Устройство отображения с управлением направлением выхода, задняя подсветка для такого устройства отображения и способ направления света
Изобретение относится к устройствам задней подсветки дисплея. Устройство содержит световод с боковой подсветкой, имеющий массив световыводящих структур для обеспечения возможности выхода света из световода в местоположении световыводящих структур. Компоновка источников света используется для предоставления света в световод на одном или обоих противоположных боковых краях. Компоновка источников света является управляемой для предоставления выбранного одного из по меньшей мере первого и второго световых выходов в световод, причем упомянутые два световых выхода имеют отличный угол относительно общей плоскости световода и обеспечивают в результате свет, который выходит из световода с отличным диапазоном углов выхода, обеспечивая направленный выход задней подсветки. Изобретение обеспечивает возможность формирования автостереоскопического дисплея без необходимости лентикулярного массива. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 18 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к задней подсветке для устройства отображения, которая особенно подходит для устройства отображения, в котором изображения отображаются в узком диапазоне выходных направлений. Одним таким примером является автостереоскопическое устройство отображения, которое содержит панель отображения, имеющую массив пикселов отображения, и компоновку для направления отличных видов в отличные физические местоположения. Другим примером является дисплей с обеспечением конфиденциальности, в котором отображаемое изображение обеспечивается только в направлении наблюдателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Известное автостереоскопическое устройство отображения содержит двунаправленную жидкокристаллическую панель отображения, имеющую массив строк и столбцов пикселов отображения (причем «пиксел» обычно содержит множество «подпикселов», и «подпиксел» является наименьшим отдельно адресуемым одноцветным элементом картинки), действующий в качестве средства формирования изображения для создания отображения. Массив удлиненных линз, продолжающихся параллельно друг другу, покрывает массив пикселов отображения и действует в качестве средства формирования вида. Эти линзы известны как «лентикулярные линзы». Выходы (световые выходы) пикселов отображения проецируются через эти лентикулярные линзы, которые выполнены с возможностью модифицирования направлений выходов.
Лентикулярные линзы обеспечены в виде листа линзовых элементов, каждый из которых содержит удлиненный частично-цилиндрический (например, полуцилиндрический) линзовый элемент. Лентикулярные линзы продолжаются в направлении столбцов панели отображения, причем каждая лентикулярная линза покрывает соответствующую группу из двух или более смежных столбцов подпикселов отображения.
Каждая лентикулярная линза может быть связана с двумя столбцами подпикселов отображения для обеспечения пользователю возможности наблюдать единственное стереоскопическое изображение. Вместо этого, каждая лентикулярная линза может быть связана с группой из трех или более смежных подпикселов отображения в направления строки. Соответствующие столбцы подпикселов отображения в каждой группе расположены соответствующим образом для обеспечения вертикального среза соответствующего двумерного подызображения. Когда голова пользователя движется слева направо, наблюдается ряд последовательных отличных стереоскопических видов, создающих, например, впечатление кругового обзора.
Фиг. 1 является схематичным видом в перспективе известного автостереоскопического устройства 1 отображения прямого наблюдения. Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую панель 3 отображения с активной матрицей, которая действует как пространственный модулятор света для создания отображения.
Панель 3 отображения имеет ортогональный массив строк и столбцов подпикселов 5 отображения. Для ясности, на фигуре показано только малое количество подпикселов 5 отображения. На практике, панель 3 отображения может содержать около одной тысячи строк и несколько тысяч столбцов подпикселов 5 отображения. В черно-белой панели отображения, подпиксел фактически образует полный пиксел. В цветном дисплее, подпиксел является одноцветным компонентом полноцветного пиксела. Полноцветный пиксел, согласно общей терминологии, содержит все подпикселы, необходимые для создания всех цветов наименьшей отображаемой части изображения. Таким образом, например, полноцветный пиксел может иметь красный (R), зеленый (G) и синий (B) подпикселы, возможно, дополненные белым и/или желтым подпикселом и/или одним или несколькими другими элементарными цветовыми подпикселами. Конструкция жидкокристаллической панели 3 отображения является полностью общепринятой. Конкретно, панель 3 содержит пару разнесенных прозрачных стеклянных подложек, между которыми обеспечен выровненный скрученный нематик или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут структуры прозрачных электродов из оксида индия и олова (indium tin oxide - ITO) на своих лицевых поверхностях. Поляризующие слои также обеспечены на внешних поверхностях подложек.
Каждый подпиксел 5 отображения содержит противоположные электроды на подложках, причем жидкокристаллический материал находится между ними. Форма и расположение подпикселов 5 отображения определены формой и расположением электродов. Подпикселы 5 отображения отделены друг от друга регулярными интервалами.
Каждый подпиксел 5 отображения связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (thin film transistor - TFT) или тонкопленочный диод (thin film diode - TFD). Пикселы отображения выполнены с возможностью создания отображения посредством обеспечения адресуемых сигналов для переключающих элементов, и подходящие схемы адресации известны специалистам в данной области техники.
Панель 3 отображения освещена источником 7 света, содержащим, в этом случае, планарную заднюю подсветку, продолжающуюся поверх области массива пикселов отображения. Свет от источника 7 света направляют через панель 3 отображения, причем отдельными подпикселами 5 отображения управляют для модулирования света и создания отображения. Задняя подсветка 7 имеет боковые края 7a и 7b, верхний край 7c и нижний край 7d. Она имеет переднюю поверхность, из которой выходит свет.
Устройство 1 отображения также содержит лентикулярный лист 9, расположенный поверх стороны отображения панели 3 отображения, который выполняет функцию направления света и, таким образом, функцию формирования вида. Лентикулярный лист 9 содержит строку лентикулярных элементов 11, продолжающихся параллельно друг другу, из которых только один показан с преувеличенными размерами для ясности.
Лентикулярные элементы 11 имеют форму выпуклых (полу-) цилиндрических линз, каждая из которых имеет длинную ось 12, продолжающуюся перпендикулярно цилиндрической кривизне элемента, и каждый элемент действует как средство направления светового выхода для обеспечения отличных изображений, или видов, от панели 3 отображения к глазам пользователя, располагающегося перед устройством 1 отображения.
Компоновка визуализации лентикулярного типа создает множественные конусы наблюдения. В пределах каждого конуса, повторяется множество отличных видов. Для отображений для множественных наблюдателей, это является преимуществом, поскольку это позволяет заполнить видами все поле зрения. Особенно предпочтительным для движущихся наблюдателей может быть использование единственного конуса наблюдения, например, в системе отслеживания головы, которая отслеживает местоположение единственного наблюдателя или малого количества наблюдателей.
Устройство отображения имеет контроллер 13, который управляет задней подсветкой и панелью отображения.
Автостереоскопическое устройство 1 отображения, показанное на фиг. 1, способно обеспечить несколько отличных видов в перспективе в отличных местоположениях, т.е. оно может направить выход пиксела в отличные пространственные местоположения в пределах поля зрения устройства отображения. Конкретно, каждый лентикулярный элемент 11 покрывает малую группу подпикселов 5 отображения в каждой строке, причем, в текущем примере, строка продолжается перпендикулярно длинной оси лентикулярного элемента 11. Лентикулярный элемент 11 проецирует выход каждого подпиксела 5 отображения группы в отличном направлении, для формирования нескольких отличных видов. Когда голова пользователя будет двигаться слева направо, его/ее глаза будут поочередно принимать отличные виды из этих нескольких видов.
Общая проблема лентикулярных автостереоскопических дисплеев состоит в уменьшенном разрешении в трехмерном режиме. Использование множественных пикселов под каждым лентикулярным линзовым элементом означает, что несколько видов генерируются одновременно. Это уменьшает доступное разрешение автостереоскопических дисплеев в трехмерном режиме по сравнению с естественным разрешением двумерной панели отображения.
Одним известным способом для предотвращения этой потери разрешения панели в трехмерном режиме является генерирование требуемых отличных видов последовательно по времени. Этот подход может быть реализован, например, с использованием компонента направленной задней подсветки, который генерирует коллимированный свет под отличными углами наблюдения в отличные моменты времени.
Если скорость переключения направленности задней подсветки является достаточно большой, и генерируемые направления светового выхода покрывают необходимый диапазон для множественных видов, то такая задняя подсветка может быть использована для создания трехмерного отображения, не требующего наличия линзы и обеспечивающего полное естественное разрешение панели.
Существуют известные примеры задних подсветок, которые обеспечивают направленные выходы. Концепция двувидовой направленной задней подсветки описана в заявке на патент США 2009/7518663. Устройство отображения включает в себя панель отображения, элемент перенаправления света для направления света через панель отображения, и световод для направления света к элементу перенаправления света. Два источника света соединены со световодом для ввода света в световод в двух направлениях. Элемент перенаправления света имеет первую канавчатую структуру, а световод имеет вторую канавчатую структуру, таким образом, свет от источников света направляется через панель отображения с двумя угловыми распределениями. Канавчатые световыводящие структуры применяются на верхней части световода.
Свет альтернативно отправляется к левому и к правому глазу наблюдателя синхронно с соответствующим переключением между изображениями для левого и правого глаза с использованием быстро переключающегося LCD.
Другим примером является двувидовая направленная задняя подсветка, доступная для приобретения у компании 3M (торговый знак). Эта конструкция содержит компонент задней подсветки с призматическими канавчатыми выводящими структурами на задней поверхности световода, источники света, расположенные на двух отличных сторонах световода, пленку для перенаправления света и LCD-панель. Вся система генерирует два вида, которые проецируются в отличных направлениях в глаза наблюдателя. Виды генерируются последовательно по времени, в зависимости от источника света, работающего на одной или другой стороне световода.
Альтернативным подходом является использование задней подсветки, которая генерирует источники света в виде разнесенных тонких линий, причем панель отображения находится на фиксированном расстоянии от источников света, таким образом, свет, выходящий из каждого источника света, распространяется в отличном угловом направлении через отличные пиксельные элементы панели.
Другие известные конструкции направленной задней подсветки используют массивы прямо излучающих фиксированных источников света и соответствующих оптических элементов.
Массив источников света может быть, например, реализован с использованием регулярной задней подсветки и LCD-панели, функционирующий как активный барьер поверх задней подсветки, и лентикулярной линзы. Динамический источник света находится тогда в фокальной плоскости линзы для генерирования коллимированного выхода. Эта конструкция обычно имеет низкую эффективность и пониженную яркость. Подобная концепция может использовать фиксированные переключаемые OLED-полосы и лентикулярную линзу сверху.
Фиг. 2 показывает использование коллимированной задней подсветки для управления направлением, по которому вид можно наблюдать. Задняя подсветка 7 содержит массив 30 полосовых излучателей света, массив 32 собирающих линз и дублирующую структуру 34 между массивом линз и излучателями. Массив 32 линз коллимирует свет, поступающий от массива 30 тонких светоизлучающих полос. Такая задняя подсветка может быть сформирована из ряда излучающих элементов, таких как линии светодиодов или OLED-полосы. Свет, испускаемый излучающими элементами, имеет форму массива тонких светоизлучающих полос, разнесенных, приблизительно, с шагом линзовой структуры.
Эти решения, в общем, используют активное управление источниками (множественными адресуемыми источниками света или же задней подсветкой, объединенной с активными барьерами) в комбинации с фиксированными оптическими элементами. Таким образом, они являются конструктивно сложными.
Световоды с боковой подсветкой (иначе известные как волноводы) для задней подсветки и передней подсветки дисплеев являются недорогими и робастными. Таким образом, было бы выгодным создать компонент коллимированной задней подсветки на основе технологии боковой подсветки. Однако известные световоды с боковой подсветкой выполнены с возможностью обеспечения максимальной однородности светового выхода по всей поверхности световода и, таким образом, не могут генерировать массив тонких световых полос, разнесенных, приблизительно, с шагом объединенной линзы.
Фиг. 3 показывает схематичное изображение световода 40 с боковой подсветкой. Световод содержит волноводный материал, такой как пластина из твердого материала, с верхней поверхностью 40а, нижней поверхностью 40b и боковыми краями 40c. Существуют верхние и нижние края, которые не видны на фиг. 3, поскольку сечение фиг. 3 взято в боковом направлении «от края к краю». Световод является, в общем, прямоугольным на виде сверху. Верхний и нижний края световода (верхняя и нижняя стороны прямоугольника) выровнены в соответствии с верхней и нижней частями соответствующего дисплея, а боковые края (на левой и правой сторонах прямоугольника) выровнены в соответствии с левой и правой сторонами соответствующего дисплея.
С левой стороны фиг. 3, свет вводится из источника 42 света, и в нижней части световода размещено несколько выводящих структур 44. Свет распространяется под углом Θin внутри световода с высотой H. Выводящие структуры 44 в этом примере вычерчены в виде полупризм с половинным верхним углом σ, высотой h, и шириной w.
Световод сформирован в виде диэлектрической пластины, изготовленной, например, из стекла или поликарбоната. В пластине, полное внутреннее отражение на границах удерживает свет при распространении света. Края пластины обычно используются для ввода света, а небольшие световыводящие структуры 44 локально выводят свет из световода.
Заявка на патент США 2012/0314145 и заявка на патент США 2013/0308339 раскрывают заднюю подсветку для автостереоскопического дисплея с использованием специальной конструкции световода, который имеет отражающую концевую поверхность, которая функционирует в качестве линзы. Отличные источники света обеспечивают свет для световода в отличных направлениях, и линза функционирует для создания коллимированного пути в пределах световода в конкретном направлении. Свет выводится из световода для создания конкретного направления выхода задней подсветки. Это требует сложной структуры световода.
Настоящее изобретение основано на использовании более стандартной задней подсветки световодного типа, для использования в автостереоскопическом дисплее или дисплее с обеспечением конфиденциальности, конкретно, для обеспечения генерирования направленного выхода, и в котором последовательный по времени режим работы используется для обеспечения более высокого пространственного разрешения. Необходима конструкция световода, которая является тонкой и легковесной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение определено формулой изобретения.
Согласно одному примеру, обеспечена задняя подсветка дисплея, содержащая: световод, имеющий верхнюю и нижнюю параллельные поверхности, и пару противоположных боковых краев, причем световой выход имеет место из верхней поверхности;
компоновку источников света для обеспечения света в световод на одном или обоих противоположных боковых краях; и
массив световыводящих структур, сформированных на верхней или нижней параллельной поверхности для перенаправления света таким образом, чтобы он выходил из световода в местоположении световыводящих структур,
причем компоновка источников света является управляемой для обеспечения ввода выбранного одного из по меньшей мере первого и второго световых выходов в световод, причем первый и второй световые выходы являются по меньшей мере частично коллимированными и выполнены с возможностью ввода света в световод с отличным угловым направлением возвышения относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей и поперек направления «от края к краю», причем ввод первого и второго световых выходов в световод обеспечивает в результате отличные углы светового выхода из верхней поверхности.
Эта задняя подсветка позволяет управлять направлением выхода с использованием коллимированных источников света, посредством управления направлением ввода в световод. Конкретно, управляют углом возвышения, т.е. углом относительно плоскости верхней и нижней поверхностей. Это управление может быть обеспечено расположением источников света или оптическими элементами. Свет, вводимый в световод с отличными направлениями распространения, выводится световыводящими структурами в отличных направлениях наблюдения. Посредством сканирования средства управления направлением, на основе задней подсветки могут быть сгенерированы множественные направленные виды.
Первый и второй световые выходы могут войти в световод с одной и той же стороны, или они могут войти с противоположных сторон. Альтернативно, каждый световой выход может быть обеспечен с обоих противоположных боковых краев.
Конструкция задней подсветки может использовать простую конструкцию световода. Он имеет параллельные верхнюю и нижнюю поверхности (без учета световыводящих структур), таким образом, он имеет постоянную толщину, что означает, что его изготовление является простым и общепринятым. Форма световода на виде сверху также является общепринятой, например, это может быть прямоугольный световод с прямыми краями.
Задняя подсветка подходит для использования в автостереоскопическом трехмерном дисплее, использующем полное естественное разрешение двумерной панели. Конструкция направленной задней подсветки может быть использована для генерирования множественных видов последовательно по времени.
Первый и второй световые выходы (от компоновки источников) предпочтительно имеют результатом свет, который выходит из световода с отличным диапазоном углов выхода в нормальной плоскости, продолжающейся между боковыми краями. Таким образом, создаются отличные боковые углы наблюдения, когда боковые края находятся на боковых сторонах задней подсветки. Диапазон углов выхода, получающийся в результате первого светового выхода, предпочтительно, не перекрывается с диапазоном углов выхода, получающимся в результате второго светового выхода. Таким образом, создаются дискретные неперекрывающиеся направления наблюдения.
Первый и второй световые выходы являются, предпочтительно, коллимированными в направлении, перпендикулярном плоскости верхней и нижней поверхностей и в плоскости, продолжающейся в направлении «от края к краю» (т.е. в плоскости с ориентацией сечения фиг. 2). Эта коллимация в одной плоскости/ направлении может быть описана как «частичная» коллимация. Когда световыводящие структуры продолжаются перпендикулярно этой плоскости, она определяет релевантные углы, которые управляют выходом света из световода. Коллимация может, например, дать в результате диапазон углов лучей в этой плоскости меньший, чем 4 градуса, или предпочтительно меньший, чем 3 градуса, или меньший, чем 2 градуса. Коллимация в плоскости, параллельной верхней и нижней поверхностям не требуется, поскольку разброс диапазона углов лучей в этой плоскости позволяет световому выходу распространяться для покрытия полной области светового выхода задней подсветки.
Световыводящие структуры, например, содержат призматические полосы, которые продолжаются параллельно боковым краям. Они могут продолжаться полностью от верхнего края до нижнего края. Тогда они могут обеспечить управление боковым направлением луча, которое является особенно интересным для автостереоскопических дисплеев.
В первом примере, компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, которые установлены под отличными углами к плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей. Посредством физического установления источников света под отличными углами, можно управлять углом ввода света в световод.
Во втором примере, компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, каждый из которых имеет соответствующий элемент формирования луча для установления угла светового выхода относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей. Тогда источники света могут быть установлены одним и тем же образом, и углом светового выхода управляют оптически, а не механически.
Элементы формирования луча могут быть статическими, таким образом, каждый источник света предназначен для обеспечения конкретного угла ввода света в световод. Тогда элементы формирования луча могут содержать призматические структуры, спроектированные для конкретного угла светового выхода относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей.
Элементы формирования луча могут быть, вместо этого, динамическими, таким образом, источник света может сканировать между отличными углами светового выхода, в результате чего увеличивается оптическая эффективность. Тогда элементы формирования луча могут содержать устройства с электросмачиваемыми призмами. Это также означает, что один и тот же физический источник света обеспечивает первый и второй световые выходы (в отличные моменты времени), и эти световые выходы содержат отличные режимы работы совместно используемого источника света.
В другом примере, компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, каждый из которых содержит массив излучателей света и выходную линзу. Посредством выбора того, какой излучатель света в пределах массива следует активировать, может быть сгенерировано отличное направление светового выхода. Таким образом, в этом случае, угловое управление основано на выборе физического местоположения в пространстве, в котором генерируется световой выход, и пути, по которому это физическое местоположение взаимодействует с линзой.
Компоновка источников света может быть обеспечена поверх верхней поверхности световода. Это может быть использовано для перенаправления углового выхода от световыводящих структур к нормали, если, например, угловой выход от световыводящих структур асимметрично обрезается.
Углы светового выхода из верхней поверхности могут изменяться как функция положения поверх верхней поверхности таким образом, чтобы свет достигал общей точки наблюдения из всех положений верхней поверхности. Это используется, чтобы заставить виды сходиться к глазам наблюдателя, для предотвращения образования темных областей дисплея. Изменяемые углы могут быть обеспечены с использованием компоновки неоднородного (по области задней подсветки) перенаправления света, или посредством введения неоднородности в конструкцию световыводящих структур.
Настоящее изобретение также обеспечивает автостереоскопическое устройство отображения или дисплей с обеспечением конфиденциальности, содержащее:
заднюю подсветку, определенную выше; и
панель отображения, имеющую массив пикселов отображения для создания отображаемого изображения, причем панель отображения освещена задней подсветкой.
Панель отображения, например, устанавливается таким образом, что ее боковые поверхности параллельны боковым краям задней подсветки. Это означает, что управление углом задней подсветки создает отличные направления бокового выхода. Тогда панелью отображения можно управлять синхронно с задней подсветкой для последовательного по времени вывода отличных изображений для отличных направлений наблюдения.
Для этой цели, дисплей содержит контроллер, и контроллер выполнен с возможностью управления дисплеем в двух режимах:
первый режим, в котором первый световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения первого изображения; и
второй режим, в котором второй световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения второго изображения,
причем контроллер выполнен с возможностью реализации первого и второго режимов последовательно по времени.
Первое и второе изображение могут быть видами левого глаза и правого глаза единственного изображения, или же они могут быть совершенно несвязанными видами для отличных пользователей.
Может быть осуществлено больше двух режимов, в которых множественные (более двух) виды обеспечиваются последовательно по времени. Каждое изображение может также включать в себя множественные виды в один и тот же момент времени, если смешение света между отличными видами может быть предотвращено. Таким образом, может быть осуществлен последовательный по времени многовидовой режим работы.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ управления направлением светового выхода из задней подсветки, содержащий:
ввод света в световод, который имеет верхнюю и нижнюю параллельные поверхности и пару противоположных боковых краев, причем свет вводится в один или оба противоположных боковых края;
использование массива световыводящих структур, сформированных на верхней или нижней параллельной поверхности для перенаправления света таким образом, чтобы он выходил из световода через верхнюю поверхность в местоположении световыводящих структур,
причем способ содержит управление угловым направлением возвышения света, входящего в световод, относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей поперек направления «от края к краю» между по меньшей мере первым и вторым световыми выходами, каждый из которых имеет отличное угловое направление, причем ввод первого и второго световых выходов в световод имеет результатом отличные углы светового выхода из верхней поверхности.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ управления автостереоскопическим дисплеем, содержащий:
управление направлением светового выхода из задней подсветки с использованием способа, определенного выше;
обеспечение светового выхода из задней подсветки для панели отображения; и
управление изображением, отображаемым панелью отображения,
причем устройством отображения при этом управляют в двух режимах:
первый режим, в котором первый световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения первого изображения; и
второй режим, в котором второй световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения второго изображения,
причем первый и второй режимы обеспечиваются последовательно по времени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, только в качестве примера, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
Фиг. 1 является схематичным видом в перспективе известного автостереоскопического устройства отображения;
Фиг. 2 показывает известную конструкцию направленной задней подсветки, использующую полосовые излучатели;
Фиг. 3 показывает известную конструкцию задней подсветки, использующую световод с боковой подсветкой;
Фиг. 4 используется для обеспечения анализа оптической функции световода фиг. 3;
Фиг. 5 показывает угловое распределение интенсивности выходящего света как функцию вертикального угла в плоскости, перпендикулярной направлению проведения света, и бокового угла в плоскости, включающей в себя направление проведения света;
Фиг. 6 показывает сечение интенсивности света вдоль бокового угла при вертикальном угле, равном 90 градусам;
Фиг. 7 используется для демонстрации функции перенаправления луча, которая может быть применена на выходе задней подсветки;
Фиг. 8 показывает общую конструкцию задней подсветки настоящего изобретения, освещающую дисплей, для формирования автостереоскопического дисплея;
Фиг. 9 показывает соотношение между направлением луча, выходящего из задней подсветки, и углом, под которым свет вводится в заднюю подсветку;
Фиг. 10 показывает карты углового распределения интенсивности для трех значений углов при вершине призм ввода, равных 70°, 120° и 160°;
Фиг. 11 показывает угловое распределение интенсивности света трех моделей фиг. 10 в графической форме вместо использования карты интенсивности;
Фиг. 12 показывает первый более подробный пример конструкции задней подсветки;
Фиг. 13 показывает второй более подробный пример конструкции задней подсветки;
Фиг. 14 показывает, что конструкции фиг. 12 и 13 дают в результате четыре отличных угла светового выхода;
Фиг. 15 показывает третий более подробный пример конструкции задней подсветки;
Фиг. 16 показывает четвертый более подробный пример конструкции задней подсветки;
Фиг. 17 используется для демонстрации того, как конструкция световыводящих структур световода может быть оптимизирована для обеспечения наибольшей выходной ширины конуса; и
Фиг. 18 показывает возможный порядок работы задней подсветки для маскирования ощутимого мерцания во время перехода видов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает заднюю подсветку дисплея, содержащую световод с боковой подсветкой, имеющий массив световыводящих структур, для обеспечения возможности выхода света из световода в местоположении световыводящих структур. Компоновка источников света используется для ввода света в световод на одном или обоих противоположных боковых краях. Компоновка источников света является управляемой для предоставления выбранного одного из по меньшей мере первого и второго световых выходов в световод, причем каждый отличный световой выход имеет отличный угол относительно общей плоскости световода и обеспечивает в результате свет, который выходит из световода с отличным диапазоном углов выхода. Таким образом, обеспечивается направленный выход задней подсветки, на основе направления света, который вводится в световод. Это обеспечивает простую конструкцию, требующую только управления светом, вводимым в световод. Задняя подсветка может, например, обеспечить возможность формирования автостереоскопического дисплея без необходимости лентикулярного массива.
Настоящее изобретение основано на анализе характеристик оптического выхода из световодной задней подсветки.
Для планарного световода из материала, имеющего показатель n преломления, световые лучи распространяются внутри световода под углами α падения в диапазоне
Θс<α<90° (1),
где Θс=sin-1(1/n).
Обычным путем вывода света из световода является использование выводящих структур, например, призматических структур на задней поверхности световода.
Действие таких структур показано на фиг. 4, где использована световыводящая грань под углом β к общей плоскости световода.
Таким образом, свет падает на грань призмы под углом:
γ=α-β.
Этот свет отразится от грани, если удовлетворяются условия полного внутреннего отражения (total internal reflection - TIR), таким образом, γ>Θс.
Угол падения на верхнюю поверхность световода составляет:
ϕ=2γ-α=α-2β
и этот луч выходит из световода, когда
ϕ<Θс
Таким образом, объединенные условия для β выглядят следующим образом:
α-2β<Θс< α-β (2).
Для максимизации ширины углового диапазона выходящего света, объединение неравенств (2) и (1) приводит к условию:
2β=90°-Θс
или, эквивалентно,
cos(2β)=1/n.
Возможность получения широкого диапазона распределения углов, под которыми свет может быть выведен из световода, показана с использованием результатов оптических моделей отслеживания лучей на фиг. 5.
Эта фигура показывает угловое распределение интенсивности выходящего света как функцию вертикального угла (V, откладываемого по оси y) в плоскости, перпендикулярной направлению проведения света, и бокового угла (L, откладываемого по оси x) в плоскости, включающей в себя направление проведения света. Нормальное направление к плоскости световода соответствует L=V=90°.
Интенсивность показана в виде яркости области в затененной области чертежа.
Световод в этом примере изготовлен из полиметилметакрилата (PMMA) с показателем преломления, n=1,48, и выводящие структуры являются призматическими канавками, в которых происходит перенаправление света посредством полного внутреннего отражения. Угол при вершине призм составляет 132 градуса, и это удовлетворяет вышеупомянутому условию cos(2β)= 1/n.
Следует отметить, что световыводящие структуры могут быть симметричными или асимметричными призматическими элементами.
Источники света являются простыми ламбертовыми светодиодами без каких-либо дополнительных оптических элементов, соединенных со световодом.
На фиг. 5, левые более яркие области соответствуют более высокой интенсивности.
Сечение интенсивности света вдоль бокового угла L при V=90 градусов показано на фиг. 6.
Выходящий свет имеет «плоский» участок интенсивности с максимумом около 45 градусов от нормали. Это распределение выходящего света может быть перенаправлено в распределение, которое центрировано на нормальном направлении (0 градусов), посредством добавления призм перенаправления поверх световода. Оптимальный выбор угла призмы может быть вычислен специалистом в данной области техники на основе показателя преломления материала призмы и углового распределения входящего света.
Для распределения, показанного на фиг. 5 и 6, и призмы, изготовленной из PMMA-материала, оптимальный угол при вершине призмы, равный 55 градусам, позволяет преобразовать угловое распределение выходящего света в распределение, центрированное около нормального направления по отношению к задней подсветке.
Эта функция перенаправления показана на фиг. 7 для призмы с углом 70 при вершине, равным 55 градусов, для перенаправления выходящего светового луча, показанного на фиг. 4. Угол при вершине направлен к верхней поверхности задней подсветки.
Известно несколько способов для достижения однородного вывода света вдоль всей длины световода. Размеры выводящих структур могут быть гораздо меньшими, чем шаг между ними, и размер/плотность структуры может увеличиваться к концевой/средней части световода.
Некоторые несовершенства структур вследствие ограниченной точности изготовления (скругления углов, изменения размеров и геометрии) могут уменьшить эффективность направленной задней подсветки (например, могут уменьшить пиковую интенсивность, небольшое уширение или дополнительные максимумы за пределами необходимого углового диапазона).
Эти эффекты могут стать заметными, когда размер несовершенств становится значительным по сравнению с размером выводящих структур. На практике радиус скругления структур при использовании обычных способов изготовления имеет величину порядка 2 микрон или менее. Эта точность является достаточной для реализации хорошей эффективности направленной задней подсветки при размерах структур порядка 25-50 микрон.
Наличие компонента задней подсветки, который генерирует коллимированный световой выход в направлениях множественных видов, может быть использовано в автостереоскопических дисплеях и может обеспечить возможность использования полного пространственного разрешения дисплея. Устранение лентикулярных линз, которые обычно формируются поверх толстого стеклянного разделителя, может обеспечить возможность значительного уменьшения толщины трехмерного дисплея. Режим работы без лентикулярных линз также предотвращает повторение конусов.
Например, для многовидового автостереоскопического дисплея, направление, в котором задняя подсветка излучает коллимированный свет, может разворачиваться между несколькими отличными направлениями видов.
Фиг. 8 показывает первый пример конструкции задней подсветки, используемой с трехмерным автостереоскопическим дисплеем.
Дисплей содержит световод 40, имеющий световыводящие структуры 44, и панель 80 отображения сверху. Световод имеет боковую подсветку, и показаны два источника 42a, 42b света. Каждый источник света имеет соответствующий коллиматор 82a, 82b. Кроме того, там, где световой выход от каждого источника света входит в край световода, обеспечен элемент формирования луча в виде световводящей или управляющей компоновки 84a, 84b.
Направленный свет, который вводится в световод, используется для управления направлением светового выхода. Посредством управления световым выходом, обеспечивается многовидовой автостереоскопический трехмерный дисплей, которое использует полное разрешение двумерной панели 80. Направления светового выхода могут изменяться последовательно по времени таким образом, чтобы в каждый момент времени использовалось полное разрешение.
Панель 80 отображения, например, устанавливается таким образом, что ее боковые поверхности параллельны боковым краям задней подсветки. Таким образом, фиг. 8 показывает сечение поперек дисплея. Световыводящие элементы 44 продолжаются параллельно боковым краям, таким образом, они управляют направлением светового выхода в боковом направлении. Дисплей совсем не нуждается в массиве лентикулярных линз, поскольку все управление направлением реализуется задней подсветкой.
Дисплеем управляют для отображения последовательности из множественных видов. В то же время, направленность светового выхода задней подсветки переключают между множественными направлениями (в соответствии с предполагаемым направлением наблюдения) синхронно с переключением панели отображения.
Световыводящие элементы 44 могут, например, содержать симметричные или асимметричные призматические элементы, и они могут быть применены на верхней поверхности или на нижней поверхности (как показано на фиг. 8) световода. Однородный вывод света из световода по всей панели может быть достигнут известным способом. Например, высота или плотность структур может быть настроена вдоль световода для изменения относительного вывода света каждой из структур.
Коллиматоры 82a, 82b обеспечивают то, что генерируемый свет является достаточно коллимированным в одном направлении (перпендикулярно плоскости световода). В другом направлении свет может быть более расходящимся.
Световыводящие структуры 44 являются, например, полосами, поднятыми над общей плоскостью, и расходимость разрешена в плоскости, параллельной этой общей плоскости. Такая расходимость не изменит функцию вывода света, которая зависит от направления света в плоскости, перпендикулярной длине полос, т.е. в плоскости фиг. 8.
Блок задней подсветки генерирует свет во множественных направлениях посредством ввода коллимированного света в световод под некоторыми определенными отличными углами. Ввод света может быть реализован несколькими путями, например, с использованием статически или динамически переключаемых оптических элементов, расположенных на боковой поверхности световода.
Ниже описаны различные примеры.
Световой выход от источников света требует некоторой степени коллимации. Угловое распределение света, который выходит из блока задней подсветки, определяется направленностью источников света. Светодиоды с коллиматорами полного внутреннего отражения (TIR), отражателями, составными параболическими концентраторами (compound parabolic concentrator - CPC) или другими оптическими элементами могут быть использованы в качестве источника коллимированного света. Альтернативно, лазеры могут быть использованы в качестве источников света.
Свет коллимируют предпочтительно в одном направлении, а именно, в направлении, перпендикулярном плоскости световода (т.е. в плоскости фиг. 8), и он может расходиться в направлениях, параллельных плоскости световода.
Необходимая степень коллимации зависит от применения. Для портативного автостереоскопического устройства, имеющего два вида, угловая ширина одного вида составляет около 4 градусов, что можно преобразовать в требование в отношении коллимации источника света для некоторой конструкции световода. Для многовидового дисплея может потребоваться более высокая степень коллимации.
Угловое распределение интенсивности света, создаваемое задней подсветкой, определяется несколькими параметрами: направленностью источника света, элементами формирования луча, определяющими углы распространения света внутри световода, показателем преломления материала световода, показателем преломления окружающей среды, и геометрией выводящих структур. В зависимости от комбинации параметров, световой выход от блока задней подсветки может покрывать весь 180-градусный угловой диапазон или может быть ограничен меньшим диапазоном углов (например, от 0° до 90°) относительно нормали. Это может быть обеспечено обрезанием света с одной стороны. Тогда использование дополнительной светонастраивающей оптической фольги (например, с призмами перенаправления света) позволяет преобразовать обрезанное выходное угловое распределение лучей в распределение, центрированное около нормального направления относительно задней подсветки.
Существует множество путей для управления угловым диапазоном распространения света внутри световода. Одним путем является ограничение и управление светом, когда он вводится в световод. Это управление может быть реализовано с использованием либо активных оптических элементов, либо пассивных элементов, размещенных с обеспечением совмещения с активно переключаемыми источниками света.
Функциональность направленной задней подсветки показана ниже с помощью результатов оптических моделей отслеживания лучей общей конструкции, содержащей активные элементы формирования луча, расположенные на краю световода, и дополнительный слой оптической структуры перенаправления луча (т.е. слой 120, описанный ниже в связи с фиг. 12).
Источники света коллимируют в направлении, перпендикулярном плоскости световода (например, коллимируют до расходимости, равной 4 градуса или менее), и они являются расходящимися в плоскости световода. Эта расходимость может иметь любое подходящее значение, например, между 60 градусами и 180 градусами (например, при угле 90°).
Эта коллимация в одной плоскости в гораздо большей степени, чем в ортогональной плоскости, дает в результате то, что называется в этом документе «частично коллимированным» световым выходом.
Свет от источников света вводится через активные оптические элементы, например, электросмачиваемые призматические элементы с одной стороны световода. Призматические элементы формирования луча в этом примере, как предполагается, имеют такой же показатель преломления, что и показатель преломления материала световода.
Результаты моделей показаны на фиг. 9 и фиг. 10.
Фиг. 9 показывает результаты моделей отслеживания лучей функциональности развертки лучей задней подсветки согласно общей конструкции. Направление светового выхода показано на оси y как функция угла призматических элементов формирования луча на боковой поверхности световода (этот угол откладывается по оси x).
Карты углового распределения интенсивности для трех значений углов при вершине (вводящих) призм формирования луча, равных 70°, 120° и 160°, показаны на фиг. 10, с использованием тех же осей, что и на фиг. 5.
Фиг. 11 показывает угловое распределение интенсивности света трех моделей фиг. 10 в полярном чертеже вместо использования карты интенсивности.
Результаты показывают возможность настройки углов генерируемых видов в диапазоне от 70° до 110°, что соответствует угловому диапазону настройки ±20° относительно нормального направления к задней подсветке.
С одной стороны диапазона угловой настройки (большие углы) выходная ширина света является немного более широкой, и вид демонстрирует большее искажение, когда дисплей наклоняется в плоскости, перпендикулярной направлению проведения света (т.е. V отклоняется от 90°). Этот вид искажений может быть значительно уменьшен в конструкции, где половина видов генерируется источниками света и оптическими элементами, расположенными на разных сторонах дисплея.
Первый вариант осуществления будет теперь описан более подробно со ссылкой на фиг. 12.
В этом первом варианте осуществления, источники света для отличных направлений светового выхода расположены под отличными углами относительно общей плоскости световода, т.е. под отличными углами возвышения. Эквивалентно, они расположены под отличными углами относительно краевой поверхности, через которую свет вводится в световод.
Фиг. 12 показывает вид сверху и сечение и показывает одно множество источников 42a света с одним углом возвышения или наклона, и другое множество источников 42b света с отличным углом возвышения или наклона.
Свет вводится в световод под отличными углами распространения света, посредством расположения коллимированных источников света под некоторым углом относительно вводящего края световода 40. Обеспечиваются по меньшей мере две отличные угловые ориентации источников света, например, один фиксированный угол на одной стороне и другой фиксированный угол на другой стороне световода. Это обеспечивает по меньшей мере два основных направления распространения света, генерируемого блоком задней подсветки.
В зависимости от геометрии и типов световыводящих структур в пределах световода, пленка 120 перенаправления света может потребоваться для перенаправления света в надлежащем направлении. Направления распространения света в комбинации с компоновкой 120 перенаправления света будут определять углы выхода для генерируемых видов.
Синхронизация изображений, отображаемых панелью отображения, с включением/ выключением источников света отличных типов, ответственных за распространение отличных видов, позволяет реализовать последовательный по времени многовидовой дисплей.
Второй вариант осуществления будет теперь описан более подробно со ссылкой на фиг. 13.
В этом втором варианте осуществления, источники света для отличных направлений светового выхода имеют оптические элементы 130а, 130b формирования луча. Они являются статическими вводящими структурами на боковых поверхностях световода. Эти элементы формирования луча размещены перед своим соответствующим источником света. Эти элементы являются отличными в том, что они вводят свет в световод под отличным углом. Таким образом, необходимый наклон реализуется оптически, а не механически, как в первом примере. Посредством переключения источников света, входящий свет может войти под необходимым углом в световод и, посредством этого, может управлять светом, который выходит из световода.
Этот направленный свет может быть снова использован для создания видов для последовательной по времени автостереоскопической панели. Структуры формирования луча, используемые для ввода света в световод, могут включать в себя либо отражающие (зеркала), либо преломляющие (например, призмы) оптические элементы.
В примере фиг. 13, элементы формирования луча содержат призматические структуры. В этом случае, определены два отличных типа 130a, 130b вводящих элементов формирования луча с отличными углами при вершине, используемыми для ввода света в световод под отличными углами.
Призматические структуры обычно разделяют входящий свет по двум направлениям. Углы, направленные вниз относительно общей плоскости световода, будут выводить свет из световода.
Свет, который вводится в световод под положительным углом (вверх относительно общей плоскости световода), может быть выведен после того, как он отразится нечетное число раз внутри световода. Таким образом, существует только одно основное направление выводимого света от каждого источника света, даже несмотря на то, призматические структуры разделяют свет каждого источника света по двум основным направлениям.
Поверх световода находится призматическая компоновка 120 перенаправления света, которая используется для направления выводимого света по нормали.
Общее число Ndir основных направлений вывода, которые могут быть созданы с помощью этого варианта осуществления, задается числом Nin отличных типов элементов формирования луча, используемых для ввода света, числом Nsides боковых поверхностей, на которых освещение имеет место:
Ndir=Nsides * Nin.
В показанном примере, общее число направлений равно, таким образом, четырем. На фиг. 14 эти направления показаны схематично. Посредством последовательной по времени настройки источников света, которые соответствуют одному из этих четырех направлений, могут быть сгенерированы четыре отличных вида.
Третий вариант осуществления будет теперь описан более подробно со ссылкой на фиг. 15.
В этом третьем варианте осуществления, источники света для отличных направлений светового выхода включают в себя активную матрицу излучателей в комбинации с линзой. Эта комбинация функционирует согласно подходу с управлением лучами, который снова обеспечивает возможность изменения угла возвышения или наклона света, падающего на световод.
Каждый источник 42a, 42b света содержит матрицу 150a, 150b излучателей света и линзу 152a, 152b, поддерживаемую механической опорой 154a, 154b со светопоглощающей структурой или покрытием 156a, 156b.
Таким образом, вместо требующихся множественных отличных оптических элементов, могут существовать множественные источники света для каждого оптического элемента. Линза обычно является цилиндрической линзой с фокусным расстоянием, которое приблизительно соответствует положению источников света. В результате, положение источника света преобразуется в веер 157, который имеет некоторый угол относительно нормали световода.
Фиг. 15 показывает матрицу 150а излучателей более подробно и показывает отдельные источники 158 света, такие как светодиоды. Линия 159 светодиодов связана с одним конкретным направлением вида.
Виды могут сканироваться выборочно переключаемыми источниками света. Другие оптические элементы, такие как массив лентикулярных линз, могут быть использованы для связывания множественных вееров света с единственным источником света. Это использование лентикулярной линзы создает повторение конусов, которое является желательным для многовидового режима работы без отслеживания головы.
Четвертый вариант осуществления будет теперь описан более подробно со ссылкой на фиг. 16.
В этом четвертом варианте осуществления, активные, т.е. переключаемые оптические элементы используются для реализации подобного подхода с управлением лучами, который снова обеспечивает возможность изменения угла возвышения или наклона света, падающего на световод.
Источники 42a, 42b света обеспечивают коллимированный выход, который подается на активные оптические элементы 160a, 160b, что обеспечивает функциональность настраиваемых углов света, вводимого в световод, снова относительно обшей плоскости световода.
Эти активные оптические элементы могут быть основаны на отражающих элементах (например, MEMS-зеркалах), для изменения направлений ввода света, или на преломляющих элементах (например, электросмачиваемых призмах), для динамического изменения направлений ввода света.
При использовании массивов электросмачиваемых микропризм в качестве вводящих элементов формирования луча, отклонение луча может быть достаточно большим и теоретически может достигать вплоть до 30°, в зависимости от выбора комбинации показателей преломления жидкостей и геометрии микропризматической ячейки. Активные оптические элементы могут переключаться между отличными углами вплоть до частоты порядка кГц. Если пиксел отображения может работать с такой же или подобными частотами, то становится возможным сгенерировать последовательно по времени большое число видов во множественных квазинепрерывных направлениях наблюдения.
Активные оптические элементы 160a, 160b могут быть разделены на группы (например, две группы, связанные с каждой боковой поверхностью световода). Каждая группа может быть тогда ответственной за генерирование подмножества множественных видов. Это позволяет каждой из активных ячеек работать в уменьшенном угловом диапазоне и может обеспечить в результате уменьшение времени переключения.
Внутренние выводящие элементы световода могут иметь отличные конструкции.
Первое множество примеров основано на полном внутреннем отражении. Они перенаправляют свет к передней плоскости, где свет выходит из световода, посредством полного внутреннего отражения (TIR).
Для максимизации углового диапазона лучей, выходящих из световода, предпочтительный угол β у основания призмы (т.е. угол отражающей грани относительно обшей плоскости световода) должен подчиняться соотношению:
cos(2β)=1/nlg,
где nlg является показателем преломления материала световода (для призматического углубления, находящегося в контакте с воздухом). В общем, это условие преобразуется следующим образом:
cos(2β)= nо/nlg,
где световыводящая структура находится в контакте с другой средой с показателем преломления nо.
Это максимизирует угловой диапазон лучей, которые могут быть выведены из световода. Если β=0 (структуры без вывода света), то свет совсем не будет выводиться, для промежуточных значений β (т.е. cos(2β)>nо/nlg), распределение света за пределами световода будет иметь некоторую промежуточную ширину, и для β={cos-1(nо/nlg)}/2, ширина углового распределения света, который может быть выведен, составляет около 90 градусов, как показано на фиг. 6.
Второе множество примеров основано на элементах вывода, которые имеют отражающую поверхность (т.е. не зависят от угла падения). Световыводящие структуры на задней поверхности световода, например, покрывают светоотражающим покрытием (например, металлом). Поскольку больше не существует ограничения на необходимость полного внутреннего отражения в отношении световыводящей структуры, можно выбирать из более широкого диапазона углов β (при основании выводящей призмы).
Максимальная ширина выводимого света как функция β была вычислена, и результат показан на фиг. 17, которая показывает зависимость ширины светового выхода (ось y) от угла β при основании призмы (ось x). Для максимизации угловой ширины выходящего света, β может быть выбран следующим образом:
sin-1[namb/nlg]≤β≤(90°-sin-1[namb/nlg].
Для PMMA это соответствует значению β между 42 и 48 градусами. Для этих значений β, выводимый свет может быть в диапазоне от -90 градусов вплоть до 90 градусов, в зависимости от направления вводимого света.
Если световод изготовлен из PMMA-материала (n=1,48), и световыводящие структуры основаны на призматических канавках, где перенаправление света происходит посредством полного внутреннего отражения, то оптимальным углом при вершине внутренних световыводящих призм будет угол 132 градусов (так что β=44 градусам), чтобы удовлетворялось условие cos(2β)=1/n, упомянутое выше.
Фиг. 17 относится к световоду, изготовленному из PMMA, находящемуся в воздухе. Существует малый диапазон β, для которых ширина конуса является максимальной при 180 градусах.
Некоторые примеры, приведенные выше, используют компоновку перенаправления света в форме пленки 120 перенаправления поверх световода. Это необходимо, например, если (прямой) световой выход из блока задней подсветки ограничен в некотором диапазоне углов (например, от 0° до 90°) относительно нормали. Это имеет место в случае, когда световой выход обрезается с одной стороны. Это угловое распределение света может быть преобразовано в распределение, которое центрировано около нормального направления, что обеспечивает возможность более прямого применения блока задней подсветки в многовидовых дисплеях.
Дополнительная оптическая пленка, содержащая структуры для перенаправления света к нормальному направлению, размещается поверх световода. Эти структуры могут быть призматическими элементами с углом при вершине, который может быть выбран на основе показателя преломления материала (например, около 55° для PMMA), и ориентированы к световоду.
В сравнении с примерами световыводящей структуры с отражающим покрытием, призматические канавчатые световыводящие структуры в световоде в этих примерах, основанных на применении полного внутреннего отражения, могут иметь меньший угол при основании. В результате, световыводящие структуры являются более плоскими и могут быть более легкими в изготовлении.
Добавление призм перенаправления поверх световода позволяет преобразовать выходное угловое распределение лучей в распределение, центрированное около нормального направления относительно задней подсветки. Оптимальный угол при вершине, равный 55 градусам, обеспечивает это перенаправление. С помощью этой конструкции, посредством настройки углов призм на боковой поверхности световода, выходящий луч может, например, сканировать в диапазоне ± 20° относительно нормали. Это соотношение между углом призмы и направлением луча показано на фиг. 9, обсуждаемой выше, которая показывает, что направление выходного луча является настраиваемым в приблизительном диапазоне 90° ± 20°.
Пятый вариант осуществления будет теперь описан более подробно со ссылкой на фиг. 18.
В этом пятом варианте осуществления, активные оптические элементы используются в комбинации с переключаемым источником света для маскирования переходов видов.
Возможным недостатком некоторых реализаций активных оптических элементов является время, которое требуется для переключения между любыми двумя оптическими режимами. Во время этого перехода, источники света должны быть выключены для предотвращения видимого двоения изображения или посредственного уровня черного. Время переключения оптических элементов может приводить к малому числу видов или ощутимому мерцанию и низкой яркости.
Время переключения может быть скрыто согласно подходу сканирования задней подсветки, когда несколько комбинаций источников света и оптических элементов действуют синхронно для обеспечения режима работы без мерцания. Каждая комбинация находится либо в «переходном», либо во «включенном» состоянии.
Пример фиг. 18 имеет заднюю подсветку с четырьмя подкадрами, показанными последовательно на фиг. 18(a) - 18(d). В каждом подкадре, два вида или режима "A" и "B" являются активными. Режимы "A" и "B" могут, например, соответствовать левому и правому глазу единственного наблюдателя, или наблюдателям "A" и "B". Отличные виды могут соответствовать отличной точке наблюдения в каждом кадре.
Обозначения ВКЛЮЧЕН или ВЫКЛЮЧЕН означают, является ли источник света включенным или выключенным. Каждый источник света выдает свой световой выход к коллиматору и затем к управляемой оптической системе. Каждый источник света следует последовательности, состоящей из Режима А (источник света ВКЛЮЧЕН), Переключения в Режим В (источник света ВЫКЛЮЧЕН), Режима В (источник света ВКЛЮЧЕН), Переключения в Режим А (источник света ВЫКЛЮЧЕН). Таким образом, источники света включены только тогда, когда система управления лучами является готовой, и благодаря чередованию источников света, не компоновка отсутствие непрерывности.
Эта система обеспечивает возможность уменьшения мерцания.
В системе фиг. 18, свет источников света «Режима А» и «Режима В» не смешивается. Это может быть обеспечено посредством частичной коллимации источников света в плоскости световода, или могут быть обеспечены множественные полосы световода, причем свет ограничен в пределах полос посредством полного внутреннего отражения на боковых стенках полос.
Идеально коллимированный блок задней подсветки будет иметь одно и то же направление светового выхода из всех областей задней подсветки. Когда угловое распределение света задней подсветки является достаточно узким, так что оно является меньшим, чем поле зрения дисплея, это может создать нежелательный эффект, состоящий в том, что свет не из всех областей дисплея может достичь глаз наблюдателя (некоторые части дисплея будут казаться темными).
Для обычных лентикулярных автостереоскопических дисплеев, эта так называемая коррекция точки наблюдения реализуется посредством обеспечения несовпадения между шагом подпикселов отображения и шагом лентикулярных линз. Таким образом, свет от пикселов на боковых сторонах дисплея направляется в отличных направлениях относительно света из центра панели отображения. Для блока направленной задней подсветки, эта коррекция углового распределения может быть реализована либо на уровне оптической фольги перенаправления, либо (если фольга не используется) на уровне световыводящих структур в пределах световода. Эта коррекция требует пространственно-выборочных настроек геометрий структур (угла призм перенаправления или других световыводящих структур) вдоль длины задней подсветки.
Целью является обеспечение того, чтобы углы светового выхода из верхней поверхности задней подсветки (которая может включать в себя или может не включать в себя пленку перенаправления света) изменялись как функция положения поверх верхней поверхности, таким образом, чтобы свет достигал общей точки наблюдения из всех положений верхней поверхности. Эта общая точка наблюдения будет отличной для упомянутых двух режимов задней подсветки, но она будет находиться на одном и том же расстоянии от дисплея, таким образом, что одна точка наблюдения является ожидаемым местоположением одного глаза пользователя, а другая точка наблюдения является ожидаемым местоположением другого глаза пользователя.
В отношении диапазона размеров дисплея, типичное поле зрения находится в пределах 7-12 градусов (половинный угол). Оптические модели были созданы для конструкции, в которой коррекция углового распределения реализуется на уровне пленки перенаправления света. Углы призматических структур модифицируются как функция их расстояния от центральной линии задней подсветки. Угловая коррекция направления выходящего света по краям задней подсветки выбиралась равной ±10° (свет наклоняется к наблюдателю).
Посредством оптического моделирования проверялась, что функциональность развертки лучей задней подсветки для этой конструкции с модифицированной пластиной перенаправления света находится в том же самом диапазоне, что и диапазон, представленный на фиг. 9-11. Было проверено, что световые лучи от краев и от центра задней подсветки сходятся в одну и ту же область наблюдения, что обеспечивает эффективную коррекцию точки наблюдения для всего углового диапазона настройки задней подсветки (±20°).
Некоторые системы отображения используют отслеживание головы в положении наблюдателя. В такой системе, управление активными оптическими элементами может быть настроено для генерирования видов в конкретном направлении для наилучшего комфорта для конкретного положения наблюдателя (или множественных наблюдателей).
Компонент направленной задней подсветки может быть применен в автостереоскопических многовидовых трехмерных дисплеях и в дисплеев с режимом конфиденциальности.
Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия сущности изобретения и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничение объема изобретения.
1. Задняя подсветка дисплея, содержащая:
световод, имеющий верхнюю (40а) и нижнюю (40b) параллельные поверхности, и пару противоположных боковых краев (40с), причем световой выход имеет место из верхней поверхности (40а);
компоновку (42) источников света для предоставления света в световод на одном или обоих противоположных боковых краях; и
массив световыводящих структур (44), сформированных на верхней или нижней параллельной поверхности для перенаправления света таким образом, чтобы он выходил из световода в местоположении световыводящих структур,
причем компоновка источников света является управляемой для обеспечения ввода выбранного одного из по меньшей мере первого и второго световых выходов в световод, причем первый и второй световые выходы являются по меньшей мере частично коллимированными, и компоновка источников света выполнена с возможностью ввода первого и второго световых выходов в световод с отличным угловым направлением возвышения относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей и поперек направления «от края к краю», причем ввод первого и второго световых выходов в световод обеспечивает в результате отличные углы светового выхода из верхней поверхности (40а).
2. Задняя подсветка по п. 1, в которой форма световода в плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей является прямоугольником.
3. Задняя подсветка по п. 1 или 2, в которой первый и второй световые выходы обеспечивают в результате свет, который выходит из световода с отличным диапазоном углов выхода в нормальной плоскости, продолжающейся между боковыми краями.
4. Задняя подсветка по любому предшествующему пункту, в которой первый и второй световые выходы коллимированы по меньшей мере в плоскости, перпендикулярной верхней и нижней поверхностям.
5. Задняя подсветка по любому предшествующему пункту, в которой световыводящие структуры содержат призматические полосы (120), которые продолжаются параллельно боковым краям.
6. Задняя подсветка по любому предшествующему пункту, в которой компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, которые установлены под отличными углами относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей.
7. Задняя подсветка по любому из пп. 1-5, в которой компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, каждый из которых имеет соответствующий элемент формирования луча для установления угла светового выхода в световод относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей.
8. Задняя подсветка по п. 7, в которой элементы формирования луча содержат:
статические призматические структуры, спроектированные для конкретного угла светового выхода относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей; или
динамические элементы формирования луча, такие как устройства с призмами.
9. Задняя подсветка по любому из пп. 1-5, в которой компоновка источников света содержит по меньшей мере первый и второй источники света, каждый из которых содержит массив излучателей света и выходную линзу.
10. Задняя подсветка по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащая компоновку перенаправления света поверх верхней поверхности световода.
11. Задняя подсветка по любому предшествующему пункту, в которой углы светового выхода из верхней поверхности изменяются как функция положения поверх верхней поверхности таким образом, что свет достигает общей точки наблюдения из всех положений верхней поверхности.
12. Автостереоскопическое устройство отображения, содержащее:
заднюю подсветку по любому предшествующему пункту; и
панель (3) отображения, имеющую массив пикселов (5) отображения для создания отображаемого изображения, причем панель отображения освещена задней подсветкой.
13. Автостереоскопическое устройство отображения по п. 12, содержащее контроллер, причем контроллер выполнен с возможностью управления дисплеем в двух режимах:
первый режим, в котором первый световой выход предоставляется в световод, и панелью отображения управляют для отображения первого изображения; и
второй режим, в котором второй световой выход предоставляется в световод, и панелью отображения управляют для отображения второго изображения,
причем контроллер выполнен с возможностью осуществления первого и второго режимов последовательно по времени.
14. Дисплей с обеспечением конфиденциальности, содержащий:
заднюю подсветку по любому из пп. 1-11; и
панель (3) отображения, имеющую массив пикселов (5) отображения для создания отображаемого изображения, причем панель отображения освещена задней подсветкой.
15. Дисплей с обеспечением конфиденциальности по п. 14, содержащий контроллер, причем контроллер выполнен с возможностью управления дисплеем в двух режимах:
первый режим, в котором первый световой выход предоставляется в световод, и панелью отображения управляют для отображения первого изображения; и
второй режим, в котором второй световой выход предоставляется в световод, и панелью отображения управляют для отображения второго изображения,
причем контроллер выполнен с возможностью осуществления первого и второго режимов последовательно по времени.
16. Способ управления направлением светового выхода из задней подсветки, содержащий:
предоставление света в световод, который имеет верхнюю (40а) и нижнюю (40b) параллельные поверхности и пару противоположных боковых краев (40с), причем свет предоставляется в один или оба противоположных боковых края;
использование массива световыводящих структур (44), сформированных на верхней или нижней параллельной поверхности для перенаправления света таким образом, чтобы он выходил из световода через верхнюю поверхность в местоположении световыводящих структур,
причем способ содержит управление угловым направлением возвышения света, входящего в световод, относительно плоскости верхней и нижней параллельных поверхностей поперек направления «от края к краю» между по меньшей мере первым и вторым световыми выходами, каждый из которых имеет отличное угловое направление, причем ввод первого и второго световых выходов в световод обеспечивает в результате отличные углы светового выхода из верхней поверхности (40а).
17. Способ управления автостереоскопическим устройством отображения, содержащий этапы, на которых:
управляют направлением светового выхода из задней подсветки с использованием способа по п. 15;
обеспечивают световой выход из задней подсветки для панели отображения; и
управляют изображением, отображаемым панелью отображения, причем устройством отображения при этом управляют в двух режимах:
первый режим, в котором первый световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения первого изображения; и
второй режим, в котором второй световой выход вводится в световод, и панелью отображения управляют для отображения второго изображения,
причем первый и второй режимы обеспечиваются последовательно по времени.
