CN104380157B - 定向照明波导装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光引导阀设备，其包括光学阀、二维光源阵列和聚焦光学器件，以用于从局部光源提供大面积准直照明。阶梯式波导可为阶梯式结构，其中所述阶梯可为光学隐藏至引导光的提取结构特征，从而在第一前向方向上传播。在第二后向方向上传播的返回光可通过所述结构特征折射、衍射或反射以提供从所述波导的顶表面离开的离散照明光束。可产生二维观察窗阵列。此类受控照明可提供具有较宽观察自由度和低串扰的高效多用户自动立体显示器，以及基本上透明的近眼显示器。

Description

定向照明波导装置

技术领域

本发明整体涉及光调制装置的照明，并且更具体地讲，涉及用于从局部光源提供大面积照明的光导，以便在2D、3D和/或自动立体显示装置中使用。

背景技术

空间多路复用自动立体显示器通常使视差组件诸如双凸透镜状屏幕或视差屏障与图像阵列对准，所述图像阵列被布置成空间光调制器例如LCD上的至少第一组像素和第二组像素。视差组件将来自所述组像素中每组的光导向至相应不同的方向以在显示器前面提供第一观察窗和第二观察窗。眼睛置于第一观察窗的观察者用来自第一组像素的光可看到第一图像；而眼睛置于第二观察窗的观察者用来自第二组像素的光可看到第二图像。

与空间光调制器的原始分辨率相比，此类显示器具有降低的空间分辨率，并且另外，观察窗的结构由像素孔形状和视差组件成像功能决定。像素之间的间隙(例如对于电极而言)通常产生不均匀的观察窗。不期望的是，当观察者相对于显示器横向移动时，此类显示器呈现图像闪烁，因此限制了显示器的观察自由度。此类闪烁可通过使光学元件散焦而减少；然而，此类散焦会导致增加的图像串扰水平并且增加观察者的视觉疲劳。此类闪烁可通过调整像素孔的形状而减少，然而，此类改变可降低显示器亮度并且可包括对空间光调制器中的电子设备进行寻址。

发明内容

根据本发明的方面，提供了定向照明波导装置，包括：波导，该波导包括输入端以及用于沿波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面。第一引导表面可被布置为通过全内反射来引导光。第二引导表面可具有包括多个小平面的阶梯式形状，其跨波导在横向方向上延伸并被取向为使输入光从输入端反射穿过第一引导表面作为输出光。第二引导表面还可具有小平面之间的中间区域，其被布置为将光导向穿过波导而不提取光。波导装置还可包括照明系统，该照明系统可选择性地操作以提供输入光，该输入光(a)从分布在横向方向上的不同横向位置导向，并且(b)在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向。穿过第一引导表面输出的输入光可在输出方向上导向，所述输出方向(a)根据所述输入光的横向位置在横向方向上相对于第一引导表面的法线而分布。穿过第一引导表面输出的输入光可在输出方向上导向，所述输出方向(a)根据输入光的输入位置相对于垂直方向上的第一引导表面的法线而分布。

本发明实施例可有利地实现照明，所述照明可从跨波导区域的点在第一角正交方向和第二角正交方向上调制。

在一种使用中，此类定向照明可实现被布置用于远场观察的定向显示装置中的观察窗的二维阵列。在这种情况下，波导可形成定向显示装置的一部分，该显示装置还包括透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨波导的第一引导表面延伸并且被布置为调制从波导的第一引导表面输出的光。此类定向显示器可用于自动立体3D显示器、防窥显示器和高效率显示模式。此类显示器可被布置为在横向和纵向模式中操作，并且用于两者之间的取向，因此非常适合于移动显示平台。另外，此类显示器可实现用于观察者的水平和竖直运动的观察者跟踪功能。根据另一个方面，显示设备可包括定向显示装置和控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作照明系统以将光导向进入对应于所述输出方向的观察窗中。显示设备可为自动立体显示设备，其中控制系统被进一步布置为控制显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。控制系统还可包括传感器系统，其被布置为检测在显示装置对面的观察者的位置，并且控制系统可被布置为根据被检测到观察者的位置将显示的图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。

在进一步的使用中，此类定向照明可用于显示准直图像，从而实现近眼显示设备。在这种情况下，可操作照明系统以根据要显示的图像提供输入光，该输入光(a)从不同横向位置导向，并且(b)在不同输入方向上导向，使得输出光将所述图像表示为准直图像。例如，在近眼显示设备中，可根据表示图像的图像数据通过控制系统来操作照明系统。因此，输出光可将图像表示为准直图像。当二维角度调制输出置于观察者角膜附近时，可通过观察者的眼睛将其成像为视网膜图像。波导可对外部光具有高透射性，但可提供明亮图像。可通过单个观察者来照明一只或两只眼睛，并且可提供较大输出光瞳尺寸，以便于相对于眼睛的输入瞳孔放置波导。

为了允许用作近场显示器，此类波导装置可便利地结合到适于戴在用户头上的头戴式设备中，其中波导被布置为当佩戴头戴式设备时，跨用户的至少一只眼睛延伸。该设备还可布置有通信系统以能够提供图像数据。

根据本发明的另一个方面，定向照明设备可包括用于导向光的成像定向背光源，其可包括波导和位于第一光引导表面和第二光引导表面之间的输入光学器件，所述输入光学器件可操作以将来自照明元件阵列的每个元件的光导向进入成像定向背光源内的相应不同定向分布中。波导可包括第一光引导表面以及与第一光引导表面相对的第二光引导表面。

显示器背光源一般采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光源具有将照明导向穿过显示面板进入观察窗的另外功能。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀，因此也可以是折叠成像定向背光源的例子。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，同时反向传播光可通过反射离开倾斜小平面而被提取，如专利申请No.13/300,293中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

本发明实施例从显示设备实现二维窗阵列，该显示设备包括成像定向背光源，并且具体地讲，包括具有另外的输入聚焦光学器件的阶梯式波导成像定向背光源。此类二维窗阵列有利地可实现增强的功能，包括竖直环顾、头部倾斜跟踪、横向纵向操作以及增加数目的独立跟踪观察者，并且因此特别适用于大面积显示。另外，本发明实施例可有效地限制在可用于实现更紧凑显示结构的阶梯式波导内传播的角度范围。

本文的实施例可提供具有大面积和薄型结构的自动立体显示器。另外，如将描述的，本发明的光学阀可实现具有较大后工作距离的薄型光学组件。此类组件可用于定向背光源，以提供包括自动立体显示器的定向显示器。另外，实施例可提供受控照明器以便得到高效的自动立体显示器。

本发明的实施例可用于多种光学系统中。实施例可包括或利用各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电气装置、光学系统、演示系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于多种计算环境。

详细进行所公开的实施例之前，应当理解，本发明并不将其应用或形成限于所示的具体装置的细节，因为本发明能够采用其他实施例。此外，可以不同的组合和装置来阐述本发明的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。

定向背光源通常通过调制布置在光学波导的输入孔侧的独立LED光源，来提供对从基本上整个输出表面发出的照明的控制。控制发射光定向分布可实现安全功能的单人观察，其中显示器可仅被单个观察者从有限角度范围看到；可实现高电效率，其中仅在小角度定向分布内提供照明；可实现对时序立体显示器和自动立体显示器的左右眼交替观察；以及可实现低成本。

本领域的普通技术人员在阅读本公开内容全文后，本发明的这些和其他优点及特征将变得显而易见。

附图说明

实施例通过举例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并且其中：

图1A是根据本发明的示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图；

图1B是根据本发明的示意图，其示出了图1A的定向显示装置的一个实施例中的光传播的侧视图；

图2A是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的另一个实施例中的光传播的顶视图示出；

图2B是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的正视图示出了光传播；

图2C是根据本发明的示意图，其以图2A的定向显示装置的侧视图示出了光传播；

图3是根据本发明的示意图，其以定向显示装置的侧视图示出；

图4A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中并且包括弯曲光提取结构特征的观察窗的生成；

图4B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了定向显示装置中并且包括弯曲光提取结构特征的第一观察窗和第二观察窗的生成；

图5是根据本发明的示意图，其示出了包括线性光提取结构特征的定向显示装置中的第一观察窗的生成；

图6A是根据本发明的示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用成像定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例；

图6B是根据本发明的示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装置中的第二观察窗的生成的另一个实施例；

图6C是根据本发明的示意图，其示出了在时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例；

图7是根据本发明的示意图，其示出了观察者跟踪自动立体显示装置；

图8是根据本发明的示意图，其示出了多观察者定向显示装置；

图9是根据本发明的示意图，其示出了防窥定向显示装置；

图10是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置的结构；

图11是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光从照明元件传播到定向照明波导装置内；

图12是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光从定向照明波导装置传播到观察窗；

图13是根据本发明的示意图，其示出了二维观察窗阵列；

图14A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件从照明元件传播到定向照明波导装置的阶梯式波导内；

图14B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光从定向照明波导装置的聚焦阶梯式波导中的单个照明元件传播到观察窗；

图14C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了照明元件，该照明元件与定向照明波导装置的阶梯式波导和聚焦光学元件对准；

图15A是根据本发明的示意图，其示出了通过另一个聚焦光学元件形成定向照明波导装置中的一列观察窗；

图15B是根据本发明的示意图，其示出了通过另一个聚焦光学元件形成定向照明波导装置中的一列观察窗；

图16是根据本发明的示意图，其示出了照明元件阵列；

图17是根据本发明的示意图，其示出了观察窗阵列；

图18是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图19是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图20是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导设备和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图21是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导设备和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图22是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和反射聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图23是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和另一个反射聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图24是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图25是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件的定向照明波导装置；

图26是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光通过另一个聚焦光学元件从照明元件传播到阶梯式波导内；

图27是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光通过另一个聚焦光学元件从照明元件传播到阶梯式波导内；

图28是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件从照明元件传播到具有倾斜输入侧面的阶梯式波导内；

图29是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光从激光照明元件传播到包括倾斜反射镜的阶梯式波导内；

图30是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了阶梯式波导中的输入处的扫描准直光源；

图31A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了用于波导装置的线性光源和控制系统；

图31B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了用于波导装置的另外线性光源；

图32是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光传播到包括全息偏转器元件的阶梯式波导内；

图33是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了光传播到包括棱镜偏转器元件的阶梯式波导内；

图34A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了LED阵列；

图34B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了LED阵列；

图34C是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了另一个LED阵列；

图35是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了包括波导装置和观察者跟踪系统的时间多路复用定向显示设备的结构；

图36是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示设备的结构，该设备包括阶梯式波导，该阶梯式波导包括倾角沿着阶梯式波导的长度而变化的光提取结构特征阵列；

图37是根据本发明的示意图，其示出了观察窗的阵列和观察者位置；

图38A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了被布置为限制输出观察方向的波导装置；

图38B是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了与空间光调制器整合在一起的阶梯式波导；

图39A是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了从耦合到观察者眼睛内的近眼显示设备输出的光；

图39B-图39E是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了输入至图39A的近眼显示设备中的阶梯式波导的光；

图40是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了近眼显示设备的操作；

图41是根据本发明的示意图，其以正视图示出了近眼显示设备；

图42是根据本发明的示意图，其示出了包括近眼控制系统的近眼显示设备的侧视图；

图43A-图43D是根据本发明的示意图，其以顶视图示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备；

图43E-图43G是根据本发明的示意图，其以正视图示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备；

图44A-图44C是根据本发明的示意图，其示出了在一副眼镜中形成近眼显示设备的方法的正视图；

图45是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了来自近眼显示设备的光的输出；

图46A是根据本发明的示意图，其以正视图示出了来自近眼显示设备的光的输出；

图46B是根据本发明的示意图，其以正视图示出了来自另一个近眼显示设备的光的输出；

图47是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图48是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图49是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图50是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图51是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图52是根据本发明的示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备；

图53是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了近眼立体显示设备；

图54是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了近眼立体显示设备；

图55是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了另一个近眼立体显示设备；

图56是根据本发明的示意图，其示意性地示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备；

图57是根据本发明的示意图，其以侧视图示出了折叠式近眼显示设备；

图58是根据本发明的示意图，其示意性地示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备；

图59是根据本发明的示意图，其示出了包括波导装置的投影显示设备；以及

图60是根据本发明的示意图，其示出了多功能显示设备。

具体实施方式

时间多路复用自动立体显示器可有利地通过在第一时隙中将来自空间光调制器所有像素的光导向至第一观察窗并在第二时隙中将来自所有像素的光导向至第二观察窗，而改善自动立体显示器的空间分辨率。因此眼睛被布置为接收第一观察窗和第二观察窗中的光的观察者将经多个时隙看到整个显示器的全分辨率图像。时间多路复用显示器可有利地通过使用定向光学元件将照明阵列导向穿过基本上透明的时间多路复用空间光调制器，而实现定向照明，其中定向光学元件在窗平面中基本上形成照明阵列的图像。

观察窗的均匀度可有利地与空间光调制器中像素的装置无关。有利的是，此类显示器可提供具有低闪烁的观察者跟踪显示器，且对于移动观察者的串扰水平较低。

为在窗平面中实现高均匀度，期望的是提供具有高空间均匀度的照明元件阵列。例如通过尺寸为大约100微米的空间光调制器的像素与透镜阵列的组合，可提供时序照明系统的照明元件。然而，此类像素会遭受关于空间多路复用显示器的类似的困难。另外，此类装置可具有较低效率和较高成本，需要另外的显示组件。

可便利地用与通常具有1mm或更大尺寸的均匀化和漫射光学元件结合的宏观照明器(例如LED阵列)来实现高窗平面均匀度。然而，照明元件的尺寸增加意味着定向光学元件的尺寸成比例增加。例如，成像到65mm宽的观察窗的16mm宽的照明器可需要200mm后工作距离。因此，光学元件的厚度增加可妨碍有效应用于例如移动显示器或大面积显示器。

为解决上述缺点，如共同拥有的美国专利申请No.13/300,293所述的光学阀有利地可与快速切换透射空间光调制器组合布置，以在薄型封装中实现时间多路复用自动立体照明，同时提供具有无闪烁观察者跟踪和低串扰水平的高分辨率图像。描述了观察位置或窗的一维阵列，其可在第一(通常水平)方向上显示不同图像，但在第二(通常竖直)方向上移动时包含相同图像。

常规非成像显示器背光源通常采用光学波导并且具有来自光源诸如LED的边缘照明。然而，应当理解，此类常规非成像显示器背光源与本发明所讨论的成像定向背光源之间在功能、设计、结构和操作方面存在许多根本差别。

一般而言，例如，根据本发明，成像定向背光源被布置为将来自多个光源的照明沿至少一条轴线导向穿过显示面板到达相应的多个观察窗。每个观察窗通过成像定向背光源的成像系统沿光源的至少一条轴线基本上形成为图像。成像系统可在多个光源与相应的窗图像之间形成。这样，来自多个光源中的每个的光对于处于相应观察窗之外的观察者眼睛而言基本上不可见。

相比之下，常规非成像背光源或光引导板(LGP)用于2D显示器的照明。参见例如，et al.,Backlight Unit With Double Surface Light Emission,J.Soc.Inf.Display,Vol.12,Issue 4,pp.379-387(Dec.2004)(等人，双面发光的背光源单元，《国际信息显示学会会志》，第12卷，第4期，第379-387页，2004年12月)。非成像背光源通常被布置为将来自多个光源的照明导向穿过显示面板进入对于多个光源中的每个而言基本上公共的观察区，以实现宽视角和高显示均匀度。因此，非成像背光源不形成观察窗。这样，来自多个光源中的每个的光对于处于整个观察区的基本上所有位置的观察者眼睛而言可以是可见的。此类常规非成像背光源可具有一定方向性，例如以便与朗伯照明相比增加屏幕增益，这可通过增亮膜诸如得自3M的BEF^TM提供。然而，此类方向性对于相应光源中的每个而言可基本上相同。因此，出于这些原因以及对于普通技术人员应当显而易见的其他原因，常规非成像背光源不同于成像定向背光源。边缘照明式非成像背光源照明结构可用于液晶显示系统，诸如2D膝上型计算机、监视器和电视中看到的那些。光从有损耗波导的边缘传播，所述有损耗波导可包括稀疏结构特征；通常为引导件的表面中的局部压痕，所述局部压痕引起光损耗而不论光的传播方向如何。

如本文所用，光学阀是这样的光学结构，其可以是称为例如光阀、光学阀定向背光源和阀定向背光源(“v-DBL”)的光引导结构或装置的类型。在本发明中，光学阀不同于空间光调制器(其有时称为“光阀”)。成像定向背光源的一个例子是可采用折叠光学系统的光学阀。光可在基本上无损耗的情况下在一个方向上传播穿过光学阀，可入射到成像反射体器上，并且可反向传播，使得光可通过反射离开倾斜的光提取结构特征而被提取，并导向至观察窗，如专利申请No.13/300,293中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

如本文所用，成像定向背光源的例子包括阶梯式波导成像定向背光源、折叠成像定向背光源、楔型定向背光源或光学阀。

另外，如本文所用，阶梯式波导成像定向背光源可为光学阀。阶梯式波导是用于成像定向背光源的波导，其包括用于引导光的波导，还包括：第一光引导表面；和与第一光引导表面相对的第二光引导表面，该第二光引导表面还包括散布有被布置为阶梯的多个提取结构特征的多个光引导结构特征。

此外，如本文所用，折叠成像定向背光源可为楔型定向背光源或光学阀中的至少一者。

在操作中，光可在示例性光学阀内在第一方向上从输入端传播到反射端并且可在基本上无损耗的情况下传输。光可在反射端反射并且在与第一方向基本上相对的第二方向上传播。当光在第二方向上传播时，光可入射到光提取结构特征上，所述光提取结构特征可操作以将光重新导向到光学阀之外。换句话说，光学阀一般允许光在第一方向上传播并且可允许光在第二方向上传播时被提取。

光学阀可实现大显示面积的时序定向照明。另外，可采用比光学元件后工作距离更薄的光学元件以将来自宏观照明器的光导向到窗平面。此类显示器可使用光提取结构特征阵列，其被布置为提取沿基本上平行的波导反向传播的光。

用于与LCD一起使用的薄型成像定向背光源具体实施已由如下所述提出和说明：3M的例如美国专利No.7,528,893；微软公司(Microsoft)的例如美国专利No.7,970,246，其在本文可称为“楔型定向背光源”；RealD的例如美国专利申请No.13/300,293，其在本文可称为“光学阀”或“光学阀定向背光源”，所有这些专利全文以引用方式并入本文。

本发明提供阶梯式波导成像定向背光源，其中光可在例如阶梯式波导的内面之间来回反射，该阶梯式波导可包括具有一组多个光提取结构特征和中间区域的第一侧引导表面和第一第二引导表面。当光沿着阶梯式波导的长度传播时，光可基本上不改变相对于第一引导表面和第二引导表面的入射角，因此在这些内表面处可不达到介质的临界角。光提取可有利地由第二组表面光提取结构特征实现，所述光提取结构特征可为斜向于第一组表面中间区域(阶梯“踏板”)的第二引导表面的小平面(阶梯“立板”)。应当注意，第二组表面光提取结构特征可不为阶梯式波导的光引导操作的部分，但可被布置为由该结构提供光提取。相比之下，楔型成像定向背光源可允许在具有连续内表面的楔型轮廓波导内引导光。因此，阶梯式波导(光学阀)不是楔型成像定向背光源。

图1A是示意图，其示出了定向显示装置的一个实施例中的光传播的正视图，并且图1B是示意图，其示出了图1A的定向显示装置中的光传播的侧视图。

图1A示出了在光学阀的xy平面中的正视图，并且包括可用于照明阶梯式波导1的照明阵列15。照明阵列15包括照明元件15a至照明元件15n(其中n是大于一的整数)。在一个例子中，图1A的阶梯式波导1可为阶梯式的、显示器大小的波导1。照明器元件15a至照明器元件15n组成光源并且可为发光二极管(LED)。虽然LED在本文作为照明元件15a–照明元件15n讨论，但可使用其他光源，诸如但不限于二极管光源、半导体光源、激光源、局域场发射光源、有机发光体阵列等。另外，图1B示出了在xz平面中的侧视图，并且包括如图所示布置的照明阵列15、SLM(空间光调制器)48、提取结构特征12、引导结构特征10和阶梯式波导1。图1B中提供的侧视图是图1A中所示的正视图的替代视图。因此，图1A和图1B的照明阵列15彼此对应，并且图1A和图1B的阶梯式波导1可彼此对应。

另外，在图1B中，阶梯式波导1可具有较薄的输入端2和较厚的反射端4。因此，波导1在接收输入光的输入端2与将输入光穿过波导1反射回的反射端4之间延伸。在跨波导的横向方向上的输入端2的长度大于输入端2的高度。将照明元件15a–照明元件15n设置在跨输入端2的横向方向上的不同输入位置。

波导1具有第一和第二相对的引导表面，所述引导表面在输入端2与反射端4之间延伸，用于通过全内反射沿波导1来回引导光。第一引导表面是平坦的。第二引导表面具有多个光提取结构特征12，所述光提取结构特征面向反射端4并倾向于在多个方向上反射穿过波导1从反射端引导回的光的至少一些，所述多个方向破坏第一引导表面处的全内反射并且允许穿过第一引导表面(例如图1B中朝上)输出，所述输出提供至SLM 48。

在该例子中，光提取结构特征12是反射小平面，但可使用其他反射结构。光提取结构特征12不会将光引导穿过波导，而光提取结构特征12之间的第二引导表面的中间区域在不提取光的情况下引导光。第二引导表面的那些区域为平坦的并且可平行于第一引导表面或以相对较低的倾角延伸。光提取结构特征12横向延伸至那些区域，使得第二引导表面具有包括光提取结构特征12和中间区域的阶梯式形状。光提取结构特征12被取向为从反射端4反射之后使来自光源的光反射穿过第一引导表面。

光提取结构特征12被布置为将来自在跨输入端的横向方向上的不同输入位置的输入光在相对于第一引导表面的不同方向上导向，所述不同方向取决于输入位置。由于照明元件15a-照明元件15n被布置在不同输入位置处，来自相应照明元件15a-照明元件15n的光在这些不同方向上反射。这样，照明元件15a-照明元件15n中的每个在分布在横向方向中的输出方向上将光导向进入相应的光学窗，所述输出方向取决于输入位置。对于输出光而言，输入位置分布在其中的跨输入端2的横向方向对应于第一引导表面法线的横向方向。如输入端2处限定并且对于输出光而言的横向方向在该实施例中保持平行，其中反射端4和第一引导表面处的偏转大体与横向方向正交。在控制系统的控制下，照明元件15a–照明元件15n可选择性地操作以将光导向进入可选择光学窗内。

在本发明中，光学窗可对应于窗平面中的单个光源的图像，所述窗平面为其中在横跨整个显示装置上形成光学窗的标称平面。作为另外一种选择，光学窗可对应于一起驱动的一组光源的图像。有利的是，此组光源可增加阵列121的光学窗的均匀度。

通过比较，观察窗是其中提供光的窗平面中的区域，包括来自整个显示区域的基本上相同的图像的图像数据。因此，观察窗可在控制系统的控制下由单个光学窗或由多个光学窗形成。

SLM 48延伸跨波导，透射并调制从其中穿过的光。虽然SLM 48可为液晶显示器(LCD)，但这仅仅作为例子，并且可使用其他空间光调制器或显示器，包括LCOS、DLP装置等，因为该照明器可以反射方式工作。在该例子中，SLM 48跨波导的第一引导表面设置并调制在从光提取结构特征12反射后穿过第一引导表面的光输出。

可提供一维观察窗阵列的定向显示装置的操作在图1A中以正视图示出，并且其侧面轮廓在图1B中示出。在操作中，在图1A和图1B中，光可从照明阵列15发出，诸如照明元件15a至照明元件15n的阵列，其沿着阶梯式波导1的输入端2的表面x＝0位于不同位置y。光可在阶梯式波导1内在第一方向上沿着+x传播，与此同时，光可在xy平面中成扇形射出，并且在到达被弯曲成具有正光焦度的反射端4时可基本上或完全填充反射端4。在传播时，光可在xz平面中展开成一组角度，该组角度最多至但不超过引导材料的临界角。连接阶梯式波导1的第二引导表面的引导结构特征10的提取结构特征12可具有大于临界角的倾斜角，并且因此在第一方向上沿着+x传播的基本上所有光都可能错过该提取结构特征12，从而确保基本上无损耗的前向传播。

继续讨论图1A和图1B，阶梯式波导1的反射端4可制成反射性的，通常通过用反射性材料(例如银)涂覆而实现，但可采用其他反射技术。光可因此在第二方向上重新导向，顺着引导件在–x方向上返回并且可在xy或显示器平面中基本上准直。角展度可在主要传播方向相关的xz平面中基本上保持，这可允许光射在立板边缘上并反射出引导件。在具有大约45度倾斜的提取结构特征12的实施例中，可将光有效地导向至大约垂直于xy显示器平面，并且xz角展度相对于传播方向基本上保持。当光通过折射离开阶梯式波导1时，该角展度可增大，但根据提取结构特征12的反射特性，该角展度也可一定程度地减小。

在具有未带涂层的提取结构特征12的一些实施例中，当全内反射(TIR)失效时反射可减少，从而压缩xz角轮廓并偏离法线。然而，在具有带银涂层或金属化提取结构特征的其他实施例中，增大的角展度和中心法线方向可保持。继续描述具有带银涂层的提取结构特征的实施例，在xz平面中，光可大约准直地离开阶梯式波导1，并且可与照明阵列15中的各照明元件15a–照明元件15n离输入边缘中心的y位置成比例地导向偏离法线。沿着输入端2具有独立照明元件15a–照明元件15n进而能够使光从整个第一引导表面6离开并以不同外角传播，如图1A中所示。

用此类装置照明空间光调制器(SLM)48(诸如快速液晶显示器(LCD)面板)可实现自动立体3D，如图2A中的顶视图或从照明阵列15末端观察的yz平面和图2B中的正视图以及图2C中的侧视图所示。图2A是以顶视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，图2B是以正视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图，并且图2C是以侧视图示出光在定向显示装置中的传播的示意图。如图2A、图2B和图2C所示，阶梯式波导1可位于显示顺序右眼图像和左眼图像的快速(例如，大于100Hz)LCD面板SLM 48的后方。在同步中，可选择性地打开和关闭照明阵列15的具体照明元件15a至照明元件15n(其中n是大于一的整数)，从而借助系统的方向性提供基本上独立地进入右眼和左眼的照明光。在最简单的情况中，一起打开照明阵列15的各组照明元件，从而提供在水平方向上具有有限宽度但在竖直方向上延伸的一维观察窗26或光瞳，其中水平间隔的两只眼均可观察到左眼图像；并提供另一个观察窗44，其中两只眼均可主要观察到右眼图像；并提供中心位置，其中两只眼均可观察到不同图像。这样，当观察者的头部大约居中对准时可观看到3D。远离中心位置朝侧面移动可导致场景塌缩在2D图像上。

反射端4在跨波导的横向方向上可具有正光焦度。在通常反射端4具有正光焦度的实施例中，光轴可参照反射端4的形状限定，例如为穿过反射端4的曲率中心的直线并且与末端4围绕x轴的反射对称的轴线重合。在反射表面4平坦的情况下，光轴可相对于具有光焦度的其他组件(例如光提取结构特征12，如果它们是弯曲的话)或下文所述的菲涅耳透镜62类似地限定。光轴238通常与波导1的机械轴重合。在通常在末端4处包括基本上圆柱形的反射表面的本发明实施例中，光轴238为穿过末端4处的表面的曲率中心的直线并且与侧面4围绕x轴的反射对称的轴线重合。光轴238通常与波导1的机械轴重合。末端4处的圆柱形反射表面可通常包括球形轮廓以优化轴向和离轴观察位置的性能。可使用其他轮廓。

图3是以侧视图示出定向显示装置的示意图。另外，图3示出了可为透明材料的阶梯式波导1的操作的侧视图的另外细节。阶梯式波导1可包括输入端2、反射端4、可基本上平坦的第一引导表面6、以及包括引导结构特征10和光提取结构特征12的第二引导表面8。在操作中，来自可例如为可寻址LED阵列的照明阵列15(图3中未示出)的照明元件15c的光线16，可通过第一引导表面6的全内反射和第二引导表面8的引导结构特征10的全内反射，在阶梯式波导1中引导至可为镜面的反射端4。虽然反射端4可为镜面并可反射光，但在一些实施例中光也可以穿过反射端4。

继续讨论图3，反射端4所反射的光线18可进一步通过反射端4处的全内反射在阶梯式波导1中引导，并且可被提取结构特征12反射。入射在提取结构特征12上的光线18可基本上远离阶梯式波导1的引导模式偏转并且可如光线20所示导向穿过第一引导表面6到达可形成自动立体显示器的观察窗26的光瞳。观察窗26的宽度可至少由照明器的尺寸、反射端4和提取结构特征12中的输出设计距离和光焦度决定。观察窗的高度可主要由提取结构特征12的反射锥角和输入端2处输入的照明锥角决定。因此，每个观察窗26代表相对于与标称观察距离处的平面相交的SLM 48的表面法线方向而言的一系列单独的输出方向。

图4A是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第一照明元件照明并且包括弯曲光提取结构特征。在图4A中，定向背光源可包括阶梯式波导1和光源照明阵列15。另外，图4A以正视图示出了来自照明阵列15的照明元件15c的光线在阶梯式波导1中的进一步引导。每条输出光线从相应照明元件器15c朝相同观察窗26导向。因此，光线30可与光线20相交于窗26中，或在窗中可具有不同高度，如光线32所示。另外，在各种实施例中，光学阀的侧面22,24可为透明表面、镜面或涂黑表面。继续讨论图4A，光提取结构特征12可为延长的，并且光提取结构特征12在光导向第二引导表面8(该第二引导表面8在图3中示出，但在图4A中未示出)的第一区域34中的取向可不同于光提取结构特征12在引导表面8的第二区域36中的取向。

图4B是以正视图示出定向显示装置的示意图，所述定向显示装置可由第二照明元件照明。另外，图4B示出了来自照明阵列15的第二照明元件15h的光线40、42。反射端4和光提取结构特征12上的反射表面的曲率与来自照明元件15h的光线配合产生与观察窗26横向间隔的第二观察窗44。

有利的是，图4B中所示的装置可在观察窗26处提供照明元件15c的实像，其中反射端4中的光焦度和可由延长光提取结构特征12在区域34与36之间的不同取向所引起的光焦度配合形成实像，如图4A所示。图4B的装置可实现照明元件15c到观察窗26中横向位置的成像的改善像差。改善像差可实现自动立体显示器的扩展观察自由度，同时实现低串扰水平。

图5是以正视图示出定向显示装置的实施例的示意图，所述定向显示装置包括具有基本上线性光提取结构特征12的波导1。另外，图5示出了与图1类似的组件装置(并且对应的元件是类似的)，并且其中一个差别是光提取结构特征12为基本上线性的且彼此平行。有利的是，此类装置可在整个显示表面上提供基本上均匀的照明，并且与图4A和图4B的弯曲提取结构特征相比可更加便于制造。

图6A是示意图，其示出了在第一时隙中时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗的生成的一个实施例，图6B是示意图，其示出了在第二时隙中时间多路复用定向显示装置中的第二观察窗的生成的另一个实施例，并且图6C是示意图，其示出了时间多路复用定向显示装置中的第一观察窗和第二观察窗的生成的另一个实施例。另外，图6A示意性地示出了由阶梯式波导1生成照明窗26。照明阵列15中的照明元件组31可提供朝观察窗26导向的光锥17。图6B示意性地示出了照明窗44的生成。照明器列15中的照明元件组33可提供朝观察窗44导向的光锥19。在与时间多路复用显示器配合的情况下，可按顺序提供窗26和44，如图6C所示。如果对应于光方向输出来调整空间光调制器48(图6A、图6B、图6C中未示出)上的图像，则对于处于适当位置的观察者而言可实现自动立体图像。用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。应当注意，照明元件组31、33各自包括来自照明元件15a至照明元件15n的一个或多个照明元件，其中n为大于一的整数。

图7是示意图，其示出了观察者跟踪自动立体定向显示装置的一个实施例。如图7所示，沿着轴线29选择性地打开和关闭照明元件15a至照明元件15n提供了观察窗的定向控制。头部45位置可用相机、运动传感器、运动检测器或任何其他适当的光学、机械或电气装置监控，并且可打开和关闭照明阵列15的适当照明元件以便为每只眼提供基本上独立的图像，而不必考虑头部45位置。头部跟踪系统(或第二头部跟踪系统)可提供不止一个头部45、47(头部47在图7中未示出)的监控，并且可为每个观察者的左眼和右眼提供相同的左眼图像和右眼图像，从而为所有观察者提供3D。同样地，用本文所述的所有定向背光源和定向显示装置可实现类似的操作。

图8是示意图，其示出了包括定向背光源的多观察者定向显示装置的一个实施例。如图8所示，至少两个2D图像可朝一对观察者45、47导向，使得每个观察者可观看空间光调制器48上的不同图像。图8的这两个2D图像可以与相对于图7所述类似的方式生成，因为这两个图像将按顺序且与光源同步显示，所述光源的光朝这两个观察者导向。一个图像在第一阶段中呈现于空间光调制器48上，并且第二图像在不同于第一阶段的第二阶段中呈现于空间光调制器48上。对应于第一阶段和第二阶段，调整输出照明以分别提供第一观察窗26和第二观察窗44。两只眼处于窗26中的观察者将感知到第一图像，而两只眼处于窗44中的观察者将感知到第二图像。

图9是示意图，其示出了包括定向背光源的防窥定向显示装置。2D图像显示系统也可利用定向背光源以用于安全和效率目的，其中光可主要导向于第一观察者45的眼睛，如图9所示。另外，如图9所示，虽然第一观察者45能够观察到装置50上的图像，但光不朝第二观察者47导向。因此，防止第二观察者47观察到装置50上的图像。本发明的每个实施例可有利地提供自动立体、双重图像或防窥显示器功能。

图10是示意图，其以侧视图示出了包括定向背光源的时间多路复用定向显示装置的结构。另外，图10以侧视图示出了自动立体定向显示装置，其可包括阶梯式波导1和菲涅耳透镜62，它们被布置为对于跨阶梯式波导1输出表面的基本上准直的输出提供观察窗26。竖直漫射体68可被布置用于进一步延伸窗26的高度。然后可通过空间光调制器48对光成像。照明阵列15可包括发光二极管(LED)，其可例如为磷光体转换蓝色LED，或可为单独的RGB LED。作为另外一种选择，照明阵列15中的照明元件可包括被布置为提供单独照明区域的均匀光源和空间光调制器。作为另外一种选择，照明元件可包括一个或多个激光源。激光输出可通过扫描，例如使用检流计或MEMS扫描器，而导向到漫射体上。在一个例子中，激光可因此用于提供照明阵列15中的适当照明元件以提供具有适当输出角度的基本上均匀的光源，并且还提供散斑的减少。作为另外一种选择，照明阵列15可为激光照明元件的阵列。另外在一个例子中，漫射体可为波长转换磷光体，使得可在不同于可见输出光的波长处照明。

因此，图1至图10在多方面描述了：波导1；包括此类波导1和照明阵列15的定向背光源；以及包括此类定向背光源和SLM 48的定向显示装置。因此，以上参照图1-图10公开的各种特征可以任何组合进行组合。

现在将描述一些包括定向照明的波导1和照明系统的波导装置。如将描述的，以下波导装置可应用于包括如上所述的SLM 48的定向显示装置中或应用于其中省略了SLM 48的近场显示装置或设备中。除了现在将描述的修改形式以外，按照上文所述来布置波导装置的波导1和其他组件。此类修改形式的一个例子是就近场显示装置或设备而言省略SLM48。因此，以上的描述同样适用于以下波导装置和显示装置，但为了简单起见将不重复。类似地，以下参照下图公开的各种特征可以任何组合进行组合。

图11是示意图，其以侧视图示出了光从照明元件传播到定向照明波导装置内。另外，图11以侧视图示出了光从由气隙100分开的照明元件102传播到具有平坦输入端2的阶梯式波导1内的细节。图11示出了穿过输入端2所输入的输入光，所述输入光在垂直于横向方向(图11中为竖直)分布的不同输入方向上导向，而正常发射的光可提供中心光线114，所述中心光线可基本上平行于引导表面6、10导向，离轴光线104、106可以大约在或在空气阶梯式波导材料界面的临界角下的输入角度108导向进入阶梯式波导。然后可利用以角度110从引导表面6和光引导结构特征10的反射，沿着阶梯式波导向下引导离轴光线104、106。

图12是示意图，其以侧视图示出了光从图11的定向照明波导装置传播到观察窗；另外，图12以侧视图示出了在阶梯式波导的侧面4的表面处反射之后的反向传播光线。图12示出了穿过输入端2输入的输入光，所述输入光穿过第一引导表面6输出。中心光线114可在不同方向上的输出上导向至边缘光线104、106。另外，在光引导结构特征10处反射之后，可以高于光线114的角度导向光线111、113。在该装置中，所有光线104、106、111、113、114均来自单个照明元件102。因此，图12示出了穿过第一引导表面输出的输出光，所述输出光在相对于垂直于横向方向的方向(在图12中垂直方向为水平的)上的第一引导表面6的法线分布的输出方向上导向，所述输出方向取决于输入光的输入方向，如图11所示。

虽然如关于图12所讨论，光来自单个照明元件，但单个照明元件仅仅用于讨论目的，因为光可来自不止单个照明元件。因此可通过相应照明元件102调制可主要由相应光线104、106、111、113、114所确定的垂直于横向方向的方向上的输出方向性，并且阶梯式波导可具有竖直延伸的观察窗26。因此，在该装置中，窗26的竖直区域可不独立调制。

因此，如以下更详细所述，波导1可通过照明系统定向照明，该照明系统可选择性地操作以提供输入光，所述输入光(a)从分布于横向方向的不同横向位置导向(正如图1至图10中的情况一样)并且(b)在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向(如图11和图12的情况一样)。在该情况下，在(a)横向方向上相对于第一引导表面的法线分布的输出方向上导向穿过第一引导表面6输出的输入光，所述输出方向取决于输入光的横向位置(如以上参照图1至图10所述)。此外，在(b)相对于垂直于横向方向的方向上的第一引导表面的法线分布的输出方向上导向穿过第一引导表面6输出的输入光，所述输出方向取决于输入光的输入方向(如以上参照图1至图10所述)。这允许光被导向进入二维观察窗阵列内。

图13是示出此类二维观察窗阵列的例子的示意图。另外，图13示出了以下情况下可实现的观察窗阵列：照明阵列15的照明元件的角输出轮廓被独立调制，使得穿过输入端2输入的输入光在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向，如将在以下实施例中描述。此类独立调制的光线可实现重复的一组观察窗，其基本上各自与相应的光线锥有关。然后可将光线114导向到窗平面中的二维观察窗阵列的观察窗78的水平轴线129。大约平行于来自照明阵列15的相邻照明元件的光线114的光线可在线129上横向偏转。一维观察窗26由观察窗26形成；因此单个观察窗78的竖直范围比一维观察窗26受更多限制。

继续讨论图12和图13，在与光线104、106相同的侧面上反射的光线可在轴线129下方导向，而在与光线111相同的侧面上导向的光线可在轴线129上方导向。因此，观察窗131、133、135可在轴线129下方，而观察窗137、139、141可在该轴线上方，其中窗131、137中的调制数据基本上相同；窗133、139中的调制数据基本上相同；并且窗135、141中的调制数据基本上相同。因此，在与结构12相邻的结构10处的光线的反射可形成围绕轴线129的一组反射窗。

进一步讨论图12和图13，如果光提取结构特征12倾斜角125足够小，则高角度光线可被布置为在光导中内反射。例如，折射率为大约1.5的材料中大约24度的倾斜角可实现光线114的全内反射，因此光线111、113可被全内反射，并且有利的是，可至少部分地从输出中移除重复窗137、139、141。

在替代实施例中，可在本发明实施例中采用较高角度125，并且可使用检测观察者位置的传感器系统来根据观察者位置对这些窗进行寻址。因此，有利的是，可延伸显示器的竖直观察自由度。

现在将描述一些具体波导装置，其中照明系统可选择性地操作以提供输入光，所述输入光(a)从不同横向位置导向，并且(b)在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向。

图14A是示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件从二维照明元件阵列传播到定向照明波导装置的阶梯式波导1内。另外，图14A以侧视图示出了第一实施例，其可包括离散的照明元件的照明阵列15，该照明阵列进一步作为竖直独立照明元件126、128、130、132、134、136、138、140的阵列提供。因此，照明元件在横向方向上跨波导1的输入端2分布。因此，它们提供来自分布于横向方向上的不同横向位置的输入光。另外，照明元件分布在垂直方向上，使得以类似方式分布发射光。

在照明阵列15与波导1之间提供在垂直于横向方向的方向上具有正光焦度的聚焦光学元件101。在该例子中，聚焦光学元件101由具有平坦输出表面97的圆柱形弯曲轮廓透镜元件形成，所述输出表面可附接到输入端2并且因此可基本上延长为平行于输入端2的表面。在模制过程期间，聚焦光学元件101可例如形成于阶梯式波导1的末端上、附接于此或可整合到该结构内。作为另外一种选择，可在阶梯式波导1与聚焦光学元件101之间布置气隙、包括滤色镜的光学滤光器、漫射体或其他光学结构。由于聚焦光学元件101在垂直于横向方向的方向上具有正光焦度，该聚焦光学元件将来自分布于垂直方向上的不同照明元件的光作为波导1中的输入光导向进入垂直于横向方向分布的不同输入方向。

照明阵列15可布置在聚焦光学元件101的焦平面中，使得聚焦光学元件101具有标称焦距99。因此，可基本上利用阶梯式波导内的限定锥角来导向来自单独照明元件的光。因此，来自照明元件126的光线124、122可由光学元件101收集并且基本上准直或利用锥角118提供定向分布，使得其可在阶梯式波导1内引导。继续讨论图14A，类似地，来自照明元件130的光可在光线120与122之间导向以提供相邻定向分布。由于阶梯式波导1内的反射，可沿着光线123导向来自照明元件128与132的边界的光，所述光线123可基本上平行于来自照明元件126与130之间的边界的光线122。表面95的输入孔可被布置为有效收集来自照明元件照明阵列15的光。偏转膜(在图14A中未示出)诸如棱镜膜可进一步被布置为使输出的竖直指向方向偏移至显示器的视角。

在一个示例性实施例中，可包括具有大约3mm高度的输入端2的阶梯式波导1可布置有聚焦光学元件101，该聚焦光学元件被布置为在大约3mm的距离下对大约总高度为3.6mm的照明元件照明阵列15进行成像，从而实现阶梯式波导内大约+/-20度的总锥角。照明阵列15可包括大约间距为0.3mm的照明元件，从而实现总共十二个可寻址的照明元件和六个可寻址的光锥。光提取结构特征12可为金属化的并且可布置有大约45度角125，使得可在窗平面下产生围绕水平轴线129反射的两组六个窗形式的十二个竖直窗78。在大约500mm的标称观察距离下，竖直窗间距可为大约45mm，并且窗总高度为大约540mm。有利的是，此类装置可实现水平和竖直环顾以及头部倾斜能力，如以下将描述。

在另一个示例性实施例中，阶梯式波导可布置有大约3mm的输入孔高度。具有在x方向上的间距93为大约200微米的十六个照明元件的照明阵列15，可布置在距输入表面95大约4.5mm的距离处。结构12可被布置为在阶梯式波导内耦合光线111、113。在阶梯式波导内可产生大约+/-13度的总锥角，从而在来自竖直方向上八个输出窗的输出上产生大约+/-10度锥角。竖直方向上的每个窗均可相隔大约2.5度。在大约500mm的观察距离下，这可提供大约22mm的观察窗竖直间距。有利的是，此类装置可不需要镀银光提取结构特征12，因为此类锥角可通过全内反射从倾斜小平面传递，从而降低成本和复杂度。

如例如在图4B中所示，空气中的朗伯照明元件通常可利用锥角39导向，该锥角39等于xy平面中的阶梯式波导中的临界角的大约两倍，而聚焦光学元件可在xz平面中实现锥角118。阶梯式波导中的输出的定向分布可称为锥角39、118所限定的立体角内的光线分布。因此，照明元件126、128可形成第一定向分布的第一照明对，照明元件130、132可形成第二定向分布，照明元件134、136可形成第三定向分布，并且照明元件138、140可形成第四定向分布。其各自具有xy平面内的锥角39。

在利用端反射镜侧面4入射之后，反向传播光线120、122、124可入射到反射性光提取结构特征12上，如图14B所示。图14B是示意图，其以侧视图示出了光从聚焦定向显示装置中的单个照明元件传播到观察窗。可以看出，来自照明元件126、128的光锥118在离开阶梯式波导之后可被导向进入空气中的第一光锥119内，而来自照明元件130、132的光锥117可被导向进入不同于锥119的第二光锥121。横向锥角可由端反射镜表面的光学功能和光提取结构特征12上的弯曲半径确定。因此，照明元件126相对于聚焦光学元件101的位置可确定阶梯式波导的输出锥定向分布。有利的是，本发明实施例可实现二维可寻址观察窗阵列，所述观察窗可实现有利的显示特性，如将在本文描述。

图14C是示意图，其以侧视图示出了照明元件，该照明元件对准至定向照明波导装置的阶梯式波导和聚焦光学元件。图14C的实施例与图14A的实施例相同，但还包括照明元件照明阵列15与聚焦光学元件101的边缘之间的挡光板80。有利的是，未耦合到聚焦光学元件101的输入孔内的来自照明元件阵列的离轴光线82可在该挡板中被吸收。

继续讨论图14C，光学滤光器元件84、86可被布置为与照明元件照明阵列15的相应部分近似对准。元件84、86可为偏振器元件或可提供不同透射波长。例如，元件84和86可为不同磷光体，使得红色和绿色波长可在照明元件的不同部件中产生，并且通过阶梯式波导中的反射进行组合。有利的是，此类装置可实现更高效率。作为另外一种选择，元件84对于蓝色发光元件128、132、136、140可为黄色磷光体，而元件86对于红色发光元件126、130、134、138可为透明的。有利的是，可改善输出的色域。作为另外一种选择，元件84、86可为但不限于偏振器、不同漫射体或其他光学元件。

图15A是示意图，其示出了通过另一个聚焦光学元件101形成定向照明波导装置中的一列观察窗。另外，图15A以正视图示意性示出了通过例如如图14A所示的照明阵列15的照明元件14的单列17形成观察窗78的单列。因此有利的是，自动立体显示器可提供第一方向和第二方向上的方向性。因此，可通过反射端4与光提取结构特征12(以及任选地任何另外的光学器件，诸如菲涅耳透镜)组合成像来产生成行的窗。在该实施例中，例如与图5一致，这通过在横向方向上具有正光焦度的反射端4来实现，使得跨横向方向延伸的光提取结构特征12可为线性的。

图15B是示意图，其示出了通过另一个聚焦光学元件101形成定向照明波导装置中的一列观察窗。另外，图15B示出了另一个实施例，其中反射端4为平坦的，并且光提取结构特征12跨横向方向延伸，但其不是线性的而是弯曲的，使得它们在横向方向上具有正光焦度。

图16示出了在x-y平面中观察到的二维照明阵列15的例子，其包括如图14A所示的照明元件126、128、130、132、134、136、138、140的列150、152、154、156。当与在x-z平面中提供方向性的聚焦光学元件101一起使用，并且反射端2的光学器件(或在其他实施例中为其他光学器件)在x-y平面中提供方向性时，则输出窗形状通常可具有不同纵横比。因此，二维照明阵列15可在横向方向上以及在垂直于横向方向的方向上提供有不同间距。这可通过图17中的二维窗阵列78来图示说明，其还示出了轴线129和如图12所述的重复窗。此外，反射光学器件可通过侧面4的端表面和提取结构特征12来提供。图17是示出了观察窗阵列的示意图。高度不对称发光元件可提供正方形或延长的竖直窗轮廓，适用于特定实施例。

现在将描述聚焦光学元件101的一些替代形式。

图18至图20示出了例子，其中聚焦光学元件101为来自波导1的另外透镜元件。

图18中示出了替代聚焦光学元件101，其中延长的弯曲表面是近似倒置的，以便于面对阶梯式波导1的侧面2的平面表面。图18是示意图，其以侧视图示出了波导装置和另一个聚焦光学器件。有利的是，与图14A的实施例相比较，此类实施例可提供改善的像差性能。因此，观察窗的竖直间距可不那么模糊并且两者之间的串扰可减小。

图19是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件。另外，图19示出了另一个实施例，其中聚焦光学元件101可包括延长透镜，该透镜可结合至照明元件照明阵列15。有利的是，此类装置可用于调谐系统中的像差，并且可减少空气表面的数目，从而降低损耗。另外，边缘表面103可被布置为提供镜面反射，从而提供照明阵列15的旁瓣图像。这可用于有利地在竖直方向上实现另外的观察方向，以用于耦合到阶梯式波导内，从而增加竖直方向上的观察自由度。另外，在聚焦部分内可拒绝来自照明元件照明阵列15的非波导模式，从而增加阶梯式波导的可用面积。

图20是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件。另外，图20示出了另一个实施例，其中聚焦光学元件101可包括另一种材料105，该材料可由于先前实施例的材料空气界面处的菲涅耳反射而有利地降低损耗。与聚焦光学元件101的材料相比较，材料105可具有低折射率，并且可为例如氟化材料、有机硅、气凝胶或其他低折射率材料。

图21示出了其中聚焦光学元件101通过使输入端2自身成形而形成的例子。图21是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件。另外，图21示出了另一个实施例，该实施例可包括菲涅耳透镜组件，该组件被有利地布置为减小光学组件101的厚度。有利的是，此类元件可形成于工具上，从而可在阶梯式波导1的结构制造期间进行复制。

图22和图23示出了其中聚焦光学元件101为反射性的，而非透镜元件的例子。

图22是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和反射性聚焦光学元件反射性聚焦光学器件。另外，图22示出了另一个实施例，该实施例可包括具有弯曲和倾斜反射镜115的反射性聚焦光学元件101。有利的是，反射镜可减少色像差并且可被布置为导向基本上来自被布置到阀后部的照明阵列15的光。

图23是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个反射性聚焦光学元件。图23示出了另一个实施例，其中例如反射镜115可形成于可为弯曲的阶梯式波导的末端2上。因此，反射镜的形状可形成于工具上，从而可在阶梯式波导1的结构制造期间进行复制。

图24和图25示出了另外的例子，其中聚焦光学元件101由多个部分形成，包括波导的输入端2和来自波导1的另外透镜元件。

图24是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件照明元件。另外，图24示出了另一个实施例，其中聚焦光学元件101可包括第一聚焦部分95和第二聚焦部分107，所述第一聚焦部分95为通过使波导1的输入端成形而形成的透镜元件，并且所述第二聚焦部分107通过另外的透镜元件形成。有利的是，此类装置可用于改善像差，尤其是用于快速系统中的离轴照明，从而改善亮度。

图25是示意图，其以侧视图示出了包括波导装置的定向显示装置，所述波导装置包括阶梯式波导和另一个聚焦光学元件照明元件。另外，图25示出了另一个实施例，该实施例与图26的实施例相同，但聚焦光学元件101还包括通过另一个附件透镜元件形成的第三聚焦部分109。有利的是，此类装置可用于改善像差，尤其是用于快速系统中的离轴照明，从而改善窗平面中的亮度和颜色均匀度。

现在将描述一些窗装置，其中聚焦光学元件101主要设置在其光轴的一侧上。

图26是示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件101从照明元件传播到波导1内。由于阶梯式波导1中的反射例如在图14A中形成照明元件对126、128，因此可期望对于每个竖直观察窗而言具有单个照明元件。因此，聚焦光学元件101可通过完全设置在其光轴一侧上的半透镜表面90而形成，使得照明元件142可成像到光线91、92，从而在阶梯式波导的xz平面中实现锥角94。有利的是，对于给定的竖直窗结构而言，此类装置可更简单地组装，从而降低成本。

图27是示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件101从照明元件传播到阶梯式波导内，所述聚焦光学元件与图26中相同，不同的是其包括由附加透镜元件形成的另一个部分96。如在图26中，聚焦光学元件101完全形成于其光轴的一侧上。如先前所述，此类实施例可有利地减少系统中的像差。本文所述并且本领域已知的其他像差和亮度改善技术可在这些半透镜实施例中采用。类似优点可由聚焦光学元件101提供，所述聚焦光学元件主要但不一定完全设置在其光轴一侧上。

图28是示意图，其以侧视图示出了光通过聚焦光学元件101从照明元件传播到具有倾斜输入侧面的阶梯式波导内。另外，图28示出了另一个实施例，其中输入端2相对于阶梯式波导1的第一引导表面6和第二引导表面10的表面倾斜。有利的是，阶梯式波导1的输入可提供到输入的半锥内，使得照明阵列15的照明元件可不具有关于图14A所述的冗余。另外，照明元件可被布置到阶梯式波导1的后部以改善拼接阀的简易性，并且由于阶梯式波导1的反向传播光中从侧面2的反射所引起的串扰可进一步减小。

在以上实施例中，照明元件垂直于横向方向(以及在横向方向上)跨波导1的输入端2分布，并且聚焦光学元件用于在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向波导1中的输入光。相比之下，现在将描述一些波导装置，其中照明元件仅在横向方向上跨波导1的输入端2分布，并且偏转器元件用于在垂直于横向方向分布的不同输入方向上导向波导1中的输入光。

图29是示意图，其以侧视图示出了波导装置中的光从照明元件传播到阶梯式波导内，该阶梯式波导包括倾斜反射镜形式的偏转器元件。图29示出了用于将具有输入角范围的光导向进入阶梯式波导1的另一个实施例。照明系统包括在横向方向上跨波导1的输入端2分布的一维照明元件271阵列。因此，它们提供来自分布于横向方向上的不同横向位置的输入光。

在该实施例中，照明元件271可以光束形式输出光，所述光束例如为激光或其他高度定向光源。光源阵列可包括例如边缘发射激光器阵列，所述激光器可为单片激光器或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。

照明元件271将光基本上导向到形成偏转器元件的可旋转反射镜273上，其被布置在照明元件271与波导1的输入端2之间。反射镜273偏转由垂直于横向方向的照明元件输出的光，并且可被旋转以使光偏转不同的量。例如，在第一反射镜位置中，可引入光线275，在第二反射镜位置中，可引入光线277，并且在第三位置中，可引入光线279。光线275、277、279之间的输入角因此可在相对于垂直于横向方向的方向上的第一引导表面6的法线分布的多个方向上提供输出光，所述多个方向取决于输入光的输入方向。这提供观察窗78的形成。

这样，可实现二维观察窗阵列。有利的是，此类照明元件271可采用减小的尺寸输入孔2，从而增加阶梯式波导1效率并且减小串扰。另外，可使用衍射光学元件诸如全息元件，例如侧面4处的全息反射器。另外，光源可在可寻址阵列中提供以实现二维窗阵列。

此外，在以上实施例中，漫射体281可设置在反射镜273与波导1之间，例如在如图29所示的波导的输入端2上。漫射体281可为不对称漫射体，与垂直于横向方向的方向相比较，其被布置为主要在横向方向中漫射光。可结合漫射体281以增加阶梯式波导1的平面中的横向光束扩展，同时减小散斑的可见度。引导部分内的光的受限扩展可用于实现竖直方向上的窗78之间的模糊化。

图30是示意图，其以侧视图示出了波导装置中光的传播，所述装置与图29中类似，但具有以下修改形式。不使用以光束输出光的照明元件271，而是使用在所有方向上输出光的封装501中的照明元件500。波导装置包括在垂直于横向方向的方向上具有正光焦度的聚焦光学元件502，该聚焦光学元件被提供为布置在照明元件500与反射镜273之间(但其可更一般地在照明元件500与波导1之间的任何地方)。照明元件500被布置为照明聚焦光学元件502以输出基本上准直的光。因此，针对反射镜273的相应不同位置，在波导401内提供光线束504和508、506。与图29的装置相比较，操作基本上相同，但照明元件500可为非相干光源并且因此可由白色光源提供。

图31A是示意图，其以侧视图示出了可用于图30的波导装置中的照明系统，其中照明元件500以图30中示出的取向布置。照明元件500被示为一维阵列，但可包括不止一个光源条，以在来自反射镜273单个位置的波导内实现多个可控传播方向。控制器505可被布置为将同步信号分发至反射镜273控制器507以及将来自图像光源503的像素数据分发至输入阵列的光源500。因此，所提供的图像数据可与反射镜位置以及以水平和竖直角度对应调制的输出方向同步。在远场显示器中，诸如自动立体数据，图像光源503提供窗照明数据，而在如将参照图39A描述的近眼显示器中，图像光源503提供像素数据。

图31B是示意图，其以侧视图示出了可用于图30的波导装置中的另一个照明系统。单个反射镜273可被布置为单独可控反射镜510、512、514的阵列以实现对将窗或像素数据分发至波导的增加控制，以及以减小反射镜质量，从而降低反射镜致动器的成本和复杂度。反射镜致动器可为例如检流计或MEMS。有利的是，可由在与横向方向正交的方向上具有低分辨率的光源实现高分辨率定向输出。另外，此类显示器可实现快速脉冲响应功能并且非常适于快速移动数据。

图32和图33示出了波导1的输入端的替代装置，其中输入端为引导表面中的一者的延伸，并且面向输入端的耦合器用于沿波导偏转输入光。

图32是示意图，其以侧视图示出了光传播到包括耦合器的阶梯式波导内，所述耦合器为光栅耦合元件287形式的全息偏转器元件。照明阵列15和聚焦光学元件101可被布置到阶梯式波导1的后部，使得输入端为引导表面中的一者的延伸，以基本上朝在引导表面中另一者上相对布置的光栅耦合元件287耦合光。入射光线289可入射到光栅耦合元件287上，此时所述光线可反射到阶梯式波导1的输入孔内以在波导1内引导。光栅耦合元件287可包括例如表面起伏衍射反射器或体积反射全息元件，包括全息元件堆叠，以优化效率。另外，光学元件101的功能可与光栅耦合元件287的偏转功能进行组合。

图33是示意图，其以侧视图示出了光传播到包括耦合器的阶梯式波导内，所述耦合器为倾斜延长反射表面291、293的阵列形式的棱镜偏转器元件。照明阵列15和聚焦光学元件101可布置到阶梯式波导1的后部，使得输入端为引导表面中的一者的延伸。反射表面291、293被布置为与照明阵列15相对以基本上将来自照明阵列15和光学元件101的光导向进入阶梯式波导1内。因此，光线283可入射到表面291上并且基本上反射进入阶梯式波内导。入射到表面293上的光线285可在大约相对方向上反射，并且可入射到表面295上，并且然后可反射进入光学阀的阶梯式波导1内。表面291、293可进一步被布置为棱镜阵列以提供较低高度结构，该结构可更便于复制并且涂覆有反射材料。

图34A以侧视图示出并且图34B以正视图示出了作为本发明实施例的照明元件的LED的二维照明阵列15的装置。照明阵列15如下布置。基底210可具有在其上形成的氮化镓蓝色发光LED 212阵列，以及被布置为提供与LED阵列的可控电连接的引线结合214。可在LED 212周围形成腔体216阵列以提供蓝色光与包括布置在输出处的承载板220上的磷光体层218的荧光板的光学间距，以有利地提供基本上分隔但连续的白色照明元件的阵列，该照明原件为基本上单独可控的。

图34C是示意图，其以侧视图示出了LED的替代照明阵列15。另外，图34C示出了LED的替代装置，其中通过将磷光体结合到腔体216内来取代荧光板。有利的是，此类装置可提供LED之间的进一步光学鉴别，从而减小串扰。

图34C还示出了可与照明元件214阵列对准的任选空间光调制器219。空间光调制器219可具有像素221，所述像素被布置有高于LED 212的分辨率，并且可包括液晶遮光器。有利的是，此类装置可提供比可利用单独LED便利地实现的分辨率更高的照明元件阵列分辨率。LED 212可连续照明，或可被布置为与SLM 219的像素配合照明以有利地减小串扰。

可在定向显示装置中使用以上参照图11至图34C所述的波导装置中的任一者。在这种情况下，透射性SLM 48被布置为以与图1至图10的定向显示装置类似的方式跨波导的第一引导表面6延伸。SLM 48调制从波导1输出的光。显示设备可包括此类定向显示装置和控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作照明阵列15以将光导向进入对应于输出方向的观察窗中。现在将描述此类显示设备的例子，该显示设备可适于包括上述的波导装置中的任一者。

图35是示意图，其以侧视图示出了包括定向显示装置和控制系统的时间多路复用显示设备的结构。定向显示装置包括波导装置，该装置自身包括阶梯式波导1和照明阵列15。在该例子中，示出了聚焦光学元件101以提供定向照明。聚焦光学元件101可将来自照明阵列15的光导向进入阶梯式波导，该波导可生成二维的一组窗78，如上所述。然而，作为另外一种选择，定向显示装置可包括上述的其他波导装置中的一者，例如包括反射镜238。

阶梯式波导1包括光导向侧面8、反射端4、引导结构特征10和光提取结构特征12。定向显示装置100还包括SLM 48，其跨波导1的第一引导表面6延伸并且调制从其输出的光。

波导1如上所述布置。反射端4会聚反射光。菲涅耳透镜62可被布置为与反射端4配合以将来自阶梯式波导的准直输出光导向至观察平面处的观察窗78，从而跨阶梯式波导1的输出来查看显示输出。

另外，可提供漫射体68以基本上除去波导1与SLM 48以及菲涅耳透镜结构62的像素之间的莫尔条纹跳动。在示例性例子中，其中窗间距为大约2.5度，根据适当窗间距和观察距离，漫射体68可例如具有大约1-3度的对称漫射角度(在横向方向上(y轴线)以及垂直于横向方向(x轴线))。作为另外一种选择，如果窗尺寸在水平和竖直观察方向上不同，则漫射体可为不对称的并且可被布置为适当模糊化成特定方向上的窗锥角。

图35还示出了来自不同光提取结构特征12的光线71、73跨阶梯式波导1的侧面8的传播。结构12中的每个均可布置有相同倾角或倾斜度，使得光线71、73在入射到菲涅耳透镜62上之前可大约平行，并且可朝窗平面中的窗78聚焦。

现在将描述控制系统的装置和操作。控制系统可包括传感器系统，其被布置为检测从观察区域观察显示器的观察者238的相对于显示装置的位置。传感器系统包括诸如相机的位置传感器70，和头部位置测量系统72，所述头部位置测量系统可例如包括计算机视觉图像处理系统。控制系统还可包括照明控制器74和图像控制器76，这两者均提供有由头部位置测量系统72提供的被检测到的观察者238的位置。

照明控制器74选择性地操作照明阵列15的照明元件以配合波导1将光导向进入二维窗阵列中的所选择的观察窗76内。照明控制器74根据头部位置测量系统72所检测到的观察者238的位置，来选择要操作的照明元件15，使得光导向进入其中的观察窗78处于对应于观察者238的左眼和右眼的位置。这样，波导1的输出方向性对应于观察者位置。照明控制器74确定给定观察者238的位置的输出的正确照明相位和方向，并且因此可确定在给定时间内应当照明照明阵列15的哪些照明元件。

图像控制器76控制SLM 48以显示图像。为提供自动立体显示器，图像控制器76和照明控制器74可按照如下方式操作。图像控制器76控制SLM 48以显示时间上多路复用的左眼图像和右眼图像。照明控制器74操作光源15以将光导向进入相应观察窗78中对应于观察者238左眼和右眼的位置，并同步地显示左眼图像和右眼图像。这样，使用时分多路复用技术实现了自动立体效果。

图36是示意图，其以侧视图示出了时间多路复用定向显示装置的结构，除了以下修改形式以外，所述时间多路复用定向显示装置与图35中相同。在该例子中，阶梯式波导包括光提取结构特征12阵列，所述光提取结构特征具有沿着波导1的光轴而变化的倾角。例如，光提取结构特征75可提供有倾斜角175，其大于光提取结构特征77的倾斜角177。结构75、77的倾角可被布置为提供查看功能，从而对于阵列15中的给定的一行光源提供基本上朝窗平面中相同窗79的光线71、73的成像。有利的是，可省略菲涅耳透镜62，从而减小设备的成本和体积。

图37是示意图，其示出了观察窗160的二维阵列和观察者位置以示出由图35的控制系统实施的控制的可能类型。另外，图37示出了当控制系统实施多观察者跟踪自动立体显示器时显示设备的输出的部分。二维阵列可包括延长的竖直窗160，使得竖直方向上的间距大于水平方向上的间距。通过左眼瞳孔位置162和164以及右眼瞳孔位置163来指出观察者眼睛位置。有利的是，此类实施例可实现大约在另一观察者的左眼瞳孔位置164正下方对准的一个观察者的右眼瞳孔位置162。因此，窗165在右眼图像相位中照明，而窗167在左眼图像相位中照明。另外，本发明实施例可实现具有倾斜眼睛取向的观察者的瞳孔位置166，诸如当观察者从偏斜位置进行观看时可发生。在这种情况下，可针对眼睛间距的倾斜基线方向调节图像数据，这可通过图像控制器76来实现。

继续讨论图37，在显示器48上对图像数据寻址期间，可利用相同头部倾斜度向观察者的各只眼睛提供相同的左眼数据和右眼数据。因此，与左眼瞳孔位置162大约对准的窗和与不同用户的左眼瞳孔位置164大约对准的窗可基本上同时被照明。然而，具有瞳孔位置166的观察者可位于倾斜角处，使得观察数据可不与其眼睛取向最佳对准。在另一个实施例中，具有瞳孔位置166的观察者的右眼和左眼可在与其他观察者不同的时间下被照明，并且校正呈现的该观察者的图像数据。有利的是，此类显示器可正确跟踪具有不同眼睛取向的多个观察者。

有利的是，竖直延伸窗可从照明阵列15中的少数竖直间隔照明发光元件提供x方向上的较高竖直观察范围，以提供多层定位的观察者之间的鉴别。观察窗的y方向上的较窄横向间距可实现低串扰横向跟踪，并且实现低水平闪烁。

图38A是示意图，其以侧视图示出了被布置为限制输出观察方向的波导装置。波导装置包括照明元件314、聚焦光学元件101和阶梯式波导1。另外，图38A示出了另一个实施例，其中输入照明阵列15包括与聚焦光学元件101组合的竖直方向上的单个照明元件314。本发明实施例可实现阶梯式波导内的较窄照明锥316。这可提供在反向传播方向上入射到侧面4的反射镜表面和光提取结构特征12上的小范围的角度，使得与全锥角照明相比较，可减小窗场曲率。输出可通过竖直漫射体68在竖直方向上漫射。另外，可在不采用镀银的情况下通过光提取结构特征12有效地导向光锥316，从而降低成本并增加效率。有利的是，由于通过减少光提取结构特征12处的折射而使泄漏到阶梯式波导后部的光减少，该实施例可实现减小的串扰。

进一步讨论图38A，附加光学元件318可被布置到阶梯式波导1的后部，诸如但不限于阀、2D背光源、反射器、偏振再循环光学元件等。有利的是，本实施例可使光提取结构特征12非金属化，这依赖于光基本上不朝组件318逃逸的情况下的。通过比较，如果光的确朝组件318逃逸，则光可在光学系统内再循环，在方向320上传播，从而形成不想要的串扰和图像伪影。另外，本发明实施例可不采用金属化结构12，使得有利的是，可减少或移除结构12与组件318中结构之间的莫尔条纹。

图38B是示意图，其以侧视图示出了显示装置，该显示装置包括与空间光调制器48整合的波导装置。另外，图38B示出了另一个实施例，其包括图38A的设备，所述设备布置在空间光调制器48的输入表面处，所述空间光调制器包括具有偏振器324、332、基底326、330以及可转换液晶层328的液晶显示器。在阶梯式波导内传播的受限锥角316可增加可由阶梯式波导在侧面4处提供的临界角。在示例性例子中，大约26°的总锥角316可由在侧面6的表面界面处具有小于大约77°的临界角的阶梯式波导引导。此类界面可例如由阶梯式波导1的大约1.5的体折射率提供，其中低折射率涂层322的折射率为大约1.4，从而提供大约71°的临界角。例如，层322的材料可包括但可不限于有机硅、气凝胶、氟化聚合物等。有利的是，此类装置可提供减小厚度装置，其可通过液晶面板机械稳定。另外，对于来自结构12的输出光而言，由于菲涅耳反射，光损耗可最小化，从而减小显示系统中的串扰。

以上参照图11至图34C所述的波导装置中的任一者均可用于提供图像的近眼显示。在这种情况下，可根据要显示的图像操作照明系统，使得输出光将图像表示为准直图像。也就是说，在横向和垂直方向上导向的输出光的不同方向根据图像来调制。因此，在近眼显示设备中，波导装置可与控制系统组合，所述控制系统操作照明系统以根据表示要显示的图像的图像数据提供输入光。具体地讲，对照明系统进行控制以根据图像数据的行和列，(a)导向不同横向位置，所述横向位置提供输出光在不同横向方向上的分布，以及(b)在垂直于横向方向的不同方向上进行导向，所述不同方向提供输出光在垂直于横向方向的不同方向中的分布。

由于光线是准直的，所以当观察者观察波导1时，观察者的眼睛将图像聚焦到视网膜上并且因此被感知为远距离图像。术语“准直的”用于表示光足够准直以由观察者视网膜聚焦，包括严格平行或具有一定程度的发散的光。

现在将描述此类近眼显示设备的例子，该设备可适于包括上述波导装置中的任一者。

图39A是示意图，其以侧视图示出了从耦合到观察者眼睛内的近眼显示设备输出的光。图39A示出了通过靠近定向照明波导401的第一引导表面406的观察者238的眼睛使光线417成像。照明阵列415包括二维照明元件阵列。为提供所需分辨率，照明阵列415可由背光源和空间光调制器形成，如将通过参照图39B-图39E的示例性实施例所描述的。

将来自每个像素的光线在相应输出方向上导向进入相应的角输出窗78，以便于为观察者238实现照明阵列415的放大图像。因此，每个角输出窗78提供所观察图像的放大像素。

作为包括二维照明元件阵列的照明阵列415的替代形式，照明阵列可包括仅在横向方向上跨波导1的输入端2分布一维照明器元件阵列，以及偏转器元件，例如如图31A所示布置并且如上所述操作。在这种情况下，控制系统操作照明器元件以显示图像数据的连续线，并且与之同步操作偏转器元件以在垂直于横向方向的不同方向上导向这些连续线的光。

在示例性实施例中，波导401可具有1mm厚的输入端2以及3mm厚的反射端4。波导401的长度可为40mm并且反射端处的宽度可为20mm，并且可通过照明系统(诸如图31A所示的照明系统)在横向方向上被基本填充。空气中横向方向上的角视场大小因此可为大约21度。因此，对于300mm观察距离而言，近眼显示装置可表现为具有110mm的等效宽度。光导向结构412可布置在第二引导表面8的整个区域之上，或可布置在较小区域之上以提供受控图像区域并且增加装置效率，例如半径为7mm的圆形区域。波导401可通过光锥照明，该光锥在输入侧中沿z方向在空气中具有+/-12度的总输入角。因此，反射镜273可旋转通过+/-6度的总角。照明阵列可被布置为具有20mm长度和10微米高度的线性阵列，其包括尺寸为10×10微米的1920个光源。反射镜273可以60Hz的频率振动，并且光源可每15微秒进行更新。因此，可实现分辨率为1920×1080的60Hz图像。

在另一个示例性实施例中，波导401可具有1mm厚的输入端2以及3mm厚的反射端4，还包括如图16所示的照明阵列15。波导401的长度可为20mm并且反射端4处的宽度可为10mm，并且照明阵列横向宽度为10mm。空气中横向方向上的角视场大小因此可为大约21度。波导可通过光锥照明，该光锥在输入端2沿垂直于横向方向的z方向在空气中具有12度的总输入角。光学聚焦元件101的焦距可为5mm，并且照明元件的总高度可为1mm。如图16所示的照明元件可具有640×360像素的彩色像素分辨率，使得单独像素间距为大约15×3微米。彩色输出可通过间距为大约5×3微米的单独红色、绿色和蓝色像素提供或通过时序彩色操作提供，还包括与白色光源阵列对准的彩色选择性开关元件。

图39B-图39E是示意图，其以侧视图示出了输入至图39A的近眼显示设备中的阶梯式波导的光，并且示出了照明阵列415的示例性实施例。

图39B是示意图，其以侧视图示出了反射性SLM 800，诸如硅基液晶(LCOS)。可包括红色、绿色和蓝色LED的光源804可被布置为通过立方分束器806，或作为另外一种选择通过平板分束器对SLM 800进行顺序照明。有利的是，高分辨率像素可被布置为具有通过时间多路复用实现的彩色性能，与包括单独红色、绿色和蓝色像素的SLM相比较，其还提高了所产生图像的分辨率。

图39C是示意图，其以侧视图示出了透射性SLM 810，诸如由背光源808照明的LCD。有利的是，移除了图39B的分束器806，从而减少成本、体积和复杂度。

图39D是示意图，其以侧视图示出了发光SLM 812，诸如硅基OLED显示器。有利的是，移除了图39B的分光器806，从而减少成本、体积和复杂度并且不需要图39C的另一个背光源808。

图39E是示意图，其以侧视图示出了发光SLM 814，诸如LED条。SLM 814可包括可为红色、绿色和蓝色发光元件的发光元件行816、818、820，使得在反射镜273旋转时，彩色和空间数据与反射镜位置同步以实现波导内的角度空间中的对准。有利的是，与图39B-图39D的装置相比较，阵列415在垂直于横向方向的方向上的分辨率可增加。

此类显示器可例如通过布置在硅底板上的有机发光二极管结构或硅基液晶装置结构来实现。

图40和图41是示意图，其分别以侧视图和正视图示出了近眼显示设备的操作，该设备包括通过聚焦光学元件101由照明阵列415定向照明的波导401，该照明阵列包括二维照明元件阵列。

波导401包括反射端404，其被布置为使来自照明阵列415中的像素414的光线405基本上准直。波导401具有三个非提取区域403以及非提取区域403中间的两个光提取区域407和409。在非提取区域403中，第二引导表面400为平坦的，并且不具有任何光提取结构特征，并且因此包括第一引导表面406和第二引导表面400的平坦、平行部分。在光提取区域407和409中，第二引导表面400提供有光提取结构特征412以便于提供阶梯式波导。观察者238的眼睛瞳孔位置被示为与光提取区域407和409对准。

在操作中，在第一次穿过中，光线405传播穿过非提取区域403；以及可在第二次(反向传播)穿过中提供光提取的第二光提取区域407、409。在第一次穿过的过程中不提取光。光线405然后以与上文针对反射端4所述类似的方式在侧面404处反射，其中光线可为准直的并且在第二次穿过中沿着阀向下返回。穿过非提取区域403的光因此在基本上无损耗的情况下穿过，直至其入射在光提取区域407、409上，其中光在光提取结构特征412处向上导向。眼睛定位在光提取区域407、409附近的观察者238因此将接收来自阵列415的光。阵列的光输出的方向性被保持，因此观察者可看到阵列415的对于阵列的正交轴线具有不同放大率的放大图像，如将在下面描述。有利的是，区域403不提供光提取并且因此可增加装置效率。作为另外一种选择，区域403可省略或减小尺寸以增加自由度，从而找到最佳观察位置。

可提供第一光提取区域407和第二光提取区域409，使得两眼均可看到显示器。作为另外一种选择，显示器可为单眼用的。

图42是示意图，其示出了近眼显示设备的侧视图，该近眼显示设备包括如上所述的波导装置和控制系统。控制系统包括元件并且被布置为按如下方式操作以控制照明器阵列415。

装置通信器720，例如远程装置719(诸如移动电话)的蓝牙接口，可被布置为将表示要显示的图像的图像数据传送至装置，并且提供例如来自触摸面板721和接口控制器722的控制数据接口，其可布置在例如一副眼镜的臂上。可将图像数据导向至显示器驱动器724，其被布置为驱动照明阵列415。可通过来自环境光传感器(诸如安装在眼镜上的相机装置)的信号调制图像数据。如果周围环境具有增加的光水平，则可修改到显示器的输出以进行相应补偿。

来自外部光源730的环境光线732基本上穿过波导401，而来自阵列415的光由光提取结构特征12导向至观察者238的眼睛。在示例性实施例中，光提取结构特征12在x方向上可具有5微米的宽度，以及250微米的间距，使得重新导向到输入上的环境光的量降至最小。光提取结构特征12可用于提供远场图像的衍射模糊化。可通过使光提取结构特征12的间距跨观察者238瞳孔的孔面积随机化，使得间距变得不规则，从而在外观上减小此类模糊化。

任选地，波导装置还可包括跨波导401的第二引导表面延伸的补偿光学组件729。补偿光学组件729具有面向第二引导表面的表面731，其具有与第二引导表面匹配的形状，从而包括形状上与光提取结构特征12类似的结构。补偿光学组件729可置于与波导401对准，从而减小通过结构12的区域所看到的杂散光的可见度，有利地降低针对在远场观察中所看到的对象的对比度损耗。为促进观察者的观察，波导设备可结合到适于佩戴在用户头部上的头戴式设备内。该波导被布置为当佩戴头戴式设备时，跨用户的至少一只眼睛延伸。现在将描述这样的一些例子，其中头戴式设备为一副眼镜，但一般来讲可提供其他头戴式设备，例如护目镜或者头盔或帽子的附件。

图43A-图43D是示意图，其以顶视图示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备。期望保护包括光提取结构特征12的波导401的第二引导表面8以在佩戴期间免于损坏。如图43A所示，可将附加眼镜组件740施加于波导1的前面，并且在两者间布置有气隙742。组件740可为具有光焦度的矫正透镜，以用于结合由本文所述实施例所实现的显示功能来矫正视力。

另外，组件740可具有如图42所示的结构化侧面731。另外，组件740可包括光致变色材料、偏振材料、太阳镜所需的其他吸收材料、或用于实现增强眼镜效果的其他材料。例如，用于左眼和右眼的组件740可包括适用于观察包括正交偏振编码图像的立体显示器的相应波片和偏振器。

图43B示出了另一个实施例，该实施例与图43B的实施例类似，不同的是低反射率材料744(诸如有机硅)被布置在组件740与波导401之间。由于波导401的材料与材料744之间的折射率差，光仍可在波导401内导向。来自外部光源732的入射光在间隙742每一侧的表面处经历较小反射，从而提高周围环境的对比度。

然而在图43A中，用作矫正透镜的组件740为与波导分开的元件，图43C示出了另一个实施例，其中波导401的第一引导表面743通过被布置具有曲率以提供光焦度来形成矫正透镜。此类装置可增加来自波导1的光损耗，然而观察者的瞳孔集成在跨来自波导的一系列位置上，使得可补偿可能出现的不均匀性。图43D示出了可通过第二引导表面743与组件740的弯曲来实现视觉矫正的组合。有利的是，第二引导表面8可受到保护，并且视觉矫正的品质增强。

图43E至图43G示出了波导装置结合到一副眼镜内，该眼镜包括被布置为在用户两只眼睛上延伸的透镜。在每种情况下，可应用图43A至图43D的装置中的任一者。

图43E-图43G是示意图，其以正视图示出了结合到一副眼镜内的近眼显示设备。图43E示出了具有左眼框架762和右眼框架750的第一副眼镜。光源(未示出)被布置为在输入端2处输入光，这可通过如上所述的转向镜或其他光学组件。光穿过波导，在反射端4反射并且穿过布置在区域756中的光提取结构特征12输出，所述区域可在观察者的场中心中基本上对准而基本上不阻挡环境光，如参照图42所述。在区域756外部提供透明区域752。用于左眼和右眼眼镜的光源可提供2D或立体图像对。有利的是，波导可具有侧面22、24，其被布置为与所需眼镜的样式匹配。此类波导可通过对基准坯料进行机械加工而制造，使得在制造中提供较大坯料并且将其切割成合适的框架尺寸。有利的是，与所需眼镜框架整合的成本可降低。

可期望远离轴向观察位置来定位观察区。图43F和图43G示出了对于单眼和双眼观察而言，光提取区域764、766可被布置为远离视觉的中心。此类装置可实现增加的光提取效率和环境光线对图像的干扰。

另外，在图43G中，与图43E-图43F的装置相比较，阵列415被布置为朝向眼镜的顶部。区域751可被布置在波导401外部以完成眼镜的框架，并且有可能提供进一步光焦度，如图43A-图43D所示。波导401与区域751之间的边界可包括波导401的相应边缘的金属涂层。此类装置可有利地实现横向方向上增加数目的像素，以便为观察者提供信箱格式型图像。例如，图像可包括16个水平像素与9个竖直像素的比率，其中与图43E-图43F的装置相比较，像差和光损耗减小。

图44A-图44C是示意图，其示出了在一副眼镜中形成近眼显示设备的方法的正视图。在如图44A所示的第一步骤中，提供了波导坯料772，其包括输入端2和反射端4，连同光提取区域756。所需眼镜形状774如图所示布置，并且如图44B所示，使用切割机(诸如水喷射切割器)或其他已知的切割方法来提供边缘形状776。具有所需形状776的切割波导401可组装有光源415、聚焦光学元件101和到驱动器724的电连接以提供眼镜组件。

将进一步考虑光从波导401的传播。就这一点而言，图45是示意图，其以侧视图示出了来自近眼显示设备的光的输出。如图45所示，在通过端反射镜表面4入射之后，该表面可提供xy平面中的准直功能，反向传播光线120、122、124可入射在反射光提取结构特征412上。将来自照明元件126、128的光锥118在离开光学阀之后在空气中导向进入第一光锥119，而将来自照明元件130、132的光锥117导向进入不同于锥119的第二光锥121。横向锥角由端反射镜表面的光学功能和光提取结构特征412上的弯曲半径确定。因此，照明元件126相对于聚焦光学元件101的位置确定波导401的输出锥定向分布。有利的是，本发明实施例可实现二维可寻址角窗口阵列，该窗实现如将描述的有利显示特性。

偏转膜450诸如棱镜膜可进一步被布置为使输出的方向偏移至显示器的所需视角。例如，在其中光线111、113被布置为在波导401内引导的实施例中，则偏转膜可将输出方向旋转到侧面406的法线。

图46A是示意图，其以正视图示出了来自近眼显示设备的光的输出。图46A示出了通过照明阵列415的单个像素414形成角窗口78(包括单个输出方向)，例如如图40所示。在该实施例中，例如与图5一致，反射端404在横向方向上具有正光焦度，使得跨横向方向延伸的光提取结构特征412可为线性的。因此，光学元件101、反射端404和光提取结构特征412配合以将来自像素414的所有光线417导向进入单个方向，并且因此进入相同角窗口。照明阵列415的相邻像素因此被布置为提供不同角输出。系统的光焦度还可包括输出透镜，诸如菲涅耳透镜，或装置可结合到如将描述的眼镜内。

图46B是示意图，其以正视图示出了来自另一个近眼显示设备的光的输出。图46B示出了实施例，该实施例包括组合有反射端404的聚焦光学元件101，其可包括菲涅耳反射镜，以及光提取结构特征412，所述光提取结构特征跨横向方向延伸，但其不是线性的而是弯曲的，使得它们在横向方向上具有正光焦度。有利的是，与图46A的实施例相比较，该实施例通过去除侧面404的垂度而显著减小了光学元件的尺寸。

图47是示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备。图47示出了实施例，其中反射端404被布置为反射平坦表面，并且光提取区域407、409包括光引导结构特征410和光提取结构特征412，其为弯曲的以提供光焦度，从而提供照明阵列415的成像。有利的是，此类实施例提供更紧凑的尺寸。

图47还示出了包括背光源417和SLM 419的照明阵列415。背光源将光穿过SLM 419导向进入成像定向波导401。SLM 419可为透射或反射的空间光调制器。背光源417可为简单背光源，或可为聚光系统，该系统被布置为将光导向进入来自光源的波导。在其他实施例中，照明阵列415可由自发光显示器诸如OLED显示器提供。

图48是示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备。图48示出了实施例，其中提供了单个光提取区域407，以有利地提供阀平坦显示成像定向波导401的横向取向。

图49是示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备。图49示出了一个包括横向取向波导401的实施例，所述波导包括对准至相应像素阵列407、409的第一成像区域460和第二成像区域462，以及聚焦光学元件101。有利的是，与图48的装置相比较，输出图像的像差将被改善。另外，此类实施例可为左眼和右眼提供不同图像，该图像可用于实现立体显示设备。另外，光提取结构特征412可布置在受限区域上方，使得观察者238的瞳孔可布置有光提取结构特征412以用于观察图像，或可通过将眼睛定位在包括结构412的区域外部来实现环境照明的高图像逼真度。

图50是示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备。图50示出了实施例，其中在反射端404前面提供由透镜元件424和426形成的复合透镜。因此，通过反射端404处的反射器、透镜元件424(包括第一材料)和透镜元件426(包括折射率不同于第一材料的第二材料)来确定xy平面中的准直光学元件的光焦度。第二材料可与用于形成波导401的材料相同，而透镜元件424可附接到波导401。有利的是，此类装置可改善波导401的准直功能的像差性能。

图51是示意图，其示出了另一个实施例，其中结合了另一个光学元件430，从而改善像差性能。

图52是示意图，其以正视图示出了另一个近眼显示设备。图52示出了实施例，其中在反射端504与其中提供了光提取结构特征12的光提取区域511之间提供了不具有任何光提取结构特征12的延伸长度输入部分509。另外，可在光提取区域511与反射端504之间提供非提取部分510，以进一步增加波导510的长度。有利的是，增加了末端504的后工作距离，使得反射镜的离轴成像性能得到改善，并且增加了图像逼真度，尤其是对于离轴像素而言。

图53是示意图，其以侧视图示出了包括相应独立照明波导420、422的近眼显示设备的拼接阵列。有利的是，此类实施例可向左眼和右眼提供独立图像，从而减小图像串扰并且增加亮度，并且实现立体显示功能。

图54是示意图，其以侧视图示出了近眼显示设备的拼接阵列，所述近眼显示设备包括具有集成反射镜元件424的相应独立照明波导420、422。反射镜424可为例如全息元件。有利的是，此类实施例可提供紧凑立体装置，其可配合于直视显示器的前面，其中缝具有低可见度，如将在下面描述。

图55是示意图，其以侧视图示出了近眼显示设备的堆叠阵列，所述近眼显示设备包括通过SLM 407、409独立照明的相应波导417、419。有利的是，此类实施例可向左眼和右眼提供独立图像，从而减小图像串扰并且增加亮度，同时在与底层显示设备一起使用时保持均匀度。平坦区域可包括光学校正，并且延伸长度可实现改善的像差。

图56是示意图，其示出了结合到一副眼镜600内的近眼显示设备。在眼镜的框架中可提供空间光调制器415和电子器件。另外，本发明实施例有利地对于垂直入射光为基本上透明的，并且因此可有利地用于对覆盖到实际图像上的图像数据进行增强现实观察。另外，眼镜可进一步提供有光学矫正透镜，以减小由聚焦光学元件101和侧面404提供的功率量。

图57是示意图，其以侧视图示出了包括折叠式波导420的近眼显示设备，所述波导被布置为当安装在眼镜上时减小所感知的波导尺寸。转向镜440可被布置为将引导图像导向进入波导的提取区域。有利的是，SLM 415和波导401的光束扩展区域451可安装在眼镜600的臂上，如图58所示。

图59是示意图，其示出了包括波导装置的投影显示设备，该波导装置包括波导601。照明器阵列615照明聚焦光学元件101和定向照明波导601。以与上述近眼显示装置相同的方式来操作照明器阵列615。反射端604通过引导结构特征610将来自照明阵列615的光导向至光提取结构特征612。波导601具有如上所述的装置，其中聚焦光学元件101、反射端604和光提取结构特征612配合以在显示装置前面的窗平面106处提供显示器615的光源的光学图像。因此，图59的装置的操作与上述装置类似。来自所述结构的提取光入射到窗平面106处的屏幕618上，可在其上面看到图像620。有利的是，此类装置可提供紧凑投影设备，该设备可为平坦的。

图60是示意图，其示出了多功能显示设备，该设备可组合使用本发明实施例的阀和单向平坦显示成像定向波导而实现。显示器堆叠包括2D输出背光源301和光源315、定向显示装置的波导1、透射直视空间光调制器48、近眼显示设备的定向照明波导401(如上所述)以及投影显示装置的定向照明波导501(如上所述)。

在操作中，2D模式可通过激活光源315以照明背光源301来实现；有利的是，光传输穿过其余的元件。

在自动立体显示模式中，通过照明阵列15照明定向显示装置的波导1，以与提供给SLM 48的时间多路复用数据配合以提供自动立体窗。

在近眼显示模式中，照明近眼显示装置的照明阵列415以提供准直输出。

最终，在操作的投影模式中，激活投影显示装置的照明阵列601以通过波导601提供投影图像。

有利的是，由于相应波导1、401、601的透明性，此类装置可在单个平台上实现多个显示功能。因此，智能电话装置例如可作为自动立体显示器用于直视操作，或用于对大尺寸放大图像进行成像。

如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或术语之间的相关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在0％至10％的范围内，并且对应于但不限于分量值、角度等等。各项之间的此类相关性在大约0％至10％的范围内。

虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅以举例的方式示出，而并非限制。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而应该仅根据产生于本发明的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。

另外，本文的章节标题是为了符合37CFR 1.77下的建议或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的实施例。具体地和以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求不应受到在该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。另外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本发明中的任何实施例而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为公开的权利要求中所述的实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于辩称在该公开中仅有一个新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，并且此类权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本发明基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims (63)

1.一种定向照明波导装置，包括：

波导，所述波导包括输入端以及用于沿所述波导引导光的相对的第一引导表面和第二引导表面；所述第一引导表面可被布置为通过全内反射来引导光，并且所述第二引导表面具有包括多个小平面的阶梯式形状，所述小平面跨所述波导在横向方向上延伸并被取向为使输入光从所述输入端反射穿过所述第一引导表面作为输出光；以及所述小平面之间的中间区域，所述中间区域被布置为将光导向穿过所述波导而不提取光；

照明系统，所述照明系统可选择性地操作以提供输入光，所述输入光(a)从分布在所述横向方向上的不同横向位置导向，并且(b)在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上导向，所述输入光输出穿过在输出方向上导向的所述第一引导表面，所述输出方向(a)根据所述输入光的横向位置在所述横向方向上相对于所述第一引导表面的法线而分布，并且(b)根据所述输入光的输入方向在垂直于所述横向方向的方向上相对于所述第一引导表面的法线而分布；

其中所述照明系统包括一维光源阵列，所述一维光源阵列在所述横向方向上跨所述波导的输入端分布以提供来自在所述横向方向上分布的不同横向位置的所述输入光；以及布置在所述光源阵列与所述波导之间的偏转器元件，所述偏转器元件可选择性地操作以使所述光源阵列输出的所述光垂直于所述横向方向偏转不同的量，以在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上提供所述输入光。

2.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述照明系统包括二维光源阵列和在垂直于所述横向方向的方向上具有正光焦度的聚焦光学元件，所述聚焦光学元件布置在所述光源阵列与所述波导之间，所述光源阵列在所述横向方向上跨所述波导的输入端分布以提供来自不同横向位置的所述输入光，所述横向位置在所述横向方向上分布并且在垂直方向上分布，以在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上提供所述输入光。

3.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述二维光源阵列布置在所述聚焦光学元件的焦平面中。

4.根据权利要求2或3所述的波导装置，其中所述光源为离散的。

5.根据权利要求2或3所述的波导装置，其中所述照明系统包括背光源和透射空间光调制器。

6.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述光源阵列在所述横向方向和所述垂直方向上具有不同间距。

7.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述聚焦光学元件包括透镜元件。

8.根据权利要求7所述的波导装置，其中所述透镜元件包括所述波导的输入端上的透镜表面。

9.根据权利要求7所述的波导装置，其中所述透镜元件包括布置在所述光源阵列与所述波导之间的附加透镜元件。

10.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述聚焦光学元件包括反射元件。

11.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述聚焦光学元件主要布置在所述聚焦光学元件光轴的一侧上。

12.根据权利要求2所述的波导装置，其中所述光源通过气隙与所述波导的输入端分开。

13.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述偏转器元件为反射元件，所述反射元件可旋转以垂直于所述横向方向将所述光源阵列输出的所述光偏转不同的量。

14.根据权利要求1或13所述的波导装置，其中所述光源被布置为以光束形式输出光，并且所述波导装置还包括漫射体元件，所述漫射体元件设置在所述偏转器元件与所述波导之间并且被布置为主要在所述横向方向上漫射光。

15.根据权利要求1或13所述的波导装置，还包括在垂直于所述横向方向的方向上具有正光焦度的聚焦光学元件，所述聚焦光学元件布置在所述光源与所述波导之间。

16.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述波导还包括反射端，所述反射端面向所述输入端以用于将来自所述输入光的光穿过所述波导反射回，其中所述波导的第二引导表面的所述多个小平面被取向为在从所述反射端反射之后反射光。

17.根据权利要求16所述的波导装置，其中所述反射端在跨所述波导的所述横向方向上具有正光焦度。

18.根据权利要求16所述的波导装置，其中所述反射端为平坦的，并且所述小平面在跨所述波导的所述横向方向上具有正光焦度。

19.根据权利要求1所述的波导装置，其中所述第二引导表面的小平面具有沿着所述波导的光轴变化的倾角。

20.一种显示设备，包括：

定向显示装置，所述定向显示装置包括：

根据前述权利要求中任一项所述的波导装置；以及

透射空间光调制器，所述透射空间光调制器跨所述波导的第一引导表面延伸并且被布置为调制从所述波导的第一引导表面输出的光；以及

控制系统，所述控制系统被布置为选择性地操作所述照明系统以将光导向进入对应于所述输出方向的观察窗中；

其中，所述显示设备为自动立体显示设备，其中所述控制系统被进一步布置为控制所述显示装置以显示时间上多路复用的左图像和右图像，并且同步地将所述显示图像导向进入在对应于观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。

21.根据权利要求20所述的显示设备，其中

所述控制系统还包括传感器系统，所述传感器系统被布置为检测在所述显示装置对面的观察者的位置，并且

所述控制系统被布置为根据被检测到的观察者的位置，将所述显示的图像导向进入在对应于所述观察者的左眼和右眼的位置的观察窗中。

22.一种适于戴在用户头部的头戴式设备，包括根据权利要求1所述的波导装置，其中所述波导被布置为当佩戴所述头戴式设备时跨所述用户的至少一只眼睛延伸。

23.根据权利要求22所述的头戴式设备，其中所述小平面的间距为不规则的。

24.根据权利要求22或23所述的头戴式设备，还包括补偿光学元件，所述补偿光学元件跨所述波导的第二引导表面延伸并且具有面向所述第二引导表面的表面，所述表面具有匹配形状。

25.根据权利要求22所述的头戴式设备，还包括控制系统，所述控制系统被布置为操作所述照明系统以根据表示图像的图像数据提供所述输入光，所述输入光(a)从所述不同横向位置导向，并且(b)在所述不同输入方向上导向。

26.根据权利要求22所述的头戴式设备，所述头戴式设备为包括透镜的一副眼镜，所述透镜被布置为当佩戴所述一副眼镜时跨所述用户的两眼延伸。

27.根据权利要求26所述的头戴式设备，其中所述透镜为具有用于矫正视力的光焦度的矫正透镜。

28.根据权利要求27所述的头戴式设备，其中所述矫正透镜为与所述波导分开的元件。

29.根据权利要求27所述的头戴式设备，其中所述矫正透镜由所述波导的引导表面形成。

30.一种被布置为显示由图像数据表示的准直图像的近眼显示设备，所述显示装置包括：

根据权利要求1至19中任一项所述的波导装置；以及

控制系统，所述控制系统被布置为操作所述照明系统以根据所述图像数据提供所述输入光，所述输入光(a)从所述不同横向位置导向，并且(b)在所述不同输入方向上导向。

31.根据权利要求30所述的近眼显示设备，其中所述照明系统包括一维光源阵列，所述光源阵列在所述横向方向上跨所述波导的输入端分布以提供来自在所述横向方向上分布的不同横向位置的所述输入光；以及布置在所述光源阵列与所述波导之间的偏转器元件，所述偏转器元件可选择性地操作以使所述光源阵列输出的所述光垂直于所述横向方向偏转不同的量，以在垂直于所述横向方向分布的不同输入方向上提供所述输入光，所述控制系统被布置为操作所述光源阵列以显示图像数据的连续线，并且以与所述光源阵列的操作同步的方式操作所述偏转器元件。

32.一种使用根据权利要求1至19中任一项所述的波导装置显示准直图像的方法，所述方法包括：

操作所述照明系统以根据要显示的图像提供所述输入光，所述输入光(a)从所述不同横向位置导向，并且(b)在所述不同输入方向上导向，使得所述输出光将所述图像表示为准直图像；以及

观察所述准直图像。

33.一种定向照明设备，包括：

用于导向光的成像定向背光源，包括：

波导，还包括：

第一光引导表面；以及

与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面；以及

位于所述第一光引导表面和第二光引导表面之间的输入聚焦光学器件，所述输入聚焦光学器件可操作以将来自照明元件阵列中的每个元件的光导向进入所述成像定向背光源内的相应不同定向分布中。

34.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述波导与照明元件阵列或输入聚焦光学器件中的至少一者配合以提供二维观察窗阵列。

35.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述照明元件阵列为二维LED阵列。

36.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述照明元件阵列通过气隙与所述波导分开。

37.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述照明元件阵列的照明元件的角输出被独立调制以提供观察窗阵列。

38.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件由具有基本上平坦输出表面的圆柱形弯曲轮廓透镜提供。

39.根据权利要求38所述的定向照明设备，其中所述波导还包括输入表面，进一步地，其中所述输入聚焦光学器件附接到所述输入表面并且基本上延长为平行于所述输入表面。

40.根据权利要求39所述的定向照明设备，还包括布置在所述波导和所述输入聚焦光学器件之间的光学滤光器。

41.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述照明元件阵列近似对准至所述波导和所述输入聚焦光学器件。

42.根据权利要求41所述的定向照明设备，还包括所述照明元件阵列与所述输入聚焦光学器件的边缘之间的挡光板。

43.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件为延长透镜，所述延长透镜结合至所述照明元件阵列。

44.根据权利要求43所述的定向照明设备，其中空气表面的数目减少并且提供光损耗的减少。

45.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件为低折射率材料。

46.根据权利要求45所述的定向照明设备，其中所述低折射率材料为氟化材料。

47.根据权利要求33所述的定向照明设备，还包括菲涅耳透镜组件，所述菲涅耳透镜组件被布置为减小所述输入聚焦光学器件的厚度。

48.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件为反射聚焦光学器件。

49.根据权利要求48所述的定向照明设备，还包括弯曲和倾斜反射镜。

50.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件还包括第一聚焦部分和第二聚焦部分。

51.根据权利要求33所述的定向照明设备，其中所述输入聚焦光学器件还包括半透镜表面，所述半透镜表面被布置为使得可为每个竖直观察窗提供单个照明元件。

52.根据权利要求33所述的定向照明设备，还包括倾斜反射镜。

53.根据权利要求52所述的定向照明设备，其中所述照明元件阵列为激光源阵列以将光基本上导向到所述倾斜反射镜上。

54.根据权利要求33所述的定向照明设备，还包括全息偏转器元件。

55.一种阶梯式成像定向背光源，包括：

位于所述阶梯式成像定向背光源的第一末端的输入侧；

位于所述阶梯式成像定向背光源的第二末端的反射侧；

位于所述阶梯式成像定向背光源的所述输入侧与所述反射侧之间的第一光导向侧和第二光导向侧，其中所述第二光导向侧还包括多个引导结构特征和多个提取结构特征；以及

位于所述第一光导向侧和第二光导向侧之间的输入聚焦光学器件，所述输入聚焦光学器件将来自照明元件阵列的光导向进入所述阶梯式成像定向背光源内的相应不同定向分布中。

56.根据权利要求55所述的阶梯式成像定向背光源，其中所述阶梯式成像定向背光源提供二维观察窗阵列。

57.根据权利要求55所述的阶梯式成像定向背光源，其中所述阶梯式成像定向背光源与所述照明元件阵列和输入聚焦光学器件配合以提供二维观察窗阵列。

58.一种光学阀，包括：

位于光学阀第一末端的输入侧；

位于所述光学阀第二末端的反射侧；

位于所述光学阀的所述输入侧与所述反射侧之间的第一光导向侧和第二光导向侧，其中所述第二光导向侧还包括多个引导结构特征和多个提取结构特征；以及

位于所述第一光导向侧和第二光导向侧之间的输入聚焦光学器件，所述输入聚焦光学器件将来自照明元件阵列的光导向进入所述光学阀内的相应不同定向分布中。

59.根据权利要求58所述的光学阀，其中所述光学阀与所述照明元件阵列和输入聚焦光学器件配合以提供二维观察窗阵列。

60.根据权利要求58所述的光学阀，其中所述照明元件阵列为二维LED阵列。

61.一种提供定向分布的定向背光源显示系统，包括：

用于引导光的光学阀，其中所述光学阀还包括：

第一光引导表面；以及

与所述第一光引导表面相对的第二光引导表面，所述第二光引导表面还包括多个引导结构特征和多个提取结构特征，其中所述多个提取结构特征允许当光在第一方向上传播时在显著低损耗的情况下使光穿过，并且允许光离开所述光学阀；

输入聚焦光学器件，所述输入聚焦光学器件将来自照明元件阵列中的每个的光导向进入所述光学阀内的相应不同定向分布中；

空间光调制器，所述空间光调制器可操作以接收来自所述光学阀的光；以及

控制单元，所述控制单元确定相对于所述空间光调制器的观察者位置；

图像控制单元，所述图像控制单元向所述空间光调制器提供适当图像；

照明控制器，所述照明控制器确定正确照明相位和方向以用于部分基于所述观察者位置而输出。

62.根据权利要求61所述的提供定向分布的定向背光源显示系统，其中所述照明控制器确定要照明所述照明元件阵列的哪些所述照明元件。

63.根据权利要求62所述的提供定向分布的定向背光源显示系统，还包括漫射体以充分减小所述光学阀与所述空间光调制器的像素之间发生的莫尔条纹跳动。