面和后表面彼此成小角度，諸如在圖2B中說明。為了理解光導的操作，考慮將光注入光輸入端部108的左側面的示例分立光源112。來自這些光源的光(包括光線120和124)到達反射端部106并且往回反射，如示例光線122、126和128所示。由于這種反射模式，光導的區(qū)域134(反射區(qū)域)接收反射的光，而區(qū)域132 (陰影區(qū)域)不接收反射的光并且因此具有較低照明(見圖1B)。圖IB說明圖IA的光導配置，示出了陰影區(qū)域和反射區(qū)域。作為示例，區(qū)域132可以是在從與光輸入端部成小于-30度到光輸入端部的垂線(例如從-30度到-90度)的方位角的陰影區(qū)域，并且區(qū)域134可以是在與光輸入端部成大于+30度到光輸入端部的垂線(例如從30度到90度)的方位角的反射區(qū)域。此垂線可以是軸113或者是平行于軸113的直線。圖IC說明圖IA的光導的透視圖，示出了來自位于光導的光輸入端部的右側面的光源的光線。此處，考慮將光注入光輸入端部108的右側面的示例分立光源114。來自這些光源的光(包括光線140和146)到達反射端部106并且往回反射，如示例光線142、145和148所示。由于此反射模式，光導的區(qū)域132 (圖1B)接收反射的光并且充當反射區(qū)域，而區(qū)域134不接收反射的光并且因此充當陰影區(qū)域。因而，陰影區(qū)域為區(qū)域134并且反射區(qū)域為區(qū)域132。另一方面，當光源設于光輸入端部108的兩個側面上時，陰影區(qū)域可以基本上被消除，因為反射存在于光導的兩個側面上(區(qū)域132和134都是反射區(qū)域)。光導的中心區(qū)域133通常不包括較低照明區(qū)域并且因此被很好照明。圖2A說明包括圖IA的光導的光導設備，其具有包括分立光源的輸入部件260。在示例實施方式中，光導100在各側面具有高度hl，在光軸113或子午平面處具有高度h2>hl，并且具有均勻?qū)挾萕。雙折射膜164和166分別設于相對的側面102和104。反射端部106包括菲涅耳化表面160，其具有高度h2的脊(例如面板或小面(facet))(圖2B)。在光輸入端部108設有輸入部件260。這些包括許多諸如LED (諸如示例LED 201)的點光源。來自LED的光輸出是非準直的。光源可以分組到左側面200和右側面210中，并且比如布置在一個或兩個行中(見圖2C)。每個光源提供非偏振光212到線偏振器214，該線偏振器可以延伸跨過光輸入端部108的區(qū)域。線偏振器214比如傳遞單個線性偏振到入射非偏振光。線偏振光216隨后在一行(諸如頂行)光輸入端部108中入射在相對彼此旋轉90 度的一對四分之一波片218和220上(也就是說，所述四分之一波片的各自光軸相對彼此旋轉90度)，并且在另一行(諸如底行)光輸入端部108中入射在相對彼此旋轉90度的另一對四分之一波片219和221上。偏振器比如可以包括線偏振器和四分之一波片的組合。在一種方法中(見圖2C)，四分之一波片218和221旋轉在同一取向上，并且四分之一波片219和220旋轉在同一取向上。四分之一波片218和221可以相對四分之一波片219和220旋轉90度。線偏振器214和一個所述四分之一波片的組合形成向光212傳遞圓偏振的圓偏振器。另外，從光輸入端部108的左側面入射到光輸入端部108的光的偏振可以正交于從輸入端部108的右側面入射到光輸入端部108的光。在一種方法中，由四分之一波片218通過的光222的偏振為左手(逆時針)圓，并且由四分之一波片220通過的光224的偏振為右手(順時針)圓。類似地，在圖2C中，由四分之一波片221通過的光的偏振為左手圓，并且由四分之一波片219通過的光的偏振為右手圓。當使用兩行四分之一波片和光源時，由四分之一波片218和221通過的光的偏振可以是右手圓，并且由四分之一波片219和220通過的光的偏振可以是左手圓?？商鎿Q地，對立的情形也是正確的，例如，由四分之一波片221通過的光的偏振為右手圓，并且由四分之一波片219通過的光的偏振為左手圓。當使用兩行四分之一波片和光源時，由四分之一波片218和221通過的光的偏振可以是左手圓，并且由四分之一波片219和220通過的光的偏振可以是右手圓。每行四分之一波片可以與一行或多行LED關聯(lián)。LED陣列可以與每個四分之一波片關聯(lián)。因而，輸入部件260包括一個或多個光學部件(例如214、218)，以用于在來自至少一個光源200的光進入光導之前將第一偏振(例如右或左手圓)傳遞到該光。類似地，提供一個或多個光學部件，以用于在來自至少另一光源210的光進入光導之前將與第一偏振正交的第二偏振(例如左或右手圓)傳遞到該光?？梢哉J為光導設備的輸入部件260包括在一個行中位于光輸入端部的一個側面上的第一組分立光源(諸如示例LED 201)，在該一個行中位于光輸入端部的另一側面上的第二組分立光源(諸如示例LED 202)，在另一行中位于光輸入端部的該一個側面上的第三組分立光源(諸如示例LED 203)，以及在該另一行中位于光輸入端部的該另一側面上的第四組分立光源(諸如不例LED 204)。另外,一個或多個線偏振器214布置在光輸入端部與第一、第二、第三和第四組分立光源之間。第一四分之一波片218布置在所述一個或多個線偏振器和第一組分立光源之間，第二四分之一波片220布置在所述一個或多個線偏振器和第二組分立光源之間，第三四分之一波片219布置在所述一個或多個線偏振器和第三組分立光源之間，以及第四四分之一波片221布置在所述一個或多個線偏振器和第四組分立光源之間。第一和第三四分之一波片具有類似地取向的各自光軸，第二和第四四分之一波片具有類似地取向的各自光軸，并且第一和第三四分之一波片的光軸相對于第二和第四四分之一波片的光軸旋轉90度。四分之一波片(λ /4片)典型地為膜并且從入射線偏振光提供圓偏振光。更通常，波片或延遲器為改變行進穿過它的光的偏振狀態(tài)的光學設備。波片通過偏移光波的兩個垂直偏振分量之間的相位來工作。具有沿著快軸和慢軸二者的偏振分量的光將在不同偏振狀態(tài)中從波片出射。比如四分之一波片產(chǎn)生四分之一波長相移，并且可以將線偏振光改變?yōu)閳A偏振光或者將圓偏振光改變?yōu)榫€偏振光?！ぷ鳛樘峁﹥尚兴姆种徊ㄆ?一行中的左和右側面四分之一波片相對彼此90度取向)的可替換方案，可以提供在一個行中相對彼此90度取向的兩個電可控制或主動四分之一波片。一個可能實施方式使用液晶單元。單元操作的方式取決于使用的液晶，但是我們首先讓LED發(fā)射通過與豎直成45度的線偏振器，隨后使用例如鐵電液晶(其雙折射軸可以轉過90度)以使水平或豎直狀態(tài)減慢四分之一波長。光源200和210可以是白色或不同顏色，并且它們的光在寬角度范圍撞擊側面102和104。當光導為LCD面板的背光時，使用位于液晶正下方的濾色器，LCD可以提供彩色顯示。為了在光導中容納光的不同波長和/或不同入射角，雙折射膜164和166可以是薄膜反射器的形式，該薄膜反射器使用計算技術利用許多層(例如數(shù)百層)來設計，從而發(fā)展出以相同方式應對所有可見波長和各種角度的設計。這種類型的設計已經(jīng)由諸如3Μ Corp.的各公司成功實現(xiàn)，如上述Weber等人的公開所描述。在一個可能方法中，光導設備作為LCD面板的掃描背光來操作，其中發(fā)光二極管(LED)陣列由驅(qū)動電路226驅(qū)動從而照明LCD面板/顯示器的像素。在掃描背光模式中，LED在應用到LCD面板的視頻信號的掃描方向上被順序驅(qū)動(接通和斷開)，從而在一個幀間隔的初始時間發(fā)光，而在其余時間間隔切斷光。這通過消除先前顯示像素對下一個顯示像素的影響而防止模糊。除了向上或向下移動，用戶的頭還側向移動，因此在水平平面中掃描射線比在升降方向上掃描更為有用。利用這種掃描背光，當光從表面110以非垂直的角度發(fā)射時,射線在光導內(nèi)與其各側面成角度地行進。因此，一些射線撞擊側面并且在非期望方向上被反射，而在對立邊緣，按照前文所述陰影的方式，一個區(qū)域沒有被照明。如通過引用結合于此的Travis，A. R. L.等人，"Collimated light from a waveguide for a display backlight, 〃 OpticsExpress, vol. 17，no. 22，p. 19714-19719，October 15，2009 中所描述，通過分別使用左和右側面光源200和210，在相等但對立的角度將光線注入子午平面，使得由一組射線留下的陰影被另一組的反射射線填充，由此克服此問題。如此處所描述的通過使用偏振光以及在光導各側面上的偏振切換膜，使得顯示器上的圖像僅在期望方向上是可見的從而保護隱私以及避免3D圖像退化，實現(xiàn)另外優(yōu)點。如此處所提供，在光導的光輸入端部的相對的側面上的光源的偏振狀態(tài)形成為正交的。來自在光導的一個側面上的一半光源的光形成為圓偏振(右手或順時針)，并且來自在光導的另一側面上的另一半光源的光形成為在對立方向上圓偏振(例如反圓、左手或逆時針)。來自該一個側面的光相對于來自另一個側面的光是正交偏振的，因為它們具有對立的圓偏振。盡管其中第一和第二類型的圓偏振光被輸入光導的特定示例已經(jīng)被提供，有可能的是，更通常地，可以輸入第一和第二類型的偏振光，諸如第一和第二類型的線偏振光。圖2B說明圖2A的光導沿著軸113的截面圖。光導100在此示例中為具有相對的面的楔形，所述面不是平行的并且不與光輸入端部成直角。光導在呈楔的形式時可以被認為是長方體(cuboid)，類似于立方體(cube)但不是正方形的。它可以是楔形的，其中在一個可能實施方式中，反射端部的厚度為光輸入端部的兩倍(t2=2Xtl)。說明了光導的前表面110和后表面111。光輸入端部可以具有厚度tl并且反射端部可以具有厚度t2>tl。菲 涅耳化反射端部160的示例脊162被說明為具有高度h2。圖2C說明圖2A的光導設備的端視圖。如前所述提供四分之一波片218-221和線偏振器214。由下一行LED (由四分之一波片219包圍的6個正方形所說明)提供的光源為位于光導的光輸入端部的一個側面上的至少一個附加光源。由下一行LED(由四分之一波片221包圍的6個正方形所說明)提供的光源為位于光輸入端部的另一個側面上的至少一個附加光源。四分之一波片219和線偏振器214為用于在來自至少一個附加光源的光進入光導之前將第二偏振(與由四分之一波片220和線偏振器214傳遞的偏振相同)傳遞到所述來自至少一個附加光源的光的一個或多個光學部件。類似地，四分之一波片221和線偏振器214為用于在來自至少另一附加光源的光進入光導之前將第一偏振(與由四分之一波片218和線偏振器214傳遞的偏振相同)傳遞到所述來自至少另一附加光源的光的一個或多個光學部件。比如對于不撞擊側面102和104并且離開光導進入IXD的光，期望覆蓋正和負的方位角的全部范圍。為了實現(xiàn)這一點，我們可以提供分立光源，所述分立光源提供被偏振到一個偏振狀態(tài)的光，與位于光輸入端部的光導的中心的兩個側面距離相同的距離(例如，在左側面的頂行上以及在右側面的底行上)。并且，對于通過反射離開側面102、104而填充陰影的光，我們可以提供同樣的分立光源，因此提供被偏振到正交偏振狀態(tài)的光的這些分立光源也與位于光輸入端部的光導的中心的兩個側面距離相同的距離(例如，在右側面的頂行上以及在左側面的底行上)。注意，利用位于光輸入端部的一行或兩行分立光源，光導將提供ID圖像，即一行像素。然而，所說明的原理可以擴展到諸如由視頻投影儀提供的2D光源，從而允許該光導提供2D或3D圖像，如接下來所討論。圖3A說明光導設備，其包括矩形光導，以及包括一個或多個透明桿的輸入部件360。與提供圖2A中說明的沿著光導100的光輸入端部108布置的分立光源(諸如LED)不同，可以使用諸如長方體形狀的桿的透明桿300，該透明桿毗鄰光導310的光輸入端部308，并且攜帶來自視頻投影儀的2D圖像。長方體是具有6個面的形狀，所述6個面可以但不需要都彼此成直角。面都彼此成直角的長方體為直長方體。通過引用結合于此的2005年I月25日授權給A. R. L. Travis等人的發(fā)明名稱為〃遠場顯示器〃的美國專利6，847，488中討論了在長方體光導中使用這種透明桿。另外，具有平行的端部303和308的長方體光導可以用作諸如圖2A中具有倒圓或弓形端部的楔形光導的可替換方案，從而在光導中建立平行光線。這種設計的優(yōu)點包括能夠上下以及側向地掃描光，并且不存在透鏡像差，因為遠端303不彎曲。該長方體可以是直長方體，使得它不是楔形的，但是所有相對的側面是平行的。光導設備302包括直長方體光導310,其具有光輸入端部308和相對的遠端303,以及分別具有雙折射膜層305和306的相對的側面304和307。光導310具有前表面301和相對的后表面302 (圖3B)。輸入部件360包括透明桿300，其包括沿著桿的長度的線性光柵。該光柵可以包括沿著透明桿300的長度布置的反射表面(諸如表面311)。通過提供用膠充滿的高度透明浮法玻璃的分隔開的方形片(諸如表面311)，膠的折射率選擇為使得膠和玻璃之間的介·質(zhì)界面是弱反射的，接著拋光以形成所說明的長方體桿，由此可以制成該透明桿300。透明桿可以用于提供在進入光輸入端部308時已經(jīng)準直的注入射線，使得光導的與光輸入端部相對的端部303不必是彎曲的反射性反射鏡。因而，我們可以通過抵靠光輸入邊緣放置長方體桿，抵靠緊挨著波導的光輸入邊緣的桿的側面或者貫穿桿的截面壓花形成弱衍射光柵，并且將諸如激光器或視頻投影儀的光源指向桿的端部，使得光在豎直朝向相對端部的方向上以準直方式規(guī)則地反射離開衍射光柵并且進入光導，由此形成準直的輸入。另外的細節(jié)見美國專利6，847，488。使用激光器的實施例具有的優(yōu)點在于，激光器的成本正變得更便宜并且在光導的反射端部不需要準直反射鏡，因此避免了該準直反射鏡可能引入的像差。圖3B說明圖3A的光導的截面圖，示出了前表面301和相對的后表面302。圖3C說明圖3A的透明桿中的光線，其包括來自一個或多個視頻投影儀的射線341以及經(jīng)由過渡區(qū)域330進入光導310的光輸入端部308的射線(諸如射線342)。光源340將光輸入到透明桿300的端部，光在該端部規(guī)則地反射離開線性光柵以及以準直方式反射到光導的光輸入端部。在另一個方法中，不是由方形(或其它矩形)的浮法玻璃形成，而是通過將桿配置成純玻璃的長方體并且利用衍射光柵對其壓花，由此形成桿中的光柵。在任一情形中，線性光柵沿著桿的長度被提供，并且光源將光輸入到透明桿的端部，所述光規(guī)則地反射離開衍射光柵并且以準直方式反射到光導的光輸入端部。在另一個方法中，將光敏顆?；旌系讲Ａе胁⑶彝ㄟ^使用一對激光束照射玻璃而在玻璃內(nèi)形成體積全息圖。圖3D1說明圖3A的光導設備的端視圖，示出了一個透明桿和兩個光源。說明了沿著透明桿延伸的反射表面(諸如表面311)的部分。在此方法中，來自兩個光源的光被輸入到桿300。來自光源340的光使用線偏振器343和四分之一波片342而偏振，而來自光源372的光使用線偏振器344和四分之一波片346與來自光源340的光正交地偏振。諸如透鏡的適當光學部件被用于使光路由到桿的端部。光源340和372可以是在驅(qū)動器控制電路350的控制下輸出相同圖像的視頻投影儀。所述視頻投影儀其中之一可以在給定時間被激活，或者所述視頻投影儀二者可以同時并且同步地被激活，例如輸出基本上相同的圖像。諸如通過投影從略微不同透視圖說明的相同場景，可以將3D圖像呈現(xiàn)給用戶。因而，來自光源340的圖像可以是具有一個透視圖的場景的圖像，并且來自光源372的圖像可以是具有略微不同透視圖的該場景的圖像?；蛘?，諸如通過投影從相同透視圖說明的相同場景，諸如通過投影相同視頻圖像，可以將3D圖像呈現(xiàn)給用戶。視頻投影儀例如可以由2D IXD微顯示器提供。微顯示器的每個像素可以作為點光源來分析。通過將視頻投影儀聚焦到透明桿300的一個端部中，并且按照來自視頻投影儀的光垂直地從透明桿發(fā)射到光導中的取向而毗鄰且平行于光導的光輸入端部308放置透明桿，可以將該光導用于提供平坦面板投影顯示器。圖3D2說明圖3A的光導設備的端視圖，示出了一個透明桿和一個光源。一個光源340經(jīng)由透鏡361提供光到由344和346形成的偏振器以及提供光到由343和342形成的偏振器。圖3E說明圖3A的光導設備的端視圖，示出了兩個透明桿300和370。
圖3F說明圖3E的兩個透明桿的透視圖，示出了用于每個桿的單獨光源。此處，在驅(qū)動器電路350控制下，視頻投影儀340、線偏振器343和四分之一波片342提供具有第一偏振的光到桿300中，并且視頻投影儀372、線偏振器344和四分之一波片346提供具有正交的第二偏振的光到桿370中。視頻投影儀340和372的軸可以與水平和豎直二者成角度，使得來自視頻投影儀的射線不平行于桿軸行進。另外，一對前端鍍銀的反射鏡可以放置在過渡區(qū)域330的對立側面，并且視頻投影儀應均勻地照射透明桿輸入以及通過前端鍍銀的反射鏡被呈現(xiàn)給視頻投影儀的透明桿輸入的三個圖像。注入的光沿著透明桿行進，從側面反射，使得光沒有損失，并且在每個反射鏡界面被部分反射，所述光在該反射鏡界面處離開桿并且進入光導。偏振器可以可替換地設于桿和光導的光輸入端部之間，類似于圖2A中說明的部件214、218和220。例如,線偏振器和四分之一波片可以設于每個桿與光導的光輸入端部之間。圖3G說明圖3E的兩個透明桿的透視圖，示出了用于兩個桿的單個光源。此處，視頻投影儀340或其它光源提供用于桿300和370 二者的光并且因而為第一和第二透明桿共用。來自視頻投影儀340的光經(jīng)由光學部件376被提供，經(jīng)由線偏振器343和四分之一波片342被提供到桿300，并且經(jīng)由線偏振器372和四分之一波片344被提供到桿370。圖4A說明光導設備，其包括楔形光導和兩個矩形板片以提供輸入光到楔形光導。在此方法中，可以是直長方體的單獨板片光導397毗鄰并且對接楔形光導380的厚端部385。板片光導397包括相對的側面388和390，光輸入端部389以及光輸出端部387。光導380包括分別具有雙折射膜層383和384的相對的側面382和385，光輸入端部385以及相對端部381。來自諸如視頻投影儀的光源392的光經(jīng)由透鏡371被輸入到板片光導397，在板片光導中扇出并且以準直方式進入光導380的光輸入邊緣385，如虛線箭頭所示。在一種方法中，來自光導的光使用線偏振器367和四分之一波片375而偏振。圖4B1說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有兩個光源的一個矩形板片。說明了前表面379和相對的后表面377。在一種方法中，相對的前表面和后表面不平行，前表面與光輸入端部385成直角并且后表面與光輸入端部385不成直角。在使用單個板片光導397的一個可能方法中，使用了兩個光源392和373。如前文那樣，光源392和373可以是在驅(qū)動器控制電路350控制下輸出相同圖像的視頻投影儀。所述視頻投影儀其中之一可以在給定時間被激活，或者所述視頻投影儀二者可以同時并且同步地被激活，例如輸出基本上相同的圖像。來自光源392的經(jīng)由線偏振器367、四分之一波片375以及透鏡371和369具有第一偏振的光被提供到單個板片光導397的光輸入端部389。類似地，來自光源373的經(jīng)由線偏振器394、四分之一波片396以及透鏡393和369具有正交的第二偏振的光被提供到單個板片光導397的光輸入端部389。在光導380內(nèi)反射之后,光從前表面379離開。圖4B2說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有一個光源的一個矩形板片。該一個光源392經(jīng)由透鏡366提供光到由367和375形成的偏振器以及由394和396形成的偏振器。圖4C說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有各自光源的兩個矩形板片。此處，第二板片光導398設為紙鄰第一板片光導397。來自光源392的經(jīng)由線偏振器367、四分之一波片375和透鏡371具有第一偏振的光被提供到板片光導398的光輸入端部。類·似地，來自光源373的經(jīng)由線偏振器394、四分之一波片396和透鏡393具有正交的第二偏振的光被提供到板片光導397的光輸入端部。偏振器可以可替換地設于透鏡371和393以及板片光導398和397的光輸入端部之間。例如，線偏振器和四分之一波片可以設于每個透鏡371和393與板片光導398和397的光輸入端部之間。圖4D說明圖4A的光導設備的截面圖，其中提供了具有單個光源的兩個矩形板片。此處，來自單個光源392的光被提供到板片光導398和397 二者的光輸入端部。光源392因而為第一和第二板片光導共用。經(jīng)由透鏡366和371、線偏振器367以及四分之一波片375具有第一偏振的光被提供到板片光導398。類似地，經(jīng)由透鏡366和371、線偏振器394和四分之一波片396具有正交的第二偏振的光被提供到板片光導397。圖5說明具有光柵的矩形光導。比如這是光導310或380的可能實施方式。長方體光導400可以按照與透明桿300相似方式形成并且包括光柵的不例反射表面430。在一個實施方式中，長方體光導400為直長方體,其包括光輸入端部408,相對的平行遠端406,前面或表面410，以及分別設有雙折射膜412和414的相對的側面402和404。圖6A說明使用圖3A的光導設備作為平視顯示器。平視顯示器例如可以在汽車、飛機、航海器或其它應用中使用。平視顯示器典型地不由用戶佩戴，而是附連到諸如汽車擋風玻璃的固定對象。在光導設備510中，如前所討論提供光導310以及將光輸入到光導310的透明桿300和370。光導310的前表面301讓光通過到達用戶的眼睛，從而呈現(xiàn)諸如海豚的虛像501。虛像可以被聚焦在比如距離用戶若干英尺處。當來自透明桿的圓偏振光進入光導310時，一些射線將撞擊反射端部，反彈離開反射端部，并且到達存在雙折射膜的長邊緣。這些射線被雙折射膜反射和加工，返回到光導，并且最后從光導的前表面301出射。特別地，當射線反射離開雙折射膜時，偏振狀態(tài)被切換到與當前狀態(tài)正交的狀態(tài)。也就是說，具有右手圓偏振的入射光在從雙折射膜反射時被切換到左手圓偏振，并且具有左手圓偏振的入射光在從雙折射膜反射時被切換到右手圓偏振。因而，當我們使在光輸入端部的照明是圓偏振時，從光導的前表面301離開的光也將是圓偏振。
為了提供線偏振光，可以提供諸如四分之一波片的后偏振器502，其將圓偏振光轉換為被用戶508看到的線偏振光。例如，如果四分之一波片將右手圓偏振光轉換為水平線性偏振狀態(tài)，則需要將左手圓偏振光轉換為豎直線性偏振狀態(tài)。利用電磁輻射的線性偏振或平面偏振，電場矢量或磁場矢量沿著傳播方向被約束到指定平面。因此，所述方向其中之一將被傳遞給用戶并且其它方向被阻止，由此提供觀看隱私。如果我們考慮三維，光導的光輸入端部為一個維度。射線在第二維度上撞擊位于側面的膜，并且被正交地切換。隨后在第三維度中存在可以是水平地面對的平面的出射面301，在那里光依次反彈離開三維系統(tǒng)的三個軸中的每一個。所有光在到達位于側面上的雙折射膜之前，反彈離開遠離光源的反射性或反射鏡端部。通過使用雙折射膜切換偏振狀態(tài)，這消除了陰影，因為反射的光填充由不反彈離開側面的光留下的間隙。主要束不撞擊側面并且它只是行進穿過波導并且從表面出來并且形成成角度行進的光。在不被照明的區(qū)域中，在陰影或間隙中，在對稱對立方向上進入的其它射線反彈離開側面并且偏振狀態(tài)被旋轉，使得它們可以穿過后偏振器502離開。反彈離 開側面的射線將對稱地填充沒有反彈離開側面的第一組射線的陰影。沒有反彈離開第二組側面的射線的偏振將不旋轉并且將不穿過偏振器。我們因此使用后偏振器502在光離開光導100之后選擇所有期望的射線。對于具有第一偏振的光源，不從光導的側面反射的任何光線被后偏振器502吸收，因為它們都被設置在這樣的偏振狀態(tài)如果該偏振狀態(tài)不改變，光線將被吸收。來自側面的反射射線是僅有的穿過偏振器502的射線，因為那些反射射線改變了它們的偏振狀態(tài)。另一方面，對于具有正交的第二偏振的光源，來自側面的反射射線被后偏振器502吸收并且不從側面反射的射線被后偏振器通過。通過消除陰影，我們可以使用光導的所有前表面301作為顯示器。比如當用作背光時，我們避免了這樣的需要，即，使背光大于LCD，使得陰影不擴展到用戶正在看的區(qū)域中。成本和尺寸因此可以降低。此陰影消除技術適用于其中目標是產(chǎn)生準直光的背光，并且可以使用LED、激光器或視頻投影儀光源。另外，該概念與掃描光的設備相關。光導設備510還可以包括諸如攝像機的眼睛跟蹤部件514以跟蹤用戶的眼睛的位置，使得虛像的位置可以基于用戶正在觀看的方向而被調(diào)節(jié)。在示例方法中，眼睛跟蹤部件514包括朝向眼睛發(fā)射紅外(IR)光的IR發(fā)射體以及檢測反射的IR光的IR傳感器。通過已知成像技術，諸如探測角膜的反射，可以確定瞳孔的位置。例如，參考通過引用結合于此的2008年7月22日授權給Ophir等人的發(fā)明名稱為〃Head mounted eye tracking anddisplay system"的美國專利7，401，920。這種技術可以定位眼睛的中心相對于跟蹤攝像機的位置。通常，眼睛跟蹤涉及獲得眼睛的圖像以及使用計算機視覺技術來確定瞳孔在眼窩里的位置。其它眼睛跟蹤技術可以使用光電探測器和LED的陣列。典型地，由于眼睛一致地運動，因此跟蹤用戶的眼睛的其中一個是足夠的。然而，還可以單獨地跟蹤每個眼睛以及使用每個眼睛的位置確定虛像的位置。注意，光導可以在任何取向中旋轉，使得輸入部件可以在光導的任何側面并且不需要如說明的那樣位于底部。圖6B說明使用圖3A的光導設備作為頭戴式顯示器。在一種方法中，光導設備520包括光導310以及附連到與常規(guī)眼鏡框架類似的用戶佩戴的框架524的透明桿300和370。比如可以提供單獨光導設備用于每只眼睛。另外，與攝像機514類似的眼睛跟蹤攝像機516可以被提供以確定用戶的眼睛相對于框架的位置，并且相應地調(diào)節(jié)虛像的位置。再者，通過使用慣性測量單元522跟蹤用戶的頭部的位置，可以確定用戶508正在觀看的方向，該慣性測量單元諸如經(jīng)由框架524附連到用戶的頭部。慣性測量單元可以包括三軸磁力計、三軸陀螺儀以及三軸加速度計，用于檢測頭戴式顯示器的位置、取向和突然加速度。在一種方法中，慣性測量單元522和/或眼睛跟蹤攝像機516經(jīng)由無線鏈路523與計算設備530無線通信。作為應答，該計算設備確定在用戶的視場內(nèi)在何處顯示虛像501并且將相應指令傳遞到視頻投影儀。例如，會期望定位該虛像，使得它看上去是從在房間中處于已知位置的電視機呈現(xiàn)。響應于指令，適當?shù)墓庠幢惶峁┑焦鈱?。光導設備520包括IXD面板504，其布置成從線偏振器502接收線偏振光。還可以提供LCD的前偏振器506。如所提及，后偏振器區(qū)別從楔離開的兩組射線，也就是說，區(qū)別右和左手圓偏振射線。它區(qū)別選擇我們想要的射線。反射的射線反彈離開側面并且它們的偏 振狀態(tài)被切換到不被選擇的偏振，使得用戶將不會看到它們，因為它們將被LCD的后偏振器吸收。LCD的像素可以被控制以形成被用戶看到的圖像。圖6C說明在后表面上具有反射鏡的圖3A的光導設備的使用。在此方法中，反射鏡542設于光導310的后表面302上從而將光反射回波導中，反射到前表面301,由此提高效率。圖6D說明使用圖4A的光導設備作為平視顯不器。在光導設備550中，反射鏡552可選地設于光導380的后表面上。因此可以看出，給出了一種光導設備，其可以用準直光照明液晶面板，使得面板上的圖像在任何時刻只可以從一個位置被看到。與在所有方向上發(fā)射光的傳統(tǒng)背光相比的優(yōu)點在于，為了使用戶看到置于背光前方的液晶顯示器上的圖像所需的電力更少。另外，用戶具有隱私，因為只有它們看得到該顯示器。這的衍生是掃描背光，其中掃描準直方向的能力意味著當用戶的眼睛四處移動時，照明可以連續(xù)地被引導到用戶的眼睛，并且單獨圖像可以依次顯示到眼睛，使得用戶看到自動立體(3D)圖像。出于說明和描述的目的給出了此處技術的前述詳細描述。它不意圖是窮舉的或者將該技術限制到所公開的確切形式。依照上述教導有可能進行許多調(diào)整和變動。選擇所描述的實施例以最佳地解釋該技術的原理及其實際應用，由此使得本領域其他技術人員能夠針對所考慮的具體用途而在各種實施例中以及利用各種調(diào)整來最佳地利用該技術。該技術的范圍意圖由所附權利要求界定。
權利要求
1.一種光導設備，包括 光導，該光導包括光輸入端部和相對端部，連接到光輸入端部和相對端部的平行的相對的左側面和右側面，連接到光輸入端部和相對端部的相對的前表面和后表面，以及位于相對的左側面和右側面上的雙折射膜，該雙折射膜切換入射光的偏振；以及 位于光輸入端部的輸入部件，所述輸入部件提供具有第一偏振的光到光輸入端部以及具有與第一偏振正交的第二偏振的光到光輸入端部。
2.權利要求I的光導設備，其中 第一偏振為右手圓偏振； 第二偏振為左手圓偏振；以及 雙折射膜將具有右手圓偏振的入射光切換到左手圓偏振，并且將具有左手圓偏振的入射光切換到右手圓偏振。
3.權利要求I或2的光導設備，其中輸入部件包括 第一和第二組分立光源； 布置在第一組分立光源和光輸入端部之間的傳遞第一偏振的第一偏振器；以及 布置在第二組分立光源和光輸入端部之間的傳遞第二偏振的第二偏振器。
4.權利要求I或2的光導設備，其中 輸入部件包括紙鄰光輸入端部的第一和第二透明桿，每個第一和第二透明桿具有沿著透明桿的長度的光柵；以及該光導設備還包括 提供具有第一偏振的光到第一透明桿的端部從而提供具有第一偏振的準直光到光輸入端部的光源和關聯(lián)偏振器；以及 提供具有第二偏振的光到第二透明桿的端部從而提供具有第二偏振的準直光到光輸入端部的光源和關聯(lián)偏振器。
5.權利要求I或2的光導設備，其中 輸入部件包括毗鄰光輸入端部的透明桿，透明桿具有沿著透明桿的長度的光柵；以及 該光導設備還包括 至少一個光源； 提供具有第一偏振的光到透明桿的端部從而提供具有第一偏振的準直光到光輸入端部的一個偏振器；以及 提供具有第二偏振的光到透明桿的端部從而提供具有第二偏振的準直光到光輸入端部的另一偏振器。
6.權利要求I或2的光導設備，其中 輸入部件包括Btt鄰光輸入端部的第一和第二板片光導；以及 該光導設備還包括 提供具有第一偏振的光到第一板片光導的端部從而提供具有第一偏振的準直光到光輸入端部的光源和關聯(lián)偏振器；以及 提供具有第二偏振的光到第二板片光導的端部從而提供具有第二偏振的準直光到光輸入端部的光源和關聯(lián)偏振器。
7.權利要求I或2的光導設備，其中輸入部件包括毗鄰光輸入端部的板片光導；以及 該光導設備還包括 至少一個光源； 提供具有第一偏振的光到板片光導的端部從而提供具有第一偏振的準直光到光輸入端部的一個偏振器；以及 提供具有第二偏振的光到板片光導的端部從而提供具有第二偏振的準直光到光輸入端部的另一偏振器。
8.權利要求I至9中任意一項的光導設備，還包括 布置成接收從前表面出射的光的線偏振器，該線偏振器將出射光的圓偏振改變?yōu)榫€性偏振。
9.一種使用光導設備的方法，包括 輸入光到光導的光輸入端部，該光導包括與光輸入端部相對的相對端部，連接到光輸入端部和相對端部的平行的相對的左側面和右側面，連接到光輸入端部和相對端部的相對的前表面和后表面，以及位于相對的左側面和右側面上的雙折射膜；以及 使用雙折射膜切換入射光的偏振； 其中輸入光包括提供具有第一偏振的光到光輸入端部以及提供具有與第一偏振正交的第二偏振的光到光輸入端部。
10.權利要求9的方法，其中 第一偏振為右手圓偏振； 第二偏振為左手圓偏振；以及 雙折射膜將具有右手圓偏振的入射光切換到左手圓偏振，并且將具有左手圓偏振的入射光切換到右手圓偏振。
全文摘要
一種光導設備可以提供用于LCD或投影顯示器的背光。該光導設備包括光輸入端部和相對端部，連接光輸入端部和相對端部的相對的左側面和右側面，以及連接光輸入端部和相對端部的相對的前表面和后表面。雙折射膜設于光導的相對的左側面和右側面上，該雙折射膜切換入射光的偏振。除了具有左手圓偏振的光，在光輸入端部提供具有右手圓偏振的入射光。從前表面發(fā)射的光穿過線偏振器，該線偏振器選擇性地讓光通過以允許用戶觀看隱私?？梢允褂靡粋€或多個長方體桿、板片光導或分立光源，在光輸入端部提供入射光。
文檔編號F21V8/00GK102893200SQ201180025930
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月26日
發(fā)明者A.特拉維斯, N.埃默頓, T.拉奇 申請人:微軟公司