CN107079147B - 具有输出方向控制的显示设备及用于这种显示设备的背光 - Google Patents

Abstract

一种显示背光，包括边缘发光式波导，该边缘发光式波导具有光耦出结构的阵列，光耦出结构的每一个例如包括伸入到波导内的突起。每个突起具有射束重定向面，其与法线形成角a。将角a和波导的折射率以及波导外部(输出面之上)的折射率设计为满足各种关系，这确保可以将光学输出选为处于大致向前的方向上的期望的角度范围内(并且因此不被消减)。

Description

具有输出方向控制的显示设备及用于这种显示设备的背光

技术领域

本发明涉及一种用于显示设备的背光，其特别适用于其中图像显示在窄范围的输出方向上的显示设备。一个示例是自动立体显示设备，其包括具有显示像素阵列的显示面板和用于向不同物理位置引导不同视图的装置。另一示例是防窥显示装置，其中只在观看者的方向上提供显示图像。

背景技术

已知的自动立体显示设备包括二维液晶显示面板，该二维液晶显示面板具有显示像素的行和列的阵列(其中一个“像素”典型地包括一组“子像素”，并且“子像素”是单独可寻址的、单色的最小图像元件)，其充当了图像形成装置以产生显示。彼此平行延伸的细长透镜的阵列覆盖显示像素阵列并且充当视图形成装置。这些透镜被称为“柱状透镜(lenticular lens)”。来自显示像素的输出穿过这些柱状透镜被投射，所述柱状透镜起到修改输出方向的作用。

柱状透镜设置为透镜元件的板状物，每个透镜元件包括细长的半圆柱型透镜元件。柱状透镜在显示面板的列方向上延伸，每个柱状透镜覆盖显示子像素的两个或更多个相邻列的相应的组。

每个柱状透镜可以与两列显示子像素相关联，以使得用户能够观察到单个立体图像。替代性地，每个柱状透镜可以与行方向上的三个或更多个相邻显示子像素的组相关联。每个组中的显示子像素的对应列适当地布置成从相应的二维子图像提供垂直分片(slice)。随着用户的头部从左向右移动，观察到一系列连续的、不同的、立体的视图，这创建了例如环顾印象。

图1是已知的直视式自动立体显示设备1的示意性透视图。已知的设备1包括有源矩阵型的液晶显示面板3，其充当空间光调制器以产生显示。

显示面板3具有显示子像素5的行和列的正交阵列。为了清楚起见，图中只示出了少数的显示子像素5。实际上，显示面板3可以包括大约一千行和几千列显示子像素5。在黑白显示面板中，子像素实际上构成了完整的像素。在彩色显示装置中，子像素是全彩像素的一个颜色组件。根据通用术语，全彩像素包括对于创建所显示的最小图像部分的所有颜色而言所必须的所有子像素。因此，例如，全彩像素可以具有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)子像素，可能增加白色子像素或者一个或多个其他基本颜色子像素。液晶显示面板3的结构是完全常规的。特别地，面板3包括一对间隔的透明玻璃基板，它们之间设置有排列的扭曲向列型的液晶材料或其他液晶材料。基板在它们的面对的表面上承载了透明氧化铟锡(ITO)电极的图案。在各基板的外表面上还设置有偏振层。

每个显示子像素5包括在各基板上的相对的电极，在相对的电极之间具有介于中间的液晶材料。显示子像素5的形状和布局由电极的形状和布局确定。显示子像素5有规律地通过间隙彼此间隔开。

每个显示子像素5与开关元件(诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD))相关联。通过向开关元件提供寻址信号，操控显示像素以产生显示，并且对本领域技术人员而言，合适的寻址方案是已知的。

显示面板3由光源7照亮，在这种情况下，光源7包括在显示像素阵列的区域之上延伸的平面背光。来自光源7的光被定向穿过显示面板3，独立的各显示子像素5被驱动以调制光并产生显示。背光7具有侧边缘7a和7b、顶边缘7c和底边缘7d。其具有前面，光从所述前面输出。

显示设备1还包括透镜板9，其布置在显示面板3的显示侧之上，该透镜板执行导光功能并且因此执行视图形成功能。透镜板9包括彼此平行地延伸的透镜元件11的行，为了清晰起见，仅以放大的尺寸示出了透镜元件中的一个。

透镜元件11的形式为凸面的(半)圆柱型透镜，每一个具有垂直于该元件的圆柱弯曲部分延伸的细长轴12，并且每个元件充当光输出定向装置，该光输出定向装置用于从显示面板3向位于显示设备1前方的用户的眼睛提供不同的图像或视图。

显示设备具有控制背光和显示面板的控制器13。

图1中示出的自动立体显示设备1能够在不同的方向上提供若干不同的透视图，即，它能够将像素输出定向到显示设备的视场内的不同的空间位置。特别地，每个透镜元件11覆盖每一行中的显示子像素5的小组，其中在当前示例中，行垂直于透镜元件11的细长轴延伸。透镜元件11在不同的方向上投射组的每个显示子像素5的输出，以便形成若干不同的视图。随着用户的头部从左向右移动，他/她的眼睛将依次接收到若干视图中的不同视图。

图2更详细地示出了上面描述的透镜型成像装置的操作原理，并且示出了背光20、显示设备24、液晶显示面板和透镜阵列28的横截面。图2示出了透镜装置28的透镜27如何将像素组中的像素26’、26”和26”’的输出定向到显示设备前方的相应的三个不同的空间位置22’、22”和22”’。不同的位置22’、22”和22”’是三个不同视图的部分。

以类似的方式，显示像素26’、26”和26”’的相同输出由装置28的透镜27’定向到相应的三个其他的不同空间位置25’、25”和25”’。在三个空间位置22’至22”’定义第一视区或视锥29’的同时，三个空间位置25’至25”’定义第二视锥29”。应理解，取决于能够定向像素组(其诸如由像素26’至26”’形成)的输出的阵列中柱状透镜的数量，存在更多的这样的视锥(未示出)。视锥填充显示设备的整个视场。

上述视图定向原理导致在从一个视锥到另一个视锥时发生视图重复，因为在每个视锥内，相同的像素输出显示在特定的视图中。因此，在图2的示例中，空间位置22”和25”提供相同的视图，但是分别位于不同的视锥29’和29”中。换句话说，特定的视图在所有的视锥内示出相同的内容。在视锥之间的边界处，在末端视图之间存在跳跃，从而破坏自动立体效果。

该问题的解决方案是，例如通过将背光设计成具有方向性输出而只允许单个视锥。WO 2011/145031公开了定义具有单个视锥输出的显示装置的各种方法。

使用准直背光来控制视图可以被观看的方向，例如对于若干不同的应用而言是已知的，这些应用包括视线跟踪应用、防窥面板以及亮度增强面板。这种准直背光的一个已知组件是提取其全部光的光发生组件，光发生组件的形式为大约以柱状透镜的节距间隔开的薄发光条的阵列，该柱状透镜也是背光的部分。

图3示出了这种构造，其中背光7包括条状光发射器的阵列30，正透镜阵列32以及位于透镜阵列和发射器之间的复制结构34。透镜阵列32准直来自薄发光条的阵列30的光。这样的背光可以由一系列发射元件形成，所述发射元件诸如OLED条或LED的排。

然而，这种解决方案制造起来昂贵并且易于失效，这是由于在OLED的情况下的短的寿命。

发光元件的广角发射图案还同时照亮多个透镜，并且因此它们仍然创建视锥重复。

用于显示装置的背光照明和前光照明的边缘发光式波导(edge lit waveguide)不昂贵且耐用。因此，有利的是，围绕边缘发光技术来构建准直背光组件。然而，已知的边缘发光式波导被设计成遍及波导的整个表面提供光输出的最大均匀性，并且因而没有设计成用于产生大约以组合透镜的节距间隔开的薄光条的阵列。

图4示出了边缘发光式波导40的示意图。该波导包括波导材料，诸如具有顶面40a、底面40b和侧边缘40c的固体材料的平板。存在由于图4的横截面是在横向的一侧到另一侧的方向上选取而在图4中看不到的顶边缘和底边缘。波导在平面图中大致呈矩形。(在矩形的顶侧和底侧的)波导的顶边缘和底边缘对应于相关的显示装置的顶部和底部，并且(在矩形的左侧和右侧的)侧边缘对应于相关的显示装置的左侧和右侧。从图4中的左侧，光从光源42耦入，并且在波导底部设置有若干耦出结构44。光在具有高度H的波导中以角度θ_in传播。此示例中的耦出结构44被描绘为具有半顶角α、高度h和宽度w的半棱镜。

波导形成为由例如玻璃或聚碳酸酯制成的电介质平板。在该平板中，当光进行传播时，边界处的全内反射使光被限制。平板的边缘典型地用于耦入光并且小的结构44局部地将光耦出波导。

如果假设光在波导的一个边缘上被耦入，则结构的耦出效率应当遍及波导变化以确保均匀的耦出。结构的耦出效率可以以不同的方来调节。例如，如果结构类似于棱镜状的形状(或棱镜的一半)，则耦出效率可以通过改变棱镜的高度h、通过改变半顶角α或通过改变这两者来修改。

本发明基于波导型背光的优化，该背光用于自动立体显示装置或防窥显示装置，特别是使得能够产生条状输出。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据一个示例，提供了一种显示背光，包括：

波导材料，其具有折射率n_wg，并且具有平行的顶面和底面，以及一对相对的侧边缘，其中光输出来自于顶面；

光源装置，用于在所述相对的侧边缘中的一个或两个处将光提供到波导材料内；以及

光耦出结构的阵列，其形成在平行的顶面或底面处，用于重定向光，从而使得光在光耦出结构的位置逸出波导，

其中，光耦出结构提供具有一定范围的输出方向的逸出光，所述范围被限制为小于180度并且与顶面的平面在角度上间隔开。

以这种方式，光耦出结构产生小于180度宽、并且可以窄得多的输出射束，使得实现至少部分准直功能。另外，输出射束不被顶面消减，使得输出射束大致向前定向并且不包括平行于顶面的分量。这意味着，输出射束的横向方向可以通过合适的设计被选择，同时保持相同的角度扩展。这些条件因此使得背光的设计能够被调整，以从背光并且在期望的方向上提供输出射束的期望角度。以这种方式，当与显示装置组合使用时，能够控制所显示的图像向用户输出的方向。特别地，这可以应用于防窥显示装置和自动立体显示装置中。

进一步地，光耦出结构的每一个包括伸入到波导材料内的突起，每个突起具有射束重定向面，其与垂直于顶面和底面的方向形成角度。波导材料具有凹口，其用于提供光耦出，并且这些凹口可以位于波导的顶部或底部。

背光适于与波导材料外部、顶面之上的折射率n_out一起使用，并且其中对于折射率比率m＝n_wg/n_out：

且

其中，α是射束定向面与法线方向的夹角。

折射率值和重定向面的倾角之间的这些关系导致来自背光的期望的光学输出方向，所述光学输出方向受到限制(即小于180度)且不被消减(即输出角度的子范围被限定为大致集中在整体180度输出之内)。折射率比率m典型地低于常规波导材料。

在一个示例中，所有的光耦出结构具有相同的射束重定向面角α。这意味着来自不同的光耦出结构的所有的光输出都限定为平行细射束。

在另一示例中，光耦出结构包括多个集合，每个集合内的光耦出结构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。这意味着来自不同的光耦出结构的光输出限定了平行细射束的集合。这可以用于通过使用不同的细射束照亮显示面板的不同像素而在不同的方向上提供不同的图像。

光耦出结构的每一个可以包括从顶边缘跨越到底边缘的列，并且其中显示背光还包括位于波导材料之上的柱状透镜的阵列，每个透镜覆盖相关联的光耦出列或相关联的多个光耦出列。

这些列用于形成条状背光输出。条状输出然后照亮透镜，并且这用于创建准直输出以在期望的方向上提供输出，例如用于防窥显示装置。

输出方向β的范围可以选择为：

β＝2tan^-1(p/2e)

其中p为柱状透镜的节距，并且e为从光耦出结构到透镜阵列的光学路径长度。

这定义了可以防止视锥重复的装置。特别地，角宽度与柱状透镜匹配，使得每个耦出射束只入射到一个透镜上。

对于所有光耦出结构具有相同的射束重定向面角α的示例，每个柱状透镜可以例如以单个的相关联的光耦出列为中心，角α为45度，并且从每个光耦出列重定向的光具有角宽度，使得只有一个柱状透镜基本上被来自光耦出列的反射光照亮。

通过确保来自光耦出列的光只到达一个透镜，可以定义单个视锥。

对于光耦出结构包括多个集合的示例，每个透镜可以例如覆盖来自每个集合的一个光耦出列，其中来自每个光耦出列的光具有角宽度，使得一个柱状透镜的仅一部分被来自光耦出列的重定向光照亮。

以这种方式，一个透镜可以针对位于该透镜下方的不同的光耦出列在不同的输出方向上生成输出细射束。这可以用于在不同方向上呈现不同的图像，例如用于自动立体显示装置。

在一组示例中，每个光耦出结构的射束重定向面可以包括反射面，并且光耦出结构设置在底面上。该底面于是使用反射来产生输出光列。此反射可以基于全内反射或者突起可以具有反射涂层。

光源装置可以用于为两个侧边缘提供光，并且每个光耦出结构于是包括形成角α的一对反射面，其位于顶面和底面的法线的相对侧。这使得能够实现从两个相对的边缘进行照明。

在此示例中，折射率可以满足1.05＜m＜1.22。

在另一组示例中，光耦出结构可以设置在顶面上，并且其中波导材料的顶面设置有填充突起的涂层，其中该涂层的折射率高于波导材料的折射率n_wg。这使得能够从顶面中的突起实现全内反射。

再次，光耦出结构的每一个可以包括从顶边缘跨越到底边缘的列。

在此示例中，折射率可以满足m＜1.05，例如m＜1.01。

自动立体显示设备或防窥显示装置可以将背光与具有用于产生显示图像的显示像素的阵列的显示面板进行组合，显示面板由背光照亮。

另一方面提供了一种自动立体显示设备，包括：

如上面限定的背光，其利用光耦出结构的多个集合；以及

显示面板，其具有用于产生显示图像的显示像素的阵列，显示面板由背光照亮，

其中，显示设备还包括设置在显示面板之上的柱状透镜的另一阵列，在显示背光的透镜和该另一阵列的透镜之间具有一对一映射。

光耦出结构的多个集合使得能够产生多个视图，并且另一透镜阵列使得能够产生另外的视图。

显示背光的透镜例如是正透镜，而另一阵列的透镜是负透镜。显示面板可以包括LCD面板，不过也可以使用其他透射型显示面板。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1是已知的自动立体显示设备的示意性透视图；

图2是图1所示显示设备的示意性横截面图；

图3示出使用条状发射器的已知的定向背光设计；

图4示出使用边缘发光式波导的已知的背光设计；

图5用于提供图4的波导的光学功能的分析；

图6示出来自图4和5的波导的输出的角宽度的分析；

图7示出图6中所图示的功能如何定义出三个单独的区域；

图8示出定向背光的第一示例；

图9示出自动立体显示装置的第一示例；

图10示出自动立体显示装置的第二示例；

图11示出自动立体显示装置的第三示例；以及

图12用于示出不同的光耦出结构导致不同的光学重定向功能。

具体实施方式

本发明提供了一种显示背光，包括边缘发光式波导，该边缘发光式波导具有光耦出结构的阵列，每个光耦出结构包括伸入到波导内的突起。每个突起具有射束重定向面，该射束重定向面与法线形成角α。角α和波导以及波导外部(输出面之上)的折射率设计成满足各种关系，这确保光学输出可以被选择成处于大致向前的方向上期望的角度范围内(并且因此不被消减)。

本发明是基于对来自波导背光的光学输出的特性的分析。

光从波导耦出的角度主要由耦出结构的各参数确定。在棱镜状结构的示例中，光基于该结构的半顶角α被重定向到另一角度。该半角对应于棱镜形状的侧表面相对于法线方向的角度。另外，耦出射束的宽度主要取决于波导的折射率n_wg与波导外部的折射率n_out的比率m。

图5示出波导40的一部分以阐明出射射束的方向的计算。波导与波导外部之间的折射率比率(m＝n_wg/n_out)定义了临界角：

θ_c＝sin^-1(1/m)

折射率比率m应大于1，以便能够在波导内部引导任何光。以大于临界角的角度入射表面的光将被全内反射。这意味着存在能够穿过波导传播的一定范围的角度：

θ_in＝[-90°+θ_c，90°-θ_c]

波导中的任何耦出结构能够将光耦出波导。在此示例中，每个光耦出结构包括反射面形式的射束重定向面，并且光耦出结构设置在波导40的底面上。来自光耦出结构的反射以下述方式将光在波导中传播的角度从θ_in变为θ_refl：

θ_refl＝2α-θ_in-90°

若反射后的光的角度满足|θ_refl|＜θ_c，则该光耦出波导。当光耦出时，其还在界面处折射。因此，所得到的出射方向θ_out为：

θ_out＝sin^-1[msin(θ_refl)]＝sin^-1[msin(2α-θ_in-90°)] (1)

存在能够修改光的方向以便将其导出波导的不同的耦出结构。所述结构不必位于波导的底部，而还可能的是，结构位于波导的顶部。在本文档中讨论的棱镜结构因此不应当被认为是限制性的，而应当仅仅被认为是示例。本发明对于其他的耦出结构也是有效的，但这些结构所实现的对方向的改变可以通过与此示例中使用的半顶角α不同的参数来描述。附图、等式和条件于是应当被相应地改变以反映这一区别。

可以通过使用等式(1)计算波导内部的角度范围的最小和最大出射角而得到耦出射束的角宽度β。在图6中，角宽度作为半顶角α和折射率比率m的函数而被标绘。

图6示出存在不同的区域，其中虚线47、48表示边界。以这种方式，基于参数α和m可以识别出三种单独的区域：

(i)无论值α和m为何，出射射束的角度范围总是[-90，90]的区域。

(ii)角度范围的一个边缘是-90度或90度(被消减)的区域。

(iii)角度范围的两个边缘在[-90，90]内从而使得出射射束可以在此范围内被操纵的区域。

只有在最后一个区域中，可以创建未被消减的完全可操纵的出射射束。

在图7中，三个不同的区域表示为(i)、(ii)和(iii)。

对于被空气包围的由例如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)制成的典型的波导(n_wg＝1.49，因此m＝1.49)，不可能创建未消减的可操纵的射束。本发明因此利用导致比常规波导更小的折射率比率的材料的其他组合，以便使得能够控制射束宽度和方向，并且防止光耦出结构提供的射束的消减。

例如可以通过使用PMMA与某些胶粘物的组合以形成具有小折射率差的两种不同材料来实现波导的所期望的更低的折射率比率。经掺杂的玻璃(例如掺杂有锗(GeO₂)的玻璃)被广泛用于光纤技术中。此外，未掺杂的玻璃和经掺杂的玻璃一起可以定义期望的低折射率差。

只有在区域(iii)中，耦出射束可以通过改变耦出结构的半顶角α来操纵。在区域(i)中，耦出射束总是180度宽，并且改变半顶角α不会改变射束方向。在区域(ii)中，耦出射束总是在一侧被消减。

对于某些应用来说，能够遍及波导将光的出射射束定向到不同的方向而没有消减是有利的。这种方向性于是需要出射射束明显小于180度。

期望未消减的射束的一个非常相关的示例是在波导和透镜阵列用于创建准直背光时。如果出射射束的角度范围过宽，将引起不想要的视锥重复，该视锥重复创建多于一个的准直射束。

基于上面的分析，本发明提供一种限制于区域(iii)的背光设计。波导具有折射率n_wg并且具有半顶角为α的耦出结构，该波导处于周围材料中，该周围材料的折射率为n_out，使得满足下面两个条件：

这些条件意味着耦出射束可以通过改变角α被自由操纵而不被消减。

在由这些关系限定的总的区域内，可以进一步限制条件以匹配不同实施例的具体需要。

第一实施例提供了一种设计，其避免条状背光中的视锥重复。

在图8中示出了背光50。它包括如上所述的波导40。此示例示出，波导40由具有两个光源42的光源装置从两个横向侧边缘照亮。光源例如可以包括LED或CCFL(冷阴极荧光灯)。

每个光耦出结构44包括从波导40的顶边缘跨越到底边缘的列(因而图8是行方向上的横截面)。在波导40之上，背光具有柱状透镜56的阵列54。每个透镜56覆盖相关联的光耦出列44。

在此示例中，所有的光耦出结构44具有相同的射束重定向面角α，并且每个柱状透镜56以单个相关联的光耦出列44为中心。由每个光耦出列44重定向的光具有角宽度β，从而使得只有一个柱状透镜56被来自光耦出列44的光照亮。

耦出结构44被设计成使得光从波导40垂直地耦出。以棱镜状结构为例，半顶角α为：

α＝45°

耦出射束的角宽度β现在可以通过使用等式1来计算，并且等于：

为了防止视锥重复，角宽度与波导顶部的柱状透镜56相匹配，使得每个耦出射束只入射到一个透镜上。这可以通过使β＝2tan^-1(p/2e)来实现。

其中，p为透镜节距，且e为从耦出结构44到透镜56的光学路径长度。

通过结合这些等式，波导与柱状透镜之间的所需的折射率比率m应当为：

当p→0。

β的更大的值需要增加光学像差的更强的透镜，而β的更小的值改进了光学质量但导致更厚的光学叠层。如果我们在20到45度的范围内对β取值，则m的典型值在大约1.05到1.23的范围内获得，并且因此可能的是利用实际材料来实现这一比率。

无论是光源42附近还是边缘处，可以遍及整个面板从波导提供均匀耦出。例如，可以沿着波导调节结构的高度以改变每个结构的相对耦出。对本领域技术人员来说这是已知的方法。

图8的实施例产生了准直输出。这可以用于例如防窥显示装置中。

图9所示的第二实施例是基于形成没有视锥重复的自动立体显示装置。

这是基于WO 2005/031412中所示的总体架构。

波导40具有设置在顶面上的光耦出结构44。再次，这些结构包括伸入到波导内的突起。另外，波导材料的顶面设置有涂层52，其填充突起44且可选的还在顶部之上提供层。涂层具有比波导材料的折射率n_wg更高的折射率，以便光耦出结构再次允许光的逸出。光越过低到高的折射率边界进入凹槽，并且然后通过全内反射在高到低的折射率边界处被反射。这种经反射的光从波导40逸出。再次，存在反射面，但是在这种情况下，反射必须通过全内反射。

再次，每个光耦出结构44包括从顶边缘跨越到底边缘的列，以便形成照明的条。

形式为LCD面板的显示面板3设置在背光50之上。LCD面板自身被用作屏障(也被称为屏障型自动立体显示装置)，因此，不存在柱状透镜装置。

注意，在背光和LCD面板之间可以提供可切换的漫射器以使设备在2D和3D模式之间可切换。这在本申请人的WO 2005/031412中示出。

上面解释的概念可以应用于此类型的背光。选择值m使得光以很小的重叠或不重叠地扇出以照亮LCD面板(与图8所示的方式相同)，由此创建没有视锥重复且具有最小数量的组件的自动立体显示装置。

与m对应的空气中的锥角γ为：

耦出结构44和LCD面板之间的间隔e由上面解释的内角β和凹槽的节距p得出。如果e稍微更大一些，则两个最外的视图具有串扰。如果e稍微更小一些，则最外的视图具有更小的强度。这两者导致有用的视锥尺寸的有效减小，但可以在渲染中得到补偿。因此，间隔e可以在光学值的80％到120％之内。

对于此实施例，典型地，m＜1.05，或者甚至m＜1.01。折射率的这些非常小的差异对于在光纤的制造中所使用的材料而言是常见的。

图9的示例通过使用显示面板实现了屏障功能，并且该屏障在不同的方向上提供了不同视图的定向。

图10示出背光在不同方向上实现了不同视图的定向的示例。为此目的，光耦出结构包括多个集合。第一集合包括光耦出结构44a，并且第二集合包括光耦出结构44b。在每个集合内，光耦出结构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。这在图10中示出。

每个透镜56覆盖来自每个集合的一个光耦出结构44a、44b，并且来自每个光耦出结构的光具有角宽度β，使得一个柱状透镜的仅一部分被来自光耦出结构的重定向光照亮。

显示面板3设置在透镜和波导叠层的顶部之上。这种设计提供空间交错的准直射束。

设计叠层使得透镜只有部分被每个出射射束照亮。所创建的视图的数量等于光耦出结构的集合的数量，即，在示出的示例中的两个。为了创建两个视图，每个出射射束应该只覆盖透镜的一半。一般地，这通过使出射射束的角宽度β等于下述值来实现：

其中，N为所期望的视图的数量。因此，对于图10的示例，N＝2。注意，图8实质上等同于图10，不过N＝1，并且因此适合于单视图的显示装置，诸如防窥显示装置。

另外，每个相邻的耦出结构44(在垂直于透镜的方向上相邻)应当在不同方向上耦出光，并且与定位于更远处的耦出结构N在相同的方向上耦出光。这些不同的方向可以通过使用上面的等式1调节结构的角α和折射率比率m来实现。

光耦出结构44位于透镜下面的正确位置，使得N个不同准直方向的光从背光射出。光之后入射到显示面板3，在该处内容可被编码至光场中以使其成为N视图自动立体显示装置。

每个透镜具有对应于多个子像素的宽度的节距，所述多个子像素的数量等于视图的数量。因此，每个子像素在不同方向上成像。

为了创建多于N个视图(其由背光创建)，可以在叠层顶部、在显示面板3之上设置负透镜60的阵列，如图11所示。

每个透镜60还具有对应于多个子像素的组合宽度的节距，所述多个子像素的数量等于视图的数量。因此，透镜60具有与透镜56相同的宽度，并且因此在显示背光的透镜和另一阵列的透镜之间存在一对一映射。

在这种情况下，从显示装置创建的视图的数量多于光耦出结构的集合的数量。在图11中，存在两个集合，但有六个视图。由于六个子像素中的每一个都位于负透镜60的不同部分的下方，因此它们每一个被成像到不同的位置，如箭头62所示。

因此，每个子像素在不同的方向上成像。

注意，负透镜阵列可以添加到图8的示例中，以便以同样的方式从单个视图(N＝1)转化成多个视图。

如在上面的示例中所述，可能的是遍及整个面板从波导提供均匀的耦出。

如上面所提到的，本发明可以应用于光耦出结构的不同设计中，并且所给出的等式只针对一组示例。图12示出两种不同的可能的光耦出结构，其可以在图9的波导的顶部使用，以示出不同的设计需要不同的数学解决方案。

上面的图示出了突起，其具有执行折射的形成角γ的输入面，以及执行反射的形成角α的输出面。

下面的图示出了突起，其具有垂直于波导平面的输入面(即γ＝0)，以及执行反射的形成角α的输出面。

尽管反射面角α相同，光学重定向不同，使得用于限定产生未消减且窄的输出射束的设计范围的等式不同。然而，通过使用上面的教导，对本领域技术人员来说明显的是，如何模仿耦出性能并且之后选择所需要的参数来实现具备创造性的优点。

通过研究附图、所公开的内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一(a或an)”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举了某些措施的纯粹事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (16)

1.一种显示背光，包括：

波导材料，所述波导材料具有折射率n_wg，并且具有平行的顶面（40a）和底面（40b），以及一对相对的侧边缘（40c），其中光输出来自所述顶面（40a）；

光源装置（42），用于在所述相对的侧边缘中的一个或两个处将光提供到所述波导材料内；以及

光耦出结构（44）的阵列，其形成在平行的顶面或底面处，用于重定向光，使得光在所述光耦出结构的位置从波导逸出，

其中，所述光耦出结构提供具有一定范围的输出方向的逸出光，所述范围被限制成小于180度并且与所述顶面的平面在角度上间隔开，

其中，所述光耦出结构的每一个包括伸入到所述波导材料内的突起，每个突起具有射束重定向面，所述射束重定向面与垂直于所述顶面（40a）和底面（40b）的方向形成相应的角度，

其中，所述背光适于与波导材料顶面（40a）之上的折射率n_out一起使用，并且其中对于折射率比率m=n_wg/n_out：

1<m<；并且

其中，α为所述射束定向面与法线方向的角度。

2.如权利要求1所述的显示背光，其中：

所有的光耦出结构（44）具有相同的射束重定向面角α。

3.如权利要求1所述的显示背光，其中：

所述光耦出结构（44）包括多个集合（44a，44b），每个集合内的光耦出结构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。

4.如权利要求1所述的显示背光，其中所述光耦出结构的每一个包括从所述显示背光的顶边缘跨越到底边缘的列，并且其中，所述显示背光还包括在所述波导材料之上的柱状透镜（56）的阵列（54），每个透镜覆盖相关联的光耦出列或相关联的多个光耦出列。

5.如权利要求4所述的显示背光，其中输出方向β的范围被选择为：

其中，p为所述柱状透镜（56）的节距，并且e为从所述光耦出结构（44）到透镜阵列（54）的光学路径长度。

6.如权利要求4或5所述的显示背光，其中，

所有光耦出结构（44）具有相同的射束重定向面角α；

每个柱状透镜（56）以单个的相关联的光耦出列为中心；

角α为45度；并且

从每个光耦出列重定向的光具有角宽度，使得只有一个柱状透镜被来自所述光耦出列的反射光照亮。

7.如权利要求4所述的显示背光，其中：

所述光耦出结构包括多个集合（44a，44b），每个集合内的光耦出结构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；并且

其中每个透镜（56）覆盖来自每个集合的一个光耦出列，其中来自每个光耦出列的光具有角宽度，使得一个柱状透镜（56）的仅一部分被来自所述光耦出列的重定向光照亮。

8.如前述权利要求1-5、7中任意一项所述的显示背光，其中所述光耦出结构设置在所述底面（40b）上，并且其中每个光耦出结构包括：

反射面，该反射面面对所述光源装置（42）；或

一对反射面，所述一对反射面位于所述顶面（40a）和底面（40b）的法线的相对侧，并且所述光源装置（42）用于向两个侧边缘（40c）提供光。

9.如权利要求8所述的显示背光，其中1.05<m<1.23。

10.如权利要求1-5、7中任意一项所述的显示背光，其中所述光耦出结构（44）设置在所述顶面上，并且其中所述波导材料的顶面设置有填充所述突起的涂层(52)，其中所述涂层的折射率高于所述波导材料的折射率n_wg。

11.如权利要求10所述的显示背光，其中所述光耦出结构（44）的每一个包括从顶边缘跨越到底边缘的列。

12.如权利要求11所述的显示背光，其中m<1.05。

13.如权利要求12所述的显示背光，其中m<1.01。

14.一种自动立体显示设备，包括：

如前述权利要求中任意一项所述的背光；以及

显示面板（3），该显示面板具有用于产生显示图像的显示像素（5）的阵列，所述显示面板由所述背光照亮。

15.一种自动立体显示设备，包括：

如权利要求6所述的背光；以及

显示面板（3），该显示面板具有用于产生显示图像的显示像素（5）的阵列，所述显示面板由所述背光照亮，

其中所述显示设备还包括设置在所述显示面板之上的柱状透镜的另一阵列，在所述显示背光的透镜和所述另一阵列的透镜之间具有一对一映射，

其中所述显示背光的透镜是正透镜，并且所述另一阵列的透镜是负透镜。

16.一种防窥显示装置，包括：

如前述权利要求1-13中任意一项所述的背光；以及

显示面板（3），该显示面板具有用于产生显示图像的显示像素（5）的阵列，所述显示面板由所述背光照亮。