定向照明设备和防窥显示器的制作方法

1.本公开总体上涉及来自光调制装置的照明，更具体地说，涉及用于提供窄角度照明的光学堆叠以用在包含防窥显示器在内的显示器中以及用在环境照明中。


背景技术：

2.防窥显示器向通常处于轴上位置的主用户提供图像可见性，并且向通常处于离轴位置的窥探者提供降低的图像内容可见性。可以通过微百叶窗光学膜来提供防窥功能，所述微百叶窗光学膜在轴上方向上传输来自显示器的高照度，而在离轴位置上传输低照度，然而这种膜是不可切换的，因此显示器仅限于防窥功能。
3.可通过控制从空间光调制器输出的离轴光来提供可切换防窥显示器。控制的提供可借助于离轴照度减小，例如借助于显示偏振器与额外偏振器之间的可切换偏振控制层。
4.离轴照度减小的背光源可用于提供或增强防窥功能。某些成像定向背光源具有将照明引导穿过显示面板到观察窗中的另外的能力。可以在多个源与相应窗口图像之间形成成像系统。成像定向背光源的一个示例是可以采用折叠光学系统的光学阀，并且因此也可以是折叠成像定向背光源的示例。光可以在一个方向上基本上没有损耗地传播通过光学阀，而反向传播的光可以通过反射倾斜的小平面(facet)而被提取，如美国专利第9,519,153号中所述，所述美国专利通过引用整体并入本文。
5.由与液晶空间光调制器串联布置的单独可控制光源阵列形成的背光源可通过减小与显示在空间光调制器上的图像的低照度区对准的光源的输出光通量来提供高动态范围。


技术实现要素：

6.根据本公开的第一方面，提供一种用于在预定区域上提供照明的照明设备，所述照明设备包括：发光二极管二维阵列，其设置在支撑衬底上，所述发光二极管跨所述预定区域排列；波导，其包括：光输入特征的阵列，每个光输入特征与发光二极管阵列中的至少一个发光二极管对准，所述光输入特征被布置成将来自至少一个对准的发光二极管的光输入到所述波导中；以及前导光表面和后导光表面，其跨所述预定区域延伸并且被布置成通过全内反射沿光波导来导引从发光二极管阵列接收的光，其中前导光表面和后导光表面中的至少一者包括表面起伏提取特征，所述表面起伏提取特征被布置成从在波导中导引的光中提取光穿过所述前导光表面和后导光表面中的所述至少一者；光转向元件，其被布置在所述波导前面，并且包括光转向表面，所述光转向表面被布置成接收提取的光并将提取的光朝向所述预定区域的法线重定向；以及后反射器，其跨所述后导光表面延伸并与所述后导光表面分离，所述后反射器被布置成反射入射在其上的光并将所述光重定向穿过所述波导。
7.可提供具有窄锥角的照明输出。有利地，防窥显示器视觉安全等级的可增大。可在可以是柔性的薄结构中提供高的照度均匀性。所述照明设备可针对显示器背光源、针对环
境照明或为其它照明目的而提供定向照明。
8.发光二极管可位于波导前面并且被布置成向后发射光。有利地，发光二极管周围的热点可见性可减小。
9.支撑衬底对于来自发光二极管的光可以是透明的。有利地，可实现高输出透射。
10.发光二极管可位于波导后面并且被布置成向前发射光。有利地，可在成本减小的情况下提供不透明衬底。输出透射可增大并且成本减小。
11.光输入特征可具有最小间距，并且发光二极管可具有最多为光输入特征的最小间距的5％、优选地最多为光输入特征的最小间距的3％并且最优选地最多为光输入特征的最小间距的2％的最大宽度。有利地，发光二极管的数目可减小并且成本可减小。
12.发光二极管可具有最多300微米、优选地小于200微米并且最优选地最多100微米的最大宽度。有利地，发光二极管的成本可减小，同时实现期望的显示器照度。
13.光输入特征可以是完全延伸穿过波导的孔。所述孔可在包括预定区域的法线的至少一个横截面平面中侧边平行。有利地，可减小波导的厚度，可获得高输入效率，并且可获得高均匀性。
14.孔在来自发光二极管的光从中进入的端部处的宽度可以是发光二极管宽度的最多500％，优选是发光二极管宽度的最多300％，并且最优选是发光二极管宽度的最多200％。有利地，可针对不同的操作温度提供发光二极管与孔的对准，同时实现高的光输入效率。
15.光散射元件可布置在发光二极管与波导之间。光散射元件可包括颜色转换材料。光散射元件的高度可优选地大于波导厚度的15％，更优选地大于波导厚度的30％，并且最优选地大于波导厚度的50％。光散射元件的宽度可小于孔的宽度。有利地，光可有效地耦合到波导中，均匀性可增大，并且热点可见性可减小。可实现白光输出。
16.发光二极管可位于波导后面并且被布置成向前发射光，并且所述照明设备还可包括被布置成防止光从孔的前面射出的遮光罩。有利地，发光二极管附近的热点可见性可减小。
17.光输入特征可以是部分延伸穿过波导的凹部。所述凹部可以是圆锥形凹部。圆锥形凹部可相对于预定区域的法线具有至少84度并且优选地至少86度的最小表面法线倾斜。有利地，可省略遮光罩，从而减小成本和组装复杂性。热点可见性可减小或消除。
18.表面起伏提取特征可相对于预定区域的法线具有最多10度、优选地最多7.5度并且最优选地最多5度的最大表面法线倾斜。表面起伏提取特征可相对于预定区域的法线具有至少1度、优选地至少1.5度并且最优选地至少2度的最大表面法线倾斜。有利地，可提供具有窄锥角的输出照明。
19.从波导输出的光可与波导的法线成至少60度的角度。从波导输出的超过50％的光可与波导的法线成大于70度的角度。从具有最大发光强度的波导输出的光的方向可与波导的法线成大于70度的角度。有利地，可提供具有窄锥角的输出照明。
20.前导光表面可包括表面起伏提取特征。有利地，输出效率可增大。
21.后导光表面可包括表面起伏提取特征。有利地，可减少波导与后反射器之间的润湿性。
22.光转向表面可以是平面的。有利地，可提供较窄的照明锥体以在防窥操作模式中
实现较高视觉安全等级。
23.光转向表面可成对布置，各对在包括预定区域的法线的平面中对称。有利地，角度均一性可增大。
24.光转向表面可布置成一维阵列。有利地，可减小工装和复制的成本和复杂性。可提供在侧向方向上具有窄范围的视角并在仰角方向上具有宽范围的视角的显示器。正面用户可方便地旋转显示器以获得舒适的视角。
25.光转向表面可布置成二维阵列。光转向表面可以是棱镜阵列或锥体阵列的表面。有利地，输出效率可增大。可提供在横向和纵向方向上均提供防窥操作的显示器。
26.光转向表面可相对于预定区域的法线具有至少62.5度、优选地至少65度并且最优选地至少66.5度的表面法线倾斜。光转向表面可相对于预定区域的法线具有最多72.5度、优选地最多70度并且最优选地最多68.5度的表面法线倾斜。可在正面方向上提供最高照度以有利地实现正面用户的最高效率。
27.光转向表面可设置在光转向元件的后侧。有利地，可在高视角下实现低光级。
28.后反射器可以是平面的。有利地，可减小反射器成本和复杂度。
29.根据本公开的第二方面，提供一种显示设备，其包括透射式空间光调制器和根据前文任一描述的照明设备，所述照明设备被布置成向所述透射式空间光调制器提供照明。有利地，可提供用于防窥显示器的背光源。当提供可切换偏振控制延迟器时，显示器可以是在公共操作模式下具有期望的离轴照明等级并且在防窥操作模式下具有期望的离轴照明等级的可切换防窥显示器。
30.显示设备还可包括控制系统，所述控制系统被布置成控制从发光二极管发出的光的光通量。所述控制可响应于供应到透射式空间光调制器的图像数据。有利地，可提供适于防窥显示器的高动态范围显示器。
31.本公开的任何方面都可以任何组合的形式应用。
32.本公开的实施例可以用于各种光学系统。所述实施例可以包含或与多种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含式投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电气和/或光学装置一起使用。本公开的各个方面实际上可以与以下设备一起使用：与光学装置和电气装置、光学系统、呈现系统有关的任何设备或可以含有任何类型的光学系统的任何设备。因此，本公开的实施例可以用于光学系统、用于视觉和/或光学展示的装置、可视外围设备等以及多种计算环境中。
33.在进入详细的公开的实施例之前，应当理解，本公开在其应用或创建方面不限于所示的特定设置的细节，因为本公开能够有其它实施例。此外，本公开的各方面可以不同的组合和设置来阐述，以定义其自身权利上独特的实施例。而且，本文使用的术语是出于描述的目的，而非限制。
34.通过阅读本公开的全部内容，本公开的这些和其它优点和特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
35.在附图中通过示例的方式绘示实施例，其中相同的附图标记表示相似的组件，并且其中：
36.图1a是以侧面透视图示出包括被布置成照射空间光调制器的阵列背光源的高效率和高动态范围显示装置的光学堆叠的示意图；
37.图1b是以侧视图示出图1a的背光源的光学堆叠的示意图；
38.图2是以侧面透视图示出包括被布置成照射周围环境的发光二极管阵列的高效率和高动态范围环境照明装置的光学堆叠的示意图；
39.图3a是以侧面透视图示出用于图1a的背光源的光学堆叠中的波导的示意图；
40.图3b是以侧面透视图示出图3a的波导的表面结构的示意图；
41.图4是以侧面透视图示出图1a的背光源的光学堆叠的一维光转向元件的示意图；
42.图5是以侧面透视图示出图1a的背光源的光学堆叠的对称漫射器的示意图；
43.图6a是不具有输出漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；
44.图6b是具有弱对称漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
45.图6c是具有强对称漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
46.图7是以侧面透视图示出不对称漫射器的示意图；
47.图8是具有不对称漫射器的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
48.图9是以侧面透视图示出二维横切光转向元件的示意图；
49.图10a是不具有输出漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；
50.图10b是具有弱对称漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
51.图10c是具有强对称漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
52.图11是以侧面透视图示出包括圆锥形光转向特征阵列的二维光转向元件的示意图；
53.图12a是不具有输出漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；
54.图12b是具有弱对称漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
55.图12c是具有强对称漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
56.图13a是以侧面透视图示出布置在透明衬底上的led阵列的示意图；
57.图13b是以侧面透视图示出与光波导对准的图13a的led阵列的示意图；
58.图14a是以侧面透视图示出包括圆形光提取特征阵列的光波导的示意图；
59.图14b是以侧面透视图示出与led阵列对准的图14a的光波导的示意图；
60.图15a是不具有输出漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；
61.图15b是具有弱对称漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
62.图15c是具有强对称漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；
63.图16是以侧面透视图示出包括伸长的弯曲光提取特征阵列和线性光提取特征交叉阵列的光波导的示意图；
64.图17是以侧视图示出背光源的光学堆叠的示意图，其中led阵列被布置成在向前方向引导输出光，并且示意图包括波导中的孔阵列；
65.图18是以侧视图示出背光源的光学堆叠的示意图，其中led阵列被布置成在向前方向引导输出光，并且示意图包括波导中的圆锥形凹部阵列；
66.图19是以侧面透视图示出包括波导中的圆锥形凹部阵列和对准的led的光波导的示意图；
67.图20是以侧面透视图示出高效率和高动态范围防窥显示装置的光学堆叠的示意图，所述防窥显示装置包括被布置成照射空间光调制器的阵列背光源、反射偏振器和偏振控制延迟器布置；
68.图21a是与30度fwhm输出漫射器串联的图1a的布置和图4的光转向元件的照度的偏振输出分布示意图；
69.图21b是具有表5的说明性延迟器堆叠布置的图20的延迟器堆叠布置的透射的偏振输出分布示意图；
70.图21c是具有表5的说明性延迟器堆叠布置的图20的延迟器堆叠布置的反射率的偏振输出分布示意图；
71.图22a是具有表5的说明性延迟器堆叠布置和在公共操作模式下勒克斯/尼特(lux/nit)比为1.0的图20的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的偏振输出分布示意图；
72.图22b是具有表5的说明性延迟器堆叠布置和在防窥操作模式下勒克斯/尼特比为1.0的图20的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的偏振输出分布示意图；以及
73.图23是示出制造照明设备的方法的流程图。
具体实施方式
74.显示器的私密操作模式是观察者看到低对比灵敏度而使得图像不清晰可见的模式。对比敏感度是区分静态图像中不同等级的照度的能力的度量。反向对比敏感度可以用作视觉安全的量度，因为高视觉安全等级(vsl)对应于低图像可见性。
75.对于向观察者提供图像的防窥显示器，视觉安全可以如下给出：
76.vsl＝(y r)/(y-k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式1
77.其中vsl是视觉安全等级，y是在窥探者视角的显示器的白色状态的照度，k是在窥探者视角的显示器的黑色状态的照度，r是来自显示器的反射光的照度。
78.面板对比率给定为：
79.c＝y/k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式2
80.对于高对比度光学lcd模式，白色状态透射随视角基本保持恒定。在本实施例的对比度降低液晶模式中，白色状态透射通常随着黑色状态透射的增加而降低，使得
81.y k～p.l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式3
82.然后，视觉安全等级可以进一步给出为：
[0083][0084]
其中离轴相对照度p通常被定义为在窥探者角度处的正面照度l的百分比，并且显示器可以具有图像对比度c，并且表面反射率是ρ。
[0085]
离轴相对照度p有时称为防窥等级。然而，此类防窥等级p描述了与正面照度相比在给定极角的显示器的相对照度，并且不是防窥外观的度量。
[0086]
显示器可以由朗伯(lambertian)环境照度i照射。因此，在完全黑暗的环境中，高对比度显示器具有大约1.0的vsl。当环境照度增加时，所感知的图像对比度降低，vsl增加并且感知到私密图像。
[0087]
对于典型的液晶显示器，对于几乎所有的视角，面板对比度c都在100:1以上，允许视觉安全等级接近：
[0088]
vsl＝1 i.ρ/(π.p.l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式5
[0089]
感知图像安全性可以从眼睛的对数响应确定，使得
[0090]
s＝log
10
(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式6
[0091]
按以下方式确定s的理想极限。在第一步骤中，提供防窥显示装置。使用适光测量设备对显示装置的防窥等级p(θ)随偏振视角的变化和显示装置的反射率ρ(θ)随偏振视角的变化进行了测量。例如基本上均匀照度的灯箱等光源被布置成从照明区提供照明，所述照明区被布置成沿着入射方向照射防窥显示装置，以便以与显示装置的法线成大于0
°
的极角反射到观看者位置。考虑到反射率ρ(θ)的变化，通过测量记录的反射照度随偏振视角的变化来确定基本朗伯发射灯箱的照度随偏振视角的变化i(θ)。使用p(θ)、r(θ)和i(θ)的测量来确定安全系数s(θ)随偏振视角沿零仰角轴的变化。
[0092]
在第二步骤中，在防窥显示器上提供一系列高对比度图像，包含(i)具有最大字体高度3mm的小文本图像，(ii)具有最大字体高度30mm的大文本图像和(iii)移动图像。
[0093]
在第三步骤中，每个观察者(在适当的情况下具有用于在1000mm处观看的视力校正)从1000m的距离观看每个图像，并且在零仰角处调整它们的偏振视角，直到对于一只眼睛从显示器上靠近或接近显示器中心线的位置实现图像不可见性。记录观察者眼睛的偏振位置。根据关系s(θ)，确定所述偏振位置处的安全系数。对于不同的图像、对于各种显示照度y
max
、不同的灯箱照度i(q＝0)、对于不同的背景照明条件和对于不同的观察者重复测量。
[0094]
从上述测量中，s《1.0提供低视觉安全或没有视觉安全，1.0≤s《1.5提供取决于图像内容的对比度、空间频率和时间频率的视觉安全，1.5≤s《1.8对于大多数图像和大多数观察者提供可接受的图像不可见性(即没有可观察到的图像对比度)，而s≥1.8提供完全的图像不可见性，与所有观察者的图像内容无关。
[0095]
与防窥显示器相比，理想的是在标准环境照度条件下容易观察到广角显示器。图像可见性的一种度量是对比灵敏度，例如迈克尔逊对比度(michelson contrast)，其由下式给出：
[0096]
m＝(i
max-i
min
)/(i
max
i
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式7
[0097]
并且因此：
[0098]
m＝((y r)-(k r))/((y r) (k r))＝(y-k)/(y k 2.r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式8
[0099]
因此，视觉安全等级(vsl)等于(但不同于)1/m。在本论述中，对于给定的离轴相对照度p，广角图像可见性w近似为
[0100]
w＝1/vsl＝1/(1 i.ρ/(π.p.l))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式9
[0101]
在本论述中，来自期望的白点(uw'，vw')的输出颜色(uw' δu'，vw' δv')的颜色变化δε可以在假定典型的显示光谱光源的情况下通过cieluv色差度量来确定，并且由下式给出：
[0102]
δε＝(δu'2 δv'2)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式10
[0103]
反折射元件采用折射和反射，其可以是全内反射或来自金属化表面的反射。
[0104]
现在将描述各种定向显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同的元件具有共同的附图标记。注意，与任何元件有关的公开适用于其中提供相同或对应元件的每一个装置。因此，为了简洁起见，不再重复此类公开。
[0105]
期望的是提供一种显示器，其对于正面显示器用户来说效率高，同时实现高动态范围以增大图像对比度。
[0106]
图1a是以侧面透视图示出包括被布置成照射空间光调制器48的阵列背光源20的高效率和高动态范围显示装置100的光学堆叠的示意图；并且图1b是以侧视图示出图1a的背光源20的光学堆叠的示意图。
[0107]
显示设备100包括透射式空间光调制器48和照明设备，所述照明设备包括布置成向透射式空间光调制器48提供照明的背光源20。包括背光源20的照明设备被布置用于在预定区域上提供照明400。图1a中的预定区域至少是空间光调制器48的工作区域并且与所述工作区域相比通常尺寸超大以有利地为离轴观看位置提供均匀照明。
[0108]
空间光调制器48包括：输入偏振器210；tft衬底212；通常用红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224像素化的液晶层214；滤色器衬底216和输出偏振器218。
[0109]
控制系统包括显示控制器310、背光源控制器314和被布置成控制来自led 3的阵列的光通量的led阵列驱动器317，以及被布置成控制空间光调制器48的像素220、222、224的slm控制器312。可向控制器314提供图像数据，使得利用图像信息控制led阵列的led3。控制系统310、314、317、312被布置成控制从发光二极管3发出的光的光通量，其中所述控制响应于供应到透射式空间光调制器48的图像数据。
[0110]
有利地，可提供高动态范围图像。例如，在空间光调制器48上提供黑色像素的图像区中，来自led阵列的led 3的光通量可减少，并且实现图像对比度增大。进一步会增大显示效率。可为图像的高亮区提供增大的照度以实现进一步增强的动态范围。
[0111]
所述照明设备包括设置在支撑衬底30上的发光二极管3的二维阵列，发光二极管3(或led 3)跨预定区域排列。
[0112]
波导1包括光输入特征12的阵列，每个光输入特征12与发光二极管3的阵列中的至少一个发光二极管3对准，光输入特征12被布置成将例如来自至少一个对准的发光二极管3的光线402等光输入波导1中。前导光表面6和后导光表面8跨波导1的所述预定区域延伸，并且被布置成通过全内反射沿光波导1来导引从发光二极管3的阵列接收的光线402。
[0113]
前导光表面6包括表面起伏提取特征32，所述表面起伏提取特征被布置成从在波导1中导引的光402中提取光穿过前导光表面6和后导光表面8中的至少一者。
[0114]
如下文将进一步描述，从特征32输出的光接近来自波导的掠入射并且通常与法线199成约75度。期望从空间光调制器48在与预定区域的法线199的方向接近的方向上输出光锥60中的光400。例如，光锥60表示输出光400的fwhm分布轮廓。
[0115]
光转向元件5被布置在波导1前面，并且包括光转向表面15a、15b，所述光转向表面被布置成接收提取的光线402并将提取的光线402朝向预定区域的法线199重定向。
[0116]
提供任选反射再循环偏振器208以使偏振光在背光源20内再循环。可在反射偏振器208与光转向元件5之间布置另外的半波延迟器(未示出)，以使用来自光转向元件5的小面和平面后反射器9的内反射来增大再循环光的照度。
[0117]
后反射器9跨后导光表面8延伸并通过气隙19与所述后导光表面分离，后反射器9被布置成反射入射于其上的光线404并将所述光线重定向穿过波导1。其它光线406由后反射器9进一步引导穿过波导。
[0118]
在图1a-b的实施例中，发光二极管3位于波导1的前面并且被布置成向后发射例如光线402、404的光。输入光线进入波导1并且至少由后导光表面8反射，之后耦合出来。发光二极管3附近的光提取会减少，并且有利地，热点减少。led 3的分离度可增大，数目减小，同时实现期望的均匀性。有利地，成本减小。
[0119]
支撑衬底30对于来自发光二极管3的光线402、404是透明的。从波导提取的光线被提取穿过衬底30，或由后反射器9反射和再循环。可实现高效率输出。
[0120]
光输入特征12具有最小间距p，并且发光二极管3具有最多为光输入特征12的最小间距p的5％、优选地最多为光输入特征12的最小间距p的3％并且最优选地最多为光输入特征12的最小间距p的2％的最大宽度w。有利地，led可稀疏分散开，并且数目减小，同时实现高均匀性和低成本。在接近光输入特征12的区域中可减少光损失和热点。
[0121]
发光二极管3具有最多300微米、优选地小于200微米并且最优选地最多100微米的最大宽度w。有利地，可减小半导体材料的总面积，从而降低成本。
[0122]
发光二极管3各自提供于光散射元件4中。颜色转换材料和/或光散射材料可布置在光散射元件4中以接收来自发光二极管3的光，以例如将来自gan led的蓝色输出转换为白光或散射蓝光。光散射元件还可包括透明材料。颜色转换材料可以是磷光体材料或量子点材料。
[0123]
光散射元件4的宽度w'大于或等于发光二极管3的宽度w并且小于孔12的宽度a。光散射元件的高度h优选地大于波导1的厚度t的15％，更优选地大于波导1的厚度的30％，并且最优选地大于波导1的厚度的50％。光散射元件内的光散射和/或颜色转换区424实现了波导1内光学模(optical mode)的填充增加。有利地，增大了照明的均匀性并且减小了热点可见性。
[0124]
颜色转换材料可以薄层涂布在发光二极管上。发光二极管可具有不同颜色的输出3r、3g、3b，并且光散射元件可仅包括光散射材料或者可省略。
[0125]
在图1a-b的实施例中，光输入特征12是完全延伸穿过波导1的孔并且在包括预定区域的法线199的至少一个横截面平面中具有侧面14a、14b。孔在来自发光二极管的光从中进入的端部处的宽度a可以是发光二极管3的宽度(或直径)w的最多500％，优选是发光二极管3的宽度w的最多300％，并且最优选是发光二极管3的宽度w的最多200％。
[0126]
前导光表面6包括将在下文参考图3a-b进一步描述的表面起伏提取特征。
[0127]
可能需要提供用于环境照明或其它照明目的的准直照明设备以实现高照度和低眩光。
[0128]
图2是以侧面透视图示出包括被布置成照射周围环境的发光二极管阵列的高效率和空间可控制环境照明装置的光学堆叠的示意图。可控制光输出以跨照明设备的预定区域提供空间图案化照明光锥60a、60b、60c。如将在下文中进一步描述，可在窄锥角中实现高空间均匀性照明。
[0129]
有利地，照明设备可从大面积光源提供具有高均匀性的日光型照明。与小面积准直源相比，照明设备的照度有所降低。可减少图像眩光并实现高效率。
[0130]
此外，可通过借助控制器310、314、317向照明设备提供图像数据以及省略空间光调制器48来改变照明的分布轮廓以实现光斑纹模拟(light dappling simulation)。可实现室内操作期望的照明特性以模拟室外环境。
[0131]
可假设未进一步详细论述的图2的布置的特征对应于如上文所论述的具有等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0132]
现将进一步描述光波导1的结构。
[0133]
图3a是以侧面透视图示出用于图1a的背光源20的光学堆叠中的波导1的示意图；并且图3b是以侧面透视图示出图3a的波导1的表面结构的示意图。可假设未进一步详细论述的图3a-b的布置的特征对应于具有如上文所论述的等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0134]
平面的表面起伏光提取特征32a-d被布置成关于相应的不同平面x-z和y-z具有相对于预定区域的法线199倾斜的表面法线。有利地，图1b中的光线402的光提取方向可在两个维度上实现，并且在偏振空间中会获得一定的输出对称性。
[0135]
表面起伏提取特征32相对于预定区域的法线199具有最大表面法线倾斜33(具有示出的示例性角度33a)，其最多为10度，优选地最多为7.5度并且最优选地最多为5度。表面起伏提取特征32相对于预定区域的法线199具有至少1度、优选地至少1.5度并且最优选地至少2度的最大表面法线倾斜33。有利地，可实现高效光提取。
[0136]
从波导输出的光可与波导的法线成至少60度的角度。从波导输出的超过50％的光可与波导的法线成大于70度的角度。从具有最大发光强度的波导输出的光的方向可与波导的法线成大于70度的角度。有利地，可提供具有窄锥角的输出照明。
[0137]
现将进一步描述光转向膜5的结构。
[0138]
图4是以侧面透视图示出图1a-b的背光源20的光学堆叠的一维光转向元件5的示意图。光转向元件5包括光转向表面50a、50b，所述光转向表面是平面的并且成对布置，所述对在包括预定区域的法线199的平面中是对称的。在其它实施例(未示出)中，可提供不对称对以提供输出照度分布轮廓的一些不对称性。可假设未进一步详细论述的图4的布置的特征对应于具有如上文所论述的等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0139]
光转向表面50a-b被布置成一维阵列。有利地，此类元件以低成本和高产率方便地加工和复制。
[0140]
光转向表面50a、50b相对于预定区域的法线199具有至少62.5度、优选地至少65度并且最优选至少66.5度的表面法线51a、51b倾斜52a、52b。
[0141]
光转向表面50a、50b相对于预定区域的法线199具有最多72.5度、优选地最多70度
并且最优选地最多68.5度的表面法线51a、51b倾斜52a、52b。
[0142]
光转向表面50a、50b设置在光转向元件5的后侧58上。前侧56可以是平面的或者可包括漫射表面。
[0143]
返回到图1b的描述，光转向元件5借助在光转向表面50a、50b处的折射和全内反射将来自波导的光重定向到沿着预定区域的法线199的方向。有利地，来自照明设备的输出具有高效率和轴上方向。
[0144]
此外，从挡光区与空间光调制器48之间的区域引导一些光线402。有利地，空间均匀性增大，同时保持期望的偏振照度分布轮廓，如下文进一步描述。
[0145]
图5是以侧面透视图示出图1a的背光源的光学堆叠的对称漫射器的示意图。体漫射层和/或表面漫射层被布置成将准直输入光线重定向到光锥62。来自照明设备20的输出光锥60由从光转向元件5输出的光锥和漫射器光锥62的组合确定。在对称漫射器中，角度φ
x
、φy相等，其中角度φ
x
、φy表示与沿预定区域的法线199的照度相比为一半照度的角度。在本公开中，朗伯漫射器是为给定轴上的所有角度提供相等照度的漫射器。
[0146]
现将参考上述图的结构以及表1a和图6a-c中描述的光学性质来描述说明性实施例。
[0147][0148]
表1a
[0149]
表1b示出本发明实施例的项目的期望范围。
[0150][0151]
表1b
[0152]
图6a是不具有输出漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；图6b是具有弱对称漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；以及图6c是具有强对称漫射器和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图。
[0153]
有利地，提供了在侧向方向(平行于x轴)上具有有限范围的角度照度分布轮廓。与朗伯或其它广角输出相比，此类分布轮廓具有更高的轴上照明效率。
[0154]
可通过调整如图6c所示的漫射器7的分布轮廓来实现更期望的均匀性。
[0155]
此类显示器适合与防窥显示器控制元件一起使用，如下文将参考图20所描述。
[0156]
将需要减小图6b-c的y轴方向上的空间不均匀性。
[0157]
图7是以侧面透视图示出不对称漫射器的示意图；并且图8是具有类似于图7所示并且在表1a中描述的不对称漫射器的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图。
[0158]
有利地，可减小空间不均匀性。
[0159]
期望的是进一步增大正面显示效率。
[0160]
图9是以侧面透视图示出二维横切光转向元件5的示意图。光转向表面252a-d被布置成二维阵列，并且所述光转向表面是棱镜阵列的表面。
[0161]
与图4的光转向元件相比，光转向表面252a-d被布置成二维阵列并且是具有平面侧面的棱镜阵列，即，它们是方形金字塔。
[0162]
现将参考上述各图的结构和表1a中描述的被表2和图10a-c的光转向元件修改的光学性质来描述说明性实施例。
[0163][0164]
表2
[0165]
图10a是不具有输出漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；图10b是具有弱对称漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；以及图10c是具有强对称漫射器和图9的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图。
[0166]
有利地，输出的方位均匀性增大。与图6a的输出相比，提供较高轴上效率。此类背
光源20还适合与在横向操作模式和纵向操作模式中使用的移动显示器一起使用。
[0167]
可能期望提供增大的偏振照度分布轮廓对称性。
[0168]
图11是以侧面透视图示出包括圆锥形光转向特征阵列的二维光转向元件的示意图。光转向表面254被布置成二维阵列，并且所述光转向表面254是锥体阵列的表面。
[0169]
现将参考上述各图的结构和表1a中描述的被表3和图12a-c的光转向元件修改的光学性质来描述说明性实施例。
[0170][0171]
表3
[0172]
图12a是不具有输出漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；图12b是具有弱对称漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；以及图12c是具有强对称漫射器和图11的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图。
[0173]
现将进一步描述透明发光二极管支撑衬底30的结构。
[0174]
图13a是以侧面透视图示出布置在透明衬底30上的led 3的阵列的示意图。电极134、136可被布置成向led 3提供驱动信号并且可由驱动器317驱动。电极134、136可以是透明电极以有利地实现增大的光效率。挡光元件28可以是电极。此外，挡光元件28可以是反射性的以增大来自led 3的光输出效率。
[0175]
led 3可具有响应于参考图1a描述的图像数据而被控制的输出。可提供另外的控制电路系统138，例如薄膜晶体管，以实现对led或led群组的控制。有利地，可实现高动态范围操作。可减小功耗。
[0176]
衬底30可例如包括玻璃材料。可为电极134、136和控制电路系统138提供高温处理。
[0177]
led可具有在led 3上形成为柱的颜色转换材料4。来自led 3的光可被颜色转换材料4散射并从侧向输入到波导1中。有利地，效率可增大。可调整材料柱4在垂直于预定方向的方向199上的高度，以实现对来自led 3阵列上的相应led 3的颜色的控制。
[0178]
可假设未进一步详细论述的图13a的布置的特征对应于如上文所论述的具有等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0179]
现将描述衬底12与波导1的对准。
[0180]
图13b是以侧面透视图示出与光波导对准的图13a的led阵列的示意图。光输入特征12的间距p与led 3的间距基本相同。可提供光输入特征12的宽度w以在背光源20的热循环期间维持对准。衬底30和波导1的材料可相同，或可具有基本相同的热膨胀系数。在衬底30是玻璃材料的情况下，波导1可以是玻璃材料。可通过对衬底30的激光处理来形成特征12。
[0181]
有利地，可在期望的操作温度范围内维持均匀性和效率。
[0182]
可假设未进一步详细论述的图13b的布置的特征对应于如上文所论述的具有等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0183]
现将描述表面起伏提取特征32的其它布置。
[0184]
图14a是以侧面透视图示出包括圆顶形表面起伏提取特征32的阵列的光波导的示意图；并且图14b是以侧面透视图示出与led阵列对准的图14a的光波导的示意图。可假设未进一步详细论述的图14a-b的布置的特征对应于具有如上文所论述的等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0185]
与图3a的波导1相比，特征32是球面圆顶，其具有在每个圆顶的尖点处提供最大倾斜角的曲率半径。与图3b的小面32a-d相比，图14a-b的圆顶形特征32可能更容易加工和复制。
[0186]
现将参考上述各图的结构和表1a中描述的被表4和图15a-c的光提取特征修改的光学性质来描述说明性实施例。
[0187][0188]
表4
[0189]
图15a是不具有输出漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的偏振输出分布的示意图；图15b是具有弱对称漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图；以及图15c是具有强对称漫射器、图14a的波导和图4的光转向元件的图1a的布置的沿预定区域的法线方向上的光输出均匀性的空间分布示意图。
[0190]
与图6a-c的输出相比，可实现更广的输出分布轮廓。
[0191]
在本实施例中可提供波导1光提取特征的其它布置。
[0192]
图16是以侧面透视图示出光波导的示意图，所述光波导包括在x方向上伸长的透镜状光提取特征32a的阵列和在y方向上伸长的平面光提取特征32b的交叉阵列。此类阵列可有利地实现对侧向和仰角偏振方向上的输出分布的控制。
[0193]
可假设未进一步详细论述的图16的布置的特征对应于如上文所论述的具有等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0194]
可能期望提供不透明衬底以用于安装led 3。
[0195]
图17是以侧视图示出背光源的光学堆叠的示意图，其中led阵列被布置成在向前方向引导输出光，并且示意图包括用于波导1中的光输入特征12的孔阵列；
[0196]
可假设未进一步详细论述的图17的布置的特征对应于如上文所论述的具有等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0197]
发光二极管3位于波导1后面并且被布置成向前发射光线408。
[0198]
照明设备20还包括被布置成防止光从光输入特征12的孔前面射出的遮光罩120。
[0199]
在图17的实施例中，后导光表面包括表面起伏提取特征32，所述表面起伏提取特征可具有例如图3a-b、图14a或图16等图中描述的分布轮廓。
[0200]
后反射器9跨后导光表面8延伸并通过气隙19与所述后导光表面分离，后反射器9被布置成反射入射于其上的光线408并将所述光线重定向穿过波导1。
[0201]
有利地，可增大光通过效率，因为不存在例如图1a的透明衬底30处的损失。
[0202]
可能期望不提供遮光罩120。
[0203]
图18是以侧视图示出背光源20的光学堆叠的示意图，其中led阵列被布置成在向前方向引导输出光线410，并且示意图包括作为波导1中的圆锥形凹部的光输入特征12的阵列；以及图19是以侧面透视图示出包括波导1中的圆锥形凹部阵列和对准的led的光波导的示意图。
[0204]
可假设未进一步详细论述的图18-19的布置的特征对应于具有如上文所论述的等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0205]
光输入特征12是部分地延伸穿过波导1的凹部，其在图18中是圆锥形凹部。圆锥形凹部相对于预定区域的法线199具有至少84度并且优选地至少86度的最小表面14法线114倾斜116。
[0206]
与图17的实施例相比，在没有遮光罩120的情况下，光输入通过折射被引导到波导1中。有利地，减小了制造的复杂度和成本。led 3附近的热点得以减少。相比于具有透明衬底30的布置，效率增大。
[0207]
在图17的实施例中，led 3被示为形成于后反射器9上。后反射器9可例如通过led 3后面的反射区9a以及区9a之间的反射区9b来形成为不透明衬底31上的一个或多个单独的层。有利地，衬底31可以适于制造的材料提供，所述材料例如玻璃或聚合物，例如丙烯酸酯、pmma、pet、pc、cop和其它已知的透明聚合物。与波导1的热膨胀系数相比，此类材料可进一步提供有适当的热膨胀系数，以使操作期间的热偏差最小化。
[0208]
凹部在来自发光二极管的光从中进入的端部处的开口宽度r可以是发光二极管3的宽度(或直径)w的最多500％，优选是发光二极管3的宽度w的最多300％，并且最优选是发光二极管3的宽度w的最多200％。有利地，光线410可高效地耦合到波导1中。
[0209]
图20是以侧面透视图示出高效率和高动态范围防窥显示装置100的光学堆叠的示意图，所述防窥显示装置包括被布置成照射空间光调制器48的阵列背光源20、反射偏振器302和偏振控制延迟器布置300。可假设未进一步详细论述的图20的布置的特征对应于具有如上文所论述的等同附图标号的特征，包含所述特征的任何可能变型。
[0210]
可切换液晶延迟器堆叠300与背光源20和空间光调制器48串联布置。堆叠300包括可切换液晶延迟器301，所述可切换液晶延迟器包括具有透明电极和用以提供液晶层314的可控制对准的对准层的衬底312、316。堆叠300还包括额外的偏振器332和补偿延迟器330。在均以全文引用的方式并入本文中的第10,126,575号美国专利和第10,303,030号美国专利以及同样以全文引用的方式并入本文中的第2020-0159055号美国专利公开案中描述了各种实施例。
[0211]
表5以及防窥和公共模式下的偏振分布轮廓中提供偏振控制延迟器300的说明性实施例。
[0212][0213]
表5
[0214]
图21a是与30度fwhm输出漫射器7串联的图1a的布置和图4的光转向元件的照度的
偏振输出分布的示意图；图21b是具有表5的说明性延迟器堆叠布置的图20的延迟器堆叠布置的透射的偏振输出分布示意图；以及图21c是具有表5的说明性延迟器堆叠布置的图20的延迟器堆叠布置的反射率的偏振输出分布示意图。
[0215]
图22a是具有表5的说明性延迟器堆叠布置和在公共操作模式下勒克斯/尼特比为1.0的图20的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的偏振输出分布示意图；以及图22b是具有表5的说明性延迟器堆叠布置和在防窥操作模式下勒克斯/尼特比为1.0的图20的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的偏振输出分布示意图。区360表示典型的正面用户从500mm观看的14英寸对角线16:9纵横比显示器所看到的极角。图像的所有区域具有小于1.2的vsl，从而有利地在用于显示器用户的整个显示区域实现高图像可见性。
[0216]
图22a进一步示出显示器在公共操作模式下在宽偏振区上具有高图像可见性，而图22b示出在宽偏振区上针对窥探者的高视觉安全等级(vsl》4)。
[0217]
有利地，提供了一种对显示器用户具有高图像可见性和对窥探者具有高视觉安全等级的可切换防窥显示器。
[0218]
可切换液晶延迟器堆叠300和空间光调制器48被布置成接收由光转向元件5传输的光。漫射器334可被布置成修改输出锥角并且进一步最小化龟纹(moir
é
)和不均匀的影像。
[0219]
控制系统还可包括可切换液晶延迟器堆叠300控制器312和液晶单元驱动器315，以控制跨液晶延迟器301的电压。控制器312被布置成对电压驱动器350进行寻址，使得当显示器在广角模式下操作时，在第一对准状态下驱动可切换液晶延迟器301，并且当显示器在窄角防窥模式下操作时，在第二对准状态下驱动所述可切换液晶延迟器。
[0220]
图23是示出制造照明设备的方法的流程图。
[0221]
在第一步骤s1，提供透明波导1衬底。
[0222]
在第二步骤s2，在波导1衬底上提供光刻胶层510。
[0223]
在第三步骤s3，使用已知的掩模曝光方法在光刻胶层510中形成孔区512。
[0224]
在第四步骤s4，在层510和孔区512上方提供金属层514。
[0225]
在第五步骤s5，去除光刻胶510以留下金属区516。
[0226]
在第六步骤s6，将一层可固化透明材料518施加到衬底1上，使得金属区516被覆盖。
[0227]
在第七步骤s7，将表面上布置有微结构522的轧辊520滚轧到层518上，并布置准直uv光524以照射穿过波导1衬底，并在波导1的第二表面8上形成微结构。被遮蔽隔离uv光524的区517不固化，而未被遮蔽的区519被固化。
[0228]
在第八步骤s8，例如通过洗涤移除区517中的未固化材料。在波导1的层518中形成孔区526。
[0229]
在第九步骤s9，光源3的阵列与波导1和后反射器9对准。有利地，金属区516反射来自发光二极管3的光线，所述光线以类似于图1b所示的方式耦合到波导1中。通过比较，图1b的通孔和后反射器9、金属区516有利地实现发光二极管3附近热点的可见性降低。
[0230]
如在此可以使用的，术语“基本上”和“大约”为其对应的术语和/或项目之间的相关性提供了行业上可接受的容差。此类行业上可接受的容差范围从百分之零到百分之十，并且对应于但不限于分量值、角度等。项目之间的此类相关性的范围在大约百分之零到百
分之十之间。
[0231]
尽管上面已经描述了根据在此公开的原理的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为示例而非限制来呈现。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述示范性实施例的限制，而是应仅根据从本公开发出的任何权利要求及其等同物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但是不应当将此类发布的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任何一个或全部的过程和结构。
[0232]
另外，本文中提供的章节标题是为了与37cfr 1.77下的建议一致，或提供组织线索。这些标题不应当限制或表征本公开可能发布的任何权利要求中阐述的实施例。具体地并且通过示例的方式，虽然标题指的是“技术领域”，但是权利要求不应被在所述标题下选择来描述所谓的领域的语言限制。此外，“背景技术”中的技术描述不应被解释为承认某些技术是本公开中的任何实施例的现有技术。“发明内容”也不被认为是所发布的权利要求中阐述的实施例的特性。此外，在本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应当被用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可以根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个实施例，并且此类权利要求相应地限定了受其保护的实施例及其等同物。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开根据其自身的优点来考虑，但不应受本文所述的标题的限制。