JP6308629B2 - 指向性ディスプレイデバイス - Google Patents

Description

本開示は、概して光変調デバイスの照明に関し、特に、２Ｄ、３Ｄ及び／又は自動立体ディスプレイデバイスで用いるために局所的な光源から広範囲の照明を提供するための光ガイドに関する。

空間的に多重化された自動立体ディスプレイは、通常、レンズ状のスクリーン、又は視差バリアなど視差コンポーネントを、例えばＬＣＤといった、空間光変調器上のピクセルの少なくとも第１及び第２セットとして配列した一連の画像と整列させる。視差コンポーネントは、ピクセルのそれぞれのセットからの光を異なる各方向に配向し、ディスプレイの前に第１及び第２視野窓を提供する。観察者は、第１視野窓に置いた目から、ピクセルの第１セットからの光で第１画像を見ることができ、第２視野窓に置いた目から、ピクセルの第２セットからの光で第２画像を見ることができる。

このようなディスプレイは、空間光変調器の元来の解像度に比較して小さい空間解像度を有し、更に視野窓の構造は、ピクセルの開口部形状及び視差コンポーネント結像機能によって決定する。例えば電極といったピクセル間の空隙は一般的に、不均一な視野窓を生成する。このようなディスプレイは、観察者のディスプレイに対する横方向の動きに従って画像の不必要なちらつきを示し、ディスプレイの視覚的自由度を制限する。このようなちらつきは、光学素子の焦点をぼかすことで減少させることができるが、しかし、このように焦点をぼかすことで、画像のクロストークのレベルが上がり、観察者に対する視覚疲労が増す。このようなちらつきは、ピクセルの開口部の形状を調整することで減少させることができるが、しかし、このような変更はディスプレイの明るさを下げ、アドレス指定電子機器を空間光変調器内に含む場合がある。

本開示の第１態様によると、透過型空間光変調器を含むことができる、指向性ディスプレイデバイスが提供される。この透過型空間光変調器は、これを通る光を変調するように配列されたピクセルの配列と、少なくとも２つの指向性バックライトを含むことができる。少なくとも２つの指向性バックライトのそれぞれは、入力端を有する導波路と、導波路に沿って光をガイドするための対向する第１ガイド表面及び第２ガイド表面と、入力光からの光を反射して導波路を通して戻すための入力端に対向する反射端と、を含むことができる。第１ガイド表面は、全反射によって光をガイドするように配列されることができ、第２ガイド表面は、出力光として第１ガイド表面を通して出射できる方向に反射端から反射した後で導波路を通してガイドされた光を反射するように配向された複数の光抽出機能を有することができる。導波路は、入力端に渡る横方向の異なる入力位置から生じる入力光を、複数の光学窓のそれぞれに、入力位置に従って横方向に分配された出力方向で配向するように配列されることができ、指向性バックライトは、空間光変調器を通して出力光を供給するようにそれぞれ配列される。

指向性バックライトは、空間光変調器の背後に積層する、及び／又はタイリングすることができる。つまり、空間光変調器は、指向性バックライトと窓面との間に配列される。この場合、指向性バックライトは、空間光変調器の異なる領域を通して出力光を供給することができる。

本実施形態は、増加した明るさ、増加した窓の解像度、横長及び縦長の操作、増加した視覚自由度、異なる色の指向性照明の混合、増加した長手方向の視覚自由度、並びに増加したディスプレイサイズが含まれ得るが、これらに限定されない光学窓特性の組み合わせを実現することができる。

タイリング配列は、所定の発光素子の光束発散度に望ましい画像輝度を維持しつつ、増加したディスプレイサイズを有利に実現することができる。更に、観察者トラッキングディスプレイコントロールシステムと協調して、長手方向の視覚自由度を拡張することができる。更に、スキャニングディスプレイシステムにおけるクロストークを減少させることができる。更に、視野窓の光学収差を低減して、画像のクロストークを所望のレベルに維持しつつ、横方向の視覚自由度を増加できる。更に、ディスプレイベゼルのサイズを減少させることができる。

一実施形態では、指向性バックライトの第１及び第２指向性バックライトは、横方向に対して垂直の方向にタイリングすることができる。つまり、指向性バックライトは、導波路の光軸の方向にタイリングすることができる。更に、第１指向性バックライトは反射端を有することができ、第１指向性バックライトの反射端は第２指向性バックライトと重なり合うことができる。加えて、第３指向性バックライトも横方向にタイリングすることができる。

別の実施形態では、指向性バックライトは横方向にタイリングすることができる。つまり、指向性バックライトは、導波路の光軸に対して垂直の方向にタイリングすることができる。

幾つかの実施形態では、指向性バックライトは、共通材料で形成されることができる。

有利には、横方向にタイリングされる指向性バックライトを含む実施形態は、長手方向の視覚自由度の拡張を実現することができる。個々の指向性バックライトは、幾何学的考察から指向性バックライトのそれぞれの長手方向の視覚自由度の増加した範囲を実現する空間光変調器の幅よりも小さい幅を有することができる。個々の指向性バックライトは、光を観察者に配向するように各指向性バックライトを配列できるように、個々の指向性バックライトの長手方向の視覚自由度と実質的に同じであるディスプレイ装置の長手方向の視覚自由度を実現する観察者トラッキングシステムと強調することができる。

指向性バックライトは、空間光変調器の背後に積層することができる。この場合、指向性バックライトは、空間光変調器を通して、及び指向性バックライトと空間光変調器との中間にある、任意の他の指向性バックライトを通して出力光をそれぞれ供給することができる。指向性バックライトは、指向性バックライトの光学窓が互いにほぼ揃うことができるように、空間光変調器に対するおよその法線の周囲に配向されることができる。指向性バックライトの光学窓は、互いに対して８５〜９５度のおよその範囲の角度で伸長してよい。加えて、指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に共面であることができる。更に、第１ガイド表面は、指向性バックライトが空間光変調器に対するおよその法線の周囲に配向されるかどうかにかかわらず、実質的に共面であることができる。

この場合の考察を続けると、指向性バックライトは、空間光変調器に対するおよその法線の周囲に逆方向に配列され、各指向性バックライトの入力端が他の指向性バックライトの反射端と同じ側にあることができる。指向性バックライトの光学窓は、互いにほぼ揃っていても、揃っていなくてもよい。指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に共面であっても、共面でなくてもよい。また、２つの指向性バックライトの対向ガイド表面のガイド表面は、概ね平行方向に伸長することができる逆方向に配列されることができる。

指向性バックライトは、導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる反射端を含むことができ、ガイド表面の１つの拡張部である入力端と、導波路に沿って入力光を偏向させるように配列されることができる入力端に対向するカプラーと、も含むことができる。

指向性バックライトのそれぞれは、第２ガイド表面のファセットであることができる光抽出機能を含むことができる。第２ガイド表面は、光を抽出せずに導波路を通して光を配向するように配列されることができるファセットと交互になる領域を有することができる。１つの例においては、各指向性バックライトの光抽出機能は、導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

指向性ディスプレイデバイスは、各指向性バックライトに関して、各導波路の入力端に渡る異なる入力位置に光源の配列も含むことができる。指向性ディスプレイデバイスの１つの例において、指向性バックライトは、指向性バックライトの光学窓が互いにほぼ揃うことができ、各指向性バックライトに関する光源の配列は、異なる色の光を出力するように配列されることができるように、空間光変調器に対するおよその法線の周囲に配向されることができる。

このディスプレイデバイスを含む指向性ディスプレイ装置は、光源を選択的に操作して、出力方向に対応する視野窓内に光を配向するように配列されることができるコントロールシステムも含むことができる。更に、この指向性ディスプレイ装置は、コントロールシステムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、また、実質的に同期して表示して、表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に配向するようにディスプレイデバイスを制御するよう更に配列されることができる、自動立体ディスプレイ装置であることができる。コントロールシステムは、表示された画像を、主に観察者の検出位置によって決定することができる、観察者の左右の目にほぼ対応する位置にて視野窓内に配向するようにも配列されることができる。このディスプレイ装置のコントロールシステムは、ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列されることができるセンサーシステムを含むことができる。センサーシステムは、空間光変調器に対する法線の横方向及び長手方向にディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列されることができる。コントロールシステムは、表示された画像を、主に観察者の検出位置によって決定することができる、観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に配向するように配列されることができる。

上の記述は、以降に記述する装置、変更点、及び／若しくは追加機能のそれぞれ若しくはすべて、又はこれらの任意の組み合わせに適用することができる。

有利には、本実施形態の指向性バックライトは積層配列で配列されることができる。このような指向性バックライトは、外部光源からの入射光に対して実質的に透過的であるように配列されることができ、したがって、他の指向性バックライトからの光に実質的に影響を及ぼさないことができ、独立して制御されて、増加した窓の解像度、増加した窓の明るさ、複数の窓配向、及び本明細書に記載の他の有利な窓の配列など窓の配列の有利な組み合わせを実現することができる。

［Ｔｒａｖｉｓ］に記載のウェッジ導波路など既知のウェッジ導波路は、２つの平面ガイド側面間の全反射を遮断することによって光抽出を実現することができ、空間光変調器の表面の法線方向の周囲の方向に向けて光を偏向させる光偏向素子を必要とする。本実施形態は光偏向素子を必要とせず、光を平面ガイド表面にほぼ平行に実質的に配向しない。このようなウェッジ導波路が、光偏向素子をそれぞれ含む第１配列に積層される場合、第２光偏向素子は、第１導波路からの光を更に偏向させるため、独立して角出力を制御することはできない。このようなウェッジ導波路が、単一の共有出力光偏向素子と共に第２配列に積層される場合、第２ウェッジ導波路に入射する第１ウェッジ導波路からの光は、表面とほぼ平行の光入射のフレネル反射により、高い光のロスを示す。有利には、本実施形態は、積層ウェッジ導波路の望ましくない特性を有さない。

本開示の更なる態様によると、指向性照明装置が提供され、この装置は、光をガイドし、抽出するための第１光抽出素子を含むことができる。第１光抽出素子は、第１光ガイド表面と、第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面と、第１光ガイド表面と第２光ガイド表面との間に配置された第１照明入力表面と、を含むことができる。第１照明入力表面は、光源の第１配列、及び光をガイドし、抽出するための第２光抽出素子からの光を受けるように作用することができる。第２光抽出素子は、第３光ガイド表面と、第３光ガイド表面に対向する第４光ガイド表面と、を含むことができる。加えて、第２光抽出素子は、第３光ガイド表面と第４光ガイド表面との間に配置された第２照明入力表面を含むことができ、第２照明入力表面は光源の第２配列から光を受けるように作用することができる。第２光抽出光素子からの光は、第１照明入力以外の第１光抽出素子の表面を少なくとも部分的に通して配向されることができる。

本開示の更なる態様によると、指向性照明システムが提供され、この装置は、光をガイドし、抽出するための第１光抽出素子を含むことができる。第１光抽出素子は、光線を拡散できるように作用する第１部分と、第２部分と、を含むことができる。第２部分は、第１光ガイド表面と、第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面と、第１光ガイド表面と第２光ガイド表面との間に配置された第１照明入力表面と、を含むことができる。第１照明入力表面は、光源の第１配列、及び光をガイドし、抽出するための第２光抽出素子からの光を受けるように作用することができる。第２光抽出素子は、光線を拡散できるように作用する第３部分と、第３光ガイド表面、第３光ガイド表面に対向する第４光ガイド表面、及び第３光ガイド表面と第４光ガイド表面との間に配置された第２照明入力表面を更に含むことができる第４部分と、を含むことができる。第２照明入力表面は、光源の第２配列からの光を受けるように作用することができ、第２光抽出光素子からの光は、第１照明入力表面以外の第１光抽出素子の表面を少なくとも部分的に通して配向されることができる。

本開示の更なる態様によると、光をガイドするための少なくとも２つの光学弁を含むことができる指向性照明装置が提供され、少なくとも２つの光学弁のそれぞれは、第１光ガイド表面を更に含むことができる。第１光ガイド表面は実質的に平面であることができ、第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面は、複数のガイド機能と、複数の抽出機能と、を含むことができ、複数の抽出機能は、光が第１方向に伝搬するときに実質的に低いロスで光を通すことができるように作用することができる。ほぼ揃えられた各光源と協調する光学弁は、異なる指向性照明を提供するように配列されることができる。

本開示の更なる態様によると、指向性分布を提供する光ガイドシステムが提供され、指向性照明装置を含むことができる。指向性照明装置は、光をガイドするための少なくとも２つの光学弁を含むことができ、少なくとも２つの光学弁のそれぞれは、実質的に平面であることができる第１光ガイド表面と、第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面と、を更に含むことができる。第２光ガイド表面は、少なくとも１つのガイド機能と、複数の抽出機能と、を含むことができ、複数の抽出機能は、光が第１方向に伝搬するときに実質的に低いロスで光を通すことができるように作用し、光が第２方向に伝搬するときには光を反射して光学弁から出射するように作用することができる。空間光変調器は、２つの光学弁の少なくとも１つからの光を受けるように作用することができ、ほぼ揃えられた各光源と協調する光学弁は、異なる指向性照明を提供するように配列されることができる。

本開示によるデバイス及び装置は、以下の機能のいずれかを用いることができる。

ディスプレイのバックライトには一般的に、導波路及び端部発光源が用いられる。特定の結像指向性バックライトは、ディスプレイパネルを通して照明を視野窓に配向する追加機能を有する。結像システムは、複数のソースと窓画像のそれぞれとの間に形成することができる。結像指向性バックライトの１つの例として折りたたみ式光学システムを用いることができる光学弁があげられ、したがってこれは、折りたたみ式結像指向性バックライトの１つの例でもあり得る。光は、光学弁を通して一方向に実質的にロス無く伝搬することができ、対向伝搬光は、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるように、反射傾斜ファセットによって抽出することができる。

段付き結像指向性バックライトなど折りたたみ式光学システムを用いるバックライトユニット（ＢＬＵ）は、有利に法線入射光に対して透過的であることができる。透過特性によって本実施形態の積層及びタイリング複合照明システムなど弁配列装置が可能になり、例えば、隣接する照明器の少なくとも一部は、互いによって隠されるか、互いを通して照射する。このような弁配列照明装置の実施形態は、増加した明るさ、局所的な独立照明機能、及び独立指向機能をもたらす。

例えば、バックライト照明ユニットの積層又はタイリングによってバックライトを組み合わせると、明るさが増加し、各バックライトの局所的な空間独立性及び指向独立性が提供される。多重化されたＬＣＤシステムの場合、局所的照明によって可視コントラストが増加し、立体システム内のフレーム間汚染を最小限に抑えてスクロール照明スキームを提供する。光学弁の特定の場合において、積層及び／又はタイリングによって照明器をモザイク状にタイリングする機能は、広範囲の照明に内在する光学的問題の多くを緩和する。積層及びタイリングはまた、より従来的な２Ｄ照明装置によって透過的指向性バックライトを照射できる、混合照明システムも可能にする。

加えて、実施形態は、指向性バックライト装置及び指向性バックライトを組み込むことができる指向性ディスプレイデバイスに関してであり得る。このような装置は、自動立体ディスプレイ、プライバシーディスプレイ、マルチユーザーディスプレイ及び他の指向性ディスプレイ用に使用することができる。

実施形態では、指向性バックライトの光機能は、外部光源からの光が、段付き導波路の入力開口部に加えて、段付き導波路の表面を通る、複数の段付き導波路によって提供されることができる。有利には、このような配列は、各段付き導波路の高効率、長い後方作動距離、及び薄いフォームファクタという利点を維持しつつ、各段付き導波路によって提供される光機能に加えて提供される、追加の光機能を提供する。

有利には、このような配列は、明るさの増加した自動立体ディスプレイ、制御可能な横長／縦長ディスプレイ、２Ｄ／３Ｄ切り替え可能ディスプレイ、増加したディスプレイ面積、及び高効率のカラーディスプレイ照明などが含まれるが、これらに限定されない光機能の組み合わせを実現する。更に、出力の光学特性は、均一性を増加し、視野角を拡張するように変更されることができる。更に、複数の視聴者を独立してトラッキングすることができる。

段付き導波路では、鋸歯状のポリマーフィルム及び非対称の拡散器を使用して出力照明光線を実質的に拡散させる必要はない。したがって、本明細書に記載の光学弁は、ほぼ法線である入射光に対して透過的であってよいか、段付き導波路の光ガイド表面を通る光の方向性を実質的に変更しなくてよい。有利には、このような配列によって、提供される段付き結像指向性バックライトの積層が可能になり、段付き結像指向性バックライトの作用は実質的に独立的であることができ、したがって、複数の機能を実現する。更に、段付き導波路の配列は、隣接する段付き導波路タイルからの光がガイド層内で配向されて増加した円錐角を提供できるタイルとして配列されることができる。

本明細書に記載の実施形態は、大面積かつ薄型構造の自動立体指向性ディスプレイデバイスを提供することができる。更に、以降に記述されるように、本開示の光学弁は、大きい後方作動距離を伴う薄い光学コンポーネントを実現できる。このようなコンポーネントは指向性バックライトに使用でき、自動立体ディスプレイを含む指向性ディスプレイを提供する。更に、実施形態は、効率的な自動立体指向性ディスプレイデバイスを目的とする、制御された照明器を提供することができる。

本開示の実施形態は、種々の光学システムに使用することができる。実施形態は、種々のプロジェクタ、投影システム、光学コンポーネント、ディスプレイ、マイクロディスプレイ、コンピュータシステム、プロセッサ、自己内蔵型プロジェクタシステム、ビジュアルシステム及び／又はオーディオビジュアルシステム、並びに電気機器及び／又は光学機器を含んでよく、又はこれらと共に動作してもよい。本開示の態様は、光学機器及び電気機器、光学システム、プレゼンテーションシステム、又は任意の種類の光学システムを包含し得る任意の装置に関連する、多種多様な装置に実質的に使用できる。したがって、本開示の実施形態は、視覚的なかつ／又は光学的なプレゼンテーション、視覚的な周辺機器など、並びに、多数のコンピュータ環境において使用される、光学システム、光学機器で用いることができる。

詳細に開示する種々の実施形態に進む前に、開示は、他の実施形態例が可能であるので、用途又は作製において示す特定の構成の詳細に限定されないことを理解するべきである。更に、開示の態様が、独自の固有の実施形態を規定するために様々な組み合わせ及び構成で述べられてもよい。また、本明細書で使用する用語は、説明の目的のためのものであって、限定するためのものではない。

指向性バックライトは、光学導波路の入力開口部側に配列された独立したＬＥＤ光源の調整を通して一般的に制御された、実質的に出力表面全体から発散される照明に渡る制御を提示する。照射光指向性分布の制御は、角度が限定された範囲から１人の視聴者のみがディスプレイを見ることができる場合のセキュリティ機能の１人での閲覧、小さい角度の指向性分布に渡ってのみ照明が提供されている場合の高い電気的効率、左右の目を交互に入れ替えての時系列立体及び自動立体ディスプレイの閲覧、並びにカラーフィルタ配列を有さないＬＣＤの低コストかつ効率的な照明を実現できる。

本開示の前述及び他の利点並びに特徴は、本開示をその全体に渡って読むことで、当業者にとって明白となるであろう。

例示のために、実施形態が添付の図面に示され、図面において、類似する参照符号は、同様の部分を示す。
本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの一実施形態における光伝搬の正面図を示す略図である。 本開示に従う、図１Ａの指向性ディスプレイデバイスの一実施形態における光伝搬の側面図を示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの別の実施形態における光伝搬を平面図に示す略図である。 本開示に従う、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの正面図に光伝搬を示す略図である。 本開示に従う、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの側面図に光伝搬を示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。 本開示に従う、湾曲光抽出機能を含む指向性ディスプレイデバイスにおける視野窓の生成を正面図に示す略図である。 本開示に従う、湾曲光抽出機能を含む指向性ディスプレイデバイスにおける第１及び第２視野窓の生成を正面図に示す略図である。 本開示に従う、線光抽出機能を含む指向性ディスプレイデバイスにおける第１視野窓の生成を示す略図である。 本開示に従う、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第１視野窓の生成の一実施形態を示す略図である。 本開示に従う、第２タイムスロットでの、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。 本開示に従う、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第１及び第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。 本開示に従う、観察者トラッキング自動立体指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。 本開示に従う、マルチビューアー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。 本開示に従う、プライバシー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの構造を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイス用コントロールシステムを含む、指向性ディスプレイ装置を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、少なくとも第１及び第２視野窓を提供する指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、少なくとも第１及び第２視野窓を提供するように配列された指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。 本開示に従う、透過型空間光変調器の照明にそれぞれ赤色照明方向、緑色照明方向、及び青色照明方向を提供するように直列に配列された３つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、透過型空間光変調器のそれぞれ赤色照明、緑色照明、及び青色照明を提供するように直列に配列された３つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。 本開示に従う、各空間光変調器の赤色、緑色、及び青色ピクセルの効率的な照明を実現するように配列された、図１６の空間光変調器の詳細を平面図に示す略図である。 本開示に従う、横長及び縦長自動立体視を提供するように直列に配列された２つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスの略図である。 本開示に従う、横長及び縦長自動立体視を提供するように直列に配列された２つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。 本開示に従う、空間光変調器と直列に配列された２つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスの側面図の略図である。 本開示に従う、空間光変調器と直列に配列された２つの指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスを更に示す、側面図の略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された２つのタイリング指向性バックライトを含む指向性ディスプレイデバイスの側面図を示す略図である。 本開示に従う、段付き導波路の列を含む、タイリング指向性バックライトの配列を示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加したディスプレイ面積を実現するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図である。 本開示に従う、自動立体指向性ディスプレイデバイスを提供するように配列された指向性バックライトの配列を示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列における光の伝搬を示す略図である。 本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの指向性バックライトの配列及び出力フレネルレンズにおける光の伝搬の更なる詳細を示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列と協調する自動立体指向性ディスプレイデバイスの走査アドレス指定を示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列と協調する自動立体指向性ディスプレイデバイスの走査アドレス指定を側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供するタイリング指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。 本開示に従う、入射光のコリメーションを提供するように配列された線光抽出機能及び平面回折反射器を含む指向性バックライトを正面図に示す略図である。 本開示に従う、入射光の集束を提供するように配列された湾曲光抽出機能及び平面回折反射器を含む指向性バックライトによる結像を正面図に示す略図である。 本開示に従う、回折反射器を含む指向性バックライトのタイリング配列における光出力の光伝搬を示す略図である。 本開示に従う、回折反射器を含む指向性バックライトのタイリング配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトが、離隔された段付き導波路間の境界面に遮光層を組み込む実施形態を示す略図である。 本開示に従う、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列の２つの段付き導波路間の境界を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列の２つの段付き導波路間の境界を側面図に示す略図である。 本開示に従う、段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列内で組み立てられた段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列に好適な段付き導波路を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列内で組み立てられた段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。 本開示に従う、回折反射器を含む段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。 本開示に従う、指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、回折格子カプラーを含むタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、回折格子カプラーを含む指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、プリズムカプラーを含む指向性バックライトを側面図に示す略図である。 本開示に従う、窓面にいる観察者と共に単一照明領域を含む自動立体ディスプレイからの視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、窓面にいる観察者と共に複数照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイからの近接視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、窓面とディスプレイとの間にいる観察者と共に複数照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイからの近接視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、窓面とディスプレイとの間を移動する観察者のための複数照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイからの近接視覚領域の配列を正面図に示す略図である。 本開示に従う、複数照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイデバイスの長手方向の視覚自由度の限界を示す略図である。 本開示に従う、第１照明配列の第１及び第２光反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。 本開示に従う、第２照明配列の第１及び第２光反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。 本開示に従う、様々な照明配列の導波路の幅に渡るディスプレイ輝度のグラフを示す略図である。 本開示に従う、第３照明配列の第１及び第２光反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。 本開示に従う、様々な照明配列の導波路の幅に渡るディスプレイ輝度のグラフを示す略図である。 本開示に従う、回折鏡面の第１配列を示す略図である。 本開示に従う、回折鏡面の更なる配列を示す略図である。 本開示に従う、導波路上にホログラフィック鏡面を形成する方法を示す略図である。 本開示に従う、ホログラフィック鏡面の端面図を示す略図である。

時分割多重化自動立体ディスプレイは、空間光変調器の全ピクセルからの光を第１タイムスロットにおいては第１視野窓に、第２タイムスロットにおいては全ピクセルを第２視野窓に配向することで、自動立体ディスプレイの空間解像度を好都合に改良できる。したがって、第１及び第２視野窓にて光を受けるよう目を向けた観察者は、複数のタイムスロットからディスプレイ全体に渡って完全な解像度画像を見る。時分割多重化ディスプレイは、指向性光学素子が照明器配列の画像を窓面に実質的に形成する、指向性光学素子を用いる実質的に透過的な時分割多重化空間光変調器を通して照明器配列を配向することで、指向性照明を好都合に実現できる。

本実施形態のために、光学窓は、光学システムと協調して、発光素子の配列のうちの単一発光素子によって生成される照明プロファイルを規定する。視野窓は、視聴者の片目によって見られる照明プロファイルを規定し、したがって複数の光学窓を含むことができる。したがって、視野窓内に配置される観察者の目は、空間光変調器の領域の少なくとも一部に渡る単一画像を見ることができる。窓面は、発光素子の画像が形成される名目上の面であり、空間光変調器からの窓面の離隔距離は、ディスプレイデバイスの名目上の視覚距離である。

視野窓の均一性は、空間光変調器内のピクセルの配列からは好都合に独立にすることができる。このようなディスプレイは、観察者の動きに対して、低いクロストークレベルを伴う、ちらつきの少ない観察者トラッキングディスプレイを好都合に提供できる。

窓面での高い均一性を実現するため、高い空間的均一性を有する一連の照明素子を提供することが望ましい。時系列照明システムの照明器素子は、例えば、レンズ配列と組み合わせた約１００マイクロメートルのサイズの空間光変調器のピクセルによって提供することができる。しかし、このようなピクセルは、空間的多重化ディスプレイと同様の問題を抱える。更に、このようなデバイスは低効率及び高コストとなり、追加的ディスプレイコンポーネントを必要とする場合がある。

高い窓面均一性は、例えば、通常はサイズが１ｍｍ以上の均質化及び拡散化光学素子と組み合わせた一連のＬＥＤといった、巨視的照明器と共に都合よく実現できる。しかし、照明器素子のサイズの拡大は、指向性光学素子のサイズが比例して拡大することを意味する。例えば、６５ｍｍ幅の視野窓（ちらつきの少ない観察者トラッキングを実現できる、複数の光学窓（通常、５〜１０の光学窓）をディスプレイ内に含むことができる）に撮像される１６ｍｍ幅の照明器は、２０ｍｍの後方作動距離を必要とし得る。したがって、光学素子の厚さが増すと、例えば、モバイルディスプレイ、又は大面積ディスプレイなどへの有益な応用を妨げ得る。

前述の欠点への対処として、共通に保有された米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるような光学弁は、同時にちらつきの無い観察者トラッキング及び低クロストークレベルを伴う高解像度画像を提供する、薄いパッケージでの時分割多重化自動立体照明を実現するために、高速で切り替わる透過型空間光変調器と組み合わせて好都合に配列できる。記述されるものは視覚位置又は視野窓の一次元配列であり、これは異なる画像を通常は水平の第１方向に表示できるが、通常は垂直の第２方向に動く場合も同じ画像を含む。

従来の非結像ディスプレイバックライトは、一般的に光学導波路を用いており、ＬＥＤといった光源から端部照明を有する。しかし、当然のことながら、このような従来の非結像ディスプレイバックライトと、本開示にて考察した結像指向性バックライトとの間には、機能、設計、構造、及び作用における多くの基本的相違がある。

一般的には、例えば、本開示に従い、結像指向性バックライトは、複数の光源からの照明を、ディスプレイパネルを通して、複数の視野窓のそれぞれに少なくとも１軸に配向するよう配列されている。それぞれの視野窓は、結像指向性バックライトの結像システムによって、光源の少なくとも１軸における１画像として実質的に形成されている。結像システムは、複数の光源と光学窓のそれぞれとの間に形成することができる。このようにして、複数の光源それぞれからの光は実質的に、それぞれの視野窓外にある観察者の目からは不可視である。

対比的に、従来の非結像バックライト又は光ガイディングプレート（ＬＧＰ）は２Ｄディスプレイの照明用に使用されている。例えば、Ｋａｌｉｌ Ｋａｌａｎｔａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ Ｗｉｔｈ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｉｎｆ．Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｉｓｓｕｅ ４，ｐｐ．３７９〜３８７（Ｄｅｃ．２００４）を参照されたい。非結像バックライトは通常、複数の光源からの照明を、ディスプレイパネルを通して、複数の光源それぞれに対して実質的に共通の視覚ゾーンに配向し、広い視野角及び高いディスプレイ均一性を実現するよう配列されている。したがって、非結像バックライトは視野窓を形成しない。このようにして、複数の光源それぞれからの光は、視覚ゾーンに渡る実質的にすべての位置にある観察者の目から見ることができる。このような従来の非結像バックライトは、３ＭからのＢＥＦ（商標）などブライトネスエンハンスメントフィルムによって提供することができる、例えばランバート照明に比較してスクリーンのゲインを上げるなどの、いくらかの方向性を有することができる。しかし、このような方向性は、各光源それぞれに対して実質的に同じとなり得る。したがって、前記理由その他により、従来の非結像バックライトは結像指向性バックライトとは異なることは当業者にとって明白であろう。端部点灯非結像バックライト照明構造は、２Ｄラップトップ、モニター、及びＴＶに見られるような液晶ディスプレイシステムに使用することができる。光は、光の伝搬方向に関わらず光を消失させるガイドの表面における、通常は局所的な刻み目であるスパース機能を含むことができる、損失の多い導波路の端部から伝搬する。

結像指向性バックライトの１つの例は、折りたたみ式光学システムを用いることができる光学弁である。光は、光学弁を通して実質的にロス無く一方向に伝搬することができ、結像反射器に入射することができ、その内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるように、光が反射傾斜光抽出機能によって抽出され、視野窓に配向され得るよう、反伝搬することができる。

本明細書に使用されるように、結像指向性バックライトの例は、段付き導波路結像指向性バックライト、折りたたみ式結像指向性バックライト、ウェッジタイプ指向性バックライト、又は光学弁を含む。

更に、本明細書に使用されるように、段付き導波路結像指向性バックライトは光学弁とすることができる。段付き導波路は、光をガイドするための導波路を含み、第１光ガイド表面、及び第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面を更に含み、段として配列された、複数の抽出機能がちりばめられた複数の光ガイド機能を更に含む結像指向性バックライト用の導波路である。

更に、使用されるように、折りたたみ式結像指向性バックライトは、ウェッジタイプ指向性バックライト又は光学弁の少なくとも１つとすることができる。

作用においては、光は、例示の光学弁内を第１方向に、入力側面から反射側面に伝搬でき、実質的にロス無く伝搬することができる。光は反射側面にて反射でき、実質的に第１方向に相対する第２方向に伝搬することができる。光の第２方向への伝搬に従って、光は、光学弁外に光を再配向するよう作用可能な光抽出機能に入射することができる。つまり、光学弁は一般的に光が第１方向に伝搬可能にし、第２方向へ伝搬している間に光を抽出可能にする。

光学弁は、大型ディスプレイ面積の時系列指向性照明を実現することができる。加えて、光を巨視的照明器から窓面へ配向するように、光学素子の後方作動距離よりも薄い光学素子を用いることができる。このようなディスプレイは、実質的に平行な導波路内に反伝搬する光を抽出するよう配列された一連の光抽出機能を使用することができる。

ＬＣＤと共に使用する薄型結像指向性バックライトの実装は、それらのすべてはこの特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする、３Ｍによる例えば米国特許第７，５２８，８９３号、ＲｅａｌＤによって本明細書に「ウェッジタイプ指向性バックライト」と参照される、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔによる例えば米国特許第７，９７０，２４６号、本明細書に「光学弁」又は「光学弁指向性バックライト」と参照される例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号にて提示及び実証されている。

本開示は、光が、第１側面及び機能の第１セットを含むことができる、例えば段付き導波路の内側面間を前後に反射することができる、段付き導波路結像指向性バックライトを提供する。光は段付き導波路の長さに渡って伝達するが、光は表面の第１側面及び表面の第１セットに対する入射角度を実質的に変化させず、これら内側面での媒体の臨界角には到達できない。光抽出は、表面の第１セット（「トレッド」段）に対して傾斜する表面の第２セット（「ライザー」段）によって有利に実現されることができる。表面の第２セットは、段付き導波路の光ガイド作用の一部であることはできないものの、構造体から光抽出を提供できるよう配列することができることに留意すべきである。一方、ウェッジタイプ結像指向性バックライトは、連続的な内側表面を有するウェッジ形状が施された導波路内に光をガイド可能にすることができる。したがって、光学弁はウェッジタイプ結像指向性バックライトではない。

図１Ａは、指向性ディスプレイデバイスの一実施形態における光伝搬の正面図を示す略図であり、図１Ｂは、図１Ａの指向性ディスプレイデバイスにおける光伝搬の側面図を示す略図である。

図１Ａは、指向性ディスプレイデバイスの指向性バックライトのｘｙ面における正面図を示しており、段付き導波路１の照明に使用することができる、照明器配列１５を含む。照明器配列１５は、照明器素子１５ａ〜照明器素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）を含む。１つの例においては、図１Ａの段付き導波路１は、段付きの、ディスプレイサイズの導波路１とすることができる。照明素子１５ａ〜１５ｎは、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる光源である。ＬＥＤは本明細書にて照明器素子１５ａ〜１５ｎとして記述されているが、ダイオード源、半導体源、レーザー源、局所的電界放出源、有機エミッターアレイなどのこれらに限定されない他の光源を使用することができる。更に、図１Ｂは、ｘｚ面における側面図を示し、図示のとおりに配列された照明器配列１５、ＳＬＭ（空間光変調器）４８、抽出機能１２、ガイディング機能１０、及び段付き導波路１を含む。図１Ｂに提供された側面図は、図１Ａに示す正面図の代替的な図である。したがって、図１Ａ及び１Ｂの照明器配列１５は互いに対応し、図１Ａ及び１Ｂの段付き導波路１は互いに対応することができる。

更に、図１Ｂでは、段付き導波路１は、薄い入力端２及び厚い反射端４を有することができる。したがって、導波路１は、入力光を受光する入力端２と、入力光を反射して導波路１を通して戻す反射端４との間に伸長する。入力端２の導波路に渡る横方向の長さは、入力端２の高さより大きい。照明器素子１５ａ〜１５ｎは、入力端２に渡る横方向の異なる入力位置に配置されている。

導波路１は、入力端２と反射端４との間に伸長する対向する第１ガイド表面及び第２ガイド表面を有し、合計内部反射により光を導波路１に沿って前後にガイドする。第１ガイド表面は平面である。第２ガイド表面は、反射端４に対向し、反射端から導波路１を通してガイドされて戻される少なくともいくらかの光を、第１ガイド表面における合計内部反射を遮断し、ＳＬＭ ４８に供給されている、例えば、図１Ｂにおける上方の第１ガイド表面を通した出力を可能にする方向に反射するために傾斜された複数の光抽出機能１２を有する。

この例では、他の反射機能を使用できたとしても、光抽出機能１２は反射ファセットである。光抽出機能１２は導波路を通して光をガイドしないことに対し、光抽出機能１２の中間の第２ガイド表面の中間領域は、光を抽出することなくガイドする。第２ガイド表面のこれらの領域は平面であり、第１ガイド表面に平行、又は相対的に低い傾斜で伸長してもよい。光抽出機能１２は、第２ガイド表面が光抽出機能１２及び中間領域を含む段付き形状を有するように、これらの領域に横方向に伸長する。光抽出機能１２は、光源からの光を、第１ガイド表面を通して、反射端４からの反射後に反射するよう配向されている。

光抽出機能１２は、入力位置によって決まる第１ガイド表面に相対的な異なる方向の入力端に渡る横方向の異なる入力位置からの入力光を配向するよう配列されている。照明素子１５ａ〜１５ｎは異なる入力位置に配列されているため、それぞれの照明素子１５ａ〜１５ｎからの光はそれら異なる方向に反射されている。このようにしてそれぞれの照明素子１５ａ〜１５ｎは、光を各光学窓に、入力位置に従って横方向に分配された出力方向に配向する。入力位置が分配されている入力端２に渡る横方向は、第１ガイド表面に対する法線に対して横方向に、出力光に関して対応する。入力端２にて、及び出力光に関して定義されるような横方向は、反射端４及び第１ガイド表面での偏向が一般的に横方向に対して直交している本実施形態では平行に維持される。コントロールシステムの制御下では、照明器素子１５ａ〜１５ｎは、光を選択可能な光学窓に配向するよう選択的に操作することができる。光学窓は、個別に又は群となって視野窓として使用することができる。

導波路に渡って伸長するＳＬＭ ４８は透過型であり、そこを通る光を変調する。ＳＬＭ ４８は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とすることができるが、これは単に例を表すものであり、他の空間光変調器又はディスプレイを、ＬＣＯＳ、ＤＬＰデバイスなどを含めて、この照明器が反射して作用できるように使用することができる。この例では、ＳＬＭ ４８は導波路の第１ガイド表面に渡って配置されており、光抽出機能１２からの反射後に第１ガイド表面を通して光出力を変調する。

視野窓の一次元配列を提供することができる指向性ディスプレイデバイスの作動を図１Ａの正面図に示し、その側面プロファイルを図１Ｂに示す。図１Ａ及び１Ｂでの作用において、光は、段付き導波路１の薄い端側面２、ｘ＝０、の表面に沿って異なる位置ｙに配置された一連の照明器素子１５ａ〜１５ｎなど照明器配列１５から照射されてよい。光は、段付き導波路１内を＋ｘに沿って第１方向に伝搬することができ、同時に、光はｘｙ面にて扇状に展開することができ、湾曲遠端側面４に到達すると、概ね又は全体的に湾曲端側面４を満たすことができる。伝搬中、光は、ｘｚ面にてガイド材の臨界角以下の一連の角度に広がることができる。段付き導波路１の底側のガイド機能１０をリンクする抽出機能１２は、臨界角を超える傾斜角度を有することができ、したがって、＋ｘに沿って第１方向に伝搬する実質的にすべての光によって除外されることができ、実質的にロスの無い前方伝搬を確保する。

図１Ａ及び１Ｂの考察を続けると、段付き導波路１の湾曲端側面４は、通常、例えば銀などの反射材でのコーティングによる反射性を付することができるが、他の反射技術も用いることができる。光はしたがって、第２方向に再配向され、−ｘの方向のガイドに戻り、実質的にｘｙ又はディスプレイ面に集束することができる。角拡散は実質的にｘｚ面における主伝搬方向に対して維持され、これにより光はライザーの端部に当たり、ガイドの外に反射することができる。約４５度の傾斜抽出機能１２を伴う一実施形態においては、光は、実質的に伝搬方向に相対的に維持されたｘｚ角拡散を伴うｘｙディスプレイ面に対するおおよその法線に効果的に配向することができる。この角拡散は、光が屈折を通して段付き導波路１を出ることで増大することができるが、抽出機能１２の反射特性によって多少減少する場合がある。

未コーティングの抽出機能１２を伴う実施形態においては、合計内部反射（ＴＩＲ）の不足により反射が減少する場合があり、ｘｚ角度プロファイルを狭め、法線からのずれが生じる。しかし、銀コーティング又は金属化での抽出機能を有する他の実施形態においては、広い角拡散及び中央法線方向を保持することができる。銀コーティングでの抽出機能を伴う実施形態の記述を続けると、ｘｚ面では、光は段付き導波路１をおおよそ集束して出射することができ、入力エッジの中心から、照明器配列１５内の各照明器素子１５ａ〜１５ｎのｙ位置に比例して、法線からずれて配向されることができる。入力端２に沿って独立した照明器素子１５ａ〜１５ｎを有することにより、図１Ａに示すように、光は第１光ガイド側面６の全体から出射可能となり、異なる外角で伝搬可能となる。

そのようなデバイスを伴う高速液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルといった空間光変調器（ＳＬＭ）４８の照射は、上面図又は図２Ａにおける照明器配列１５の端部から見たｙｚ面、図２Ｂにおける正面図、及び図２Ｃにおける側面図に示すような自動立体３Ｄを実現することができる。図２Ａは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を上面図にて示す略図であり、図２Ｂは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を正面図にて示す略図であり、図２Ｃは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を側面図にて示す略図である。図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃに示すように、段付き導波路１は、連続的な右目画像及び左目画像を表示する高速（例えば１００Ｈｚ超）ＬＣＤパネルＳＬＭ ４８の背後に配置することができる。これに同期して、照明器配列１５の特定の照明器素子１５ａ〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）は選択的にオン及びオフにすることができ、システムの方向性によって実質的に独立して右目及び左目に入る照明光を提供する。最も簡単な場合には、照明器配列１５の照明器素子の各セットは共にオンとなり、水平方向に離れた両目が左目画像を見ることができる、一次元の視野窓２６、又は、水平方向であるものの垂直方向に伸長する限定幅の光学瞳孔、及び、両目、並びに両目が異なる画像を見ることができる中央位置により右目画像を主に見ることができる別の視野窓４４を提供する。このようにして、視聴者の頭部がほぼ中央に整列された場合に３Ｄを見ることができる。中央位置から側方へ離れる動作は、シーンを２Ｄ画像に収縮することができる。

反射端４は、導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。反射端４がポジティブな屈折力を通常有する実施形態においては、光軸は、例えば反射端４の湾曲の中心を通り、ｘ軸周りの端部４の鏡映対称の軸に一致するラインであるといった、反射端４の形状を参照して定義することができる。反射面４が平面である場合は、光軸は、例えば湾曲されている場合の光抽出機能１２といった屈折力を有する他のコンポーネント、又は以下に記述するフレネルレンズ６２に関して同様に定義することができる。光軸２３８は通常、導波路１の機械軸と一致している。端部４での円筒状の反射表面は通常、球状プロファイルであることができ、オン軸及びオフ軸の視覚位置に対する能力を最適化する。他のプロファイルも使用することができる。

図３は、指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。更に、図３は、透過的材料とすることができる段付き導波路１の作用の側面図を更に詳細に示す。段付き導波路１は、照明器入力側面２と、反射側面４と、実質的に平面にすることができる第１光配向側面６と、ガイド機能１０及び光抽出機能１２を含む第２光配向側面８と、を含むことができる。作用においては、例えばＬＥＤのアドレス化が可能な配列にすることができる、照明器配列１５（図３には図示せず）の照明器素子１５ｃからの光線１６は、第１光配向側面６による全反射及びガイド機能１０による全反射を用いて、鏡面とすることができる反射側面４へと段付き導波路１内でガイドすることができる。反射側面４は鏡面として光を反射することができるが、実施形態によっては、光を反射側面４に通すことも可能である。

図３の考察を続けると、反射側面４にて反射した光線１８は、反射側面４での全反射によって段付き導波路１内で更にガイドされ、抽出機能１２によって反射することができる。抽出機能１２における入射である光線１８は、段付き導波路１のガイドモードから実質的に偏向されることができ、光線２０によって示されるように、側面６を通して、自動立体ディスプレイの視野窓２６を形成することができる光学瞳孔へと配向することができる。視野窓２６の幅は、側面４及び抽出機能１２における少なくとも照明器のサイズ、出力設計距離、及び屈折力によって決定することができる。視野窓の高さは、抽出機能１２の反射円錐角、及び入力側面２での照明円錐角入力よって主に決定することができる。したがって、それぞれの視野窓２６は、名目上の視覚距離で面と交差する空間光変調器４８の表面法線方向に対して個別の出力方向の範囲を表す。

図４Ａは、湾曲光抽出機能を含め、第１照明器素子によって示すことができる指向性ディスプレイデバイスを正面図で示す略図である。更に、図４Ａは、照明器配列１５の照明器素子１５ｃからの光線の、光軸２８を有する段付き導波路１への更なるガイドを正面図に示す。図４Ａでは、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明器配列１５を含むことができる。各出力光線は、各照明器１５ｃから同じ視野窓２６に向けて入力側面２から配向される。図４Ａの光線は、段付き導波路１の反射側面４から出射できる。図４Ａに示すように、光線１６は照明器素子１５ｃから反射側面４に向けて配向されることができる。次いで、光線１８は光抽出機能１２から反射され、視野窓２６に向けて反射側面４を出射できる。したがって、光線３０は視野窓２６内で光線２０と交差するか、又は光線３２によって示されるように視野窓内に異なる高さを有することができる。加えて、種々の実施形態において、導波路１の側面２２及び２４は、透過面、鏡面、又は黒化した表面とすることができる。図４Ａの考察を続けると、光抽出機能１２は延長することができ、光配向側面８（光配向側面８は図３に図示されているが、図４Ａには図示されていない）の第１領域３４における光抽出機能１２の方向は、光配向側面８の第２領域３６における光抽出機能１２の方向とは異なることができる。本明細書に記述する他の実施形態と同様に、例えば、図３に示すように、図４Ａの光抽出機能は、ガイド機能１０と交互にすることができる。図４Ａに示すように、段付き導波路１は、反射側面４に反射表面を含むことができる。一実施形態では、段付き導波路１の反射端は、段付き導波路１に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

別の実施形態では、各指向性バックライトの光抽出機能１２は、導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

別の実施形態では、各指向性バックライトは、第２ガイド表面のファセットであることができる、光抽出機能１２を含むことができる。第２ガイド表面は、光を実質的に抽出せずに導波路を通して光を配向するように配列されることができるファセットと交互になる領域を有することができる。

図４Ｂは、第２照明器素子によって照射されることができる指向性ディスプレイデバイスを正面図に示す略図である。更に、図４Ｂは、照明器配列１５の第２照明器素子１５ｈからの光線４０、４２を示す。側面４及び光抽出機能１２上の反射表面の湾曲は、照明器素子１５ｈからの光線にて視野窓２６から分離された第２視野窓４４を協調して横方向に生成する。

有利には、図４Ｂに示す配列は、図４Ａに示すような、反射側面４における屈折力及び領域３４と３６との間の延長光抽出機能１２の異なる方向から生じることができる屈折力との協調により実像を形成することができる視野窓２６にて、照明器素子１５ｃの実像を提供することができる。図４Ｂの配列は、視野窓２６内での横方向位置への照明器素子１５ｃの結像の改良した収差を実現することができる。収差の改良は、低クロストークレベルを実現しながらも、自動立体ディスプレイに対する視覚自由度の拡張を実現できる。

図５は、実質的に線光抽出機能を有する指向性ディスプレイデバイスの一実施形態を正面図に示す略図である。更に、図５は、光抽出機能１２が実質的に線形であり、互いに平行であるという違いの１つを伴う、（同様の対応する素子を伴う）図１と同様のコンポーネントの配列を示す。このような配列は、ディスプレイ表面に渡る実質的に均一な照明を好都合に提供でき、図４Ａ及び図４Ｂの湾曲した抽出機能よりも製造により適している場合がある。指向性導波路１の光軸３２１は、側面４において表面の光軸方向であることができる。側面４の屈折力は光軸方向に渡るように配列され、したがって、側面４に入射する光線は、光軸３２１からの入射光線の横方向オフセット３１９に従って異なる角偏向を有する。

図６Ａは、第１タイムスロットにおける時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイス内の第１視野窓の生成の一実施形態を示す略図であり、図６Ｂは、第２タイムスロットにおける時分割多重化結像指向性バックライト装置内の第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図であり、図６Ｃは、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイス内の第１及び第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。更に、図６Ａは、段付き導波路１からの視野窓２６の生成を略図的に示す。照明器配列１５内の照明器素子グループ３１は、視野窓２６に向かって配向された光円錐１７を提供できる。図６Ｂは、視野窓４４の生成を略図的に示す。照明器配列１５内の照明器素子グループ３３は、視野窓４４に向かって配向された光円錐１９を提供することができる。時分割多重化ディスプレイとの協調にて、窓２６及び４４は、図６Ｃに示すような順序にて提供されることができる。空間光変調器４８（図６Ａ、６Ｂ、６Ｃには図示せず）上の画像が光方向出力に応じて調整されると、適切に配置された視聴者に対して自動立体画像を実現することができる。同様の作用は、本明細書に記載のすべての結像指向性バックライトで実現することができる。照明器素子グループ３１、３３はそれぞれ、照明素子１５ａ〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）からの１つ又は複数の照明素子を含むことに注意されたい。

図７は、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスを含む観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置の一実施形態を示す略図である。図７に示すように、軸２９に沿った選択的な照明器素子１５ａ〜１５ｎのオン及びオフは、視野窓の指向性制御を提供する。頭部４５の位置は、カメラ、モーションセンサー、モーションディテクター、又は任意の他の適切な光学的、機械的、又は電気的手段を用いてモニターすることができ、照明器配列１５の適切な照明器素子は、頭部４５の位置に関わりなく、それぞれの目に実質的に独立した画像を提供するようオン及びオフすることができる。頭部トラッキングシステム（又は第２頭部トラッキングシステム）は、頭部４５、４７（頭部４７は図７には非表示）の１つを超えるモニタリングを提供することができ、同じ左目画像及び右目画像をそれぞれの視聴者の左右の目に提供し、すべての視聴者に３Ｄを提供することができる。これについても、同様の作用は、本明細書に記載のすべての結像指向性バックライトで実現することができる。

図８は、例として結像指向性バックライトを含む、マルチビューアー指向性ディスプレイデバイスの一実施例を示す略図である。図８に示すように、少なくとも２つの２Ｄ画像を、視聴者４５、４７のペアに向けて配向することができ、各視聴者は異なる画像を空間光変調器４８上に見ることができる。図８の２つの２Ｄ画像は、２つの画像が２人の視聴者に向けて配向される光を有するソースに伴って連続し、同期して表示される、図７に関する記述と同様に生成することができる。１つの画像が第１フェーズにおいて空間光変調器４８上に示され、第２画像は、第１フェーズとは異なる第２フェーズにおいて空間光変調器４８上に示される。第１及び第２フェーズに対応して、第１及び第２視野窓２６、４４をそれぞれ提供するよう出力照明は調整されている。両目が視野窓２６にある観察者は第１画像を認識し、一方では、両目が視野窓４４にある観察者は第２画像を認識する。

図９は、結像指向性バックライトを含むプライバシー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。２Ｄディスプレイシステムもまた、図９に示すように光が第１視聴者４５の両目に主に配向されることができる指向性バックライティングを、セキュリティ及び効率の目的で使用することができる。更に、図９に示すように、第１視聴者４５はデバイス５０の画像を見ることができるが、光は第２視聴者４７に向けて配向されていない。したがって、第２視聴者４７は、デバイス５０上の画像を見ることができない。本開示のそれぞれの実施形態は、自動立体、デュアル画像、又はプライバシーディスプレイ機能を好都合に提供することができる。

図１０は、例として結像指向性バックライトを含む、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。更に、図１０は、段付き導波路１の出力表面に渡る実質的に集束された出力のための視野窓２６を提供するよう配列された段付き導波路１及びフレネルレンズ６２を含むことができる自動立体指向性ディスプレイデバイスを側面図にて示す。垂直拡散器６８は、視野窓２６の高さを更に伸長するよう配列することができる。次いで、光は、空間光変調器４８を通して結像されることができる。照明器配列１５は、例えば、蛍光体変換青色ＬＥＤ又は個別のＲＧＢ ＬＥＤとすることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。あるいは、照明器配列１５内の照明器素子は、個別の照明領域を提供するよう配列された均一光源及び空間光変調器を含むことができる。代替的に、照明器素子は（単一又は複数の）レーザー光源を含むことができる。レーザー出力は、例えば検流計スキャナー又はＭＥＭＳスキャナーを使用してのスキャニングの手段を用いて拡散器上に配向することができる。１つの例においては、レーザー光はしたがって、適切な出力角度での実質的に均一な光源を提供し、更に、スペックルの減少を提供するために、照明器配列１５にて適切な照明器素子を提供することができる。代替的に、照明器配列１５は一連のレーザー発光素子とすることができる。加えて１つの例においては、拡散器は、照明を可視出力光までの異なる波長にすることができる波長変換蛍光体とすることができる。

上の記述は、単一の指向性バックライトを含むディスプレイデバイスに関する。以降に、場合によっては積層され、場合によってはタイリングされる、複数の指向性バックライトを含む幾つかのディスプレイデバイスについて記述する。しかしながら、個々の指向性バックライトは、上の図１〜１０の構造に基づいており、これらを組み込む。その結果、以降に記述する変更点及び／又は追加機能を除き、上の記述は、以下のディスプレイデバイスに等しく適用するが、簡潔にするために繰り返さない。

図１１は、ディスプレイデバイスと、コントロールシステムと、を含む指向性ディスプレイ装置を示す略図である。コントロールシステムの配列及び作用を以降に記述し、必要に応じて変更して、本明細書に開示される各ディスプレイデバイスに適用することができる。

指向性ディスプレイデバイスは、この例において３つの指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７を含む。ただし、一般には、１、２、３、４、５など任意の数の指向性バックライトが存在することができる。各指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７は、対応の照明器配列１９１３、１９１５、１９１７を含む。コントロールシステムは、照明器配列１９１３、１９１５、１９１７の照明素子を選択的に操作して選択可能な視野窓に光を配向するように配列される。

各指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７は、以下に記述する実施形態のように配列することができる導波路を含む。フレネルレンズ６２は、指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７から視野窓に実質的にコリメートされた出力光を配向するように設けることができ、したがって、各バックライト１９０３、１９０５、１９０７からの視野窓が実質的に窓面において重なり合うように、指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７の出力に渡ってディスプレイ出力を瞳孔化する（pupillating）。透過型空間光変調器（ＳＬＭ）４８は、指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７からの光を受けるように配列することができる。

更に、拡散器６８は、指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７、ＳＬＭ ４８のピクセル、及びフレネルレンズ構造間のモアレ干渉を実質的に取り除くように設けることができる。

コントロールシステムは、ディスプレイデバイス１００に対して観察者９９の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムを含むことができる。センサーシステムは、カメラなど位置センサー７０と、例えばコンピュータービジョン画像処理システムを含むことができる頭部位置測定システム７２と、を含むことができる。

図１１では、位置センサー７０は、観察者の顔の位置を検出するように配列された、カメラ、画像処理ユニットなどを含む既知のセンサーを含むことができる。位置センサー７０は、モノスコープカメラと比較して長手方向位置の測定を向上するように配列されたステレオセンサーを更に含むことができる。あるいは、位置センサー７０は、指向性ディスプレイのタイルから視野窓の各配列の必要な配置の測定値を与えるために、目の間隔の測定値を含むことができる。

コントロールシステムは更に、頭部位置測定システム７２から供給された観察者の検出位置が双方に供給される照明コントローラー７４及び画像コントローラー７６を含むことができる。

照明コントローラー７４は照明器素子１５を選択的に操作し、導波路１と協力して光を視野窓２６内に配向する。照明コントローラー７４は、光が配向される視野窓２６が観察者９９の左右の目に対応する位置に配置されるよう、頭部位置測定システム７２によって検知された観察者の位置に従って操作される照明器素子１５を選択する。このようにして、導波路１の横方向の出力方向性は観察者の位置に対応する。

画像コントローラー７６は、ＳＬＭ ４８を制御して画像を表示する。自動立体ディスプレイ（autosterescopic display）を提供するため、画像コントローラー７６及び照明コントローラー７４は以下のように作用することができる。画像コントローラー７６はＳＬＭ ４８を制御し、一時的に多重化された左目画像及び右目画像を表示する。照明コントローラー７４は光源１５を操作し、左目画像及び右目画像の表示に同期して観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に光を配向する。このようにして、自動立体効果は、時分割多重化技術を用いて実現されている。

作用においては、光円錐１９７１、１９７３、１９７５は、各発光素子照明器配列１９１３、１９１５、１９１７、及び揃えられた指向性バックライト１９０３、１９０５、１９０７によって生成されることができる。図１１に示すように、光円錐１９７１、１９７３、１９７５は、視野窓２６に光を配向する。したがって、光線１９１３、１９１５、１９１７の各照明配列は、横方向、垂直方向（ページ外）、及び長手方向の観察者の動きに応じて変更されることができる。

有利には、導波路のこのようなタイル状の発光素子照明器配列１９１３、１９１５、１９１７は、以下に記述するようにトラッキングされる観察者の長手方向の視覚自由度の拡張を実現するように対応できる。

上の実施形態では、画像コントローラー７６は、位置センサー７０及び頭部位置測定システム７２からの観察者位置データを使用して、観察者９９の位置に応じて変化する画像ディスプレイを実現することができる。有利には、これを使用して、例えば、空間光変調器４８上に表示される画像パースペクティブが観察者９９の動きに応じて変化できる「見回し」機能を提供することができる。

空間光変調器４８が液晶材料を使用し、ラインごとにアドレス指定される、実例となる実施形態では、ＬＣ材料の電気光学的応答特性が重要であり得る。更に、パルス照明は、同一の元データでアドレス指定された場合でも、空間光変調器４８上の異なる空間位置に配置されるピクセルに異なる見え方をもたらすことができるように、走査及びＬＣ応答と相互作用できる。この効果は、原画像データを前処理して補正を行うことにより除去することができる。画像データの修正は、左表示と右表示との間で予想されるクロストークを補うために行うこともできる。

更に有利には、上に記述した効果を補うために、観察者９９の位置に関する情報を使用して、空間光変調器４８に画像データのより効果的な調整を提供することができる。

図１２は、直列に配列された、少なくとも第１及び第２段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図であり、図１３は、図１２の積層指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。第１実施形態は、図１２に概略的に示され、図１３に側面図で示されるように、段付き導波路１００、１０４など２つの段付き導波路の積層体及び直列に配列された各光源配列１０２、１０６によって提供されることができる。第１指向性バックライトは、段付き導波路１００と、光源配列１０２と、を含むことができ、第２指向性バックライトは、段付き導波路１０４と、光線照明器配列１０６と、を含むことができる。第１及び第２指向性バックライトは、空間光変調器４８の背後に積層することができる。更に、図１２に示すように、第１及び第２指向性バックライトは反射表面を含むことができる。図１２では、反射表面は、第１及び第２指向性バックライトの湾曲端上にある。一実施形態では、段付き導波路１００、１０４のいずれか１つ、又は両方の反射表面、つまり反射端は、段付き導波路１００、１０４に渡る横方向にポジティブな屈折力を有することができる。

図１３に示すように、第１及び第２指向性バックライトは空間光変調器４８の背後に積層することができる。第１及び第２指向性バックライトのそれぞれは、空間光変調器４８を通して、並びに第１及び第２指向性バックライトと空間光変調器４８との中間にあることができる任意の他の指向性バックライトを通して出力光を供給することができる。

図１２及び１３の作用においては、光源配列１０６からの光は段付き導波路１０４を通ることができ、続いて、段付き導波路１００を通して実質的に配向されることができる。例えば図１３に示すように、段付き導波路１０４内で反伝搬した後の光源配列１０６からの光線１０５は、段付き導波路１００の透過機能１０により段付き導波路１００を通ることができる。段付き導波路１００の光抽出機能１２は、段付き導波路１００を通る更なる光透過を実現するために、更に実質的に未コーティングにすることができる。図１３の記述を続けると、指向性バックライトは、指向性バックライトによって提供される光学窓を実質的に互いに揃えることができるように、空間光変調器４８に対する法線の周囲に配向されることができる。加えて、図１３に示すように、指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に互いに共面であることができる。

有利には、各照明器配列１０２、１０６は、表示フェーズに応じて、実質的に視野窓２６又は視野窓４４の同時照明をもたらすように配列できるため、このような配列はディスプレイの明るさを増加させることができる。単一照明器を厚くしてより大型の光源を使用可能にすることによって同様に増加した明るさを提供できるが、より多数の小型光源を用いることが有利であり得る。より多数の小型光源により、均一性の増加及び熱的特性の向上を可能にすることができる。更に、２つの段付き導波路の光出力が若干異なっていて、２つの視野窓が実質的に重なり合うときに窓面における出力の光学的均一性を向上できるか、より広い垂直視野角を提供することができる。例えば、段付き導波路１００の透過から生じる反射ロスなどのロスは、照明器１０２と比較して、照明器１０６の相対出力輝度を増加させることにより補うことができる。

加えて、図１２及び１３の実施形態では、ガイドのより厚い側面４がＬＥＤとして共に配列されており、したがって、例えば、パッケージサイズ及び総ディスプレイ厚の増加などＬＥＤとの厚い組み合わせ構造による機械的干渉の問題が生じる。

１つの例示的実施形態では、個々の指向性バックライトは、最大２ｍｍの厚さをそれぞれ有することができ、合わせた厚さが例えば５ｍｍである、フレネルレンズ６２を含む積層体内に配置されることができ、空間光変調器４８及び拡散器６８に対する１ｍｍ以下の離隔距離６７で位置付けられる。あるいは、離隔距離６７をより大きい厚さに増加させて、フレネルレンズ６２、バックライト１００、１０４及び空間光変調器４８の各構造間におけるモアレパターンの出現を低減させることができる。

図１４は、直列に配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図であり、図１５は、少なくとも第１及び第２視野窓を提供するように配列された、図１４の積層指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。本実施形態は、以下の変更点を除いて、図１２及び１３の実施例と同様である。図１４及び１５に示すように、指向性バックライトは、空間光変調器４８に対する法線の周囲に逆方向に配列されて、各指向性バックライトの入力端２が他の指向性バックライトの反射端４と同じ側にあることができる。図１４及び１５では、指向性バックライト１００及び１０４は、反射端４及び入力端２を有することができる。図１４及び１５の実施形態では、指向性バックライト１００は、反射端４が指向性バックライト１０４の入力端２と同じ側にあることができるように配向することができる。

図１４に示すように、第１指向性バックライトは段付き導波路１００と、光源配列１０２と、を含むことができ、第２指向性バックライトは、段付き導波路１０４と、光源照明器配列１０６と、を含むことができる。第１及び第２指向性バックライトは、空間光変調器４８の背後に積層することができる。更に、図１４に示すように、第１及び第２指向性バックライトは反射表面を含むことができる。図１４では、反射表面は、第１及び第２指向性バックライトの湾曲端上にある。一実施形態では、段付き導波路１００、１０４のいずれか１つ、又は両方の反射表面、つまり反射端４は、段付き導波路１００、１０４に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

図１４に示すように、第１及び第２指向性バックライトは空間光変調器の背後に積層することができる。第１及び第２指向性バックライトのそれぞれは、空間光変調器を通して、並びに第１及び第２指向性バックライトと空間光変調器との中間にあることができる任意の他の指向性バックライトを通して出力光を供給することができる。

図１４の記述を続けると、指向性バックライトは、指向性バックライトによって提供される光学窓を実質的に互いに揃えることができるように、空間光変調器に対する法線の周囲に配向されることができる。加えて、図１４に示すように、指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に互いに共面であることができる。

更に、図１５は、光線１０５が段付き導波路１００を通して伝搬し、段付き導波路が互いに対して逆方向に配列されることができる積層体を側面図に示す。有利には、本実施形態は、物理的に離隔されたＬＥＤ配列１０２、１０６を提供することができる。図１５の実施形態は、ＬＥＤ配列１０２、１０６の熱管理を物理的に離隔できるため、熱制御の向上を実現することができる。更に、光抽出機能が未コーティングの場合に出力円錐方向がほぼ対称であることによって、より優れた垂直角の均一性を実現することができる。光が光抽出機能１２に入射したときに、ほぼすべての光が厚い端部４から薄い端部２に戻り、抽出されることができるため、抽出されずに薄い側面２に戻される光はシステムから失われ得る。薄い側面２と厚い側面４との高さの比率は、効率要素の測定値である。比較として、単一段付き導波路を使用し、光源の発光を２倍にできるように薄い端部を２倍にしても、側面４の厚さをそれに応じて増加させた場合のみ同様に効率的にすることができる。本実施形態は、ごくわずかに全厚を増加させただけで、ほぼ２倍の光を提供できる。更に、有利には、水平方向に揃えた光抽出機能１２は、抽出手段として反射を使用できる。全反射（ＴＩＲ）で見られる角度変化など反射における任意の角度変化は、照明において著しい垂直角度変化をもたらすことができる。逆積層は垂直対称性をもたらすことができ、垂直視野窓においてより均一な強度を生じさせることができる。

図１６は、透過型空間光変調器の照明にそれぞれ赤色照明方向、緑色照明方向、及び青色照明方向を提供するように直列に配列された３つの段付き導波路を含む、指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを示す略図であり、図１７は、図１６の積層指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。指向性バックライトは、少なくとも段付き導波路と、光源照明器配列と、を含むことができる。本実施形態は、以下の変更点を除いて、図１２及び１３の実施例と同様である。

図１６に示すように、第１指向性バックライトは、段付き導波路１０８と、光源配列１１０と、を含むことができ、第２指向性バックライトは、段付き導波路１１２と、光源照明器配列１１４と、を含むことができ、第３指向性バックライトは、段付き導波路１１６と、光源照明器配列１１８と、を含むことができる。１つの例においては、少なくとも第１、第２、及び第３指向性バックライトを空間光変調器４８の背後に積層することができる。更に、図１６に示すように、第１、第２、及び第３指向性バックライトは反射表面を含むことができる。図１６では、反射表面は、第１、第２、及び第３指向性バックライトの湾曲端上にある。一実施形態では、段付き導波路１０８、１１２、１１６のいずれか１つ、又は任意の組み合わせの反射表面、つまり反射端４は、段付き導波路１０８、１１２、１１６に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

図１６に示すように、第１、第２、及び第３指向性バックライトは空間光変調器４８の背後に積層することができる。第１及び第２指向性バックライトのそれぞれは、空間光変調器４８を通して、並びに第１及び第２指向性バックライトと空間光変調器との中間にあることができる任意の他の指向性バックライトを通して出力光を供給することができる。

図１６の記述を続けると、指向性バックライトは、指向性バックライトによって提供される光学窓を実質的に互いに揃えることができるように、空間光変調器４８に対する法線の周囲に配向されることができる。加えて、図１６に示すように、指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に互いに共面であることができる。

一実施形態では、指向性バックライトのそれぞれに対して、光源の配列は、各導波路の入力端に渡って異なる入力位置に配置されることができる。

別の実施形態では、指向性バックライトは、指向性バックライトによって提供される光学窓が互いにほぼ揃うことができ、各指向性バックライトに関する光源の配列が、異なる色の光を出力するように配列されることができるように、空間光変調器に対するおよその法線の周囲に配向されることができる。

図１７に示すように、透過型ＳＬＭ ４８は、同様に赤色ＬＥＤ光源配列１１０によって照射される段付き導波路１０８によって照射されることができ、第２段付き導波路１１２は、緑色ＬＥＤ光源配列１１４によって照射されることができ、第３段付き導波路１１６は青色ＬＥＤ光源配列１１８によって照射されることができる。各視野窓は、配列１１０、１１４、１１８内の各ＬＥＤからの光の総和によって提供されることができる。青色光線１１７及び緑色光線１１５は、段付き導波路構造の有利な透過特性により、少なくとも１つの段付き導波路を通ることができる。図１４及び１５に示すように、段付き導波路１１２を反転させて、機械的サイズを減少させ、各ＬＥＤ光源配列１１４の熱管理を向上することができる。更なる実施形態では、２つ以上の段付き導波路ユニットを使用できる。例えば、第１段付き導波路は緑色の光源配列を含むことができ、第２段付き導波路は赤色及び青色の光源配列を含むことができる。有利には、このような実施形態は、緑色の無機ＬＥＤの低減された光束発散度を補うことができる。

有利には、他の実施形態で通常使用される白色ＬＥＤと比較して、別の色のＬＥＤを提供することができる。別の色のＬＥＤは、より高いスペクトル範囲を実現することができ、高効率で作用することができる。比較として、別個の赤色、緑色、及び青色ＬＥＤが単一段付き導波路の単一照明配列に組み合わされると、実現できる総ディスプレイ輝度は、各段付き導波路の狭側面２上の入力開口部のサイズに制約があるため、減少することがある。

図１８は、各空間光変調器の赤色、緑色、及び青色ピクセルの効率的な照明を実現するように配列された、図１６の空間光変調器の一実施形態の詳細を平面図に示す略図である。更に、図１８は、各段付き導波路１０８、１１２、１１６の赤色、緑色、及び青色の指向性照明を使用して単色ＳＬＭ ４９に照射できる実施形態を示す。マイクロレンズ配列１２０は、赤色ピクセル１２２、緑色ピクセル１２４、及び青色ピクセル１２６とほぼ揃えて設けられる。赤色段付き導波路１０８は、赤色データピクセル１２２に入射する光円錐１２８に集束されることができる、方向１２９で実質的にコリメートされた波面を提供でき、緑色段付き導波路１１２は、緑色データピクセル１２４に入射する光円錐１３０に集束されることができる、方向１２７で実質的にコリメートされた波面を提供でき、青色段付き導波路１１６は、青色データピクセル１２６に入射する光円錐１３２に集束されることができる、方向１３１で実質的にコリメートされた波面を提供できる。最終拡散器１３４は、一部の色混合及び光出力円錐の再分配によるより広いパネル視野角の実現を可能にするために設けることができる。あるいは、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤは、単一段付き導波路の狭側面２上の入力開口部に直列に配列されて、より小型の配列をもたらすことができる。有利には、本実施形態は、ＳＬＭ内で個々のカラーフィルタを不要にすることができ、したがってより高効率を実現することができる。

図１９は、直列に配列された２つの段付き導波路を含んで横長及び縦長の自動立体視を提供する指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトの略図であり、図２０Ａは、図１９の積層指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイデバイスの側面図の略図である。更に、図１９はある実施形態を略図的に示し、図２０Ａは、段付き導波路の交差積層体を含む実施形態の側面図を示し、それぞれ実質的に一次元の視野窓の配列を提供することができる。本実施形態は、以下の変更点を除いて、図１２及び１３の実施例と同様である。

図１９及び図２０Ａの第１指向性バックライトは段付き導波路１００と、光源照明器配列１０２と、を含むことができ、第２指向性バックライトは、段付き導波路１０４と、光源照明器配列１０６と、を含むことができる。図１９及び２０Ａに示すように、第１及び第２指向性バックライトは、空間光変調器４８に対する法線の周囲にほぼ配向されており、第１及び第２指向性バックライトによって提供される光学窓２６及び４４のセットが８５〜９５度の範囲の互いに対する角度で伸長することができる。この範囲の限度はおよそである。

図１９に示すように、第１指向性バックライトは、段付き導波路１００と、光源配列１０２と、を含むことができ、第２指向性バックライトは、段付き導波路１０４と、光源照明器配列１０６と、を含むことができる。第１及び第２指向性バックライトは、空間光変調器の背後に積層することができる。更に、図１９に示すように、第１及び第２指向性バックライトは反射表面を含むことができる。図１９では、反射表面は、第１及び第２指向性バックライトの湾曲端上にある。一実施形態では、段付き導波路１００、１０４のいずれか１つ、又は両方の反射表面、つまり反射端は、段付き導波路１００、１０４に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

図１９に示すように、第１及び第２指向性バックライトは空間光変調器の背後に積層することができる。第１及び第２指向性バックライトのそれぞれは、空間光変調器を通して、並びに第１及び第２指向性バックライトと空間光変調器との中間にあることができる任意の他の指向性バックライトを通して出力光を供給することができる。

図１９の記述を続けると、指向性バックライトは、指向性バックライトによって提供される光学窓を実質的に互いに揃えることができるように、空間光変調器に対する法線の周囲に配向されることができる。加えて、図１９に示すように、指向性バックライトのそれぞれの第１導波路表面は、実質的に互いに共面であることができる。加えて、積層された指向性バックライト１００、１０４のそれぞれの光軸３２１、３２３は、実質的に直交するように配列される。

図２０Ａに示すように、段付き導波路１００は、光線の方向性を実質的に変更せずに段付き導波路１０４からの光線１１９を透過するように配列されることができる。したがって、視野窓２６の第１セットは段付き導波路１００によって提供されることができ、視野窓４４の第２セットは、視野窓２６に対して傾斜し得る、例えば、ほぼ直交し得る段付き導波路１０４によって提供されることができる。フレネルレンズ６２は、ほぼ回転対称性を有することができ、弱い回転対称拡散器６９を設けて視野窓の均一性を向上することができる。

有利には、図１９及び２０Ａの配列は、切り替え可能な横長−縦長操作モードを提供することができる。照明器１０２にスイッチが入ると、トラッキングされた横長自動立体モードを生成できる。１つの例においては、観察者がハンドセット（図１９及び２０Ａでは図示なし）を回転させる場合、変更されたものとして視野方向を感知でき、照明器１０２のスイッチを切ることができ、照明器１０６のスイッチを入れることができる。更に、パネル上で画像データを回転することができる。この方法では、最大解像度で観察者をトラッキングした自動立体ディスプレイが両方のパネル方向で提供されることができる。

［請求項１１及び１２に一致する表現を使用するように適合させる］
図２０Ｂは、空間光変調器と直列に配列された２つの段付き導波路を含む、積層結像指向性バックライト装置を側面図に示す略図である。図２０Ｂに示すように、第１指向性バックライトは、少なくとも段付き導波路１００を含むことができ、第２指向性バックライトは、少なくとも段付き導波路１０４を含むことができる。図１４及び１５の実施形態と同様に、段付き導波路１００及び１０４は、空間光変調器に対する法線の周囲に逆方向に配列されて、各段付き導波路の入力端が他の段付き導波路の反射端と同じ側にあることができる。つまり、段付き導波路１００は、段付き導波路１０４の入力端と同じ側にあることができるように配向することができる。図２０Ｂに示すように、指向性バックライトのそれぞれの第１ガイド表面は、実質的に互いに共面であることができる。更に、図２０Ｂに示すように、指向性バックライトの対向導波路表面は逆方向に配列されることができ、概ね平行方向に伸長できる。

更に、図２０Ｂは、積層体のパッケージ厚を低減するように配列された実施形態を示す。スペーサ素子３３４、３３６は、空間光変調器４８と段付き導波路１００との間、及び隣接する段付き導波路１００と１０４との間にそれぞれ配列することができる。スペーサ素子３３４、３３６は、スペーサボール、粘着性スペーサボールであることができるが、これらに限定されるものではなく、フォトスペーサであるか、直線状などであることができる。更に、スペーサ素子は、成型中に段付き導波路と共に形成されることができる。有利には、このようなスペーサ素子は、空隙を最小限に抑え、平面を維持しつつ、構造間の空隙を実現できる。機能のサイズは、操作中に低減した視認性及び散乱を有するのに十分に小さくてよく、１つの例においては、直径約２５マイクロメートルの球形又は円筒形であってよい。

図２０Ｃは側面図での略図であり、空間光変調器と直列に配列された２つの段付き導波路を含む、指向性ディスプレイデバイスの積層指向性バックライトを更に示す。更に、図２０Ｃは、段付き導波路１００と、偏光子３２４、３３２、基板３２６、３３０、及び切り替え可能な液晶層３２８を含む液晶ディスプレイを含むことができる空間光変調器４８と、の間に低屈折率コーティング３２２を含む、段付き導波路積層体を示す。段付き導波路１００内では、限定的な円錐角３１６を提供することができて、側面６において段付き導波路１００の表面で提供されることができる臨界角が増加する。例示の実施例では、約２６°の総円錐角が段付き導波路内で導かれ、側面６の表面境界面における臨界角は約７７°未満である。このような境界面は、例えば、屈折率が約１．４である低屈折率コーティング層３２２を備えた、約１．５の段付き導波路１のバルク屈折率によって提供することができ、約７１°の臨界角を提供する。例えば、層３２２の材料としては、シリコーン、エアロゲル、フッ素化ポリマーなどがあげられるが、これらに限定されるものではない。有利には、このような配列は、液晶パネルによって機械的に安定化させることができる、厚さの低減されたデバイスを提供することができる。フレネル反射による更なる光のロスは、抽出機能１２（図２０Ｃには図示なし）からの出力光に関して最低限に抑えることができる。したがって、ディスプレイシステムにおけるクロストークを低減する。

更に、段付き導波路１０４の側面６は、段付き導波路１００の側面８にある光抽出機能１２の尖頭部と接触して、各段付き導波路間に結合性の低い、低パッケージ厚をもたらすことができる。有利には、これらの実施形態は、低パッケージ総厚をもたらすことができる。

図２１Ａは、増加した照明面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図であり、図２１Ｂは、図２１Ａのタイリング指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイを側面図に示す略図である。

図２１Ａ及び２１Ｂに示すように、指向性バックライトは、段付き導波路１００、１０４と、光源照明器配列１０２及び１０６と、をそれぞれ含むことができる。図２１Ｂに示すように、指向性バックライトは、１つの例においては、空間光変調器であることができる、ディスプレイ４８の背後にタイリングすることができる。加えて、図２１Ｂに示すように、指向性バックライトは、拡散器６８及びフレネルレンズ６２の背後にタイリングすることができ、ＳＬＭ ４８の異なる領域を通して出力光を供給することができる。拡散器６８及びフレネルレンズは、省くことも、個別に使用することも、又は図２１Ｂのタイリング結像指向性バックライト装置と組み合わせて使用することもできる。図２１Ａ及び２１Ｂの記述を続けると、指向性バックライトは、ＳＬＭ ４８の異なる領域を通して出力光を供給するように、段付き導波路１００及び１０４の光軸の方向にタイリングされることができる。段付き導波路１００は反射端を有することができ、段付き導波路１００の反射端は段付き導波路１０４と重なり合うことができる。指向性バックライトの反射端は、導波路に渡る方向にポジティブな屈折力を有することができる。

したがって、指向性バックライト１００、１０４の光軸３２１、３２３は揃っていて、かつ平行であり、第１及び第２指向性バックライト１００、１０４は横方向に対して垂直の方向にタイリングされることができる。つまり、第１及び第２指向性バックライト１００、１０４は、導波路１００、１０４の光軸３２１、３２３の方向にタイリングされることができる。

更に、タイリングされる結像指向性バックライトの実施形態が図２１Ａにおいて略図的に、図２１Ｂにおいては側面図で示されており、これらの図において、段付き導波路１００、１０４には湾曲端部が設けられ、ずれていて示差的な上及び下パネル照明を実現する。この構成は、単一段付き導波路に渡る所定の厚さにおいてより高い明るさを実現することができ、かつ独立した局所的照明を可能にしてコントラスト及び効率性を向上させる。段付き導波路１００、１０４は、例えば図に示すように、ディスプレイ４８に対して傾斜した、又は平行であってよい段付き導波路１０４の側面６と共に配列されることができる。有利には、傾斜した素子は、より低い総厚を提供することができる。図３２を参照して記述するように、このような配列は、走査された時系列自動立体ディスプレイにおいて向上したクロストーク及び明るさを更に提供できる。図２８Ｃを参照して記述するように、各光学弁の側面は、フレネル反射器を含んで面垂れを低減でき、有利には、各段付き導波路１００、１０４間の継ぎ目の視認性を低減する。

図２２は、段付き導波路の列を含む、タイリング指向性バックライトの配列を示す略図である。更に、図２２は、段付き導波路１０１の列２０３、２０５、２０７を含む段付き導波路１０１の配列２０１を略図的に示す。図２１Ａ及び２１Ｂの指向性バックライトと同様に、図２２の指向性バックライトは段付き導波路を含むことができる。図２２の段付き導波路１０１は、横方向及び横方向に対して垂直の方向の両方にタイリングされることができて、ＳＬＭ ４８の異なる領域を通して出力光を供給する。

第１及び第２列は段付き導波路の長さの半分ずれている。したがって、異なる位置での接合部をもたらす。図２１Ｂに示すように、配列２０１から離隔されている拡散器６８と組み合わせる場合、各段付き導波路の出力は重なり合って各段付き導波路間の輝度差の視認性を低減でき、大面積に渡ってディスプレイの均一性を有利に増加させる。図２２に示す配列など第１タイリング段付き導波路配列は、第２タイリング段付き導波路配列と積層されることもできる。各第１タイリング配列と第２タイリング配列との間の接合部は、導波路の各タイル間での均一性の変化を有利に低減するようにずらすことができる。

図２３は、増加した照明面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図であり、図２４は、図２３のタイリング指向性バックライトを組み込む指向性ディスプレイを側面図に示す略図である。更に、図２３は略図的に示しており、図２４はタイリング段付き導波路の更なる配列を側面図に示す。配列は図２１Ａ及び２１Ｂと同様であるが、以下の変更点がある。第１及び第２指向性バックライト１００、１０４は、横方向に対して垂直の方向にタイリングされることができる。ただし、段付き導波路１００は、光源照明器配列１０２からの光が、標準的な段付き導波路に関してウェッジ部内で拡大する前に、著しいロス無く弁部に向けて配向されるように入力面にて組み込まれる、更なる平行入力部の平面導波路１４０を有する。次いで、段付き導波路１０４からの光は、実質的に方向性を変えることなく入力部の平面導波路１４０を通る。

図２５は、増加したディスプレイ面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図であり、図２６は、増加したディスプレイ面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。更に、図２５は図２４の配列と同様の配列の側面図を示すが、コンポーネントの順序が逆になっている。有利には、このような配列は、図２４の部分１０４を通して伝搬される光のフレネル反射により光のロスを低減することができる。加えて、図２６は、図２４の配列と同様の配列の更なる実施形態を示すが、段付き導波路１０３と、光源配列１０５と、を含む追加のバックライトは、クロストークの低減と共に、ディスプレイサイズ及び明るさを有利に増加できる。

図２７は、増加した照明面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトを示す略図であり、図２８Ａは、タイリング結像指向性バックライトを側面図に示す略図である。配列は図２３及び２４と同様であるが、以下の変更点がある。更に、図２７は略図的に示しており、図２８Ａは、平行入力部の平面導波路１４０、１４２をそれぞれ組み込む、段付き導波路１００、１０４の反転配列を側面図に示す。有利には、２つの段付き導波路の光学特性が一致して、向上したディスプレイの均一性を提供できる。

有利には、図２３〜２８Ａの配列は、出力の明るさを実質的に維持しつつ、第１段付き導波路１００及び第２段付き導波路１０４の光抽出機能間でモアレ干渉の低減を実現することができる。更に、ＬＥＤ光源照明器配列１０２、１０６は実質的に共面であるため、単一のヒートシンク及び電気的接続装置上に都合よく配列することができる。

図２８Ｂは、増加した照明面積を実現するように配列された２つの段付き導波路を含む指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトの側面図を示す略図である。少なくとも上段付き導波路の光抽出側面１４３（機能１０、１２を含む）は、金属化層など反射コーティングを施して設けることができる。下段付き導波路の光抽出側面１４５（機能１０、１２を含む）も反射コーティングを施して設けることができる。重複領域１４７は、上抽出領域と下抽出領域との間に設けることができる。有利には、このような配列は、実質的に連続的な出力照明の均一性を実現することができる。領域１４７は、上及び下段付き導波路間の所望の離隔距離を実現しつつ、広い円錐角に渡って均一出力を実現することができる。

図２８Ｃは、タイリングして積層する段付き導波路の更なる実施形態を示す。側面４は、照明器配列１５からの光を反射し、集束させるように配列されるフレネルレンズ構造体１４９を含む。有利には、このような配列は、端部反射器のサイズの低減を実現することができ、積層及びタイリング配列においてパッケージサイズ及び継ぎ目の視認性を低減する。

図２９は、指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトの配列を示す略図である。更に、図２９は、複数の弁又は指向性バックライトが横方向及び横方向に対して垂直の方向の両方にタイリング配列される別の実施形態を略図的に示す。図２１Ａ及び２１Ｂの指向性バックライトと同様に、図２９の指向性バックライトは段付き導波路を含むことができる。図２９の段付き導波路は、横方向及び横方向に対して垂直の方向の両方にタイリングされることができる。

図２９に示すように、複数の段付き導波路は、配列１５０内にタイリングされ、ディスプレイ４８と揃えられて、観察者４５の広範囲照射を有利に実現することができる。ディスプレイ４８は、第１視野窓４４及び第２視野窓２６を提供できる。第１視野窓４４は、観察者４５の右目に画像を提供することができ、第２視野窓２６は、観察者４５の左目に画像を提供することができる。

図３０は、タイリング指向性バックライトの配列における光の伝搬を示す略図である。更に、図３０は、側面４が第１反射器３２０と、第２反射器３２２と、を含む段付き導波路を略図的に示す。図２１Ａ及び２１Ｂの指向性バックライトと同様に、図３０の指向性バックライトは段付き導波路を含むことができる。図３０の段付き導波路は、ＳＬＭ ４８の異なる領域を通して出力光を供給するように、横方向にタイリングされることができる。つまり、導波路は、段付き導波路１０１の光軸に対して実質的に垂直の方向にタイリングされることができる。更に、図３０の指向性バックライトは、発光素子配列３２６、３２４を含むことができる。発光素子配列３２６は発光素子３２６を含むことができ、発光素子配列３２４は発光素子３２５を含むことができる。

このような段付き導波路の配列は、単一成形品として製造されることができ、隣接する段付き導波路に取り付けることにより組み立てることができる。加えて、段付き導波路は、本明細書に記述するよう配列されるが、図３０には図示されない入力側面２と、側面６と、連続的な線光抽出機能１０、１２と、を含む構造体の端部に湾曲端セグメントを取り付けることにより組み立てることができる。指向性バックライトの段付き導波路は、共通材料から形成することもできる。発光素子配列３２６、３２４は、各反射器３２２、３２０上で光が伝搬できるように配列することができる。光は、配列３２４から反射器３２２へ、及びその逆へと伝搬して、特定の反射器の視野ローブ（viewing lobe）を生成することもできる。配列３２６、３２４は、各発光素子３２７、３２５が、各反射器３２２、３２０によって視野窓２６に配向されるように配列される。

考察を続けると、視野窓２６において光線を組み合わせる出力瞳孔化（output pupillation）は、反射器３２０、３２２及び光抽出機能１２の組み合わせによって実現することができる。更に、図３１は、段付き導波路の配列及び出力フレネルレンズ内での光伝搬の詳細を示す略図である。図３１に示すように、フレネルレンズ６２を更に含むことができる。図３１では、フレネルレンズ６２は、入力側面２の出射点にあるものとして説明目的で示す。ただし、フレネルレンズ６２は出力表面６と実質的に平行であることができ、出力光は、機能１２によって抽出される光が側面２に入射するように側面２を通ることができない。配列３２４からの光線３３５は開いた矢印で示され、配列３２６からの光線３３７は閉じた矢印で示される。

有利には、図３１の配列は、反射器３２０、３２２及びフレネルレンズ６２の間で屈折力を分配することができる。フレネルレンズ６２の面積は、段付き導波路配列の総面積と実質的に同サイズであることができる。更なる実施形態では、単一のフレネルレンズ６２の代わりに、段付き導波路の配列の少なくとも１つの段付き導波路と共にそれぞれ配列されるフレネルレンズの配列を使用することができる。作用においては、光線３３５、３３７は、集束性、発散性、又は平行であり得る反射光円錐と共に、湾曲の各中心３３０、３３３を有する反射器３２０、３２２によって配向されることができ、図３１に示す例では、発散光線を示す。機能１２における抽出により段付き導波路を出射すると、この光は、観察者に向けて結像されるフレネルレンズ６２上に入射する。本実施形態における出力光線が発散性である場合、フレネルレンズは、仮想光線３２９によって規定される仮想物点３２８を有することができる。有利には、発散光線は、オフ軸の視覚位置に対する段付き導波路内の非照明領域のサイズを減少させることができる。

光円錐３３６は、反射器３２０の論理光ガイド部内ではない領域３３８を照射する、折りたたまれた光路を形成する反射器３２０に当たる光線３３５の照明領域を示す。論理光ガイド部は、実質的に反射器３２０の直下である段付き導波路の領域である。したがって、光は反射器３２２、３２０によって反射されず、完全に各光ガイド部内にあるが、段付き導波路の隣接部の間で伝搬して、視野窓２６の照明をもたらすことができる。

有利には、反射器３２０、３２２の配列を含むことができる段付き導波路の配列の出力は、横方向の視覚自由度の上限において照射されるディスプレイ面積を最大化しつつ、ほぼディスプレイ面積全体に渡る視野窓２６に対する実質的に均一の照明を実現できる。

時系列自動立体ディスプレイの分野では、離隔された上及び下照明は、ラインごとに更新されるＬＣＤの半高さ領域がフレーム時間全体のかなりの割合に固定した像を提供するため、照明デューティサイクルを著しく向上することができる。図３２に自動立体ディスプレイシステム内でずれて積層された照明器の作用を略図的に示す。更に、図３２は、段付き導波路の配列と協調する自動立体ディスプレイの走査アドレス指定を示す略図である。図３２は、視聴者４５と、ＳＬＭ ４８と、を含み、ＳＬＭ ４８上の画像は、方向１５２で連続的に変化する。

第１タイムスロット１５４では、ＳＬＭ ４８は、切り替え領域１６４を含む上部を除く大部分のＳＬＭ高さに渡って右目画像１６２を示している。したがって、タイムスロット１５４における観察者は、下段付き導波路１０４によってのみ照射される右目視野窓を有する。次のタイムスロット１５５では、ＳＬＭは、右画像１６２、混合画像１６４、及び左画像１６６の混合を示す。タイムスロット１５６では、ディスプレイ上部に左画像、下部に混合画像が表示されて、段付き導波路１００が左目視野窓を照射し、段付き導波路１０４が照射されない。タイムスロット１５７では、ＳＬＭの上部及び下部の両方が混合画像を表示する。したがって、両方の段付き導波路が照射されない。タイムスロット１５８では、下弁が左視野窓を照射する。タイムスロット１５９及び１６１ではいずれの段付き導波路も照射されず、タイムスロット１６０では、段付き導波路１００は右目視野窓用に照射される。したがって、タイミングシーケンスを通して、各目は段付き導波路の上下の配列から左右の目を見る。

図３３は、タイリング指向性バックライトの配列を組み込む自動立体指向性ディスプレイデバイスの走査アドレス指定を側面図に示す略図である。図３３では、タイムスロット１６０が側面図で示され、光源照明器配列１０６が照射されないものの、段付き導波路１００を通して右目用照明を提供するように光源照明器配列１０２が配列される。段付き導波路１００及び１０４の透過性は、左及び右目画像用のディスプレイからの集積照明に渡る実質的に均一の出力強度を実現する。切り替え領域においては、ディスプレイは照射されないため、ディスプレイのクロストークは有利に低減され、単一段付き導波路照明スキームよりも長い総タイムスロットでディスプレイが照射されることができるため、明るさが向上する。

図３４Ａは、増加した照明面積を提供するように配列された指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。図３４Ａは、タイリング指向性バックライトの配列の正面図を示す。

第１指向性バックライトは、段付き導波路１８１と、光源１８１の配列と、を含み、第２指向性バックライトは、段付き導波路１８２と、光源１８３の配列と、を含む。指向性バックライトは、横方向に対して垂直の方向に空間光変調器の背後でタイリングされる。その結果、これらは、空間光変調器の異なる領域を通して出力光を提供する。各段付き導波路（wavguide）の反射端は境界１７９において共面である。段付き導波路は、湾曲していて、横方向へのポジティブな屈折力を提供する光抽出機能１２を含むことができる。これにより、各段付き導波路の反射端を形成する境界１７９を平面にでき、したがって、導波路１８０、１８２は、２つのユニットの光出力部間を最小間隙で突き合わせることができる。この状況においては、境界１７９が「平面」であるとは、十分に平坦であって、そこに渡って一貫した光学特性を提供して適切に機能させることができ、小規模の凹凸が存在し得ることを意味する。

このような段付き導波路は、段付き導波路の長さに沿って変化する視野窓の倍率を実現することができる。好ましくは、図２８Ｃのフレネルレンズなど更なる結像素子を設けて、長さに伴う倍率の変化を回避することができる。

これを反射性にするには、境界１７９は、図３４Ｂに示すように、実質的に又は完全に銀メッキした表面であることができる。図３４Ｂは、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。段付き導波路は、実質的に独立して作用することができるが、更なる段付き導波路配列を背面に含んで、前述のように追加機能を提供することができる。境界１７９における鏡面によって層に破断部が提供されることがあるため、示される段付き導波路配列はモノリシックではない、又は単層構造で形成されていない。

図３４Ｃは、図３４Ａと同様の、増加した照明面積を提供する指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。図３４Ｃは、境界１７９が、段付き導波路１８０、１８２の間の小間隙によって、又は例えば半透明の金属層などによって設けられる、銀メッキされた鏡面から形成されることができる実施形態を示す。導波路１８２も含む指向性バックライトの光源１８３の配列からの光は、導波路１８２の反射端を形成する境界１７９から反射される光線１８６及び境界を通る光線１８５に分割される。したがって、光線１８６は、導波路１８２を通る出力光としての出力であり、光線１８５は、導波路１８０を通る出力光としての出力である。導波路１８０も含む指向性バックライトの光源１８１の配列からの光は、同様の方法で分割される。したがって、配列１８３からの光線は段付き導波路１８０及び１８２内を伝搬できるので、光源配列１８１からの光と混合して、全体的な明るさを増加し、光源１８１、１８３の２つの配列間での混合をもたらす。更に、２つの光源配列間での混合は、光源１８１、１８３の２つの配列間での色及び明るさの差を有利に補うことができて、均一性を増加させる。

図３４Ｄは、入射光の集束を提供するように配列された、線光抽出機能及び平面回折反射器を含む指向性バックライトを正面図に示す略図である。更に、図３４Ｄは、回折反射器３００と、線光抽出機能１２と、を含む段付き導波路３０２を示す。照明器配列１５内の発光素子は反射器３００を照射することができ、例えば、フレネルレンズ（図３４Ｄには図示なし）によって視野窓の後続の結像のために平行光に集束される。回折反射器３００は、集束機能を実現でき、例えば、体積ホログラムであることができる、ホログラフ的に記録される回折パターンを含むことができる。更に、反射器３００は、赤色、緑色、及び青色の反射回折素子の積層体を含むことができるか、単一層内の複数の記録によって形成されることができる。反射器３００のスペクトル効率は、照明器配列１５の発光素子の出力波長に合わせることができる。発光素子は、狭周波数帯発光を含んで、高効率の反射を提供することができる。反射器は、記録されて、照明器配列１５の長さを含む照射角度の範囲に渡る低収差を提供することができ、複数の回折構造体を含んで、照射角度の各範囲に渡る高効率を実現することができる。

有利には、反射器３００は、段付き導波路の平面に取り付け可能である平面構造体であることができる。したがって、段付き導波路の製造は、低減されたコスト及び複雑性を有することができる。加えて、平面は、以下に記述するようにタイリング配列に配列することができる。更に、構造体の効率性は、照射波長及び角度を一致させることにより最適化することができる。更に、反射器３００の取り付けには、蒸発コーティングが不要であってよく、したがって、コストを低減することができる。

図３４Ｅは、入射光の集束を提供するように配列された、湾曲光抽出機能及び平面回折反射器を含む指向性バックライトによる結像を正面図に示す略図である。更に、図３４Ｅは、回折反射器３０４と湾曲光抽出機能１２との間で屈折力が共有されて、例えば、追加のフレネルレンズ６２を使用せずに視野窓２６を提供する、段付き導波路３０６を含む更なる実施形態を示す。有利には、このような実施形態は、収差の低減、モアレの低減、デバイス厚の低下、及びコストの低下をもたらすことができる。

図３４Ｆは、ホログラフィック反射器を含む段付き導波路のタイリング配列内での光出力の光伝搬を示す指向性ディスプレイデバイスのタイリング指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。図３４Ｇは、タイリング指向性バックライトの同じ配列を正面図に示す。タイリング指向性バックライトの配列は、次の変更点を除いて図３４Ａの配列と同様である。

第１指向性バックライトは、段付き導波路３０２と、光源１５の配列と、を含み、第２指向性バックライトは、段付き導波路３１０と、光源１５の配列と、を含む。指向性バックライトは、横方向に対して垂直の方向に空間光変調器の背後でタイリングされる。その結果、これらは、空間光変調器の異なる領域を通して出力光を提供する。各導波路３０２、３２０の反射端３００、３０８は、上述したように共面かつ平面である。

図３４Ｆは、反射器３００、３０８を近接して配列できる、段付き導波路３０２、３１０のタイリング配列内での光線の伝搬を側面図に示す。反射端３００、３０８は、横方向へのポジティブな屈折力を有する回折反射器であることができる。したがって、反射端３００、３０８は、段付き導波路内を伝搬する光線３１２を反射するが、回折反射器３００、３０８の角度選択特性によりオフ軸光線３１４を透過するように配列することができる。有利には、段付き導波路３０２と３１０との間の接合部の視認性を低減することができる。加えて、段付き導波路３０２、３１０での光円錐は、オフ軸光が伝搬しないように低減されることができ、したがって、入射円錐角を低減することによって全体的な反射器の効率性が増加する。

回折反射器は、図３４Ｄを参照して上述した任意の形状を取ることができる。回折反射器及び段付き導波路は、好適な屈折率整合接着剤によって互いに取り付けることができる。あるいは、回折反射器は記録時に単一素子として形成されることができる。更に別の実施形態では、反射器は、追加吸収層を含んで、段付き導波路３１０内へと伝搬する段付き導波路３０２からの光を実質的に遮断することができる。

図３５〜３８は、図３０の配列と同様のタイリング指向性バックライトの各配列を示しており、これらは横方向にタイリングされ、共通材料から形成された導波路を含むが、以下の変更点を更に伴う。

図３５は、増加した照明面積を提供する、タイリングされた指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。指向性バックライトは、照明器配列１５からの光に対して実質的に透過的であることができる有効境界１９７によって離隔される、各段付き導波路１８７、１８８、１８９を含む。図３５では、指向性バックライトのそれぞれは、段付き導波路と、光源照明器配列と、を含むことができる。段付き導波路１８８に関連する光源照明器配列１５からの光線１９５は、抽出機能１２の尖頭部において境界１９７を通してガイドされることができ、したがって、第１段付き導波路１８８及び第２段付き導波路１８７によって配向されることができる。光線１９５は、反射表面４から反射され、抽出機能１２において段付き導波路１８７を出射するように略図的に示される。一実施形態では、各指向性バックライトの光抽出機能１２は、段付き導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができ、入射光線の偏向が指向性バックライトのそれぞれの光線３２１からの光線のずれと共に変化する。

有利には、このような配列は、湾曲抽出機能１２の開口数を低減でき、したがって、収差性能が向上し、クロストークが減少し、顕著なディスプレイのちらつきを伴わない観察者トラッキングの範囲が増加する。更に、例えば図３２に示す時間的操作法を使用して、ディスプレイ面積及び明るさを増加させることができ、クロストークを減少させる。この場合、パネル４８のアドレス指定は、上下方向ではなく、横方向であることができる。

図３６は、増加した照明面積を提供する、タイリングされた指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。更に、図３６は、フレネルレンズ１７８がタイリング指向性バックライトの配列に渡って組み込まれることができて、屈折力が湾曲抽出機能１２とフレネルレンズ１７８との間で分配されることができる、更なる実施形態を示す。図３６では、指向性バックライトのそれぞれが、段付き導波路と、光源照明器配列と、を含むことができる。一実施形態では、各指向性バックライトの光抽出機能１２が、段付き導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

あるいは、フレネルレンズが、配列の個々の段付き導波路と共に配列されることができるか、段付き導波路の群と共に配列されることができて、ディスプレイが、ディスプレイの面積に渡って複数のフレネルレンズを含むことができる。有利には、フレネルレンズは、収差を向上し、同じ湾曲抽出機能配列で段付き導波路を実現して、大面積の段付き導波路配列にかかるコストを低減できる。これは、段付き導波路を同一の成型プロセスによって形成できるためである。

図３７は、増加した照明面積を提供する、タイリングされた指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。図３７では、指向性バックライトのそれぞれは、段付き導波路と、光源照明器配列と、を含むことができる。一実施形態では、各指向性バックライトの光抽出機能１２は、段付き導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。更に、図３７は、段付き導波路の配列の入力側において、離隔された光源照明器配列１５の代わりに、単一光源照明器配列１９０を使用することができる実施形態を示す。有利には、このような配列は、視野窓の伸長した配列を生成することができて、ディスプレイの視覚自由度を増加させる。

図３８は、タイリング指向性バックライトが、離隔された段付き導波路間の境界面において遮光層を組み込む実施形態を示す略図である。更に、図３８は、段付き導波路１８７、１８８、１８９が離隔された段付き導波路間の境界面においてに遮光層１７３を組み込むことができる更なる実施形態を示す。このような遮光層１８５は、照明の円錐角の低減を有利に実現して、プライバシーモードを提供し、図３７のディスプレイのオフ軸での視覚について端部に位置付けられた段付き導波路の視認性のロスを実質的に防止する。図３８では、指向性バックライトのそれぞれは、段付き導波路と、光源照明器配列と、を含むことができる。一実施形態では、各指向性バックライトの光抽出機能１２は、段付き導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有することができる。

図３９は、増加した照明面積を提供する、タイリングされた指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。更に、図３９は、段付き導波路１８７、１８８、１８９（図３９に図示なし）を含むタイリングされた段付き導波路配列１９１が、例えば、図３４Ａ〜３４Ｃに示す方法と同様の方法で、同様にタイリングされた段付き導波路配列１９３とほぼ揃うことができる、更なる実施形態を正面図に示す。有利には、このような配列は、増加したディスプレイ面積、及び個々の段付き導波路における収差を低減しつつ拡大した視覚自由度を実現し、したがって、ちらつきを伴わない最大観察者トラッキング速度を増加させ、画像のクロストークを低減する。

図４０は、タイリング指向性バックライトの配列の２つの段付き導波路間の境界を側面図に示す略図である。図４０は、図３４Ｂに示す境界と同様に、平面境界で端部を突き合わせる２つの段付き導波路間の境界を側面図に示す。光抽出機能１９６は未コーティングである場合、段付き導波路１９４、１９８から抽出される光円錐２０２、２０４は、通常、示すように異なる配向を有する。したがって、タイリング段付き導波路配列の各部分は、方向が異なれば異なる明るさを有する。図４１に示すように、これは、円錐２０２、２０４が互いに対して平行に配向されるように約４５度傾いている、金属化された光抽出機能２０６、２０８を使用することにより克服できる。図４１は、指向性バックライトの配列の２つの段付き導波路間の境界を側面図に示す略図である。

したがって、通常、金属化面を含むことができる、段付き導波路の最厚部分を互いに突き合わせることができる、タイリング指向性バックライトのタイリング配列を提供することが可能である。ただし、ディスプレイの明るさ及び収差性能を実質的に維持しつつ、ディスプレイサイズを更に増加するためには、各段付き導波路の薄い端部又は光源入力端において段付き導波路のタイリング配列及び積層配列を提供することが望ましいことがある。

薄い端部が重なり合っている段付き導波路の一実施形態を側面図で図４２に示す。更に、図４２は、段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。段付き導波路２１２の厚い端部は光抽出機能２１８及びガイド機能２１９と共に配列されることができる。反射端は、ｘｚ面におけるガイドされた光の鏡面反射とは対照的に再帰反射をもたらすように、ファセット２２２及び２２４を含む角機能によって提供されることができる。段付き導波路２１０の薄い端部においては、抽出機能２１６及び２１８、並びに光源照明器配列１５からの光を段付き導波路２１０のガイド部に配向するように配列されることができる、回転ファセット２２０及び平面入力部の平面導波路２１４を設けることができる。

図４３は、指向性バックライトの配列内で組み立てられた段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。図４２及び４３に側面図で示すように、段付き導波路２１２内でガイドされた光線２２８は、表面２２２、２２４において反射され、各抽出機能２１８に向かって反伝搬することができる。段付き導波路２１０内の光源照明器配列１５からの光線２２６は、平面導波路部２１４内で集光され、回転ファセット２２０、ファセット２２２上での金属化により設けることができる鏡面における反射によって段付き導波路２１０へと配向されることができる。平面導波路部２１４によって捕捉されない光線は、光バッフル２１５内で集光されることができる。ファセット２１６に入射する反伝搬光線２３０は、標準的な段付き導波路内のように配向されることができる。重複領域に近接する追加光抽出機能は、ファセット２３２上に光を配向させ、したがって、重複領域から観察者へと光を配向するように組み込まれ、配列されることができる。垂直拡散器６８は、重複領域を更にぼかし、有利には出力の均一性を増加させるために更に組み込まれることができる。この方法では、タイリング導波路の配列は、例えば、大面積の３ＤＴＶ用途に好適であり得る、広いディスプレイ面積を実現するように生成されることができる。

図４４Ａは、指向性バックライトの配列に好適な段付き導波路を側面図に示す略図である。更に、図４４Ａは、平面導波路部２１４が段付き導波路２３４の背面に折りたたまれることができ、追加の反射ファセット２３６を含む、更なる実施形態を側面図に示す。図４４Ｂに示すように、段付き導波路を揃えると、図４３と同様の配列をもたらすことができる。図４４Ｂは、指向性バックライトの配列内で組み立てられた段付き導波路の第１及び第２端部を側面図に示す略図である。有利には、このような構造体は図４３に示す構造体よりも小型であることができる。更に、平面導波路部２１４は実質的に透過的であることができて、積層構造体は、例えば、平面導波路部２１４と段付き導波路２３４との間の間隙２３７内に位置付けることにより実装できる。

図４５は、回折反射器を含む段付き導波路の第１及び第２端を側面図に示す略図である。更に、図４５は、隣接する段付き導波路上に回折反射器３１６、３１８を含む更なる実施形態を側面図に示す。反射器は、他の箇所に記述するように形成されることができ、ホログラフィック反射器であることができる。光線３２４は透過されることができるが、光線３１８、３２２のガイドは、反射器３１８、３２２によって反射されることがある。有利には、隣接する弁間の空隙の出現は低減させることができ、例えば、自動立体３ＤＴＶ用の広いディスプレイ面積に渡る段付き導波路のタイリングを実現するために使用することができる。

図４６は、指向性バックライトの配列を側面図に示す略図である。更に、図４６は、先の実施形態の様々な機能を含む指向性バックライトの配列が段付き導波路配列に組み合わされる、更なる実施形態を示す。したがって、段付き導波路２４８、２５２は、それぞれ段付き導波路２４４、２４０とほぼ揃い、２つ段付き導波路ペアは、先に概説した特性を有することができる境界面１７９において突き合せることができる。

加えて、図４７は、指向性バックライトの配列を正面図に示す略図である。正面図では、図４７に示すように、段付き導波路は、それぞれ光源配列２５２、２４０、２４４、２４８を通して独立してアドレス指定されることができる段付き導波路の領域を備える、大面積ディスプレイに好適な大型タイルで提供されることができる。重複領域２５６、２５８は、追加ファセット２１６及び垂直拡散器６８によって低減される視認性を有することができる。有利には、このような機構は、個々のアドレス指定可能な特性を備える大面積に拡張することができて、クロストークを低減し、視覚自由度を増加し、明るさを増加し、ディスプレイのちらつきを低減する。

図４８Ａは、回折格子カプラーを含む、タイリング指向性バックライトを側面図に示す略図である。更に、図４８Ａは、回折格子結合素子２６０を含む配列内に段付き導波路を配列するための更なる実施形態を示す。図４８Ａ及び４８Ｂの指向性バックライトは、少なくとも段付き導波路１と、発光素子照明器配列１５と、を含むことができる。発光素子照明器配列１５は、段付き導波路１の薄い端部において段付き導波路１の後側８に配列することができる。入射光線２６４は、素子２６０に入射することができ、段付き導波路の入力開口部に反射して、段付き導波路内でガイドされることができる。素子２６０は、例えば、表面レリーフ回折反射器又はホログラムの積層体を含む体積反射ホログラムを含んで、効率を最適化することができる。光線２６２は、導波路１の端部４によって反射されて、隣接する導波路間で小さい継ぎ目を実現し、光は、機能１０によってガイドされ、近接する機能１２によって隣接する導波路１に反射されることができる。

一実施形態では、１つ以上の指向性バックライトは、ガイド表面の１つの拡張部である入力端と、入力端に対向するカプラーと、を含むことができ、導波路に沿って入力光を実質的に偏向させるように配列される。

図４８Ｂは、回折格子カプラーを含む指向性バックライトを側面図に示す略図である。図４８Ｂは、素子２６０を含む結合領域を段付き導波路１の側面４の背後に配列することができる、図４８Ａと同様の実施形態を示す。光抽出機能１２からの光線２６６、２６８は、上段付き導波路の側面４から実質的に離れる方向に配向されて、鏡面を含み得る側面４との相互作用を回避するように配列することができる。拡散器６８は、この領域内で光をぼかすように配列することができる。一実施形態では、１つ以上の指向性バックライトは、ガイド表面の１つの拡張部である入力端と、入力端に対向するカプラーと、を含むことができ、導波路に沿って入力光を実質的に偏向させるように配列される。

図４９は、プリズムカプラーを含む指向性バックライトを側面図に示す略図である。図４９の指向性バックライトは、段付き導波路と、光源照明器配列１５と、を含むことができる。更に、図４９は、照明器配列１５からの光を段付き導波路１の段付き導波路に実質的に配向するように配列された傾斜延長表面２７０、２７２の配列を含む更なる実施形態を示す。したがって、光線２８０は表面２７０に入射し、段付き導波路１に実質的に反射されることができる。表面２７２に入射する光線２８４は反対方向に反射することができ、表面２７４に入射することができ、段付き導波路１に反射されることができる。吸収素子２７６は、段付き導波路内での伝搬の非ガイドモードからの光を捕捉するように配列することができる。

一実施形態では、１つ以上の指向性バックライトは、ガイド表面の１つの拡張部である入力端と、導波路に沿って実質的に入射光を偏向させるように配列された入力端に対向するカプラーと、を含むことができる。

有利には、本実施形態は、段付き導波路の後側に位置付けられる光源配列からの光の結合を実現することができる。これは、タイリング及び積層実施形態により小型の配列をもたらすことができる。更に、段付き導波路間の空隙を減少させることができる。

図５０は、窓面にいる観察者と共に単一照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイデバイスからの視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。更に、図５０は、所定サイズのディスプレイ１１００の窓面１１０６における視野窓１１１４、１１１６に対応するダイヤモンド形の視野領域１１５２及び１１５０を示す。面１１５６において、有用な視野領域１１５２、１１５０は、観察者トラッキングを伴わずに、単一の横方向視覚位置のみを提供することができる。線１１５６の前方では、ディスプレイ全体に渡って自動立体画像を見ることはできない。したがって、図５０に示すように、３Ｄ視聴用の前方範囲１１９６は、単一弁光学素子を備えるディスプレイ１００に向けた窓面からであることができる。

一実施形態では、ディスプレイデバイスを含む自動立体ディスプレイ装置は、選択的に光源を操作して出力方向に対応する視野窓に光を配向するように配列することができるコントロールシステムを更に含むことができる。コントロールシステムは、ディスプレイデバイスを制御して、一時的に多重化された左右の画像を表示し、実質的に同期して観察者の左右の目に対応することができる位置にある視野窓に表示された画像を配向するように配列することができる。

更に、コントロールシステムは、ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列することができるセンサーシステムを含むことができる。コントロールシステムは、表示された画像を観察者の左右の目に応じる位置（これは、観察者の検出された位置に応じることができる）にて視野窓内に配向するように配列することができる。加えて、センサーシステムは、空間光変調器に対するおよその法線に対して横方向及び長手方向にディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列することができる。コントロールシステムは、観察者の検出された位置に従って、表示された画像を観察者の左及び右目に対応する位置にて視野窓内に配向するように配列することができる。

図５１は、窓面にいる観察者と共に複数の照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイデバイスからの近接視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。更に、図５１は、光学弁の配列１２００、１２０２、１２０４によって空間光変調器１２０６の背後に照明システムを設けることができることを示す。以下の考察を窓面の背後の領域に適用することができるが、実例として窓面とディスプレイ１１００との間の視野ダイヤモンドの一部のみを示す。光学弁１２００、１２０２、１２０４のそれぞれは、左目視野窓１２１８、１２２０、１２２２のそれぞれを照射することができ、前方視覚ゾーン１２０８、１２１０、１２１２を提供することができる。窓面において、視野窓１２１８、１２２０、１２２２は重複することができ、観察者は、ディスプレイ１１００の面積のほぼ全体に渡って左目画像を見ることができる。

有利には、本実施形態は、個々の光学弁のサイズを減少させることによりディスプレイの長手方向の視覚自由度を増加させる。このような実施形態は、近距離から見るときのテレビ及びモニターなど大面積ディスプレイ、並びに拡張範囲の視覚自由度を有するモバイルディスプレイにとって有利である。

図５２は、窓面とディスプレイとの間にいる観察者と共に複数の照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイデバイスからの近接視覚ゾーンの配列を正面図に示す略図である。更に、図５２は、観察者トラッキングシステムとの組み合わせで、長手方向の視覚自由度を更に拡張できることを示す。各光学弁が、窓面１１０６で重なり合わなくてよくなった視野窓１２１８、１２２０、１２２２を生成するように、方向１２２１に動く観察者９９をトラッキングすることができる。したがって、光学弁及びほぼ揃っている各発光素子配列は、複数の揃っている発光素子配列の照明が、独立して制御されて観察者の三次元位置に揃った照射を提供するように協調して観察者に光を配向することができる。この方法では、観察者は、広い長手方向の視野範囲１２１６に渡って有利にトラッキングされることができる。

図５３は、窓面とディスプレイとの間を動く観察者用の複数の照明領域を含む、自動立体指向性ディスプレイデバイスからの近接視野領域の配列を正面図に示す略図である。更に、図５３は、前方に位置する観察者９９が方向１２２６に移動する場合の図５２の実施形態を示す。したがって、離隔された視野窓１２１８、１２２０、１２２２を移動することにより、観察者は、広範囲の横方向及び長手方向の視野位置のディスプレイ表面に渡って自動立体画を維持できることがわかる。長手方向のトラッキングは、各光学弁のそれぞれの視野窓１２１８、１２２０、１２２２の離間距離を調整することにより実現でき、横方向のトラッキングは、光学窓のそれぞれの照射を制御することにより一連の視野窓１２１８、１２２０、１２２２の位置を調整することにより実現することができる。

図５４は、複数の照明領域を含む自動立体指向性ディスプレイデバイスの長手方向の視覚自由度の限界を示す略図である。更に、図５４は、図５３の視野窓と比較して、各視野窓１２１９、１２２１、１２２３のサイズを増加させることにより３セグメント光学弁ディスプレイ内での視覚自由度の上限を増加させることができることを示す。２つ以上のセグメントの光学弁を使用することができる。ただし、極めて広角度のデバイスでは、更に近い視聴をもたらすことが望ましいことがある。これは、例えば以下に記述するように、図５５又は図５６の装置を使用することにより実現することができる。

既知の空間的に多重化された、長手方向トラッキングディスプレイとの比較として、ＳＬＭを調整せずに観察者をトラッキングすることができて、単一照射フェーズで左右の視野の混合片を示すことができ、したがって、より高いディスプレイ解像度を有利に実現することができる。

上述の積層された実施形態では、下素子からの光透過率は、上素子の光透過率よりも低い。発光素子の出力輝度は、この差異を補うように調整することができる。

図５５は、第１照明配列の第１及び第２反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。光学弁９００は、上述のようにタイリングされた光学弁を実現するように配列される、第１湾曲側面９０２と、第２湾曲側面９０４と、を含む。光源９０７及び光源９０９が視野窓２６の所定光学窓のために照射されるように、光源配列９０６、９０８は各側面９０２、９０４を照射するように配列される。光源配列９０６、９０８と、タイリング光学弁への入力側面９０１との間に空隙が設けられる場合、通常、偏向によって＋／−θ_ｃ（θ_ｃは光学弁の材料の臨界角）の円錐角を有するプロファイルに結合されるランバーティアン照明プロファイルが空中で提供される。したがって、弁の内側で極光強度分布９１０、９１２が生成される。第１湾曲側面９０２と第２湾曲側面９０４との間で継ぎ目９１６の視認性を低減することは望ましい。作用において、光線９１８、９２２は、側面９０２、９０４における反射後に光線９１４が継ぎ目９１６と平行に伝搬するように、継ぎ目９１６に向けて配向される。極光分布９１０、９１２からは、２つの分布９１０、９１２に関する線９２０、９２４の相対的離間９２６によって示されるように、光線９１４の強度が継ぎ目９１６の両側で異なることがわかる。更に、尖頭部９０５までの光源の距離は、２つの光源９０７、９０９に関して異なることができ、したがって、継ぎ目９１６の両側における光源９１４の強度に更なる差異をもたらす。望ましくないことには、これによりディスプレイ表面における照明の中断がもたらされることがある。

図５６は、第２照明配列について第１及び第２光反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。光源９３０、９３２は、配列９０６、９０８の中心からより大きい距離で設けられるため、離隔距離９３４は増加する。したがって、継ぎ目９１６に渡るより大きい強度差を光線９１４にもたらす。

図５７は、図５５及び５６の光学弁を横断する水平断面Ａ−Ａ'の様々な照明配列の光学弁の幅に渡るディスプレイ輝度のグラフを示す略図である。オン軸光源では、分布９４４を実現することができる。尖頭領域においては、強度変化が方向を変えることができるが、強度分布に不連続性はない。更なる拡散器を加える場合、このような差異は低視認性を有することができる。分布９４６は図５５の光源配列によってもたらされることができ、分布９４８は図５６の配列によってもたらされることができる。したがって、継ぎ目９１６における強度の不連続性９５０がもたらされることがある。

図５８は、第３照明配列の、第１及び第２光反射側面を含む導波路の正面図を示す略図である。コントロールシステム（図示なし）を設けて、各光源９３０、９３２のグレースケール出力を変調することができる。したがって、分布９１２は、光線９１４の強度が継ぎ目９１６の両側で実質的に一致するように、分布９１０と比較して強度が低減されることができる。

図５９は、様々な配列の導波路の幅に渡るディスプレイ輝度のグラフを示す略図である。したがって、ディスプレイ照度分布９４４は、図５８の配列によって実現することができる。更に、横方向に拡散する拡散器を追加すると、分布９５２を実現することができる。有利には、ディスプレイの照明の均一性が増加し、継ぎ目９１６の出現が最小限に抑えられる。

図５７は、様々な配列の光学弁の幅に渡るディスプレイ輝度のグラフを示す略図である。分布９４４は、各光源９３０、９３２の修正強度によってもたらされることができ、分布９４４は、拡散器（diffusor）が弁と観察者との間に設けられた後で実現することができる。有利には、その面積に渡るディスプレイ出力の均一性を増加させることができる。このような配列は、タイリング弁の望ましい均一性能を実現することができて、ディスプレイ面積を増加させ、ディスプレイベゼルサイズを減少させ、ディスプレイ収差も低減させる。

有利には、回折反射器８００は、赤色発光素子８０８、緑色発光素子８１０、及び青色発光素子８１２のピーク発光に対応する、各層８０２、８０４、８０６を含む、あるいは単層内に記録される、図６０に示す配列１５の発光素子のピーク発行波長に合わせることができる。反射器８００は、赤色、緑色、及び青色の反射回折素子の積層体を含むことができるか、単一層内の複数の記録によって形成することができる。したがって、反射される光線８１５、８１６、８１７は、平面素子からの広スペクトル帯域に渡ってコリメートされる。有利には、このような配列は平面的である非金属化反射器を実現する。有利には、このような配列は、金属化された、不十分な仕上げのプラスチック表面と比較して、迷光を減少させることができる。したがってこのような配列は、クロストークを減少させることができる。

図６１は、更なる層又は回折反射構造体を反射器８００に組み込んで、より高品質のオフ軸結合を実現できて、有利には、球面鏡面と比較してディスプレイの視野角を増加することができることを示す。したがって、層８０３、８０５、８０７は、離隔された発光素子８０８、８１０、８１２のために最適化することができて、光学弁１内でガイドするためのコリメートされた出力光線８１８、８１９、８２１を提供する。

発光素子は、狭周波数帯発光を含んで、高効率の反射を提供することができる。反射器８００は、記録されて、照明器配列１５の長さを含む照射角度の範囲に渡って低収差及び高効率を提供することができ、複数の回折構造体を含んで、照射角度の各範囲に渡って高効率を実現することができる。

反射器８００は、垂直方向（ｘ軸）でより大きくぼかしつつ、窓（ｙ軸）に渡って限定的なぼかしを実現するように、ｘ及びｙ方向で異なる拡散化機能を更に組み込むことができる。有利には、非対称拡散器を排除して、コスト及び複雑性を低減することができる。

図６２は、導波路１上に回折共面８００を形成する方法を示す。側面４は高価であって、プラスチック光学弁１上に正確に磨かれた反射表面を提供することができる。反射器８００は、方向８９４に上側面４上で回転するローラー８９２及び反射器８００に光透過性境界面を提供する屈折率整合接着剤８９８によって設けることができる。

図６３は、光学弁における迷光ロスを制御する更なる実施形態を示し、側面４の平面図を示す。側面６及び機能１０と接触する側面４の角部における欠け又は他の過誤は、光出力において望ましくない非均一性を生成し得る。有利には、吸収領域８９５及び鏡面領域８９７を側面４に設けて、非均一性を低減し、迷光を低減することができる。領域８９５は、例えば、側面４に反射器８００を形成する前に、側面４に直接印刷することによって形成することができる。

本明細書で使用されるとき、「実質的に」及び「およそ（ほぼ）」という用語は、それに対応する用語及び／又は項目間の相対性に対して、業界で受け入れられる許容範囲を付与するものである。このような、業界で受け入れられる許容範囲は、およそ０パーセント〜１０パーセントの範囲であり、成分値、角度などが該当するが、これらに限定されない。このような、項目間の相対性は、およそ０パーセント〜１０パーセントの範囲である。

本明細書に開示される原理による、様々な実施形態が上述されてきたが、これらの実施形態は、ただ例示の目的のためにのみ示されたのであり、限定するために示されたのではないことに留意されたい。それ故、この開示の広さ及び範囲は、上述した模範的な実施形態のいずれによっても制限されてはならず、請求項のいずれか、及び本開示に由来するそれらの同等物に従ってのみ規定されるべきである。更に、上記有利な点及び特徴は、記載された実施形態で提供されるが、かかる公開される特許請求の範囲の用途を、上記有利な点の一部又は全部を実現する方法及び構造に、制限するものではない。

加えて、本明細書においてセクションの見出しは、米国特許規則§１．７７の規定するところに従って、さもなくば、編成上の目印（organizational cue）として提供されるものである。これらの見出しは、本開示から生じ得る請求項に定める実施形態を制限したりかつ特徴づけたりしないものとする。具体的には、単に例示ではあるが、「技術分野」という見出しがあるが、いわゆる分野（field）を説明するためにこの見出しの下に選択された表現によって、特許請求の範囲が限定されることはない。更に、「背景技術」に記載された技術に関する記述が、特定の技術が、本開示における任意の（複数の）実施形態に対する先行技術であることの承認として、解釈されるべきではない。「発明の概要」についても、公開される請求項で述べられる（複数の）実施形態を特徴づけるものとして考慮されるべきでない。更に、本開示においては、単数形での「発明（invention）」に対するいずれの言及も、本開示における新規な点が１つのみである、ということを主張するために使用されるべきではない。複数の実施形態は、本開示により、公開される複数の請求項の限定に従って、述べられる場合がある。したがって、これらの請求項は、この（複数の）実施形態及びそれらの同等物を定義することによって、それらを保護している。全ての例において、これらの請求項の範囲は、本開示に照らして、固有の利点が考慮されるべきであり、本明細書に述べる見出しによって制約されてはならない。
［項目１］
指向性ディスプレイデバイスであって、
通る光を変調するように配列されたピクセルの配列を含む透過型空間光変調器と、
少なくとも２つの指向性バックライトであって、それぞれが、
入力端を有する導波路と、前記導波路に沿って光をガイドするための、対向する第１ガイド表面及び第２ガイド表面と、入力光からの光を反射して前記導波路を通して戻すための、前記入力端に対向する反射端と、を含み、前記第１ガイド表面が全反射によって光をガイドするように配列され、前記第２ガイド表面が出力光として前記第１ガイド表面を通して出射できる方向に前記反射端から反射した後で前記導波路を通してガイドされる光を反射するように配向された複数の光抽出機能を含み、前記導波路が、前記入力端に渡る横方向の異なる入力位置から生じる入力光を、複数の光学窓のそれぞれに、前記入力位置に従って横方向に分配された出力方向に配向するように配列され、前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器を通して出力光を供給するようにそれぞれ配列される、少なくとも２つの指向性バックライトと、を含む、指向性ディスプレイデバイス。
［項目２］
前記空間光変調器の異なる領域を通して出力光を供給するように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器の背後でタイリングされる、項目１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目３］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記横方向に対して垂直の方向にタイリングされる、項目２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目４］
前記少なくとも２つの指向性バックライトの第１の１つの反射端が第２の指向性バックライトと重なり合う、項目３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目５］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが、実質的に共面である反射端を有する２つの指向性バックライトを含む、項目３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目６］
共面である前記反射端が実質的に平面である、項目５に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目７］
共面である前記反射端が、横方向へのポジティブな屈折力を有する回折反射器をそれぞれ含む、項目５に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目８］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記横方向にもタイリングされる、項目３〜７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目９］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記横方向にタイリングされる、項目２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１０］
前記少なくとも２つの指向性バックライトの前記導波路が共通材料から形成される、項目２〜９のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１１］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器の背後に積層され、前記空間光変調器を通して、及び前記指向性バックライトと前記空間光変調器との中間にある任意の他の指向性バックライトを通して出力光をそれぞれ供給する、項目１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１２］
前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いにほぼ揃うように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、項目１１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１３］
前記少なくとも２つの指向性バックライトのそれぞれの前記第１ガイド表面が実質的に共面である、項目１１又は１２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１４］
前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器に対する法線の周囲に逆方向に配列され、各指向性バックライトの入力端が前記他の指向性バックライトの反射端と同じ側である、２つの指向性バックライトを含む、項目１１〜１３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１５］
逆方向に配列された前記２つの指向性バックライトの対向ガイド表面が概して平行方向に伸長する、項目１４に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１６］
前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いに対して８５〜９５度の範囲の角度で伸長するように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、項目１１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１７］
各指向性バックライトの前記反射端が前記導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有する、項目１〜１６のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１８］
各指向性バックライトの前記複数の光抽出機能が前記導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有する、項目１〜１７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目１９］
各指向性バックライトにおいて、前記第２ガイド表面が、前記複数の光抽出機能を構成する複数のファセットを含む段付き形状と、光を抽出せずに前記導波路を通して前記光を配向するように配列された前記複数のファセット間の複数の中間領域と、を有する、項目１〜１８のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２０］
前記少なくとも２つの指向性バックライトの少なくとも１つが、複数の前記ガイド表面のうちの１つの拡張部である入力端と、前記入力端に対向するカプラーと、を含み、前記導波路に沿って入力光を偏向させるように配列される、項目１〜１９のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２１］
各指向性バックライトに関して、それぞれの前記導波路の入力端に渡る異なる複数の入力位置に光源の配列を更に含む、項目１〜２０のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２２］
前記少なくとも２つの指向性バックライトは、前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いにほぼ揃い、各指向性バックライトに関する光源の前記配列が異なる色の光を出力するように配列されるべく、前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、項目２１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２３］
前記光源を選択的に操作して、前記出力方向に対応する前記複数の光学窓に光を配向するように配列されたコントロールシステムを更に含む、項目２１又は２２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２４］
自動立体ディスプレイデバイスであって、前記コントロールシステムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、前記表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置にて複数の視野窓内に同期して配向するようにディスプレイデバイスを制御するように更に配列される、項目２３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２５］
前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列されたセンサーシステムを更に含み、
前記コントロールシステムが、観察者の検出された位置に従って、前記表示された画像を前記観察者の左右の目に対応する位置にて複数の視野窓内に配向するように配列される、項目２４に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２６］
前記センサーシステムが、前記空間光変調器に対する法線の横方向及び長手方向に前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列され、前記コントロールシステムが、前記観察者の検出された位置に従って、前記表示された画像を前記観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に配向するように配列される、項目２５に記載の指向性ディスプレイデバイス。
［項目２７］
指向性照明装置であって、
光をガイドし、抽出するためのであって、
第１光ガイド表面と、
前記第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面と、
前記第１光ガイド表面と前記第２光ガイド表面との間に配置された第１照明入力表面と、を含み、前記第１照明入力表面が、光源の第１配列から光を受けるように作用する、第１光抽出素子と、
光をガイドし、抽出するための第２光抽出素子であって、
第３光ガイド表面と、
前記第３光ガイド表面に対向する第４光ガイド表面と、
前記第３光ガイド表面と前記第４光ガイド表面との間に配置された第２照明入力表面と、を含み、前記第２照明入力表面が、光源の第２配列からの光を受けるように作用する、第２光抽出素子と、を含み、前記第２光抽出素子からの光が、前記第１照明入力表面以外の前記第１光抽出素子の表面を少なくとも部分的に通して配向される、指向性照明装置。
［項目２８］
前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子が積層構成で配列される、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目２９］
前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子がタイリング構成で配列される、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３０］
複数の前記光ガイド表面のそれぞれが実質的に共面であるように、前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子がタイリング構成で配列される、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３１］
前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子が積層構成で配列されて、少なくとも第１視野窓及び第２視野窓を提供する、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３２］
前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子が積層構成で配列され、前記第１光抽出素子の薄い端部が前記第２光抽出素子の厚い端部とほぼ揃うように、互いに対して逆方向である、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３３］
照明器配列を更に含む、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３４］
第３光抽出素子を更に含む、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目３５］
前記第３光抽出素子が、前記第１光抽出素子及び第２光抽出素子を含む積層構成で配列される、項目３４に記載の指向性照明装置。
［項目３６］
それぞれ前記第１光抽出素子、第２光抽出素子、及び第３光抽出素子の第１照明器配列、第２照明器配列、及び第３照明器配列を更に含む、項目３５に記載の指向性照明装置。
［項目３７］
前記第１、第２、及び第３光抽出素子が、単色空間光変調器を照射するように作用する、項目３６に記載の指向性照明装置。
［項目３８］
前記第１照明器配列が赤色照明器配列であり、前記第２照明器配列が緑色照明器配列であり、前記第３照明器配列が青色照明器配列である、項目３６に記載の指向性照明装置。
［項目３９］
前記赤色照明器配列が赤色ＬＥＤ配列であり、前記緑色照明器配列が緑色ＬＥＤ配列であり、前記青色照明器配列が青色ＬＥＤ配列である、項目３８に記載の指向性照明装置。
［項目４０］
前記第１光抽出素子、第２光抽出素子、及び第３光抽出素子が、透過型空間光変調器の照明にそれぞれ赤色照明方向、緑色照明方向、及び青色照明方向を提供する、項目３９に記載の指向性照明装置。
［項目４１］
赤色照明器配列と、青色照明器配列と、緑色照明器配列と、を更に含む、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目４２］
前記赤色照明器配列、前記青色照明器配列、及び前記緑色照明器配列が、前記第１光抽出素子の第１照明入力表面に近接して直列に配列される、項目４１に記載の指向性照明装置。
［項目４３］
前記第１及び第２光抽出素子が積層構成で配列され、前記第１光抽出素子の薄い端部が前記第２光抽出素子の厚い端部とほぼ揃うことができるように互いに対して逆方向であり、第１の実質的に平行な入力部の平面導波路及び第２の実質的に平行な入力部の平面導波路を組み込む、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目４４］
少なくとも第３光抽出素子と、積層及びタイリング構成に配列された第４光抽出素子と、を更に含む、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目４５］
前記第１光抽出素子が第１光学弁であり、前記第２光抽出素子が第２光学弁である、項目２７に記載の指向性照明装置。
［項目４６］
指向性照明システムであって、
光をガイドし、抽出するための第１光抽出素子であって、
光線が拡散できるように作用する第１部分と、
第１光ガイド表面と、前記第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面と、前記第１光ガイド表面と前記第２光ガイド表面との間に配置された第１照明入力表面と、を更に含み、前記第１照明入力表面が、光源の第１配列からの光を受けるように作用する第２部分と
を含む、第１光抽出素子と、 光をガイドし、抽出するための第２光抽出素子であって、
光線が拡散できるように作用する第３部分と、
第３光ガイド表面と、前記第３光ガイド表面に対向する第４光ガイド表面と、前記第３光ガイド表面と前記第４光ガイド表面との間に配置された第２照明入力表面と、を更に含み、前記第２照明入力表面が、光源の第２配列からの光を受けるように作用する、第４部分と
を含む第２光抽出素子と
を含み、前記第２光抽出素子からの光が、前記第１照明入力表面以外の前記第１光抽出素子の表面を少なくとも部分的に通して配向される、指向性照明システム。
［項目４７］
指向性照明装置であって、
光をガイドするための少なくとも２つの光学弁を含み、前記少なくとも２つの光学弁のそれぞれが、
第１光ガイド表面であって、前記第１光ガイド表面が実質的に平面である第１光ガイド表面と、
前記第１光ガイド表面に対向し、複数のガイド機能と、複数の抽出機能と、を更に含む第２光ガイド表面であって、前記複数の抽出機能が、光が第１方向に伝搬するときに実質的に低いロスで前記光を通すことができるように作用する第２光ガイド表面と
を更に含み、
ほぼ揃った各光源と協調する前記少なくとも２つの光学弁が、異なる指向性照明を提供するように配列される、指向性照明装置。
［項目４８］
前記少なくとも２つの光学弁が積層構成で配列される、項目４７に記載の指向性照明装置。
［項目４９］
前記少なくとも２つの光学弁がタイリング構成で配列される、項目４７に記載の指向性照明装置。
［項目５０］
第１の前記光学弁からの少なくとも一部の光が第２の前記光学弁を通して配向される、項目４７に記載の指向性照明装置。
［項目５１］
指向性分布を提供する光ガイドシステムであって、
指向性照明装置であって、
光をガイドするための少なくとも２つの光学弁を含む、指向性照明装置を含み、前記少なくとも２つの光学弁のそれぞれが、
第１光ガイド表面であって、前記第１光ガイド表面が実質的に平面である第１光ガイド表面と、
前記第１光ガイド表面に対向する第２光ガイド表面であって、前記第２光ガイド表面が、少なくとも１つのガイド機能と、複数の抽出機能と、を含み、前記複数の抽出機能が、光が第１方向に伝搬するときに実質的に低いロスで光を通すことができるように作用し、光が第２方向に伝搬するときに前記光を反射して前記光学弁から出射するように更に作用する、第２光ガイド表面と、
前記２つの光学弁の少なくとも１つからの光を受けるように作用する空間光変調器であって、ほぼ揃えられた各光源と協調する前記少なくとも２つの光学弁が、異なる指向性照明を提供するように配列される、空間光変調器と、を更に含む、光ガイドシステム。

Claims (26)

1. 指向性ディスプレイデバイスであって、
   通る光を変調するように配列されたピクセルの配列を含む透過型空間光変調器と、
   少なくとも２つの指向性バックライトであって、それぞれが、
   入力端を有する導波路と、前記導波路に沿って光をガイドするための、対向する第１ガイド表面及び第２ガイド表面と、入力光からの光を反射して前記導波路を通して戻すための、前記入力端に対向する反射端と、を含み、前記第１ガイド表面が全反射によって光をガイドするように配列され、前記第２ガイド表面が出力光として前記第１ガイド表面を通して出射できる方向に前記反射端から反射した後で前記導波路を通してガイドされる光を反射するように配向された複数の光抽出機能を含み、前記導波路が、前記入力端に渡る横方向の異なる入力位置から生じる入力光を、複数の光学窓のそれぞれに、前記入力位置に従って横方向に分配された出力方向に配向するように配列され、前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器を通して出力光を供給するようにそれぞれ配列される、少なくとも２つの指向性バックライトと、を含む、指向性ディスプレイデバイス。
2. 前記空間光変調器の異なる領域を通して出力光を供給するように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器の背後でタイリングされる、請求項１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
3. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記横方向に対して垂直の方向にタイリングされる、請求項２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
4. 前記少なくとも２つの指向性バックライトの第１の１つの反射端が第２の指向性バックライトと重なり合う、請求項３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
5. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが、実質的に共面である反射端を有する２つの指向性バックライトを含む、請求項３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
6. 共面である前記反射端が実質的に平面である、請求項５に記載の指向性ディスプレイデバイス。
7. 共面である前記反射端が、横方向へのポジティブな屈折力を有する回折反射器をそれぞれ含む、請求項５に記載の指向性ディスプレイデバイス。
8. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記横方向にもタイリングされる、請求項３〜７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
9. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記横方向にタイリングされる、請求項２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
10. 前記少なくとも２つの指向性バックライトの前記導波路が共通材料から形成される、請求項２〜９のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
11. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器の背後に積層され、前記空間光変調器を通して、及び前記指向性バックライトと前記空間光変調器との中間にある任意の他の指向性バックライトを通して出力光をそれぞれ供給する、請求項１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
12. 前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いにほぼ揃うように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、請求項１１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
13. 前記少なくとも２つの指向性バックライトのそれぞれの前記第１ガイド表面が実質的に共面である、請求項１１又は１２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
14. 前記少なくとも２つの指向性バックライトが、前記空間光変調器に対する法線の周囲に逆方向に配列され、各指向性バックライトの入力端が前記他の指向性バックライトの反射端と同じ側である、２つの指向性バックライトを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
15. 逆方向に配列された前記２つの指向性バックライトの対向ガイド表面が概して平行方向に伸長する、請求項１４に記載の指向性ディスプレイデバイス。
16. 前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いに対して８５〜９５度の範囲の角度で伸長するように、前記少なくとも２つの指向性バックライトが前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、請求項１１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
17. 各指向性バックライトの前記反射端が前記導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
18. 各指向性バックライトの前記複数の光抽出機能が前記導波路に渡る横方向へのポジティブな屈折力を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
19. 各指向性バックライトにおいて、前記第２ガイド表面が、前記複数の光抽出機能を構成する複数のファセットを含む段付き形状と、光を抽出せずに前記導波路を通して前記光を配向するように配列された前記複数のファセット間の複数の中間領域と、を有する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
20. 前記少なくとも２つの指向性バックライトの少なくとも１つが、複数の前記ガイド表面のうちの１つの拡張部である入力端と、前記入力端に対向するカプラーと、を含み、前記導波路に沿って入力光を偏向させるように配列される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
21. 各指向性バックライトに関して、それぞれの前記導波路の入力端に渡る異なる複数の入力位置に光源の配列を更に含む、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイデバイス。
22. 前記少なくとも２つの指向性バックライトは、前記少なくとも２つの指向性バックライトによって提供される前記複数の光学窓が互いにほぼ揃い、各指向性バックライトに関する光源の前記配列が異なる色の光を出力するように配列されるべく、前記空間光変調器に対する法線の周囲に配向される、請求項２１に記載の指向性ディスプレイデバイス。
23. 前記光源を選択的に操作して、前記出力方向に対応する前記複数の光学窓に光を配向するように配列されたコントロールシステムを更に含む、請求項２１又は２２に記載の指向性ディスプレイデバイス。
24. 自動立体ディスプレイデバイスであって、前記コントロールシステムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、前記表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置にて複数の視野窓内に同期して配向するようにディスプレイデバイスを制御するように更に配列される、請求項２３に記載の指向性ディスプレイデバイス。
25. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列されたセンサーシステムを更に含み、
    前記コントロールシステムが、観察者の検出された位置に従って、前記表示された画像を前記観察者の左右の目に対応する位置にて複数の視野窓内に配向するように配列される、請求項２４に記載の指向性ディスプレイデバイス。
26. 前記センサーシステムが、前記空間光変調器に対する法線の横方向及び長手方向に前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するように配列され、前記コントロールシステムが、前記観察者の検出された位置に従って、前記表示された画像を前記観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に配向するように配列される、請求項２５に記載の指向性ディスプレイデバイス。

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