TWI730253B

TWI730253B - 背光式透明顯示器、透明顯示器系統、及其操作方法

Info

Publication number: TWI730253B
Application number: TW107133262A
Authority: TW
Inventors: 大衛 A 費圖
Original assignee: 美商雷亞有限公司
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2021-06-11
Also published as: KR20200042967A; KR102394898B1; CN111279123A; EP3701183A1; US11635619B2; US11347053B2; EP3701183A4; CA3075296C; TW201931337A; WO2019083549A1; JP2021501442A; US20220260833A1; CA3075296A1; US20200241295A1; CN111279123B; JP6987240B2

Abstract

一種背光式透明顯示器和一種透明顯示器系統提供一顯示的影像，同時使得一背景景象經由該顯示器為可見的。該背光式透明顯示器包含：一光導件；複數個散射元件；以及一光閥陣列，被配置以調變從該光導件散射的發射的光，以提供該調變的發射的光代表一顯示的影像。該背光式透明顯示器之透明度被配置以使得該背景景象經由該背光式透明顯示器為可見的。該透明顯示器系統包含：該光閥陣列；以及一透明背光件。該透明顯示器系統被配置以提供一顯示的影像疊加至該背景景象上，該背景景象經由該透明顯示器系統為可見的。

Description

背光式透明顯示器、透明顯示器系統、及其操作方法

本發明涉及背光式透明顯示器、透明顯示器系統、及其操作方法，尤其是，使用散射元件和光閥陣列的背光式透明顯示器、透明顯示器系統、及其操作方法。

電子顯示器是一種幾乎無所不在的媒介，用於向各種設備和產品的使用者傳達訊息。最常用的電子顯示器包括陰極射線管（CRT）、電漿顯示面板（PDP）、液晶顯示器（LCD）、電致發光顯示器（EL）、有機發光二極體（OLED）、和主動式矩陣有機發光二極體（AMOLED）顯示器、電泳顯示器（EP）、和使用機電或電流體光調變的各種顯示器（例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等）。通常，電子顯示器可以被分類為主動顯示器（亦即，發光的顯示器）或被動顯示器（亦即，調變由另一個光源所提供的光的顯示器）。在主動顯示器中，最明顯的示例是CRTs、PDPs、和OLEDs/AMOLEDs。在以發射光進行分類的情況下，LCDs和EP顯示器通常被分類為被動顯示器。被動顯示器儘管經常表現出引人注目的性能特徵，包括但不限於固有的低功耗，但由於缺乏發光能力，在許多實際應用中可能會被發現存在有限的使用範圍。

為了克服被動顯示器與發射光相關的使用限制，許多被動顯示器被耦合到外部光源。耦合的光源可以使這些在其他情況下的被動顯示器發光並且基本上作為主動顯示器來運作。這種耦合光源的示例是背光件。背光件可以用作光源（通常是面板背光），其放置於在其他情況下為被動顯示器的後面以照射被動顯示器。例如，背光件可以與LCD或EP顯示器耦合。背光件會發射可以穿過LCD或EP顯示器的光。發出的光由LCD或EP顯示器調變，然後調變後的光從LCD或EP顯示器發射。通常背光件被配置以發出白色光。然後使用彩色濾光片將白色光轉換成顯示器中使用的各種顏色。例如，彩色濾光片可以放置在LCD或EP顯示器的輸出處（較不常用），或者在背光件與LCD或EP顯示器之間。

為了實現這些與其他優點並且根據本發明的目的，如本文所體現和廣泛描述的，提供有一種背光式透明顯示器，包含：一光導件，被配置以沿著該光導件之長度引導光作為一引導的光；複數個散射元件，沿著並橫跨該光導件互相隔開，該複數個散射元件被配置以散射出該引導的光之一部分作為一發射的光；以及一光閥陣列，被配置以調變該發射的光作為一顯示的影像，該複數個散射元件中的該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，其中，該背光式透明顯示器之透明度被配置以使得一背景景象經由該背光式透明顯示器為可見的。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件被配置以提供該發射的光作為一擴散光，以及該顯示的影像經由該背光式透明顯示器疊加至該背景景象之一視域上。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該散射元件被設置在該光導件之一第一表面和一第二表面之其中之一，以及該散射元件被配置以散射出該引導的光之該部分通過鄰接該光閥陣列的該第一表面。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該散射元件包含一繞射光柵，被配置以繞射地散射出該引導的光之該部分作為該發射的光。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件包含一微反射散射元件和一微折射散射元件之其中之一或二者，該微反射散射元件被配置以反射地散射出該引導的光之一部分，以及該微折射散射元件被配置以折射地散射出該引導的光之一部分。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該散射元件包含一單一方向性散射元件。

根據本發明一實施例，該單一方向性散射元件包含一倒稜鏡散射元件。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件進一步被配置以在該背景景象之方向上發射光，以及被引導朝向該背景景象的該發射的光被配置以照射該背景景象。

根據本發明一實施例，該光閥陣列包含一液晶光閥。

在本發明之另一態樣中，提供有一種透明顯示器系統，包含上述的背光式透明顯示器，該透明顯示器系統進一步包含一光源，光學地耦合至該光導件之一輸入邊緣，以及該光源被配置以提供具有一非零傳播角度及根據一預定的準直因子被準直之其中之一或二者之該引導的光。

在本發明之另一態樣中，提供有一種透明顯示器系統，包含：一光閥陣列，被配置以調變一發射的光而提供一顯示的影像；以及一透明背光件，包含一光導件，該光導件具有複數個散射元件和一光源，該光源耦合至該光導件之一邊緣，該光源被配置以提供光在該光導件中被引導作為一引導的光，該複數個散射元件被配置以散射出該引導的光之一部分作為該發射的光，該發射的光具有朝向該光閥陣列及一背景景象之其中之一或二者的一方向，其中，該透明顯示器系統被配置以提供該顯示的影像作為疊加至該背景景象，以及該背景景象經由該透明顯示器系統為可見的。

根據本發明一實施例，被引導朝向該背景景象的該發射的光作用為該背景景象之一照射源，以及該光閥陣列被配置以調變被該背景景象反射的該發射的光。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該散射元件包含一繞射光柵、一微反射散射元件、及一微折射散射元件之其中之一或更多者，光學地連接至該光導件以散射出該引導的光之該部分。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該等散射元件之密度被配置為依照一與被該光源耦合的該光導件之該邊緣相隔的距離的函數變化，該密度依照該距離之該函數變化以補償在該光導件中的該引導的光之強度之變化。

根據本發明一實施例，該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，該顯示的影像代表一二維（2D）內容，以及該透明顯示器系統係一2D透明顯示器系統。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件包含複數個多光束元件，該複數個多光束元件中的該多光束元件被配置以散射出該引導的光之一部分作為複數條方向性光束，該複數條方向性光束具有不同的主要角度方向，對應一多視域影像之分別不同的視域方向，該透明顯示器系統係一多視域透明顯示器系統，以及該顯示的影像係一多視域影像。

根據本發明一實施例，該多光束元件之尺寸係介於該光閥陣列中之該光閥之尺寸之百分之五十（50%）至百分之二百（200%）之間。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件包含一偏極保持散射元件、一角度保持散射元件、及一單一方向性散射元件之其中之一或更多者。

在本發明之另一態樣中，提供有一種透明顯示器之操作方法，包含：沿著一光導件之長度引導光作為一引導的光；使用複數個散射元件散射出該引導的光之一部分離開該光導件作為一發射的光；以及使用一透明光閥陣列調變該發射的光，該透明光閥陣列被配置以調變該發射的光作為一顯示的影像；其中，該透明顯示器之該光導件、該複數個散射元件、及該透明光閥陣列之組合使得一背景景象經由該透明顯示器為可見的，以及該顯示的影像被疊加至該可見的背景景象上。

根據本發明一實施例，該複數個散射元件中的該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，以及該複數個散射元件包含光學地連接至該光導件的一繞射光柵、一微反射散射元件、及一微折射散射元件之其中之一或更多者。

根據本發明一實施例，該發射的光被引導朝向該透明光閥陣列和該背景景象之其中之一或二者，以及被引導朝向該背景景象的該發射的光被配置以提供照明至該背景景象。

要理解的是，本發明上述的一般描述和隨後的詳細描述兩者係示範性和解釋性的，而且意圖提供所主張的本發明的進一步解釋。

根據在此描述的原理的示例和實施例提供有一種透明顯示器和一種透明顯示器系統，使得可以經由透明顯示器觀看背景景象（background scene）。再者，根據與在此所描述的原理一致的各種實施例，由透明顯示器顯示的影像可被疊加（superimposed）至背景景象上並一起被觀看。在此所描述的一些實施例中，提供有一種透明顯示器，其採用光導件以及複數個散射元件作為背光件以照射透明顯示器之光閥陣列。根據一些實施例，散射元件可提供擴散光，被配置以提供顯示的影像作為二維（2D）影像。在其他實施例中，透明顯示器可為多視域透明顯示器（multiview transparent display），被配置以提供多視域影像（multiview image）作為顯示的影像。這裡所描述的透明顯示器的使用包括各種顯示器應用，例如但不限於增強實境顯示器。

在本文中，「二維顯示器」或「2D顯示器」被定義為被配置以提供本質上相同的影像之視域的顯示器，不管影像被觀看的方向如何（亦即，在預定義的視角內或在2D顯示的範圍內）。智慧型手機和電腦顯示器中習知的液晶顯示器（LCD）就是2D顯示器的示例。與此相反，「多視域顯示器」被定義為一種電子顯示器或顯示系統，其被配置以在不同的視域方向（view directions）上或者從不同的視域方向提供多視域影像的不同視域。特別地，不同視域可以表示多視域影像的景象或物體的不同的透視圖。

按照在此所定義的，視域方向或等同地具有與多視域顯示器的視域方向相對應的方向的光束通常具有由角度分量{q, f}給定的主要角度方向。角度分量q在這裡被稱為光束的「仰角分量」或「仰角」。角度分量f被稱為光束的「方位角分量」或「方位角」。根據定義，仰角q是在垂直平面中的角度（例如，垂直於顯示器的平面），而方位角f是水平面內的角度（例如，平行於顯示器平面）。

圖1係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的具有特定主要角度方向或者單純地「方向」的光束10之角度分量{q, f}之示意圖。舉例而言，光束10之主要角度方向可對應多視域顯示器之視域方向。此外，根據本文的定義，光束10從特定點被發射或發出。也就是說，根據定義，光束10具有與多視域顯示器內的特定起始點相關聯的中心射線。圖1還顯示了原點O之光束（或視域方向）點。

在本文中，在術語「多視域影像」和「多視域顯示器」中使用的術語「多視域（multiview）」被定義為在複數個視域之中的視域之間表示不同視角或包括角度差異的複數個視域。另外，按照本文定義，本文中「多視域」一詞明確地包括多於兩個不同視域（亦即，最少三個視域並且通常多於三個視域）。這樣，這裡採用的「多視域顯示器」明確地與僅包括表示景象（scene）或影像（image）的兩個不同視域的立體顯示器區隔開。然而要注意的是，雖然多視域影像和多視域顯示器可以包括多於兩個視域，但是根據本文的定義，每次可以透過僅選擇多視域中的兩個視域來（例如，在多視域顯示器上）查看多視域影像作為立體影像對（例如，每隻眼睛一個視域）。

「多視域像素」在本文中被定義為多視域顯示器的相似的複數個不同視域中的每一個中的一組子像素或「視域」像素。尤其，多視域像素可以具有對應或表示在多視域影像的每個不同視域中的視域像素的單獨視域像素。此外，根據本文的定義，多視域像素的視域像素是所謂的「方向性（directional）像素」，因為每個視域像素與不同視域中相應的一個的預定視域方向相關聯。此外，根據各種示例和實施例，多視域像素的不同視域像素可以在每個不同視域中具有等同的或至少基本相似的位置或坐標。例如，第一多視域像素可以具有位於多視域影像的每個不同視域中的{x₁ , y₁ }處的單獨視域像素，而第二多視域像素可以具有位於每個不同視域中的{x₂ , y₂ }處的單獨視域像素，等等。

在本發明中，「光導件」被定義為使用全內反射或「TIR」在結構內引導光的結構。尤其，光導件可以包括在光導件的工作波長處基本上透明的芯。在各種示例中，術語「光導件」通常是指採用全內反射來在光導件的介電材料與圍繞該光導件的材料或介質之間的界面處引導光的介電光波導件。根據定義，全內反射的條件是光導件的折射率大於與光導件材料的表面鄰接的周圍介質的折射率。在一些實施例中，光導件可以包括除了上述折射率差之外的或替代上述折射率差的塗層，以進一步促進全內反射。例如，塗層可以是反射塗層。光導件可以是幾個光導件中的任何一個，包括但不限於平板或板片光導件和條狀光導件中的一個或兩個。

此外，術語「板」在應用於光導件時與「板光導件」一樣被定義為分段的或微分地平面的層或片，其有時被稱為「板片」光導件。尤其，板光導件被定義為光導件，該光導件被構造成在由光導件的頂表面和底表面（亦即，相對的表面）界定的兩個基本正交的方向上引導光。此外，根據本文的定義，頂部表面和底部表面都是彼此分離的，並且可以至少在微分的意義上基本上相互平行。也就是說，在板光導件的任何微分地小的部分內，頂面和底面基本平行或共平面。

在一些實施例中，板光導件可以是基本上平坦的（亦即，侷限為平面），並且因此板光導件是平面光導件。在其他實施例中，板光導件可以在一個或兩個正交維度上彎曲。例如，板光導件可以以單個維度彎曲以形成圓柱形板光導件。然而，任何曲率都具有足夠大的曲率半徑以確保在板光導件內保持全內反射以引導光。

在本文中，「角度保持散射特徵部（angle-preserving scattering feature）」、「角度保持散射元件」、或等效地「角度保持散射體」是任何特徵部或散射體，被配置以基本上在散射的光中保持入射在特徵部或散射體上的光之角展度（angular spread）的方式來散射光。特別是，根據定義，被角度保持散射特徵部散射的光的角展度s_s 是入射光的角展度s的函數（亦即，s_s = f(s)）。在一些實施例中，散射的光的角展度s_s 是入射光的角展度或準直因子s的線性函數（例如，s_s = a×s，其中a是一個整數）。也就是被角度保持散射特徵部散射的光的角展度s_s 可以是正比於入射光的角展度或準直因子s。例如，散射的光的角展度s_s 可以等於入射光的角展度s（例如，s_s ≈ s）。均勻的繞射光柵（亦即，具有基本上均勻或不變的繞射特徵部間隔或光柵間距的繞射光柵）是角度保持散射特徵部的示例。相比之下，根據本文的定義，朗伯特散射體（Lambertian scatterer）或朗伯特反射體（Lambertian reflector）以及普通散射體（general diffuser）（例如，具有或近似朗伯特散射）不是角度保持散射體。

在本文中，「偏極保持散射特徵部（polarization-preserving scattering feature）」、「偏極保持散射元件」、或等效地「偏極保持散射體」是任何特徵部或散射體，被配置以基本上在散射的光中保持入射在特徵部或散射體上的光的偏極或至少一定程度的偏極的方式來散射光。因此，「偏極保持散射特徵部」是入射在特徵部或散射體上的光的偏極度大致等於散射的光的偏極度的任何特徵部或散射體。此外，根據定義，「偏極保持散射」是（例如，引導的光）的散射，其保留或基本上保持被散射的光的預定偏極。舉例而言，被散射的光可以是由偏極光源提供的偏極光。

在本文中，「繞射光柵」通常被定義為布置成提供入射在繞射光柵上的光的繞射的複數個特徵部（亦即，繞射特徵部）。在一些示例中，可以以週期性或準週期性的方式來布置複數個特徵部。例如，繞射光柵可以包括布置成一維（1D）陣列的複數個特徵部（例如，材料表面中的複數個凹槽或脊部）。在其他示例中，繞射光柵可以是二維（2D）陣列的特徵部。例如，繞射光柵可以是材料表面上的凸塊或孔洞的二維陣列。

如此，根據本文的定義，「繞射光柵」是提供入射在繞射光柵上的光的繞射的結構。如果光從光導件入射在繞射光柵上，則所提供的繞射或繞射散射可以導致並且因此被稱為「繞射耦合」，因為繞射光柵可以透過繞射將光耦合出光導件。繞射光柵還藉由繞射（亦即，以繞射角）重定向或改變光的角度。特別地，由於繞射，離開繞射光柵的光通常具有與入射在繞射光柵上的光（亦即，入射光）的傳播方向不同的傳播方向。藉由繞射的光的傳播方向的變化在這裡被稱為「繞射重定向」。因此，繞射光柵可以理解為包括繞射特徵部的結構，繞射特徵部繞射地重定向入射在繞射光柵上的光，並且如果光從光導件入射，則繞射光柵也可以繞射地耦合出來自光導件的光。

此外，根據本文的定義，繞射光柵的特徵部被稱為「繞射特徵部」，並且可以是在材料表面（亦即，兩種材料之間的邊界）處、之中、和之上的狀況中的一種或多種。例如，表面可以是光導件的表面。繞射特徵部可以包括繞射光的各種結構中的任何一種，包括但不限於在表面處、表面中、或表面上的凹槽、脊部、孔洞、和凸塊中的一個或複數個。例如，繞射光柵可以在材料表面中包括複數個基本上平行的凹槽。在另一個示例中，繞射光柵可以包括從材料表面上升起的複數個平行的脊部。繞射特徵部（例如，凹槽、脊部、孔洞、凸塊等等）可以具有提供繞射的各種橫截面形狀或輪廓中的任何一種，包括但不限於正弦曲線輪廓、矩形輪廓（例如，二元繞射光柵）、三角形輪廓、和鋸齒輪廓（例如，閃耀光柵）。

根據本文所述的各種示例，可以採用繞射光柵（例如，如下所述的散射元件或多光束元件之繞射光柵）來將光從光導件（例如，板光導件）繞射地散射出或耦合出作為光束。特別是，局部週期性繞射光柵的繞射角度q_m 或由局部週期性繞射光柵提供的繞射角度q_m 可藉由等式（1）給定如： q_m = sin^- ¹ (n sinq_i - mλ/d) （1）其中λ是光的波長，m是繞射階數，n是光導件的折射率，d是繞射光柵的特徵部之間的距離或間隔，q_i 是繞射光柵上的光入射角。為了簡單起見，等式（1）假設繞射光柵與光導件的表面鄰接並且光導件外部的材料的折射率等於1（亦即，n_out = 1）。通常，繞射階數m由整數給定。繞射角q_m 由繞射光柵產生的光束可以由其中繞射階數為正（例如，m ＞ 0）的等式（1）給定。例如，當繞射階數m等於1（亦即，m = 1）時提供第一階繞射。

圖2係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的繞射光柵20的橫截面圖。例如，繞射光柵20可以位於光導件30的表面上。另外，圖2顯示以入射角q_i 入射在繞射光柵20上的光束40。入射光束40可以是在光導件30內的被引導的光的光束（亦即，引導的光束）。還被顯示的是由繞射光柵20繞射產生並耦合出的方向性光束50，作為入射光束40的繞射的結果。方向性光束50具有如等式（1）所示的繞射角度q_m （或者，在本文中，「主要角度方向」）。繞射角度q_m 可以對應於繞射光柵20的繞射階數「m」，例如，繞射階數m = 1（亦即，第一階繞射）。

根據本文的定義，「多光束元件」是產生包括複數條光束的光的背光件或顯示器的結構或元件。在一些實施例中，多光束元件可以光學耦合到背光件的光導件，以藉由耦合或散射出在光導件中的引導的光的一部分來提供複數條光束。此外，根據本文的定義，由多光束元件產生的複數條光束的光束具有彼此不同的主要角度方向。特別地，根據定義，複數條光束中的一條光束具有與複數條光束的另一條光束不同的預定主要角度方向。如此，根據本文的定義，光束被稱為「方向性光束」，並且複數條光束可被定義為「複數條方向性光束」。此外，複數條方向性光束可以表示為光場。例如，複數條方向性光束可以被限制在基本上圓錐形的空間區域中，或者具有包括複數條光束中的光束的不同主要角度方向的預定角展度。如此，組合的光束（亦即，複數條光束）的預定角展度可以表示光場。

根據各種實施例，複數條不同方向性光束的不同主要角度方向由包括但不限於多光束元件的尺寸（例如，長度、寬度、面積等等）的特性確定。在一些實施例中，根據本文的定義，多光束元件可以被認為是「延伸點光源」，即橫跨多光束元件的範圍分布的複數個點光源。此外，由多光束元件產生的方向性光束具有由角分量給定的主要角度方向{q, f}，如本文所定義，並且如上文關於圖1所述。

在本文中，「準直器」被定義為基本上任何被配置以準直光的光學裝置或設備。例如，準直器可以包括但不限於準直鏡或反射器、準直透鏡、繞射光柵、錐形光導件、以及其各種組合。根據各種實施例，由準直器提供的準直量可以從一個實施例到另一個實施例以預定程度或量變化。此外，準直器可以被配置以在兩個正交方向（例如，垂直方向和水平方向）中的一個或兩個方向上提供準直。也就是說，根據一些實施例，準直器可以在提供光準直的兩個正交方向中的一個或兩個方向上包括形狀或類似的準直特性。

在本文中，「準直因子」被定義為光被準直的程度。特別地，準直因子定義準直的光束內的光線的角展度。例如，準直因子s可以指定準直的光束中的大部分光線在特定的角展度內（例如，關於準直的光束的中心或主要角度方向的+/- s度）。根據一些示例，準直的光束的光線可以具有角度方面的高斯分布，並且角展度可以是由準直的光束的峰值強度的一半所確定的角度。

在本文中，「光源」被定義為發出光的源頭（例如，被配置以產生和發射光的光學發射器）。例如，光源可以包括光學發射器，例如，發光二極體（LED），其在被啟動或開啟時發光。特別地，在此，光源可以基本上是任何光源，或者基本上包括任何光學發射器，包括但不限於發光二極體（LED）、雷射、有機發光二極體（OLED）、聚合物發光二極體，電漿型的光學發射器，螢光燈、白熾燈、以及實際上任何其他光源。由光源產生的光可以具有顏色（亦即，可以包括特定波長的光），或者可以是波長範圍（例如，白色光）。在一些實施例中，光源可以包括複數個光學發射器。例如，光源可以包括一組或一群光學發射器，其中至少一個光學發射器產生具有一顏色或等同波長的光，該顏色或等同波長不同於由該組或群的至少一個其他光學發射器產生的光所具有的一顏色或一波長。不同的顏色可以包括例如原色（例如，紅色、綠色、藍色）。「偏極」光源在本文中被定義為基本上產生或提供具有預定偏極的光的任何光源。例如，偏極光源可以包括在光源的光學發射器的輸出處的偏光板。

此外，如本文所使用的，冠詞「一」旨在具有其在專利領域中的通常含義，亦\即「一個或複數個」。舉例而言，「一散射元件」是指一個或更多個散射元件，因此，「該散射元件」在本文中是指「該（等）散射元件」。此外，本文中對「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」並不意味著在作為限制。在此，術語「大約（about）」在應用於某個值時通常意味著在用於產生該值的設備的公差範圍內，或者可以表示加減10％、或加減5％、或加減1％，除非另有明確說明。此外，本文使用的術語「基本上（substantially）」是指大部分、或幾乎全部、或全部、或在約51％至約100％的範圍內的量。而且，這裡的示例僅僅是說明性的，並且是為了討論的目的而不是為了限制。

根據本文中描述的原理的一些實施例，提供了一種背光式透明顯示器。圖3A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器100之透視圖。圖3B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器100之橫截面圖。圖3C係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器100之另一透視圖。圖3C中的透視圖以部分切除的方式顯示，僅用於方便本文的討論。

圖3A~3C中所示的背光式透明顯示器100被配置以提供基本上被調變以代表顯示的影像的發射的光102。尤其，根據各種實施例，背光式透明顯示器100提供的發射的光102被指引從背光式透明顯示器100離開朝向觀看者及/或朝向背景景象101。發射的光102被調變（例如，如上所述，使用光閥陣列）以提供或「顯示」顯示的影像。根據各種實施例，被指引朝向觀看者的發射的光102可直接被調變（例如，在發射後）以代表被顯示的影像，然而被指引朝向背景景象101的發射的光102僅在被背景景象101或其中的物件反射後可被調變以代表被顯示的影像。舉例而言，發射的光102可用作為背景景象101之照明源。舉例而言，從而被背景景象101反射的發射的光102可因而被調變以代表顯示的影像。在一些實施例中，顯示的影像可包括二維（2D）內容，從而可代表或成為2D影像。在其他實施例中，顯示的影像可包括三維（3D）內容（例如，當使用者觀看時，呈現如3D物件的在不同的視角視域中被代表的虛擬物件），從而可代表或成為3D影像。

此外，背光式透明顯示器100被配置以使得背景景象101可透過背光式透明顯示器100看見。也就是說，背光式透明顯示器100可以使使用者能夠同時查看所顯示的多視域影像和背景景象101。此外，當透過背光式透明顯示器100觀看背景景象101時，對於使用者顯示的多視域影像可以被提供為疊加或出現在背景景象101之上或「之中」。因此，根據一些實施例，背光式透明顯示器100可向其中2D及3D之或二者虛擬物體看起來在背景景象101中的使用者提供增強實境（AR）體驗。

如圖3A所示，使用者可以從一位置或區域A觀看背光式透明顯示器100，並且背景景象101可以位於背光式透明顯示器100與位置A相反的一側（例如，區域B）。舉例而言，使用者可以在由粗體箭頭和虛線指示的方向上從區域A觀看透明多視域顯示100的正面。然後，背景景象位於區域B的透明多視域顯示100的後面。作為示例而非限制，圖3A亦將發射的光102繪示為被指引朝向在區域A中的觀看者和在區域B中的背景景象101。

如圖3A~3C所示，背光式透明顯示器100包括光導件110。根據一些實施例，光導件110可以是板光導件。光導件110被配置以沿著光導件110之長度方向引導光作為被引導的光104。舉例而言，光導件110可以包括被配置為光波導件的介電材料。介電材料可以具有比圍繞介電光波導件的介質的第二折射率大的第一折射率。舉例而言，根據光導件110的一個或複數個引導模式，折射率的差異被配置以促進被引導的光104的全內反射。

尤其，光導件110可以是包括延伸的、基本上平坦的光學透明介電材料片的平板或板片光波導件。基本平坦的介電材料片被配置以使用全內反射來引導該被引導的光104。根據各種示例，光導件110的光學透明材料可以包括或者由多種介電材料中的任何一種製成，所述介電材料包括但不限於一種或多種各種類型的玻璃（例如，石英玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃等等）和基本上光學透明的塑膠或聚合物（例如，聚（甲基丙烯酸甲酯）或「丙烯酸玻璃」，聚碳酸酯等）。在一些示例中，光導件110還可以在光導件110的表面（例如，頂表面和底表面中的一個或兩個）的至少一部分上包括包覆層（圖中未示）。根據一些示例，包覆層可以用來進一步促進全內反射。

此外，根據一些實施例，如圖3B所示，光導件110被配置以根據在第一表面110’（例如，「前」表面或側面）與第二表面110”（例如，「後」表面或側面）之間的在非零傳播角度的全內反射引導該被引導的光104。特別地，被引導的光104透過在光導件110的第一表面110’與第二表面110”之間反射或「反彈」而以非零傳播角度傳播。在一些實施例中，被引導的光104包括不同顏色的光的複數條被引導的光束。複數條被引導的光束可以由光導件110以不同的顏色特定的非零傳播角度中的相應的一個來被引導。要注意的是，為了簡化說明，並未顯示非零傳播角度。然而，描繪傳播方向103的粗體箭頭顯示了沿著圖3B中的光導件長度的被引導的光104的一般傳播方向。

如本文所定義，「非零傳播角度」是相對於光導件110的表面（例如，第一表面110’或第二表面110”）的角度。此外，根據各種實施例，非零傳播角度大於零且小於光導件110內的全內反射的臨界角。舉例而言，被引導的光104的非零傳播角度可以在大約十（10）度和大約五十（50）度、或在一些實例中在約二十（20）度至約四十（40）度之間、或在約二十五（25）度至約三十五（35）度之間。非零傳播角度可以是大約三十（30）度。在其他示例中，非零傳播角度可以是大約20度、或者大約25度、或者大約35度。只要特定的非零傳播角度被選擇為小於光導件110內的全內反射的臨界角，則特定的非零傳播角度就可以被（例如，任意）選擇用於特定的執行。

光導件110中的被引導的光104可以以非零傳播角度（例如，大約30~35度）被引入或耦合到光導件110中。舉例而言，透鏡、鏡子、或類似的反射器（例如，傾斜的準直反射器）、繞射光柵、和稜鏡（圖中未示）中的一個或複數個可以促進以非零傳播角度將光耦合到光導件110的輸入端中作為被引導的光104。一旦被耦合到光導件110中，被引導的光104沿著可以大致遠離輸入端（例如，由沿著圖3B中的x軸指向的粗體箭頭所示）的方向沿著光導件110傳播。

此外，根據各種實施例，被引導的光104、或等同地透過將光耦合到光導件110中而產生的被引導的光104可以是準直的光束。在此，「準直的光」或「準直的光束」通常被定義為其中光束的光線在光束（例如，被引導的光104）內係基本上彼此平行的光束。此外，根據本文的定義，從準直的光束發散或被散射的光線不被認為是準直的光束的一部分。在各種實施例中，被引導的光104可以根據或具有準直因子s而被準直。

在一些實施例中，光導件110可以被配置以「回收再利用」被引導的光104。尤其，沿著光導件長度被引導的該被引導的光104可以在不同於傳播方向103的另一個傳播方向103’上被重指引回到沿著該長度方向。舉例而言，光導件110可以在與鄰接光源的輸入端相對的光導件110的端部處包括反射器（圖中未示）。反射器可以被配置以將被引導的光104反射回輸入端作為回收再利用的被引導的光。以這種方式回收再利用的被引導的光104可以透過使得被引導的光可不止一次被用於例如下面描述的多光束元件，來增加背光式透明顯示器100的亮度（例如，發射的光102的強度）。

如圖3B~3C所示，背光式透明顯示器100還包括沿著光導件長度彼此隔開的複數個散射元件120。特別地，如圖所示，複數個散射元件中的散射元件120透過有限空間彼此分開，並且沿著光導件長度代表各個不同的散射元件。也就是說，根據本文的定義，複數個散射元件中的散射元件120根據有限（亦即，非零）元件間距離（例如，有限的中心到中心的距離）而彼此隔開。此外，根據一些實施例，複數個散射元件中的散射元件120通常不相交、重疊、或以其他方式彼此接觸。也就是說，每個散射元件120通常是不同的並且與複數個散射元件中的散射元件120中的其他複數個散射元件分開。

根據一些實施例，複數個散射元件中的散射元件120可以以一維（1D）陣列或二維（2D）陣列排列。舉例而言，複數個散射元件120可以被布置為線性1D陣列。在另一個示例中，複數個散射元件120可以被布置為矩形2D陣列或圓形2D陣列。在一些實施例中，在陣列中的散射元件之布置可為隨機的或假性隨機的。也就是說，在整個光導件110或等同地整個陣列的不同點處的鄰接的散射元件120之間的距離可不同的。在一些實施例中，對於整個光導件110或等同地整個陣列而言，鄰接的散射元件120之間的距離或等同地散射元件120之局部密度可如長度之函數般地改變。在其他實施例中，陣列（亦即，1D或2D陣列）可以是規則的或均勻的陣列。尤其，散射元件120之間的元件間距離（例如，中心到中心的距離或間隔）可以在整個陣列上基本一致或恆定。

根據各種實施例，複數個散射元件中的散射元件120被配置以耦合或散射出被引導的光104的一部分作為複數條發射的光102。尤其，圖3B將發射的光102顯示為複數個發散的箭頭，被描繪為從光導件110的第一（或前部）表面110’被指引的方向。根據一些實施例，複數個發散的箭頭可代表擴散地散射的光，而且發射的光102可以是擴散的或基本上擴散的光。

在其他實施例（圖3A~3C中未示）中，發射的光102基本上可為方向性的。尤其，發射的光102可包含多光束元件，被配置以散射出一部分被引導的光104，作為複數條方向性光束，該複數條方向性光束具有不同的主要角度方向，對應多視域影像之分別不同的視域方向。舉例而言，根據一些實施例，發射的光102之方向性光束可代表光場。

如圖3A~3C所示，背光式透明顯示器100進一步包括光閥陣列130。光閥陣列130被配置以調變由散射元件120提供的發射的光102。特別地，光閥陣列130可以被配置以調變發射的光102，以作為或提供背光式透明顯示器100所顯示的影像，例如，顯示的影像。在圖3C中，光閥130的陣列被部分切除以允許光閥陣列下面的光導件110和散射元件120為可見的。在各種實施例中，可以採用多種不同類型的光閥中的任何一種作為光閥陣列中的光閥130，包括但不限於液晶光閥、電泳光閥、和基於或採用電潤濕的光閥中的一個或多個。在圖3B中，使用虛線箭頭繪示離開光閥陣列的發射的光102以強調調變。

在一些實施例中，散射元件120之尺寸小於或等於背光式透明顯示器100之光閥陣列中的光閥130之尺寸。例如，如果散射元件尺寸被表示為「s」並且光閥尺寸被表示為「S」（例如，如圖3B所示），則散射元件尺寸s可以由等式（2）表示如下：

（2）在此，「尺寸」可以以各種方式中的任何一種來定義，包括但不限於長度、寬度、或面積。例如，光閥130之尺寸S可以是其長度，並且散射元件120之尺寸s也可以是散射元件120之長度。在另一個示例中，尺寸可以指面積，像是散射元件120之面積和光閥130之面積。在一些實施例中，光閥130之「尺寸」可以指其開口或孔徑。在一些實施例中，散射元件120之尺寸可小於光閥尺寸之大約百分之九十（90％）。在其他示例中，散射元件之尺寸可小於光閥尺寸之大約百分之八十（80％），或者小於光閥尺寸之大約百分之七十（70％），或者小於光閥尺寸之大約百分之六十（60％），以及或者小於光閥尺寸之大約百分之五十（50％）。

根據各種實施例，散射元件120可以包括被配置以耦合出被引導的光104的一部分的任何數量的不同結構。舉例而言，不同的結構可以包括但不限於繞射光柵、微反射散射元件、微折射散射元件（例如，反向微稜鏡）、或其各種組合。在各種實施例中，包含繞射光柵的散射元件120被配置以繞射地散射或耦合出被引導的光的一部分作為發射的光102。包含微反射散射元件的散射元件120被配置以反射地散射或耦合出被引導的光的一部分作為發射的光102；而且包含微折射散射元件的散射元件120被配置以透過或使用折射散射或耦合出被引導的光的一部分作為發射的光102（亦即，折射地耦合出被引導的光的一部分）。在一些實施例中，散射元件120可為單一方向性散射元件，被配置以基本上在一單一方向上散射光。在一些實施例中，散射元件120可為角度保持散射元件及/或偏極保持散射元件。

圖4A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的包括散射元件120的背光式透明顯示器100之一部分之橫截面圖。圖4B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件120的背光式透明顯示器100之一部分之橫截面圖。尤其，圖4A~4B繪示了包括繞射光柵122的背光式透明顯示器100的散射元件120。繞射光柵122被配置以繞射地耦合出被引導的光104的一部分作為複數條發射的光102。繞射光柵122包括複數個繞射特徵部，該等繞射特徵部透過繞射特徵部間隔或繞射特徵部或光柵間距彼此隔開，所述繞射特徵部被配置以提供繞射地耦合出被引導的光部分。根據各種實施例，繞射光柵122中的繞射特徵部的間隔或光柵間距可以是次波長（sub-wavelength）（亦即，小於引導的光的波長）。

在一些實施例中，散射元件120的繞射光柵122可以位於光導件110的表面處或附近。舉例而言，繞射光柵122可以位於或鄰接光導件110的第一表面110’，如圖4A所示。在光導件第一表面110’處的繞射光柵122可以是透射模式繞射光柵，其被配置以繞射地耦合出被引導的光的一部分通過第一表面110’作為發射的光102。透射模式繞射光柵可在二方向上（例如，繞射光柵122之上和之下）提供繞射的散射。

在另一個示例中，如圖4B所示，繞射光柵122可以位於光導件110的第二表面110”處或附近。當位於第二表面110”處時，繞射光柵122可以是反射模式繞射光柵。作為反射模式繞射光柵，繞射光柵122被配置以繞射被引導的光的一部分，並且將被繞射的被引導的光的一部分朝向第一表面110’反射，以通過離開第一表面110’作為繞射地發射的光102。反射模式繞射光柵係單一方向性散射元件之示例。尤其，反射模式繞射光柵可被配置以僅在一方向上（例如，繞射光柵122之上）提供繞射的散射。在其他實施例（圖中未示）中，繞射光柵可以位於光導件110的表面之間，（例如，作為透射模式繞射光柵和反射模式繞射光柵中的一個或兩個）。

根據一些實施例，繞射光柵122之繞射特徵部可以包括彼此隔開的凹槽和脊部中的一者或二者。凹槽或脊部可以包括光導件110的材料，例如，可以形成在光導件110的表面中。在另一個示例中，凹槽或脊部可以由不同於光導件材料的材料形成，例如，在光導件110的表面上的另一種材料的膜或層。

在一些實施例中，散射元件120的繞射光柵122是均勻的繞射光柵，其中繞射特徵部間隔在整個繞射光柵122中基本恆定或不變。在其他實施例中，繞射光柵122可以是「啁啾」（chirped）繞射光柵。根據定義，「啁啾」（chirped）繞射光柵是一種繞射光柵，其展示或具有在啁啾繞射光柵的範圍或長度上變化的繞射特徵部的繞射間隔（亦即，光柵間距）。在一些實施例中，啁啾繞射光柵可以具有或呈現隨距離線性變化的繞射特徵部間隔的「啁啾」或變化。因此，啁啾繞射光柵根據定義是「線性啁啾」繞射光柵。在其他實施例中，散射元件120的啁啾繞射光柵可以呈現繞射特徵部間隔的非線性啁啾。可以使用各種啁啾，包括但不限於指數啁啾、對數啁啾、或以基本上不均勻或隨機但仍然以單調的方式變化的啁啾。也可以使用非單調的啁啾，例如，但不限於正弦啁啾、或三角形、或鋸齒狀啁啾。任何這些類型的啁啾的組合也可以被使用。

在一些實施例中，繞射光柵122可以包括複數個繞射光柵或等同地複數個子光柵。圖5A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的包括複數個子光柵的繞射光柵122的橫截面圖。圖5B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的在圖5A中所示的繞射光柵122的平面圖。舉例而言，圖5A中的橫截面視圖可以表示從左至右穿過圖5B中所示的繞射光柵122的底部行的子光柵的橫截面。如圖5A和圖5B所示，複數個子光柵在光導件110的表面（例如，如圖所示，第二表面110”）上包括散射元件120的繞射光柵122內的第一子光柵122a和第二子光柵122b。圖5A和5B中顯示了散射元件120的尺寸s，而圖5B中使用虛線顯示了散射元件120的邊界。

根據一些實施例，複數個散射元件的不同散射元件120之間的繞射光柵122內的子光柵的差異密度可以被配置以控制由分別不同的散射元件120繞射地散射出的複數條發射的光102的相對強度。換句話說，散射元件120可以具有不同的繞射光柵122的密度，並且可以配置不同的密度（亦即，子光柵的差異密度）以控制發射的光102的相對強度。特別地，在繞射光柵122內具有較少子光柵的散射元件120可產生具有比具有相對較多子光柵的另一散射元件120更低強度（或光束密度）的發射的光102。舉例而言，子光柵的差異密度可以使用諸如圖5B中所示的散射元件120內缺少或不具有子光柵的位置122’的位置來提供。

圖6係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的一對散射元件120的平面圖。如圖所示，該對中的第一散射元件120a在繞射光柵122內具有比存在於該對中的第二散射元件120b中更高密度的子光柵。特別地，第二散射元件120b具有繞射光柵122，其具有比第一散射元件120a更少的子光柵和更多的沒有子光柵的位置122’。在一些實施例中，第一散射元件120a中的較高密度的子光柵可以提供具有比由第二散射元件120b提供的複數條方向性光束的強度更高強度的複數條方向性光束。根據一些實施例，由圖6中所示的差異子光柵密度提供的各個方向性光束的較高和較低強度可以用於補償作為傳播距離之函數的光導件內的發射的光之光強度之變化。作為示例而非限制，圖6還繪示了具有彎曲繞射特徵部的子光柵的繞射光柵122。

圖7A係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件120的背光式透明顯示器100之一部分之橫截面圖。圖7B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件120的背光式透明顯示器100之一部分之橫截面圖。尤其，圖7A和圖7B顯示了包括微反射散射元件的散射元件120的各種實施例。用作散射元件120或在散射元件120中的微反射散射元件可以包括但不限於採用反射材料或其層（例如，反射金屬）的反射器，或基於全內反射（TIR）的反射器。根據一些實施例（例如，如圖7A~7B所示），包括微反射散射元件的散射元件120可位於光導件110的表面（例如，第二表面110”）處或附近。在其他實施例中（圖中未示），微反射散射元件可以位於第一和第二表面110’、110”之間的光導件110內。

例如，圖7A繪示了包括位於光導件110的第二表面110”附近具有反射小面（例如，「稜鏡」微反射散射元件）的微反射散射元件124的散射元件120。圖示的稜鏡微反射散射元件124被配置以將被引導的光104的一部分反射（亦即，反射地散射）到光導件110外作為發射的光102。舉例而言，小面相對於被引導的光104的傳播方向可以歪斜或傾斜（亦即，具有傾斜角），以將被引導的光的一部分反射出光導件110。根據各種實施例，可以使用光導件110內的反射材料形成小面（例如，如圖7A所示），或者小面可以是第二表面110”中的稜鏡空腔的表面。當採用稜鏡空腔時，在一些實施例中，空腔表面處的折射率變化可以提供反射（例如，TIR反射），或者形成小面的空腔表面可以被反射材料塗覆以提供反射。

在另一個示例中，圖7B繪示了包括具有基本上光滑的彎曲表面的微反射散射元件124的散射元件120，例如但不限於半球形微反射散射元件124。舉例而言，微反射散射元件124的特定表面彎曲可以被配置以根據被引導的光104所接觸的彎曲表面上的入射點在不同的方向上反射被引導的光的一部分。如圖7A和圖7B所示，作為示例而非限制，從光導件110反射地散射的被引導的光的一部分離開或從第一表面110’發出。如圖7A中的稜鏡微反射散射元件124一樣，圖7B中的微反射散射元件124可以是光導件110內的反射材料，或者是形成在第二表面110”中的空腔（例如，半圓形空腔），如圖7B中以舉例而非限制的方式所示。

圖8係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件120的背光式透明顯示器100的橫截面圖。尤其，圖8繪示了包括微折射散射元件126的散射元件120。根據各種實施例，微折射散射元件126被配置以從光導件110折射地耦合或散射出被引導的光104的一部分。也就是說，微折射散射元件126被配置以利用折射（例如，與繞射或反射相反）來將來自光導件110的被引導的光的一部分耦合或散射出去作為發射的光102，如圖8中所示。在一些實施例中，微折射散射元件126在散射出被引導的光之一部分的情況下可進一步利用反射，例如，如下面圖8所示。

根據各種實施例，微折射散射元件126可具有各種形狀，包括但不限於半球形、矩形、或稜柱形（亦即，具有傾斜面的形狀）。如圖所示，微折射散射元件126可以延伸或突出到光導件110的表面（例如，第一表面110’），或者可以是表面中的空腔（圖中未示）。此外，在一些實施例中，微折射散射元件126可以包括光導件110的材料。在其他實施例中，微折射散射元件126可以包括與光導件表面鄰接並且在一些示例中與光導件表面接觸的另一種材料。

尤其，作為示例而非限制，在圖8中所示的微折射散射元件126包含反向微稜鏡。如圖所示，微折射散射元件126之反向微稜鏡具有截頭圓錐或稜鏡的形狀，其具有輸入孔徑127、傾斜側壁128、以及輸出孔徑129。在一些實施例中，微折射散射元件126可包含複數個反向微稜鏡，例如，在微折射散射元件126之尺寸s範圍內。

微折射散射元件126之反向微稜鏡被配置以散射或耦合出（更一般地，接收）一部分被引導的光104。尤其，反向微稜鏡被配置以在輸入孔徑127處或經由輸入孔徑127接收被引導的光104，然後藉由在反向微稜鏡之（複數個）傾斜側壁128處反射所接收的被引導的光以在輸出孔徑129處提供「發射的」光。在本文中，根據定義，由於僅涉及在輸入孔徑127之二側的材料之反射率，則經由輸入孔徑127接收的一部分被引導的光被折射地散射。

在各種實施例中，反向微稜鏡元件可具有類似或基本上近似截頭圓錐、截頭角錐、或各種其他多側結構之形狀。另外，反向微稜鏡元件126之具體形狀和其傾斜側壁128之預定傾斜角度可被配置以控制發射的光102之角度的形狀或角度的強度和其他方面。在一些實施例中，傾斜側壁128可進一步包含反射層或反射材料（例如，在傾斜側壁128之外表面上的反射材料層）。反射層可提供或增強在反向微稜鏡之內表面處的反射效果。二擇一地，為省略反射層的需求，可藉由全反射提供在傾斜側壁之內表面處的反射。根據在本文中描述的原理之各種實施例，包含反向微稜鏡的微折射散射元件126係單一方向性散射元件之另一示例。

再次參考圖3B，背光式透明顯示器100可以進一步包括光源140。根據各種實施例，光源140被配置以提供要在光導件110內被引導的光。尤其，光源140可以位於光導件110的入口表面或端部（輸入端）附近。在各種實施例中，光源140可以包括基本上任何光源（例如，光學發射器），包括但不限於一個或複數個發光二極體（LED）或雷射（例如，雷射二極體）。在一些實施例中，光源140可以包括被配置以產生具有由特定顏色表示的窄頻帶光譜的基本上單色的光的光學發射器。特別地，單色光的顏色可以是特定顏色空間或顏色模型（例如，紅-綠-藍（RGB）顏色模型）的原色。在其他示例中，光源140可以是被配置以提供基本上寬頻帶或多色光的基本上寬頻帶的光源。舉例而言，光源140可以提供白色光。在一些實施例中，光源140可以包括被配置以提供不同顏色的光的複數個不同的光學發射器。不同的光學發射器可以被配置以提供具有與不同顏色的光中的每一個相對應的不同的、顏色特定的、非零傳播角度的光。

在一些實施例中，光源140可以進一步包括準直器（圖中未示）。準直器可以被配置以從光源140的一個或複數個光學發射器接收基本上未經準直的光，然後將基本上未經準直的光轉換為準直的光。尤其，根據一些實施例，準直器可以提供具有非零傳播角並且根據預定的準直因子被準直的準直光。而且，當採用不同顏色的光學發射器時，準直器可以被配置以提供具有不同的、顏色特定的、非零傳播角度以及具有不同顏色特定準直因子的其中之一或二者的準直光。如上所述，準直器進一步被配置以將準直的光傳送到光導件110以傳播作為被引導的光104。

在各種實施例中，背光式透明顯示器100被配置以在通過光導件110與被引導的光104的傳播方向103正交的方向上對光基本上為透明的。尤其，光導件110和間隔分開的複數個散射元件120允許光經由第一表面110’和第二表面110”穿過光導件110。至少部分地由於散射元件120的相對較小的尺寸和散射元件120的相對大的元件間間隔而可以促進透明性。此外，在一些實施例中，尤其是當散射元件120包括繞射光柵時，散射元件120對於與光導件表面110’、110”正交地傳播的光也可以基本上是透明的。另外，至少在一些情況下（例如，當光閥被設置為清晰或「白色光」狀態時），光閥130的陣列被配置以對於正交地傳播的光也是透明的。因此，舉例而言，根據各種實施例，來自背景景象101的光可以在正交方向上通過具有複數個散射元件的光導件110，並且還穿過光閥陣列的至少一些光閥130，以便於經由背光式透明顯示器100觀看背景景象101。

根據這裡描述的原理的一些實施例，提供有一種透明顯示器系統。透明顯示器系統被配置以發射調變的光作為在透明顯示器上顯示或由透明顯示器顯示的影像之像素。另外，根據各種實施例，透明顯示器系統被配置使得背景景象經由透明顯示器系統為可見的。

在一些實施例中，透明顯示器可以是二維（2D）透明顯示器系統，其被配置以發射具有相對寬廣但基本上非方向性的視角的調變的光。也就是說，2D透明顯示器系統可以發射調變的光作為顯示影像的像素，例如，作為「2D」影像。另外，作為2D影像，所顯示的影像被配置以基本上將所顯示的影像的視域提供給廣視角內的基本上任何位置的觀看者。根據各種實施例，由透明顯示器系統提供的顯示影像可以顯現為疊加在背景景象上或背景景象中。

在其他實施例中，透明顯示器系統可以是透明多視域顯示器系統，其中發射的調變的光包括傾向指向透明多視域顯示器系統之複數個觀看方向的發射的調變的方向性光束。關於透明多視域顯示器系統實施例，所顯示的影像可以是包括具有與調變的方向性光束的方向相對應的方向的方向性像素的三維（3D）或多視域影像。尤其，發射的調變的方向性光束中的不同者可對應於與多視域影像相關聯的不同「視域」的單獨的方向性像素。舉例而言，不同的視域可以提供透明多視域顯示器系統所顯示的多視域影像中的訊息表示的「裸眼」（例如，自動立體）觀看體驗。另外，根據各種實施例，由透明多視域顯示器系統提供的多視域影像可以顯現為疊加在背景景象上或在背景景象中。

圖9係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的透明顯示器系統200的方塊圖。根據各種實施例，透明顯示器系統200被配置以將顯現至觀看者的影像顯示為疊加在背景景象201（亦即，在透明顯示器系統200後面或經由透明顯示器系統200觀看的景象）上。尤其，透明顯示器系統200被配置以提供顯示的影像，如疊加在經由透明顯示器系統200為可見的背景景象201上。

在如上面所知道的各種實施例中，顯示的影像可為2D影像或多視域影像。尤其，透明顯示器系統200提供的調變的發射的光202對應顯示的影像（亦即，2D像素和多視域/3D像素之其中之一或二者）之像素。另外，在一些實施例中，當顯示2D影像時，來自透明顯示器系統200的調變的發射的光202可擴散或具有相對寬的視角。在其他實施例中，來自透明顯示器系統200的調變的發射的光202可以是調變的方向性光束，從而可對應於所顯示的多視域影像的不同視域的方向性像素。調變的發射的光202被圖示為從圖9中的透明顯示器系統200所發出的箭頭。作為示例而非限制，虛線用於調變的發射的光202之箭頭以強調其調變。

圖9中所示的透明顯示器系統200還包括光閥陣列210。光閥陣列210被配置以調變發射的光204以提供表示顯示影像的調變的發射的光202（亦即，所顯示的影像之像素）。在一些實施例中，光閥陣列210可以基本上類似於上述背光式透明顯示器100的光閥陣列130。具體而言，根據各種實施例，具有散射元件224的光導件222與光閥陣列210的組合的透明度被配置使得背景景象能夠經由透明顯示器為可見的。

圖9中所示的透明顯示器系統200進一步包括透明背光件220。根據各種實施例，透明背光件220包含光導件222，其具有複數個散射元件224。在各種實施例中，透明顯示器系統200進一步包括光源226，其耦合至光導件222之邊緣。光源226被配置以提供光在光導件222中被引導作為被引導的光。複數個散射元件224被配置以散射出一部分被引導的光作為發射的光204。根據各種實施例，發射的光204可具有朝向光閥陣列和背景景象201之其中之一或二者的方向。另外，根據各種實施例，透明背光件220與光閥陣列210之組合之透明度被配置以使得光閥陣列210透過透明顯示器系統200係可見的。

在一些實施例中，透明背光件220之光導件222和複數個散射元件224基本上分別類似於上述的背光式透明顯示器100之光導件110和複數個散射元件120。舉例而言，複數個散射元件224可包含偏極保持散射元件、角度保持散射元件、和單一方向性散射元件中的一個或更多個。另外，在各種實施例中，複數個散射元件中的散射元件224可包含在圖4A~8中所示的或關於圖4A~8所描述的散射元件120中的任一個。也就是說，複數個散射元件中的散射元件224可包含繞射光柵、微反射散射元件、和微折射散射元件中的一個或更多個，其光學地連接至光導件222並被配置以散射出一部分被引導的光。此外，在一些實施例中，散射元件224的尺寸可以小於光閥陣列中的光閥210的尺寸。

在其他實施例中，複數個散射元件224可包含複數個多光束元件。根據這些實施例，複數個多光束元件中的多光束元件可被配置以散射出一部分被引導的光作為具有不同的主要角度方向的複數條方向性光束。尤其，複數條方向性光束中的各種方向性光束之不同的主要角度方向可對應多視域影像之分別不同的視域方向。如此，透明顯示器系統200可為多視域透明顯示器系統，而顯示的影像可以是或代表多視域影像。在一些實施例中，多光束元件之尺寸係介於光閥陣列210中的光閥210之尺寸之大約百分之五十與大約百分之二百之間。

在一些實施例中，複數個散射元件中的散射元件224之密度可被配置以改變，如同與被光源226耦合的光導件222之邊緣相隔的距離之函數。舉例而言，密度可如同距離之函數般改變以補償在光導件222中的被引導的光之強度的改變。

另外，根據一些實施例，光源226可以基本上類似於上述背光式透明顯示器100之光源140。舉例而言，光源226可以被配置以提供具有非零傳播角度以及根據預定的準直因子被準直的其中一或兩者的被引導的光。舉例而言，光源226可以包含準直器，該準直器被配置以將被引導的光提供為具有預定的準直因子的準直的被引導的光。

在一些實施例中，光閥陣列210可以與光導件222的與鄰接背景景象201的第二表面相對的第一表面鄰接。散射元件224可以進一步被配置以散射被引導的光的另一部分通過第二表面離開光導件。舉例而言，由散射元件224散射出的被引導的光的另一部分可以用於照明（或用作為背景景象201的照明源）。圖9將散射元件224從被引導的光的另一部分提供的發射的光204繪示為指向背景景象201的箭頭。雖然並未明確地繪示在圖9中，在這些實施例中，光閥陣列可被配置以調變由背景景象201反射的發射的光204。

在一些實施例中，光源226可以被配置以提供具有預定偏極的光。舉例而言，光源226可以包括偏光板或偏極光學發射器。在這些實施例中，舉例而言，散射元件224可以被配置以提供偏極保持散射，並且發射的光204可以具有偏極，被配置以匹配光閥陣列210的輸入偏極。

根據這裡描述的原理的其他實施例，提供了一種透明顯示器的操作方法。圖10係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的多視域顯示器的操作方法300的流程圖。如圖10所示，透明顯示器的操作方法300包含沿著光導件之長度引導光作為被引導的光（310）。在一些實施例中，光可以以非零傳播角度被引導（310）。另外，可以根據預定的準直因子來使被引導的光準直。在另外，被引導的光可被偏極或具有預定的偏極。根據一些實施例，光導件可以基本上類似於上面關於背光式透明顯示器100所描述的光導件110。

如圖10所示，透明顯示器的操作方法300進一步包含使用複數個散射元件將被引導的光的一部分散射出光導件作為發射的光（320）。在一些實施例中，複數個散射元件基本上類似於上面關於背光式透明顯示器100所述的散射元件120。

圖10中所示的透明顯示器的操作方法300還包含使用透明的光閥陣列來調變發射的光（330）。透明的光閥陣列被配置以將發射的光調變為顯示的影像。根據各種實施例，透明顯示器的光導件、複數個散射元件、和透明的光閥陣列之組合使背景景象經由透明顯示器為可見的。另外，根據各種實施例，顯示的影像可藉由透明顯示器之操作被疊加在可見的背景景象上。在一些實施例中，透明的光閥陣列可以基本上類似於上述背光式透明顯示器100的光閥陣列130。

在一些實施例中，散射步驟中（320）使用的複數個散射元件中的散射元件之尺寸小於光閥陣列中的光閥之尺寸。在一些實施例中，複數個散射元件可以包含光學連接到光導件的繞射光柵、微反射散射元件、和微折射散射元件中的一個或更多個。在一些實施例中，發射的光被指引朝向透明光閥陣列和背景景象之其中之一或二者，被指引朝向背景景象的發射的光被配置以提供照明至背景景象。

在一些實施例（圖中未示）中，透明顯示器的操作方法300還包含使用光源向光導件提供光。所提供的光可以是被引導的光，該被引導的光具有下列特徵之其中之一者或二者：在光導件內具有非零傳播角度；以及根據準直因子在光導件內被準直，以在光導件內提供被引導的光的預定角展度。在一些實施例中，光源可以基本上類似於上述的背光式透明顯示器100的光源140。

因此，本說明書中描述了背光式透明顯示器、透明顯示器系統、和背光式透明顯示器的操作方法的示例和實施例，其可經由透明顯示器使背景景象為可見的並且疊加顯示的影像至可見的背景景象上。應當理解的是，上述示例僅僅是說明代表這裡所描述的原理的許多具體示例中的一些示例。顯然地，本領域的技術人員可以很容易地設計出許多其他的配置，而不偏離由所附的發明申請專利範圍界定的範圍。

本申請主張於2017年10月27日提交的國際專利申請號PCT/US2017/058854之優先權，其全部內容藉由引用合併於本文中。

10‧‧‧光束 20‧‧‧繞射光柵 30‧‧‧光導件 40‧‧‧光束/入射光束 50‧‧‧方向性光束 100‧‧‧背光式透明顯示器 101‧‧‧背景景象 102‧‧‧發射的光 103‧‧‧傳播方向 104‧‧‧被引導的光 110‧‧‧光導件 110’‧‧‧第一表面 110”‧‧‧第二表面 120‧‧‧散射元件 120a‧‧‧第一散射元件 120b‧‧‧第二散射元件 122‧‧‧繞射光柵 122’‧‧‧位置 122a‧‧‧第一子光柵 122b‧‧‧第二子光柵 124‧‧‧微反射散射元件 126‧‧‧微折射散射元件、反向微稜鏡元件 127‧‧‧輸入孔徑 128‧‧‧傾斜側壁 129‧‧‧輸出孔徑 130‧‧‧光閥/光閥陣列 140‧‧‧光源 200‧‧‧透明顯示器系統 201‧‧‧背景景象 202‧‧‧調變的發射的光 204‧‧‧發射的光 210‧‧‧光閥、光閥陣列 220‧‧‧透明背光件 222‧‧‧光導件 224‧‧‧散射元件 226‧‧‧光源 300‧‧‧方法 310‧‧‧步驟 320‧‧‧步驟 330‧‧‧步驟 A‧‧‧位置或區域 B‧‧‧位置或區域 O‧‧‧原點 S‧‧‧尺寸 s‧‧‧尺寸 q‧‧‧角度分量、仰角分量、仰角 qi‧‧‧入射角 qm‧‧‧繞射角度 f‧‧‧角度分量、方位角分量、方位角 s‧‧‧角展度、準直因子 s_s‧‧‧角展度

根據在此描述的原理的示例和實施例的各種特徵可以參考以下結合附圖的詳細描述而更容易地理解，其中相同的附圖標記表示相同的結構元件，並且其中：圖1係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的具有與多視域顯示器的視域方向相對應的特定主要角度方向的光束的角分量之示意圖。圖2係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的繞射光柵之橫截面圖。圖3A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器之透視圖。圖3B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器之橫截面圖。圖3C係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的背光式透明顯示器之另一透視圖。圖4A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的包括散射元件的背光式透明顯示器之一部分之橫截面圖。圖4B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件的背光式透明顯示器之一部分之橫截面圖。圖5A係根據與在此所描述的原理一致的實施例說明在一示例中的包括複數個子光柵的繞射光柵之橫截面圖。圖5B係根據與在此所描述的原理一致的實施例說明在一示例中圖5A所示的繞射光柵之平面圖。圖6係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的一對散射元件之平面圖。圖7A係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件的背光式透明顯示器之一部分之橫截面圖。圖7B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件的背光式透明顯示器之一部分之橫截面圖。圖8係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例說明在一示例中的包括散射元件的背光式透明顯示器之一部分之橫截面圖。圖9係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的透明顯示器之方塊圖。圖10係根據與在此所描述的原理一致的一實施例說明在一示例中的透明顯示器的操作方法之流程圖。某些示例和實施例具有除了上述參考附圖中所示的特徵之外的其他特徵或代替以上參考附圖中所示的特徵的其他特徵。下面將參照上述附圖詳細描述這些和其他特徵。

200‧‧‧透明顯示器系統

201‧‧‧背景景象

202‧‧‧調變的發射的光

204‧‧‧發射的光

210‧‧‧光閥、光閥陣列

220‧‧‧透明背光件

222‧‧‧光導件

224‧‧‧散射元件

226‧‧‧光源

Claims

一種背光式透明顯示器，包含：一光導件，被配置以沿著該光導件之長度引導光作為一被引導的光；複數個散射元件，沿著並橫跨該光導件互相隔開，該複數個散射元件被配置以散射出該被引導的光之一部分作為一發射的光；以及一光閥陣列，被配置以調變該發射的光作為一顯示的影像，該複數個散射元件中的該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，其中，該背光式透明顯示器之透明度被配置以使得一背景景象經由該背光式透明顯示器為可見的，以及其中，該複數個散射元件進一步被配置以在該背景景象之方向上發射光，以及被引導朝向該背景景象的該發射的光被配置以照射該背景景象。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該複數個散射元件被配置以提供該發射的光作為一擴散光，以及該顯示的影像經由該背光式透明顯示器疊加至該背景景象之一視域上。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該複數個散射元件中的該散射元件位於該光導件之一第一表面和一第二表面之其中之一，以及該散射元件被配置以散射出該被引導的光之該部分通過鄰接該光閥陣列的該第一表面。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該複數個散射元件中的該散射元件包含一繞射光柵，該繞射光柵被配置以繞射地散射出該被引導的光之該部分作為該發射的光。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該複數個散射元件包含一微反射散射元件和一微折射散射元件之其中之一或二者，該微反射散射元件被配置以反射地散射出該被引導的光之一部分，以及該微折射散射元件被配置以折射地散射出該被引導的光之一部分。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該複數個散射元件中的該散射元件包含一單一方向性散射元件。
依據申請專利範圍第6項所述的背光式透明顯示器，其中，該單一方向性散射元件包含一倒稜鏡散射元件。
依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，其中，該光閥陣列包含一液晶光閥。
一種透明顯示器系統，包含依據申請專利範圍第1項所述的背光式透明顯示器，該透明顯示器系統進一步包含一光源，光學地耦合至該光導件之一輸入邊緣，以及該光源被配置以提供具有一非零傳播角度及根據一預定的準直因子被準直之其中之一或二者之該被引導的光。
一種透明顯示器系統，包含：一光閥陣列，被配置以調變一發射的光而提供一顯示的影像；以及一透明背光件，包含一光導件，該光導件具有複數個散射元件和一光源，該光源耦合至該光導件之一邊緣，該光源被配置以提供光在該光導件中被引導作為一被引導的光，該複數個散射元件被配置以散射出該被引導的光之一部分作為該發射的光，該發射的光具有朝向該光閥陣列及一背景景象二者的一方向，其中，該透明顯示器系統被配置以提供該顯示的影像作為疊加至該背景景象，以及該背景景象經由該透明顯示器系統為可見的，以及其中，被引導朝向該背景景象的該發射的光作用為該背景景象之一照射源，以及該光閥陣列被配置以調變被該背景景象反射的該發射的光。
依據申請專利範圍第10項所述的透明顯示器系統，其中，該複數個散射元件中的該散射元件包含一繞射光柵、一微反射散射元件、及一微折射散射元件之其中之一或更多者，光學地連接至該光導件以散射出該被引導的光之該部分。
依據申請專利範圍第10項所述的透明顯示器系統，其中，該複數個散射元件中的該等散射元件之密度被配置為依照一與被該光源耦合的該光導件之該邊緣相隔的距離的函數變化，該密度依照該距離之該函數變化以補償在該光導件中的該被引導的光之強度之變化。
依據申請專利範圍第10項所述的透明顯示器系統，其中，該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，該顯示的影像代表一二維(2D)內容，以及該透明顯示器系統係一2D透明顯示器系統。
依據申請專利範圍第10項所述的透明顯示器系統，其中，該複數個散射元件包含複數個多光束元件，該複數個多光束元件中的該多光束元件被配置以散射出該被引導的光之一部分作為複數條方向性光束，該複數條方向性光束具有不同的主要角度方向，對應一多視域影像之分別不同的視域方向，該透明顯示器系統係一多視域透明顯示器系統，以及該顯示的影像係一多視域影像。
依據申請專利範圍第14項所述的透明顯示器系統，其中，該多光束元件之尺寸係介於該光閥陣列中之該光閥之尺寸之百分之五十(50%)至百分之二百(200%)之間。
依據申請專利範圍第10項所述的透明顯示器系統，其中，該複數個散射元件包含一偏極保持散射元件、一角度保持散射元件、及一單一方向性散射元件之其中之一或更多者。
一種透明顯示器之操作方法，包含：沿著一光導件之長度引導光作為一被引導的光；使用複數個散射元件散射出該被引導的光之一部分離開該光導件作為一發射的光；以及使用一透明光閥陣列調變該發射的光，該透明光閥陣列被配置以調變該發射的光作為一顯示的影像；其中，該透明顯示器之該光導件、該複數個散射元件、及該透明光閥陣列之組合使得一背景景象經由該透明顯示器為可見的，以及該顯示的影像被疊加至該可見的背景景象上，以及其中，該發射的光被引導朝向該透明光閥陣列和該背景景象二者，以及被引導朝向該背景景象的該發射的光被配置以提供照明至該背景景象。
依據申請專利範圍第17項所述的透明顯示器系統，其中，該複數個散射元件中的該散射元件之尺寸小於該光閥陣列中的該光閥之尺寸，以及其中該複數個散射元件包含光學地連接至該光導件的一繞射光柵、一微反射散射元件、及一微折射散射元件之其中之一或更多者。