TWI866061B

TWI866061B - 使用有效光源的多視像顯示器及其方法

Info

Publication number: TWI866061B
Application number: TW112104672A
Authority: TW
Inventors: 大衛 A 費圖; 湯瑪士赫克曼
Original assignee: 美商雷亞有限公司
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2024-12-11
Also published as: CN118749081A; WO2023163706A1; EP4483233A1; EP4483233A4; US20250060611A1; US12326580B2; TW202401095A

Abstract

本發明關於一種多視像顯示器及其方法，其採用透鏡陣列從半準直光提供有效光源。多視像顯示器包含：半準直背光件，配置為提供半準直光；光閥陣列，排列為多視像像素；以及透鏡陣列，設置在半準直背光件和光閥陣列之間。透鏡陣列中的每個透鏡配置為在透鏡的焦平面處提供有效光源以照明對應的多視像像素。

Description

使用有效光源的多視像顯示器及其方法

本發明關於一種多視像顯示器及其方法，特別是一種使用有效光源的多視像顯示器及其方法。

電子顯示器是向各種裝置和產品的使用者傳達資訊的幾乎無所不在的媒介。其中最常見的電子顯示器為陰極射線管（cathode ray tube, CRT）、電漿顯示面板（plasma display panels, PDP）、液晶顯示器（liquid crystal displays, LCD）、電致發光顯示器（electroluminescent displays, EL）、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）和主動式矩陣有機發光二極體（active matrix OLEDs, AMOLED）顯示器、電泳顯示器（electrophoretic displays, EP）、以及各種採用機電或電流體光調變（例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等）的顯示器。一般而言，電子顯示器可以分為主動顯示器（即，會發光的顯示器）或被動顯示器（即，調變由另一個光源提供的光的顯示器）的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的示例是CRTs、PDPs及OLEDs/ AMOLEDs。在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs顯示器及EP顯示器一般是歸類為被動顯示器。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於固有低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，在許多實際應用中被動顯示器可能有使用上的限制。

為了實現這些與其他優點並且根據本發明的目的，如本文所體現和廣泛描述的，提供一種多視像顯示器，包括：一半準直背光件，配置為發射具有一預定準直因子的一半準直光；一光閥陣列，排列成多視像像素；以及一透鏡陣列，設置在該光閥陣列和該半準直背光件之間，該透鏡陣列中的每個透鏡皆對應於不同的一多視像像素並且配置為在該透鏡的一焦平面處從該半準直光提供一有效光源，並且具有該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一和兩倍之間的尺寸，其中，該有效光源配置為以具有該多視像顯示器的視像的方向的方向性光束來照明所對應的不同的該多視像像素。

根據本發明一實施例，由每個該透鏡提供的該有效光源的尺寸等於由該半準直背光件發射出的該半準直光的該預定準直因子，乘以該透鏡的一焦距，再除以在該焦平面處的材料的一折射係數值，選擇該預定準直因子來決定該有效光源的尺寸。

根據本發明一實施例，由該半準直光背光件發射出的該半準直光的該預定準直因子選擇為與該有效光源與該光閥陣列之間的距離成比例。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡包括一匯聚透鏡，該有效光源設置在該透鏡陣列與該光閥陣列之間的該焦平面處。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡包括一發散透鏡，該有效光源設置在該透鏡與該半準直背光件之間的該焦平面處。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡包括折射透鏡、繞射透鏡和梯度係數透鏡之中的一個或多個。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡包括該折射透鏡，該折射透鏡的材料與在該焦平面處的材料整合。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡包括變焦透鏡，該變焦透鏡配置為有助於調整該焦平面的位置以改變該多視像顯示器的一觀看位置。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡是柱狀透鏡，該柱狀透鏡具有在一第一方向上延伸的一軸，該多視像像素各自包括排列成行的一光閥集合，該行在穿過該柱狀透鏡的該軸的一第二方向上延伸。

根據本發明一實施例，多視像顯示器進一步包括該透鏡陣列中的透鏡之間的光學擋板。

根據本發明一實施例，該光學擋板從該半準直背光件附近延伸穿過該透鏡陣列並延伸至該光閥陣列附近。

根據本發明一實施例，該半準直背光件包括：一導光體，配置為沿著該導光體的長度引導光以作為一引導光，該引導光根據該預定準直因子被準直；以及一角度保持散射元件，分佈在整個該導光體長度，該角度保持散射元件配置為散射出被準直的該引導光的一部分以作為所發射的該半準直光。

根據本發明一實施例，該半準直背光件包括複數個主動光發射器，其佈置在一基板上。

在本發明之另一態樣中，提供一種多視像顯示器，包括：一導光體，配置為發射具有一預定、非零準直因子的一半準直光；一透鏡陣列，該透鏡陣列中的每個透鏡配置為使用該半準直光的一部分在該透鏡的一焦平面處提供一有效光源；以及一光閥陣列，排列成多個光閥集合，每個透鏡對應於該多個光閥集合中的一個不同的光閥集合，其中，由該透鏡陣列提供的該有效光源配置為提供方向性光束，該方向性光束具有對應於一多視像影像的觀看方向的方向，該光閥陣列配置為調變該方向性光束以提供該多視像影像。

根據本發明一實施例，由該透鏡陣列中的透鏡提供的該有效光源的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一和兩倍之間。

根據本發明一實施例，該預定、非零準直因子被選擇以控制由每個該透鏡提供的該有效光源的尺寸，該有效光源的尺寸等於該半準直光的該預定、非零準直因子乘以該透鏡的一焦距，再除以該透鏡陣列和該光閥陣列之間的材料的折射係數值。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡為一凸透鏡，並且該有效光源設置在該透鏡陣列與該光閥陣列之間的該焦平面處。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡是一折射透鏡，其包括從該透鏡陣列延伸到該光閥陣列的折射材料。

根據本發明一實施例，該導光體包括：一光源，配置為提供光，以藉由該導光體引導為一引導光；以及一散射結構，配置為將該引導光自該導光體散射出，以作為具有該預定、非零準直因子的該半準直光。

在本發明之另一態樣中，提供一種多視像顯示器的操作方法，包括：使用一半準直背光件發射一半準直光；以及使用設置在該半準直背光件和一光閥陣列之間的一透鏡陣列從該半準直光提供複數個有效光源，藉由該透鏡陣列中的不同透鏡在不同的該透鏡的一焦平面處提供該複數個有效光源中的每個有效光源，其中，所提供的每個有效光源具有的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一到二倍之間，並且配置為以具有與該多視像顯示器的觀看方向對應的方向的方向性光束來照明光閥的不同集合。

根據本發明一實施例，該透鏡陣列中的透鏡為一匯聚透鏡，每個該有效光源設置該焦平面處，該焦平面設置於該透鏡陣列與該光閥陣列之間。

根據本發明一實施例，多視像顯示器的操作方法進一步包括：藉由該有效光源中對應的不同的有效光源所提供的光來照明該光閥陣列中的不同光閥集合，每個有效光源提供的該光包括該方向性光束；以及調變包括該方向性光束的該光以提供一多視像影像，該方向性光束的方向對應於該多視像影像的視像方向。

根據本發明所述原理的示例和實施例，本發明採用有效光源照明光閥陣列並提供多視像影像。具體來說，根據本發明所述原理的一些實施例，本發明提供了一種多視像顯示器，包括半準直背光件，其配置為發射半準直光；以及透鏡陣列，其配置為聚焦半準直光的不同部分以提供複數個有效光源。隨後，複數個有效光源中的每個有效光源配置為用方向性光束照明光閥陣列的不同光閥集合或多視像像素。根據各個實施例，方向性光束具有對應於多視像顯示器的視像方向（或等效的由多視像顯示器顯示的多視像影像）的方向。藉由光閥陣列的光閥對方向性光束的調變提供多視像影像。與傳統的雙凸透鏡顯示器不同，本發明描述的各個實施例可以允許獨立調整視像之間的間隔和輸出準直。

本發明中，「二維顯示器」或「2D顯示器」定義為配置以提供影像的視像的顯示器，而不論該影像是從甚麼方向觀看的（亦即，在2D顯示器的預定視角內或預定範圍內），該影像的視像基本上是相同的。很多智慧型手機和電腦螢幕中會有的傳統液晶顯示器（LCD）是2D顯示器的示例。與此相反，「多視像顯示器」定義為配置以在不同視像方向（view direction）上或從不同視像方向提供多視像影像（multiview image）的不同視像（different views）的電子顯示器或顯示系統。具體來說，不同視像可以表示多視像影像的場景或物體的不同立體圖。本發明所述的多視像顯示器的用途，包含但不限於，行動電話（例如，智慧型手機）、手錶、平板電腦，行動電腦（例如，膝上型電腦）、個人電腦和電腦螢幕、汽車顯示控制台、攝影機顯示器以及其他各種行動顯示器以及基本上非行動顯示器的應用和裝置。

圖1是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器10的立體圖。如圖1中所示的，多視像顯示器10包括螢幕12，其用於顯示要被觀看的多視像影像。舉例而言，螢幕12可以是電話（例如手機、智慧型手機等等）、平板電腦、筆記型電腦、桌上型電腦的電腦顯示器、攝影機顯示器、或基本上顯示任何其他裝置的電子顯示器的顯示螢幕。

多視像顯示器10在相對於螢幕12的不同的視像方向16上提供多視像影像的不同的視像14。視像方向16如箭頭所示，從螢幕12以各個不同主要角度方向延伸。不同的視像14在箭頭（亦即，表示視像方向16）的終點處被顯示為陰影多邊形框。僅顯示四個視像14和四個視像方向16，其皆為示例而非限制。應注意，雖然不同的視像14在圖1中顯示為在螢幕上方，但是當多視像影像被顯示在多視像顯示器10上時，視像14實際上出現在螢幕12上或附近。在螢幕12上方描繪視像14僅是為了簡化說明，並且意圖表示從對應於特定視像14的相應的一個視像方向16觀看多視像顯示器10。2D顯示器可以與多視像顯示器10大致上相似，除了2D顯示器通常配置為提供所顯示影像的單一視像（例如，類似視像14的一個視像），相對的，多視像顯示器10提供多視像影像的多個不同的視像14。

根據本發明定義，具有與多視像顯示器的視像方向對應的方向的視像方向或等效的光束，通常具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向。角度分量θ在本發明中稱為光束的「仰角分量」或「仰角」。角度分量ϕ稱為光束的「方位角分量」或「方位角」。根據定義，仰角θ為在垂直面（例如，垂直於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度，而方位角ϕ為在水平面（例如，平行於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度。

圖2是根據與本發明所述原理一致的一些實施例，顯示示例中具有與多視像顯示器的視像方向（例如，圖1中的視像方向16）相對應的特定主要角度方向的光束20的角度分量｛θ, ϕ｝的示意圖。此外，根據本發明定義，光束20從特定點發射或射出。亦即，根據定義，光束20具有與多視像顯示器內的特定原點相關聯的中心射線。圖2進一步顯示了原點O的光束（或視像方向）。

此外本發明中，在術語「多視像影像」和「多視像顯示器」中所使用的術語「多視像（multiview）」定義為複數個視像（view），其表示複數個視像之中的視像之間不同的立體圖或包含視像的角度視差。另外，根據本發明定義，本發明中術語「多視像」明確包含兩個以上不同的視像（亦即，最少三個視像並且通常多於三個視像）。如此一來，本發明中所使用的「多視像顯示器」一詞與僅包含表示場景或影像的兩個不同的視像的立體顯示器明確區分。然而應注意的是，雖然多視像影像和多視像顯示器可以包含兩個以上的視像，但是根據本發明定義，可以藉由同時選擇觀看該些多視像影像中僅兩個影像（例如，每個眼球各一個視像），以將多視像影像觀看為立體影像對（a stereoscopic pair of images）（例如，在多視像顯示器上觀看）。

在本發明中，「多視像像素」定義為在多視像顯示器的類似的複數個不同視像的每一個視像之中的子像素的集合或「視像」像素的集合。具體來說，多視像像素可具有個別視像像素，其對應於或表示多視像影像的每一個不同視像中的視像像素。此外，根據本發明定義，多視像像素的視像像素是所謂的「方向性（directional）像素」，其中每個視像像素與不同視像中相應的一視像的預定視像方向相關聯。此外，根據各個示例與實施例，多視像像素的不同視像像素在每個不同視像中可以相同的或至少大致上相似的位置或座標。舉例而言，第一多視像像素可以具有個別視像像素，其位於多視像影像的每個不同視像中的｛x ₁, y ₁｝處；而第二多視像像素可以具有個別視像像素，其位於多視像影像的每個不同視像中的｛x ₂, y ₂｝處，依此類推。在一些實施例中，多視像像素中的視像像素的數量可以等於多視像顯示器的視像的數量。

在本發明中，「導光體」定義為使用全內反射在結構內引導光的結構。具體來說，導光體可以包含在導光體的工作波長下基本上為透明的核心。術語「導光體」一般指的是介電材料的光波導，其利用全內反射在導光體的介電材料和圍繞導光體的物質或介質之間的界面引導光。根據定義，全內反射的條件是導光體的折射係數大於與導光體材料的表面鄰接的周圍介質的折射係數。在一些實施例中，導光體可以在利用上述的折射係數差異之外額外包含塗層，或者利用塗層取代上述的折射係數差異，藉此進一步促成全內反射。舉例而言，該塗層可以是反射塗層。導光體可以是數種導光體中的任何一種，包含但不限於平板或厚平板導光體和條狀導光體其中之一或之二。

此外，本發明中，當術語「平板（plate）」應用於導光體時（如「平板導光體」），定義為片段地（piece-wise）或微分地（differentially）平坦的層或片，有時也稱為「厚平板（slab）」導光體。具體來說，平板導光體定義為導光體，導光體配置以在由導光體的頂部表面和底部表面（亦即，相對的表面）界定的兩個基本正交的方向上引導光。此外，根據本發明定義，頂部表面和底部表面都互相分開，並且至少在微分的意義上可以基本互相平行。亦即，在平板導光體的任何微分的小部分內，頂部表面和底部表面大致上為平行或共平面的。

在一些實施例中，平板導光體可以是基本上平坦的（亦即，限制為平面），並且因此平板導光體是平面導光體。在其他實施例中，平板導光體可以在一個或兩個正交維度上彎曲。舉例而言，平板導光體可以由單一維度彎曲以形成圓柱狀的平板導光體。然而，任何曲率都具有足夠大的曲率半徑，以確保在平板導光體內保持全內反射以引導光。

在本發明中，「角度保持散射特徵」或等效的「角度保持散射體」配置為使光散射的任何特徵或散射體，其以基本上在散射光中保持入射在特徵或散射體上的光的角展度的方式使光散射。具體來說，根據定義，藉由角度保持散射特徵散射的光的角展度σ _s是入射光的角展度σ的函數（亦即，σ _s= F（σ））。在一些實施例中，散射光的角展度σ _s是入射光的角展度或準直因子σ的線性函數（例如，σ _s=α•σ，其中α是整數）。亦即，藉由角度保持散射特徵散射的光的角展度σ _s可以基本上與入射光的角展度或準直因子σ成比例。例如，散射光的角展度σ _s可以基本上等於入射光角展度σ（例如， σ _s≈σ）。均勻的繞射光柵（亦即，具有基本均勻或恆定的繞射特徵間隔或光柵間距的繞射光柵）是角度保持散射特徵的示例。

在本發明中，「準直因子」定義為光的準直程度。具體來說，根據本發明定義，準直因子定義準直光束中的光線的角展度。例如，準直因子σ可以指定一束準直光中的大部分光線在特定的角展度內（例如，相對於準直光束的中心或主要角度方向的+/- σ度）。根據一些示例，準直光束的光線可以在角度方面具有高斯分布（Gaussian distribution），並且角展度可以是由準直光束的峰值強度的一半所決定的角度。

在本發明中，「光源」定義為光的來源（例如，配置為產生光並發射光的光發射器）。舉例而言，光源可以包括光發射器（諸如發光二極體（light emitting diode, LED）），其會在啟動時或開啟時發光。具體來說，在本發明中光源基本上可以為任何一種光源或者可以包括基本上任何光發射器，其包含但不限於，LED、雷射、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）、聚合物發光二極體、電漿光發射器、日光燈、白熾燈，以及實質上任何的光源其中一種或多種。由光源所產生的光可以具有一顏色（亦即可以包含特定波長的光），或者可以具有一定範圍的波長（例如白光）。在一些實施例中，光源可以包括複數個光發射器。舉例而言，光源可以包含光發射器的集合或群組，其中該光發射器的集合或群組中至少一個光發射器產生的光，其顏色或等效波長不同於該光發射器的集合或群組中至少一個其他光發射器產生的光的顏色或波長。舉例而言，該些不同的顏色可以包含原色（例如，紅、綠、藍）。

根據本發明定義，「半準直」光定義為具有準直因子的光，其造成大於多視像影像或多視像顯示器的視錐角的錐角，但小於（並且在在一些實施例中中基本小於）一百八十度的錐角（即＜＜180°）。具體來說，在一些實施例中，半準直光的準直因子可以提供大於約三十度（例如，＞30°）但小於180°的半準直光的錐角。在其他實施例中，半準直光的錐角可以大於約四十度（例如，＞±40°），或者大於約六十度（例如，＞60°），或者大於約九十度（例如，＞ 90°），或者大於約一百二十度（例如，＞ 120°）。然而，在這些實施例之中每一個，半準直光的準直因子導致錐角嚴格小於180°。在一些實施例中，半準直光錐角可以定義為與LCD電腦螢幕、LCD平板電腦、LCD電視或類似的用於半準直觀看的數位顯示裝置的視角大約相同（例如，大約±40-65°）。亦即，半準直光可以例如由使用於LCD電腦螢幕、LCD平板電腦、LCD電視、甚至迷你發光二極體或甚至微型發光二極體的電視或螢幕之中一個或多個中的背光件以提供。

此外，如本發明所使用的，冠詞「一」旨在具有其在專利領域中的通常含義，亦即「一個或多個」。例如，在本發明中「一透鏡」意指一個或多個透鏡，並因此「該透鏡」意指「該（些）透鏡」。此外，本發明所述的任何「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」皆並非意使其成為任何限制。本發明中，當「大約（about）」一詞應用在一數值時，除非另有明確說明，其意思大體上為該數值在產生該數值的設備的公差範圍內，或者可以表示正負10％或正負5％或正負1％。此外，本發明所使用「基本上（substantially）」一詞是指大部分、或幾乎全部、或全部、或在大約51％至大約100％的範圍內的數量。再者，本發明的示例僅為說明性示例，並且提出該示例的目的是為了討論而非限制。

根據本發明所述原理的一些實施例，本發明提供了一種多視像顯示器。圖3是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器100的剖面圖。圖4是根據與本發明所述原理一致的另一實施例，顯示示例中的多視像顯示器100的剖面圖。根據各個實施例，多視像顯示器100配置為提供複數個方向性光束102，其表示視像像素並且具有對應於多視像顯示器100的視像或者等效的由多視像顯示器100顯示的多視像影像的像素方向。

如圖所示，多視像顯示器100包括半準直背光件110，其配置為發射具有預定準直因子的半準直光104。根據各個實施例，半準直背光件110可以具有平面或基本上平面的發光表面110’，其配置為提供或發射半準直光104。由半準直背光件110提供的半準直光104在圖3至圖4中顯示為複數個箭頭，並具有預定準直因子σ。

根據各個實施例，半準直背光件110可以是基本上任何背光件，其具有發光表面110’，發光表面110’配置為提供具有預定準直因子σ的半準直光104。舉例而言，半準直背光件110可以是直接發射光或直接照明的平面背光板。直接發射光或直接照明的平面背光件，包含但不限於，背光面板採用冷陰極螢光燈（cold-cathode fluorescent lamps，CCFLs）、霓虹燈或發光二極體（light emitting diodes，LEDs）的平面陣列，其配置以直接照射平面的發光表面110’並提供半準直光104。具體來說，半準直背光件110可以包括複數個主動光發射器，其佈置在基板上。例如，半準直背光件110可以包括微型LED或甚至微型LED陣列，其分佈在基板上並配置為提供半準直光104。在其他實施例中，電致發光面板（ELP）可以是直接發光平面背光件的另一非限制性示例，其用作半準直背光件110。

在其他實施例中，半準直背光件110可以包括採用間接光源的平面背光件。這種間接照明的背光件可以包含，但不限於各種形式的耦合到邊緣的背光件或所謂的「側光式（edge-lit）」背光件。例如，半準直背光件110可以包括導光體，其配置為將光沿著導光體的長度引導以作為引導光，引導光根據預定準直因子來準直。半準直背光件110可以進一步包括一個或多個角度保持散射元件，其在導光體的長度分佈，一個或多個角度保持散射元件配置為散射出一部分被準直的引導光以作為發射的半準直光104。

圖5是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的半準直背光件110的剖面圖。如圖5所示，半準直背光件110是側光式背光件，並且其包括耦合到半準直背光件110的邊緣的光源112。耦合到邊緣的光源112配置為在半準直背光件110內生成光。

此外，如作為示例而非限制的方式所示，半準直背光件110包括具有基本上為矩形剖面的引導結構114或（導光體），其具有平行的相對表面（即，矩形引導結構）以及複數個提取特徵114a。如圖所示，抽取特徵114a設置在半準直背光件110的引導結構114的表面（亦即頂部表面），其為示例而非限制。然而，在各個實施例中，提取特徵114a可以位於底部表面或者甚至在引導結構114的材料內。

根據各個實施例，來自耦合到邊緣的光源112並且在矩形引導結構114內引導的光，可以藉由提取特徵114a從引導結構114重新定向、從引導結構114散射出或者提取出以提供半準直光104。例如，提取特徵114a可以包括角度保持散射元件。例如，由耦合到邊緣的光源112提供的光可以根據與半準直光104的預定準直因子成比例的預定準直因子而被準直。舉例而言，圖5所示的半準直背光件110可以藉由開啟耦合到邊緣的光源112來啟動，例如圖3至圖4中使用光源112的陰影線所示。

在一些實施例中，半準直背光件110，無論是直接發光式還是側光式（例如，如圖5所示），可以進一步包括一個或多個額外層或額外膜，其包含但不限於擴散器或擴散層、亮度增強膜（BEF）、和偏振回收膜或偏振回收膜層。例如，相較於由半準直背光件110單獨提供的光，擴散器和BEF其中之一或之二可以配置為增加或減小半準直光104的發射角。因此，可採用擴散器和BEF其中之一或之二來選擇性調整和控制由半準直背光件110發射的半準直光104的準直因子σ。舉例而言，亮度增強膜（Brightness enhancement films，BEF）可以從明尼蘇達州聖保羅市的3M光學系統部門（3M Optical Systems Division）的Vikuiti™BEF II獲得，其為微複製增強膜，利用稜鏡結構以提供高達60％的亮度增益。偏振回收層可以配置為選擇性地通過第一偏振，但使第二偏振反射回矩形引導結構114。例如，偏振回收層可以包括反射偏振膜或雙亮度增強膜（dual brightness enhancement film, DBEF）。DBEF膜的示例包含但不限於3M Vikuiti™雙亮度增強膜，其可從明尼蘇達州聖保羅的3M光學系統部獲得。在另一個示例中，可以採用高度偏振轉換膜（advanced polarization conversion film, APCF）或亮度增強膜和APCF膜的組合作為偏振回收層。

圖5顯示半準直背光件110，其進一步包括擴散器116，其與引導結構114相鄰。此外，圖5中顯示亮度增強膜117和偏振回收層118。舉例來說，如圖5所示，在一些實施例中，半準直背光件110進一步包括鄰近引導結構114的表面的反射層119，其與平面的發光表面110’相對（亦即，在後表面上）。反射層119可以包括任何種類的反射膜，其包含但不限於反射金屬層或增強鏡面反射（ESR）膜。ESR膜的示例包括但不限於Vikuiti™增強鏡面反射膜，其可以從明尼蘇達州聖保羅的3M光學系統部獲得。

再次參照圖3和圖4，多視像顯示器100進一步包括光閥120的陣列。根據各個實施例，如圖所示，光閥120的陣列中的光閥120佈置為多視像像素122。光閥120的陣列中的光閥120配置為調變光以形成影像，例如，多視像顯示器100的多視像影像。在各個實施例中，可用任何種類的光閥作為光閥120的陣列中的光閥120，其包含但不限於，液晶光閥、電泳光閥、及基於電潤濕的複數光閥其中一種或多種。

圖3和圖4所示的多視像顯示器100進一步包括透鏡130的陣列，其設置在光閥陣列和半準直背光件之間。如圖所示，透鏡陣列中的每個透鏡130對應於不同的多視像像素122。此外，透鏡陣列的每個透鏡130配置為接收半準直光104，並且從接收到的半準直光104提供有效光源134。亦即，每個透鏡130配置為聚焦半準直光104的一部分，以及在透鏡130的焦平面136或在其中形成各個有效光源134。根據各個實施例，藉由透鏡130形成的有效光源134的尺寸介於光閥120的陣列中的光閥120的尺寸的四分之一到兩倍之間。根據各個實施例，藉由每個透鏡130形成的每個有效光源134因此配置為以具有多視像顯示器100的視像方向的方向性光束102照亮其中一個對應的多視像像素122。根據各個實施例，將有效光源134的尺寸調整為光閥120大小的四分之一到兩倍之間可以減少或甚至消除視角之間的串擾，以及表示多視像像素的光閥120的相鄰集合之間的串擾或重疊。此外，在這個問題上，有效光源134的尺寸也可以最大限度地減少多視像顯示器100中不希望出現的摩爾紋（moiré artifacts），或者在一些實施例中，甚至將其消除。

根據各個實施例，複數條方向性光束102可以表示光場。例如，複數條方向性光束可以限制在基本上為圓錐形的空間區域中，或者具有預定角展度（angular spread），其包含複數條光束中的光束的不同主要角度方向。因此，光束的預定角展度的組合（亦即，複數條光束）可以表示光場。

在一些實施例中，由每個透鏡130提供的有效光源134的尺寸約等於由半準直背光件110發出的半準直光104的預定準直因子乘以透鏡130的焦距，再除以焦平面136的材料的折射係數值。亦即，根據一些實施例，透鏡130所提供的有效光源134的有效光源尺寸S可以由方程式（1）給定： S=(σ∙f)/n（1）其中σ是入射在透鏡130上的半準直光104的預定準直因子，f是透鏡130的焦距，n是有效光源134附近材料的折射係數。

在一些實施例中，半準直光背光件110發出的半準直光104的預定準直因子σ可以選擇為與有效光源134與光閥陣列之間的距離成比例。具體來說，圖3顯示光閥陣列的有效光源134和光閥120之間的距離d。例如，一旦決定距離d（例如根據製造限制條件），可以與所決定距離d成比例地縮放由方程式（1）提供的預定準直因子σ。例如，所述比例可以確保有效光源134適當地照亮對應於有效光源134的多視像像素122。

在一些實施例中，透鏡130的陣列中的透鏡130可以包括匯聚透鏡。例如，如圖3所示，透鏡130可以是正透鏡130a或凸透鏡130a。如圖3所示，當透鏡130、130a包括匯聚透鏡時，焦平面136以及設置在焦平面136的有效光源134設置在透鏡130、130a的陣列和光閥120的陣列之間。

在其他實施例中（例如，如圖4所示），透鏡130的陣列中的透鏡130可以包括發散透鏡（亦即，發散透鏡或負透鏡），並且有效光源134可以設置在透鏡130和半準直背光件110之間的焦平面136處。亦即，如圖4所示，包括發散透鏡130b或凹透鏡130b 的透鏡130的焦平面136位於透鏡陣列和半準直背光件110之間的透鏡130、130b下方。因此，如圖4所示，由透鏡陣列的發散透鏡形成的有效光源134設置在透鏡130、130b和半準直背光件110之間。

根據一些實施例，透鏡130的陣列中的透鏡130可以包括折射透鏡、繞射透鏡（例如，菲涅耳透鏡（Fresnel lens））和梯度係數透鏡（gradient index lenses）之中一個或多個。圖3和圖4將透鏡130圖示為折射透鏡，其為示例而非限制。在其他實施例中，透鏡130的陣列中的透鏡130可以包括變焦透鏡（varifocal lenses），其配置為有助於調整焦平面的位置以改變多視像顯示器的觀看位置。例如，可藉由控制器即時調整變焦透鏡的聚焦能力以改變觀看位置。

在透鏡130的陣列中的透鏡130包括折射透鏡的一些實施例中，折射透鏡的材料可以與焦平面136的材料整合。圖6是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器100的剖面圖。具體來說，圖6所示的多視像顯示器100包括透鏡130的陣列的材料130’，其延伸至或靠近光閥120的陣列。如圖所示，焦平面136的有效光源134在透鏡陣列的材料130’內，而在焦平面136附近的折射係數n與透鏡130的陣列的材料130’的折射係數n相同。例如，以這種方式延伸透鏡130的材料130’可以基本上減少或甚至消除透鏡130和光閥陣列之間的反射。圖6進一步顯示半準直背光件110，其配置為提供來自平面發光表面110’的半準直光104以照明透鏡130的陣列的透鏡130。圖6以示例而非限制的方式將透鏡130顯示為匯聚透鏡130a或凸透鏡130a。儘管圖中未顯示，但包括發散透鏡（例如，圖4的透鏡130b）的多視像顯示器100的類似配置可包含向半準直背光件110延伸的材料130’，以使焦平面136和有效光源134在透鏡陣列和半準直背光件110之間的材料130’內。根據各個實施例，材料130’可包括光學透明介電材料，其例如但不限於，光學聚合物、光學玻璃或經常用於形成透鏡的另一種光學材料。

在一些實施例中，透鏡130的陣列中的透鏡130可以排列成二維（2D）陣列。在這些實施例中，光閥陣列的多視像像素122類似地佈置在2D陣列中。例如，多視像像素122的2D陣列可以提供具有全視差的多視像影像。在其他實施例中，透鏡130的陣列中的透鏡130可以是柱狀透鏡（cylindrical lenses），其具有在第一方向上延伸的軸並且在穿過柱狀透鏡的軸的第二方向中以一維（1D）排列。在這些實施例中，多視像像素122各自包括排列成行的光閥集合，該行在穿過柱狀透鏡的軸的第二方向上延伸。

在一些實施例中，多視像顯示器100進一步包括光學擋板（optical baffle），其介於在透鏡130的陣列中的透鏡130之間。光學擋板可配置為阻擋在由光學擋板劃定的透鏡陣列的相鄰區域之間通過的光線。在一些實施例中，光學擋板可以包括光吸收材料，其吸收光以減少入射光從光學擋板的表面反射。在一些實施例中，光學擋板可以藉由將半準直背光件110有效地分成對應於每個透鏡130的部分並且也藉由減少有效光源134之間的串擾以更佳地界定有效光源134。

圖7是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的包含光學擋板138的多視像顯示器100的剖面圖。如圖所示，如上文相對於圖3所述的，圖7的多視像顯示器100包含半準直背光件110、光閥120的陣列和透鏡130的陣列（例如，凸透鏡130a）。圖7進一步顯示透鏡130的陣列中的各個透鏡130之間的光學擋板138。如圖所示，作為示例而非限制，光學擋板138從半準直背光件110附近延伸到有效光源134之外並延伸到光閥120的陣列附近。在其他實施例中（圖中未顯示），光學擋板138可以只在透鏡陣列附近延伸或可只部分延伸至半準直背光件110和光閥120的陣列。在其他實施例中（圖中未顯示），光學擋板138可以從透鏡陣列延伸到半準直背光件110附近。根據各個實施例，光學擋板138可以將半準直背光件110有效地分成對應於每個獨立透鏡130的區段。此外，雖然未明確說明，但圖7中顯示的光學擋板138可應用於本發明所述的多視像顯示器100的任何實施例，例如圖4和圖6的實施例。

圖8是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器200的方塊圖。如圖所示，多視像顯示器200包括導光體210，其配置為發射具有預定、非零準直因子的半準直光204。在一些實施例中，如上文所述，導光體210可以大致上類似多視像顯示器100的半準直背光件110。具體來說，導光體210的半準直光204和預定、非零準直因子σ可以基本上類似於上文關於半準直背光件110分別描述的半準直光104和預定準直因子σ。在一些實施例中，例如如上所述，導光體210可以包括：光源（圖中未顯示），其配置為提供光，以被導光體引導為引導光；以及散射結構，其配置為將引導光散射出導光體，以作為具有預定、非零準直因子的半準直光。

圖8所示的多視像顯示器200進一步包括透鏡220的陣列。根據各個實施例，透鏡220的陣列中的每個透鏡220配置為使用半準直光204的一部分在透鏡220的焦平面226提供有效光源224。在一些實施例中，透鏡220的陣列可以基本上類似於上文關於多視像顯示器100所描述的透鏡130的陣列。例如，透鏡220的陣列中的透鏡220可以為：凸透鏡，其配置為用作匯聚透鏡（例如上文所述）；或者，凹透鏡，其配置為用作發散透鏡（也例如上文所述）。此外，在各個實施例中，透鏡220可以包括折射透鏡、繞射透鏡和梯度透镜（gradient lens）其中一種或多種。

如圖8所示，多視像顯示器200進一步包括光閥230的陣列，其排列為光閥集合或群組。根據各個實施例，透鏡220的陣列中的每個透鏡220對應於其中一個不同的光閥230的集合或群組。根據各個實施例，每個有效光源224配置為照明光閥230的不同的集合或群組，如照明光206所示。

在一些實施例中，光閥230的陣列可以基本上類似於上述多視像顯示器100的光閥120的陣列。具體來說，光閥230的集合或群組可以是多視像顯示器200的多視像像素。根據各個實施例，由透鏡220的陣列提供的有效光源224配置為提供照明光206，其包括具有方向的方向性光束，對應於多視像影像的觀看方向。此外，根據各個實施例，光閥230的陣列配置為調變照明光206的方向性光束以提供多視像影像。根據各個實施例，一旦被光閥（或光閥集合）調變，方向性光束202就會表示由多視像顯示器200顯示的多視像影像的視像像素。調變方向性光束202在圖8中使用虛線箭頭顯示。

在一些實施例中，藉由透鏡220的陣列中的透鏡220提供的有效光源224的尺寸介於光閥230的陣列中的光閥230的尺寸的四分之一和兩倍之間。在一些實施例中，每個透鏡提供的有效光源的尺寸等於半準直光204的預定、非零準直因子，乘以透鏡220的焦距，再除以透鏡陣列和光閥陣列之間材料的折射係數值。因此，可以選擇預定、非零準直因子來控制或判斷有效光源的尺寸。在透鏡220的陣列中的透鏡220是折射透鏡的一些實施例中，折射透鏡的折射材料可以從透鏡陣列延伸到光閥陣列。

如上文所述，每個有效光源224的尺寸可以是光閥230的陣列中的光閥230的尺寸的四分之一到二倍之間。根據一些實施例，有效光源224和光閥230的相對尺寸可以減少（或在一些示例中最小化）多視像顯示器200的視像之間的暗區（例如摩爾紋），並且同時減少（或在一些示例中最小化）多視像顯示器200的視像或等效的多視像影像之間的重疊或串擾，例如上文所述。

根據本發明所描述的原理的其他實施例，本發明提供一種多視像顯示器的操作方法。圖9是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的操作方法300的流程圖。如圖所示，多視像顯示器的操作方法300包括使用半準直背光件發射310半準直光。在一些實施例中，半準直背光件可以基本上類似於如上文所述關於多視像顯示器100的半準直背光件110。此外，所發射310的半準直光可以與上述多視像顯示器100的半準直光104基本上相似。亦即，所發射310的半準直光具有預定的、非零的準直因子。

圖9中顯示的多視像顯示器的操作方法300進一步包括使用排列在半準直背光件和光閥陣列之間的透鏡陣列從半準直光提供320複數個有效光源。根據各個實施例，藉由透鏡陣列中的不同透鏡在不同透鏡的焦平面提供複數個有效光源中的每個有效光源。在一些實施例中，透鏡陣列可以基本上類似於上文關於多視像顯示器100所描述的透鏡130的陣列。此外，由透鏡陣列的各個透鏡提供的有效光源可以基本上類似於如上所述的有效光源134。具體來說，所提供320的每個有效光源具有的尺寸介於光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一到二倍之間。

此外，每個有效光源配置為用方向性光束照明光閥的不同集合，這些光束的方向對應於多視像顯示器的觀看方向。根據各個實施例，光閥的集合可以是多視像顯示器的多視像像素。

在一些實施例中，透鏡陣列中的透鏡是匯聚透鏡。在這些實施例中，每個有效光源皆設置在焦平面，其設置在透鏡陣列和光閥陣列之間。在其他實施例中，透鏡陣列中的透鏡是發散透鏡。在這些實施例中，每個有效光源皆設置在焦平面，其設置在透鏡陣列和半準直背光件之間。

在一些實施例中，多視像顯示器的操作方法300進一步包括藉由有效光源中對應的不同的有效光源所提供的光來照明330光閥陣列中的不同光閥集合。根據這些實施例，藉由每個有效光源提供的光包括複數個方向性光束。

在一些實施例中，多視像顯示器的操作方法300進一步包括調變340包括複數個方向性光束的所提供光。具體來說，方向性光束可以調變以提供多視像影像，方向性光束具有對應於多視像影像的視像方向的方向。例如，多視像影像可以在操作期間由多視像顯示器顯示或顯示在多視像顯示器上。

因此，本發明已描述了以下操作的示例和實施例：一種多視像顯示器及其方法，包含使用透鏡陣列由半準直光形成的有限尺寸的有效光源，有效光源配置為照明光閥陣列並提供多視像影像。應該理解的是，上述示例僅是說明本發明所述的原理的多個具體示例的其中一些示例。很明顯的，所屬技術領域中具有通常知識者可以輕易設計出多種其他配置，但這些配置不會超出本發明申請專利範圍所界定的範疇。

本申請案主張於2022年2月24日提交的第 PCT/ US22/17767號國際專利申請的優先權，其全部內容通過引用併入本發明。

10:多視像顯示器 12:螢幕 14:視像 16:視像方向 20:光束 100:多視像顯示器 102:方向性光束 104:半準直光 110:半準直背光件 110’:發光表面 112:光源 114:引導結構 114a:提取特徵 116:擴散器 117:亮度增強膜 118:偏振回收層 119:反射層 120:光閥 122:多視像像素 130:透鏡 130a:透鏡、正透鏡、凸透鏡、匯聚透鏡 130b:透鏡、凹透鏡、發散透鏡 130’:材料 134:有效光源 136:焦平面 138:光學擋板 200:多視像顯示器 202:方向性光束 204:半準直光 206:照明光 210:導光體 220:透鏡 224:有效光源 226:焦平面 230:光閥 300:多視像顯示器的操作方法 310,320,330,340:步驟 d:距離 f:焦距 n:折射係數 O:原點 S:有效光源尺寸 ϕ:方位角分量、角度分量、方位角 θ:仰角分量、角度分量、仰角 σ:準直因子

根據在本發明所述的原理的示例和實施例的各種特徵可以參考以下結合附圖的詳細描述而更容易地理解，其中相同的元件符號表示相同的結構元件，並且其中：

圖1是根據本發明所述原理的一些實施例，顯示示例中的多視像顯示器的立體圖。

圖2是根據本發明所述原理的一些實施例，顯示示例中的具有與多視像顯示器的視像方向相對應的特定主要角度方向的光束的角度分量的示意圖。

圖3是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的剖面圖。

圖4是根據與本發明所述原理一致的另一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的剖面圖。

圖5是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的半準直背光件的剖面圖。

圖6是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的剖面圖。

圖7是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的包含光學擋板的多視像顯示器的剖面圖。

圖8是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的方塊圖。

圖9是根據與本發明所述原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的操作方法的流程圖。

特定示例和實施例具有上述參考附圖所示的特徵之外的其他特徵，或者具有代替上述參考附圖中所示的特徵的其他特徵。下文將參照上述參考附圖，詳細描述這些特徵和其他特徵。

100:多視像顯示器

102:方向性光束

104:半準直光

110:半準直背光件

110':發光表面

120:光閥

122:多視像像素

130:透鏡

130a:透鏡、正透鏡、凸透鏡、匯聚透鏡

134:有效光源

136:焦平面

d:距離

f:焦距

n:折射係數

S:有效光源尺寸

σ:準直因子

Claims

一種多視像顯示器，包括：一半準直背光件，配置為發射具有一預定準直因子的一半準直光；一光閥陣列，排列成多視像像素；以及一透鏡陣列，設置在該光閥陣列和該半準直背光件之間，該透鏡陣列中的每個透鏡皆對應於不同的一多視像像素並且配置為在該透鏡的一焦平面處從該半準直光提供一有效光源，並且具有該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一和兩倍之間的尺寸，其中，該有效光源配置為以具有該多視像顯示器的視像的方向的方向性光束來照明所對應的不同的該多視像像素，以及其中，由每個該透鏡提供的該有效光源的尺寸等於由該半準直背光件發射出的該半準直光的該預定準直因子，乘以該透鏡的一焦距，再除以在該焦平面處的材料的一折射係數值，選擇該預定準直因子來決定該有效光源的尺寸。
如請求項1之多視像顯示器，其中，由該半準直光背光件發射出的該半準直光的該預定準直因子選擇為與該有效光源與該光閥陣列之間的距離成比例。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡包括匯聚透鏡，該有效光源設置在該透鏡陣列與該光閥陣列之間的該焦平面處。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡包括發散透鏡，該有效光源設置在該透鏡與該半準直背光件之間的該焦平面處。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡包括折射透鏡、繞射透鏡和梯度係數透鏡之中的一個或多個。
如請求項5之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡包括該折射透鏡，該折射透鏡的材料與在該焦平面處的材料整合。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡包括變焦透鏡，該變焦透鏡配置為有助於調整該焦平面的位置以改變該多視像顯示器的一觀看位置。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡是柱狀透鏡，該柱狀透鏡具有在一第一方向上延伸的一軸，該多視像像素各自包括排列成行的一光閥集合，該行在穿過該柱狀透鏡的該軸的一第二方向上延伸。
如請求項1之多視像顯示器，進一步包括該透鏡陣列中的透鏡之間的光學擋板。
如請求項9之多視像顯示器，其中，該光學擋板從該半準直背光件附近延伸穿過該透鏡陣列並延伸至該光閥陣列附近。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該半準直背光件包括：一導光體，配置為沿著該導光體的長度引導光以作為一引導光，該引導光根據該預定準直因子被準直；以及一角度保持散射元件，分佈在整個該導光體長度，該角度保持散射元件配置為散射出被準直的該引導光的一部分以作為所發射的該半準直光。
如請求項1之多視像顯示器，其中，該半準直背光件包括複數個主動光發射器，其佈置在一基板上。
一種多視像顯示器，包括：一導光體，配置為發射具有一預定、非零準直因子的一半準直光；一透鏡陣列，該透鏡陣列中的每個透鏡配置為使用該半準直光的一部分在該透鏡的一焦平面處提供一有效光源；以及一光閥陣列，排列成多個光閥集合，每個透鏡對應於該多個光閥集合中的一個不同的光閥集合，其中，由該透鏡陣列提供的該有效光源配置為提供方向性光束，該方向性光束具有對應於一多視像影像的觀看方向的方向，該光閥陣列配置為調變該方向性光束以提供該多視像影像，以及其中，該預定、非零準直因子被選擇以控制由每個該透鏡提供的該有效光源的尺寸，該有效光源的尺寸等於該半準直光的該預定、非零準直因子乘以該透鏡的一焦距，再除以在該焦平面處的材料的一折射係數值。
如請求項13之多視像顯示器，其中，由該透鏡陣列中的透鏡提供的該有效光源的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一和兩倍之間。
如請求項13之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡為一凸透鏡，並且該有效光源設置在該透鏡陣列與該光閥陣列之間的該焦平面處。
如請求項13之多視像顯示器，其中，該透鏡陣列中的透鏡是一折射透鏡，其包括從該透鏡陣列延伸到該光閥陣列的折射材料。
如請求項13之多視像顯示器，其中，該導光體包括：一光源，配置為提供光，以藉由該導光體引導為一引導光；以及一散射結構，配置為將該引導光自該導光體散射出，以作為具有該預定、非零準直因子的該半準直光。
一種多視像顯示器的操作方法，包括：使用一半準直背光件發射一半準直光，該半準直光具有一預定準直因子；以及使用設置在該半準直背光件和一光閥陣列之間的一透鏡陣列從該半準直光提供複數個有效光源，藉由該透鏡陣列中的不同透鏡在不同的該透鏡的一焦平面處提供該複數個有效光源中的每個有效光源，其中，所提供的每個有效光源具有的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的四分之一到二倍之間，並且配置為以具有與該多視像顯示器的觀看方向對應的方向的方向性光束來照明光閥的不同集合，以及其中，由每個該透鏡提供的該有效光源的尺寸等於由該半準直背光件發射出的該半準直光的該預定準直因子，乘以該透鏡的一焦距，再除以在該焦平面處的材料的一折射係數值，選擇該預定準直因子來決定該有效光源的尺寸。
如請求項18之多視像顯示器的操作方法，其中，該透鏡陣列中的透鏡為匯聚透鏡，每個該有效光源設置該焦平面處，該焦平面設置於該透鏡陣列與該光閥陣列之間。
如請求項18之多視像顯示器的操作方法，進一步包括：藉由該有效光源中對應的不同的有效光源所提供的光來照明該光閥陣列中的不同光閥集合，每個有效光源提供的該光包括該方向性光束；以及調變包括該方向性光束的該光以提供一多視像影像，該方向性光束的方向對應於該多視像影像的視像方向。