定向显示设备的制作方法
本发明整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提供大面积照明的光导，以便在2d、3d和/或自动立体显示装置中使用。
背景技术：
空间多路复用自动立体显示器通常使视差组件诸如透镜状屏幕或视差屏障与图像阵列对准，所述图像阵列被布置用于空间光调制器例如lcd上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自所述组像素中每组的光导向至各自不同的方向以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗中的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；并且眼睛置于第二观察窗中的观察者用来自第二组像素的光可看到第二图像。
与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且此外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙(例如对于电极而言)通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光调制器中的电子设备进行寻址。
技术实现要素：
本发明的一个方面提供一种定向显示设备，所述定向显示设备包括：显示装置，所述显示装置包括：透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置用于调制从所述像素阵列中通过的光；波导，所述波导具有输入端和用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述相对的第一引导表面和第二引导表面从所述输入端跨所述空间光调制器延伸；以及光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置处，所述波导可被布置用于将来自跨所述输入端的所述不同输入位置处的光源的输入光作为输出光导向穿过所述第一引导表面，以供通过所述空间光调制器在分布在所述横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于所述输入位置，所述定向显示设备还包括：传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测观察者相对于所述显示装置的位置；以及控制系统，所述控制系统被布置用于操作所述光源以基于被检测到的观察者的位置将光导向进入一个或多个观察窗，所述一个或多个观察窗包括至少一个光学窗，其中所述控制系统被布置用于基于所述传感器系统的输出来更改所述一个或多个观察窗的光学窗数量。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于在所述横向方向上被检测到的观察者的位置来更改所述一个或多个观察窗的光学窗数量。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于被检测到的观察者的位置而增加所述一个或多个观察窗的光学窗数量，所述观察者处于在所述横向方向上以预先确定的量远离所述显示装置的法线移位的位置中。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于沿所述显示装置的法线的被检测到的观察者的位置来更改所述一个或多个观察窗的光学窗数量。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于被检测到的观察者的位置来增加所述一个或多个观察窗的光学窗数量，所述观察者处于沿所述显示装置的法线以预先确定的量远离标称窗平面朝向所述显示装置的移位的位置中。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于所述观察者在所述横向方向上离开所述显示装置的法线的速度或加速度来更改所述一个或多个观察窗的光学窗数量。
在一些实施方案中，所述控制系统被布置用于响应于所述观察者在所述横向方向上离开所述显示装置的法线的超过预先确定的量的速度或加速度来增加所述一个或多个观察窗的光学窗数量。
在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结构特征被取向为在多个方向上反射被引导穿过所述波导的光，从而允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开。
在一些实施方案中，所述第二引导表面具有介于所述光提取结构特征之间的中间区域，所述中间区域被布置用于引导光穿过所述波导，而不对光进行提取。
在一些实施方案中，所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括构成所述光提取结构特征的小平面和所述中间区域。
在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面为基本上平面的并且以一定的角度倾斜，以在破坏所述全内反射的多个方向上反射光，以便穿过所述第一引导表面输出光，所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以便使光朝所述空间光调制器的法线偏转。
在一些实施方案中，所述波导具有面向所述输入端的反射端，以便将来自所述输入光的光穿过所述波导反射回，所述波导被布置用于在从所述反射端反射之后穿过所述第一引导表面输出光。
在一些实施方案中，所述反射端在所述横向方向上具有正光焦度。
在一些实施方案中，所述控制系统进一步被布置用于控制所述空间光调制器以使用时间多路复用的左图像和右图像调制光，并且同步被布置用于基于被检测到的观察者的位置操作所述光源以将通过所述左图像和所述右图像调制的光导向进入左眼观察窗和右眼观察窗，所述左眼观察窗和所述右眼观察窗包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗。
本发明的另一方面还提供一种自动立体显示设备，所述自动立体显示设备包括：显示装置，所述显示装置包括：透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器包括像素阵列，所述像素阵列被布置用于调制从所述像素阵列中通过的光；波导，所述波导具有输入端和用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述相对的第一引导表面和第二引导表面从所述输入端跨所述空间光调制器延伸；以及光源阵列，所述光源阵列在跨所述波导的输入端的横向方向上的不同输入位置处，所述波导可被布置用于将来自跨所述输入端的所述不同输入位置处的光源的输入光作为输出光导向穿过所述第一引导表面，以供通过所述空间光调制器在分布在所述横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于所述输入位置，所述自动立体显示设备还包括：传感器系统，所述传感器系统被布置用于检测观察者相对于所述显示装置的位置；以及控制系统，所述控制系统被布置用于控制所述空间光调制器，以及基于被检测到的观察者的位置操作所述光源以将光导向进入观察窗，所述观察窗包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗，所述控制系统被布置用于响应于在预先确定的区域中的被检测到的观察者的位置，通过控制所述空间光调制器以使用时间多路复用的左图像和右图像来调制光，并且同步操作所述光源以将所述左图像和所述右图像导向进入各自的观察窗，来提供3d图像显示，所述观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中，并且所述控制系统被布置用于响应于在所述预先确定的区域之外的位置中的被检测到的观察者的位置，通过控制所述空间光调制器以使用2d图像来调制光，并且操作所述光源以将所述2d图像导向进入观察窗，来提供2d图像显示，所述观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。
在一些实施方案中，所述预先确定的区域为在相对于所述显示装置的法线的所述横向方向上的横向位置的中心范围。
在一些实施方案中，所述预先确定的区域为在相对于所述显示装置的法线的纵向位置的范围。
在一些实施方案中，所述预先确定的区域为在相对于所述显示装置的法线的所述横向方向上的横向位置和纵向位置的中心区域。
在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面包括多个光提取结构特征，所述光提取结构特征被取向为在多个方向上反射被引导穿过所述波导的光，从而允许作为所述输出光穿过所述第一引导表面离开。
在一些实施方案中，所述第二引导表面具有介于所述光提取结构特征之间的中间区域，所述中间区域被布置用于引导光穿过所述波导，而不对光进行提取。
在一些实施方案中，所述第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括构成所述光提取结构特征的小平面和所述中间区域。
在一些实施方案中，所述第一引导表面被布置用于通过全内反射引导光，并且所述第二引导表面为基本上平面的并且以一定的角度倾斜，以在破坏所述全内反射的多个方向上反射光，以便穿过所述第一引导表面输出光，所述显示装置还包括偏转元件，所述偏转元件跨所述波导的第一引导表面延伸，以便使光朝所述空间光调制器的法线偏转。
在一些实施方案中，所述波导具有面向所述输入端的反射端，以便将来自所述输入光的光穿过所述波导反射回，所述波导被布置用于在从所述反射端反射之后穿过所述第一引导表面输出光。
在一些实施方案中，所述反射端在所述横向方向上具有正光焦度。
根据本发明的第一方面，提供包括显示装置的定向显示设备，该显示装置可包括透射式空间光调制器。透射式空间光调制器可包括像素阵列，该像素阵列可被布置用于调制从其中通过的光。显示装置也可包括波导，该波导具有输入端和用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。相对的第一引导表面和第二引导表面可从输入端跨空间光调制器延伸。显示装置也可包括在横向方向上跨波导输入端的不同输入位置处的光源阵列。波导可被布置用于将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，以供通过空间光调制器在分布在横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于输入位置。自动立体显示设备也可包括传感器系统和控制系统，该传感器系统可被布置用于检测观察者相对于显示装置的位置，该控制系统可被布置用于操作光源以基于被检测到的观察者的位置将光导向进入包括至少一个光学窗的一个或多个观察窗中。控制系统可被布置用于基于传感器系统的输出来更改一个或多个观察窗的光学窗的数量。
通过更改用于形成观察窗的光学窗的数量，定向显示设备可以在减少显示器闪烁和控制功率消耗之间实现所需的平衡。
定向显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统还被布置用于控制空间光调制器以使用时间多路复用左图像和右图像调制光，并且同步被布置用于基于被检测到的观察者的位置操作光源以将通过左图像和右图像调制的光导向进入左眼观察窗和右眼观察窗，所述左眼观察窗和右眼观察窗包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗。在这种情况下，更改用于形成观察窗的光学窗的数量可以减少显示器闪烁同时基本上保持减少的图像串扰。
控制观察窗中的光学窗的数量可以基于多种方式的传感器系统的输出，其一些例子如下。
控制系统可以响应于在横向方向上被检测到的观察者的位置来更改一个或多个观察窗的光学窗的数量，例如通过响应于被检测到的观察者的位置而使光学窗的数量增加，观察者处于在横向方向上以预先确定的量远离显示装置的法线移位的位置中。
控制系统可以响应于沿显示装置的法线的被检测到的观察者的位置来更改一个或多个观察窗的光学窗的数量，例如通过响应于被检测到的观察者的位置而使光学窗的数量增加，观察者处于沿显示装置的法线以预先确定的量远离标称窗平面朝显示装置移位的位置中。
控制系统可以响应于观察者在横向方向上离开显示装置的法线的速度或加速度来更改一个或多个观察窗的光学窗的数量，例如通过响应于观察者在横向方向上离开显示装置的法线的超过预先确定的量的速度或加速度而使光学窗的数量增加。
根据本发明的第二方面，提供了可包括显示装置的自动立体显示设备，该显示装置包括：包括像素阵列的透射式空间光调制器，该像素阵列被布置用于调制从其中通过的光。显示装置也可包括波导，该波导具有输入端和用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述相对的第一引导表面和第二引导表面从输入端跨空间光调制器延伸。显示装置也可包括在横向方向上跨波导输入端的不同输入位置处的光源阵列。波导可被布置用于将来自跨输入端的不同输入位置处的光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，以供通过空间光调制器在分布在横向方向中的输出方向上进入各自的光学窗，所述输出方向取决于输入位置。自动立体显示设备还可包括传感器系统，该传感器系统被布置用于检测观察者相对于显示装置的位置。自动立体显示设备还可包括控制系统，该控制系统被布置用于控制空间光调制器，以及基于被检测到的观察者的位置操作光源以将光导向进入观察窗，该观察窗包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗。控制系统可被布置用于响应于被检测到的观察者的位置(其位于围绕显示装置的法线的横向位置的中心区域)，通过控制空间光调制器以使用时间多路复用的左图像和右图像来调制光，并且同步操作光源以将左图像和右图像导向进入观察窗，来提供3d图像显示，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。控制系统还可被布置用于响应于被检测到的观察者的位置(其位于中心范围之外的横向位置)，通过控制空间光调制器以使用2d图像来调制光，并且操作光源以将该2d图像导向进入观察窗，来提供2d图像显示，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。
在一个实施例中，光学窗畸变可由于光学像差而增加偏轴，例如其可在无补偿布置方式下形成不均匀的照明。可针对偏轴观察位置来增加可被照明的光学窗的数量以补偿窗畸变，使得显示区域针对偏轴观察位置中的观察者的相应眼睛而保持基本上均匀地填充。
另外，在观察区域边缘处或其附近增加光学窗阵列的尺寸可在一定程度上补偿光学窗图像的像差，并且可减少不期望的图像闪烁的出现，特别是在光学系统的输出处由于视场像差的出现而引起的图像闪烁。
通过比较的方式，与可以方便地在空间多路复用显示器中实现的窗宽度相比，可以实现更宽的窗宽度，而无需增加在两眼间区域中的窗之间的重叠。窗宽度可以变化，以增加在朝向和远离显示器的纵向方向上，以及在相对于显示器的光轴的横向方向上的观察自由度。
可以类似于前述的方式在纵向跟踪期间调节观察窗的尺寸以增加观察自由度。有利的是，可通过较小的观察窗在窗平面附近实现减小的串扰，而对于远离窗平面的观察距离而言，可以照明更远的光学窗以增加纵向观察自由度以及提供较大的观察窗。可通过控制分立的发光元件来实现光学窗在观察者位置之间的切换。注意，可对构成观察窗的光学窗的数量进行调节，而无需降低显示器的空间分辨率。
一个实施例可以在自动立体观察和2d观察之间提供超过自动立体观察位置限制的具有所需图像质量的基本上无缝的过渡。
另外，在于纵向或横向方向上达到观察者位置之前，如果例如系统像差增至某个程度，在该程度下显示器照明均匀度或图像串扰降到观察者舒适度的期望限制以下，则可使用如本文所讨论的机构来切换至2d(非自动立体)观察。
在另一个实施例中，当观察者在显示器前方的位置范围内时，显示器可以处理用户位置以打开另外的2d背光源，使得可以保持照明显示器的边缘并且进一步增加舒适的观察自由度。
在另一个实施例中，当观察者接近限定的位置诸如观察自由度的限制时，可采用偏心加重电机。该加重电机可包括振动模式，该振动模式可以与手持式显示器或可从手持式控制台或装置操作的显示器一起很好的工作。此外，用于检测观察者位置的装置也可用于通知观察者已经超过了自动立体观察的所需范围。
另外一种选择是在自动立体3d观察区域之外具有2d观察区域的自动立体显示器，从而不在相应观察的3d观察区域之外提供光。该显示器可实现宽的观察自由度，该宽的观察自由度确保在观察3d时，图像具有所需的图像质量。
另外，该实施例可实现对于两个不同的观察者而言将在整个屏幕上方同时观察到两个不同的2d图像通道，或对于同一观察者而言在不同的空间位置中的不同观察。
本发明的任何所述方面可以任意组合一起应用。
显示器背光源通常采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明导向穿过显示面板进入观察窗的另外功能。成像系统可在多个光源与各自的窗图像之间形成。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀，因此也可以是折叠成像定向背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，同时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请no.13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
美国专利no.6,377,295大体讨论了由于跟踪控制延迟，预测可用于校正坐标，该专利全文以引用方式并入本文。这将应用于机械运动视差光学元件，必须一直或连续控制其位置。通过比较的方式，本实施例在由显示器照明脉冲设定的限定的将来时间处提供预测生成的观察者位置，而不是跟踪延迟。有利的是，其可能不适于连续地确定位置，而适于在照明的分立的将来时间处确定位置。美国专利no.5,959,664大体讨论了观察者的纵向跟踪以及通过调节显示器slm的内容转向，该专利全文以引用方式并入本文。通过比较的方式，下文所述的实施例可以在无需调节或裁剪显示器slm上的图像的情况下通过调节光学阀的照明来实现纵向跟踪。
本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体显示器。此外，如将描述的，本发明的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学组件。此类组件可用于定向背光源，以提供包括自动立体显示器的定向显示器。此外，实施例可提供受控照明器以便得到高效的自动立体显示器。
本发明的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。
详细进行所公开的实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体布置方式的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和布置方式来阐述本发明的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。
定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立led光源，来提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制发射光定向分布可实现安全功能的单人观察，其中显示器可仅被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中仅在小角度定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；以及可实现低成本。
本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，本发明的这些和其他优点及特征将变得显而易见。
附图说明
实施例通过举例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并且其中：
图1a是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图；
图1b是根据本发明的示意图，其示出了图1a的定向显示装置的一个实施例中的光传播的侧视图；
图2a是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的另一个实施例中的光传播的顶视图示出；
图2b是根据本发明的示意图，其以图2a的定向显示装置的正视图示出了光传播；
图2c是根据本发明的示意图，其以图2a的定向显示装置的侧视图示出了光传播；
图3是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；
图4a是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中且包括弯曲光提取结构特征的观察窗的生成；
图4b是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中且包括弯曲光提取结构特征的第一观察窗和第二观察窗的生成；
图5是根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取结构特征的定向显示装置中的第一观察窗的生成；
图6a是根据本发明的示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例；
图6b是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；
图6c是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；
图7是根据本发明的示意图，其示出了包括时间多路复用定向显示装置的观察者跟踪自动立体显示设备；
图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置；
图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；
图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置的结构；
图11a是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的正视图；
图11b是根据本发明的示意图，其示出了楔型定向背光源的侧视图；
图12是根据本发明的示意图，其示出了包括显示装置和控制系统的定向显示设备；
图13是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了观察窗的形成；
图14a是根据本发明的示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式；
图14b是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于移动观察者的第二观察窗布置方式；
图15是根据本发明的示意图，其示出了窗平面中图14a的窗的外观；
图16是根据本发明的示意图，其示出了用于移动观察者的窗平面中图14b的窗的外观；
图17是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于移动观察者的不同尺寸的窗；
图18是根据本发明的示意图，其示出了用于在第一方向上移动的观察者的观察窗的布置方式；
图19是根据本发明的示意图，其示出了用于在与第一方向相对的第二方向上移动的观察者的观察窗的布置方式；
图20是根据本发明的示意图，其以正视图示出了用于正在加速的观察者的观察窗的第一布置方式；
图21是根据本发明的示意图，其以正视图示出了在观察区域的边缘处增大窗尺寸；
图22是根据本发明的示意图，其示意性地示出了图21的观察窗的布置方式；
图23a是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体显示装置的观察区域的第一布置方式；
图23b是根据本发明的示意图，其以正视图示出了自动立体显示装置的观察区域的另选的布置方式；
图23c是根据本发明的示意图，其以正视图示出了针对过于接近自动立体显示装置的观察者切换到单个2d窗以跨整个显示宽度进行自动立体观察；
图23d是根据本发明的示意图，其以正视图示出了针对过于接近自动立体显示装置的观察者切换到2d背光源照明以跨整个显示宽度进行自动立体观察；
图23e是根据本发明的示意图，其示出了指示观察者过于接近自动立体显示装置的方法；
图23f是根据本发明的示意图，其示出了指示观察者相对于自动立体显示装置的观察过于偏轴的方法；
图24a是根据本发明的示意图，其以正视图示出了在自动立体3d观察区域之外具有2d观察区域的自动立体显示装置；
图24b是根据本发明的示意图，其示出了可位于不同2d窗中的两个观察者；
图24c是根据本发明的示意图，其示出了3d和2d图像的区域；
图24d是根据本发明的示意图，其示出了3d和2d图像的区域；
图24e是根据本发明的示意图，其示出了3d和2d图像的区域的另外的布置方式；
图24f是根据本发明的示意图，其示出了3d和2d图像的区域的另外的布置方式；
图25a是根据本发明的示意图，其以正视图示出了当跟踪系统已获得对观察者的锁定时，由自动立体显示器生成的自动立体观察窗；
图25b是根据本发明的示意图，其以正视图示出了当跟踪系统已丢失对观察者的锁定时，由自动立体显示装置生成的2d观察窗；
图26是根据本发明的示意图，其示意性地示出了针对相对于窗取向具有倾斜的眼位置的观察者的观察窗的布置方式；
图27a是根据本发明的示意图，其示出了当超过用于自动立体3d观察的限定观察区域时的窗布置方式；
图27b是根据本发明的示意图，其示出了当超过用于自动立体3d观察的限定观察区域时的另外的窗布置方式；
图28a是根据本发明的示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的窗布置方式；
图28b是根据本发明的示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的另选的窗布置方式；
图28c是根据本发明的示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的另选的窗布置方式；
图29是根据本发明的示意图，其示出了用于2d定向显示系统的另选的窗布置方式，该2d定向显示系统被布置用于根据观察位置修改观察窗结构；以及
图30是根据本发明的示意图，其示出了用于不同的观察者距离的2d定向显示系统的另选的窗布置方式。
具体实施方式
时间多路复用自动立体显示器可有利地通过在第一时隙中将来自空间光调制器所有像素的光引导至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光引导至第二观察窗，而改善自动立体显示器的空间分辨率。因此眼睛被布置用于接收第一观察窗和第二观察窗中的光的观察者将经多个时隙看到整个显示器的全分辨率图像。时间多路复用显示器可有利地通过使用定向光学元件将照明器阵列引导穿过基本上透明的时间多路复用空间光调制器，而实现定向照明，其中定向光学元件在窗平面中基本上形成照明器阵列的图像。
观察窗的均匀度可有利地与空间光调制器中像素的布置方式无关。有利地，此类显示器可提供具有低闪烁的观察者跟踪显示器，且对于移动观察者的串扰水平较低。
为在窗平面中实现高均匀度，期望的是提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。可例如通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，提供时序照明系统的照明器元件。然而，此类像素会遭受对于空间多路复用显示器而言类似的困难。此外，此类装置可具有较低效率和较高成本，需要另外的显示组件。
可便利地用宏观照明器例如led阵列与通常具有1mm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件的组合，实现高窗平面均匀度。然而，照明器元件的尺寸增加意味着定向光学元件的尺寸成比例增加。例如，成像到65mm宽的观察窗的16mm宽的照明器可需要200mm后工作距离。因此，光学元件的厚度增加可妨碍有效应用于例如移动显示器或大面积显示器。
为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利申请no.13/300,293所述的光学阀有利地可与快速切换透射空间光调制器组合布置，以在薄型封装中实现时间多路复用自动立体照明，同时提供具有无闪烁观察者跟踪和低串扰水平的高分辨率图像。描述了观察位置或窗的一维阵列，其可在第一(通常水平)方向上显示不同图像，但在第二(通常竖直)方向上移动时包含相同图像。
常规非成像显示器背光源通常采用光学波导并且具有来自光源诸如led的边缘照明。然而，应当理解，此类常规非成像显示器背光源与本发明所讨论的成像定向背光源之间在功能、设计、结构和操作方面存在许多根本差别。
一般而言，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置用于将来自多个光源的照明沿至少一个轴线导向穿过显示面板到达各自的多个观察窗。每个观察窗通过成像定向背光源的成像系统沿光源的至少一个轴线基本上形成为图像。成像系统可在多个光源与各自的窗图像之间形成。这样，来自多个光源每者的光对于处于各自观察窗之外的观察者眼睛而言基本上不可见。
相比之下，常规非成像背光源或光引导板(lgp)用于2d显示器的照明。参见例如，
如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光源和阀定向背光源(“v-dbl”)的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空间光调制器(其有时称为“光阀”)。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，可入射到成像反射器上，并且可反向传播，使得光可通过反射离开倾斜的光提取结构特征而被提取，并导向至观察窗，如美国专利申请no.13/300,293中所述，所述专利申请全文以引用方式并入本文。
如本文所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式波导成像定向背光源、折叠成像定向背光源、楔型定向背光源或光学阀。
另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀。阶梯式波导是用于成像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，其可包括第一光引导表面和与第一光引导表面相对的第二光引导表面，还包括散布有被布置为阶梯的多个提取结构特征的多个光引导结构特征。
此外，如所用的，折叠成像定向背光源可为楔型定向背光源或光学阀中的至少一者。
在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入端传播到反射端并且可在基本上无损耗的情况下传输。光可在反射端反射并且在与第一方向基本上相对的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取结构特征上，所述光提取结构特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。
光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件后工作距离更薄的光学元件以将来自宏观照明器的光导向到标称窗平面。此类显示器可使用光提取结构特征阵列，其被布置用于提取沿基本上平行的波导反向传播的光。
用于与lcd一起使用的薄型成像定向背光源具体实施已由如下提出和说明：3m的例如美国专利no.7,528,893；微软公司(microsoft)的例如美国专利no.7,970,246，其在本文可称为“楔型定向背光源”；reald的例如美国专利申请no.13/300,293，其在本文可称为“光学阀”或“光学阀定向背光源”，所有这些专利全文以引用方式并入本文。
本发明提供了阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之间来回反射，所述阶梯式波导可包括第一侧面和第一组结构特征。当光沿着阶梯式波导的长度传播时，光可基本上不改变相对于第一侧面和第一组表面的入射角，因此在这些内面处可不达到介质的临界角。光提取可有利地由第二组表面(阶梯“立板”)实现，所述第二组表面斜向于第一组表面(阶梯“踏板”)。应当注意，第二组表面可不为阶梯式波导的光引导操作的部分，但可被布置用于由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允许光在具有连续内表面的楔形轮廓波导内引导。因此，光学阀不是楔型成像定向背光源。
图1a是示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图，并且图1b是示意图，其示出了图1a的光学阀结构中的光传播的侧视图。
图1a示出了在定向显示装置的定向背光源的xy平面中的正视图，并且包括可用于照明阶梯式波导1的照明器阵列15。照明器阵列15包括照明器元件15a至照明器元件15n(其中n是大于1的整数)。在一个例子中，图1a的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器大小的波导1。照明器元件15a至照明器元件15n为可为发光二极管(led)的光源。虽然led在本文作为照明器元件15a至照明器元件15n讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极管光源、半导体光源、激光源、局域场致发射光源、有机发射体阵列等。另外，图1b示出了在xz平面中的侧视图，并且包括如图所示布置的照明器阵列15、slm(空间光调制器)48、提取结构特征12、引导结构特征10和阶梯式波导1。图1b中提供的侧视图是图1a中所示的正视图的替代视图。因此，图1a和图1b的照明器阵列15彼此对应，并且图1a和图1b的阶梯式波导1可彼此对应。
此外，在图1b中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端2与将输入光穿过波导1反射回的反射端4之间延伸。在跨波导的横向方向上的输入端2的长度大于输入端2的高度。将照明器元件15a至照明器元件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。
波导1具有相对的第一引导表面和第二引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，所述光提取结构特征面向反射端4并倾斜以在多个方向上反射穿过波导1从反射端引导回的光的至少一些，所述多个方向破坏第一引导表面处的全内反射并且允许穿过第一引导表面(例如图1b中朝上)输出，所述输出提供至slm48。
在该例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构特征。光提取结构特征12不会将光引导穿过波导，而光提取结构特征12之间的第二引导表面的中间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的这些区域是平坦的并且可平行于第一引导表面或以相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向延伸到那些区域，使得第二引导表面具有阶梯式形状，所述阶梯式形状包括光提取结构特征12和中间区域。光提取结构特征12被取向为在从反射端4反射后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。
光提取结构特征12被布置用于将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于照明元件15a至照明元件15n被布置在不同输入位置处，来自各自照明元件15a至照明元件15n的光在这些不同方向上反射。这样，照明元件15a至照明元件15n每者在分布在横向方向中的输出方向上将光导向进入各自的光学窗，所述输出方向取决于输入位置。对于输出光而言，输入位置分布在其中的跨输入端2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端2处限定且对于输出光而言的横向方向在该实施例中保持平行，其中反射端4和第一引导表面处的偏转大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明器元件15a至照明器元件15n可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗。
在本发明中，光学窗可对应于窗平面中的单光源的图像，所述窗平面为其中跨整个显示装置形成光学窗的标称平面。或者，光学窗可对应于一起驱动的一组光源的图像。有利地，此组光源可增加阵列121的光学窗的均匀度。
通过比较的方式，观察窗是其中提供光的窗平面中的区域，包括来自整个显示区域的基本上相同的图像的图像数据。因此，观察窗可由单个光学窗或由多个光学窗形成。
slm48延伸跨波导，其为透射性的并调制从其中穿过的光。虽然slm48可为液晶显示器(lcd)，但这仅仅作为例子，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括lcos、dlp等，因为该照明器可以反射方式工作。在该例子中，slm48跨波导的第一引导表面设置并调制在从光提取结构特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。
可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1a中以正视图示出，且其侧面轮廓在图1b中示出。在操作中，在图1a和图1b中，光可从照明器阵列15发出，所述照明器阵列诸如为沿着阶梯式波导1的薄端侧面2的表面x＝0位于不同位置y的照明器元件15a至照明器元件15n的阵列。光可在阶梯式波导1内在第一方向上沿着+x传播，与此同时，光可在xy平面中成扇形射出并且在到达远处弯曲端侧面4时可基本上或完全填充弯曲端侧面4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的底部侧面的引导结构特征10的提取结构特征12可具有大于临界角的倾斜角，因此在第一方向上沿着+x传播的基本上所有光都可能错过提取结构特征12，确保了基本上无损耗的前向传播。
继续讨论图1a和图1b，阶梯式波导1的弯曲端侧面4可制成反射性的，通常通过用反射性材料例如银涂布而实现，但可采用其他反射技术。光可因此在第二方向上重新导向，顺着引导件在–x方向上返回并且可在xy或显示器平面中基本上准直。角展度可在主要传播方向相关的xz平面中基本上保持，这可允许光射在立板边缘上并反射出引导件。在具有大约45度倾斜的提取结构特征12的实施例中，可将光有效地导向至大约垂直于xy显示器平面，且xz角展度相对于传播方向基本上保持。当光通过折射离开阶梯式波导1时，该角展度可增大，但根据提取结构特征12的反射特性，该角展度也可稍微减小。
在具有未带涂层的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射(tir)失效时反射可减少，从而压缩xz角轮廓并偏离法向。然而，在具有带银涂层或金属化的提取结构特征的其他实施例中，增大的角展度和中心法线方向可保持。继续描述具有带银涂层的提取结构特征的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明器阵列15中的各照明器元件15a至照明器元件15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法向。沿着输入边缘2具有独立照明器元件15a至照明器元件15n进而能够使光从整个第一光导向侧面6离开并以不同外角传播，如图1a中所示。
在一个实施例中，显示装置可包括阶梯式波导或光阀，其继而可包括可被布置用于通过全内反射引导光的第一引导表面。光阀可包括第二引导表面，该第二引导表面可具有多个光提取结构特征，该多个光提取结构特征倾斜以在多个方向上反射引导穿过波导的光，从而允许作为输出光穿过第一引导表面离开。第二引导表面也可具有介于光提取结构特征之间的区域，所述区域可被布置用于将光导向穿过波导而不提取光。
在另一个实施例中，显示装置可包括具有至少第一引导表面和第二引导表面的波导，该第一引导表面可被布置用于通过全内反射引导光，该第二引导表面可为基本上平坦的并且以某个角度倾斜以在破坏全内反射的多个方向上反射光，以便穿过第一引导表面输出光，显示装置可包括跨波导的第一引导表面延伸的偏转元件以便朝向slm48的法线偏转光。
在又一个实施例中，显示装置可包括波导，该波导可具有面向输入端的反射端，以便将来自输入光的光穿过波导反射回来。波导还可被布置用于在从反射端反射之后穿过第一引导表面输出光。
用此类装置照明slm48诸如快速液晶显示器(lcd)面板可实现自动立体3d，如图2a中的顶视图或从照明器阵列15末端观察的yz-平面、图2b中的正视图和图2c中的侧视图所示。图2a是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2b是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，并且图2c是以侧视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图。如图2a、图2b和图2c所示，阶梯式波导1可位于显示顺序右眼图像和左眼图像的快速(例如，大于100hz)lcd面板slm48的后方。在同步中，可选择性打开和关闭照明器阵列15的具体照明器元件15a至照明器元件15n(其中n是大于一的整数)，从而借助系统的方向性提供基本上独立地进入右眼和左眼的照明光。在最简单的情况中，一起打开照明器阵列15的各组照明器元件，从而提供在水平方向上具有有限宽度但在竖直方向上延伸的一维观察窗26或光瞳，其中水平间隔的两只眼均可观察到左眼图像；并提供另一个观察窗44，其中两只眼均可主要观察到右眼图像；并提供中心位置，其中两只眼均可观察到不同图像。这样，当观察者的头部大约居中对准时可观察到3d。远离中心位置朝侧面移动可导致场景塌缩在2d图像上。
反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的直线并且与末端4围绕x轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光焦度的其他组件例如光提取结构特征12(如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。在通常在末端4处包括大致圆柱形反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直线并且与侧面4围绕x轴的反射对称的轴线重合。光轴238通常与波导1的机械轴重合。末端4处的圆柱形反射表面可通常包括球形轮廓以优化轴向和离轴观察位置的性能。可使用其他轮廓。
图3是以侧视图示出定向显示装置的示意图。此外，图3示出了可为透明材料的阶梯式波导1的操作的侧视图的另外细节。阶梯式波导1可包括照明器输入端2、反射端4、可基本上平坦的第一光导向侧面6、以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二光导向侧面8。在操作中，来自可例如为可寻址led阵列的照明器阵列15(图3中未示出)的照明器元件15c的光线16，可通过第一光导向侧面6的全内反射和引导结构特征10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射端4。虽然反射端4可为镜面并可反射光，但在一些实施例中光也可以穿过反射端4。
继续讨论图3，反射端4所反射的光线18可进一步通过反射端4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过侧面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的尺寸、侧面4和提取结构特征12中的输出设计距离和光焦度决定。观察窗的高度可主要由提取结构特征12的反射锥角和输入端2处输入的照明锥角决定。因此，每个观察窗26代表相对于与标称观察距离处的平面相交的slm48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。
图4a是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第一照明器元件照明并且包括弯曲的光提取结构特征。在图4a中，定向背光源可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15。此外，图4a以正视图示出了来自照明器阵列15的照明器元件15c的光线在阶梯式波导1中的进一步引导。每条输出光线从各自照明器14朝相同观察窗26导向。因此，光线30可与光线20相交于窗26中，或在窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，波导的侧面22、24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4a，光提取结构特征12可为延长的，并且光提取结构特征12在光导向侧面8(在图3中示出但未在图4a中示出的光导向侧面8)的第一区域34中的取向可不同于光提取结构特征12在光导向侧面8的第二区域36中的取向。
图4b是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第二照明器元件照明。此外，图4b示出了来自照明器阵列15的第二照明器元件15h的光线40,42。侧面4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率可与来自照明器元件15h的光线配合产生与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。
有利地，图4b中所示的布置方式可在观察窗26处提供照明器元件15c的实像，其中反射端4中的光焦度和可由延长光提取结构特征12在区域34与36之间的不同取向所引起的光焦度配合形成实像，如图4a所示。图4b的布置方式可实现照明器元件15c到观察窗26中横向位置的成像的改善像差。改善像差可实现自动立体显示器的扩展观察自由度，同时实现低串扰水平。
图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置包括具有基本上线性的光提取结构特征的波导1。此外，图5示出了与图1类似的组件布置方式(且对应的元件是类似的)，并且其中一个差别是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利地，此类布置方式可在整个显示表面上提供基本上均匀的照明，并且与图4a和图4b的弯曲提取结构特征相比可更便于制造。
图6a是示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置(即光学阀设备)中的第一观察窗的生成的一个实施例。图6b是示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用成像定向背光源设备中的第二观察窗的生成的另一个实施例。图6c是示意图，其示出了在时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。此外，图6a示意性地示出了由阶梯式波导1生成观察窗26。照明器阵列15中的照明器元件组31可提供朝观察窗26导向的光锥17。图6b示意性地示出了照明窗44的生成。照明器阵列15中的照明器元件组33可提供朝观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器配合的情况下，可按顺序提供窗26和44，如图6c所示。如果对应于光方向输出来调整slm48(图6a、图6b、图6c中未示出)上的图像，则对于处于适当位置的观察者而言可实现自动立体图像。用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。应当注意，照明器元件组31、33各自包括来自照明元件15a至照明元件15n的一个或多个照明元件，其中n为大于一的整数。
图7是示意图，其示出了包括时间多路复用定向背光源的观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施例。如图7所示，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明器元件15a至照明器元件15n提供了观察窗的定向控制。头部45位置可用相机、运动传感器、运动检测器或任何其他适当的光学、机械或电气装置监控，并且可打开和关闭照明器阵列15的适当照明器元件以便为每只眼提供基本上独立的图像，而不必考虑头部45位置。头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)可提供不止一个头部45、47(头部47未在图7中示出)的监控，并且可为每个观察者的左眼和右眼提供相同的左眼图像和右眼图像，从而为所有观察者提供3d。同样地，用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。
图8是示意图，其示出了多观察者定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的一个实施例。如图8所示，至少两幅2d图像可朝一对观察者45、47导向，使得每个观察者可观看slm48上的不同图像。图8的这两幅2d图像可与相对于图7所述的类似方式生成，因为这两幅图像将按顺序且与光源同步显示，所述光源的光朝这两个观察者导向。一幅图像在第一阶段中呈现于slm48上，并且第二图像在不同于第一阶段的第二阶段中呈现于slm48上。对应于第一阶段和第二阶段调整输出照明以分别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于窗26中的观察者将感知到第一图像，而两只眼处于窗44中的观察者将感知到第二图像。
图9是示意图，其示出了包括成像定向背光源的防窥定向显示装置。2d图像显示系统也可利用定向背光源以用于安全和效率目的，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如图9所示。此外，如图9所示，虽然第一观察者45可能够观察到装置50上的图像，但光不朝第二观察者47导向。因此，防止第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的每个实施例可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示器功能。
图10是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置(作为例子，包括成像定向背光源)的结构。此外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，它们被布置用于为跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直的输出提供观察窗26。竖直漫射体68可被布置用于进一步延伸观察窗26的高度。然后可通过slm48对光成像。照明器阵列15可包括发光二极管(led)，其可例如为磷光体转换蓝色led，或可为单独的rgbled。或者，照明器阵列15中的照明器元件可包括被布置用于提供单独照明区域的均匀光源和slm48。或者，照明器元件可包括一个或多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用振镜扫描器或mems扫描器，而导向到漫射体上。在一个例子中，激光可因此用于提供照明器阵列15中的适当照明器元件以提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且还提供散斑的减少。或者，照明器阵列15可为激光发射元件的阵列。另外在一个例子中，漫射体可为波长转换磷光体，使得可在不同于可见输出光的波长处照明。
图11a是示意图，其示出了另一个成像定向显示装置(如图所示，楔型定向背光源)的正视图，并且图11b是示意图，其示出了相同楔型定向显示装置的侧视图。楔型定向背光源由名称为“flatpanellens”(平板透镜)的美国专利no.7,660,047大体讨论，所述专利全文以引用方式并入本文。该结构可包括楔型波导1104，所述楔型波导具有可优先地用反射层1106涂布的底部表面并且具有也可优先地用反射层1106涂布的末端波纹表面1102。如图11b所示，光可从局部光源1101进入楔型波导1104，并且在反射离开末端表面之前光可在第一方向上传播。光可在其返回路径上时离开楔型波导1104，并且可照明显示面板1110。作为与光学阀的比较，楔型波导通过锥形提供提取，所述锥形减小了传播光的入射角，使得当光以临界角入射到输出表面上时，光可逃逸。楔型波导中以临界角逃逸的光基本上平行于表面传播，直到被重新导向层1108诸如棱镜阵列偏转。楔型波导输出表面上的误差或粉尘可改变临界角，从而形成杂散光和均匀度误差。此外，使用反射镜折叠楔型定向背光源中的光束路径的成像定向背光源可采用带小平面的反射镜，所述反射镜偏置楔型波导中的光锥方向。此类带小平面的反射镜一般制造复杂，并且可导致照明均匀度误差以及杂散光。
楔型定向背光源和光学阀进一步以不同方式处理光束。在楔型波导中，以适当角度输入的光将在主表面上的限定位置处输出，但光线将以基本上相同的角度且基本上平行于主表面离开。作为比较，以特定角度输入光学阀的阶梯式波导的光可以由输入角所决定的输出角从整个第一侧面上的位点输出。有利地，光学阀的阶梯式波导可不需要另外的光重新导向膜以朝观察者提取光，并且输入的角不均匀度可能不会造成整个显示表面上的不均匀度。
下文对一些定向显示设备进行了描述，所述定向显示设备包括定向显示装置和控制系统，其中定向显示装置包括定向背光源，定向背光源包括波导和slm。在以下描述中，波导、定向背光源和定向显示装置基于上面图1至图11b的结构并且包含所述结构。除了现在将描述的修改和/或其他特征之外，上面的描述同样适用于以下波导、定向背光源和显示装置，但为了简明起见将不再重复。
图12是示意图，其示出了包括显示装置100和控制系统的定向显示设备。控制系统的布置方式和操作现在将进行描述并且在加以必要的变更的情况下可适用于本文所公开的每个显示装置。如图12所示，定向显示装置100可包括本身可包括阶梯式波导1和光源照明器阵列15的定向背光源装置。如图12所示，阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射端4、引导结构特征10和光提取结构特征12。定向显示装置100还可包括slm48。
波导1按照上文所述那样布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置用于与反射端4配合以在观察者99所观察的观察平面106处实现观察窗26。透射式slm48可被布置用于接收来自定向背光源的光。另外，可提供漫射体68以基本上移除波导1与slm48的像素以及菲涅尔透镜结构62之间的莫尔条纹跳动(moirébeating)。
控制系统可包括传感器系统，其被布置用于检测观察者99相对于显示装置100的位置。传感器系统包括位置传感器70诸如相机，和头部位置测量系统72，所述头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明控制器74和图像控制器76，这两者均提供有由头部位置测量系统72提供的被检测到的观察者的位置。
照明控制器74选择性地操作照明器元件15以配合波导1将光导向进入观察窗26。照明控制器74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者的位置，来选择要操作的照明器元件15，使得光导向进入其中的观察窗26处于对应于观察者99的左眼和右眼的位置。这样，波导1的横向输出方向性对应于观察者位置。
图像控制器76控制slm48以显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器76和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制slm48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向进入各自观察窗中对应于观察者左眼和右眼的位置，并且同时显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。
图13是示意图，其以正视图示出了观察窗的形成。另外，图13以顶视图示出了图12的实施例。显示器100可在窗平面106(其为标称平面)中产生光锥102的扇形和观察窗104的阵列。具有鼻部位置112的观察者99可以看到来自显示器100的照明。当左眼110大约与窗116对齐，并且右眼108大约与窗114对齐，并且存在于窗114和116中的图像数据为立体像对时，则自动立体3d图像可被观察者所感知。或者，窗114和116可以显示基本上相同的数据，因此显示装置100可以用作2d图像显示装置。窗114和116可以同步于左眼和右眼图像数据的面板上的显示而在单独的时隙中被照明。
现在将描述观察窗的各种布置方式。可通过如上所述的控制系统的适当的操作来提供这些布置方式中的每一者，例如通过选择性地操作照明器元件15以同步于slm48上的图像的显示而将光导向进入观察窗26。定向显示设备可为可操作的，以在相同或不同的时间处例如以定向显示设备的不同操作模式来提供这些观察窗布置方式中的任一种，或这些观察窗布置方式的任何组合。
在示出观察窗的布置方式的各个附图中，光学窗的结构示出了光学窗的标称位置，而不是可采用各种形式以及可重叠的实际光分布。
图14a和图14b示出了控制系统基于响应于观察者移动的传感器系统的输出而执行的控制。图14a是示意图，其以正视图示出了第一观察窗布置方式。另外，图14a以正视图示出了图12的实施例。观察者99被示出为稍微在垂直于显示器100的近似中心的平面118的右侧。因此，左眼观察窗114和右眼观察窗116可被生成在显示器的稍微右侧。在图14b中，观察者99被示出为在方向120上重新定位在右侧，因此窗114、116可以作为响应转向右侧。图14b是示意图，其以正视图示出了用于移动观察者的第二观察窗布置方式。有利的是，在观察者移动期间，观察者的左眼和右眼可用左眼和右眼图像数据照明。
可通过与观察者99在窗平面106中的移动相对应的照明器阵列15的机械移动来提供窗移动。然而，此类移动是复杂且昂贵的。因此，期望在控制系统的控制下，通过切换分立的照明器元件来实现照明器阵列15的照明器元件的移动的成本和复杂性的降低。
图15是示意图，其示出了窗平面106中图14a的窗的外观。另外，图15示意性地示出了光学窗的阵列121(其也可被称为子窗)，其可被布置用于实现观察窗的可切换阵列。阵列121的每个光学窗可对应于窗平面106中的图像，诸如在图12和图13中示出的照明器阵列15的照明器元件，如上所述。
窗平面106中的光学窗阵列121的照明结构可大约对应于如图14a所示的观察者99的横向位置。在本实施例中，用于左眼的观察窗116可包括光学窗122和光学窗阵列134。右眼观察窗114可包括光学窗124和光学窗阵列136。光学窗126和128可不被照明，使得相应的照明器元件可不被照明。
图16是示意图，其示出了用于移动观察者的窗平面中图14b的窗的外观。另外，图16示出了光学窗阵列121的细节，所述细节大约对应于在沿方向120移动之后如图14b中所示的观察者99的位置。左眼观察窗116可被布置为包括光学窗126和光学窗阵列134。因此，光学窗122可被关闭。对于右眼观察窗而言相似的是，光学窗128可被打开并且光学窗124可被关闭，使得右眼观察窗114被布置为包括光学窗128和光学窗阵列136。
有利的是，此类实施例可关闭远离观察者眼睛的光学窗，使得当观察者99移动时，可实现具有大大增强的观察自由度的显示装置100的外观。光学窗，诸如可大致对应于眼睛之间的位置的光学窗124，例如可被关闭以改善显示图像的串扰。低串扰可有利地提高3d立体图像的感知质量。
另外，观察者的二维或三维位置和运动特性(诸如速度、加速度、方向和头部取向)可由传感器70和控制单元72确定。这继而可用于在将来的照明时隙中生成可能的观察者眼位置。因此，可以确定光学窗的阵列121的适当照明结构，以在给定照明时隙中优化来自显示器100的光的输出方向性，并且可通过设置该时隙的照明器阵列15的各自照明器元件的照明结构来确定。另外，slm48上的图像数据可被调整为有利地实现如本文所述的环视功能、二维图像或其他图像特性。
图17是示意图，其以正视图示出了用于移动观察者的不同尺寸的窗。图17示出了由控制系统基于传感器系统的输出来执行控制的例子，在该例子中，响应于观察者99在横向方向上离开显示装置100的光轴118的速度或加速度来更改观察窗114和116中的光学窗的数量，所述光轴也是显示装置100的法线。具体地讲，光学窗的数量响应于观察者99在横向方向上超过预先确定的量的速度或加速度而增加。在示例性例子中，该预先确定的量可为0.05ms-1的速度或0.05ms-2的加速度。例如，在低于0.05ms-1的速度下，观察窗116可包括间距为10mm的四个光学窗。在预先确定的速度和/或加速度下，在用于左眼的观察窗116中可照明五个光学窗。对于右眼观察窗114而言，在预先确定的速度下增加的光学窗的数量可为相同的。另外，在第二预先确定的速度0.1ms-1下，可沿传播方向120在观察窗114中照明其他光学窗，而拖尾观察窗116可具有与速度大于5ms-1的情况相同数量的光学窗，使得观察窗116包括五个光学窗并且观察窗114包括七个光学窗。另外，图17以正视图示出了观察者99在横向于显示装置100的光轴118的方向120上快速移动的例子。在速度或加速度超过预先确定的量的情况下，窗114和116“打开”以包括增加数量的光学窗，使得观察者99保持基本上位于可被制作得更大的观察窗114和116内。观察窗116可上升到鼻部位置或刚好超过鼻部位置，而基本上不增加串扰。另外，可沿运动方向增加观察窗尺寸。注意，观察窗114和116可以至少部分地在空间上重叠，因为它们在不同的时间处照明。这对于移动观察者99而言可能尤为如此。
图18是示意图，其示出了用于在第一方向移动的观察者的观察窗的布置方式，并且图19是示意图，其示出了用于在与第一方向相对的第二方向上移动的观察者的观察窗的布置方式。另外，图18示意性地示出了对应于图17的光学窗阵列121的结构，并且图19示出了当观察者的移动方向120反向时，在观察者99的相同空间位置处的窗结构。
有利的是，可形成各个观察窗114、116的光学窗的数量和布置方式可以进行更改，具体取决于观察者99的位置、速度和加速度中的任一者或全部。这样，观察者99的眼睛可以保持基本上位于观察窗内，使得可以减小闪烁效应。相似地，可在观察者变慢或变得静止时减小观察窗的尺寸，例如如图15所示。减小观察窗宽度可以改善显示器的串扰性能并且还可有利地减小功率消耗。可提供用于设置每个用户在串扰和闪烁之间的权衡的参数。有利的是，这可调节显示参数以适合用户偏好。任选地，该调节可以是自动的并且可随正在显示图像的类型而改变。另外，如果例如视觉系统被用作跟踪传感器，则显示器可识别和确定各个用户，使得可以调节显示器性能以适合将来时间处的特定用户。高对比度的缓慢移动图像可提供低串扰，并且低对比度的快速移动图像可以提供较高的串扰容差。
图20示出了由控制系统基于传感器系统的输出来执行控制的另一个例子，在该例子中，响应于观察者99在横向方向上离开显示装置100的光轴118的速度或加速度来更改观察窗114和116中的光学窗的数量，所述光轴也是显示装置100的法线。具体地讲，光学窗的数量响应于观察者99在横向方向上超过预定的量的速度或加速度而增加。图20为示意图，其以正视图示出了用于正在加速观察者的观察窗的第一布置方式。另外，图20以正视图示意性地示出了用于从操作的静止相变为移动相的观察者的观察窗的一个过渡。当观察者不移动或缓慢移动时，可以使用“低速”尺寸观察窗114、116，并且当观察者高速移动或加速移动时，可选择包括增加数量的光学窗的一组较大的观察窗144和140。
图21示出了由控制系统基于传感器系统的输出来执行控制的例子，在该例子中，响应于在横向方向上相对于显示装置100的光轴118的观察者99的检测位置来更改观察窗114和116中的光学窗的数量，所述光轴也是显示装置100的法线。具体地讲，光学窗的数量响应于处于某一位置的观察者99而增加，观察者处于在横向方向上以预先确定的量远离显示装置100的法线移位的位置中。在示例性例子中，观察窗可各自包括五个光学窗，窗平面106中的每个标称间距均为10mm。当观察者的最偏轴的眼睛被布置为与装置100的法线118成20°(其可为预先确定的量)的角度119时，则观察窗146可包括六个光学窗，并且观察窗144可包括八个光学窗。图21是示意图，其以正视图示出了观察区域的边缘处增大观察窗尺寸。另外，图21以正视图示意性地示出了常规观察窗114和116可根据观察者99在相对于显示装置100的法线的方向上的位置而在尺寸(即，形成观察窗的光学窗的数量)上有所变化，具体地讲，当观察者99处于以预定的量在横向方向上移位的位置时，增加形成观察窗144和146的光学窗的数量，所述观察窗在横向于显示装置100的法线移位的位置处。当观察者99偏轴移动时，阵列121的光学窗中的像差可增加，从而导致扭曲的光学窗图像。图22在窗平面中示出了这一现象。另外，图22是示意图，其示意性地示出了图21的观察窗的布置方式。图21中的光学窗阵列结构示出了光学窗的标称位置，而不是实际光分布。或者，当窗在较大的横向位置的上方呈现时，光学窗模糊可偏轴增加，使得可被照明的光学窗的数量可以减小以补偿光学窗结构模糊。
图21和图22首先示出了观察者99在相对于显示装置100的第一位置中的情况，该第一位置设置在显示装置100的法线上。显示装置100可提供第一对左眼和右眼观察窗114、116，如图所示。图21和图22接着示出了观察者99在相对于显示装置100的第二位置中的情况，该第二位置从显示装置100的法线横向移位，在该例子中，稍微在显示装置100的近似中心的法线的右侧。换句话说，观察者99相对于显示装置100的第二位置偏移至显示装置100的右侧。在这种情况下，显示装置100可于之后提供第二对左眼和右眼观察窗146、144，其也被定向到显示装置100的右侧。与第一对左眼和右眼观察窗114、116相比，第二对左眼和右眼观察窗146、144由增加数量的光学窗形成。这示出了观察窗可根据观察者99相对于显示装置100的横向位置而在尺寸上有所变化。在图21中，观察窗144可以与上述图18中的情况类似的方式而大于观察窗146。另外，当观察者99将位置更改至相对于显示装置100的左侧时，左眼观察窗可变得大于右眼观察窗。
有利的是，在观察区域边缘处或其附近增加光学窗阵列144的尺寸可在一定程度上补偿光学窗图像的像差，并从而减少不期望的图像闪烁的出现，特别是在光学系统的输出处由于视场像差的出现而引起的图像闪烁。
图23a和图23b示出了由控制系统基于传感器系统的输出来执行控制的例子，在该例子中，响应于沿显示装置100的法线的观察者99的检测位置来更改观察窗114和116中的光学窗的数量。具体地讲，光学窗的数量响应于观察者99的检测位置而增加，观察者处于沿显示装置100的法线以预定的量远离标称窗平面朝显示装置100移位的位置中。图23a是示意图，其以正视图示出了自动立体显示装置的观察区域的第一布置方式。另外，图23a以正视图示出了对应于窗平面106中的观察窗116、114的菱形观察区域152、150。注意，当观察者99在方向154上移动(沿显示装置100的法线从窗平面106移位并朝向显示装置100)时，观察区域的横向宽度可减小直到大约位于位置156处，在该位置处可能几乎没有观察自由度。这可在选择观察窗中的光学窗的数量时通过受控制系统影响的控制来实现。
图23b是示意图，其以正视图示出了自动立体显示装置的观察区域的另选的布置方式。另外，图23b示出了通过增加窗平面中的观察窗的尺寸(即，形成观察窗的光学窗的数量)，在方向154上的观察自由度可例如响应于检测观察者99以预先确定的量朝向显示装置100移动到近似位置157而增加。有利的是，与可以方便地在空间多路复用显示器中实现的观察窗宽度相比，本发明的实施例可以实现更宽的观察窗宽度，而无需增加在两眼间区域中的观察窗之间的重叠。
换句话讲，图23a示出了观察者99在相对于显示装置100的第一位置处的情况下的观察窗的形成，该第一位置设置在窗平面106上。在这种情况下，显示装置100可提供第一对左眼和右眼观察窗114、116，如图所示。图23b示出了观察者99在相对于显示装置100的第二位置处的情况下的观察窗的形成，该第二位置沿显示装置100的法线从窗平面106移位，在该例子中朝向显示装置100到位置157。在这种情况下，显示装置100可于之后提供第二对左眼和右眼观察窗114、116，与图23a中所示的第一对左眼和右眼观察窗114、116相比，该第二对左眼和右眼观察窗由增加数量的光学窗形成。这示出了观察窗可根据观察者99沿显示装置100的法线相对于显示装置100的纵向位置而在尺寸上有所变化。
在示例性例子中，宽度为300mm的显示器可使用介于显示装置100和窗平面106之间的500mm标称观察距离布置。在窗平面中，每个观察窗114、116可包括八个光学窗。当观察者在100mm的距离155(其可为预先确定的量)处到达观察平面156时，则每个观察窗114、116中的光学窗的数量可增加至九。
有利的是，观察窗114、116的尺寸可以变化，以增加在朝向显示装置100的方向154上的纵向观察自由度，而不是仅在图20所示的横向上增加。可在观察者99沿远离显示装置100的法线从窗平面106远离显示装置100移位时，通过以相同的方式控制观察窗114、116的尺寸来实现类似的优点，但这并非是必需的，并且可仅在观察者99朝向显示装置100移位时来执行所述控制。
这可在选择观察窗中的光学窗的数量时通过受控制系统影响的控制来实现。在观察者99的检测位置沿显示装置100的法线纵向移位的情况下，该控制可为另选的，或者除在观察者99的检测位置从显示装置100的法线横向移位的情况下进行控制以外，可例如如结合图20所述进行控制，使得左图像和右图像被导向进入观察窗，该观察窗可包括多个光学窗，该多个光学窗在观察者99的检测位置纵向和横向移位的两种情况下均增加。
可以类似于前述的方式在纵向跟踪期间调节观察窗的尺寸以增加观察自由度。有利的是，可通过如图23a所示的较小的窗在窗平面106附近实现减小的串扰，而对于远离窗平面的观察距离而言，可以照明更远的光学窗以增加纵向观察自由度。可通过控制照明器阵列15的分立照明器元件来实现观察者位置之间的光学窗的切换。
在这些光学阀实施例中并且通过与空间多路复用显示器比较的方式，重要的是可以调节构成窗的光学窗的数量，而不减小显示装置100的空间分辨率。
图23c是示意图，其以正视图示出了针对过于接近自动立体显示装置的观察者切换到单个2d窗以跨整个显示宽度进行自动立体观察。另外，图23c以正视图示出了这样的实施例，在该实施例中，观察者99已在方向158上沿显示装置100的法线越过位置156移动到位置160。在该点处，对于观察者99而言，可能无法在显示装置100的整个显示区上看到自动立体图像。然而，如果开启光学窗阵列121的多个或全部光学窗并且在显示装置100的空间光调制器48上呈现单个图像，则可以舒适地观察2d图像。此类实施例可以有利地在自动立体观察和2d观察之间提供超过自动立体观察限制的基本上无缝的过渡。
有利的是，如果例如左眼图像和右眼图像之间的图像视差可使立体像对的定影变得困难，则前述机构可用于在到达位置156之前切换到2d观察。另外，对于方向158上的位置而言可行的是，切换的发生可随图像显示的类型而改变。具体地讲，其可为图像视差因变量和/或观察者因变量。有利的是，这可实现这样的显示器，该显示器可针对一系列具有不同视觉调节范围的观察者产生舒适的和合适的图像。
移动至比位置160更接近显示装置100可导致显示器的边缘开始变暗。图23d示出了这样的实施例，在该实施例中，提供另外的2d背光源布置方式168并且其可针对比位置160更接近的观察者而被激活。图23d是示意图，其以正视图示出了针对过于接近自动立体显示装置的观察者切换到2d背光源照明以跨整个显示宽度进行自动立体观察。当例如观察者99在方向164上移动至比位置160更接近显示装置100时，背光源168可在方向170上产生光，所述光可在可能无法被图12的照明器阵列15照明的显示装置100的边缘中实现填充。
有利的是，当观察者99大约在显示装置100和位置160之间时，包括显示装置100的显示设备可以处理用户位置以打开另外的2d背光源，使得可以保持照明显示器的边缘并且进一步增加舒适的观察自由度。
图23e是示意图，其示出了指示观察者过于接近自动立体显示装置的方法。另外，图23e示出了可响应于观察者过于接近屏幕所采取的示例性动作(诸如显示屏幕上信息)。或者，例如显示装置可变黑或变白，或淡入淡出为黑色或白色，或低对比度的图像，或它们的任何组合。在另外的实施例中，显示装置可生成声音指示，诸如蜂鸣音。
图23f是示意图，其示出了指示观察者相对于自动立体显示装置过于偏轴的方法。另外，图23f示出了当观察者被检测为例如向右移动过远时显示设备可采取动作的方式的另一个例子。与图23e描述的选项一样，显示装置可被形成为在观察者接近限定位置(诸如观察自由度的限值)时振动，例如，使用偏心加重电机。有利的是，振动模式很好地与手持式显示装置或通过手持式控制台或装置操作的显示装置配合。此外，观察者位置检测装置可实现增加的显示装置观察自由度和观察范围，此外，其也可用于通知观察者已经超过了范围。
图24a是示意图，其以正视图示出了在提供3d图像显示的自动立体3d观察区域之外具有提供2d图像显示的2d观察区域的自动立体显示装置。另外，图24a示出了这样的实施例，在该实施例中，观察者99在方向120上移动超过显示装置100的可接受的3d自动立体图像性能的范围172。响应于观察者99的位置的检测，在区域174、176中，可调节光学窗阵列121以实现针对该观察者的2d图像显示。例如，图12的照明器阵列15可在照明器元件阵列的任一侧包括不分段的照明区域。
如上所述，自动立体显示装置可包括控制系统，该控制系统被布置用于控制slm48，以及操作光源以将光导向进入观察窗。观察窗可包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗，这取决于被检测到的观察者的位置。控制系统可被布置用于响应于所检测到的在预先确定的区域中的观察者的位置来提供3d图像显示。
例如，如图24a所示，可响应于在相对于显示装置100大致居中定位的区域172中的观察者99来提供3d图像显示。在图24a中，当观察者99在区域172中时，显示装置可向观察者99提供3d图像显示。该3d图像显示可通过以下方式提供：控制slm48以使用时间多路复用的左图像和右图像来调制光，并且基本上同步操作光源以将左图像和右图像导向进入观察窗，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。
另外，控制系统可被布置用于响应于在预先确定的区域172之外的位置中(例如在区域174和176中)的被检测到的观察者的位置来提供2d图像显示。2d图像显示可通过以下方式提供：控制slm48以使用2d图像调制光，以及操作光源以将该2d图像导向进入观察窗，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。例如并且如图24a所示，可响应于在方向120上向右移动的观察者99来提供2d图像显示。一旦观察者99位于预先确定的区域172之外的位置，则观察者可在区域174、176中的任一者中观察2d图像。
在该实施例的例子中，预先确定的区域172可为相对于显示装置100的法线横向位置的主要中心范围。作为在图23c中示出的例子中示出的替代形式并且如上所述，预先确定的区域可为相对于显示装置100的法线的纵向位置的范围。或者，可响应于横向和纵向移动来提供所述控制，使得预先确定的区域可为相对于显示装置100的法线的横向和纵向位置的中心区域。
有利的是，当超过3d范围时，这可实现替代形式以将图像切换为黑色，并且可实现宽观察自由度显示，该宽观察自由度显示确保在观察3d时图像具有高质量。
图24b是示意图，其示出了可位于不同2d窗中的两个观察者。另外，图24b示出了另一个实施例，在该实施例中，两个观察者99和98可位于不同的2d窗176、174内。不同于图24a，可能不能在可为黑色的区域172中提供中心3d图像。
有利的是，该实施例可实现对于两个不同的观察者而言将在整个屏幕上方同时观察到两个不同的2d图像通道，或对于同一观察者而言在不同的空间位置中的不同观察。
图24c以顶视图示意性地示出了这样的实施例，在该实施例中，定向自动立体显示设备5100包括定向显示装置和控制系统。相机5102可检测区域5116上的边界5108内的观察者(未示出)的位置，例如所述区域5116可由相机5102的收集锥角5106限定。显示系统5100可实现具有边界5115的自动立体观察区域5114，其表示可接受的3d观察区域5114。可接受的3d观察区域可例如为这样的区域，在该区域中，串扰低于特定值，或在该区域中，对于被跟踪的观察者的双眼而言，显示均匀度高于特定值。
如图24c所示，边界5115可为菱形或风筝形。在边界5115之外，提供具有边界5111的区域5112，其中可在整个显示宽度(其中显示器为多个窗26提供图像)上看到可接受的2d图像。可接受的2d观察区域5112可例如为这样的区域，在该区域中，对于观察者的双眼而言，显示均匀度高于特定值。如图所示，窗平面5104可为近似平面，其中2d观察区域5112和3d观察区域5114两者可为最宽。
在一个实施例中，自动立体显示装置可包括透射式slm48。透射式slm48可包括像素阵列，该像素阵列被布置用于调制从其中通过的光。自动立体显示装置可包括波导，该波导可具有输入端和用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面，所述相对的第一引导表面和第二引导表面从输入端跨slm48延伸。自动立体显示装置可包括照明器元件阵列，该照明器元件阵列位于跨波导的输入端的不同输入位置处。波导可被布置用于对来自跨输入端的不同输入位置的光源的输入光作为输出光导向穿过第一引导表面，以供通过slm48在输出方向上进入光学窗。输出方向可以相对于第一引导表面的法线并且可主要基于输入位置。自动立体显示器还可包括传感器系统，该传感器系统被布置用于检测观察者相对于显示装置和控制系统的位置。控制系统可被布置用于控制slm48，以及操作光源以将光导向进入观察窗。观察窗可包括在对应于观察者的左眼和右眼的位置中的至少一个光学窗，这取决于被检测到的观察者的位置。控制系统也可被布置用于响应于在预先确定的区域中的被检测到的观察者的位置来提供3d图像显示。该3d图像显示可通过以下方式提供：控制slm48以使用时间多路复用的左图像和右图像来调制光，并且同步操作光源以将左图像和右图像导向进入观察窗，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。控制系统还可被布置用于响应于在预先确定的区域之外的位置中的被检测到的观察者的位置来提供2d图像显示。2d图像显示可通过以下方式提供：控制slm48以使用2d图像调制光，以及操作光源以将该2d图像导向进入观察窗，该观察窗在对应于观察者的左眼和右眼的位置中。在一个例子中，预先确定的区域可为相对于显示装置100的法线的纵向位置的近似范围。在另一个例子中，预先确定的区域可为相对于显示装置100的法线的横向和纵向位置的中心区域。
用于3d观察的预先确定的区域可为这样的区域，在该区域上，观察者的双眼可以看到具有可接受的图像质量水平的自动立体图像的各自的图像。图像质量可包括但不限于针对移动观察者的串扰、图像均匀度和图像闪烁的评估。此类可接受的限制可例如通过结合人类心理需求的知识测量显示特性来确定。在示例性实施例中，显示器可在窗平面5104中具有+/-25度的区域5114的宽度，其中窗平面5104中区域5112的宽度为+/-50度。相机5102的收集锥角5106可由此被设定为+/-50度或更大。在另外的示例性实施例中，具有500mm窗平面距离的15”对角线显示器可在于窗平面中具有+/-150mm的横向宽度和+/-100mm的轴向纵向观察自由度的区域中实现3d图像。在由这些参数限定的边界之外，可呈现2d图像。
在时间多路复用显示系统中，2d图像可通过以下方式实现：调整照明器阵列15的多个发光元件的相使其与在slm48上显示的图像中的一者同步。有利的是，控制系统可以不与显示系统5100的图形系统交互。另外，为了减小从3d过渡到2d观察处的闪烁伪影，2d图像的亮度可被布置为与3d图像的亮度基本上相同。或者，slm48可针对两个照明相仅显示一个图像，或第一相中的2d图像和第二相中的黑色图像。
继续图24c的讨论，在边界5111之外，图像可具有一些形式的伪影，因此，可切换显示器以在区域5116中显示例如黑色或非照明图像。有利的是，可针对这些观察区域关闭显示器照明。另外有利的是，如果例如区域5118中的观察者被检测到位于区域5116内但在区域5114、5112之外，则可关闭显示器或将其切换至功率节省“绿色模式”。如果相机未检测到观察者，则显示器可被设置为例如黑色或可被设置为低功率2d模式，使得显示器在相机感测误差的情况下继续发挥作用。
有利的是，相机5102和跟踪系统可与显示器5100配合，使得可响应于所确定的观察者的位置来修改所显示的图像和相应的照明。因此，观察者可以看到基本上没有不期望伪影的合适的图像。显示器可在观察者重新进入感测区时自动打开。显示器可在处于感测区5108中的观察者转身远离显示器时关闭照明，并在观察者回头看时自动地重新照明显示器，从而进一步降低功率消耗。在感测空间5116内，相机5102可与显示器5100配合以将相同或不同形状的观察区实施为例如风筝形边界5111，以生成减小的观察区域防窥显示。
图24d以顶视图示意性地示出了另一个实施例，在该实施例中，自动立体定向显示设备5100包括定向显示装置和控制系统。在2d观察区域5112之外，其中双眼基本上看到相同的图像，提供具有相应外部边界5134、5140的另外的区域5136、5138。当所测量的观察者位置(其例如可涉及鼻部位置或可为眼部位置)跨过边界5111时，立体像对图像中的一者被关闭，同时另一者保持打开。如前所述，可通过切换相应的光源或通过切换slm48上的图像或这两者来实现图像的切换。具体地讲，当所测量的观察者位置穿过边界5111朝左侧移动时，可在区域5136中关闭左眼图像，而右眼图像可保持打开。与区域5138中相似，可关闭右眼图像同时左眼图像可保持打开。在边界5134、5140之外，可关闭两种图像。
在操作中，向左侧移动的观察者将看到左眼图像在右眼图像之前关闭。此类效应类似于向窗框左侧移动的体验；从而感知的图像将保持具有基本上类似的亮度。另外，从2d图像到3d的过渡将较少突然地发生并且可提供增强的用户体验。有利的是，在光学阀中，观察者看不到伪影诸如成像的三角形伪影，或用于有限宽度照明器的条纹边界。在其他显示系统诸如透镜状显示系统中，观察者在由最偏轴眼睛体验的较大观察角度处感知不到增加的串扰和图像模糊。
有利的是，本发明实施例针对给定的照明系统实现了扩展的观察自由度，并且通常可在窗平面处实现大约130mm的额外自由度(针对65mm的典型两眼间间隔)。
图24e示出了另外的实施例，在该实施例中，3d区域5114和2d区域5112在窗平面5104中具有基本上相同的宽度。有利的是，这可最大化用于该类型显示器的3d观察区域，同时实现可接受的3d观察区域和用于2d观察的扩展的纵向观察自由度。
图24f示出了另外的实施例，在该实施例中，在区域5112、5114之间的过渡处引入受控量的滞后。例如，对于移出区域5114的观察者而言，3d区域5114的边界可在5115处，并且对于移入区域5114的观察者而言，所述边界可在5120处。相似地，对于移出区域5112进入区域5116的观察者而言，2d区域5114的边界可在5111处，并且对于从区域5116移入区域5112的观察者而言，所述边界可在5122处。有利的是，滞后可以减小在相应区域的边界处或其附近看到的所感知的显示器闪烁的量。
图25a是示意图，其以正视图示出了当跟踪系统已获得对观察者的锁定时，由自动立体显示装置生成的自动立体观察窗，并且图25b为示意图，其以正视图示出了当跟踪系统已丢失对观察者的锁定时，由自动立体显示装置生成的2d观察窗。另外，图25a示出了观察窗114、116，所述观察窗响应于观察者99、观察者检测传感器70、控制系统72和照明控制器74由光转向系统针对观察者99创建。在图25b的正视图中，观察者99被示出为转身离开显示装置100的表面。这可通过传感器70检测，并且在这种情况下，可将显示器切换至2d模式，例如通过在窗平面中形成单个较大的2d窗178，直至观察者回头看向显示装置100时，并且可由跟踪系统重新获得，同时可恢复3d窗114、116。较大窗178的创建也可在跟踪系统丢失观察者的位置时发生，或在观察者的眼位置的生成误差随后由位置测量确定为具有超过阈值的误差时发生。
图26是示意图，其示意性地示出了针对相对于窗取向具有倾斜的眼位置的观察者的观察窗的布置方式。另外，图26示出了这样的实施例，在该实施例中，光学窗阵列121可响应于另外检测到的观察者的位置而更改图15的窗114、116。在该实施例中，观察者被示出为与光学窗成一角度，并且可以调节窗180和178以进行补偿。另外，在环视系统中，可以调节在slm48上显示的图像以提供立体透视图。另外，可以调节所述环视以在至少一个轴线(例如朝向显示装置100的方向)上提供放大的透视图。有利的是，跟踪和转向系统可将观察自由度耐受性实现为一定程度的头部倾斜。
图27a是示意图，其示出了当超过用于自动立体3d观察的限定观察区域时的窗布置方式。另外，图27a示出了具有光学窗阵列121的实施例，该实施例适用于当跟踪系统检测到观察者99的位置中存在较大误差或较大不确定度时的情况。如前所述，这可通过将用于将来照明脉冲时间处的眼睛的已生成位置值与随后在该时间处或附近接收的位置进行比较来完成。有利的是，可产生较大的2d窗182，而不是显示可能较差的3d图像。当跟踪误差减小时，可将显示器切换回3d。这样，可保持观察舒适度而无明显的显示器闪烁。
与检测观察者位置中的高不确定度或误差的条件一样，跟踪系统也可完全检测观察者位置的丢失。这是与高误差条件不同的情况。这是观察者转身或甚至离开时的情况。当检测到该条件时，可将显示装置有利地切换至具有非常宽的2d窗，如图27b中的184处所示。图27b是示意图，其示出了当超过用于自动立体3d观察的限定观察区域时的另外的窗布置方式。例如，显示装置可被设置为视情况自动获取或重新获取观察者的位置，并且一旦完成这一点，则可将窗从图案184切换回图15的那些。
图28a是示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的窗布置方式。另外，图28a示出了这样的例子，在该例子中，不止一个观察者共享所述显示装置。在这种情况下，中心观察者99看到窗188和186并且感知3d图像。偏轴观察者97可完全位于窗186内并且可观察2d图像。区域190可被关闭。
图28b是示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的另选的窗布置方式。另外，图28b示出了另一个实施例，在该实施例中，窗194和192可被布置用于实现用于观察者99的中心3d图像和用于两个2d观察者95、97的偏轴观察。有利的是，相同的显示装置可实现用于不止一个观察者的可用观察，即使可用窗的数量对于所有观察者进行可靠的自动立体观察是不足的。
图28c是示意图，其示出了用于由多个观察者同时进行2d和3d观察的另选的窗布置方式。另外，图28c示出了不止一个观察者可通过提供多个右眼窗194、193和左眼窗192、195来观看3d图像。观察者95、97、99可与显示器以及彼此进行配合。观察者跟踪系统可能够检测此类冲突并执行动作。此类动作可包括为观察者给出方向建议或将一个或多个观察者切换至2d图像。如果跟踪系统检测到用于自动立体观察的合适的条件，则可针对一个或多个观察者自动重新使用3d模式。
图29是示意图，其示出了用于2d定向显示设备的另选的窗布置方式，该2d定向显示设备被布置用于根据观察位置修改观察窗结构。例如，如图8所述，此类显示器可适用于防窥操作模式以及高效率和高亮度模式。对于定位为鼻部基本上与显示系统的光轴118对齐的观察者99而言，观察窗300可由光学窗阵列形成，所述光学窗阵列包括中心光学窗阵列306和另外的边缘光学窗302、304，所述另外的边缘光学窗被布置用于实现显示区的均匀填充。当观察者移动到偏轴位置时，观察窗308可包括扩展数量的光学窗，所述扩展数量的光学窗包括组310、312，所述组在宽度上大于光学窗302、304。有利的是，将每个观察位置中的光学窗的数量最小化，从而优化显示效率，同时实现slm48的填充和针对移动观察者的低闪烁。因此，对降低光学窗的再现性的偏轴像差进行补偿。
图30是示意图，其示出了用于不同的观察者距离的2d定向显示设备的另选的窗布置方式。因此，针对在窗平面106处的观察者99通过控制系统提供观察菱形320，而可针对在平面322处的更近的观察者生成菱形322，从而产生窗平面106处的观察区域324(部分示出)和相交的宽的宽度(表示窗宽度，并通过光学窗的数量给出)。从几何方面考虑，当观察者移动接近显示器时，需要以图23a和图23b中所示类似的方式来增加窗平面106处的观察窗的宽度。从而可针对给定的观察距离和横向位置使照明的光学窗的数量最小化，优化效率，同时实现均匀的显示填充。
如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或术语之间的相关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在0％至10％的范围内，并且对应于但不限于分量值、角度等等。各项之间的此类相关性在大约0％至10％的范围内。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅以举例的方式示出，而并非限制。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而应该仅根据产生于本发明的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。
另外，本文的章节标题是为了符合37cfr1.77下的建议或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体地和以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求不应受到在该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。此外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本发明中的任何实施例而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为公开的权利要求中所述的实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于辩称在该公开中仅有一个新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，并且此类权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本发明基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。
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