本發(fā)明涉及一種用于顯示設(shè)備的背光，其特別適用于其中圖像顯示在窄范圍的輸出方向上的顯示設(shè)備。一個(gè)示例是自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其包括具有顯示像素陣列的顯示面板和用于向不同物理位置引導(dǎo)不同視圖的裝置。另一示例是防窺顯示裝置，其中只在觀看者的方向上提供顯示圖像。

背景技術(shù)：

已知的自動(dòng)立體顯示設(shè)備包括二維液晶顯示面板，該二維液晶顯示面板具有顯示像素的行和列的陣列(其中一個(gè)“像素”典型地包括一組“子像素”，并且“子像素”是單獨(dú)可尋址的、單色的最小圖像元件)，其充當(dāng)了圖像形成裝置以產(chǎn)生顯示。彼此平行延伸的細(xì)長透鏡的陣列覆蓋顯示像素陣列并且充當(dāng)視圖形成裝置。這些透鏡被稱為“柱狀透鏡(lenticularlens)”。來自顯示像素的輸出穿過這些柱狀透鏡被投射，所述柱狀透鏡起到修改輸出方向的作用。

柱狀透鏡設(shè)置為透鏡元件的板狀物，每個(gè)透鏡元件包括細(xì)長的半圓柱型透鏡元件。柱狀透鏡在顯示面板的列方向上延伸，每個(gè)柱狀透鏡覆蓋顯示子像素的兩個(gè)或更多個(gè)相鄰列的相應(yīng)的組。

每個(gè)柱狀透鏡可以與兩列顯示子像素相關(guān)聯(lián)，以使得用戶能夠觀察到單個(gè)立體圖像。替代性地，每個(gè)柱狀透鏡可以與行方向上的三個(gè)或更多個(gè)相鄰顯示子像素的組相關(guān)聯(lián)。每個(gè)組中的顯示子像素的對應(yīng)列適當(dāng)?shù)夭贾贸蓮南鄳?yīng)的二維子圖像提供垂直分片(slice)。隨著用戶的頭部從左向右移動(dòng)，觀察到一系列連續(xù)的、不同的、立體的視圖，這創(chuàng)建了例如環(huán)顧印象。

圖1是已知的直視式自動(dòng)立體顯示設(shè)備1的示意性透視圖。已知的設(shè)備1包括有源矩陣型的液晶顯示面板3，其充當(dāng)空間光調(diào)制器以產(chǎn)生顯示。

顯示面板3具有顯示子像素5的行和列的正交陣列。為了清楚起見，圖中只示出了少數(shù)的顯示子像素5。實(shí)際上，顯示面板3可以包括大約一千行和幾千列顯示子像素5。在黑白顯示面板中，子像素實(shí)際上構(gòu)成了完整的像素。在彩色顯示裝置中，子像素是全彩像素的一個(gè)顏色組件。根據(jù)通用術(shù)語，全彩像素包括對于創(chuàng)建所顯示的最小圖像部分的所有顏色而言所必須的所有子像素。因此，例如，全彩像素可以具有紅色(r)、綠色(g)和藍(lán)色(b)子像素，可能增加白色子像素或者一個(gè)或多個(gè)其他基本顏色子像素。液晶顯示面板3的結(jié)構(gòu)是完全常規(guī)的。特別地，面板3包括一對間隔的透明玻璃基板，它們之間設(shè)置有排列的扭曲向列型的液晶材料或其他液晶材料?；逶谒鼈兊拿鎸Φ谋砻嫔铣休d了透明氧化銦錫(ito)電極的圖案。在各基板的外表面上還設(shè)置有偏振層。

每個(gè)顯示子像素5包括在各基板上的相對的電極，在相對的電極之間具有介于中間的液晶材料。顯示子像素5的形狀和布局由電極的形狀和布局確定。顯示子像素5有規(guī)律地通過間隙彼此間隔開。

每個(gè)顯示子像素5與開關(guān)元件(諸如薄膜晶體管(tft)或薄膜二極管(tfd))相關(guān)聯(lián)。通過向開關(guān)元件提供尋址信號(hào)，操控顯示像素以產(chǎn)生顯示，并且對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，合適的尋址方案是已知的。

顯示面板3由光源7照亮，在這種情況下，光源7包括在顯示像素陣列的區(qū)域之上延伸的平面背光。來自光源7的光被定向穿過顯示面板3，獨(dú)立的各顯示子像素5被驅(qū)動(dòng)以調(diào)制光并產(chǎn)生顯示。背光7具有側(cè)邊緣7a和7b、頂邊緣7c和底邊緣7d。其具有前面，光從所述前面輸出。

顯示設(shè)備1還包括透鏡板9，其布置在顯示面板3的顯示側(cè)之上，該透鏡板執(zhí)行導(dǎo)光功能并且因此執(zhí)行視圖形成功能。透鏡板9包括彼此平行地延伸的透鏡元件11的行，為了清晰起見，僅以放大的尺寸示出了透鏡元件中的一個(gè)。

透鏡元件11的形式為凸面的(半)圓柱型透鏡，每一個(gè)具有垂直于該元件的圓柱彎曲部分延伸的細(xì)長軸12，并且每個(gè)元件充當(dāng)光輸出定向裝置，該光輸出定向裝置用于從顯示面板3向位于顯示設(shè)備1前方的用戶的眼睛提供不同的圖像或視圖。

顯示設(shè)備具有控制背光和顯示面板的控制器13。

圖1中示出的自動(dòng)立體顯示設(shè)備1能夠在不同的方向上提供若干不同的透視圖，即，它能夠?qū)⑾袼剌敵龆ㄏ虻斤@示設(shè)備的視場內(nèi)的不同的空間位置。特別地，每個(gè)透鏡元件11覆蓋每一行中的顯示子像素5的小組，其中在當(dāng)前示例中，行垂直于透鏡元件11的細(xì)長軸延伸。透鏡元件11在不同的方向上投射組的每個(gè)顯示子像素5的輸出，以便形成若干不同的視圖。隨著用戶的頭部從左向右移動(dòng)，他/她的眼睛將依次接收到若干視圖中的不同視圖。

圖2更詳細(xì)地示出了上面描述的透鏡型成像裝置的操作原理，并且示出了背光20、顯示設(shè)備24、液晶顯示面板和透鏡陣列28的橫截面。圖2示出了透鏡裝置28的透鏡27如何將像素組中的像素26’、26”和26”’的輸出定向到顯示設(shè)備前方的相應(yīng)的三個(gè)不同的空間位置22’、22”和22”’。不同的位置22’、22”和22”’是三個(gè)不同視圖的部分。

以類似的方式，顯示像素26’、26”和26”’的相同輸出由裝置28的透鏡27’定向到相應(yīng)的三個(gè)其他的不同空間位置25’、25”和25”’。在三個(gè)空間位置22’至22”’定義第一視區(qū)或視錐29’的同時(shí)，三個(gè)空間位置25’至25”’定義第二視錐29”。應(yīng)理解，取決于能夠定向像素組(其諸如由像素26’至26”’形成)的輸出的陣列中柱狀透鏡的數(shù)量，存在更多的這樣的視錐(未示出)。視錐填充顯示設(shè)備的整個(gè)視場。

上述視圖定向原理導(dǎo)致在從一個(gè)視錐到另一個(gè)視錐時(shí)發(fā)生視圖重復(fù)，因?yàn)樵诿總€(gè)視錐內(nèi)，相同的像素輸出顯示在特定的視圖中。因此，在圖2的示例中，空間位置22”和25”提供相同的視圖，但是分別位于不同的視錐29’和29”中。換句話說，特定的視圖在所有的視錐內(nèi)示出相同的內(nèi)容。在視錐之間的邊界處，在末端視圖之間存在跳躍，從而破壞自動(dòng)立體效果。

該問題的解決方案是，例如通過將背光設(shè)計(jì)成具有方向性輸出而只允許單個(gè)視錐。wo2011/145031公開了定義具有單個(gè)視錐輸出的顯示裝置的各種方法。

使用準(zhǔn)直背光來控制視圖可以被觀看的方向，例如對于若干不同的應(yīng)用而言是已知的，這些應(yīng)用包括視線跟蹤應(yīng)用、防窺面板以及亮度增強(qiáng)面板。這種準(zhǔn)直背光的一個(gè)已知組件是提取其全部光的光發(fā)生組件，光發(fā)生組件的形式為大約以柱狀透鏡的節(jié)距間隔開的薄發(fā)光條的陣列，該柱狀透鏡也是背光的部分。

圖3示出了這種構(gòu)造，其中背光7包括條狀光發(fā)射器的陣列30，正透鏡陣列32以及位于透鏡陣列和發(fā)射器之間的復(fù)制結(jié)構(gòu)34。透鏡陣列32準(zhǔn)直來自薄發(fā)光條的陣列30的光。這樣的背光可以由一系列發(fā)射元件形成，所述發(fā)射元件諸如oled條或led的排。

然而，這種解決方案制造起來昂貴并且易于失效，這是由于在oled的情況下的短的壽命。

發(fā)光元件的廣角發(fā)射圖案還同時(shí)照亮多個(gè)透鏡，并且因此它們?nèi)匀粍?chuàng)建視錐重復(fù)。

用于顯示裝置的背光照明和前光照明的邊緣發(fā)光式波導(dǎo)(edgelitwaveguide)不昂貴且耐用。因此，有利的是，圍繞邊緣發(fā)光技術(shù)來構(gòu)建準(zhǔn)直背光組件。然而，已知的邊緣發(fā)光式波導(dǎo)被設(shè)計(jì)成遍及波導(dǎo)的整個(gè)表面提供光輸出的最大均勻性，并且因而沒有設(shè)計(jì)成用于產(chǎn)生大約以組合透鏡的節(jié)距間隔開的薄光條的陣列。

圖4示出了邊緣發(fā)光式波導(dǎo)40的示意圖。該波導(dǎo)包括波導(dǎo)材料，諸如具有頂面40a、底面40b和側(cè)邊緣40c的固體材料的平板。存在由于圖4的橫截面是在橫向的一側(cè)到另一側(cè)的方向上選取而在圖4中看不到的頂邊緣和底邊緣。波導(dǎo)在平面圖中大致呈矩形。(在矩形的頂側(cè)和底側(cè)的)波導(dǎo)的頂邊緣和底邊緣對應(yīng)于相關(guān)的顯示裝置的頂部和底部，并且(在矩形的左側(cè)和右側(cè)的)側(cè)邊緣對應(yīng)于相關(guān)的顯示裝置的左側(cè)和右側(cè)。從圖4中的左側(cè)，光從光源42耦入，并且在波導(dǎo)底部設(shè)置有若干耦出結(jié)構(gòu)44。光在具有高度h的波導(dǎo)中以角度θin傳播。此示例中的耦出結(jié)構(gòu)44被描繪為具有半頂角α、高度h和寬度w的半棱鏡。

波導(dǎo)形成為由例如玻璃或聚碳酸酯制成的電介質(zhì)平板。在該平板中，當(dāng)光進(jìn)行傳播時(shí)，邊界處的全內(nèi)反射使光被限制。平板的邊緣典型地用于耦入光并且小的結(jié)構(gòu)44局部地將光耦出波導(dǎo)。

如果假設(shè)光在波導(dǎo)的一個(gè)邊緣上被耦入，則結(jié)構(gòu)的耦出效率應(yīng)當(dāng)遍及波導(dǎo)變化以確保均勻的耦出。結(jié)構(gòu)的耦出效率可以以不同的方來調(diào)節(jié)。例如，如果結(jié)構(gòu)類似于棱鏡狀的形狀(或棱鏡的一半)，則耦出效率可以通過改變棱鏡的高度h、通過改變半頂角α或通過改變這兩者來修改。

本發(fā)明基于波導(dǎo)型背光的優(yōu)化，該背光用于自動(dòng)立體顯示裝置或防窺顯示裝置，特別是使得能夠產(chǎn)生條狀輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明由權(quán)利要求限定。

根據(jù)一個(gè)示例，提供了一種顯示背光，包括：

波導(dǎo)材料，其具有折射率nwg，并且具有平行的頂面和底面，以及一對相對的側(cè)邊緣，其中光輸出來自于頂面；

光源裝置，用于在所述相對的側(cè)邊緣中的一個(gè)或兩個(gè)處將光提供到波導(dǎo)材料內(nèi)；以及

光耦出結(jié)構(gòu)的陣列，其形成在平行的頂面或底面處，用于重定向光，從而使得光在光耦出結(jié)構(gòu)的位置逸出波導(dǎo)，

其中，光耦出結(jié)構(gòu)提供具有一定范圍的輸出方向的逸出光，所述范圍被限制為小于180度并且與頂面的平面在角度上間隔開。

以這種方式，光耦出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生小于180度寬、并且可以窄得多的輸出射束，使得實(shí)現(xiàn)至少部分準(zhǔn)直功能。另外，輸出射束不被頂面消減，使得輸出射束大致向前定向并且不包括平行于頂面的分量。這意味著，輸出射束的橫向方向可以通過合適的設(shè)計(jì)被選擇，同時(shí)保持相同的角度擴(kuò)展。這些條件因此使得背光的設(shè)計(jì)能夠被調(diào)整，以從背光并且在期望的方向上提供輸出射束的期望角度。以這種方式，當(dāng)與顯示裝置組合使用時(shí)，能夠控制所顯示的圖像向用戶輸出的方向。特別地，這可以應(yīng)用于防窺顯示裝置和自動(dòng)立體顯示裝置中。

進(jìn)一步地，光耦出結(jié)構(gòu)的每一個(gè)包括伸入到波導(dǎo)材料內(nèi)的突起，每個(gè)突起具有射束重定向面，其與垂直于頂面和底面的方向形成角度。波導(dǎo)材料具有凹口，其用于提供光耦出，并且這些凹口可以位于波導(dǎo)的頂部或底部。

背光適于與波導(dǎo)材料外部、頂面之上的折射率nout一起使用，并且其中對于折射率比率m＝nwg/nout：

且

其中，α是射束定向面與法線方向的夾角。

折射率值和重定向面的傾角之間的這些關(guān)系導(dǎo)致來自背光的期望的光學(xué)輸出方向，所述光學(xué)輸出方向受到限制(即小于180度)且不被消減(即輸出角度的子范圍被限定為大致集中在整體180度輸出之內(nèi))。折射率比率m典型地低于常規(guī)波導(dǎo)材料。

在一個(gè)示例中，所有的光耦出結(jié)構(gòu)具有相同的射束重定向面角α。這意味著來自不同的光耦出結(jié)構(gòu)的所有的光輸出都限定為平行細(xì)射束。

在另一示例中，光耦出結(jié)構(gòu)包括多個(gè)集合，每個(gè)集合內(nèi)的光耦出結(jié)構(gòu)具有相同的射束重定向面角α，并且不同的集合具有不同的射束重定向面角α。這意味著來自不同的光耦出結(jié)構(gòu)的光輸出限定了平行細(xì)射束的集合。這可以用于通過使用不同的細(xì)射束照亮顯示面板的不同像素而在不同的方向上提供不同的圖像。

光耦出結(jié)構(gòu)的每一個(gè)可以包括從頂邊緣跨越到底邊緣的列，并且其中顯示背光還包括位于波導(dǎo)材料之上的柱狀透鏡的陣列，每個(gè)透鏡覆蓋相關(guān)聯(lián)的光耦出列或相關(guān)聯(lián)的多個(gè)光耦出列。

這些列用于形成條狀背光輸出。條狀輸出然后照亮透鏡，并且這用于創(chuàng)建準(zhǔn)直輸出以在期望的方向上提供輸出，例如用于防窺顯示裝置。

輸出方向β的范圍可以選擇為：

β＝2tan^-1(p/2e)

其中p為柱狀透鏡的節(jié)距，并且e為從光耦出結(jié)構(gòu)到透鏡陣列的光學(xué)路徑長度。

這定義了可以防止視錐重復(fù)的裝置。特別地，角寬度與柱狀透鏡匹配，使得每個(gè)耦出射束只入射到一個(gè)透鏡上。

對于所有光耦出結(jié)構(gòu)具有相同的射束重定向面角α的示例，每個(gè)柱狀透鏡可以例如以單個(gè)的相關(guān)聯(lián)的光耦出列為中心，角α為45度，并且從每個(gè)光耦出列重定向的光具有角寬度，使得只有一個(gè)柱狀透鏡基本上被來自光耦出列的反射光照亮。

通過確保來自光耦出列的光只到達(dá)一個(gè)透鏡，可以定義單個(gè)視錐。

對于光耦出結(jié)構(gòu)包括多個(gè)集合的示例，每個(gè)透鏡可以例如覆蓋來自每個(gè)集合的一個(gè)光耦出列，其中來自每個(gè)光耦出列的光具有角寬度，使得一個(gè)柱狀透鏡的僅一部分被來自光耦出列的重定向光照亮。

以這種方式，一個(gè)透鏡可以針對位于該透鏡下方的不同的光耦出列在不同的輸出方向上生成輸出細(xì)射束。這可以用于在不同方向上呈現(xiàn)不同的圖像，例如用于自動(dòng)立體顯示裝置。

在一組示例中，每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)的射束重定向面可以包括反射面，并且光耦出結(jié)構(gòu)設(shè)置在底面上。該底面于是使用反射來產(chǎn)生輸出光列。此反射可以基于全內(nèi)反射或者突起可以具有反射涂層。

光源裝置可以用于為兩個(gè)側(cè)邊緣提供光，并且每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)于是包括形成角α的一對反射面，其位于頂面和底面的法線的相對側(cè)。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)從兩個(gè)相對的邊緣進(jìn)行照明。

在此示例中，折射率可以滿足1.05＜m＜1.22。

在另一組示例中，光耦出結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在頂面上，并且其中波導(dǎo)材料的頂面設(shè)置有填充突起的涂層，其中該涂層的折射率高于波導(dǎo)材料的折射率nwg。這使得能夠從頂面中的突起實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射。

再次，光耦出結(jié)構(gòu)的每一個(gè)可以包括從頂邊緣跨越到底邊緣的列。

在此示例中，折射率可以滿足m＜1.05，例如m＜1.01。

自動(dòng)立體顯示設(shè)備或防窺顯示裝置可以將背光與具有用于產(chǎn)生顯示圖像的顯示像素的陣列的顯示面板進(jìn)行組合，顯示面板由背光照亮。

另一方面提供了一種自動(dòng)立體顯示設(shè)備，包括：

如上面限定的背光，其利用光耦出結(jié)構(gòu)的多個(gè)集合；以及

顯示面板，其具有用于產(chǎn)生顯示圖像的顯示像素的陣列，顯示面板由背光照亮，

其中，顯示設(shè)備還包括設(shè)置在顯示面板之上的柱狀透鏡的另一陣列，在顯示背光的透鏡和該另一陣列的透鏡之間具有一對一映射。

光耦出結(jié)構(gòu)的多個(gè)集合使得能夠產(chǎn)生多個(gè)視圖，并且另一透鏡陣列使得能夠產(chǎn)生另外的視圖。

顯示背光的透鏡例如是正透鏡，而另一陣列的透鏡是負(fù)透鏡。顯示面板可以包括lcd面板，不過也可以使用其他透射型顯示面板。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中：

圖1是已知的自動(dòng)立體顯示設(shè)備的示意性透視圖；

圖2是圖1所示顯示設(shè)備的示意性橫截面圖；

圖3示出使用條狀發(fā)射器的已知的定向背光設(shè)計(jì)；

圖4示出使用邊緣發(fā)光式波導(dǎo)的已知的背光設(shè)計(jì)；

圖5用于提供圖4的波導(dǎo)的光學(xué)功能的分析；

圖6示出來自圖4和5的波導(dǎo)的輸出的角寬度的分析；

圖7示出圖6中所圖示的功能如何定義出三個(gè)單獨(dú)的區(qū)域；

圖8示出定向背光的第一示例；

圖9示出自動(dòng)立體顯示裝置的第一示例；

圖10示出自動(dòng)立體顯示裝置的第二示例；

圖11示出自動(dòng)立體顯示裝置的第三示例；以及

圖12用于示出不同的光耦出結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的光學(xué)重定向功能。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種顯示背光，包括邊緣發(fā)光式波導(dǎo)，該邊緣發(fā)光式波導(dǎo)具有光耦出結(jié)構(gòu)的陣列，每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)包括伸入到波導(dǎo)內(nèi)的突起。每個(gè)突起具有射束重定向面，該射束重定向面與法線形成角α。角α和波導(dǎo)以及波導(dǎo)外部(輸出面之上)的折射率設(shè)計(jì)成滿足各種關(guān)系，這確保光學(xué)輸出可以被選擇成處于大致向前的方向上期望的角度范圍內(nèi)(并且因此不被消減)。

本發(fā)明是基于對來自波導(dǎo)背光的光學(xué)輸出的特性的分析。

光從波導(dǎo)耦出的角度主要由耦出結(jié)構(gòu)的各參數(shù)確定。在棱鏡狀結(jié)構(gòu)的示例中，光基于該結(jié)構(gòu)的半頂角α被重定向到另一角度。該半角對應(yīng)于棱鏡形狀的側(cè)表面相對于法線方向的角度。另外，耦出射束的寬度主要取決于波導(dǎo)的折射率nwg與波導(dǎo)外部的折射率nout的比率m。

圖5示出波導(dǎo)40的一部分以闡明出射射束的方向的計(jì)算。波導(dǎo)與波導(dǎo)外部之間的折射率比率(m＝nwg/nout)定義了臨界角：

θc＝sin^-1(1/m)

折射率比率m應(yīng)大于1，以便能夠在波導(dǎo)內(nèi)部引導(dǎo)任何光。以大于臨界角的角度入射表面的光將被全內(nèi)反射。這意味著存在能夠穿過波導(dǎo)傳播的一定范圍的角度：

θin＝[-90°+θc，90°-θc]

波導(dǎo)中的任何耦出結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐怦畛霾▽?dǎo)。在此示例中，每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)包括反射面形式的射束重定向面，并且光耦出結(jié)構(gòu)設(shè)置在波導(dǎo)40的底面上。來自光耦出結(jié)構(gòu)的反射以下述方式將光在波導(dǎo)中傳播的角度從θin變?yōu)棣萺efl：

θrefl＝2α-θin-90°

若反射后的光的角度滿足|θrefl|＜θc，則該光耦出波導(dǎo)。當(dāng)光耦出時(shí)，其還在界面處折射。因此，所得到的出射方向θout為：

θout＝sin^-1[msin(θrefl)]＝sin^-1[msin(2α-θin-90°)](1)

存在能夠修改光的方向以便將其導(dǎo)出波導(dǎo)的不同的耦出結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)不必位于波導(dǎo)的底部，而還可能的是，結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)的頂部。在本文檔中討論的棱鏡結(jié)構(gòu)因此不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的，而應(yīng)當(dāng)僅僅被認(rèn)為是示例。本發(fā)明對于其他的耦出結(jié)構(gòu)也是有效的，但這些結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的對方向的改變可以通過與此示例中使用的半頂角α不同的參數(shù)來描述。附圖、等式和條件于是應(yīng)當(dāng)被相應(yīng)地改變以反映這一區(qū)別。

可以通過使用等式(1)計(jì)算波導(dǎo)內(nèi)部的角度范圍的最小和最大出射角而得到耦出射束的角寬度β。在圖6中，角寬度作為半頂角α和折射率比率m的函數(shù)而被標(biāo)繪。

圖6示出存在不同的區(qū)域，其中虛線47、48表示邊界。以這種方式，基于參數(shù)α和m可以識(shí)別出三種單獨(dú)的區(qū)域：

(i)無論值α和m為何，出射射束的角度范圍總是[-90，90]的區(qū)域。

(ii)角度范圍的一個(gè)邊緣是-90度或90度(被消減)的區(qū)域。

(iii)角度范圍的兩個(gè)邊緣在[-90，90]內(nèi)從而使得出射射束可以在此范圍內(nèi)被操縱的區(qū)域。

只有在最后一個(gè)區(qū)域中，可以創(chuàng)建未被消減的完全可操縱的出射射束。

在圖7中，三個(gè)不同的區(qū)域表示為(i)、(ii)和(iii)。

對于被空氣包圍的由例如聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)制成的典型的波導(dǎo)(nwg＝1.49，因此m＝1.49)，不可能創(chuàng)建未消減的可操縱的射束。本發(fā)明因此利用導(dǎo)致比常規(guī)波導(dǎo)更小的折射率比率的材料的其他組合，以便使得能夠控制射束寬度和方向，并且防止光耦出結(jié)構(gòu)提供的射束的消減。

例如可以通過使用pmma與某些膠粘物的組合以形成具有小折射率差的兩種不同材料來實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的所期望的更低的折射率比率。經(jīng)摻雜的玻璃(例如摻雜有鍺(geo2)的玻璃)被廣泛用于光纖技術(shù)中。此外，未摻雜的玻璃和經(jīng)摻雜的玻璃一起可以定義期望的低折射率差。

只有在區(qū)域(iii)中，耦出射束可以通過改變耦出結(jié)構(gòu)的半頂角α來操縱。在區(qū)域(i)中，耦出射束總是180度寬，并且改變半頂角α不會(huì)改變射束方向。在區(qū)域(ii)中，耦出射束總是在一側(cè)被消減。

對于某些應(yīng)用來說，能夠遍及波導(dǎo)將光的出射射束定向到不同的方向而沒有消減是有利的。這種方向性于是需要出射射束明顯小于180度。

期望未消減的射束的一個(gè)非常相關(guān)的示例是在波導(dǎo)和透鏡陣列用于創(chuàng)建準(zhǔn)直背光時(shí)。如果出射射束的角度范圍過寬，將引起不想要的視錐重復(fù)，該視錐重復(fù)創(chuàng)建多于一個(gè)的準(zhǔn)直射束。

基于上面的分析，本發(fā)明提供一種限制于區(qū)域(iii)的背光設(shè)計(jì)。波導(dǎo)具有折射率nwg并且具有半頂角為α的耦出結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)處于周圍材料中，該周圍材料的折射率為nout，使得滿足下面兩個(gè)條件：

這些條件意味著耦出射束可以通過改變角α被自由操縱而不被消減。

在由這些關(guān)系限定的總的區(qū)域內(nèi)，可以進(jìn)一步限制條件以匹配不同實(shí)施例的具體需要。

第一實(shí)施例提供了一種設(shè)計(jì)，其避免條狀背光中的視錐重復(fù)。

在圖8中示出了背光50。它包括如上所述的波導(dǎo)40。此示例示出，波導(dǎo)40由具有兩個(gè)光源42的光源裝置從兩個(gè)橫向側(cè)邊緣照亮。光源例如可以包括led或ccfl(冷陰極熒光燈)。

每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)44包括從波導(dǎo)40的頂邊緣跨越到底邊緣的列(因而圖8是行方向上的橫截面)。在波導(dǎo)40之上，背光具有柱狀透鏡56的陣列54。每個(gè)透鏡56覆蓋相關(guān)聯(lián)的光耦出列44。

在此示例中，所有的光耦出結(jié)構(gòu)44具有相同的射束重定向面角α，并且每個(gè)柱狀透鏡56以單個(gè)相關(guān)聯(lián)的光耦出列44為中心。由每個(gè)光耦出列44重定向的光具有角寬度β，從而使得只有一個(gè)柱狀透鏡56被來自光耦出列44的光照亮。

耦出結(jié)構(gòu)44被設(shè)計(jì)成使得光從波導(dǎo)40垂直地耦出。以棱鏡狀結(jié)構(gòu)為例，半頂角α為：

α＝45°

耦出射束的角寬度β現(xiàn)在可以通過使用等式1來計(jì)算，并且等于：

為了防止視錐重復(fù)，角寬度與波導(dǎo)頂部的柱狀透鏡56相匹配，使得每個(gè)耦出射束只入射到一個(gè)透鏡上。這可以通過使β＝2tan^-1(p/2e)來實(shí)現(xiàn)。

其中，p為透鏡節(jié)距，且e為從耦出結(jié)構(gòu)44到透鏡56的光學(xué)路徑長度。

通過結(jié)合這些等式，波導(dǎo)與柱狀透鏡之間的所需的折射率比率m應(yīng)當(dāng)為：

當(dāng)p→0。

β的更大的值需要增加光學(xué)像差的更強(qiáng)的透鏡，而β的更小的值改進(jìn)了光學(xué)質(zhì)量但導(dǎo)致更厚的光學(xué)疊層。如果我們在20到45度的范圍內(nèi)對β取值，則m的典型值在大約1.05到1.23的范圍內(nèi)獲得，并且因此可能的是利用實(shí)際材料來實(shí)現(xiàn)這一比率。

無論是光源42附近還是邊緣處，可以遍及整個(gè)面板從波導(dǎo)提供均勻耦出。例如，可以沿著波導(dǎo)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的高度以改變每個(gè)結(jié)構(gòu)的相對耦出。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這是已知的方法。

圖8的實(shí)施例產(chǎn)生了準(zhǔn)直輸出。這可以用于例如防窺顯示裝置中。

圖9所示的第二實(shí)施例是基于形成沒有視錐重復(fù)的自動(dòng)立體顯示裝置。

這是基于wo2005/031412中所示的總體架構(gòu)。

波導(dǎo)40具有設(shè)置在頂面上的光耦出結(jié)構(gòu)44。再次，這些結(jié)構(gòu)包括伸入到波導(dǎo)內(nèi)的突起。另外，波導(dǎo)材料的頂面設(shè)置有涂層52，其填充突起44且可選的還在頂部之上提供層。涂層具有比波導(dǎo)材料的折射率nwg更高的折射率，以便光耦出結(jié)構(gòu)再次允許光的逸出。光越過低到高的折射率邊界進(jìn)入凹槽，并且然后通過全內(nèi)反射在高到低的折射率邊界處被反射。這種經(jīng)反射的光從波導(dǎo)40逸出。再次，存在反射面，但是在這種情況下，反射必須通過全內(nèi)反射。

再次，每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)44包括從頂邊緣跨越到底邊緣的列，以便形成照明的條。

形式為lcd面板的顯示面板3設(shè)置在背光50之上。lcd面板自身被用作屏障(也被稱為屏障型自動(dòng)立體顯示裝置)，因此，不存在柱狀透鏡裝置。

注意，在背光和lcd面板之間可以提供可切換的漫射器以使設(shè)備在2d和3d模式之間可切換。這在本申請人的wo2005/031412中示出。

上面解釋的概念可以應(yīng)用于此類型的背光。選擇值m使得光以很小的重疊或不重疊地扇出以照亮lcd面板(與圖8所示的方式相同)，由此創(chuàng)建沒有視錐重復(fù)且具有最小數(shù)量的組件的自動(dòng)立體顯示裝置。

與m對應(yīng)的空氣中的錐角γ為：

耦出結(jié)構(gòu)44和lcd面板之間的間隔e由上面解釋的內(nèi)角β和凹槽的節(jié)距p得出。如果e稍微更大一些，則兩個(gè)最外的視圖具有串?dāng)_。如果e稍微更小一些，則最外的視圖具有更小的強(qiáng)度。這兩者導(dǎo)致有用的視錐尺寸的有效減小，但可以在渲染中得到補(bǔ)償。因此，間隔e可以在光學(xué)值的80％到120％之內(nèi)。

對于此實(shí)施例，典型地，m＜1.05，或者甚至m＜1.01。折射率的這些非常小的差異對于在光纖的制造中所使用的材料而言是常見的。

圖9的示例通過使用顯示面板實(shí)現(xiàn)了屏障功能，并且該屏障在不同的方向上提供了不同視圖的定向。

圖10示出背光在不同方向上實(shí)現(xiàn)了不同視圖的定向的示例。為此目的，光耦出結(jié)構(gòu)包括多個(gè)集合。第一集合包括光耦出結(jié)構(gòu)44a，并且第二集合包括光耦出結(jié)構(gòu)44b。在每個(gè)集合內(nèi)，光耦出結(jié)構(gòu)具有相同的射束重定向面角α。然而，不同的集合具有不同的射束重定向面角α。這在圖10中示出。

每個(gè)透鏡56覆蓋來自每個(gè)集合的一個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)44a、44b，并且來自每個(gè)光耦出結(jié)構(gòu)的光具有角寬度β，使得一個(gè)柱狀透鏡的僅一部分被來自光耦出結(jié)構(gòu)的重定向光照亮。

顯示面板3設(shè)置在透鏡和波導(dǎo)疊層的頂部之上。這種設(shè)計(jì)提供空間交錯(cuò)的準(zhǔn)直射束。

設(shè)計(jì)疊層使得透鏡只有部分被每個(gè)出射射束照亮。所創(chuàng)建的視圖的數(shù)量等于光耦出結(jié)構(gòu)的集合的數(shù)量，即，在示出的示例中的兩個(gè)。為了創(chuàng)建兩個(gè)視圖，每個(gè)出射射束應(yīng)該只覆蓋透鏡的一半。一般地，這通過使出射射束的角寬度β等于下述值來實(shí)現(xiàn)：

其中，n為所期望的視圖的數(shù)量。因此，對于圖10的示例，n＝2。注意，圖8實(shí)質(zhì)上等同于圖10，不過n＝1，并且因此適合于單視圖的顯示裝置，諸如防窺顯示裝置。

另外，每個(gè)相鄰的耦出結(jié)構(gòu)44(在垂直于透鏡的方向上相鄰)應(yīng)當(dāng)在不同方向上耦出光，并且與定位于更遠(yuǎn)處的耦出結(jié)構(gòu)n在相同的方向上耦出光。這些不同的方向可以通過使用上面的等式1調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的角α和折射率比率m來實(shí)現(xiàn)。

光耦出結(jié)構(gòu)44位于透鏡下面的正確位置，使得n個(gè)不同準(zhǔn)直方向的光從背光射出。光之后入射到顯示面板3，在該處內(nèi)容可被編碼至光場中以使其成為n視圖自動(dòng)立體顯示裝置。

每個(gè)透鏡具有對應(yīng)于多個(gè)子像素的寬度的節(jié)距，所述多個(gè)子像素的數(shù)量等于視圖的數(shù)量。因此，每個(gè)子像素在不同方向上成像。

為了創(chuàng)建多于n個(gè)視圖(其由背光創(chuàng)建)，可以在疊層頂部、在顯示面板3之上設(shè)置負(fù)透鏡60的陣列，如圖11所示。

每個(gè)透鏡60還具有對應(yīng)于多個(gè)子像素的組合寬度的節(jié)距，所述多個(gè)子像素的數(shù)量等于視圖的數(shù)量。因此，透鏡60具有與透鏡56相同的寬度，并且因此在顯示背光的透鏡和另一陣列的透鏡之間存在一對一映射。

在這種情況下，從顯示裝置創(chuàng)建的視圖的數(shù)量多于光耦出結(jié)構(gòu)的集合的數(shù)量。在圖11中，存在兩個(gè)集合，但有六個(gè)視圖。由于六個(gè)子像素中的每一個(gè)都位于負(fù)透鏡60的不同部分的下方，因此它們每一個(gè)被成像到不同的位置，如箭頭62所示。

因此，每個(gè)子像素在不同的方向上成像。

注意，負(fù)透鏡陣列可以添加到圖8的示例中，以便以同樣的方式從單個(gè)視圖(n＝1)轉(zhuǎn)化成多個(gè)視圖。

如在上面的示例中所述，可能的是遍及整個(gè)面板從波導(dǎo)提供均勻的耦出。

如上面所提到的，本發(fā)明可以應(yīng)用于光耦出結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)中，并且所給出的等式只針對一組示例。圖12示出兩種不同的可能的光耦出結(jié)構(gòu)，其可以在圖9的波導(dǎo)的頂部使用，以示出不同的設(shè)計(jì)需要不同的數(shù)學(xué)解決方案。

上面的圖示出了突起，其具有執(zhí)行折射的形成角γ的輸入面，以及執(zhí)行反射的形成角α的輸出面。

下面的圖示出了突起，其具有垂直于波導(dǎo)平面的輸入面(即γ＝0)，以及執(zhí)行反射的形成角α的輸出面。

盡管反射面角α相同，光學(xué)重定向不同，使得用于限定產(chǎn)生未消減且窄的輸出射束的設(shè)計(jì)范圍的等式不同。然而，通過使用上面的教導(dǎo)，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，如何模仿耦出性能并且之后選擇所需要的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)具備創(chuàng)造性的優(yōu)點(diǎn)。

通過研究附圖、所公開的內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明時(shí)，可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求中，詞語“包括”并不排除其他的元件或步驟，并且不定冠詞“一(a或an)”不排除復(fù)數(shù)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉了某些措施的純粹事實(shí)并不表示這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。