ПЛОСКИЕ СВЕТОИЗЛУЧАТЕЛИ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Область техники
Полезная модель относится в целом к освещению светомодулирующими устройствами, более точно, к световодам, которые обеспечивают направленное освещение больших площадей источниками локализованного света для применения в устройствах двухмерного, трехмерного и/или автостереоскопического отображения.
Уровень техники
В автостереоскопических дисплеях с пространственным мультиплексированием параллактический компонент, такой как линзовый растр или параллактический барьер обычно совмещен с массивом изображений, образующих первое и второе множества пикселов в пространственном модуляторе света. Параллактический компонент направляет свет из каждого из множеств пикселов в различных соответствующих направлениях и обеспечивает первое и второе окна просмотра напротив дисплея. Наблюдатель, одним глазом смотрящий в первое окно просмотра, может видеть первое изображение со светом от первого множества пикселов, а другим глазом, смотрящий во второе окно просмотра, может видеть второе изображение со светом от второго множества пикселов.
Эти дисплеи имеют худшую пространственную разрешающую способность, чем собственная разрешающая способность пространственного модулятора света, и, кроме того, структура окна просмотра определяется формой апертуры пикселов и визуализирующей функцией параллактического компонента. Зазоры между пикселами, например, электродами обычно приводят к образованию неоднородных окон просмотра. Недостатком таких дисплеев является мерцание изображения при перемещении наблюдателя вбок относительно дисплея, что ограничивает свободу просмотра изображения на дисплее. Такое мерцание может быть ослаблено путем дефокусировки оптических элементов, однако такая дефокусировка приводит к повышению уровней перекрестных помех изображения и усиливает зрительное утомление наблюдателя. Мерцание может быть ослаблено путем изменения формы апертуры пикселов, однако такие изменения могут вызывать уменьшение яркости дисплея и предусматривать применение адресной электроники в пространственном модуляторе света.
Освещение больших площадей источниками локализованного света обычно может обеспечивать световой или оптический затвор. Термины оптический затвор и световод могут использоваться взаимозаменяемо.
Из патентного документа US 7073933 В2 известен дисплей переносимого электронного оборудования, содержащий источник света в виде светоизлучающих диодов (СИД) и световод, который включает в себя поверхность, на которую падает излучаемый свет, светоотражающую криволинейную поверхность, обращенную навстречу поверхности, на которую падает свет от его источника, выпускающую свет поверхность, расположенную между указанными поверхностями, и отражающий пространственный модулятор света, расположенный со стороны световода, противоположной выпускающей свет поверхности.
Однако известный дисплей является дисплеем с передней подсветкой и не может обеспечить эффективное и качественное направленное освещение больших площадей источниками локализованного света.
Наиболее близким к полезной модели является устройство по заявке JP 2006-004877 А, в котором имеется система направленного отображения, содержащая оптический затвор для канализации света, матрицу светоизлучающих элементов для направления света в оптический затвор в первом направлении и проходной пространственный модулятор света, расположенный так, чтобы освещаться светом, выходящим из оптического затвора. Оптический затвор включает в себя первую канализирующую свет поверхность, расположенную напротив нее вторую канализирующую свет поверхность и отражающий торец, представляющий собой криволинейную поверхность и приспособленный для перенаправления света, распространяющегося в указанном первом направлении, назад в оптический затвор по второму направлению. При этом вторая канализирующая свет поверхность содержит множество канализирующих элементов и множество удлиненных прямолинейных извлекающих элементов, причем канализирующие и извлекающие элементы разделены вертикальной стенкой.
Наличие дополнительной поверхности (вертикальной стенки) между канализирующими и извлекающими элементами приводит к тому, что на эту дополнительную поверхность может попасть часть света, проходящего в первом направлении, в результате чего распространение света в первом направлении происходит с потерями.
Кроме того, прямолинейная конфигурация удлиненных извлекающих элементов в сочетании с криволинейной поверхностью отражающего торца не позволяет фокусировать свет от светоизлучающих элементов после прохождения оптического затвора на плоскости просмотра в соответствующем окне, что ограничивает функциональные возможности известного дисплея.
Задачей полезной модели является исключение указанных недостатков за счет создания и использования световода (оптического затвора), обеспечивающего эффективное и качественное направленное освещение больших площадей источниками локализованного света, применимого в устройствах двухмерного, трехмерного и/или автостереоскопического отображения, а также расширить функциональные возможности системы направленного отображения.
Раскрытие полезной модели
Указанная задача решается в системе направленного отображения, содержащей оптический затвор для канализации света, матрицу светоизлучающих элементов для направления света в оптический затвор в первом направлении и проходной пространственный модулятор света, расположенный так, чтобы освещаться светом, выходящим из оптического затвора, при этом оптический затвор включает в себя первую канализирующую свет поверхность; вторую канализирующую свет поверхность, расположенную напротив первой канализирующей свет поверхности и содержащую множество канализирующих элементов и множество удлиненных извлекающих элементов; и отражающий торец, приспособленный для перенаправления света, распространяющегося в указанном первом направлении, назад в оптический затвор по второму направлению.
Согласно полезной модели отражающий торец представляет собой вогнутую криволинейную поверхность или эквивалентную ей поверхность Френеля, извлекающие элементы и канализирующие элементы соединены и чередуются друг с другом, а удлиненные извлекающие элементы второй канализирующей свет поверхности изогнуты в их продольном направлении, причем множество извлекающих элементов обеспечивает прохождение света практически без потерь при его распространении в первом направлении и отражение света и его выход из оптического затвора через первую канализирующую свет поверхность при распространении света во втором направлении, при этом кривизна отражающего торца и кривизна изогнутых в продольном направлении удлиненных извлекающих элементов подобраны так, что свет от светоизлучающих элементов после прохождения оптического затвора фокусируется на плоскости просмотра в соответствующем окне просмотра оптического затвора.
Такое выполнение извлекающих и канализирующих элементов исключает потери света при его распространении в первом направлении, обеспечивая при этом отражение света и его выход из оптического затвора через первую канализирующую свет поверхность при распространении света во втором направлении.
Кроме того, выполнение удлиненных извлекающих элементов изогнутыми и согласование кривизны отражающего торца с кривизной этих извлекающих элементов позволяет фокусировать свет от светоизлучающих элементов после прохождения оптического затвора на плоскости просмотра в соответствующем окне.
Указанная система может дополнительно иметь входной торец, через который свет может поступать в оптический затвор.
Предпочтительно входной торец является более тонким, чем отражающий торец.
Предпочтительно светоизлучающими элементами являются светоизлучающие диоды (СИД).
Предпочтительно каждый из множества извлекающих элементов ориентирован под углом приблизительно 45° к каждому из множества канализирующих элементов.
Предпочтительно каждый из множества извлекающих элементов по существу параллелен другим извлекающим элементам.
При этом каждый из множества извлекающих элементов может быть разделен по существу одинаковым расстоянием.
Кроме того, по меньшей мере один из множества извлекающих элементов может быть покрыт отражающим покрытием.
Извлекающие элементы из их множества имеют угол наклона в диапазоне приблизительно 10°-90°, предпочтительно - приблизительно 20°-50°, а предпочтительнее - от 30° до 48°.
Предпочтительно канализирующие элементы являются по существу плоскими.
Канализирующие элементы могут быть расположены или по существу параллельно первой направляющей свет стороне, или иметь клиновидность относительно первой направляющей свет стороны.
Отражающий торец может быть выполнен в виде вогнутого зеркала или покрыт отражающим покрытием.
Отражающий торец может представлять собой цилиндрическое зеркало. При этом Предпочтительно оптическая ось этого цилиндрического зеркала по существу ортогональна нормали к первой канализирующей свет поверхности.
Предпочтительно каждый канализирующий элемент имеет поверхность, нормальная ориентация которой обеспечивает направление по меньшей мере части световых лучей, распространяющихся в первом направлении.
Предпочтительно каждый извлекающий элемент имеет поверхность, нормальная ориентация которой обеспечивает направление по меньшей мере части световых лучей, распространяющихся во втором направлении, для их выхода за пределы оптического затвора.
Предпочтительно, и первая канализирующая свет поверхность, и вторая канализирующая свет поверхность являются светопроницаемыми.
Ориентация извлекающих элементов может изменяться на протяжении оптического затвора от входного торца к отражающему торцу.
Система может дополнительно содержать линзу Френеля, расположенную с возможностью приема света от оптического затвора. Такая линза Френеля имеет сферическую форму, а ее ось может быть смещена относительно центра оптического затвора.
Система может дополнительно содержать вертикальный рассеиватель, который предпочтительно имеет асимметричную рассеивающую поверхность.
Система может содержать и рассеиватель, и линзу Френеля, при этом между рассеивателем и линзой Френеля имеется зазор.
Предпочтительно плотность извлекающих элементов на краю оптического затвора меньше плотности извлекающих элементов посередине оптического затвора.
Извлекающие элементы могут иметь отличающуюся друг от друга крутизну и высоту, при этом крутизна корректируется с целью изменения характеристик вертикального рассеяния, а высота корректируется с целью изменения количества света, которое извлекается из оптического затвора.
По меньшей мере некоторые из извлекающих элементов могут иметь выпуклые грани.
Высота извлекающих элементов может изменяться по ширине оптического затвора.
Канализирующие элементы могут быть расположены не параллельно друг другу и не параллельно первой канализирующей свет поверхности.
Предпочтительно извлекающие элементы произвольно сконфигурированы на ослабление муаровой картины.
Система может дополнительно содержать воздушную полость.
Извлекающие элементы могут иметь поверхностную модуляцию для отклонения света приблизительно внутри набора заданных горизонтальных и вертикальных углов.
Преимущественно первая канализирующая свет поверхность является плоской.
Система может дополнительно содержать контроллер светоизлучающих элементов для их включения в зависимости от положения наблюдателя.
При этом контроллер светоизлучающих элементов может быть выполнен с возможностью включения первого набора светоизлучающих элементов, соответствующего первому окну просмотра в первой фазе освещения, и включения второго набора светоизлучающих элементов, соответствующего второму окну просмотра во второй фазе освещения.
Система может представлять собой следящий за положением наблюдателя автостереоскопический дисплей и дополнительно содержать датчик обнаружения наблюдателя вблизи окна просмотра оптического затвора, при этом контроллер светоизлучающих элементов выполнен с возможностью регулировки светоизлучающих элементов в зависимости от положения наблюдателя.
Обычно световой или оптический затвор может обеспечивать освещение больших площадей источниками локализованного света. Термины световод и оптический затвор могут использоваться в описании взаимозаменяемо. В одном из примеров оптическим затвором может являться волновод, при этом он может иметь ступенчатую конструкцию, ступенями которой могут являться извлекающие элементы, которые могут быть эффективно оптически скрыты для канализируемого света, который может распространяться в первом направлении. Обратный свет, который может распространяться во втором направлении, может преломляться, дифрагироваться и/или отражаться извлекающими элементами и обеспечивать освещение, которое может исходить от верхней поверхности оптического затвора. Такое регулируемое освещение может обеспечивать эффективное рассчитанное на множество пользователей автостереоскопическое отображение, а также усовершенствованные функциональные возможности двухмерного отображения.
Эти и другие особенности и преимущества полезной модели станут более понятны из дальнейшего описания. Варианты осуществления полезной модели приведены в качестве примера и проиллюстрированы на чертежах, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1А схематично показан традиционный источник задней подсветки волновода, вид сверху;
на фиг. 1Б - то же, вид сбоку;
на фиг. 2А схематично показан известный автостереоскопический дисплей, вид сверху;
на фиг. 2Б - то же, вид сбоку;
на фиг. 3А схематично показана известная конструкция клиновидного волновода, вид сверху,
на фиг. 3Б - то же, вид сбоку;
на фиг. 4А схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, вид сверху;
на фиг. 4Б - то же, вид сбоку;
на фиг. 5А схематично показана конструкция оптического затвора согласно полезной модели, в частности, направленный выход в плоскости yz, вид сверху;
на фиг. 5Б - то же, первый вид сбоку;
на фиг. 5В - то же, второй вид сбоку;
на фиг. 6 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, вид в разрезе; схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, вид
на фиг. 7А схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, который может освещаться первым светоизлучающим элементом и может содержать криволинейные извлекающие свет элементы, вид в плане;
на фиг. 7Б схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, который может освещаться вторым светоизлучающим элементом, вид в плане;
на фиг. 7В схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, который может содержать прямолинейные извлекающие свет элементы, вид в плане;
на фиг. 8 показана блок-схема автостереоскопического устройства отображения с использованием оптического затвора согласно полезной модели;
на фиг. 9 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, имеющий плоскую отражательную сторону;
на фиг. 10А схематично показан оптический затвор согласно полезной модели с линзой Френеля;
на фиг. 10Б - то же, но с другой линзой Френеля;
на фиг. 10В схематично показан дополнительный оптический затвор согласно полезной модели с другой линзой Френеля;
на фиг. 11 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели с отражающей поверхностью, эквивалентной линзе Френеля;
на фиг. 12 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, имеющий вертикальный рассеиватель;
на фиг. 13 схематично показан автостереоскопический дисплей согласно полезной модели, вид в разрезе;
на фиг. 14 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, имеющий раздельные продолговатые извлекающие свет элементы;
на фиг. 15 схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы с изменяемой крутизной и высотой;
на фиг. 16А схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы с множеством отражающих граней;
на фиг. 16Б схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы с выпуклыми гранями;
на фиг. 16В схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы с выпуклыми и вогнутыми гранями;
на фиг. 16Г схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы с неправильными гранями;
на фиг. 16Д схематично показано сечение оптического затвора согласно полезной модели, имеющего извлекающие свет элементы для обеспечения ограниченного рассеяния в направлении воспроизведения изображения;
на фиг. 17 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели с переменной поперечной толщиной;
на фиг. 18 схематично показан направленный дисплей, имеющий оптический затвор согласно полезной модели с множеством раздельных извлекающих свет элементов, обеспечивающих ослабление муарового эффекта, вид в плане;
на фиг. 19 схематично показаны варианты выполнения отражательной стороны согласно полезной модели;
на фиг. 20 показана схема, иллюстрирующая траектории лучей в оптическом затворе согласно полезной модели;
на фиг. 21 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, имеющий дополнительный наклон между первой направляющей свет стороной и канализирующими элементами второй направляющей свет стороны;
на фиг. 22 схематично показано прохождение световых лучей в оптическом затворе согласно полезной модели с преимущественно параллельными сторонами, вид в сечении;
на фиг. 23 схематично показано прохождение световых лучей в клиновидном оптическом затворе согласно полезной модели, вид в сечении;
на фиг. 24 схематично показан автостереоскопический дисплей, в котором извлечение света может достигаться путем рефакции в извлекающих свет элементах оптического затвора согласно полезной модели;
на фиг. 25 схематично показан оптический затвор согласно полезной модели, имеющий воздушную полость;
на фиг. 26А схематично показана конструкция оптического затвора согласно полезной модели, вид сверху;
на фиг. 26Б - то же, вид сбоку;
на фиг. 27 показана диаграмма, иллюстрирующая кривые извлекающих элементов при различных смещениях по оси х;
на фиг. 28 показана диаграмма, иллюстрирующая угол отклонения от оси z отражающей грани извлекающего элемента в зависимости от положения по оси у элемента согласно полезной модели;
на фиг. 29 показано распространение расходящихся световых лучей от плоской торцевой поверхности согласно полезной модели;
на фиг. 30А показана диаграмма, иллюстрирующая кривые извлекающих элементов и углы граней рассеивающего оптического затвора с плоской верхней поверхностью согласно полезной модели;
на фиг. 30Б показана диаграмма, иллюстрирующая кривые извлекающих элементов и углы граней рассеивающего затвора с плоской верхней поверхностью согласно полезной модели;
на фиг. 31 схематично показан стереоскопический дисплей в одном из вариантов его выполнения с иллюстрацией того, как наблюдаемые правым и левым глазами изображения отображаются синхронно с первым и вторым светоизлучающими элементами, соответственно;
на фиг. 32 схематично показан стереоскопический дисплей в одном из вариантов его выполнения с иллюстрацией того, как изображения могут избирательно отображаться для одного наблюдателя без отображения для других наблюдателей;
на фиг. 33 схематично показано, как положение устройства и головы или глаз, определенное встроенным устройством, может обеспечивать входные данные для системы управления, которая преимущественно автоматически синхронизирует отображение наблюдаемых правым и левым глазами изображений в автостереоскопическом дисплее;
на фиг. 34 схематично показано, как с использованием датчиков положения глаз может обеспечиваться стереоскопический просмотр множеством наблюдателей и тем самым синхронизация освещающих СИД для просмотра изображений левым и правым глазами.
Осуществление полезной модели
Полезная модель в целом характеризует способ канализации света путем применения оптического затвора, который может обеспечивать распространение световых лучей в первом направлении через оптический затвор, при этом свет может распространяться в первом направлении преимущественно с небольшими потерями. Кроме того, оптический затвор может обеспечивать взаимодействие световых лучей с торцевой поверхностью оптического затвора, а также может обеспечивать распространение световых лучей во втором направлении через оптический затвор, при этом при распространении во втором направлении по меньшей мере часть световых лучей может сталкиваться по меньшей мере с одним извлекающим элементом и может извлекаться из оптического затвора.
В одном из вариантов осуществления полезной модели оптический затвор может действовать как оптический затвор направленной подсветки и может обеспечивать упорядоченное во времени направленное освещение больших площадей отображения. В автостереоскопических дисплеях с временным мультиплексированием может выгодно улучшаться их пространственная разрешающая способность путем направления света преимущественно от всех пикселов пространственного модулятора света в первое окно просмотра в течение первого временного интервала и преимущественно от всех пикселов во второе окно просмотра в течение второго временного интервала. Таким образом, наблюдатель, глаза которого готовы воспринимать свет в первом и втором окнах просмотра, может видеть изображение с полной разрешающей способностью на протяжении всего дисплея в течение множества временных интервалов. Дисплеи с временным мультиплексированием способны обеспечивать направленное освещение путем направления света матрицы светоизлучающих элементов через преимущественно светопроницаемый пространственный модулятор света с временным мультиплексированием с использованием оптических элементов направленного действия, при этом оптика направленного действия преимущественно формирует изображение матрицы светоизлучающих элементов в плоскости окна. Кроме того, однородность окна просмотра может преимущественно не зависеть от расположения пикселов в пространственном модуляторе света. Такие дисплеи преимущественно способны обеспечивать дисплеи со слежением за положением наблюдателя, которые имеют малое мерцание и низкие уровни перекрестных помех при перемещении наблюдателя. Для достижения высокой однородности в плоскости окна может быть желательным обеспечить матрицу светоизлучающих элементов с высокой пространственной однородностью. Светоизлучающие элементы упорядоченной во времени системы освещения могут обеспечиваться, например, пикселами пространственного модулятора света размером приблизительно 100 мкм в сочетании с матрицей линз. Тем не менее, такие пикселы могут иметь такие же недостатки, как и в дисплеях с пространственным мультиплексированием. Кроме того, такие устройства могут иметь низкую эффективность и более высокую стоимость из-за необходимости дополнительных компонентов дисплея. Высокая однородность в плоскости окна может удобно достигаться с помощью макроскопических светоизлучающих элементов, например, оптических элементов размером приблизительно 1 мм или более. Тем не менее, увеличение размера светоизлучающих элементов может означать, что может пропорционально увеличиваться размер оптических элементов направленного действия. Например, в случае светоизлучающего элемента шириной приблизительно 16 мм, отображенного в окне просмотра шириной приблизительно 65 мм, рабочее расстояние от тыльной поверхности может составлять приблизительно 200 мм. Таким образом, увеличение толщины оптических элементов может препятствовать полезному применению, например, в дисплеях мобильных устройств или дисплеях большой площади. Кроме того, чтобы направлять свет макроскопических светоизлучающих элементов на плоскость окна, могут применяться оптические элементы меньшей толщины, чем рабочее расстояние от тыльной поверхности оптических элементов. Это может рассматриваться применительно к светоизлучающему элементу оптического затвора, который может соотноситься с толщиной оптического затвора по оси z и который иметь приблизительный размер от 0,1 мм до 25 мм. В таких дисплеях может использоваться матрица граней, рассчитанных на извлечение света, распространяющегося во втором направлении в оптическом затворе преимущественно с параллельными сторонами.
В некоторых вариантах осуществления полезная модель может представлять собой автостереоскопический дисплей с большой площадью и тонкой конструкцией. Кроме того, как описано далее, в оптических затворах согласно полезной модели могут использоваться тонкие оптические компоненты с большими рабочими расстояниями от тыльной поверхности. Такие компоненты могут использоваться в направленной задней подсветке для дисплеев направленного действия, включая автостереоскопические дисплеи. Кроме того, в одном из вариантов осуществления полезной модели с целью создания эффективного автостереоскопического дисплея может использоваться регулируемый светоизлучающий элемент. Помимо этого, в одном из вариантов может быть предусмотрено устройство направленной задней подсветки и дисплей направленного действия, который может содержать устройство направленной задней подсветки. Такое устройство может применяться в автостереоскопических дисплеях, дисплеях для конфиденциального просмотра и других дисплеях направленного действия.
В одном из вариантов осуществления полезной модели оптическая функция направленной задней подсветки может обеспечиваться нелинейными извлекающими свет элементами, которые могут быть встроены в конструкцию оптического затвора, что снижает стоимость и уменьшает сложность. В извлекающих элементах может выгодно использоваться сочетание оптических функций для уменьшения числа дополнительных оптических пленок, которые могут использоваться для обеспечения окон просмотра из структуры освещения. Может быть увеличена однородность освещения дисплея по сравнению с линейными извлекающими элементами. Кроме того, может быть уменьшен изгиб краевых отражателей, в результате чего может быть уменьшен размер рамки направленной задней подсветки, что улучшает ее внешний вид. Может быть выгодно ослаблен муар муаровый эффект между направленной задней подсветкой и панелью. Кроме того, может быть оптимизирована аберрация дисплея в определенном интервале положений наблюдения, что улучшает свободу просмотра.
Следует отметить, что варианты осуществления настоящей полезной модели могут применяться в разнообразных оптических системах, системах отображения и системах проекции. Вариант выполнения системы может предусматривать или может действовать с разнообразными проекторами, системами проекции, оптическими компонентами, дисплеями, микродисплеями, компьютерными системами, процессорами, автономными системами проекторов, визуальными и/или аудиовизуальными системами и электрическими и/или оптическими устройствами. Особенности настоящей полезной модели могут применяться практически в любой аппаратуре, относящейся к оптическим и электрическим устройствам, оптическим системам, системам отображения, системам развлечений, системам воспроизведения или любой аппаратуре, которая может содержать оптическую систему какого-либо типа. Соответственно, варианты осуществления настоящей полезной модели могут применяться в оптических системах, устройствах, используемых для визуального и/или оптического воспроизведения, визуальных периферийных устройствах и т.д. и в ряде вычислительных сред.
Перед подробным описанием вариантов осуществления полезной модели следует отметить, что осуществление полезной модели не ограничено представленными конкретными средствами, и возможны другие варианты осуществления. Кроме того, особенности полезной модели могут быть изложены в различных сочетаниях и порядке и образовывать единственные в своем роде варианты. Помимо этого, использованная в описании терминология предназначена для пояснения, а не ограничения.
На фиг. 1А и 1Б показан традиционный источник задней подсветки волновода. На виде 150 сверху на фиг. 1А показаны СИД 155, которые могут использоваться для освещения клиновидного волновода 160. Клиновидные волноводы с рассеивающими элементами обычно используются для освещения ЖКД. Вид 150 сверху проиллюстрирован в плоскости ху.
На фиг. 1Б проиллюстрирован вид 100 сбоку в плоскости xz и показан СИД 105, волновод 110, ЖКД 120, рассеиватель 130 и отражающие элементы 140. Вид 100 сбоку на фиг. 1Б является альтернативой виду 150 сверху на фиг. 1А. Соответственно, СИД 105 на фиг. 1Б может соответствовать СИД 155, а волновод 110 на фиг. 1Б может соответствовать волноводу 160 на фиг. 1А.
Как показано на фиг. 1Б, СИД 105 может освещать более толстый край 107 волновода 110, через который может распространяться свет. Часть распространяющегося света периодически сталкивается, например, в точке 145 с отражающим элементом 140, который может рассеивать световые лучи. Выходящие рассеянные световые лучи с углами распространения, превышающими критический угол волновода 110, проходят через рассеиватель 130 и затем освещают ЖКД 120.
Остальные рассеянные световые лучи устойчиво сжимаются клиновидным профилем волновода по мере их распространения в направлении тонкого конца 109 волновода 110. Световые лучи сталкиваются в волноводе 110 с все большим числом рассеивающих элементов, проиллюстрированных точками 146 и 147, пока большая часть света не выйдет из волновода 110. Этим способом за счет постепенного рассеяния светового потока свет распространяется из локализованного источника по оси х волновода 110 и освещает ЖКД 120. СИД 155 могут находиться вблизи друг друга, как показано на фиг. 1А, и свет может распространяться в направлении волновода по оси у ортогонально его клиновидному профилю. Рассеиватель 130 также может использоваться для рассеяния света, как показано на фиг. 1Б.
Хотя этот традиционный подход обеспечивает освещение, углы выходящих световых лучей не регулируются и не направляются. Без регулирования освещения невозможно обеспечение эффективности, конфиденциальности и автостереоскопического отображения.
На фиг. 2А и 2Б показан известный автостереоскопический дисплей, виды сверху и сбоку. На виде 250 сверху на фиг. 2А, проиллюстрированном в плоскости ху, показаны СИД 255а и 255b которые могут использоваться для освещения волновода 210. Кроме того, на виде 200 сбоку на фиг. 2Б, проиллюстрированном в плоскости xz, показаны СИД 205а и 205b ЖКД 220, пленка 230 марки ЗМ, волновод 210 и отражающие элементы 240. Вид 200 сбоку на фиг. 2Б является альтернативой виду 250 сверху на фиг. 2А. Соответственно, СИД 205 на фиг. 2Б могут соответствовать СИД 255а и 255b а фиг. 2А, а волновод 110 на фиг. 1Б может соответствовать волноводу 260 на фиг. 2А.
Недавно было разработано освещение с регулированием угла, описанное в патентном документе US 7750982, который в порядке ссылки включен в настоящее описание. В этом известном примере, как показано фиг. 2А и 2Б, СИД 255а и 255b и СИД 205а и 205b, соответственно, расположены слева и справа от волновода и могут модулироваться независимо. Как показано на фиг. 2Б, свет, излучаемый расположенным справа СИД 205b, распространяется по ромбическому волноводу 210, с постепенным увеличением углов его лучей, пока некоторые из них не превысят критический угол, прекращается полное внутреннее отражение (TIR). Затем эти лучи выходят из волновода и распространяются наружу в сторону дисплея в узком диапазоне углов, близких к 90° относительно нормальной оси или оси z волновода.
Показанная на фиг. 2Б микропризменная пленка 230 марки 3М со встроенными линзами, расположенными между волноводом 210 и ЖКД 220, направляет этот свет по оси z с разбросом углов вплоть до величины при распространении в нормальных условиях, но не превышающим ее.
Продолжая рассматривать фиг. 2Б, если разместить ЖКД 220 непосредственно поверх пленки 230 3М, при нормальном просмотре ЖКД полностью освещенное изображение будет видно только левым глазом. Это изображение продолжает восприниматься только левым глазом, пока дисплей не будет повернут по часовой стрелке вокруг вертикальной оси, и тогда оно начинает восприниматься правым глазом. В этот момент дисплей выглядит как традиционный дисплей для отображения двухмерных изображений. Симметричная ситуация возникает при восприятии правым глазом света, излучаемого расположенным слева СИД 205а на фиг. 2Б. За счет модуляции излучений СИД 205а и 205b, воспринимаемых левым и правым глазами, синхронно с чередованием воспринимаемых левым и правым глазами изображений, поступающих на дисплей, наблюдатель может видеть стереоизображение с высокой разрешающей способностью при нормальном просмотре. При повороте дисплея относительно нормального положения изображение становится двухмерным без возникновения неприятного псевдоскопического восприятия, когда воспринимаемое левым глазом стереоскопическое изображение воспринимается правым глазом и наоборот, что имеет место при использовании более традиционных подходов с использованием линзового растра или параллактического барьера. Кроме того, в отличие от традиционных подходов трехмерные изображения обеспечивают полную разрешающую способность и способны по умолчанию переходить в режим традиционного двухмерного отображения, когда включены все СИД. Недостатком этого известного решения стереоскопического отображения является то, что независимо регулируются только два пучка, что препятствует режимам освещения с обеспечением конфиденциальности и ограничивает свободу движения головы в автостереоскопической системе, в которой может быть предусмотрено множество независимо модулируемых пучков.
На фиг. 3А и 3Б показан на видах сверху и сбоку другой известный автостереоскопический дисплей. На виде 350 сверху на фиг. 3А, проиллюстрированном в плоскости ху, показан СИД 355, который может использоваться для освещения клиновидного волновода 360. Как показано на фиг. 3А, клиновидный волновод 360 может иметь гофрированную отражающую поверхность 362. Кроме того, на виде 300 сбоку на фиг. 3Б, проиллюстрированном в плоскости xz, показана СИД 305, ЖКД 320, изменяющая направление пленка 330 и волновод 310. Вид 300 сбоку на фиг. 3Б является альтернативой виду 350 сверху на фиг. 3А. Соответственно, СИД 305 на фиг. 3Б могут соответствовать СИД 355 на фиг. 3А, а клиновидный волновод 310 на фиг. 3Б может соответствовать клиновидному волноводу 360 на фиг. 3А. Аналогично волноводам на фиг. 1А, 1Б, 2А и 2Б клиновидный волновод 310 на фиг. 3Б также имеет тонкий конец 307 и толстый конец 309.
Как показано на фиг. 3А и 3Б, клиновидный волновод может применяться таким же, как по патенту US 7660047, который в порядке ссылки во всей полноте включен в настоящее описание. В подходе, проиллюстрированном на фиг. 3А и 3Б, применяется один СИД, свет которого может иметь небольшую оптическую протяженность.
В клиновидном волноводе может обеспечиваться традиционная коллимация в плоскости ху и использоваться коллимация в плоскости xz, обеспечиваемая постепенным рассеянием света в клиновидном волноводе вследствие прекращения TIR. Кроме того, коллимация в плоскости ху может осуществляться при отражении с использованием распространения в прямом направлении для расширения пучка и распространяющегося в обратном направлении коллимированного пучка для рассеяния света по тому же волноводу. Как показано на фиг. 3А и 3Б, коллимация и угловое отклонение при отражении обеспечивается поверхностью с наклонными криволинейными отражающими краями.
Одним из недостатков клиновидного волновода, показанного на фиг. 3А и 3Б, является необходимость отклонения выходящего пучка от поверхности волновода. Это эффективно и равномерно достигается с использованием комплексной пленки. Кроме того, с учетом симметричной природы свободно стоящего клина вероятно, что рассеяние будет происходить как на верхней, так и нижней поверхностях. Помимо этого, уменьшается разброс внутренних углов распространения лучей, что в итоге приводит к увеличению толщины клина при любом заданном СИД. Один из дополнительных недостатков связан с отражающим краем, который должен быть гофрирован во избежание неравномерного освещения вблизи него. Такое гофрирование является дорогостоящим и должно отвечать жестким конструктивным допускам.
Обычно клиновидный волновод не может действовать как затвор. Свет, который может распространяться от тонкого конца к толстому концу клиновидного волновода, может возвращаться без извлечения, если он отражает непосредственно от тонкого конца. Свет может распространяться в обратном направлении с достаточно большими для извлечения углами, в основном, за счет корректировки углов отражения от зеркала с наклонными или гофрированными краями.
Обычно эффективность дисплеев, освещаемых как оптическим затвором, так и клиновидным волноводом, может быть повышена, например, за счет местного регулируемого цветного освещения пикселов, что делает излишней матрицу цветных светофильтров (CFA), как описано в заявке US 2009/0160757 под названием «INTRA-PIXEL ILLUMINATION SYSTEM», которая в порядке ссылки во всей полноте включена в настоящее описание, или за счет сосредоточения освещения исключительно в областях, в которых постоянно находятся глаза наблюдателя. За счет сосредоточения освещения исключительно в областях, в которых постоянно находятся глаза наблюдателя, также могут обеспечиваться режимы конфиденциальности, поскольку подсветка не достигает глаз потенциальных соглядатаев. Путем модуляции по отдельности лучей подсветки, достигающих левого и правого глаз, синхронно с отображением изображений для левого и правого глаз также можно доставлять стереоскопическую информацию без необходимости очков. Этот подход к автостереоскопическому отображению может быть полезен в карманных стереоскопических устройствах.
На фиг. 4А и 4Б показан на видах сверху и сбоку оптический затвор согласно одному из вариантов осуществления полезной модели. Обычно, затвор согласно показанному на фиг. 4А и 4Б варианту может действовать как оптический затвор. Оптический затвор 410, показанный на фиг. 4А и 4Б, может именоваться таким образом лишь в целях рассмотрения, а не ограничения изобретения.
На виде 450 сверху на фиг. 4А, проиллюстрированном в плоскости ху, показан СИД 405, который может использоваться для освещения оптического затвора 410. Хотя в рассматриваемых в описании вариантах осуществления полезной модели в качестве светоизлучающего элемента применяется СИД, могут использоваться любые другие светоизлучающие элементы, такие как лазерные источники, источники излучения локального поля, матрицы органических излучателей и т.п. Кроме того, на виде 400 сбоку на фиг. 4Б, проиллюстрированном в плоскости xz, показаны СИД 405, ЖКД 420, извлекающие элементы 430 и оптический затвор 410. Вид 400 сбоку на фиг. 4Б является альтернативой виду 450 сверху на фиг. 4А. Соответственно, СИД 405 на фиг. 4А и 4Б могут соответствовать друг другу, и оптические затворы 410 на фиг. 4А и 4Б могут соответствовать друг другу. Кроме того, оптический затвор 410 на фиг. 4Б может иметь тонкий конец 407 и толстый конец 409. Хотя в целях рассмотрения в описании может упоминаться ЖКД 420, могут использоваться другие дисплеи, включая без ограничения LCOS, DLP, поскольку светоизлучающий элемент может работать в режиме отражения, и т.п.
В варианте, проиллюстрированном фиг. 4А и 4Б, свет, распространяющийся в первом направлении, может канализироваться через оптический затвор 410 преимущественно без потерь, а свет, распространяющийся во втором направлении, может извлекаться из оптического затвора 410 путем применения извлекающих элементов 430. Извлекающие элементы 430 будут подробно рассмотрены далее. Как показано на фиг. 4Б, свет может распространяться в первом направлении, которым может являться направление от тонкого конца 407 к толстому концу 409 оптического затвора 410. Кроме того, после отражения от конца оптического затвора 410 свет может распространяться во втором направлении, которым может являться направление от толстого конца 409 к тонкому концу 407. По мере распространения во втором направлении в сторону ЖКД 420 свет может сталкиваться свет с извлекающими элементами 430 и извлекаться из оптического затвора 410. Помимо, этого извлекающие элементы могут быть эффективно оптически скрыты от света, распространяющегося в первом направлении, в стояках оптического затвора.
В продолжение рассмотрения оптического затвора 410, показанного на фиг. 4Б, свет может поступать с первого конца, например, тонкого конца 407 на фиг. 4Б, распространяться через оптический затвор, отражаться от второго конца, например, толстого конца 409 на фиг. 4Б, распространяться через оптический затвор в сторону первого конца, при этом в определенной точке оптического затвора свет может извлекаться из него посредством взаимодействия с извлекающим элементом 430.
При распространении в первом направлении свет может гомогенизироваться и расширяться до отражения от неплоской поверхности и извлечения при распространении во втором направлении. Неплоская поверхность может действовать как цилиндрическая линза, позволяющая свету формировать изображение источника в плоскости окна. В одном из примеров формирование изображения источника может достигаться путем применения в клиновидном волноводе аналогичной цилиндрической отражающей торцевой поверхности без необходимости применять дорогостоящее гофрирование. Для сравнения, отражающий конец клиновидного волновода по патенту US 7660047 должен быть гофрирован.
Оптический затвор может представлять собой свободно стоящий единый формованный блок, толщина которого может соответствующим образом корректироваться с учетом различных платформ отображения. Кроме того, компромиссным решением может являться потеря оптической эффективности при уменьшении толщины. Помимо этого, может быть создан автостереоскопический дисплей относительно небольшой толщины и невысокой стоимости, в котором может быть уменьшено число применяемых оптических компонентов и одновременно повышено оптическое качество. К тому же, в одном из вариантов осуществления может быть уменьшен размер краевых областей рамки или соответствующая увеличенная ширина оптического затвора с целью уменьшения объема. Поскольку извлекающие элементы преимущественно не имеют функции направления света через оптический затвор от первой входной стороны до второй отражательной стороны, может достигаться большое рабочее расстояние от тыльной поверхности светоотражающей стороны, а также небольшая толщина оптического затвора. Кроме того, искривленные поверхности, приданные извлекающим элементам, могут функционально заменять искривленную торцевую поверхность, что делает окончательные наружные размеры конструкции оптического затвора более совместимыми с небольшими карманными устройствами. Извлекающие элементы с искривленными поверхностями будут подробнее рассмотрены далее.
-1
Как описано ранее, показанная на фиг. 4А и 4Б конструкция согласно одному из вариантов осуществления полезной модели содержит оптический затвор с двумя или более СИД на тонком конце 407 и искривленной отражающей поверхностью на толстом или отражающем конце 409. Свет, поступающий в конструкцию оптического затвора, может распространяться по оси х и может расширяться по оси у, как показано на фиг. 4А и 4Б. Извлекающие элементы 430 не могут влиять на свет и на то, как может канализироваться свет, поскольку извлекающие элементы 430 могут быть необязательно скрыты от световых лучей, угол которых не может превышать критический угол θс=sin (1/n) относительно оси z, при этом n означает показатель преломлениям материала оптического затвора. Угловой профиль света в плоскости xz может оставаться преимущественно без изменений в отличие от конструкции клиновидного волновода, описанной со ссылкой на фиг. 3А и 3Б. На дальнем от светоизлучающего элемента или толстом конце 409 оптического затвора 410 свет может падать на торцевую поверхность, которая может быть преимущественно параллельной оси z, но искривленной в плоскости ху. Искривление может служить для формирования светового изображения под углами в той же плоскости ху с преимущественным сохранением ортогонального углового профиля. Свет может образовывать расходящийся пучок с потерей света или сходящийся пучок, который не освещает края, что делает приемлемой большую рамку или увеличенную ширину.
Смещение по оси у исходного светоизлучающего элемента, введенное относительно оси симметрии конструкции, может приводить к распространению приблизительно коллимированных обратных световых лучей во втором направлении под углом ~ψ относительно оси -х. Обратные световые лучи могут отражаться от поверхностей извлекающих элементов, что может приводить к их отклонению по оси z и извлечению из световода. При отражении от ориентированной под углом приблизительно 45° поверхности извлекающего элемента может преимущественно сохраняться угловой разброс θ/n (θ в воздухе) в плоскости xz и угол ψ смещения канализируемого света, несмотря на то, что угол ψ смещения канализируемого света может приводить к распространению свет вблизи оси z, а не оси -х. При угле отражения приблизительно 45° свет также может сосредотачиваться приблизительно вокруг нормали выходной поверхности, лежащей в плоскости xz, которая может приблизительно составлять ϕ=0°. Угловой профиль света в плоскости xz может быть незначительно изменен, поскольку лучи, под большими углами падающие на поверхность извлекающего элемента, могут ослаблять вследствие прекращения TIR. В одном из примеров лучи, падающие под углами от приблизительно минус 50° до приблизительно 5° относительно оси х, могут отражаться с высокой эффективностью, а лучи, падающие под углами приблизительно более 5°, могут прорываться через извлекающую поверхность и оптически теряться. Оптически потерянными лучами могут являться лучи с высокими углами. Эффективность извлечения лучей с высокими углами может быть повышена путем серебрения нижней поверхности, но за счет потери распространения при канализации света. Угол ψ смещения канализируемого света будет подробнее описан далее по меньшей мере со ссылкой на фиг. 5А, 5Б и 5В.
На фиг. 5А показана на виде сверху конструкция оптического затвора с направленным выходом в плоскости yz, на фиг. 5Б - то же, первый вид сбоку, а на фиг. 5В - то же второй вид сбоку.
На виде 550 сверху на фиг. 5А, проиллюстрированном в плоскости ху, показан СИД 505, который может использоваться для освещения оптического затвора 510. На втором виде 500 сбоку на фиг. 5В, проиллюстрированном в плоскости xz, показаны СИД 505, ЖКД 520 и оптический затвор 510. На первом виде 525 сбоку на фиг. 5Б, который является альтернативой виду 550 сверху на фиг. 5А, также показаны СИД 505, ЖКД 520, извлекающие элементы 530 и оптический затвор 510. Соответственно, СИД 505 на фиг. 5А, 5Б и 5В могут соответствовать друг другу, и оптические затворы 510 на фиг. 5А, 5Б и 5В могут соответствовать друг другу. Кроме того, как показано на фиг. 5Б, оптический затвор 510 может иметь тонкий конец 507 и толстый конец 509. Толстый конец 509 может образовывать вогнутое или выпуклое зеркало.
-1
Как показано на фиг. 5В, толщина t на входе оптического затвора 510 и толщина Т оптического затвора 510 могут определяться по меньшей мере протяженностью и, соответственно, эффективностью системы. Протяженность системы в плоскости yz может определяться протяженностью по вертикали у выходного зрачка или рамкой видимости, как показано на фиг. 5Б. В качестве примера, может быть желательным, чтобы вертикальная протяженность окна составляла приблизительно Δ/2, где Δ может означать приблизительное расстояние между глазом и дисплеем, обычно 300 мм. В таком случае угловая протяженность θ в плоскости xz может составлять приблизительно 2.tan(1/4) или приблизительно 30°, что соответствует внутреннему углу θ/n разброса в плоскости xz приблизительно 20° вокруг оси х. Типичный выходной разброс СИД может составлять приблизительно 100° в воздухе и приблизительно 65° в волноводе. Соответственно, чтобы приблизительно согласовать их, угловую протяженность СИД уменьшают приблизительно наполовину. При сохранении протяженности приблизительный размер t входа волновода может приблизительно вдвое превышать площадь излучающей поверхности СИД при условии использования применимого расширителя пучка, такого как клиновидный волновод. Типичные СИД для небольших платформ могут иметь ширину приблизительно 0,5 мм, что может соответствовать размеру входной апертуры приблизительно t=~1 мм.
Чтобы определить потерю эффективности, может использоваться соотношение размера Т выходной апертуры и размера t входной апертуры, поскольку обратный свет, попадающий на входную апертуру, может фактически теряться из системы. В таком случае минимальный размер может составлять приблизительно 2 мм для приблизительно 50% эффективности, хотя при Т ~3 мм может обеспечиваться лучший компромисс между эффективностью и толщиной.
Число извлекающих элементов может быть ограничено в основном формой извлекающих элементов, получаемой после из изготовления. Реальные извлекающие элементы могут иметь дефекты изготовления в результате применения практических способов изготовления. Эти дефекты обычно могут иметь конечный размер, связанный, например, с размером режущего инструмента, которым была изготовлена литейная форма. Если извлекающий элемент является небольшим, доля дефекта во всем извлекающем элементе может увеличиваться, что может приводить к неоптимальным характеристикам. Соответственно для извлекающих элементов может выбираться удобный размер, чтобы он мог быть совместимым с расчетной конечной формой или точностью воспроизведения. Чем меньше число извлекающих элементов, тем больше размер элементов и тем меньше относительно закруглены края. Круглые края могут иметь тенденцию расширять угловую протяженность распространяющегося света в оптическом затворе и могут приводить к нежелательному рассеянию. Если принять вероятную величину δ шага приблизительно за 10 мкм, число Ns шагов может составить приблизительно (T-t)/8 ~ 200. В примере с дисплеем мобильного телефона в альбомном стереоскопическом режиме высота p шага может составлять d/Ns ~ 250 мкм. Поскольку высота пикселов типичных мобильных телефонов может составлять 78 мкм, во избежание муарового эффекта может вводиться рассеяние выходного света по оси х. Для сохранения приблизительно первого порядка вертикальной протяженности выходного зрачка и при этом скремблирования выходного оптического поля может быть достаточно угла рассеяния приблизительно 30°. Для достижения этого эффекта могут использоваться одномерные голографические рассеиватели, например, производства компании Luminit (Торранс, шт. Калифорния, США).
Криволинейная зеркальная поверхность может действовать аналогично одномерному отображающему элементу. В плоскости наблюдателя путем одномерного отображения отдельных СИД могут быть сформированы локализованные световые рамки или выходные зрачки. Условие отображения может быть приблизительно описано обычной формулой 1/u+1/ν=1/ƒ, если исходить из минимального изгиба криволинейной отражающей поверхности, что также известно, как формула тонкой линзы. Когда ƒ является фокусным расстоянием криволинейной отражающей поверхности, которое может быть приблизительно равным половине радиуса r ее кривизны, u является расстоянием d СИД до торцевой поверхности, a ν является длиной оптического пути до наблюдателя, которая может составлять n.Δ. В таком случае радиус кривизны может составлять:
У типичных мобильных телефонов величины r могут составлять приблизительно 90 мм.
В другом случае, когда изгиб криволинейной поверхности является значительным, радиус кривизны может составлять:
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 5А, 5Б и 5В, может создаваться рамка видимости, которой фактически может являться увеличенный вариант СИД. И в этом случае по соображениям геометрии линзы соотношение размеров рамки видимости Σ/s может приблизительно соответствовать геометрическому соотношению nΔ/d ~ 5. Положение рамки видимости также может быть масштабировано, исходя из приблизительного положения СИД, которое может быть определено согласно формуле Ω/ω=Σ/s ~ 5. Для обеспечения возможности изменять положение головы рамкой видимости может являться приблизительно ширина глазного базиса или приблизительно 65 мм с минимальным зазором между излучающими областями обоих СИД. В этом примере площадь излучающей поверхности каждого СИД может простираться от середины тонкого конца до приблизительно 65/5 или приблизительно 13 мм. Линза с криволинейной цилиндрической поверхностью может быть заменена эквивалентной линзой Френеля, как показано на фиг. 11 и будет подробнее описано далее. Тем не менее, хотя при этом торцевая поверхность может в меньшей степени превышать окончательную площадь дисплея, также могут увеличиваться расходы.
На фиг. 6 показано сечение оптического затвора согласно другому варианту осуществления полезной модели. На фиг. 6 показано поперечное сечение оптического затвора 601, который может состоять из светопроницаемого материала. Оптический затвор 601 имеет освещаемую входную сторону 602, отражательную сторону 604, первую направляющую свет сторону 606, которая является плоской, и вторую направляющую свет сторону 608, которая содержит канализирующие элементы 610 и извлекающие свет элементы 612. Как показано на фиг. 6, световые лучи 616, испускаемые светоизлучающим элементом 614 из матрицы 615 светоизлучающих элементов, могут преимущественно канализироваться в оптическом затворе 601 путем полного внутреннего отражения стороной 606 и полного внутреннего отражения канализирующим элементом 610 на отражательную сторону 604, которой может являться зеркальная поверхность. В одном из примеров матрицей 615 светоизлучающих элементов может являться адресуемая матрица СИД. Обозначенные сходными позициями элементы на фигурах 6-25 обычно могут соответствовать друг другу. Например, оптический затвор на фиг. 6 может быть обозначен позицией 601, оптический затвор на фиг. 7А может быть обозначен позицией 701, оптический затвор на фиг. 13 может быть обозначен позицией 1301 и так далее.
Как показано на фиг. 6, световой луч 618 может отражаться стороной 604 и далее может преимущественно канализироваться в оптический затвор 601 путем полного внутреннего отражения стороной 604 и может отражаться канализирующими элементами 612. Лучи 618, которые могут падать на извлекающие элементы 612, могут отклоняться от канализирующих элементов оптического затвора и направляться, как обозначено лучом 620, преимущественно через сторону 604 на оптический зрачок, который может образовывать окно 626 просмотра автостереоскопического дисплея. Ширина окна 626 просмотра может определяться в основном размером светоизлучающего элемента, расчетным выходным расстоянием и мощностью оптического излучения на стороне 604 и элементов 612. Высота окна просмотра может определяться в основном углом конусности отражения элементов 612 и углом конусности освещения, падающего на входную сторону.
Оптический затвор, показанный на фиг. 6, может быть изготовлен, например, путем формования за одно целое или путем крепления сформованных пленок, содержащих элементы 610, 512, к клиновидной конструкции с концами 602, 604. Оптический затвор 601 может быть изготовлен из одного материала или сочетания материалов, таких как стекло или полимерные материалы, такие как без ограничения акриловые полимеры или ПЭТ. Оптические затворы согласно рассматриваемым вариантам осуществления могут выгодно изготавливаться с низкими затратами и высоким коэффициентом пропусканием.
На фиг. 7А схематично показан в плане оптический затвор, освещаемый первым светоизлучающим элементом и содержащий криволинейные извлекающие свет элементы. На фиг. 7А показана дальнейшая канализация в оптическом затворе 701 световых лучей, испускаемых светоизлучающим элементом 714. Каждый из лучей, испускаемых соответствующим светоизлучающим элементом 714, может направляться в сторону одного и того же окна 726 просмотра. Таким образом, световой луч 730 на фиг. 7А может пересекаться с лучом 720 в окне 726 или может иметь отличающуюся высоту в окне, как показано на примере луча 732. Стороны 722, 724 оптического затвора могут иметь без ограничения светопроницаемые, зеркальные, зазубренные, зачерненные и т.п.поверхности.
Как показано фиг. 7А, извлекающие свет элементы 712 могут являться протяженными и криволинейными, при этом ориентация извлекающих свет элементов 712 в первой области 734 направляющей свет стороны 708 может отличаться от ориентации извлекающих свет элементов 712 во второй области 736 направляющей свет стороны 708.
На фиг. 7Б схематично показан в плане оптический затвор, освещаемый вторым светоизлучающим элементом. На фиг. 7Б показаны световые лучи 740, 742 второго светоизлучающего элемента 738 из матрицы 715. За счет кривизны зеркала на стороне 704 во взаимодействии с извлекающими свет элементами может формироваться второе окно 744 просмотра, которое может быть отделено в поперечном направлении от окна 726 просмотра световыми лучами светоизлучающего элемента 738.
В варианте осуществления полезной модели, показанном на фиг. 7А и 7Б, в окне 726 просмотра может обеспечиваться действительное изображение светоизлучающего элемента 714, которое может формироваться за счет взаимодействия мощности оптического излучения на отражательной стороне 704 и мощности оптического излучения, которая может возникать при различных ориентациях продолговатых извлекающие свет элементов 712 между областями 734 и 736. Кроме того, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 7А и 7Б, может достигаться улучшение аберраций при отображении светоизлучающего элемента 714 в боковых положениях в окне 726 просмотра. За счет улучшения аберраций может достигаться большая свобода при просмотре автостереоскопического дисплея и низкие уровни перекрестных помех. В одном из примеров большая свобода при просмотре может включать большие углы, под которыми можно просматривать трехмерное изображение с хорошими характеристиками или низкими перекрестными искажениями, которым могут составлять менее приблизительно 5%.
На фиг. 7В схематично показан в плане оптический затвор, который может содержать линейные извлекающие свет элементы. На фиг. 7В показано расположение, аналогичное показанному на фиг. 4А и 4Б, при котором извлекающие свет элементы являются линейным и преимущественно параллельными друг другу. В варианте, показанном на фиг. 7В, может обеспечиваться преимущественно равномерное освещение поверхности дисплея, при этом линейные элементы могут быть более удобными для изготовления, чем криволинейные элементы по фиг. 7А и 7Б.
На фиг. 8 показано следящее за положением наблюдателя автостереоскопическое устройство отображения с использованием оптического затвора. Как показано на фиг. 8, для обеспечения матрицы 846 окон просмотра может использоваться матрица 815 светоизлучающих элементов и оптический затвор 801. Для обнаружения наблюдателя вблизи окон может использоваться датчик 850, такой как ПЗС-датчик или КМОП-датчик, а для вычисления положения наблюдателя может использоваться система 852 слежения за положением наблюдателя. Контроллер 854 светоизлучающих элементов может определять правильную установку матрицы светоизлучающих элементов таким образом, чтобы на протяжении первой фазы освещения могли освещаться светоизлучающие элементы, соответствующие матрице 856 окон просмотра, а на протяжении второй фазы освещения могли освещаться светоизлучающие элементы, соответствующие матрице 858 окон просмотра. Контроллер 854 может выбирать, какие светоизлучающие элементы из матрицы 815 должны освещаться, в зависимости от положения наблюдателя. Вывод изображений на экран может обеспечиваться традиционным дисплеем 848 с пространственной модуляцией света, таким как ЖКД, который может находиться между оптическим затвором 801 и матрицей 846 окон просмотра. На протяжении первой фазы освещения, которая может соответствовать освещению матрицы 856 окон, на дисплей 848 может выводиться воспринимаемое левым глазом изображение, а на протяжении второй фазы, которая может соответствовать освещению матрицы 858 окон, на дисплей 848 может выводиться воспринимаемое правым глазом изображение.
В варианте, показанном на фиг. 8, может обеспечиваться автостереоскопический дисплей с большой свободой просмотра, слежением за положением наблюдателя и низкими уровнями мерцания изображения при перемещении наблюдателя. Оптическое качество окон матрицы 846 может повышаться за счет изменения ориентации извлекающих элементов 812 в оптическом затворе. Тем самым помимо ослабления перекрестных помех может оптимизироваться равномерность освещения в плоскости окна для наблюдателя. В этом варианте может использоваться тонкий оптический затвор, который может быть рассчитан на направленную заднюю подсветку ЖКД в тонких корпусах. Кроме того, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 8, не могут применяться дополнительные направляющие свет пленки, поскольку выход может быть направленным преимущественно в прямом направлении. Помимо этого, эффективность оптического затвора может регулироваться путем использования в основном полного внутреннего отражения, а не отражения от металлизированных поверхностей. Извлечение света может осуществляться преимущественно через направляющую свет сторону 804, поскольку потери свет при прохождении через сторону 808, могут быть преимущественно меньшими.
На фиг. 9 показан оптический затвор, имеющий плоскую отражательную сторону. На фиг. 9 проиллюстрирован дополнительный вариант выполнения оптического затвора, который имеет плоскую отражательную сторону 904. Извлекающие свет элементы 912 могут быть сконфигурированы на преимущественное направление световых лучей 960 от матрицы 915 светоизлучающих элементов на матрицу 946 окон. Тем не менее, сторона 904 может являться отражающей поверхностью, такой как зеркало с небольшой или отсутствующей мощностью оптического излучения, которая в этом случае может обеспечиваться извлекающими свет элементами 912. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 9, может обеспечиваться небольшая общая площадь оптического затвора, которая может приблизительно соответствовать площади пространственного модулятора света. За счет этого может уменьшаться общий размер дисплея. В частности, может преимущественно исключаться приблизительно площадь под изгибом криволинейной стороны 904.
На фиг. 10А показан оптический затвор, содержащий линзу Френеля, а на фиг. 10Б - то же, но с другой линзой Френеля. На фиг. 10А и 10Б также показаны дополнительные варианты, согласно которым на выходе оптических затворов с плоской и криволинейной сторонами 1004, соответственно, может быть установлена дополнительная линза Френеля 1062. Линза Френеля может быть сконфигурирована на взаимодействие со стороной 1004 и извлекающими свет элементами 1012, чтобы преимущественно направлять свет от матрицы 1015 светоизлучающих элементов в матрицу окон просмотра (не показанную). Линза Френеля может иметь сферическую или цилиндрическую форму, при этом ее форма может зависеть от высоты окна (не показанного) по вертикали. Кроме того, мощность оптического излучения оптического затвора может распределяться между стороной 1004, отклоняющими свет элементами 1012 и линзой Френеля, за счет чего может уменьшаться ухудшение характеристик конструкции окна в матрице окон (не показанной) и увеличиваться свобода просмотра с ослаблением перекрестных помех изображения и поддержанием низких уровней мерцания при перемещении наблюдателя в плоскости окна.
На фиг. 10В показан дополнительный оптический затвор, содержащий другую линзу Френеля. Как показано на фиг. 10В, ось линзы Френеля 1062 может быть смещена относительно центра оптического затвора, в результате чего может измениться положение центральной оси 1064 дисплея относительно центральной оси 1066 линзы. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 10В, номинальное направление света извлекающих элементов может быть смещено и более приближено к оси, чем в другом случае. Кроме того, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 10В, обеспечивается более яркое отображение, поскольку для достижения соответствующей осевой яркости не может использоваться вертикальное рассеяние.
На фиг. 11 показан оптический затвор с альтернативным отражающим концом. Как показано на фиг. 11, оптический затвор может иметь криволинейную поверхность или традиционный коллимирующий клин 1110, который может быть заменен эквивалентной линзой Френеля 1120.
На фиг. 12 показан оптический затвор, содержащий вертикальный рассеиватель. На фиг. 12 проиллюстрирован дополнительный вариант с использованием вертикального рассеивателя 1268 для рассеяния входного луча 1220 с углом 1270 конусности, при котором высота окон по вертикали может увеличиваться без значительного увеличения рассеяния в горизонтальном направлении. Кроме того, может увеличиваться вертикальный угол обзора без усиления перекрестных помех между соседними окнами в матрице 1246. Вертикальный рассеиватель может содержать материалы различного типа, включая без ограничения материалы с асимметричной поверхностью рассеяния, рельефной структурой, линзовым растром и т.п. Вертикальный рассеиватель может быть рассчитан на взаимодействие с линзой Френеля, которая может обеспечивать высокую равномерность отображения при повороте вокруг горизонтальной оси.
На фиг. 13 показан автостереоскопический дисплей в сечении. Показанный на фиг. 13 автостереоскопический дисплей содержит оптический затвор 1, линзу Френеля 1362, вертикальный рассеиватель 1368 и проходной пространственный модулятор 1348 света, который может служить для обеспечения окна 1326 автостереоскопического просмотра для света светоизлучающего элемента матрицы 1314 светоизлучающих элементов. Между рассеивателем 1368 и линзой Френеля 1362 может быть предусмотрен зазор для ослабления муарового биения между пространственным модулятором 1348 света и конструкциями линзы Френеля 1362 и извлекающих свет элементов 1312.
В некоторых вариантах осуществления полезной модели извлекающие свет элементы 1312 могут иметь меньшую плотность по краям оптического затвора 1301, чем посередине оптического затвора 1301. Такое расположение может приводить к неравномерной интенсивности дисплея. На фиг. 14 показана блок-схема, иллюстрирующая оптический затвор, содержащий раздельные продолговатые извлекающие свет элементы. На фиг. 14 показано, что дополнительные раздельные продолговатые извлекающие свет элементы 1472 могут помещаться, например, между сплошными извлекающими свет элементами 1474 для выгодного достижения более равномерной интенсивности дисплея.
На фиг. 15 показан в сечении оптический затвор, содержащий извлекающие свет элементы с изменяемой крутизной и высотой. На фиг. 15 схематично показано расположение извлекающих свет элементов и канализирующих элементов 1576, 1578, при этом высота и крутизна извлекающих свет элементов может изменяться на протяжении второй направляющей свет стороны 1508. Крутизна может выгодно корректироваться с целью обеспечения характеристик вертикального рассеяния, а высота может изменяться с целью корректировки количества света, которое может извлекаться из оптического затвора в конкретной области.
На фиг. 16А показан в сечении оптический затвор, содержащий извлекающие свет элементы с множеством отражающих граней. На фиг. 16А проиллюстрирован вариант, согласно которому извлекающие свет элементы 1673 могут обеспечиваться множеством плоских поверхностей. На фиг. 16Б показан в сечении оптический затвор, который может содержать извлекающие свет элементы с выпуклыми гранями. На фиг. 16Б показана одна из конфигураций выпуклых извлекающих свет элементов 1675, а на фиг. 16В показано сочетание выпуклых извлекающих свет элементов 1675 и вогнутых извлекающих свет элементов 1677. На фиг. 16Г показаны извлекающие свет элементы с неправильными гранями. В вариантах, показанных на фиг. 16А, 16В, 16В и 16Г, могут обеспечиваться характеристики вертикального рассеяния без применения вертикального рассеивателя 1668, за счет чего снижаются затраты и уменьшается сложность.
На фиг. 16Д показан оптический затвор 1690, содержащий извлекающие свет элементы, обеспечивающие ограниченное рассеяние в направлении воспроизведения изображения. На фиг. 16Д показан дополнительный вариант, согласно которому поверхности извлекающих свет элементов содержат поверхностную модуляцию 1695, которая может служить целям рассеяния света и обеспечивать поперечное рассеяние в плоскости окна. Для обеспечения определенного поперечного размывания конструкции окна может использоваться угол конусности рассеяния, но он может быть значительно меньшим, чем угол, используемый при вертикальном рассеяния. Такое расположение может использоваться для увеличения равномерности окна и ослабления мерцания дисплея при перемещении наблюдателя.
На фиг. 17 схематично показан оптический затвор с переменной поперечной толщиной, у которого высота извлекающих элементов 1712 может изменяться по его ширине, за счет чего может обеспечиваться более равномерное извлечение на протяжении стороны 1706. Соответственно, высота 1778 элементов 1712 по краям оптического затвора 1701 может превышать их высоту 1780 посередине оптического затвора 1701. Канализирующие свет элементы 1724 могут быть непараллельными друг другу или поверхности 1706. Ориентация элементов 1712 может корректироваться с целью компенсации такого изменения нормального направления поверхности канализирующих свет элементов 1710.
На фиг. 18 показан в плане дисплей направленного действия, содержащий оптический затвор, который может иметь множество раздельных извлекающих свет элементов и служить для ослабления муарового эффекта. На фиг. 18 схематично показано произвольное расположение продолговатых извлекающих свет элементов таким образом, что они могут ослаблять муаровый эффект между извлекающими свет элементами и пикселизированным пространственным модулятором света. Муаровая картина может наблюдаться, когда в непосредственной близости расположены две периодические полунепроницаемые структуры. Введение произвольного расположения извлекающих элементов позволяет разрушать и/или прерывать любую периодичность и ослаблять видимый муаровый эффект.
На фиг. 19 показаны варианты отображения, обеспечиваемые криволинейной отражательной стороной. На фиг. 19 показаны три различных примера коллимации основных световых лучей. В примере а на фиг. 19 показаны сходящиеся основные лучи, в примере b - коллимированные основные лучи, а в примере с - расходящиеся основные лучи, при этом все они могут распространяться во втором направлении после отражения от отражательной стороны. Кроме того, на фиг. 19 показано, что кривизна отражательной стороны 1904 может корректироваться с целью преимущественного регулирования коллимация и/или деколлимации света, отраженного в оптическом затворе 1901. Как показано на фиг. 19В, расходящийся пучок может выгодно обеспечивать использование наибольшей площади при внеосевом просмотре оптического затвора 1901.
а
На фиг. 20 показаны траектории лучей в оптическом затворе. Показанная на фиг. 20 геометрия может использоваться для определения кривизны и крутизны извлекающих элементов оптического затвора 2001, которые фокусируют коллимированные основные лучи в приблизительной точке на плоскости  просмотра на расстоянии V от дисплея. Кроме того, на фиг. 20 схематично показана нормаль к поверхности и направление лучей в конструкции оптического затвора 2001 согласно рассматриваемым вариантам осуществления полезной модели.
На фиг. 21 показан оптический затвор с дополнительным наклоном между первой направляющей свет стороной и канализирующими элементами на второй направляющей свет стороне.
На фиг. 22 показаны световые лучи в оптическом затворе с преимущественно параллельными сторонами. На фиг. 22 показано сечение оптического затвора в варианте его выполнения без угла отклонения первой направляющей свет стороны 2206 и канализирующими элементами 2210 второй направляющей свет стороны.
На фиг. 23 показаны световые лучи в клиновидном оптическом затворе. В варианте, показанном на фиг. 22, в оптическом затворе канализируются лучи, которые могут падать на извлекающий свет элемент 2212 направляющей свет стороны 2308 (содержащей элементы 2310, 2312), при этом сторона 2206 может быть преимущественно параллельна канализирующим элементам 2210. Луч 2282 может падать на извлекающий элемент 2212 и может отражаться гранью, но затем может улавливаться TIR в оптическом затворе 2201 на стороне 2206. Луч 2284 может извлекаться, как показано; тем не менее, луч 2286 также может проходить через извлекающий свет элемент, в результате чего он может оптически теряться. За счет клина между элементами 2310 и стороной 2306 может обеспечиваться дополнительный выходной свет связи, как показано на фиг. 23. В этом случае может использоваться извлекающий свет элемент 2312 с менее крутым наклоном, чтобы всех трех падающих лучей был направлен преимущественно обратно в оптический затвор. Поскольку оптический зазор может представлять собой сужающийся клин для лучей, распространяющихся в направлении, показанном на фиг. 23, лучи, которые могут падать на сторону 2306, не могут превышать критический угол и, соответственно, могут выводиться из оптического затвора. Кроме того, могут использоваться пленки 2388 выходной связи для перенаправления света вблизи поверхности стороны 2306 в осевом направлении дисплея. При таком расположении могут выгодно обеспечиваться элементы с более крутым наклоном, чем у оптических затворов с параллельными сторонами. Такие элементы могут отражать большую долю волноводного угла клина в оптическом затворе без применения дополнительных металлизированных покрытий и, соответственно, могут являться более эффективными.
На фиг. 24 показан автостереоскопический дисплей, в котором извлечение света может достигаться путем рефракции в извлекающих свет элементах оптического затвора. На фиг. 24 показан дополнительный вариант, согласно которому извлекающие свет элементы 2412 могут служить для рефракции света в оптическом затворе 2401. Отклоняющая свет конструкция 2492 может содержать матрицу призм, которые могут служить для направления извлеченных световых лучей 2490 в направлении, преимущественно нормальном к выходному направлению панели. Для направления света на панель 2448 также может дополнительно использоваться линза Френеля 2462 и рассеиватель 2468, в результате чего могут формироваться окна 2426 просмотра, как описано выше. В одном из примеров угол грани может составлять приблизительно 90°. В таком варианте могут выгодно достигаться высокие уровни извлечения света из элементов 2412.
На фиг. 25 показан оптический затвор с воздушной полостью. В этом варианте выполнения оптический затвор может содержать воздушную полость 2598 с первой и второй направляющими свет сторонами 2506 и 2508. Первая и вторая направляющие свет стороны 2506 и 2508 могут находиться на подложках 2594 и 2596, соответственно. Сторона 2506 и элементы 2510 могут быть металлизированы за исключением извлекающих элементов 2512, в результате чего свет может извлекаться при распространении во втором направлении, но не при распространении в первом направлении. Такая конструкция меньше повреждается при обращении, чем показанный на фиг. 24 оптический затвор 2401 волновода с полным внутренним отражением.
На фиг. 26А и 26Б схематично показана конструкция оптического затвора на видах сверху и сбоку, соответственно. В этом варианте выполнения могут применяться криволинейные извлекающие элементы, которые могут обеспечивать плоскую отражающую торцевую поверхность. Кроме того, в еще одном варианте выполнения может быть предусмотрена криволинейная обратная отражающая поверхность и криволинейные извлекающие элементы 2610 во избежание чрезмерной потери света по краям из-за отсутствия коллимации с одновременным уменьшением внешней кривой заднего края. Помимо этого, в других вариантах выполнения извлекающие элементы могут быть разбиты на меньшие изолированные элементы преимущественно во избежание искажений контуров на экране. Каждый элемент по-прежнему может образовывать конструктивную грань, которая может обеспечивать приблизительно правильные углы отражения в условиях отображения и при этом преимущественно не влиять на распространяющийся в прямом направлении канализируемый свет.
Извлекающие элементы системы оптических затворов могут образовывать последовательность раздельных граней. Раздельные грани могут изменять углы распространения канализируемого света таким образом, что на поверхности оптического затвора может прекращаться полное внутреннее отражение (TIR), и свет может извлекаться. В одном из примеров извлекающие элементы могут быть разделены таким образом, что наклонные элементы могут иметь первую крутизну и быть разделены интервалами канализирующих элементов со второй крутизной, которая может отличаться от первой крутизны наклонных элементов.
Другая функция может включать направление света преимущественно заданным путем с целью оптимизации освещения с угловым регулированием. При рассмотрении по меньшей мере фиг. 5 и 6 предполагалось, что извлекающие элементы представляют собой преимущественно линейные ступени с равномерным наклоном, которые могут изменять направления распространения с -х на ~z в зависимости от угла крутизны. Такие функции, как фокусировка, изменение направления, рассеяние и т.п. могут обеспечиваться одной или несколькими наружными пленками, которые могут включать без ограничения рассеиватели и линзы Френеля. За счет включения такого количества функций в извлекающие элементы могут снижаться затраты и улучшаться характеристики.
В еще одном варианте выполнения в любые рассмотренные разновидности оптического затвора может быть включен рассеиватель. За счет использования поверхностной модуляции на гранях извлекающих элементов, как показано на фиг. 5, свет может отклоняться приблизительно под набором заданных горизонтальных и вертикальных углов, при которых свет может эффективно рассеиваться. Рассеяние может применяться для размывания отображения физических зазоров между излучающими областями СИД. Оно также может быть полезным при смешивании света соседних СИД, чтобы свести к минимуму неоднородность цвета. Поскольку размерность пространства, связанного с такой рассеивающей поверхностной модуляцией, может быть достаточно мала, поверхностная модуляция может не разрешаться системой или может создавать пространственные помехи для периодических пикселов освещенного дисплея. Пространственные помехи могут быть частично ослаблены путем превращения любой модуляции в апериодическую и псевдослучайную.
Извлекающие элементы оптического затвора системы направленной задней подсветки могут образовывать последовательность раздельных и наклонных граней, которые могут изменять углы распространения канализируемого света таким образом, что на поверхности волновода может преимущественно прекращаться полное внутреннее отражение (TIR), и свет может выходить. Термины раздельные, наклонные, отделенные, разъединенные и т.п. могут использоваться для описания конфигурации извлекающих элементов относительно друг друга. В одном из примеров извлекающие элементы могут быть отделены друг от друга канализирующими элементами. Вспомогательной функцией может являться направление света заданным путем с целью оптимизации освещения с преимущественно угловым регулированием. При рассмотрении по меньшей мере фиг. 4А, 4Б, 5А, 5Б, 5В предполагалось, что извлекающие элементы представляют собой преимущественно линейные ступени с равномерным наклоном, которые могут изменять направления распространения с -х на ~z в зависимости от угла крутизны. Такие функции, как фокусировка, изменение направления, рассеяние и т.п. могут обеспечиваться одной или несколькими наружными пленками, которые могут включать без ограничения рассеиватели и линзы Френеля, но могут обеспечиваться конструкцией профилей извлекающих элементов.
В одном из вариантов осуществления извлекающие элементы могут преимущественно фокусировать основные лучи системы на плоскости просмотра, что позволяет обходиться без каких-либо дополнительных пленок за исключением второстепенных рассеивателей. Основными лучами системы могут являться лучи, которые преимущественно центрированы относительно оптического луча, установленного в любом положении в системе. Например, свет, распространяющийся из физически небольшого СИД на одном конце оптического затвора, может обеспечивать веер основных лучей в плоскости ху, которые могут распространяться в сторону концевого отражателя. При отражении от концевого отражателя эти лучи могут распространяться обратно в плоскости ху с измененными углами, обеспечивающими схождение, коллимацию или расхождение, как показано на фиг. 19А, 19Б и 19В. На фиг. 19А, 19Б и 19В показаны варианты отображения света криволинейной отражательной стороной.
Сходящиеся основные лучи, такие как показаны на фиг. 19А, могут отдаляться от краев и не освещать поверхность оптического затвора, а обеспечивать преимущественную горизонтальную локализацию извлеченных лучей в плоскости просмотра с преимущественно линейными извлекающими элементами. В таком случае для равномерного освещения дисплея размер волновода по горизонтали может быть преувеличен. Расходящиеся лучи, такие как показаны на фиг. 19В, могут перенаправляться для освещения локальных зрачков, но преимущественно для заполнения желаемой освещаемой площади даже внеосевыми СИД. Чем больше рассеиваются лучи, тем менее ярким может быть источник освещения из-за возможной оптической потери света по краям оптического затвора. Почти коллимированные основные лучи, такие как показаны на фиг. 19В, могут обеспечивать соответствующее компромиссное решение.
Вариант выполнения, показанный на фиг. 20, приведен в качестве примера, а не для ограничения изобретения, и предполагается, что освещаемая площадь составляет приблизительно 150×200 мм по осям х и у. Кроме того, в расчетах предполагается, что начало координат находится приблизительно в середине поверхности площади дисплея, как показано на фиг. 20.
Кривизна и крутизна извлекающих элементов, которые могут использоваться для фокусирования коллимированных основных лучей в точке на плоскости наблюдателя, может быть выведена из конструкции, проиллюстрированной на фиг. 20. Коллимированные лучи могут распространяться в обратном направлении по оси х с волновым вектором
до того, как они сталкиваются с извлекающим элементом в положении (х,у). Поскольку в этой точке поверхность извлекающего элемента имеет нормальный к поверхности вектор n(х,у), отраженный свет может распространяться преимущественно в прямом направлении в сторону фокусной точки (0, 0, V) с нормализованным волновым вектором:
V является произведением расстояния наблюдения, которое может составлять приблизительно 500 мм, и показателем преломления, которое может составлять приблизительно 1,5 волновода. В этом примере V может составлять приблизительно 750 мм.
Согласно законам отражения нормаль к поверхности n(х,у), которая отражает световой луч, распространяющийся при ki, едином с ko, составляет приблизительно:
Непрерывная кривая извлекающего элемента может иметь траекторию в плоскости ху, которая может быть ортогональной ее нормали к поверхности. Математически это выражается формулой:
в которой dx и dy могут являться бесконечно малыми смещениями вдоль кривой. Из этой формулы можно вывести локальный градиент кривой и в плоскости ху:
На фиг. 27 показаны кривые х(х0,у) извлекающих элементов от центра (у=0) волновода до его края (у=100 mm), которые могут быть выведены из приведенного выше уравнения локального градиента. Полные кривые, включающие отрицательные значения у, не могут применяться, поскольку кривая может являться ровной относительно оси у с точки зрения физической симметрии.
Нормаль к поверхности n извлекающего элемента может быть описана углом его отклонения относительно плоскости ху, а ориентация нормали к поверхности в той же плоскости ху может быть определена кривизной извлекающего элемента. Угол отклонения θ поверхности от оси r может быть задан уравнением:
θ=acos(n·k)
в котором k может являться традиционным вектором направления оси z.
В одном из вариантов осуществления, для которого n задан выше:
На фиг. 28 показаны углы отклонения трех извлекающих элементов, приблизительно центрированных в положениях х = -50,0 и 50 мм.
В другом варианте осуществления могут фокусироваться расходящиеся распространяющиеся основные лучи. В одном из примеров может отсутствовать криволинейная торцевая поверхность. В этом варианте осуществления свет может отражать плоская посеребренная поверхность, которая может преимущественно сохранять расхождение в плоскости ху исходного излучения СИД. Преимущества могут состоять в простоте изготовления, уменьшении площади, теряемой из-за неполного освещения под изгибом какой-либо кривой, возможность насыщения входного края светом СИД с целью увеличения углов отклонения и обеспечения преимущественно однородных характеристик, подобных двухмерному отображению, когда все источники включены. На фиг. 29 проиллюстрировано распространение расходящихся световых лучей от плоской торцевой поверхности. На основании геометрия, показанной на фиг. 29, распространение ki основных световых лучей в любом положении (х,у) может быть задано согласно уравнению:
,
в котором L может являться горизонтальным размеров оптического затвора. В этом варианте осуществления L составляет приблизительно 150 мм.
Согласно приведенному выше анализу в этом случае кривая извлекающего элемента может иметь следующий локальный градиент:
И в этом случае может быть выведен профиль х(х0,у) кривых, пересекающихся с осью х в точке х0.
В таком случае извлекающий элемент может иметь следующую нормаль к грани относительно оси z:
,
Выведенные профили и значения наклона поверхности извлекающего элемента проиллюстрированы на фиг. 30А и 30Б.
В описанных вариантах выполнения свет, излучаемый осевым источником, может направляться в сторону единой точки в плоскости наблюдателя. Эти конструкции могут быть дополнительно оптимизированы в расчете на множество источников с использованием пакетов программ для проектирования оптических систем, таких как Zemax, FRED, ASAP и т.п.
На фиг. 31 показана система стереоскопического отображения с применением регулируемой задней подсветки. На фиг. 31 показан наблюдатель 3105, воспринимаемое правым глазом изображение 3110, воспринимаемое левым глазом изображение 3120 и система 3130 отображения. Как показано на фиг. 31, воспринимаемые правым и левым глазом изображения 3110 и 3105 могут отображаться преимущественно синхронно с первым и вторым источниками освещения, соответственно, такими как СИД. Кроме того, система 3130 отображения и рассматриваемые дисплеи могут представлять собой устройства различных типов, например, телефон, смартфон, персональный цифровой секретарь, игровую систему, ноутбук, портативный компьютер, телевизионные системы, дисплеи и т.п. В примере, показанном на фиг. 31, каждый из двух СИД может обеспечивать выходной зрачок или световую рамку, которая может визироваться наблюдателем и по отдельности освещать каждый глаз. Путем модуляции СИД преимущественно синхронно с системой 3130 отображения, которая обеспечивает чередующиеся стереоскопические изображение для левого и правого глаз, может достигаться просмотр трехмерного изображения. Стоимость материалов дисплейного устройства может являться сравнимой со стоимостью материалов дисплея для отображения двухмерных изображений. Кроме того, может значительно повышаться эффективность системы 3130 отображения в двухмерном режиме или при традиционной модернизации дисплея, поскольку не свет не расходуется на освещение областей на удалении от глаз наблюдателя 3105.
На фиг. 32 на примере одного из вариантов выполнения дисплея показано, как изображения могут избирательно отображаться для наблюдателя без отображения для других наблюдателей. На фиг. 32 показан первый наблюдатель 3210, второй наблюдатель 3220 и дисплей 3230. Дисплей 3230 может обеспечивать конфиденциальность, поскольку другие наблюдатели не могут видеть дисплей 3230 из-за преимущественного отсутствия его освещения. Первый наблюдатель 3210 может видеть стереоскопические или традиционные двухмерные изображения, а второй наблюдатель 3220, находящийся в другом положении, например, сидящий рядом в общественном транспорте, не может видеть изображения на дисплее 3230, которые может видеть первый наблюдатель 3210.
При использовании двух или более СИД, может обеспечиваться множество рамок видимости с возможностью свободного перемещения головы и/или устройства и обеспечением просмотра для множества наблюдателей. В одном из примеров положении глаз наблюдателя может определяться с использованием встроенного обращенного наружу ПЗС-детектора, который обычно используется в карманных и портативных устройствах. Эти две функции системы схематически представлены на фиг. 33 и 34.
На фиг. 33 показано, как встроенный детектор может определять положение устройства и головы или глаз. На фиг. 33 показано устройство 3310, первая ориентация 3320, вторая ориентация 3330, первое множество световых зрачков 3325 и второе множество световых зрачков 3335. Как показано на фиг. 33, первое множество световых зрачков 3325 может содержать изображения, которые могут быть синхронизированы с правым глазом, а также изображения, которые могут быть синхронизированы с левым глазом. Когда устройство 3310 имеет первую ориентацию, 3320 первое множество световых зрачков 3325 может содержать меньше изображений, которые могут быть синхронизированы с правым глазом, и больше изображений, которые могут быть синхронизированы с левым глазом. Аналогичным образом, в другом случае, проиллюстрированном на фиг. 33, когда устройство 3310 имеет вторую ориентацию 3330, второе множество световых зрачков 3335 может содержать меньше изображений, которые могут быть синхронизированы с левым глазом, и больше изображений, которые могут быть синхронизированы с правым глазом.
Как показано на фиг. 33, встроенным устройством может являться ПЗС-камера, которая может передавать входные данные системе управления, которая автоматически преимущественно синхронизирует отображение воспринимаемых левым и правым глазами изображений на автостереоскопическом дисплее 3310. Синхронизация СИД может определяться на основании данных слежения за положением глаз с использованием встроенной ПЗС-камеры. В примере, проиллюстрированном на фиг. 33, данные положения устройства и/или головы могут передаваться системе управления, которая управляет множеством СИД, которые могут быть преимущественно синхронизированы с поочередно отображаемыми изображениями, воспринимаемыми левым и правым глазами. Кроме того, стереоскопические изображения могут чередоваться в соответствии с углом обзора с целью достижения параллакса движения без увеличения ширины полосы отображения.
На фиг. 34 показано, как с использованием датчиков положения глаз может обеспечиваться стереоскопический просмотр множеством наблюдателей и тем самым синхронизация освещающих СИД для просмотра изображений левым и правым глазами. На фиг. 34 показано устройство 3410, первый наблюдатель 3420 и второй наблюдатель 3430. Устройство 3410 может находиться в одном месте по меньшей мере с первым наблюдателем 3420 и вторым наблюдателем 3430, которые видят устройство 3410. В этом примере положение глаз наблюдателей 3420 и 3430 может определять ПЗС-камера, которая может быть установлена в устройстве 3410. Затем контроллер может регулировать СИД в устройстве 3410 таким образом, чтобы обеспечить изображение для левого глаза через оптический затвор в конкретных направлениях в сторону левого глаза первого наблюдателя 3420 и левого глаза второго наблюдателя 3430. Кроме того, может обеспечиваться изображение для правого глаза через оптический затвор в конкретных направлениях в сторону правого глаза первого наблюдателя 3420 и правого глаза второго наблюдателя. Хотя на фиг. 34 показано только два наблюдателя, изображение в устройстве 3410 может видеть большее число наблюдателей, и пример с двумя наблюдателями был использован лишь в целях пояснения, а не ограничения.
Хотя в описанных вариантах выполнения системы предполагалось использование карманной мобильной платформы, такие примеры не должны считаться ограничивающими изобретение. Принцип регулируемого освещения также может применяться к малым и большим ЖК-платформам, включая портативные устройства, телевизионные системы и т.п.
Используемые в описании термины «преимущественно» и «приблизительно» обозначают принятый в отрасли допуск в отношении соответствующего термина и/или взаимную относительность элементов. Такой принятый в отрасли допуск составляет от менее 1% до 10% и относится без ограничения к параметрам, углам и т.д. компонентов. Такая взаимная относительность элементов составляет от менее 1% до 10%.
Хотя выше описаны различные варианты осуществления полезной модели, подразумевается, что они представлены лишь в качестве примеров, а не ограничений. Соответственно, объем полезной модели не должен быть ограничен каким-либо из описанных выше примеров ее осуществления, а определяется только в соответствии с формулой полезной модели и ее эквивалентами, вытекающими из настоящего описания. Кроме того, хотя в описанных вариантах изложены преимущества и особенности полезной модели, они не ограничивают применимость такой формулы к процессам и структурам, в которых реализованы какие-либо или все из указанных преимуществ.