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JP2020517979A - 指向性バックライト、バックライト付きディスプレイおよび方法 - Google Patents

指向性バックライト、バックライト付きディスプレイおよび方法 Download PDF

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Abstract

指向性バックライト、バックライト付きディスプレイ、および指向性バックライトの動作方法は、回折格子を用いて、均一な強度および角度広がりを有する回折格子によって集合的に散乱される放射光を提供する。指向性バックライトは、複数の誘導光ビームを誘導するように構成された光ガイドと、異なる半径方向を有する複数の誘導光ビームを提供するように構成された光源とを含む。指向性バックライトは、光ガイド面全体にわたって均一な強度および角度広がりを有する放射光として、複数の誘導光ビームのうち誘導光ビームの一部を散乱させるように構成された回折格子のアレイをさらに含む。バックライト付きディスプレイは、放射光を変調して表示画像を提供するように構成された光バルブアレイをさらに含む。

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０１７年３月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／４７６，７８１号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし
ディスプレイ、特に「電子」ディスプレイは、様々な装置や製品のユーザに情報を伝えるためのほぼどこにでもある媒体である。例えば、電子ディスプレイは、携帯電話（スマートフォンなど）、腕時計、タブレットコンピュータ、モバイルコンピュータ（ラップトップコンピュータなど）、パーソナルコンピュータおよびコンピュータモニタ、自動車のディスプレイコンソール、カメラディスプレイ、その他の様々なモバイルおよび実質的に非モバイルのディスプレイアプリケーションおよび装置などの様々な装置やアプリケーションで使用されるが、これらに限定されない。電子ディスプレイは一般に、ピクセル強度の差分パターンを使用して、通信されている画像または同様の情報を表現または表示する。ピクセル強度の差分パターンは、パッシブ電子ディスプレイの場合のように、ディスプレイに入射する光を反射することにより提供される。あるいは、電子ディスプレイは、光を提供または発して、ピクセル強度の差分パターンを提供してもよい。光を発する電子ディスプレイは、しばしばアクティブディスプレイと呼ばれる。
本明細書に記載の原理による例および実施形態の様々な特徴は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができ、類似の参照番号は類似の構造要素を示す。
本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例におけるマルチビューディスプレイの斜視図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例におけるマルチビューディスプレイの視線方向に対応する特定の主角度方向を有する光線の角度成分のグラフ表示を示す。 本明細書に記載の原理に一致する実施形態に従う、一例における回折格子の断面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における傾斜回折格子の断面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの平面図を示す。 本明細書に記載される原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの一部の断面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの斜視図を示す。 本明細書に記載される原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの一部の平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する別の実施形態に従う、一例における指向性バックライトの一部の平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における一対の回折格子の平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例におけるスプリアス反射の軽減を含む指向性バックライトの平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する別の実施形態に従う、一例におけるスプリアス反射の軽減を含む指向性バックライトの平面図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例におけるバックライト付きディスプレイのブロック図を示す。 本明細書に記載の原理と一致する実施形態に従う、一例における指向性バックライトの動作方法のフローチャートを示す。
特定の例および実施形態は、上記で参照された図に示された特徴に加えて、およびその代わりの１つである他の特徴を有する。これらの機能およびその他の機能については、上記で参照した図を参照して以下で詳しく説明する。
本明細書に記載の原理に従う例および実施形態は、指向性バックライトならびに指向性バックライトを用いて画像を表示するバックライト付きディスプレイを提供する。特に、本明細書に記載の原理と一致する実施形態は、指向性バックライトの範囲にわたって均一な強度および角度広がりを有する光を発するように構成された指向性バックライトを提供する。さらに、いくつかの実施形態によれば、提供される指向性バックライトは、非コリメート照明または実質的に非コリメート照明を使用してもよい。様々な実施形態において、指向性バックライトは、回折格子を使用して、回折散乱により放射光を提供する。回折格子の特性は、放射光の強度と角度広がり、および主角度方向を決定するように構成されている。回折格子の特性は、回折格子の位置に応じて変化し、回折格子によって集合的に散乱される放射光の均一な強度および角度広がりを提供する。放射光の均一な強度および角度広がりは、例えば、広範囲の視点にわたって均一な輝度を有するバックライトディスプレイを提供し得る。
いくつかの実施形態では、指向性バックライトを使用するバックライト付きディスプレイは二次元（２Ｄ）ディスプレイであってもよく、表示画像は２Ｄ画像である。他の実施形態では、バックライト付きディスプレイはマルチビューディスプレイであってもよく、表示画像はマルチビュー画像である。バックライト付きディスプレイがマルチビューディスプレイである場合、放射光は、マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビームを含み得る。
本明細書において、「二次元ディスプレイ」または「２Ｄディスプレイ」は、画像が見られる方向に関係なく（すなわち、２Ｄディスプレイにおける所定の視野角または視野の範囲内で）実質的に同じ画像のビューを提供するように構成されるディスプレイとして定義される。スマートフォンやコンピュータモニタに見られる従来の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、２Ｄディスプレイの例である。対照的に、「マルチビューディスプレイ」は、異なるビュー方向で、または異なるビュー方向からマルチビュー画像の異なるビューを提供するように構成された電子ディスプレイまたはディスプレイシステムとして定義される。特に、異なるビューは、マルチビュー画像の場面または物体の異なる透視ビューを表してもよい。本書で説明する指向性バックライトおよびバックライト付きディスプレイの使用には、携帯電話（スマートフォンなど）、腕時計、タブレットコンピュータ、モバイルコンピュータ（ラップトップコンピュータなど）、パーソナルコンピュータおよびコンピュータモニタ、自動車のディスプレイコンソール、カメラディスプレイ、その他の様々なモバイル、および実質的に非モバイルのディスプレイアプリケーションと装置が含まれるが、これらに限定されない。
図１Ａは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイ１０の斜視図を示す。図１Ａに示すように、マルチビューディスプレイ１０は、見るべきマルチビュー画像を表示するスクリーン１２を備えている。スクリーン１２は、例えば、電話（例えば、携帯電話、スマートフォンなど）、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータのコンピュータモニタ、カメラディスプレイ、または実質的に他のいかなるデバイスの電子ディスプレイのディスプレイスクリーンであってもよい。
マルチビューディスプレイ１０は、スクリーン１２に対して異なるビュー方向１６でマルチビュー画像の異なるビュー１４を提供する。ビュー方向１６は、スクリーン１２から様々な異なる主角度方向に延びる矢印として示されており、異なるビュー１４は、矢印の終端に影付きの多角形ボックスとして示されており（すなわち、ビュー方向１６を描いている）、また、４つのビュー１４および４つのビュー方向１６のみが示されており、これらは全て例示であって限定ではない。図１Ａではスクリーンの上方に異なるビュー１４が示されているが、マルチビュー画像がマルチビューディスプレイ１０に表示されると、ビュー１４は実際にスクリーン１２上またはスクリーン１２の近くに現れることに留意されたい。スクリーン１２の上にビュー１４を描くことは、説明を簡単にするためだけであり、特定のビュー１４に対応するビュー方向１６のそれぞれからマルチビューディスプレイ１０を見ることを表すことを意図している。２Ｄディスプレイは、一般的に２Ｄディスプレイが、マルチビューディスプレイ１０によって提供されるマルチビュー画像の異なるビュー１４とは対照的に、表示画像の単一ビュー（例えば、ビュー１４に類似する１つのビュー）を提供するように構成されることを除いて、実質的にマルチビューディスプレイ１０に類似し得る。
ビュー方向またはマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する方向を有する同等の光ビームは、一般に、本明細書の定義により、角度成分｛θ、φ｝によって与えられる主角度方向を有する。本明細書では、角度成分θは、光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、光ビームの「方位角成分」または「方位角」と呼ばれる。定義により、仰角θは垂直面の角度（例えば、マルチビュー表示画面の平面に垂直）であり、方位角φは水平面の角度（例えば、マルチビュー表示画面の平面に平行）である。
図１Ｂは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向（例えば、図１Ａのビュー方向１８）に対応する特定の主角度方向を有する光ビーム２０の角度成分｛θ、φ｝のグラフ表示を示す。加えて、光ビーム２０は、本明細書の定義により、特定の点から発せられまたは発散する。すなわち、定義により、光ビーム２０は、マルチビューディスプレイ内の特定の原点に関連付けられた中心光線を有する。図１Ｂはまた、光ビーム（またはビュー方向）の原点Ｏも示している。
さらに、本明細書では、「マルチビュー画像」および「マルチビューディスプレイ」という用語で使用される「マルチビュー」という用語は、異なる視点を表す、または複数のビューのビュー間における角度視差を含む複数のビューとして定義される。さらに、本明細書では、「マルチビュー」という用語は、本明細書の定義により、２つより多い異なるビュー（すなわち、最低３つのビューであり、一般には３つより多いビュー）を明示的に含む。したがって、本明細書で使用される「マルチビューディスプレイ」は、場面または画像を表すために２つの異なるビューのみを含む立体ディスプレイとは明確に区別される。ただし、マルチビュー画像とマルチビューディスプレイには２つより多いビューが含まれる可能性があるが、ここでの定義により、マルチビュー画像は、マルチビューのビューのうち２つだけを選択して同時に（例えば、各眼あたり１つのビューを）立体画像のペアとして（例えばマルチビューディスプレイで）見ることができる。
「マルチビューピクセル」は、本明細書では、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューの各ビュー内の「ビュー」ピクセルを表すピクセルのセットとして定義される。特に、マルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれのビューピクセルに対応する、またはビューピクセルを表す個々のピクセルを有することができる。さらに、マルチビューピクセルのピクセルは、本明細書の定義により、各ピクセルが異なるビューの対応するビューの所定のビュー方向に関連付けられているという点で、いわゆる「指向性ピクセル」である。さらに、様々な例および実施形態によれば、マルチビューピクセルのピクセルによって表される異なるビューピクセルは、異なるビューのそれぞれにおいて同等または少なくとも実質的に類似の位置または座標を有し得る。例えば、第１のマルチビューピクセルは、マルチビュー画像の様々なビューのそれぞれにおいて｛ｘ１、ｙ１｝に位置するビューピクセルに対応する個々のピクセルを有することがあり、第２のマルチビューピクセルは、様々なビューのそれぞれにおいて｛ｘ２、ｙ２｝に位置するビューピクセルに対応する個々のピクセルを有することがある、などである。
いくつかの実施形態では、マルチビューピクセル内のビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイのビューの数に等しくてもよい。例えば、マルチビューピクセルは、８つの異なるビューを有するマルチビューディスプレイに関連付けられた８つのビューピクセルを提供してもよい。あるいは、マルチビューピクセルは、６４個の異なるビューを有するマルチビューディスプレイに関連付けられた６４個のビューピクセルを提供してもよい。別の例では、マルチビューディスプレイは８×４のビューの配列（すなわち、３２ビュー）を提供することができてもよく、マルチビューピクセルは、３２個のビューピクセル（すなわち、各ビューあたり１つ）を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビューディスプレイにおけるマルチビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイの選択されたビューを構成するピクセルの数に実質的に等しくてもよい。
本明細書において、「光ガイド」は、全反射を使用して構造内において光を導く構造として定義される。特に、光ガイドは、光ガイドの動作波長で実質的に透明なコアを含んでもよい。様々な例では、「光ガイド」という用語は一般に、全反射を使用して、光ガイドの誘電体材料とその光ガイドを囲む材料または媒体との間の界面で光を導く誘電体光導波路を指す。定義により、全反射の条件は、光ガイドの屈折率が、光ガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率よりも大きいことである。いくつかの実施形態では、光ガイドは、前述の屈折率差に加えて、またはその代わりに、全反射をさらに促進するためのコーティングを含んでいてもよい。コーティングは、例えば反射コーティングであってもよい。光ガイドは、プレートまたはスラブガイドおよびストリップガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されないいくつかの光ガイドのいずれかであり得る。
さらに本明細書において、「プレート光ガイド」のように光ガイドに適用される場合の「プレート」という用語は、「スラブ」ガイドと呼ばれることもある、区分的または微分的に平面の層またはシートとして定義される。特に、プレート光ガイドは、光ガイドの上面および底面（すなわち、反対側の面）によって境界を定められた実質的に直交する２方向に光を導くように構成された光ガイドとして定義される。さらに、本明細書の定義により、上面および底面は両方とも互いに分離されており、少なくとも微分的な意味で互いに実質的に平行であってもよい。すなわち、プレート光ガイドの異なる小さなセクション内では、上面および底面は実質的に平行または同一平面上にある。
いくつかの実施形態では、プレート光ガイドは実質的に平坦（すなわち、平面に限定）であり、したがって、プレート光ガイドは平面光ガイドである。他の実施形態では、プレート光ガイドは、１つまたは２つの直交する次元に湾曲していてもよい。例えば、プレート光ガイドは、円柱状のプレート光ガイドを形成するために一次元で湾曲していてもよい。ただし、いかなる湾曲も、プレート光ガイド内で全反射が維持されて光を誘導することを保証するのに十分に大きな曲率半径を有する。
本明細書において、「回折格子」は一般に、回折格子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数のフィーチャ（すなわち、回折フィーチャ（diffractive features））として定義される。いくつかの例では、複数のフィーチャは、フィーチャの対の間に１つまたはそれ以上の格子間隔を有する周期的または準周期的に配置されてもよい。例えば、回折格子は、一次元（１Ｄ）アレイに配置された複数のフィーチャ（例えば、材料表面の複数の溝または隆起）を備えてもよい。他の例では、回折格子は、フィーチャの二次元（２Ｄ）アレイであってもよい。回折格子は、例えば、材料表面上のバンプまたは穴の２Ｄアレイであってもよい。様々な実施形態および例によれば、回折格子は、回折格子によって回折される光の波長よりも短い格子間隔または隣接する回折フィーチャ間の距離を有するサブ波長格子であってもよい。
したがって、本明細書の定義により、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらす構造である。光が光ガイドから回折格子に入射する場合、提供された回折または回折散乱は、回折格子が回折によって光ガイドから光を結合するという意味で、「回折結合（diffractive coupling）」と呼ばれることがある。回折格子はまた、回折により（すなわち、回折角で）光の方向変更をし、または光の角度を変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を出る光は一般に、回折格子に入射する光（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。回折による光の伝播方向の変化は、本明細書では「回折方向転換（diffractive redirection）」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折的に方向転換する回折フィーチャを含む構造であると理解でき、光ガイドから光が入射する場合、回折格子は光ガイドからの光を回折的に結合することもできる。
さらに、本明細書の定義により、回折格子のフィーチャは「回折フィーチャ」と呼ばれ、材料表面（すなわち、２つの材料間の境界）の１つまたはそれ以上であり得る。表面は、例えば、光ガイドの表面であり得る。回折フィーチャは、表面、内部、または表面上の溝、隆起、穴、およびバンプのうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造のいずれかを含んでもよい。例えば、回折格子は、材料表面に複数の実質的に平行な溝を含んでもよい。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がる複数の平行な隆起部を含んでもよい。回折フィーチャ（例えば、溝、隆起、穴、バンプなど）は、正弦波プロファイル、長方形プロファイル（バイナリ回折格子など）、三角形プロファイルおよび鋸歯状プロファイル（ブレーズド格子など）のうちの１つまたはそれ以上を含む、回折を提供する様々な断面形状またはプロファイルのいずれかを有してもよいが、これらに限定されない。
以下でさらに説明するように、本明細書の回折格子は、フィーチャ間隔またはピッチ、方位、およびサイズ（回折格子の幅または長さなど）のうちの１つまたはそれ以上を含む格子特性を有し得る。さらに、格子特性は、回折格子への光ビームの入射角、光源からの回折格子の距離、またはその両方の関数になるように選定または選択することができる。特に、いくつかの実施形態によれば、回折格子の格子特性は、光源の相対位置および回折格子の位置に依存するように選択され得る。
本明細書に記載の様々な例によれば、回折格子（例えば、以下で説明するようなマルチビューピクセルの回折格子）を使用して、光ガイド（例えば、プレート光ガイド）からの光を光ビームとして回折的に散乱または結合することができる。特に、局所的に周期的な回折格子の、または所的に周期的な回折格子によって提供される回折角θｍは、数式（１）によって次のように与えられる。
ここで、λは光の波長であり、ｍは回折次数であり、ｎは光ガイドの屈折率であり、ｄは回折格子のフィーチャ間の距離または間隔であり、θｉは回折格子への光の入射角である。完結にするために、数式（１）は、回折格子が光ガイドの表面に隣接し、光ガイドの外側の材料の屈折率が１に等しい（つまり、ｎｏｕｔ＝１）と仮定している。一般に、回折次数ｍは整数で与えられる。回折格子によって生成される光ビームの回折角θｍは、回折次数が正である数式（１）によって与えられてもよい（例えば、ｍ＞０）。例えば、回折次数ｍが１に等しい場合（つまり、ｍ＝１）、１次回折がもたらされる。
図２Ａは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における回折格子３０の断面図を示す。例えば、回折格子３０は、光ガイド４０の表面に配置されてもよい。さらに、図２Ａは、入射角θｉで回折格子３０に入射する光ビーム５０を示している。入射光ビーム５０は、光ガイド４０内における誘導光のビーム（すなわち、誘導光ビーム）であってもよい。また、図２Ａには、入射光ビーム５０の回折の結果として回折格子３０によって回折的に生成され結合される指向性光ビーム６０が示されている。指向性光ビーム６０は、数式（１）によって与えられるような回折角θｍ（または本明細書では「主角度方向（principal angular direction）」）を有する。回折角θｍは、回折格子３０の回折次数「ｍ」、例えば、回折次数ｍ＝１（すなわち、第１の回折次数）に対応してもよい。
本明細書では、定義により、「傾斜」回折格子は、回折格子の表面の表面法線に対して傾斜角を有する回折フィーチャを備えた回折格子である。様々な実施形態によれば、傾斜回折格子は、入射光の回折による片側散乱をもたらし得る。
図２Ｂは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における傾斜回折格子８０の断面図を示す。図示されるように、傾斜回折格子８０は、図２Ａに示される回折格子３０に類似した、光ガイド４０の表面に配置されたバイナリ回折格子である。ただし、図２Ｂに示される傾斜回折格子８０は、図示されるように、格子の高さ、深さ、または厚さｔとともに、表面法線（破線で示される）に対して傾斜角γを有する回折フィーチャ８２を含む。また、入射光ビーム５０と、傾斜回折格子８０による入射光ビーム５０の片側回折散乱を表す指向性光ビーム６０も示されている。様々な実施形態によれば、傾斜回折格子８０による二次方向の光の回折散乱は、片側回折散乱によって抑制されることに留意されたい。図２Ｂにおいて、「消された」破線の矢印９０は、傾斜回折格子８０による二次方向の抑制された回折散乱を表す。
様々な実施形態によれば、回折フィーチャ８２の傾斜角γは、二次方向の回折散乱が抑制される程度を含む傾斜回折格子８０の片側回折特性を制御するように選択されてもよい。例えば、傾斜角γは、約２０度（２０°）〜約６０度（６０°）または約３０度（３０°）〜約５０度（５０°）または約４０度（４０°）〜約５５度（５５°）のうちから選択されてもよい。約３０°〜５０°の範囲の傾斜角γは、例えば、傾斜回折格子８０によって提供される片側方向と比較した場合に、二次方向における回折散乱の約４０倍（４０倍）より良好な抑制を提供し得る。いくつかの実施形態によれば、回折フィーチャ８２の厚さｔは、約１００ナノメートル（１００ｎｍ）〜約４００ナノメートル（４００ｎｍ）の間とすることができる。例えば、厚さｔは、約３００ｎｍ〜約５００ナノメートル（５００ｎｍ）の範囲の格子周期ｐについて、約１５０ナノメートル（１５０ｎｍ）〜約３００ナノメートル（３００ｎｍ）の間であり得る。
本明細書の定義により、「マルチビーム要素」は、複数の光ビームを含む光を生成するバックライトまたはディスプレイの構造または要素である。「回折」マルチビーム要素は、定義により、回折結合によって、または回折結合を使用して複数の光ビームを生成するマルチビーム要素である。特に、いくつかの実施形態において、回折マルチビーム要素は、バックライトの光ガイドに光学的に結合され、光ガイド内で誘導される光の一部を回折的に結合することにより複数の光ビームを提供する。さらに、本明細書の定義により、回折マルチビーム要素は、マルチビーム要素の境界または範囲内に複数の回折格子を含む。本明細書の定義により、マルチビーム要素によって生成される複数の光ビーム（または「複数の光ビーム」）の光ビームは、互いに異なる主角度方向を有する。特に、定義により、複数の光ビームのうちのある光ビームは、複数の光ビームのうちの別の光ビームとは異なる所定の主角度方向を有する。様々な実施形態によれば、回折マルチビーム要素の回折格子における回折フィーチャの間隔または格子ピッチは、サブ波長（すなわち、導波光の波長未満）であり得る。
様々な実施形態によれば、複数の光ビームはライトフィールドを表していてもよい。例えば、複数の光ビームは、実質的に円錐形の空間領域に限定されるか、複数の光ビーム内の光ビームの異なる主角度方向を含む所定の角度広がりを有してもよい。したがって、組み合わされた光ビームの所定の角度広がり（すなわち、複数の光ビーム）が、ライトフィールドを表し得る。
本明細書では、「コリメート光」または「コリメート光ビーム」は一般に、光ビームの光線が光ビーム内で互いに実質的に平行である光ビームとして定義される（例えば、光ガイド内の誘導光ビーム）。さらに、コリメート光ビームから発散または散乱される光線は、本明細書の定義により、コリメート光ビームの一部とはみなされない。さらに、本明細書では、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成された実質的なあらゆる光学デバイスまたは装置として定義される。
本明細書では、「コリメーション因子」は、光がコリメートされる度合いとして定義される。特に、コリメーション因子は、本明細書の定義により、コリメートされた光ビーム内の光線の角度広がりを定義する。例えば、コリメーション因子σは、コリメート光のビーム内の光線の大部分が特定の角度広がり内（例えば、コリメート光ビームの中心または主角度方向を中心として＋／−σ度）にあることを指定する場合がある。いくつかの例によれば、コリメート光ビームの光線は角度に関してガウス分布を有し、角度広がりはコリメート光ビームのピーク強度の半分によって決定される角度であり得る。
本明細書において、「光源」は、光の供給源（例えば、光を生成および発するように構成された光エミッタ）として定義される。例えば、光源は、活性化またはオンにされると光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光エミッタを備えていてもよい。特に、本明細書では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマベースの光エミッタ、蛍光灯、白熱灯、および実質的に他の光源のうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源であるか、または実質的に任意の発光体を含み得る。光源によって生成された光は、色を有していてもよく（つまり、特定の波長の光を含む場合がある）、波長の範囲を有していてもよい（例えば、白色光）。いくつかの実施形態では、光源は複数の光エミッタを備えてもよい。例えば、光源は、少なくとも１つの光エミッタが少なくとも１つの他のセットまたはグループの光エミッタによって生成される光の色または波長とは異なる色または同等の波長を有する光を生成する光エミッタのセットまたはグループを含み得る。異なる色は、例えば原色（例えば、赤、緑、青）を含み得る。
本明細書では、「片側回折散乱」および「片側方向」などにおける「片側」という用語は、第２の側に対して別の方向に対応する第１の側に対応する「片方だけの」または「優先的に一方向に」を意味すると定義される。特に、「片側回折散乱」は、第１の側と反対側の第２の側からではなく、第１の側から光を提供または発する回折散乱として定義される。例えば、回折格子による片側回折散乱は、第１の（例えば、正の）半空間に光を発するが、対応する第２の（例えば、負の）半空間には発しない場合がある。第１の半空間は、回折格子または回折格子が位置する光ガイドの上にあってもよく、第２の半空間は回折格子の下にあってもよい。したがって、例えば、片側回折散乱は、回折格子の上方の、ある領域にまたは方向に光を発し、回折格子の下方の、他の領域に、または別の方向には光をほとんどまたは全く発しない。本明細書に記載の様々な実施形態によれば、傾斜回折格子は、片側回折散乱をもたらし得る。
本明細書では、「角度保存散乱フィーチャ」または同等に「角度保存散乱体」は、フィーチャまたは散乱体に入射する光の角度広がりを散乱光において実質的に維持する方法で光を散乱するように構成された任意のフィーチャまたは散乱体である。特に、定義により、角度保存散乱フィーチャによって散乱される光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりσの関数（つまり、σｓ＝ｆ（σ））である。いくつかの実施形態では、散乱光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション因子σの一次関数である（例えば、σｓ＝ａ・σ、ａは整数）。すなわち、角度を維持する散乱フィーチャによって散乱される光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション因子σに実質的に比例する場合がある。例えば、散乱光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりσに実質的に等しくてもよい（例えば、σｓ≒σ）。回折格子は、角度を維持する散乱フィーチャの一例である。対照的に、ランバート散乱体またはランバート反射体、ならびに一般的な拡散体（例えば、ランバート散乱を有するまたは近似する）は、本明細書の定義により、角度を維持する散乱体ではない。
さらに、本明細書で使用される場合、冠詞「ａ」は、特許技術におけるその通常の意味、すなわち「１つまたはそれ以上」を有することを意図している。例えば、「回折格子」とは、１つまたはそれ以上の回折格子を意味し、したがって、本明細書では「回折格子」とは「回折格子（単数または複数）」を意味する。また、本明細書で「頂」、「底」、「上側」、「下側」、「上」、「下」、「前」、「後」、「第１」、「第２」、「左」、または「右」について言及している場合、それらはいずれも、本明細書では限定を意図しているわけではない。本明細書では、値に対して用いられるときの「約」という用語は、一般に、その値を生じるために使用される機器の許容範囲内を意味するか、あるいは、特に明示的に指定がない限り、プラスマイナス１０％、プラスマイナス５％、またはプラスマイナス１％を意味する場合がある。さらに、本明細書で使用される「実質的に」という用語は、大部分、ほぼ全て、全て、または約５１％から約１００％の範囲内の量を意味する。さらに、本明細書における実施例は、例示のみを目的としたものであり、限定のためではなく、説明のために示したものである。
本明細書に記載の原理のいくつかの実施形態によれば、指向性バックライトが提供される。指向性バックライトは、光を発するように構成され、例えば、バックライト付きディスプレイを照らすために使用されてもよい。図３Ａは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライト１００の平面図を示す。図３Ｂは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライト１００の一部の断面図を示す。特に、図３Ｂは、図３Ａの指向性バックライト１００の一部の断面を示しており、その断面はｘ−ｚ平面にある。図３Ｃは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライト１００の斜視図を示す。様々な実施形態によれば、図示された指向性バックライト１００は、画像を表示するように構成された電子ディスプレイ（または単に「ディスプレイ」）のバックライトとして採用されてもよい。これらの実施形態のいくつかでは、電子ディスプレイはマルチビューディスプレイであってもよく、表示画像はマルチビュー画像であってもよい。
図３Ａ〜図３Ｃに示される指向性バックライト１００は、放射光１０２を提供するように構成される。さらに、様々な実施形態によれば、指向性バックライト１００によって提供される放射光１０２は、均一または少なくとも実質的に均一な強度および角度広がりを有するように構成される。特に、放射光１０２の強度および角度広がりは、指向性バックライト１００にわたる位置に関係なく実質的に一定であり得る。放射光１０２の均一な強度および角度広がりは、例えば、指向性バックライト１００を使用するディスプレイの角度のある視野範囲にわたって均一な輝度を提供し得る。さらに、少なくともいくつかの実施形態では、角度表示範囲は、放射面または指向性バックライト１００の平面に平行な一方向または２つの直交方向のいずれかで約６０度（６０°）よりも小さく、いくつかの実施形態でははるかに小さくてもよい。
図示されるように、指向性バックライト１００は、光ガイド１１０を含む。光ガイドは、例えば、プレート光ガイド（図示）であってもよい。光ガイド１１０は、光ガイド１１０の長さに沿って光を誘導光として、より詳細には複数の誘導光ビーム１１２として誘導するように構成される。例えば、光ガイド１１０は、光導波路として構成された誘電材料を含むことができる。誘電体材料は、誘電体光導波路を取り囲む媒体の第２の屈折率よりも大きい第１の屈折率を有してもよい。屈折率の差は、例えば、光ガイド１１０の１つまたはそれ以上のガイドモードに従って、複数の誘導光ビームにおける誘導光ビーム１１２の全反射を促進するように構成される。
いくつかの実施形態では、光ガイド１１０は、光学的に透明な誘電材料の延長された実質的に平面のシートを含むスラブまたはプレート光導波路であってもよい。誘電体材料の実質的に平面のシートは、全反射を使用して誘導光ビーム１１２を導くように構成される。様々な例によれば、光ガイド１１０の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば、シリカガラス、アルカリ−アルミノケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラスなど）および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（ポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうち１つまたはそれ以上を含むが、これらに限定されない様々な誘電材料を含むか、またはそれらから構成されてもよい。いくつかの例では、光ガイド１１０は、光ガイド１１０の表面（例えば、上面および底面の一方または両方）の少なくとも一部にクラッド層（図示せず）をさらに含み得る。クラッド層は、いくつかの例によれば、全反射をさらに促進するために使用され得る。
様々な実施形態によれば、光ガイド１１０は、光ガイド１１０の第１の表面１１０’（例えば、「前」面）と第２の表面１１０’’（例えば、「背面」または「底面」）との間の非ゼロ伝播角度での全反射に従って誘導光ビーム１１２を導くように構成される。特に、誘導光ビーム１１２は、光ガイド１１０の第１の表面１１０’と第２の表面１１０’’との間を非ゼロ伝播角度で反射または「跳ね返る」ことにより伝播する。図３Ｂでは、説明を簡単にするために、非ゼロ伝播角度は明示的に描かれていないことに留意されたい。しかしながら、図３Ｂは、光ガイド長に沿った誘導光ビーム１１２の一般的な伝播方向１０３を示す図の平面を指す矢印を示している。
本明細書で定義されるように、「非ゼロ伝播角度」は、光ガイド１１０の表面（例えば、第１の表面１１０’または第２の表面１１０’’）に対する角度である。さらに、様々な実施形態によれば、非ゼロ伝播角度は、ゼロより大きく、かつ光ガイド１１０内の全反射の臨界角より小さい。例えば、誘導光ビーム１１２の非ゼロ伝播角度は、約１０度（１０°）〜約５０度（５０°）の間、またはいくつかの例では、約２０度（２０°）〜約４０°（４０°）の間、または約２５度（２５°）〜約３５度（３５°）の間であり得る。例えば、非ゼロの伝播角度は約３０度（３０°）であってもよい。他の例では、非ゼロの伝播角度は約２０°、または約２５°、または約３５°であってもよい。さらに、特定の非ゼロ伝播角度が、光ガイド１１０内の全反射の臨界角よりも小さくなるように選択される限り、特定の実装に対して特定の非ゼロ伝播角度が（例えば、任意に）選択されてもよい。
図３Ａおよび図３Ｃに示されるように、指向性バックライト１００はさらに、光源１２０を備えている。光源１２０は、光ガイド１１０上の入力位置１１６に配置されている。例えば、光源１２０は、図示されるように、光ガイド１１０の縁部または側面１１４に隣接して配置されていてもよい。光源１２０は、複数の誘導光ビーム１１２として光ガイド１１０内に光を提供するように構成される。さらに、光源１２０は、複数の誘導光ビームにおける個々の誘導光ビーム１１２が互いに異なる半径方向１１８を有するように光を提供する。
特に、光源１２０によって発せられた光は、光ガイド１１０に入り、その後、複数の誘導光ビーム１１２が光ガイド１１０の長さにわたって、または光ガイド１１０の長さに沿って入力位置１１６から離れて放射状パターンで伝播するように構成される。さらに、複数の誘導光ビームにおける個々の誘導光ビーム１１２は、入力位置１１６から離れる伝播の放射状パターンにより互いに異なる半径方向１１８を有する。すなわち、誘導光ビーム１１２は、図示のように、異なる半径方向１１８で共通の原点（すなわち、入力位置１１６の光源１２０）から離れて伝播する。例えば、光源１２０は側面１１４に突き合わせ結合されてもよい。突き合わせ結合された光源１２０は、例えば、個々の誘導光ビーム１１２の異なる半径方向を提供するために扇形パターンでの光の導入を促進し得る。いくつかの実施形態によれば、光源１２０は、誘導光ビーム１１２が異なる半径方向１１８に沿って（すなわち、複数の誘導光ビーム１１２として）伝播するように、入力位置１１６の「点」光源であるか、少なくとも近似することができる。
いくつかの実施形態では、光源１２０の入力位置１１６は、側面１１４の中心または中央の近傍（例えば、その近くまたはほぼ中心または中央）において光ガイド１１０の側面１１４上にある。図３Ａおよび図３Ｃに示すように、光源１２０は、光ガイド１１０の側面１１４（すなわち「入力側」）のほぼ中央（例えば、中央）にある入力位置１１６にある。あるいは（図示しないが）、入力位置１１６は、光ガイド１１０の側面１１４の中央から離れていてもよい。例えば、入力位置１１６は、光ガイド１１０の角にあってもよい。例えば、光ガイド１１０は、長方形の形状（例えば、図示のような）を有していてもよく、光源１２０の入力位置１１６は、長方形の光ガイド１１０の角（例えば、入力側１１４の角）にあってもよい。
いくつかの実施形態では、光源１２０は、光ガイド１１０の側面の空洞に配置されてもよい。様々な実施形態によれば、空洞は、複数の誘導光ビーム１１２を異なる半径方向１１８に広げるか、そうでなければ提供するように構成された形状を有することができる。図４Ａは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライト１００の一部の平面図を示す。図４Ｂは、本明細書に記載の原理と一致する別の実施形態による、一例における指向性バックライト１００の一部の平面図を図示する。特に、図４Ａ〜図４Ｂは、光源１２０を含む光ガイド１１０の側面１１４における指向性バックライト１００の一部を示している。さらに、図示されているように、光源１２０は、光ガイド側１１４の空洞１２２内に配置されている。図４Ａは、複数の誘導光ビーム１１２を異なる半径方向１１８に広げるように構成された半円形形状を有する空洞１２２を示す。図４Ｂは、切子面のある、または区分的に線形の空洞形状を有する空洞１２２を示している。さらに、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、光源１２０は、空洞１２２の表面に沿って分布する複数の光エミッタ１２４を含む。図４Ａ〜図４Ｂはまた、空洞１２２および光源１２０から離れて異なる半径方向１１８に放射する矢印として、誘導光ビーム１１２を示す。
様々な実施形態において、光源１２０は、１つまたはそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ（例えば、レーザダイオード）を含むがこれらに限定されない実質的に任意の光源（例えば、光エミッタ１２４）を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、光源１２０は、特定の色で示される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光エミッタ１２４を備えてもよい。特に、単色光の色は、特定の色空間または色モデル（例えば、ＲＧＢ色モデル）の原色であってもよい。他の例では、光源１２０は、実質的に広帯域または多色の光を提供するように構成された実質的に広帯域の光源であり得る。例えば、光源１２０は白色光を提供してもよい。いくつかの実施形態では、光源１２０は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光エミッタ１２４を備えてもよい。異なる光エミッタ１２４は、光の異なる色のそれぞれに対応する誘導光の異なる色固有の非ゼロ伝播角度を有する光を提供するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、光源１２０からの光を光ガイド１１０に結合することによって生成される複数の誘導光ビームにおける誘導光ビーム１１２は、コリメートされない、または少なくとも実質的にコリメートされなくてもよい。他の実施形態では、誘導光ビーム１１２は、例えば垂直方向にコリメートされてもよい（すなわち、誘導光ビーム１１２はコリメート光ビームであってもよい）。したがって、いくつかの実施形態では、指向性バックライト１００は、光源１２０と光ガイド１１０との間にコリメータ（図示せず）を含んでもよい。あるいは、光源１２０は、誘導光ビーム１１２の伝播方向に実質的に垂直な平面（例えば、「垂直」平面）にコリメーションをもたらすように構成されたコリメータをさらに備えてもよい。具体的には、コリメーションは、光ガイド１１０の表面（例えば、第１の表面１１０’または第２の表面１１０’’）に垂直な平面内で比較的狭い角度広がりを有するコリメートされた誘導光ビーム１１２を提供し得る。様々な実施形態によれば、コリメータは、レンズ、リフレクタまたはミラー（例えば、傾斜コリメートリフレクタ）、または、例えば光源１２０からの光をコリメートするように構成された回折格子を含むがこれらに限定されない任意の様々なコリメータを含んでもよい。
さらに、いくつかの実施形態では、コリメータは、非ゼロ伝播角度を有する光、および所定のコリメータ因子に従ってコリメートされたコリメート光のうち一方または両方を提供してもよい。さらに、異なる色の光エミッタが使用される場合、コリメータは、異なる色固有の非ゼロ伝播角度の一方または両方を有し、異なる色固有のコリメーション因子を有するコリメート光を提供するように構成され得る。コリメータはさらに、いくつかの実施形態では、コリメート光を光ガイド１１０に伝達して、誘導光ビーム１１２として伝播するように構成される。
再び図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、指向性バックライト１００は、光ガイド１１０の表面上に互いに間隔を空けた回折格子１３０のアレイをさらに含む。図３Ｂおよび図３Ｃにおいて、回折格子アレイは、限定ではなく例として第１の表面１１０’上に示されている。様々な実施形態によれば、回折格子１３０のアレイは、放射光１０２として光を放射または散乱するように構成される。特に、回折格子アレイの回折格子１３０は、強度、主角度方向、および角度広がりを有する放射光１０２として複数の誘導光ビームにおける誘導光ビーム１１２の一部を散乱させるように構成される。図３Ｂおよび図３Ｃでは、主角度方向は矢印を用いて示されており、角度広がりは図３Ｂの矢印の両側にある一対の破線で示されている。図３Ｃでは、角度広がりの円錐角を示すために円錐を用いて角度広がりが描かれている。また、図３Ｃでは、限定ではなく、例示を容易にするために、選択された回折格子１３０、対応する誘導光ビーム１１２、および散乱放射光１０２のみが示されている。
様々な実施形態によれば、回折格子アレイにおける個々の回折格子１３０は、一般に、互いに交差したり、重なり合ったり、さもなければ接触したりしない。すなわち、様々な実施形態によれば、回折格子アレイにおける各回折格子１３０は互いに離間しており、そのため、各回折格子１３０は一般的に区別され、他の回折格子１３０から分離されている。
様々な実施形態において、回折格子アレイにおける各回折格子１３０は、関連する格子特性を有する。回折格子１３０の格子特性は、回折格子１３０によって散乱される放射光１０２の強度、主角度方向、および角度広がりを決定するように構成される。さらに、回折格子１３０の格子特性は、一般に、光ガイド１１０の表面上の回折格子１３０の位置と、光ガイド１１０の側面１１４上の光源１２０の位置との両方の関数である。特に、各回折格子１３０の格子特性は、光源１２０から回折格子１３０に入射する誘導光ビーム１１２の半径方向１１８の関数に依存するか、その関数によって定義されるか、その関数である。さらに、格子特性は、様々な実施形態において、回折格子１３０と光源１２０の入力位置１１６との間の距離によって決定または規定される。例えば、格子特性は、図３Ａに示すように、回折格子１３０ａと入力位置１１６との間の距離Ｄと、回折格子１３０ａに入射する誘導光ビーム１１２の半径方向１１８ａとの関数とすることができる。言い換えると、複数の回折格子１３０における回折格子１３０の格子特性は、光源の入力位置１１６と、光源１２０の入力位置１１６に対する光ガイド１１０の表面上の回折格子１３０の特定の位置とに依存する。
図３Ａは、異なる空間座標（ｘ１、ｙ１）および（ｘ２、ｙ２）を有する２つの異なる回折格子１３０ａおよび１３０ｂを示しており、回折格子１３０ａおよび１３０ｂはさらに、回折格子１３０に入射する光源１２０からの複数の誘導光ビーム１１２の異なる半径方向１１８ａおよび１１８ｂを補償または説明する異なる格子特性を有する。同様に、２つの異なる回折格子１３０ａおよび１３０ｂの異なる格子特性は、異なる空間座標（ｘ１、ｙ１）および（ｘ２、ｙ２）によって決定される光源入力位置１１６からのそれぞれの回折格子１３０ａ、１３０ｂの異なる距離を説明する。
いくつかの実施形態では、格子特性は格子深さを含む。格子深さは、回折格子１３０によって散乱される放射光１０２の強度を決定するように構成され得る。いくつかの実施形態では、格子特性は、回折格子１３０によって散乱された放射光１０２の主角度方向を決定するように構成された回折格子の格子ピッチおよび格子方向の一方または両方を含む。本明細書では、格子ピッチは、回折格子１３０の回折フィーチャの間隔に相当し、格子方向は、回折格子１３０に入射する誘導光ビーム１１２の半径方向１１８に対する回折フィーチャの方位角である。いくつかの実施形態では、格子特性は、回折格子１３０によって散乱される放射光１０２の角度広がりを決定するように構成された回折格子１３０の曲率および格子チャープの一方または両方を含む。いくつかの実施形態において、格子特性は、回折格子１３０の格子深さ、格子ピッチ、格子方向、格子チャープおよび曲率のうちの２つ以上の組み合わせを含み得る。
図５は、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における一対の回折格子１３０の平面図を示す。例えば、図５の一対の回折格子１３０は、図３Ａに示される回折格子１３０ａ、１３０ｂと同等であり得る。特に、図示のように、一対の回折格子１３０は、光ガイド１１０の表面に配置され、異なる格子特性を有してもよい。異なる格子特性に関して、回折格子対の各回折格子１３０は、図示のように、それぞれの回折フィーチャ１３２の曲率および格子チャープを有する。さらに、回折格子１３０は、図示されるように、入射する誘導光ビーム１１２の異なる半径方向１１８に対応する異なる格子方向を有する。上述のように、様々な実施形態によれば、異なる格子特性は、光ガイド１１０の表面上の回折格子対のそれぞれの回折格子１３０の位置と、誘導光ビーム１１２を提供する光源１２０（図５には図示せず）の位置との両方の関数である。
いくつかの実施形態によれば、回折格子１３０内の回折フィーチャ１３２の間隔または格子ピッチは、サブ波長（すなわち、誘導光ビーム１１２の波長未満）であり得る。いくつかの実施形態では、回折格子１３０は、複数の異なる格子すなわちサブ格子を含み得る。いくつかの実施形態によれば、回折格子１３０の回折フィーチャ１３２は、互いに離間した溝および隆起の一方または両方を備えていてもよい。溝または隆起は、光ガイド１１０の材料を含んでもよく、例えば、溝または隆起は、光ガイド１１０の表面に形成されてもよい。別の例では、溝または隆起は、光ガイド材料以外の材料、例えば、光ガイド１１０の表面上の別の材料のフィルムまたは層から形成されてもよい。
定義により、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の範囲または長さにわたって変化する回折フィーチャ１３２の回折間隔（すなわち、格子ピッチ）を示すかまたは有する回折格子１３０である。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子は、距離とともに直線的に変化する回折フィーチャ間隔のチャープを有するか、または示すことがある。したがって、チャープ回折格子は、定義により「線形チャープ」回折格子である。他の実施形態では、チャープ回折格子は回折フィーチャ間隔の非線形チャープを示してもよい。指数チャープ、対数チャープ、または別の、実質的に不均一またはランダムであるが依然として単調な方法で変化するチャープを含むが、これらに限定されない様々な非線形チャープを使用することができる。正弦波チャープまたは三角形チャープもしくは鋸歯状チャープなどの非単調チャープも使用し得るが、これらに限定されない。これらのタイプのチャープのいずれかの組み合わせを使用してもよい。
図６は、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライト１００の平面図を示す。図６では、光ガイド１１０の側面１１４における光源１２０の入力位置１１６からの距離Ｄである角度空間内の照明ボリューム（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅｓ）１３４が示されている。複数の誘導光ビーム１１２の伝播の半径方向がｙ軸から離れてｘ軸に向かって角度が変化するにつれて、照明ボリュームはより広い角度サイズを有することに留意されたい。例えば、図示されているように、照明ボリューム１３４ｂは照明ボリューム１３４ａよりも広い。
再び図３Ｂを参照すると、回折格子１３０のアレイは、図示されるように、光ガイド１１０の光ビーム放出面である光ガイド１１０の第１の表面１１０’に、または第１の表面１１０’に隣接して配置され得る。例えば、回折格子１３０は、放射光１０２として第１の表面１１０’を通して誘導光部分を回折的に散乱させるように構成された透過モード回折格子であってもよい。あるいは（図示しないが）、回折格子１３０のアレイは、光ガイド１１０の光ビーム放出表面（すなわち、第１の表面１１０’）の反対側の第２の表面１１０’’に、または第２の表面１１０’’に隣接して配置され得る。特に、回折格子１３０は反射モード回折格子であってもよい。反射モード回折格子として、回折格子１３０は、誘導光部分を回折し、回折誘導光部分を第１の表面１１０’に向けて反射し、回折的に散乱または放射された光１０２として第１の表面１１０’から出るように構成される。他の実施形態（図示せず）では、回折格子１３０は、例えば、透過モード回折格子および反射モード回折格子の一方または両方として、光ガイド１１０の表面間に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、回折格子アレイの回折格子１３０は、片側方向を有する片側回折散乱をもたらすように構成される。片側方向の片側回折散乱は、放射光１０２を優先的に、いくつかの実施形態では排他的に、第２の表面１１０’’とは対照的に第１の表面１１０’から、または第１の表面１１０’を通して提供することができる。いくつかの実施形態では、片側回折散乱をもたらすように構成された回折格子１３０は、傾斜回折格子を含む。他の実施形態では、片側回折散乱をもたらすように構成された回折格子１３０は、回折格子１３０および反射材料の層（図示せず）を含む反射モード回折格子であってもよい。反射材料層は、回折格子１３０の片側回折散乱がもたらされる反対側に配置されてもよく、反射材料層は、例えば、反射体または鏡として機能する。
いくつかの実施形態では、特にそれらのスプリアス反射源が意図しない方向の光ビームの放出、および、続いて、指向性バックライト１００を使用するディスプレイでの意図しない画像の生成をもたらす可能性がある場合、指向性バックライト１００内の誘導光ビーム１１２のスプリアス反射の様々な源を緩和し、場合によっては実質的に排除する準備をすることができる。様々な潜在的スプリアス反射源の例には、それに限定されないが、誘導光ビーム１１２の二次反射を生成する可能性がある光ガイド１１０の側壁が含まれる。指向性バックライト１００内の様々なスプリアス反射源からの反射は、限定するものではないが、スプリアス反射の吸収および制御された方向転換を含む多くの方法のいずれかによって緩和され得る。
図７Ａは、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例におけるスプリアス反射の軽減を含む指向性バックライト１００の平面図を示す。図７Ｂは、本明細書に記載の原理と一致する別の実施形態による、一例におけるスプリアス反射の軽減を含む指向性バックライト１００の平面図を示す。特に、図７Ａおよび図７Ｂは、光ガイド１１０、光源１２０、および回折格子１３０のアレイを含む指向性バックライト１００を示している。複数の誘導光ビーム１１２も示されており、複数のうちの少なくとも１つの誘導光ビーム１１２は、光ガイド１１０の側壁１１４ａ、１１４ｂに入射する。側壁１１４ａ、１１４ｂによる誘導光ビーム１１２の潜在的なスプリアス反射は、反射誘導光ビーム１１２’を表す破線矢印で示されている。
図７Ａでは、指向性バックライト１００は、光ガイド１１０の側壁１１４ａ、１１４ｂに吸収層１１９をさらに含む。吸収層１１９は、誘導光ビーム１１２からの入射光を吸収するように構成される。吸収層は、例えば、側壁１１４ａ、１１４ｂに塗布された黒色塗料を含むがこれに限定されない実質的に任意の光吸収体を含み得る。図７Ａに示されるように、吸収層１１９は側壁１１４ｂに適用され、一方、側壁１１４ａは、限定ではなく例として、吸収層１１９を欠いている。吸収層１１９は、入射誘導光ビーム１１２を遮断および吸収し、側壁１１４ｂからの潜在的なスプリアス反射の生成を効果的に防止または緩和する。他方、側壁１１４ａに入射する誘導光ビーム１１２は反射し、結果として、限定ではなく例として示される反射誘導光ビーム１１２’の生成をもたらす。
図７Ｂは、制御された反射角を使用したスプリアス反射の軽減を示す。特に、図７Ｂに示される指向性バックライト１１０の光ガイド１１０は、傾斜した側壁１１４ａ、１１４ｂを含む。傾斜側壁は、反射誘導光ビーム１１２’を回折格子１３０から実質的に離れるように優先的に導くように構成された傾斜角を有する。したがって、反射誘導光ビーム１１２’は、意図しない放射光ビームとして光ガイド１１０から回折的に結合されない。側壁１１４ａ、１１４ｂの傾斜角は、図示のように、ｘ−ｙ平面内にあってもよい。他の例（図示せず）では、側壁１１４ａ、１１４ｂの傾斜角は、反射誘導光ビーム１１２’を光ガイド１１０の上面または底面の外に向けるために、ｘ−ｚ平面などの別の平面にあってもよい。図７Ｂは、限定ではなく例として、その一部のみに沿って傾斜を含む側壁１１４ａ、１１４ｂを示すことに留意されたい。
いくつかの実施形態では、指向性バックライト１００は透明または実質的に透明であってもよい。特に、いくつかの実施形態では、光ガイド１１０および回折格子１３０の間隔を空けたアレイは、光が第１の表面１１０’および第２の表面１１０’’の両方に直交する方向で光ガイド１１０を通過することを可能にし得る。したがって、光ガイド１１０、より一般的には、指向性バックライト１００は、複数の誘導光ビームの誘導光ビーム１１２の一般的な伝播方向１０３に直交する方向に伝播する光に対して透明であり得る。さらに、回折格子１３０の実質的な透明度により、少なくとも部分的に透明度を高めることができる。
本明細書に記載の原理のいくつかの実施形態によれば、バックライト付きディスプレイが提供される。バックライト付きディスプレイは、バックライト付きディスプレイによって提供される光を発するように構成されている。さらに、放射光は、バックライト付きディスプレイによって変調されて画像を提供または表示してもよい。いくつかの実施形態では、表示画像はマルチビュー画像であってもよく、バックライト付きディスプレイはマルチビューディスプレイであってもよい。いくつかの例では、マルチビューディスプレイは、３Ｄ画像を提供または「表示」するように構成されている。
図８は、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例におけるバックライト付きディスプレイ２００のブロック図を示す。様々な実施形態によれば、バックライト付きディスプレイ２００は、表示画像を表示または提供するように構成される。特に、バックライト付きディスプレイ２００によって提供および変調される放射光２０２は、画像を表示するために使用される。放射光２０２は、図８のバックライト付きディスプレイ２００から発する矢印として示されている。
図８に示されるバックライト付きディスプレイ２００は、光ガイド２１０を含む。いくつかの実施形態では、光ガイドは、上述の指向性バックライト１００の光ガイド１１０と実質的に同様であってもよい。特に、いくつかの実施形態では、光ガイド２１０はプレート光ガイドであってもよい。
さらに、図８に示すように、バックライト付きディスプレイ２００は、光ガイド２１０の側面に配置された光源２２０を含む。光源２２０は、光ガイド２１０内で互いに異なる半径方向を有する複数の誘導光ビーム２０４を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、光源２２０は、指向性バックライト１００に関して上述した光源１２０と実質的に同様であってもよい。特に、光源２２０は、例えば、光ガイド側の中央または中央付近に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、光源２２０は、光ガイド２１０の側面の空洞に配置されてもよい。空洞は、異なる半径方向に複数の誘導光ビーム２０４を広げるように構成された形状を有してもよい。例えば、空洞は半円形を有する形状または多面的な形状を有してもよい。したがって、空洞は、上述の空洞１２２に実質的に類似していてもよい。
図８に示されるバックライト付きディスプレイ２００は、光ガイド２１０の表面上に回折格子２３０のアレイをさらに含む。回折格子アレイにおける個々の回折格子２３０は、複数の誘導光ビームの光を放射光２０２として散乱させるように構成される。いくつかの実施形態において、回折格子２３０のアレイは、上述の指向性バックライト１００の回折格子１３０のアレイと実質的に同様であってもよい。特に、回折格子アレイにおける個々の回折格子２３０の格子特性は、放射光２０２の強度と角度広がりとを決定するように構成される。さらに、様々な実施形態によれば、格子特性は、光ガイド面上の個々の回折格子２３０の位置と光ガイド２１０の側面の光源位置との両方の関数である。いくつかの実施形態では、格子特性は、放射光２０２の主角度方向も決定し得る。様々な実施形態によれば、個々の回折格子２３０によって集合的に散乱される放射光２０２は、光バルブアレイ全体にわたって均一な強度および角度広がりを有するように構成される。
いくつかの実施形態では、格子特性は、個々の回折格子２３０の曲率および格子チャープの一方または両方を含む。曲率および格子チャープのいずれかまたは両方である格子特性は、例えば、個々の回折格子２３０によって散乱された放射光２０２の角度広がりを決定するように構成されてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、回折格子２３０のアレイは、片側方向を有する片側回折散乱をもたらすように構成されてもよい。これらの実施形態において、回折格子アレイにおける個々の回折格子２３０は、（例えば、反射材料層を有する）反射モード回折格子および傾斜回折格子の一方または両方を備えてもよい。
様々な実施形態によれば、バックライト付きディスプレイ２００は、光バルブ２４０のアレイをさらに備えている。光バルブ２４０のアレイは、放射光２０２を変調して表示画像を提供するように構成されている。図８では、光バルブ２４０のアレイを通過した後の放射光２０２の変調を強調するために破線が使用されている。様々な実施形態では、液晶光バルブ、電気泳動光バルブ、およびエレクトロウェッティングに基づく光バルブのうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、光バルブアレイの光バルブ２４０として異なるタイプの光バルブを使用することができる。
いくつかの実施形態によれば、回折格子アレイの個々の回折格子２３０はそれぞれ、互いに異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビームを含む放射光２０２として複数の誘導光ビームの光を散乱させるように構成される。これらの実施形態のいくつかにおいて、異なる主角度方向は、マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応し得る。したがって、バックライト付きディスプレイはマルチビューディスプレイであり、表示画像はマルチビュー画像である。さらに、個々の回折格子２３０はマルチビーム要素であってもよく、一方、光バルブ２４０のセットはマルチビューディスプレイのマルチビューピクセルに対応してもよい。マルチビーム要素として、個々の回折格子２３０は、光バルブ２４０のサイズの約半分から２倍の間、または光バルブ２４０間の中心間間隔と同等のサイズを有することができる。さらに、いくつかの実施形態では、個々の回折格子２３０は、マルチビューピクセルの形状に類似した形状を有してもよい。
本明細書に記載の原理の他の実施形態によれば、指向性バックライトの動作方法が提供される。図９は、本明細書に記載の原理と一致する実施形態による、一例における指向性バックライトの動作方法３００のフローチャートを示す。様々な実施形態によれば、指向性バックライトの動作方法３００を使用して、バックライト付きディスプレイを照明し、したがって画像を表示するための光を提供することができる。
図９に示されるように、指向性バックライトの動作方法３００は、共通の原点と互いに異なる半径方向を有する複数の誘導光ビームとして光ガイドに沿って光を誘導すること３１０を含む。特に、複数の誘導光ビームにおけるある誘導光ビームは、定義により、複数の誘導光ビームにおける別の誘導光ビームとは異なる半径方向の伝播方向を有する。さらに、複数の誘導光ビームにおける各誘導光ビームは、定義により、共通の原点を有する。いくつかの実施形態では、原点は、仮想の原点（例えば、誘導光ビームの実際の原点の上の点）であってもよい。例えば、原点は光ガイドの外側にあってもよく、仮想の原点であってもよい。いくつかの実施形態によれば、光がそれに沿って案内される光ガイド３１０、ならびにその中を案内される誘導光ビームは、指向性バックライト１００を参照して上述したように、それぞれ光ガイド１１０および誘導光ビーム１１２と実質的に同様であり得る。
図９に示される指向性バックライトの動作方法３００は、回折格子のアレイの回折格子を使用して、放射光として複数の誘導光ビームの光を散乱させること３２０をさらに含む。様々な実施形態によれば、回折格子からの放射光は、複数の誘導光ビームの共通の原点に対する回折格子の位置の関数である強度および角度広がりを有する。さらに、様々な実施形態によれば、回折格子のアレイによって集合的に散乱された放射光は、光ガイドの表面にわたって均一な強度と角度広がりとを有する。いくつかの実施形態では、光の散乱３２０に使用される回折格子のアレイは、上述の指向性バックライト１００の回折格子１３０のアレイと実質的に同様であってもよい。さらに、散乱３２０によって生成された放射光は、上述したように、放射光１０２と実質的に同様であってもよい。
特に、様々な実施形態によれば、回折格子のアレイによって散乱３２０される放射光は、強度、主角度方向、および角度広がりを有する。強度、主角度方向、および角度広がりのそれぞれは、回折格子アレイにおける回折格子の格子特性によって制御または決定される。さらに、格子特性は、光ガイド面の表面上の回折格子の位置と、複数の誘導光ビームの共通の原点（例えば、光ガイドの側面の光源の位置）との両方の関数である。特に、回折格子のアレイの格子特性は、回折格子に入射する誘導光ビームの半径方向、回折格子から誘導光ビームを提供する光源までの距離、またはその両方に基づいて、または同等に関数として、変化させることができる。
いくつかの実施形態では、光を散乱させること３２０は、片側方向の片側回折散乱を含む。特に、回折格子アレイの回折格子は、傾斜回折格子、および回折格子および反射材料層を含む反射モード回折格子の一方または両方を含んでもよい。
図示されるように、指向性バックライトの動作方法３００は、光源を使用して複数の誘導光ビームとして誘導される光を提供すること３３０をさらに含む。特に、光は、光源を使用して複数の異なる放射方向の伝播を有する誘導光ビームとして光ガイドに提供される。様々な実施形態によれば、光を提供する３３０際に使用される光源は、光ガイドの側面に位置し、光源位置は、複数の誘導光ビームの共通の原点である。いくつかの実施形態では、光源は、上述の指向性バックライト１００の光源１２０と実質的に同様であってもよい。例えば、光源は、光ガイドの端部または側面に突き合わせ結合されてもよい。別の例では、光源は、共通の原点を表す点光源に近似してもよい。さらに別の例では、光源は、光ガイドの側面の空洞に配置されてもよく、空洞は、異なる半径方向に複数の誘導光ビームを広げるように構成される形状を有する。
いくつかの実施形態では、提供される３３０光は実質的にコリメートされない。他の実施形態では、提供される３３０光はコリメートされてもよい（例えば、光源はコリメータを備えてもよい）。様々な実施形態では、提供される３３０光は、光ガイドの表面間の光ガイド内で、非ゼロ伝播角度で異なる半径方向を有するガイド光であり得る。光ガイド内でコリメートされると、提供された３３０光はコリメート因子に従ってコリメートされて、光ガイド内で誘導光の所定の角度広がりを確立する。特に、コリメーション、したがってコリメート因子によって提供される所定の角度広がりは、垂直方向であってもよい。
いくつかの実施形態（図示せず）では、指向性バックライトの動作方法３００は、回折格子のアレイによって集合的に散乱される放射光を変調すること３２０をさらに含む。変調は、表示画像を提供するために、光バルブのアレイによって、またはそれを使用して提供される。いくつかの実施形態では、光バルブのアレイは、上述のバックライト付きディスプレイ２００の光バルブ２４０のアレイと実質的に同様であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、表示画像はマルチビュー画像であってもよい。
このようにして、均一な強度および角度広がりを有する放射光を提供するように構成された回折格子を有する指向性バックライト、バックライト付きディスプレイ、および指向性バックライトの動作方法の実施例および実施形態について説明した。上記の例は、本明細書に記載の原理を表す多くの特定の例の一部を単に例示するものであることを理解されたい。当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される範囲から逸脱することなく、多数の他の構成を容易に考案することができることは明らかである。

Claims (21)

  1. 光ビームを導くように構成された光ガイドと、
    互いに異なる半径方向を有する複数の誘導光ビームを前記光ガイド内に提供するように構成された光源と、
    前記光ガイドの表面上に互いに間隔を置いて配置された回折格子のアレイであって、前記回折格子アレイの回折格子は、前記複数の誘導光ビームにおける誘導光ビームの一部を、強度、主角度方向、および角度広がりを有する放射光として散乱させるように構成された、回折格子のアレイと、を備え、
    前記回折格子アレイの回折格子によって集合的に散乱される放射光は、前記光ガイド面全体にわたって均一な強度および角度広がりを有するように構成されている、
    指向性バックライト。
  2. 前記光源は、前記光ガイドの側面の中点付近に配置されている、請求項１に記載の指向性バックライト。
  3. 前記光源は、前記光ガイドの側面の空洞内に配置されており、前記空洞は、前記複数の誘導光ビームを前記異なる半径方向に広げるように構成された形状を有する、請求項１に記載の指向性バックライト。
  4. 前記回折格子の格子特性は、前記回折格子によって散乱される前記放射光の前記強度、前記主角度方向、および前記角度広がりを決定するように構成されており、前記回折格子の前記格子特性は、前記光ガイドの前記表面上における前記回折格子の位置と前記光ガイドの側面上における前記光源の位置との両方の関数である、請求項１に記載の指向性バックライト。
  5. 前記格子特性は、前記回折格子によって散乱された前記放射光の前記強度を決定するように構成された格子深さを含む、請求項４に記載の指向性バックライト。
  6. 前記格子特性は、前記回折格子によって散乱された前記放射光の主角度方向を決定するように構成された前記回折格子の格子ピッチおよび格子方向の一方または両方を含む、請求項４に記載の指向性バックライト。
  7. 前記格子特性は、前記回折格子の曲率および格子チャープの一方または両方を含み、前記格子特性は、前記回折格子によって散乱される前記放射光の前記角度広がりを決定するように構成されている、請求項４に記載の指向性バックライト。
  8. 前記回折格子は、片側方向を有する片側回折散乱をもたらすように構成されている、請求項１に記載の指向性バックライト。
  9. 片側回折散乱をもたらすように構成された前記回折格子が、傾斜回折格子を含む、請求項８に記載の指向性バックライト。
  10. 片側回折散乱をもたらすように構成された前記回折格子は、回折格子と反射材料の層とを含む反射モード回折格子である、請求項８に記載の指向性バックライト。
  11. 請求項１に記載の指向性バックライトを含むバックライト付きディスプレイであって、前記放射光を変調して表示画像を提供するように構成された光バルブアレイをさらに含むバックライト付きディスプレイ。
  12. 光ガイドと、
    前記光ガイドの側面に配置され、前記光ガイド内で互いに異なる半径方向を有する複数の誘導光ビームを提供するように構成されている光源と、
    前記光ガイドの表面上に設けられた回折格子のアレイであって、前記回折格子アレイにおける個々の回折格子が、放射光として前記複数の誘導光ビームの光を散乱させるように構成されている回折格子アレイと、
    前記放射光を変調して表示画像を提供するように構成された光バルブアレイと、を備え、
    前記個々の回折格子によって集合的に散乱された放射光は、前記光バルブアレイ全体にわたって均一な強度および角度広がりを持つように構成されている、
    バックライト付きディスプレイ。
  13. 前記光源は、前記光ガイドの前記側面の空洞に配置されており、前記空洞は、前記複数の誘導光ビームを前記異なる半径方向に広げるように構成された形状を有する、請求項１２に記載のバックライト付きディスプレイ。
  14. 前記回折格子アレイにおける個々の回折格子の格子特性は、前記放射光の強度および角度広がりを決定するように構成されており、前記格子特性は、前記光ガイド面における前記個々の回折格子の位置と前記光ガイドの前記側面における前記光源の位置との両方の関数である、請求項１２に記載のバックライト付きディスプレイ。
  15. 前記格子特性は、前記個々の回折格子の曲率および格子チャープの一方または両方を含み、前記格子特性は、前記個々の回折格子によって散乱される前記放射光の前記角度広がりを決定するように構成されている、請求項１４に記載のバックライト付きディスプレイ。
  16. 前記回折格子の前記アレイは、片側方向を有する片側回折散乱をもたらすように構成されており、前記回折格子アレイにおける前記個々の回折格子は、反射モード回折格子および傾斜回折格子の一方または両方を含む、請求項１２に記載のバックライト付きディスプレイ。
  17. 前記回折格子アレイにおける前記個々の回折格子はそれぞれ、マルチビュー画像における異なるビュー方向にそれぞれ対応する異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビームを含む放射光として前記複数の誘導光ビームの光を散乱させるように構成されており、前記バックライト付きディスプレイはマルチビューディスプレイであり、前記表示画像は前記マルチビュー画像である、請求項１２に記載のバックライト付きディスプレイ。
  18. 共通の原点と互いに異なる半径方向とを有する複数の誘導光ビームを光ガイド内で誘導することと、
    回折格子のアレイにおける回折格子を用いて放射光として前記複数の誘導光ビームの光を散乱させることであって、前記回折格子からの前記放射光は、強度および前記複数の誘導光ビームの前記共通の原点に対する前記回折格子の位置の関数である角度広がりを有する、散乱させることと、を含み、
    前記回折格子のアレイによって集合的に散乱された放射光は、前記光ガイドの表面全体にわたって均一な強度および角度広がりを有している、
    指向性バックライトの動作方法。
  19. 前記光ガイドの側面の空洞に配置された光源を用いて、前記光ガイド内に前記複数の誘導光ビームを提供することをさらに含み、前記空洞は、前記複数の誘導光ビームを前記異なる半径方向に広げるように構成された形状を有している、請求項１８に記載の指向性バックライトの動作方法。
  20. 光を散乱させることは、片側方向の片側回折散乱を含み、前記回折格子は、傾斜回折格子、ならびに回折格子および反射材料層を含む反射モード回折格子の一方または両方を含む、請求項１８に記載の指向性バックライトの動作方法。
  21. 光バルブのアレイを用いて、前記回折格子の前記アレイによって集合的に散乱される前記放射光を変調して表示画像を提供することをさらに含む、請求項１８に記載の指向性バックライトの動作方法。
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