自动立体显示照明设备及包含其的自动立体显示装置的制造方法

自动立体显示照明设备及包含其的自动立体显示装置相关申请的交叉参考本申请要求2011年10月12日提交的美国申请系列第61/546303号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。背景本发明的实施方式涉及自动立体显示照明设备，更具体地，涉及包含一根或多根光纤的自动立体显示照明设备。本发明的实施方式还涉及含有光纤照明设备的自动立体显示装置。

技术实现要素：
自动立体显示装置能够产生三维图像，而无需观察者佩戴特殊的眼镜（例如，主动式快门眼镜或被动式偏振眼镜）。此类自动立体显示装置可通过照明显示板（例如液晶显示板）的像素列，从而使得观察者的每个眼睛看到面板的不同像素来产生三维图像。通过对显示板内的单个像素进行寻址，从而可以产生三维印象，因为每个眼睛看到的是对应显示的图像的不同像素系列。通过位于显示板后面的线性发光器照明像素列，使得线性发光器发射的光通过显示板的像素，并通过额外的光学装置，被观察者看到。线性发光器应该能够产生足够的光，以产生具有足够亮度的图像。常规线性发光器可包括氙闪光灯、荧光灯、白炽灯和发光二极管（LED）。虽然由LED（例如白色LED）构成的线性发光器可产生大量的光，但是此类线性发光器可能是昂贵的，因为对于显示器的各个线性发光器需要许多LED。此外，对于产生N个同时视野的显示系统，可以看出线性发光器放置的节距应该约等于显示板像素节距的N倍。作为例子而非限制，对于显示9个同时视野的1080p显示装置，会需要约213个线性发光器（1920/9）。此外，希望线性发光器尽可能的薄，以避免产生的视野之间的串扰。如果线性发光器的宽度增加，则单个发光器发射的光锥的角延伸增加，从而单个视野窗口不再分开。例如，由单独的LED构成的线性发光器可能足够大到产生视野之间的串扰。本发明的实施方式涉及用于自动立体显示装置的照明设备，其采用一根或多根光纤，所述一根或多根光纤构造成使得光从光纤的侧面散射或漫射出来，从而使得光被导向离开光纤的纤芯并通过外表面，以提供线性照明。本文所用术语“挠性散光波导”指的是此类光纤。所述光纤还可被称作“漏光纤”，因为光从光纤的侧面漏（例如，散射或漫射）出来。将光纤用作用于自动立体显示装置的照明设备的线性发光器具有以下一些优势，包括但不限于，降低成本（因为降低了所需的单独发光器（例如LED）），以及降低了线性发光器的宽度以防止视野之间的串扰。附图说明当结合以下附图阅读下面对本发明的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1A是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的自动立体显示装置的照明设备和显示板的前视示意图；图1B是图1A所示的照明设备的部分前视示意图；图1C是被根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的光纤照明的观察者视野的像素示意图；图1D是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的照明设备的部分示意图；图2是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的照明设备的前视示意图；图3A是由根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的自动立体显示装置的棱镜装置产生的光纤图像的顶视示意图；图3B是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的棱镜装置的侧视示意图；图4是示例性光漫射光纤的部分的侧视示意图；图5是根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的图4的光纤沿方向2-2观察的横截面示意图；图6A是示例性光漫射光纤的相对折射率-光纤半径的示意图；图6B是另一示例性光漫射光纤的相对折射率-光纤半径的示意图；以及图6C显示了另一示例性光漫射光纤。详细描述下面详细说明本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。以下的详细描述代表用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架的实施方式。所附附图提供了对本发明的权利要求的进一步理解，附图构成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释所要求保护的本发明实施方式的原理和操作。可以在本发明范围之内，对示例作出各种改进和变化，可以将不同示例的各个方面以不同的方式组合，以获得另外的示例。因此，本发明的权利要求的真实范围应当从整个说明书来理解，可以参考本文所述的实施方式，但不受其限制。本发明的实施方式一般地涉及包含一根或多根光纤（即挠性光漫射波导）的自动立体显示装置照明设备，所述一根或多根光纤作为线性发光器用于照明自动立体显示装置内的显示板的像素列。在一些实施方式中，线性发光器由单根光纤构成，所述单根光纤以蛇形方式设置在基板上，以形成线性发光器阵列。在一些实施方式中，线性发光器由多根光纤构成。术语“挠性光漫射波导”指的是采用纳米尺寸结构的挠性光学波导（例如光纤），其用于使光漫射出光纤的侧面或将光漫射出光纤的侧面，从而使得光被导出波导的芯并通过波导的外表面，以提供照明。挠性光漫射波导如美国专利申请系列第12/950,045号（美国专利申请公开号2011/0122646A1）所公开，其全文通过引用结合入本文。术语“波导区段”可指的是单个线性光漫射波导，或者位于相同挠性光漫射波导的弯曲部分或区段之间的线性部分的挠性光漫射波导。例如，可以使得单个挠性光漫射波导重复弯曲180度，以提供一系列的平行波导区段，所述波导曲段相互相邻设置，并且通常在平面内排列。术语“光源”指的是激光、发光二极管或者能够发射电磁辐射的其他组件，所述电磁辐射是可见光波长范围或者是可以与发光体相互作用以发生可见光波长范围的光。表述“控制发光的颜色”指的是可以根据需求随时间变化控制发光波长的动态控制，或者发光颜色是预定的被动控制，例如通过选择特定的发光体和/或光源。术语“发光体”指的是表现出发光的原子或化合物，包括各种荧光团和磷光体。出于在附图中指明方向以及方便描述的需要，使用了诸如“水平”、“垂直”、“前”、“后”等词语以及笛卡尔坐标，但其目的并不是在说明书或权利要求书中将它们严格地限制于绝对的取向和/或方向。以下术语和词语用于具有纳米尺寸结构的光漫射光纤。“折射率分布曲线”是折射率或相对折射率与波导（光纤）半径之间的关系。“相对折射率百分数”定义为Δ(r)%=100x[n(r)2–n参比2)]/2n(r)2,其中，除非另有说明，n(r)是在半径r处的折射率。除非另有说明，相对折射率百分数在850nm处限定。在一个方面，参比折射率n参比是二氧化硅玻璃在850nm处的折射率1.452498，在另一方面，它是包覆玻璃在850nm处的最大折射率。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用Δ表示，其值以“%”为单位。在一个区域的折射率小于参比折射率n参比的情况下，相对折射率百分数是负数，称作具有凹陷区域或者凹陷折射率，并且除非另有说明，否则，最小相对折射率在相对折射率为最大负值的点计算得到。在一个区域的折射率大于参比折射率n参比的情况下，相对折射率百分数是正数，该区域可称为凸起或者具有正折射率。在本文中，“正掺杂剂(updopant)”视为倾向于提高相对于未掺杂的纯SiO2的折射率的掺杂剂。在本文中，“负掺杂剂(downdopant)”视为倾向于降低相对于未掺杂的纯SiO2的折射率的掺杂剂。正掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域。负掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域。术语“α分布”或者“阿尔法分布”是指相对折射率分布曲线，用Δ(r)表示，单位为“%”，其中r为半径，该参数用以下方程式表示，Δ(r)=Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α),式中ro表示Δ(r)为最大值的点，r1表示Δ(r)%为零的点，r的范围是ri<r<rf，其中Δ如上文所定义，ri是α-分布曲线的起点，rf是α-分布曲线的终点，α是指数，为实数。因此，本文所用的术语“抛物线”包括基本上呈抛物线形的折射率分布曲线，它在纤芯中的一个或多个点上可稍微偏离α值为2.0的情况；“抛物线”还包括有少量变化和/或中心线下沉的分布曲线。在一些示例性实施方式中，在850nm处测量的α大于1.5而小于2.5，更优选大于1.7和小于2.3，甚至更优选在1.8-2.3之间。在其他实施方式中，折射率分布曲线上的一段或多段具有基本上呈阶梯的折射率形状，其中在850nm处测量的α值大于8，更优选大于10，甚至更优选大于20。术语“纳米结构光纤区”描述的是光纤具有这样的区域或区间，即该区域或区间具有大量的（多于50个）充气孔隙或其他纳米尺寸结构，例如光纤横截面中的孔隙超过50个、超过100个或者超过200个。充气孔隙可包含例如SO2、Kr、Ar、CO2、N2、O2或其混合物。本文所述的纳米尺寸结构（例如孔隙）的横截面尺寸（例如直径）可在10nm至1微米之间变化（例如50-500nm），长度可在1毫米至50m之间变化（例如2mm至5m，或者5mm至1m的范围）。现参考图1A，显示了根据本发明的一个实施方式的自动立体显示装置100。应注意的是，自动立体显示装置100的组件没有按比例绘制，并且实际的实施方式可以大于或小于图1A所示的自动立体显示装置100（或者具有不同的几何构造）。自动立体显示装置100通常包括照明设备110和显示板130。显示板130可配置成使用背光照明源的一种或多种显示技术，例如液晶显示器（LCD）。显示板130通常包括单个像素132的阵列。作为例子而非限制，每个像素可包括红色部分、绿色部分和蓝色部分，可对它们进行单独寻址，以控制像素的颜色。根据一个实施方式，照明设备110通常包括与基板112相连的光纤114。在一个替代实施方式中，光纤114未与基板相连。如下文所详述，光纤114配置成沿其长度从其纤芯发光，从而它起了线性发光器的作用。如图1A所示的实施方式的光纤114以蛇形方式设置在基板112上，使得光纤114的直线部分115形成照明设备110的线性发光器。虽然所示的光纤114具有垂直设置的直线部分115，但是本发明的实施方式不限于此。例如，可以这样设置光纤114，使得直线部分相对于垂直呈角度。此外，对于产生N个同时视野的显示系统，可以看出线性发光器放置的节距应该约等于显示板像素节距的N倍。作为例子而非限制，对于显示9个同时视野的1080p显示装置，会需要约213个线性发光器（1920/9）。光纤114可在第一端与光源120相连。光源120可以是能够发射具有可见光谱波长的辐射的任意光源，从而使得光纤114从其纤芯沿其长度以光功率均匀地发光，所述光功率完全照亮了显示板130的各个像素列，以产生各种视野。示例性光源120可包括，但不限于，激光和LED。照明设备110还可包括终端装置122。在一些实施方式中，所述终端装置122是反射的，使得光纤114端部的光通过光纤114反射回到光源120。在其他实施方式中，终端装置122是吸收的，从而吸收了到达光纤114端部的光。如图1A和1C所示，光纤114与基板112相连，从而其具有直线部分（例如，115a、115b）、顶部弯曲部分117a和底部弯曲部分117b。顶部和底部弯曲部分117a、117b的半径可取决于要照明的显示板的像素节距和总体尺寸。在一些实施方式中，顶部弯曲部分和底部弯曲部分是被（例如，板或者不透明涂层）覆盖的，使得光不从弯曲部分发射到显示板130。在其他实施方式中，光从顶部和底部弯曲部分发射。具体参见图1A，应注意的是，自动立体显示装置100的实施方式还可在照明设备110和显示板130之间包括额外的光学组件。例如，可以在照明设备110之后的光路中放置双面凸透镜组件(lenticularlensassembly)（未示出）和/或漫射器（未示出），以将光纤114发出的光聚焦到显示板130的像素132上，以及使得光纤114发射的光的角度变宽。图1C是光纤114的直线部分的俯视示意图，所述光纤114的直线部分分别通过像素132a、132b、132c、132d向观察者O发射光锥La、Lb、Lc、Ld。应理解的是，图1C仅显示了一部分的自动立体显示装置，并且可以提供许多其他线性发光器和像素。光纤114构造成沿其长度发光，从而与被光纤114的直线部分限定的特定线性发光器相关的像素接收背照明。如图1C所示，光锥Lb通过像素132b，光锥Lc通过像素132c，以此类推。应注意的是，光纤发射的光会照亮像素，所述像素构成进入图1C的页面的像素列。观察者O与自动立体显示装置100间隔特定的距离（例如3米）。通过像素的相邻光锥的间距约等于观察者双眼之间测得的距离。在图1C所示的实施方式中，观察者的右眼er通过光锥Lb观察像素132b，观察者的左眼el通过光锥Lc观察像素132c。现参见图1D，显示了照明设备110的部分横截面图。所示的照明设备110包括基板112，如上所述的光纤114的多个直线部分115a、115b、115c，以及透明基板119。基板112可包括多个凹槽113a、113b、113c（例如，V形凹槽、U形凹槽等），将光纤114置于其中。在其他实施方式中，可将光纤114放置在没有凹槽的基板112上。透明基板可以由如下材料制造，该材料对于光纤114发射的光的波长是透射的（例如，玻璃材料或者塑料材料）。在一些实施方式中，照明设备110还可包括从基板112开始，在凹槽113a、113b、113c之间延伸的隔板（未示出）。所述隔板可有助于形成限定的光锥，其降低了观察者所见到的串扰量。自动立体显示装置可以显示多个视野，从而显示多个透视场景。为了同时显示N个视野，放置线性发光器的节距需要约等于像素节距乘以N。也就是说，在自动立体显示装置中，照明设备的直线部分的数量可以约等于沿着像素阵列的宽度的像素的数量除以同时视野N的数量。在至少一些实施方式中，光源发射的光通过相邻像素132i，并产生光锥Li，所述光锥Li的间距约等于（±20%以内，更优选±10%以内）观察者双眼er、el中间的间距（例如参见图1C），通常约为70-90mm。图2显示了这样的实施方式，其中线性发光器并非如上文所述被单个蛇形光纤所限定，而是多根单独的光纤（例如，光纤114a’、114b’和114c’，统称“114’”）。光纤114’的数量可取决于所需的线性发光器的数量。例如，在1080p显示装置中，可以有约213根光纤114’作为线性发光器。光源120’可沿着基板112的长度放置，使得单根光纤114’与光源120’光连接。可以通过位于基板112的相对端的终端装置122’来终止光纤114’。终端装置122’可反射光或者吸收光，如上文所述。在一些实施方式中，单根光纤可限定两个或更多个线性发光器。例如，单根光纤可具有一个弯曲部分，从而其限定了两个线性发光器。一些实施方式可通过使用棱镜装置以减少完全照明自动立体显示装置的显示板所需光纤的数量和/或长度。图3A显示了这样一个实施方式，其中棱镜装置140位于光纤114发射的光的光路中。应理解的是，为了便于图示，在图3A中仅显示了一个被光纤114限定的线性发光器。棱镜装置140可产生光纤114的第一光纤图像114I1和第二光学图像114I2，从而产生存在3个线性发光器而非1个线性发光器的印象（在图3A中，光纤114是仅有的物理光纤）。因此可利用棱镜装置140来降低线性发光器的节距，从而降低了产生所需数量的线性发光器所需的光纤的长度和/或光纤的数量。考虑到产生了一个或多个光纤114的图像，可以对光纤114发射的光的亮度进行调节。此外，应理解的是，棱镜装置140可配置成产生不止两个光纤114的图像。图3B显示了根据一个实施方式的一部分棱镜装置140。在一个实施方式中，棱镜装置140可配置成其上限定了多个棱镜的角度过滤膜(angularfilterfilm)。在图3B所示的实施方式中，对于光纤140发射的光是光学透射的棱镜装置140具有数个微棱镜特征，其产生了图3A所示的光纤的图像。在一个实施方式中，微棱镜特征约为50微米。示例性棱镜装置140具有不会使得光偏离的较平坦部分141，以正方向（例如，+θ）使得光偏离的第一角度部分142，以及以负方向（例如，-θ）使得光偏离的第二角度部分143。较平坦部分、第一角度部分和第二角度部分的式样沿着棱镜装置重复。通过棱镜装置140的光以3个不同的角度透射，从而产生光纤114的多个图像。第一和第二角度部分142、143的角度可以是不相等的。此外，根据其他实施方式的棱镜组件可具有不止3个不同的角度部分，和/或没有较平坦部分。下面描述照明设备的光纤的各种实施方式。作为例子而非限制，漏光纤可构造成如2011年10月11日提交的题为“采用光漫射光纤的多波长光源(Multi-WavelengthLightSourceUsingLightDiffusingFibers)”的美国专利申请第61/545,713号所述的挠性光漫射波导，其全文通过引用结合入本文。应注意的是，上文所述的光纤可具有任意构造，使得它们从其纤芯并沿其长度发射光，以作为线性发光器。图4是光漫射光纤的示例性实施方式的部分侧面示意图，在该具有中心轴（“中心线”）16的光漫射光纤（以下称“光纤”）12的纤芯中具有许...