KR102366346B1 - 지향성 백라이트를 위한 광 입력 - Google Patents

Abstract

지향성 백라이트는 국소화된 광원으로부터 대면적의 시준된 조명을 제공하기 위한 적어도 하나의 투명 광학 도파관을 포함하는 광 안내 장치를 포함할 수 있다. 도파관은 제1 부분 및 제2 부분으로 배열되며, 이때 광 주입 개구가 각자의 부분들 사이에 있다. 그러한 제어된 조명은 효율적인 다중-사용자 무안경 입체 디스플레이뿐만 아니라 고 휘도 디스플레이 및 고 디스플레이 효율을 비롯한 개선된 2D 디스플레이 기능성을 제공할 수 있다.

Description

지향성 백라이트를 위한 광 입력{LIGHT INPUT FOR DIRECTIONAL BACKLIGHT}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2013년 10월 14일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 백라이트를 위한 광 입력(Light input for directional backlight)"인 미국 가출원 제61/890,437호(대리인 참조 번호 95194936.354000)와 관련되고 그것에 대한 우선권을 주장하며, 이 미국 가출원은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 출원은 또한 2011년 11월 18일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 평판 조명기(Directional flat illuminators)"인 미국 특허 출원 제13/300,293호(대리인 참조 번호 95194936.281001), 2014년 2월 21일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 백라이트(Directional backlight)"인 미국 특허 출원 제14/186,862호(대리인 참조 번호 95194936.355001), 2013년 3월 15일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 백라이트(Directional backlight)"인 미국 특허 출원 제13/838,936호(대리인 참조 번호 95194936.314001)와 관련되며, 이들 미국 특허 출원 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다

기술분야

본 발명은 일반적으로 공간 광 변조기(spatial light modulator)의 조명에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 2D, 3D, 및/또는 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 디바이스에 사용하기 위해 국소화된 광원으로부터 대면적 조명을 제공하기 위한 지향성 백라이트에 관한 것이다.

공간 다중화(spatially multiplexed) 무안경 입체 디스플레이 디바이스는 전형적으로 렌티큘러 스크린(lenticular screen) 또는 패럴랙스 배리어(parallax barrier)와 같은 패럴랙스 구성요소를 공간 광 변조기, 예를 들어 LCD 상에 적어도 픽셀들의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지들의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀들의 세트들 각각으로부터의 광을 상이한 각자의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 눈이 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 상태에서 관찰자는 픽셀들의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 눈이 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 상태에서 픽셀들의 제2 세트로부터의 광으로 제2 이미지를 볼 수 있다.

그러한 디스플레이 디바이스는 공간 광 변조기의 본래 해상도에 비해 감소된 공간 해상도를 갖고, 또한 관찰 윈도우의 구조는 픽셀 개구(pixel aperture) 형상 및 패럴랙스 구성요소 이미지 형성 기능에 의해 결정된다. 예를 들어 전극에 대한 픽셀들 사이의 갭(gap)은 전형적으로 불균일한 관찰 윈도우를 생성한다. 바람직하지 않게도, 그러한 디스플레이는 관찰자가 디스플레이에 대해 측방향으로 이동함에 따라 이미지 깜박거림을 보이며, 따라서 디스플레이의 관찰 자유도를 제한한다. 그러한 깜박거림은 광학 요소를 탈초점화(defocusing)시킴으로써 감소될 수 있지만; 그러한 탈초점화는 이미지 크로스토크(cross talk)의 증가된 수준을 초래하고 관찰자에 대한 시각적 부담을 증가시킨다. 그러한 깜박거림은 픽셀 개구의 형상을 조절함으로써 감소될 수 있지만, 그러한 변화는 디스플레이 휘도를 감소시킬 수 있고, 공간 광 변조기 내에 어드레싱(addressing) 전자 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 지향성 백라이트로서, 도파관(waveguide)으로서, 도파관을 따라 입력 광을 안내하기 위한 대향된 제1 및 제2 안내 표면을 포함하는, 상기 도파관; 도파관을 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있으며, 도파관은 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한 반사 단부를 추가로 포함하고, 제2 안내 표면은 입력 광을 반사 단부로부터의 반사 후에 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 편향(deflecting)시키도록 배열되며, 도파관은 출력 광을 입력 광의 입력 위치에 의존하여 측방향으로 위치되는 출력 방향으로 광학 윈도우(optical window) 내로 지향시키도록 배열되고, 적어도 하나의 광원은 입력 광을 도파관을 따라 도중까지 제2 안내 표면을 통해 도파관 내로 주입하도록 배열되는, 지향성 백라이트가 제공된다. 제2 안내 표면은 입력 개구(input aperture)에 의해 측방향에 대략 수직으로 분리된, 도파관을 따라 도중까지 각각 연장되는 적어도 2개의 부분을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 광원은 입력 광을 입력 개구를 통해 주입하도록 배열된다. 적어도 하나의 광원은 제2 안내 표면의 부분들 중 하나의 부분 뒤에 배치될 수 있다. 지향성 백라이트는 적어도 하나의 광원이 뒤에 배치되는 제2 안내 표면의 부분들 중 하나의 부분과 적어도 하나의 광원 사이에 배열된 차광체(light shield)를 추가로 포함할 수 있다. 지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 부분들 각각 뒤에 배열된 각자의 후방 반사기를 추가로 포함할 수 있으며, 각각의 후방 반사기는 도파관의 복수의 소면(facet)을 통해 투과되는, 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하여, 제1 안내 표면을 통해 광학 윈도우 내로 출사하게 하도록 배열된 반사 소면들의 어레이를 포함한다. 입력 개구는 제2 안내 표면의 2개의 부분 사이에서 연장되는 입력 소면을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 광원은 입력 소면을 따라 배열된다. 지향성 백라이트는 적어도 하나의 광원으로부터의 입력 광을 입력 개구를 통한 입력 광의 주입을 위해 입력 개구로 안내하도록 적어도 하나의 광원과 입력 개구 사이에 배열된 주입 도파관 부분을 추가로 포함할 수 있다. 주입 도파관 부분은 도파관과는 별개의 요소일 수 있다. 주입 도파관 부분은 도파관과 굴절률 정합(index matched)될 수 있다. 주입 도파관 부분은 도파관과 일체로 형성될 수 있다. 제2 안내 표면의 2개의 부분은 도파관을 따른 방향으로 중첩될 수 있다.

지향성 백라이트는 주입 도파관 부분과 입력 개구 사이에 배열된 광 조합기, 및 도파관을 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 추가의 적어도 하나의 광원을 추가로 포함할 수 있으며, 추가의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 광 조합기를 통해 도파관 내로 주입하도록 배열되고, 추가의 적어도 하나의 광원은 첫 번째로 언급된 적어도 하나의 광원보다 반사 단부에 더 가깝다. 지향성 백라이트는 도파관을 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 추가의 적어도 하나의 광원을 추가로 포함할 수 있으며, 추가의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 첫 번째로 언급된 적어도 하나의 광원과는 상이한 위치에서 도파관을 따라 도중까지 제2 안내 표면을 통해 도파관 내로 주입하도록 배열된다. 도파관은 반사 단부와 대면하는 대면 단부(facing end)를 구비할 수 있고, 지향성 백라이트는 추가의 입력 광을 대면 단부를 통해 도파관 내로 주입하도록 배열된 추가의 적어도 하나의 광원을 추가로 포함할 수 있다. 지향성 백라이트는 동일한 방식으로 각각 배열된, 도파관 및 적어도 하나의 광원의 복수의 세트를 추가로 포함할 수 있으며, 도파관들은 타일링된다(tiled). 도파관은 반사 단부와는 반대편에 있는 단부들이 맞닿는 상태로 측방향에 수직인 방향으로 타일링된 도파관들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 도파관은 일체로 형성될 수 있다.

지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 부분들 각각 뒤에 배열된 각자의 후방 반사기를 추가로 포함할 수 있으며, 각각의 후방 반사기는 도파관의 복수의 소면을 통해 투과되는, 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하여, 제1 안내 표면을 통해 상기 광학 윈도우 내로 출사하게 하도록 배열된 반사 소면들의 어레이를 포함하고, 후방 반사기들은 맞닿는 단부들 뒤에서 연속적으로 연장된다. 도파관들은 측방향으로 타일링된 도파관들을 포함할 수 있다. 측방향으로 타일링된 도파관들은 도파관들의 폴딩(folding)을 허용하는 힌지에 의해 연결될 수 있다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은 도파관을 통해 안내된 광을 출력 광으로서 제1 안내 표면을 통한 출사를 허용하는 방향들로 반사하도록 배향된 복수의 광 추출 특징부(light extraction feature), 및 광을 추출함이 없이 광을 도파관을 통해 지향시키도록 배열된, 광 추출 특징부들 사이의 중간 영역들을 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들인 소면들, 및 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상(stepped shape)을 가질 수 있다. 광 추출 특징부는 측방향으로 양의 광파워(optical power)를 가질 수 있다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은, 실질적으로 평탄할 수 있고, 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 내부 전반사를 파괴하는 방향들로 광을 반사하도록 비스듬히 경사질 수 있으며, 디스플레이 디바이스는 광을 공간 광 변조기에 대한 법선을 향해 편향시키기 위해 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 추가로 포함할 수 있다. 반사 단부는 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 적어도 하나의 광원은 도파관을 가로질러 측방향으로 각자의 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 광원들의 어레이는 곡선으로 배열될 수 있다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 제1 태양에 따른 지향성 백라이트; 및 제1 안내 표면으로부터 출력 광을 수광하도록 그리고 이미지를 디스플레이하기 위해 출력 광을 변조시키도록 배열된 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있는, 디스플레이 디바이스가 제공된다.

본 발명의 제3 태양에 따르면, 지향성 백라이트; 제1 안내 표면으로부터 출력 광을 수광하도록 그리고 이미지를 디스플레이하기 위해 출력 광을 변조시키도록 배열된 투과성 공간 광 변조기; 및 상기 출력 방향들에 대응하는 다양한 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 광원들을 선택적으로 작동시키도록 배열된 제어 시스템을 포함할 수 있는, 디스플레이 장치가 제공된다. 디스플레이 장치는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있으며, 여기서 제어 시스템은 시간 다중화(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들을 디스플레이하도록, 그리고 디스플레이되는 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 광학 윈도우들 내로 동기식으로 지향시키도록, 디스플레이 디바이스를 제어하도록 추가로 배열될 수 있다. 제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열된 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 제어 시스템은 출력 광을 관찰자의 검출된 위치에 의존하여 선택되는 적어도 하나의 광학 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있다.

유리하게는, 광원들의 어레이로부터의 광은 도파관의 미러로 지향되어, 도파관의 출력의 종횡비(aspect ratio)와는 독립적으로 미러를 가로지른 실질적으로 효율적이고 균일한 조명을 달성할 수 있다. 따라서, 입력 조명 경로의 종횡비는 도파관의 출력의 종횡비보다 클 수 있다. 도파관은 광 추출 특징부를 사용하는 단차형 유형 도파관일 수 있거나, 내부 전반사의 손실에 의한 추출을 사용할 수 있다. 광 입력 소면의 가시성이 실질적으로 제거될 수 있다. 또한, 광 방출 요소 어레이를 도파관 뒤에 숨김으로써 매우 작은 베젤을 갖는 디스플레이가 달성될 수 있다. 도파관은 디스플레이 휘도 및 편광 재순환에 있어서의 증가와 조합된 광 방출 요소 어레이의 은폐를 달성하기 위해 이득 반사 필름과 조합될 수 있다. 확장된 종방향 관찰 자유도를 달성하기 위해, 광학 윈도우들이 상이한 윈도우 평면 거리에 배열된 디스플레이들이 배열될 수 있다. 타일링된 도파관들의 어레이가 종래의 광 방출 요소로부터 바람직한 휘도 수준을 갖는 큰 디스플레이 크기를 달성하기 위해 배열될 수 있다. 디스플레이 조명을 각자의 도파관 타일의 조명과 동기화함으로써 무안경 입체 디스플레이에서 디스플레이 크로스토크가 감소될 수 있다. 또한, 작은 시임(seam) 크기 및 바람직한 종횡비를 갖는 폴딩가능 디스플레이가 제공될 수 있다. 그러한 디스플레이는 2D 이미지 평면을 디스플레이 표면 뒤에 숨기기 위해 무안경 입체 2D 이미지를 제공하도록 배열되어, 디스플레이에서의 시임의 가시성을 추가로 감소시킬 수 있다.

본 발명의 다양한 태양들 및 그것의 다양한 특징들이 임의의 조합으로 함께 적용될 수 있다.

디스플레이 백라이트들은 일반적으로 도파관들 및 에지 방출 광원들을 채용한다. 소정의 이미지 형성 지향성 백라이트들은 조명을 디스플레이 패널을 통해 관찰 윈도우들 내로 지향시키는 추가의 능력을 갖는다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원들과 각자의 윈도우 이미지들 사이에 형성될 수 있다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는, 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있으며 이에 따라 또한 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트의 예일 수 있는 광학 밸브(optical valve)이다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이, 광이 광학 밸브를 통해 한 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있는 반면, 반대 방향으로 전파되는 광은 틸팅된(tilted) 소면들로부터의 반사에 의해 추출될 수 있다.

본 발명의 실시예는 무안경 입체 디스플레이, 고 효율 디스플레이, 저 전력 소비를 갖는 불빛이 밝은 환경에서 사용하기 위한 고 휘도 디스플레이 및 프라이버시 디스플레이(privacy display)를 위한 지향성 백라이트를 제공할 수 있다. 고 이미지 콘트라스트가 불빛이 밝은 환경에서 달성될 수 있다. 상이한 종횡비를 갖는 디스플레이들의 효율 및 균일성이 최적화될 수 있다. 베젤 크기가 에지형 도파관(edge lit waveguide)과 비교해 감소될 수 있고, 바람직한 휘도 수준을 갖는 디스플레이 조명에 적합한 큰 크기의 도파관이 제공될 수 있다. 디스플레이 수차가 감소될 수 있고, LED 크기가 바람직한 광학 윈도우 피치에 대해 최적화될 수 있다. 또한, 지향성 디스플레이의 관찰 자유도가 향상될 수 있다. 폴딩가능 디스플레이의 부분들 사이의 시임의 감소된 가시성을 갖는 폴딩가능 디스플레이가 달성될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 명세서를 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백하게 될 것이다.

실시예가 첨부 도면에 예로서 예시되며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 지시한다.
도 1a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서의 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
도 1b는 본 발명에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서의 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
도 2a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서의 광 전파의 평면도로 예시한 개략도.
도 2b는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
도 2c는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 예시한 개략도.
도 4a는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
도 4b는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
도 6a는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
도 6b는 본 발명에 따른, 제2 시간 슬롯(time slot)에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
도 6c는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
도 7은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른, 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 10은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
도 11은 본 발명에 따른, 웨지(wedge) 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
도 12는 본 발명에 따른, 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 13은 본 발명에 따른, 관찰자 추적 지향성 디스플레이 장치를 위한 제어 시스템을 예시한 개략도.
도 14a는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 14b는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도.
도 15a는 본 발명에 따른, 웨지-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 15b는 본 발명에 따른, 웨지-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도.
도 16a 내지 도 16e는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 표면의 측면도를 예시한 개략도.
도 17은 본 발명에 따른, 베젤 크기를 감소시키도록 배열된 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 19는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
도 22는 본 발명에 따른, 추가의 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도.
도 23은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체 및 밸브-끝 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도.
도 24는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체 및 밸브-끝 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도.
도 25는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체 및 밸브-끝 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도.
도 26은 본 발명에 따른, 도 23의 배열의 정면도를 예시한 개략도.
도 27은 본 발명에 따른, 도 26의 배열에 의해 달성될 수 있는 관찰 윈도우의 평면도를 예시한 개략도.
도 28은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 29는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 평면도를 예시한 개략도.
도 30은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브를 위한 제어 시스템을 예시한 개략도.
도 31a는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 측면도를 예시한 개략도.
도 31b는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 32는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브를 포함하는 스캔식 조명 지향성 디스플레이를 예시한 개략도.
도 33은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 34는 본 발명에 따른, 반사기 요소를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 일부의 측면도를 예시한 개략도.
도 35는 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하고 반사 단부의 효율적인 조명을 달성하도록 배열된 폴딩가능 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도.
도 36은 본 발명에 따른, 폴딩된 배열의 폴딩가능 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 37은 본 발명에 따른, 디스플레이의 평면 내에 2D 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도.
도 38은 본 발명에 따른, 무안경 입체 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 관찰의 측면도를 예시한 개략도.
도 39는 본 발명에 따른, 축외(off-axis) 관찰자 위치에 대한 무안경 입체 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 관찰의 측면도를 예시한 개략도.
도 40은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 정면도로 예시한 개략도.
도 41은 본 발명에 따른, 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이를 사시도로 예시한 개략도.

시간 다중화 무안경 입체 디스플레이는 유리하게는 광을 공간 광 변조기의 모든 픽셀로부터 제1 시간 슬롯에서 제1 관찰 윈도우로, 그리고 모든 픽셀로부터 제2 시간 슬롯에서 제2 관찰 윈도우로 지향시킴으로써 무안경 입체 디스플레이의 공간 해상도를 개선할 수 있다. 따라서, 눈이 제1 및 제2 관찰 윈도우에서 광을 수광하도록 배열된 관찰자는 다수의 시간 슬롯에 걸쳐 디스플레이의 전체를 가로질러 최대 해상도 이미지를 볼 것이다. 시간 다중화 디스플레이는 유리하게는 조명기 어레이를 지향성 광학 요소를 사용하여 실질적으로 투명한 시간 다중화 공간 광 변조기를 통해 지향시킴으로써 지향성 조명을 달성할 수 있으며, 여기서 지향성 광학 요소는 실질적으로 윈도우 평면 내에 조명기 어레이의 이미지를 형성한다.

관찰 윈도우들의 균일성은 유리하게는 공간 광 변조기 내에서의 픽셀들의 배열과는 독립적일 수 있다. 유리하게는, 그러한 디스플레이는 움직이는 관찰자에 대해 낮은 크로스토크 수준과 함께 낮은 깜박거림을 갖는 관찰자 추적 디스플레이를 제공할 수 있다.

윈도우 평면 내에서 높은 균일성을 달성하기 위해, 높은 공간 균일성을 갖는 조명 요소들의 어레이를 제공하는 것이 바람직하다. 시계열적 조명 시스템의 조명기 요소가, 예를 들어 렌즈 어레이와 조합되는 대략 100 마이크로미터의 크기를 갖는 공간 광 변조기의 픽셀에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 픽셀은 공간 다중화 디스플레이에 대해서와 유사한 어려움을 겪는다. 또한, 그러한 디바이스는 낮은 효율 및 보다 높은 비용을 가져서, 추가의 디스플레이 구성요소를 필요로 할 수 있다.

높은 윈도우 평면 균일성은 편리하게는 거시적 조명기, 예를 들어 전형적으로 1 mm 이상의 크기를 갖는 균질화 및 확산 광학 요소와 조합되는 LED들의 어레이로 달성될 수 있다. 그러나, 조명기 요소의 증가된 크기는 지향성 광학 요소의 크기가 비례하여 증가함을 의미한다. 예를 들어, 65 mm 폭의 관찰 윈도우에 이미지 형성되는 16 mm 폭의 조명기는 200 mm의 후방 작동 거리를 채용할 수 있다. 따라서, 광학 요소의 증가된 두께는 예를 들어 모바일 디스플레이 또는 대면적 디스플레이에 대한 유용한 응용을 방해할 수 있다.

전술된 단점을 해소하는, 공동-소유된 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같은 광학 밸브가 유리하게는 깜박거림이 없는 관찰자 추적 및 낮은 크로스토크 수준을 갖는 고 해상도 이미지를 제공하면서 얇은 패키지에서 시간 다중화 무안경 입체 조명을 달성하기 위해 고속 스위칭 투과성 공간 광 변조기와 조합되어 배열될 수 있다. 전형적으로 수평인 제1 방향으로 상이한 이미지들을 디스플레이할 수 있지만 전형적으로 수직인 제2 방향으로 움직일 때 동일한 이미지들을 포함할 수 있는, 관찰 위치들 또는 윈도우들의 1차원 어레이가 기재된다.

종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트는 흔히 광학 도파관을 채용하고, LED와 같은 광원으로부터의 에지 조명을 갖는다. 그러나, 그러한 종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트 및 본 명세서에서 논의되는 이미지 형성 지향성 백라이트 사이에는 기능, 설계, 구조 및 작동에 있어 많은 근본적인 차이가 있다는 것을 이해하여야 한다.

일반적으로, 예를 들어, 본 발명에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 다수의 광원으로부터의 조명을 디스플레이 패널을 통해 각자의 다수의 광학 윈도우로 적어도 하나의 축으로 지향시키도록 배열된다. 각각의 광학 윈도우는 이미지 형성 지향성 백라이트의 이미지 형성 시스템에 의해 광원의 적어도 하나의 축 내에서 이미지로서 실질적으로 형성된다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원을 각자의 관찰 윈도우로 이미지 형성하도록 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광은 각자의 관찰 윈도우 밖에 있는 관찰자의 눈에 실질적으로 보이지 않는다.

이와 대조적으로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트 또는 도광판(light guiding plate, LGP)은 2D 디스플레이의 조명을 위해 사용된다. 예컨대, 문헌[

, Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004)] 참조. 비-이미지 형성 백라이트는 전형적으로 넓은 관찰 각도 및 높은 디스플레이 균일성을 달성하기 위해 다수의 광원 각각에 대해 다수의 광원으로부터 조명을 디스플레이 패널을 통해 실질적으로 공통인 관찰 구역 내로 지향시키도록 배열된다. 따라서, 비-이미지 형성 백라이트는 관찰 윈도우를 형성하지 않는다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 관찰 구역을 가로질러 실질적으로 모든 위치에서 관찰자의 눈에 보일 수 있다. 그러한 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 예를 들어 쓰리엠(3M)으로부터의 BEF™와 같은 휘도 향상 필름에 의해 제공될 수 있는 램버시안(Lambertian) 조명에 비해 스크린 이득(screen gain)을 증가시키기 위해 어느 정도의 지향성을 가질 수 있다. 그러나, 그러한 지향성은 각자의 광원 각각에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 당업자에게 명백할 이들 이유 및 다른 이유로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 이미지 형성 지향성 백라이트와는 상이하다. 에지형 비-이미지 형성 백라이트 조명 구조체가 2D 랩톱, 모니터 및 TV에서 볼 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광은 산재하는 특징부들, 전형적으로는 광이 광의 전파 방향에 무관하게 손실되게 하는 도파관의 표면 내의 국소적인 만입부(indentation)들을 포함할 수 있는 손실성 도파관(lossy waveguide)의 에지로부터 전파된다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광학 밸브는 예를 들어 광 밸브, 광학 밸브 지향성 백라이트, 및 밸브 지향성 백라이트(valve directional backlight, "v-DBL")로 지칭되는 일종의 광 안내 구조체 또는 디바이스일 수 있는 광학 구조체이다. 본 명세서에서, 광학 밸브는 (비록 공간 광 변조기가 때때로 당업계에서 "광 밸브"로 일반적으로 지칭될 수 있을지라도) 공간 광 변조기와는 상이하다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있는 광학 밸브이다. 광은 광학 밸브를 통해 한 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 이미지 형성 반사기에 입사할 수 있으며, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이 광이 틸팅된 광 추출 특징부로부터의 반사에 의해 추출되고 관찰 윈도우로 지향될 수 있도록 반대 방향으로 전파될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지 형성 지향성 백라이트의 예는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트, 웨지 유형 지향성 백라이트, 또는 광학 밸브를 포함한다.

또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트는 광학 밸브일 수 있다. 단차형 도파관은 광을 안내하기 위한 도파관으로서, 제1 광 안내 표면; 및 제1 광 안내 표면 반대편의 제2 광 안내 표면을 추가로 포함하는, 상기 도파관을 포함하고, 단차부로서 배열된 복수의 추출 특징부들이 사이사이에 배치된 복수의 안내 특징부를 추가로 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트를 위한 도파관이다.

또한, 사용되는 바와 같이, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트는 웨지 유형 지향성 백라이트 또는 광학 밸브 중 적어도 하나일 수 있다.

작동 시에, 광은 예시적인 광학 밸브 내에서 입력 단부로부터 반사 단부까지 제1 방향으로 전파될 수 있고, 실질적으로 손실 없이 투과될 수 있다. 광은 반사 단부에서 반사될 수 있고, 제1 방향과 실질적으로 반대인 제2 방향으로 전파된다. 광이 제2 방향으로 전파될 때, 광은 광을 광학 밸브 밖으로 방향 전환시키도록 작동가능한 광 추출 특징부에 입사할 수 있다. 달리 말하면, 광학 밸브는 일반적으로 광이 제1 방향으로 전파되도록 허용하고, 광이 제2 방향으로 전파되는 동안 추출되도록 허용할 수 있다.

광학 밸브는 큰 디스플레이 면적의 시계열적 지향성 조명을 달성할 수 있다. 또한, 거시적 조명기로부터의 광을 공칭 윈도우 평면으로 지향시키기 위해 광학 요소의 후방 작동 거리보다 얇은 광학 요소가 채용될 수 있다. 그러한 디스플레이는 실질적으로 평행한 도파관 내에서 반대 방향으로 전파되는 광을 추출하도록 배열된 광 추출 특징부들의 어레이를 사용할 수 있다.

LCD와 함께 사용하기 위한 박형 이미지 형성 지향성 백라이트 구현예가 제안되었고, 모두 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 쓰리엠의 예를 들어 미국 특허 제7,528,893호에 의해; 본 명세서에서 "웨지 유형 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 마이크로소프트(Microsoft)의 예를 들어 미국 특허 제7,970,246호에 의해; 본 명세서에서 "광학 밸브" 또는 "광학 밸브 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 리얼디(RealD)의 예를 들어 미국 특허 출원 제13/300,293호에 의해 실증되었다.

본 발명은 광이, 예를 들어 제1 안내 표면, 및 복수의 광 추출 특징부 및 중간 영역을 포함하는 제2 안내 표면을 포함할 수 있는 단차형 도파관의 내부 면(face)들 사이에서 앞뒤로 반사될 수 있는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트를 제공한다. 광이 단차형 도파관의 길이를 따라 이동할 때, 광은 제1 및 제2 안내 표면에 대한 입사각을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있으며, 따라서 이들 내부 표면에서 매질의 임계각에 도달하지 않을 수 있다. 광 추출은 유리하게는 중간 영역(단차부 "트레드(tread)")에 대해 경사진 제2 안내 표면(단차부 "라이저(riser)")의 소면일 수 있는 광 추출 특징부에 의해 달성될 수 있다. 광 추출 특징부가 단차형 도파관의 광 안내 작동의 일부가 아닐 수 있지만, 구조체로부터의 광 추출을 제공하도록 배열될 수 있는 것에 유의한다. 대조적으로, 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트는 광이 연속적인 내부 표면을 갖춘 웨지 프로파일화된 도파관 내에서 안내되도록 허용할 수 있다. 따라서, 단차형 도파관(광학 밸브)은 이에 따라 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트가 아니다.

도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서의 광 전파의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스에서의 광 전파의 측면도를 예시한 개략도이다.

도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 지향성 백라이트의 xy 평면 내에서의 정면도를 예시하고, 단차형 도파관(1)을 조명하는 데 사용될 수 있는 조명기 어레이(15)를 포함한다. 조명기 어레이(15)는 조명기 요소(15a) 내지 조명기 요소(15n)를 포함한다(여기서 n은 1보다 큰 정수임). 일례에서, 도 1a의 단차형 도파관(1)은 단차형의, 디스플레이 크기의 도파관(1)일 수 있다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 발광 다이오드(LED)일 수 있는 광원이다. LED가 본 명세서에서 조명기 요소(15a 내지 15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는, 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, 도 1b는 xz 평면 내에서의 측면도를 예시하고, 도시된 바와 같이 배열되는, 조명기 어레이(15), SLM(공간 광 변조기)(48), 추출 특징부(12), 중간 영역(10), 및 단차형 도파관(1)을 포함한다. 도 1b에 제공된 측면도는 도 1a에 도시된 정면도의 대체 도면이다. 따라서, 도 1a 및 도 1b의 조명기 어레이(15)는 서로 상응하고, 도 1a 및 도 1b의 단차형 도파관(1)은 서로 상응할 수 있다.

또한, 도 1b에서, 단차형 도파관(1)은 얇은 입력 단부(2)와 두꺼운 반사 단부(4)를 구비할 수 있다. 따라서, 도파관(1)은 입력 광을 수광하는 입력 단부(2)와 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하는 반사 단부(4) 사이에서 연장된다. 도파관을 가로질러 측방향으로의 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치된다.

도파관(1)은 광을 내부 전반사(TIR)에 의해 도파관(1)을 따라 앞뒤로 안내하기 위해 입력 단부(2)와 반사 단부(4) 사이에서 연장되는 대향된 제1 및 제2 안내 표면을 구비한다. 제1 안내 표면은 평탄하다. 제2 안내 표면은 반사 단부(4)와 대면하는 그리고 반사 단부로부터 다시 도파관(1)을 통해 안내되는 광의 적어도 일부를 제1 안내 표면에서의 내부 전반사를 파괴하는 그리고 SLM(48)에 공급되는, 제1 안내 표면을 통한, 예를 들어 도 1b에서 상향으로의 출력을 허용하는 방향으로 반사하도록 경사진 복수의 광 추출 특징부(12)를 구비한다.

이 예에서, 광 추출 특징부(12)는 반사 소면이지만, 다른 반사 특징부가 사용될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 광을 도파관을 통해 안내하지 않는 반면, 광 추출 특징부(12)들 중간에 있는 제2 안내 표면의 중간 영역은 광을 추출함이 없이 광을 안내한다. 제2 안내 표면의 이들 영역은 평탄하고, 제1 안내 표면에 평행하게, 또는 비교적 낮은 경사로 연장될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 이들 영역에 대해 측방향으로 연장되어, 제2 안내 표면이 광 추출 특징부(12)와 중간 영역을 포함하는 단차형 형상을 갖는다. 광 추출 특징부(12)는 광원으로부터의 광을 반사 단부(4)로부터의 반사 후에 제1 안내 표면을 통해 반사하도록 배향된다.

광 추출 특징부(12)는 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치로부터의 입력 광을 제1 안내 표면에 대해 입력 위치에 의존하는 상이한 방향으로 지향시키도록 배열된다. 조명 요소(15a 내지 15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각자의 조명 요소(15a 내지 15n)로부터의 광이 이들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a 내지 15n) 각각이 광을 입력 위치에 의존하여 측방향으로 분포되는 출력 방향으로 각자의 광학 윈도우 내로 지향시킨다. 입력 위치가 분포되는 입력 단부(2)를 가로지르는 측방향은 출력 광에 대해 제1 안내 표면에 대한 법선에 대한 측방향에 해당한다. 입력 단부(2)에서 그리고 출력 광에 대해 한정되는 바와 같은 측방향은 이 실시예에서 평행하게 유지되며, 여기서 반사 단부(4)와 제1 안내 표면에서의 편향은 측방향에 대체로 직교한다. 제어 시스템의 제어하에, 조명기 요소(15a 내지 15n)는 광을 선택가능한 광학 윈도우 내로 지향시키도록 선택적으로 작동될 수 있다. 광학 윈도우들은 개별적으로 또는 그룹으로 관찰 윈도우로서 사용될 수 있다.

본 발명에서, 광학 윈도우는 광학 윈도우가 디스플레이 디바이스의 전체를 가로질러 형성되는 공칭 평면인 윈도우 평면 내의 단일 광원의 이미지에 해당할 수 있다. 대안적으로, 광학 윈도우는 함께 구동되는 광원들의 그룹의 이미지에 해당할 수 있다. 유리하게는, 그러한 광원들의 그룹은 어레이(121)의 광학 윈도우들의 균일성을 증가시킬 수 있다.

비교로서, 관찰 윈도우는 디스플레이 영역을 가로질러 실질적으로 동일한 이미지의 이미지 데이터를 포함하는 광이 제공되는 윈도우 평면 내의 영역이다. 따라서, 관찰 윈도우는 제어 시스템의 제어하에 단일 광학 윈도우로부터 또는 복수의 광학 윈도우로부터 형성될 수 있다.

SLM(48)은 도파관을 가로질러 연장되고, 투과성이며, 그것을 통과하는 광을 변조시킨다. SLM(48)이 액정 디스플레이(LCD)일 수 있지만, 이는 단지 예로서일 뿐이며, LCOS, DLP 디바이스 등을 비롯한 다른 공간 광 변조기 또는 디스플레이가 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 조명기가 반사 작동을 할 수 있기 때문이다. 이 예에서, SLM(48)은 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 배치되고, 광 추출 특징부(12)로부터의 반사 후에 제1 안내 표면을 통한 광 출력을 변조시킨다.

광학 윈도우들의 1차원 어레이를 제공할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스의 작동이 도 1a에 정면도로 예시되며, 이때 그것의 측면 프로파일이 도 1b에 도시된다. 작동 시에, 도 1a와 도 1b에서, 광이 단차형 도파관(1)의 x=0인 입력 단부(2)의 표면을 따라 상이한 위치 y에 위치된 조명기 요소(15a 내지 15n)의 어레이와 같은 조명기 어레이(15)로부터 방출될 수 있다. 광은 단차형 도파관(1) 내에서 제1 방향으로 +x를 따라 전파될 수 있음과 동시에, 광은 xy 평면 내에서 확산될 수 있고, 측방향으로 양의 광파워를 갖도록 만곡된 반사 단부(4)에 도달 시에, 만곡된 단부 면(4)을 실질적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 전파되는 동안, 광은 안내 재료의 임계각에 이르기까지, 그러나 그것을 초과하지 않고서, xz 평면 내에서 한 세트의 각도로 확산될 수 있다. 단차형 도파관(1)의 제2 안내 표면의 중간 영역(10)들을 연결하는 추출 특징부(12)는 임계각보다 큰 틸트각(tilt angle)을 가질 수 있으며, 따라서 제1 방향으로 +x를 따라 전파되는 실질적으로 모든 광에 의해 회피될 수 있어, 실질적으로 무손실 전방 전파를 보장할 수 있다.

도 1a와 도 1b의 논의를 계속하면, 단차형 도파관(1)의 반사 단부(4)는 전형적으로 예를 들어 은과 같은 반사 재료로 코팅됨으로써 반사성으로 만들어질 수 있지만, 다른 반사 기술이 채용될 수 있다. 따라서, 광은 -x의 방향으로 도파관을 따라 후방으로 제2 방향으로 방향 전환될 수 있고, xy 또는 디스플레이 평면 내에서 실질적으로 시준될 수 있다. 각도 확산은 주 전파 방향을 중심으로 xz 평면 내에서 실질적으로 보존될 수 있으며, 이는 광이 라이저 에지와 충돌하고 도파관 밖으로 반사되도록 허용할 수 있다. 대략 45도 틸팅된 추출 특징부(12)를 갖는 실시예에서, 광은 xz 각도 확산이 전파 방향에 대해 실질적으로 유지되는 상태로 xy 디스플레이 평면에 대략 수직으로 효과적으로 지향될 수 있다. 이러한 각도 확산은 광이 단차형 도파관(1)으로부터 굴절을 통해 출사할 때 증가될 수 있지만, 어느 정도 추출 특징부(12)의 반사 특성에 의존하여 감소될 수 있다.

코팅되지 않은 추출 특징부(12)를 갖춘 몇몇 실시예에서, 반사는 내부 전반사(TIR)가 실패될 때 감소될 수 있어, xz 각도 프로파일이 축소되고 수직에서 벗어나 이동된다. 그러나, 은 코팅된 또는 금속화된 추출 특징부를 갖춘 다른 실시예에서, 증가된 각도 확산과 중심 수직 방향이 보존될 수 있다. 은 코팅된 추출 특징부를 가진 실시예의 설명을 계속하면, xz 평면 내에서, 광은 단차형 도파관(1)으로부터 대략 시준되어 출사할 수 있고, 입력 에지 중심으로부터 조명기 어레이(15) 내의 각자의 조명기 요소(15a 내지 15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명기 요소(15a 내지 15n)를 입력 단부(2)를 따라 구비하는 것은, 광이 전체 제1 안내 표면(6)으로부터 출사할 수 있게 하고 도 1a에 예시된 바와 같이 상이한 외각(external angle)으로 전파될 수 있게 한다.

그러한 디바이스를 갖춘 고속 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 공간 광 변조기(SLM)(48)를 조명하는 것은 도 2a에 조명기 어레이(15) 단부로부터 본 yz-평면 또는 평면도로, 도 2b에 정면도로, 그리고 도 2c에 측면도로 도시된 바와 같이 무안경 입체 3D를 달성할 수 있다. 도 2a는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 평면도로 예시한 개략도이고, 도 2b는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 정면도로 예시한 개략도이며, 도 2c는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 순차적인 좌안 및 우안 이미지를 디스플레이하는 고속(예컨대, 100 ㎐ 초과) LCD 패널 SLM(48) 뒤에 위치될 수 있다. 동기하여, 조명기 어레이(15)의 특정 조명기 요소(15a 내지 15n)(여기서 n은 1보다 큰 정수임)가 선택적으로 켜지고 꺼져, 시스템의 지향성에 의해 실질적으로 독립적으로 우안 및 좌안에 입사하는 조명 광을 제공할 수 있다. 가장 간단한 경우에, 조명기 어레이(15)의 조명기 요소들의 세트들이 함께 켜져, 수평 방향으로 제한된 폭을 갖지만 수직 방향으로 긴, 수평으로 분리된 양안이 좌안 이미지를 볼 수 있는 1차원 관찰 윈도우(26) 또는 광학 동공과, 양안이 주로 우안 이미지를 볼 수 있는 다른 관찰 윈도우(44)와, 양안이 상이한 이미지를 볼 수 있는 중심 위치를 제공한다. 관찰 윈도우(26)는 광학 윈도우(260)들의 어레이를 포함할 수 있고, 관찰 윈도우(44)는 광학 윈도우(440)들의 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 광학 윈도우는 어레이(15)의 단일 조명기에 의해 형성된다. 따라서, 다수의 조명기가 관찰 윈도우(26, 44)를 형성하도록 배열될 수 있다. 도 2a에서, 관찰 윈도우(26)는 단일 조명기(15a)에 의해 형성되는 것으로 도시되며, 따라서 단일 광학 윈도우(260)를 포함할 수 있다. 유사하게, 관찰 윈도우(44)는 단일 조명기(15n)에 의해 형성되는 것으로 도시되며, 따라서 단일 광학 윈도우(440)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 관찰자의 머리가 대략 중심에 정렬될 때 3D를 볼 수 있다. 중심 위치로부터 멀어지게 옆으로 움직이는 것은 2D 이미지 상으로의 신 붕괴(scene collapsing)를 유발할 수 있다.

반사 단부(4)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 전형적으로 반사 단부(4)가 양의 광파워를 갖는 실시예에서, 광학 축은 반사 단부(4)의 형상과 관련하여 한정될 수 있으며, 예를 들어 반사 단부(4)의 곡률 중심을 통과하는 그리고 x-축을 중심으로 단부(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 반사 표면(4)이 평평한 경우에, 광학 축은 광파워를 갖는 다른 구성요소, 예를 들어 그것이 만곡된 경우의 광 추출 특징부(12), 또는 아래에 기술되는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(62)에 대해 유사하게 한정될 수 있다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 전형적으로 단부(4)에서 실질적으로 원통형인 반사 표면을 포함하는 본 실시예에서, 광학 축(238)은, 단부(4)에서 표면의 곡률 중심을 통과하고 x-축을 중심으로 면(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 단부(4)에 있는 원통형 반사 표면은 전형적으로 축상(on-axis) 및 축외 관찰 위치에 대한 성능을 최적화하기 위해 구면 프로파일일 수 있다. 다른 프로파일이 사용될 수 있다.

도 3은 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 3은 투명 재료일 수 있는 단차형 도파관(1)의 작동의 측면도의 추가의 상세 사항을 예시한다. 단차형 도파관(1)은 조명기 입력 단부(2), 반사 단부(4), 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 안내 표면(6), 및 중간 영역(10)과 광 추출 특징부(12)를 포함하는 제2 안내 표면(8)을 포함할 수 있다. 작동 시에, 예를 들어 LED들의 어드레스가능한(addressable) 어레이일 수 있는 조명기 어레이(15)(도 3에 도시되지 않음)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선(16)이 제1 안내 표면(6)에 의한 내부 전반사와 제2 안내 표면(8)의 중간 영역(10)에 의한 내부 전반사에 의해 경면화된 표면(mirrored surface)일 수 있는 반사 단부(4)로 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 반사 단부(4)가 경면화된 표면일 수 있고 광을 반사할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 광이 반사 단부(4)를 통과하는 것도 또한 가능할 수 있다.

도 3의 논의를 계속하면, 반사 단부(4)에 의해 반사된 광선(18)은 반사 단부(4)에서의 내부 전반사에 의해 단차형 도파관(1) 내에서 추가로 안내될 수 있고, 추출 특징부(12)에 의해 반사될 수 있다. 추출 특징부(12)에 입사하는 광선(18)은 실질적으로 단차형 도파관(1)의 안내 모드로부터 벗어나게 편향될 수 있고, 광선(20)에 의해 도시된 바와 같이, 제1 안내 표면(6)을 통해 무안경 입체 디스플레이의 관찰 윈도우(26)를 형성할 수 있는 광학 동공으로 지향될 수 있다. 관찰 윈도우(26)의 폭은 적어도 조명기의 크기, 조명되는 조명기 요소(15n)의 개수, 출력 설계 거리 및 반사 단부(4) 및 추출 특징부(12)에서의 광파워에 의해 결정될 수 있다. 관찰 윈도우의 높이는 주로 추출 특징부(12)의 반사 원추각과 입력 단부(2)에서의 조명 원추각 입력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 관찰 윈도우(26)는 공간 광 변조기(48)의 표면 수직 방향에 대해 공칭 관찰 거리에서 윈도우 평면(106)과 교차하는 다양한 별개의 출력 방향을 나타낸다.

도 4a는 제1 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 그리고 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4a는 조명기 어레이(15)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선의, 광학 축(28)을 갖는 단차형 도파관(1) 내에서의 추가의 안내를 정면도로 도시한다. 도 4a에서, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 출력 광선들 각각은 각자의 조명기(15c)로부터 동일한 광학 윈도우(260)를 향해 입력 단부(2)로부터 지향된다. 도 4a의 광선은 단차형 도파관(1)의 반사 단부(4)로부터 출사할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 광선(16)은 조명기 요소(15c)로부터 반사 단부(4)를 향해 지향될 수 있다. 광선(18)은 이어서 광 추출 특징부(12)로부터 반사되고 광학 윈도우(260)를 향해 반사 단부(4)로부터 출사할 수 있다. 따라서, 광선(30)은 광학 윈도우(260) 내에서 광선(20)과 교차할 수 있거나, 광선(32)에 의해 도시된 바와 같이 관찰 윈도우 내에서 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 도파관(1)의 면(22, 24)이 투명한, 경면화된, 또는 흑화된 표면일 수 있다. 도 4a의 논의를 계속하면, 광 추출 특징부(12)가 길 수 있고, 제2 안내 표면(8)(도 3에는 도시되지만 도 4a에는 도시되지 않음)의 제1 영역(34)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향은 제2 안내 표면(8)의 제2 영역(36)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향과는 상이할 수 있다. 본 명세서에 논의된 다른 실시예와 유사하게, 예를 들어 도 3에 예시된 바와 같이, 도 4a의 광 추출 특징부는 중간 영역(10)과 교번할 수 있다. 도 4a에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 반사 단부(4) 상의 반사 표면을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(1)의 반사 단부는 단차형 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 소면일 수 있는 광 추출 특징부(12)를 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 광을 실질적으로 추출함이 없이 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열될 수 있는 소면과 교번하는 영역을 가질 수 있다.

도 4b는 제2 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4b는 조명기 어레이(15)의 제2 조명기 요소(15h)로부터의 광선(40, 42)을 도시한다. 반사 단부(4) 상의 반사 표면 및 광 추출 특징부(12)의 곡률이 협력하여 조명기 요소(15h)로부터의 광선으로 광학 윈도우(260)로부터 측방향으로 이격되는 제2 광학 윈도우(440)를 생성한다.

유리하게는, 도 4b에 예시된 배열은 조명기 요소(15c)의 실제 이미지를 광학 윈도우(260)에 제공할 수 있으며, 여기서 이러한 실제 이미지는 반사 단부(4)에서의 광파워와 도 4a에 도시된 바와 같이 영역(34, 36) 사이의 긴 광 추출 특징부(12)들의 상이한 배향에 기인할 수 있는 광파워의 협력에 의해 형성될 수 있다. 도 4b의 배열은 관찰 윈도우(26) 내의 측방향 위치로의 조명기 요소(15c)의 이미지 형성의 개선된 수차를 달성할 수 있다. 개선된 수차는 낮은 크로스토크 수준을 달성하면서 무안경 입체 디스플레이에 대한 확장된 관찰 자유도를 달성할 수 있다.

도 5는 실질적으로 선형의 광 추출 특징부를 갖춘 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 5는 도 1과 유사한 구성요소들의 배열을 도시하며(대응하는 요소가 유사함), 이때 차이점들 중 하나는 광 추출 특징부(12)들이 실질적으로 선형이고 서로 평행하다는 것이다. 유리하게는, 그러한 배열은 디스플레이 표면을 가로질러 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있고, 도 4a와 도 4b의 만곡된 추출 특징부보다 제조하기에 더 편리할 수 있다. 지향성 도파관(1)의 광학 축(321)은 반사 단부(4)에서의 표면의 광학 축 방향일 수 있다. 반사 단부(4)의 광파워는 광학 축 방향을 가로지르도록 배열되며, 이에 따라 반사 단부(4)에 입사하는 광선은 광학 축(321)으로부터의 입사 광선의 측방향 오프셋(319)에 따라 변하는 각도 편향을 가질 것이다.

도 6a는 제1 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6b는 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 백라이트 장치에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6c는 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이다. 또한, 도 6a는 단차형 도파관(1)으로부터 관찰 윈도우(26)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 그룹(31)은 단일 광학 윈도우(260) 또는 광학 윈도우(260)들의 어레이를 포함할 수 있는 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되는 광 원추(17)를 제공할 수 있다. 도 6b는 관찰 윈도우(44)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 그룹(33)은 (단일 광학 윈도우(440) 또는 광학 윈도우(440)들의 어레이를 포함할 수 있는) 관찰 윈도우(44)를 향해 지향되는 광 원추(19)를 제공할 수 있다. 시간 다중화 디스플레이와 협력하여, 관찰 윈도우(26, 44)가 도 6c에 도시된 바와 같이 순서대로 제공될 수 있다. 공간 광 변조기(48)(도 6a, 도 6b, 도 6c에 도시되지 않음) 상의 이미지가 광 방향 출력에 상응하게 조절되면, 적합하게 위치된 관찰자에 대해 무안경 입체 이미지가 달성될 수 있다. 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다. 조명기 요소 그룹(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기서 n은 1보다 큰 정수임)로부터의 하나 이상의 조명 요소를 포함하는 것에 유의한다.

도 7은 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스를 포함하는 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이 장치의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 축(29)을 따라 조명기 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 켜고 끄는 것은 관찰 윈도우(26, 44)의 방향 제어를 제공한다. 머리(45) 위치가 카메라, 동작 센서, 동작 검출기, 또는 임의의 다른 적절한 광학적, 기계적 또는 전기적 수단으로 모니터링될 수 있고, 조명기 어레이(15)의 적절한 조명기 요소가 머리(45) 위치와 관계없이 각각의 눈에 실질적으로 독립적인 이미지를 제공하도록 켜지고 꺼질 수 있다. 머리 추적 시스템(또는 제2 머리 추적 시스템)은 하나 초과의 머리(45, 47)(머리(47)는 도 7에 도시되지 않음)의 모니터링을 제공할 수 있고, 각각의 관찰자의 좌안 및 우안에 동일한 좌안 및 우안 이미지를 제공하여 모든 관찰자에게 3D를 제공할 수 있다. 역시, 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다.

도 8은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 관찰자가 공간 광 변조기(48) 상의 상이한 이미지를 볼 수 있도록 적어도 2개의 2D 이미지가 한 쌍의 관찰자(45, 47)를 향해 지향될 수 있다. 도 8의 2개의 2D 이미지는 2개의 이미지가 순서대로 그리고 그것의 광이 2명의 관찰자를 향해 지향되는 광원과 동기화되어 디스플레이될 수 있다는 점에서 도 7에 관하여 기술된 바와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 하나의 이미지가 제1 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시되고, 제2 이미지가 제1 위상과는 상이한 제2 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 상응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 관찰 윈도우(26) 내에 있는 관찰자는 제1 이미지를 인식할 것인 반면, 양안이 관찰 윈도우(44) 내에 있는 관찰자는 제2 이미지를 인식할 것이다.

도 9는 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 2D 디스플레이 시스템이 또한 도 9에 도시된 바와 같이 광이 주로 제1 관찰자(45)의 눈에 지향될 수 있는 지향성 백라이팅을 보안 및 효율 목적으로 이용할 수 있다. 또한, 도 9에 예시된 바와 같이, 제1 관찰자(45)가 디바이스(50) 상의 이미지를 보는 것이 가능할 수 있지만, 광이 제2 관찰자(47)를 향해서는 지향되지 않는다. 따라서, 제2 관찰자(47)는 디바이스(50) 상의 이미지를 보는 것이 방지된다. 본 발명의 실시예들 각각은 유리하게도 무안경 입체, 이중 이미지 또는 프라이버시 디스플레이 기능을 제공할 수 있다.

도 10은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 10은 단차형 도파관(1)과 단차형 도파관(1) 출력 표면을 가로질러 실질적으로 시준된 출력을 위해 관찰 윈도우(26)를 제공하도록 배열되는 프레넬 렌즈(62)를 포함할 수 있는, 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 도시한다. 수직 확산기(68)가 관찰 윈도우(26)의 높이를 더욱 확장시키도록, 그리고 측방향(예를 들어, y 축)의 방향에서의 블러링(blurring)을 최소화하면서 수직 방향(예를 들어, x-축에 평행함)의 방향에서의 블러링을 달성하도록 배열될 수 있다. 광은 이어서 공간 광 변조기(48)를 통해 이미지 형성될 수 있다. 조명기 어레이(15)는 예를 들어 인광체 변환 청색 LED일 수 있거나 별개의 RGB LED일 수 있는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소는 별개의 조명 영역을 제공하도록 배열되는 균일한 광원과 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 요소는 레이저 광원(들)을 포함할 수 있다. 레이저 출력은 예를 들어 갈보(galvo) 또는 MEMS 스캐너를 사용한 스캐닝에 의해 확산기 상으로 지향될 수 있다. 일례에서, 레이저 광은 따라서 적절한 출력각을 갖는 실질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 그리고 또한 스페클(speckle)의 감소를 제공하기 위해 조명기 어레이(15) 내의 적절한 조명기 요소를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15)는 레이저 광 방출 요소들의 어레이일 수 있다. 또한, 일례에서, 확산기는 파장 변환 인광체일 수 있어서, 조명이 가시 출력 광과는 상이한 파장에 있을 수 있다.

이와 같이, 도 1 내지 도 10은 도파관(1), 그러한 도파관(1) 및 조명기 어레이(15)를 포함하는 지향성 백라이트, 및 그러한 지향성 백라이트 및 SLM(48)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 다양하게 기술한다. 그렇기 때문에, 도 1 내지 도 10을 참조하여 상기에 개시된 다양한 특징은 임의의 조합으로 조합될 수 있다.

도 11은 다른 이미지 형성 지향성 백라이트, 즉 예시된 바와 같은 웨지 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 12는 유사한 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 웨지 유형 지향성 백라이트는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 발명의 명칭이 "평면 패널 렌즈(Flat Panel Lens)"인 미국 특허 제7,660,047호에 의해 개괄적으로 논의된다. 이러한 구조체는 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 저부 표면을 갖춘 그리고 또한 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 단부 파형 표면(1102)을 갖춘 웨지 유형 도파관(1104)을 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 광이 국소 광원(1101)으로부터 웨지 유형 도파관(1104)에 입사할 수 있고, 이러한 광은 단부 표면으로부터 반사되기 전에 제1 방향으로 전파될 수 있다. 광은 그것의 복귀 경로 상에 있는 동안 웨지 유형 도파관(1104)으로부터 출사할 수 있고, 디스플레이 패널(1110)을 조명할 수 있다. 광학 밸브와의 비교로서, 웨지 유형 도파관은 광이 출력 표면에 임계각으로 입사할 때 그것이 출사할 수 있도록 전파되는 광의 입사각을 감소시키는 테이퍼(taper)에 의한 추출을 제공한다. 웨지 유형 도파관에서 임계각으로 출사하는 광은 프리즘 어레이와 같은 방향 전환 층(1108)에 의해 편향될 때까지 표면에 실질적으로 평행하게 전파된다. 웨지 유형 도파관 출력 표면 상의 오차 또는 먼지가 임계각을 변화시켜, 미광과 균일성 오차를 생성할 수 있다. 또한, 웨지 유형 지향성 백라이트에서 빔 경로를 폴딩하기 위해 미러를 사용하는 이미지 형성 지향성 백라이트가 웨지 유형 도파관에서 광 원추 방향을 편의시키는 다면 미러(faceted mirror)를 채용할 수 있다. 그러한 다면 미러는 대체로 제조하기에 복잡하고, 조명 균일성 오차뿐만 아니라 미광을 유발할 수 있다.

웨지 유형 지향성 백라이트와 광학 밸브는 또한 광 빔을 상이한 방식으로 처리한다. 웨지 유형 도파관에서는, 적절한 각도로 입력된 광이 주 표면(major surface) 상의 한정된 위치에서 출력될 것이지만, 광선이 실질적으로 동일한 각도로 그리고 주 표면에 실질적으로 평행하게 출사할 것이다. 그에 비해, 소정 각도로 광학 밸브의 단차형 도파관에 입력된 광은 제1 면에 걸친 지점들로부터 출력될 수 있으며, 이때 출력각은 입력각에 의해 결정된다. 유리하게는, 광학 밸브의 단차형 도파관은 광을 관찰자를 향해 추출하기 위해 추가의 광 방향 전환 필름을 필요로 하지 않을 수 있고, 입력의 각도 불균일성이 디스플레이 표면을 가로질러 불균일성을 제공하지 않을 수 있다.

지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 몇몇 지향성 디스플레이 장치의 설명이 이어지며, 여기서 지향성 디스플레이 디바이스는 도파관과 SLM을 포함하는 지향성 백라이트를 포함한다. 다음의 설명에서, 도파관, 지향성 백라이트 및 지향성 디스플레이 디바이스는 위의 도 1 내지 도 12의 구조에 기초하고 그것을 포함한다. 이제 기술될 변경 및/또는 추가의 특징을 제외하고는, 위의 설명이 다음의 도파관, 지향성 백라이트 및 디스플레이 디바이스에 동일하게 적용되지만, 간략함을 위해 반복되지 않을 것이다.

도 13은 디스플레이 디바이스(100)와 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 이제 제어 시스템의 배열과 작동이 기술될 것이고, 적절히 변경될 수 있는 요소를 변경하여 본 명세서에 개시된 디스플레이 디바이스들 각각에 적용될 수 있다. 도 13에 예시된 바와 같이, 지향성 디스플레이 디바이스(100)는 그것 자체가 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있는 지향성 백라이트 디바이스를 포함할 수 있다. 도 13에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 광 지향 면(8), 반사 단부(4), 안내 특징부(10) 및 광 추출 특징부(12)를 포함한다. 지향성 디스플레이 디바이스(100)는 SLM(48)을 추가로 포함할 수 있다.

도파관(1)은 전술된 바와 같이 배열된다. 반사 단부(4)는 반사 광을 수렴시킨다. 프레넬 렌즈(62)가 관찰자(99)에 의해 관찰되는 관찰 평면(106)에서 관찰 윈도우(26)를 달성하기 위해 반사 단부(4)와 협력하도록 배열될 수 있다. 투과성 SLM(48)이 지향성 백라이트로부터 광을 수광하도록 배열될 수 있다. 또한, 확산기(68)가 도파관(1)과 SLM(48)의 픽셀뿐만 아니라 프레넬 렌즈 구조체(62) 사이의 모아레 맥놀이(

)를 실질적으로 제거하기 위해 제공될 수 있다. 확산기(68)는 측방향(예를 들어, y-축)으로의 확산보다 큰, 수직 방향(예를 들어, x-축)으로의 확산을 제공하도록 배열되는 비대칭 확산기일 수 있다. 유리하게는, 디스플레이 균일성이 증가될 수 있고, 인접 관찰 윈도우들 사이의 크로스토크가 최소화될 수 있다.

제어 시스템은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 센서 시스템은 카메라와 같은 위치 센서(70)와, 예를 들어 컴퓨터 비전 이미지 처리 시스템을 포함할 수 있는 머리 위치 측정 시스템(72)을 포함한다. 제어 시스템은, 둘 모두가 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터 제공되는 관찰자의 검출된 위치를 제공받는 조명 제어기(74)와 이미지 제어기(76)를 추가로 포함할 수 있다.

조명 제어기(74)는 도파관(1)과 협력하여 광을 관찰 윈도우(26) 내로 지향시키도록 조명기 요소(15)들을 선택적으로 작동시킨다. 조명 제어기(74)는, 광이 지향되는 관찰 윈도우(26)들이 관찰자(99)의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있도록, 머리 위치 측정 시스템(72)에 의해 검출된 관찰자의 위치에 의존하여 작동될 조명기 요소(15)를 선택한다. 이러한 방식으로, 도파관(1)의 측방향 출력 지향성이 관찰자 위치와 상응한다.

이미지 제어기(76)는 이미지를 디스플레이하도록 SLM(48)을 제어한다. 무안경 입체 디스플레이를 제공하기 위해, 이미지 제어기(76)와 조명 제어기(74)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 이미지 제어기(76)는 SLM(48)을 시간 다중화 좌안 및 우안 이미지를 디스플레이하도록 제어한다. 조명 제어기(74)는 좌안 및 우안 이미지의 디스플레이와 동기식으로 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 각자의 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원(15)들을 작동시킨다. 이러한 방식으로, 무안경 입체 효과가 시분할 다중화 기술을 사용하여 달성된다.

일 단부에서의 광 주입을 포함하는 지향성 백라이트와 비교할 때, 디스플레이 영역의 조명의 최적화된 효율, 감소된 베젤 크기 및 바람직한 조도 수준을 갖는 큰 디스플레이 크기를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 본 명세서에 기술될 바와 같이, 밸브-중간 및 웨지-중간 주입 실시예로 그러한 결과가 달성될 수 있다.

도 14a는 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도이고, 도 14b는 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도이다. 지향성 백라이트는 도파관(1)을 포함할 수 있는데, 이 도파관은 예를 들어 도 2c에 도시된 것과 유사하게 입력 광을 도파관(1)을 따라 안내하기 위한 제1 안내 표면(6) 및 대향된 제2 안내 표면(8)을 포함한다. 제1 안내 표면(6)은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 제2 안내 표면(8)은 도파관(1)을 통해 안내된 광을 출력 광으로서 제1 안내 표면(6)을 통한 출사를 허용하는 방향으로 반사하도록 배향된 복수의 광 추출 특징부(12), 및 광을 추출함이 없이 광을 도파관(1)을 통해 지향시키도록 배열된, 광 추출 특징부(12)들 사이의 중간 영역(10)을 포함한다. 제2 안내 표면(8)은 광 추출 특징부일 수 있는 소면(12)들, 및 중간 영역(10)을 포함하는 단차형 형상을 가질 수 있다. 반사 단부(4)는 y-축과 같은 측방향으로 양의 광파워를 갖는다. 투과성 공간 광 변조기(48)가 제1 안내 표면(6)으로부터 출력 광을 수광하도록, 그리고 이미지를 디스플레이하기 위해 출력 광을 변조시키도록 배열된다. 적어도 하나의 광원은 도파관을 가로질러 측방향으로 각자의 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 광원들의 어레이는 곡선으로 배열될 수 있다.

적어도 하나의 광원의 어레이(201)가 도파관(1)을 가로질러 측방향(y-축)으로 상이한 입력 위치들에서 입력 광을 발생시키도록 배열된다. 본 실시예에서, 이러한 광원이 전형적으로 배열될 것이지만, 기술될 바와 같이 하나의 광원이 배열될 수 있다.

또한, 적어도 하나의 광원이 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열될 수 있다. 도파관(1)은 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하기 위한 반사 단부(4)를 추가로 포함하며, 제2 안내 표면(8)은 입력 광을 반사 단부(4)로부터의 반사 후에 제1 안내 표면(6)을 통해 출력 광으로서 편향시키도록 배열되고, 도파관(1)은 출력 광을 입력 광의 입력 위치에 의존하여 y 축과 같은 측방향으로 위치되는 출력 방향으로 광학 윈도우(260) 내로 지향시키도록 배열된다. 어레이(201)의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 도파관(1)을 따라 도중까지 제2 안내 표면(8)을 통해 도파관(1) 내로 주입하도록 배열된다.

제2 안내 표면은 입력 개구에 의해 측방향, 예를 들어 z-축에 수직으로 분리된, 도파관(1)을 따라 도중까지 각각 연장되는 적어도 2개의 부분(208, 210)을 포함할 수 있으며, 어레이(201)의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 입력 개구를 통해 주입하도록 배열된다. 입력 개구는 제2 안내 표면(8)의 2개의 부분(208, 210) 사이에서 연장되는 입력 소면(200)을 포함하며, 적어도 하나의 광원의 어레이(201)는 입력 소면(200)을 따라 배열된다.

적어도 하나의 광원의 어레이(201)는 제2 안내 표면(8)의 부분들 중 하나(210) 뒤에 배치되고, 차광체(202)가 적어도 하나의 광원의 어레이(201)와 적어도 하나의 광원의 어레이(201)가 뒤에 배치되는 제2 안내 표면(8)의 부분들 중 하나(210) 사이에 배열된다. 광은 이에 따라 도파관(1)의 일 단부(204)에 있지 않은 위치에서 도파관(1) 내로 입력될 수 있다. 작동 시에, 어레이(201)의 광원(201n)으로부터의 광선(206)이 실질적으로 손실 없이 도파관(1)을 따라 반사 단부(4)로 지향될 수 있고, 도파관을 따라 제1 부분(208) 및 제2 부분(210)을 통해 제2 부분(210)의 광 추출 소면(12)으로 복귀될 수 있으며, 그 지점에서 그것이 광학 윈도우(260)로 지향된다. 다른 광선(207)이 제1 부분(208)에서 추출되고 동일한 광학 윈도우(260)로 지향될 수 있다.

어레이(201)의 적어도 하나의 광원은 램버시안 출력을 가질 수 있으며, 따라서 일부 광선이 어레이로부터 직접 도파관(1)의 제2 부분(210)으로 지향될 수 있고, 또한 표면(8)의 특징부 및 소면(200)에 의해 산란될 수 있다. 그러한 미광(stray light) 소스의 가시성을 최소화하거나 제거하는 것이 바람직하다. 광학 윈도우(260)에 있는 관찰자(99)에 대한 어레이(201)의 광 방출 요소의 직접적인 가시성은 차광체(202)를 제공함으로써 최소화될 수 있으며, 이에 따라 소면으로부터의 미광 아티팩트(artifact)가 감소될 수 있어, 최소 크기의 그리고 도파관(1)의 부분(208, 210) 사이의 높은 균일성을 갖는 조명 시임(illumination seam)을 제공할 수 있다.

다양한 종횡비를 갖는 디스플레이의 효율적인 조명을 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 전형적으로, LED와 같은 어레이(15)의 적어도 하나의 광원은 공기 중에서 작동하도록 그리고 관찰 각도에 따라 광도의 실질적으로 램버시안 변화를 달성하도록 배열될 수 있다. 도파관에 입사하는 그러한 LED는 전형적으로 굴절되어 도파관의 재료의 임계 각도(227)에서 한계 광선(229)을 갖는 광 원추를 생성할 것이다. 반사 단부(4)의 개구(233)가 효율을 최적화하기 위해 비교적 작은 오버필(overfill)(231)을 갖는 어레이(15)로부터의 광에 의해 채워지는 것이 바람직하다. 개구(233) 대 부분(208) 높이의 비에 의해 주어지는, 그러한 조명 조건의 종횡비는 16:9에 가깝다. 보다 큰 종횡비는 확산기를 입력 개구에 통합함으로써 달성될 수 있지만; 그러한 확산기는 또한 광 손실을 일으킬 수 있다.

몇몇 실시예에서, 보다 작은 종횡비, 예를 들어 하기에 기술될 바와 같은 폴딩가능 디스플레이에 사용하기 위한 1:1 종횡비를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 디스플레이는 적어도 하나의 광원이 도파관의 단부(204)에 배열되었다면 큰 오버필(231)을 제공할 수 있으며, 따라서 비효율적으로 조명될 수 있다. 본 실시예는 총 도파관 길이와는 독립적인 단부(4)로부터의 제어된 거리에 위치될 어레이(201)를 제공하며, 이에 따라 작은 종횡비를 갖는 디스플레이에서 효율적인 조명을 달성하기 위한 어레이(201)의 배치를 달성할 수 있다.

바람직한 광학 윈도우(260) 피치를 제공하기에 적절할 수 있는 LED의 크기를 감소시키는 것이 또한 바람직할 수 있다. 이는 적어도 하나의 광원이 단부(204)에 배열되는 경우에 달성될 수 있는 것보다 큰 어레이(201) 배율을, 단부(204, 4) 사이에 어레이(201)를 제공하는 것에 의해, 관찰 윈도우(260)에 제공함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 주어진 광원 크기에 대해 보다 큰 광학 윈도우(260) 피치를 달성하여, 광원 비용을 감소시키고 주어진 디스플레이 조건에 대한 광학 윈도우 기하학적 구조의 추가의 조정을 가능하게 할 수 있다.

그러한 지향성 백라이트는 제어 시스템이 광을 상기 출력 방향에 대응하는 다양한 광학 윈도우(260) 내로 지향시키기 위해 어레이(15)의 적어도 하나의 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있도록 도 13의 제어 시스템과 협력하여 사용될 수 있다.

제어 시스템은 또한 시간 다중화 좌측 및 우측 이미지를 디스플레이하기 위해 그리고 디스플레이되는 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 동기식으로 지향시켜 디스플레이의 무안경 입체 작동을 달성하기 위해 디스플레이 디바이스(48)를 제어하도록 배열될 수 있다.

본 실시예의 지향성 백라이트는 광을 종래의 2D 백라이트보다 작은 광 원추 내로 지향시킬 수 있다. 그러한 디스플레이가 동일한 전력 소비에 대해 종래의 2D 백라이트에서 달성될 수 있는 휘도보다 훨씬 더 높은, 주어진 전력 소비에 대한 디스플레이 휘도를 제공하도록 배열될 수 있음을 인식하였다. 예시적인 예에서, 1.2 W 총 전력 소비 및 6.5% LCD 패널 투과율로 작동하는 2개의 50 루멘(lumen) LED를 사용하는 4" 대각선 디스플레이가, 동일한 전력 소비에 대해 500 니트 휘도를 달성할 수 있는 종래의 2D 디스플레이 백라이트에 비해 2000 니트 디스플레이 휘도보다 큰 휘도를 달성하는 것으로 실증되었다. 또한, 백라이트 전력 소비를 감소시키는 것은 종래의 2D 백라이트보다 낮은 전력에 대해 주어진 디스플레이 휘도를 달성할 수 있다. 따라서, 500 니트 휘도가 300 mW의 전력 소비를 갖는 본 지향성 백라이트에 의해 제공될 수 있다. 제어 시스템은 이에 따라 고 휘도 2D 이미지 또는 저 전력 소비 2D 이미지를 지향시키도록 배열될 수 있다.

제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열된 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 제어 시스템은 디스플레이되는 좌측 및 우측 이미지를 관찰자의 검출된 위치에 의존하여 수행되는 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우(26) 내로 지향시키도록 어레이(15)의 적어도 하나의 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있다.

도 15a 및 도 15b는 웨지-중간 광 입력 소면(1320)을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의, 각각, 정면도 및 측면도를 예시한 개략도이다. 그러한 지향성 백라이트는 도 12에 예시된 것과 유사한 방식으로 작동한다. 제1 안내 표면(1126)은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 제2 안내 표면(1128)은 실질적으로 평탄하고, 제1 안내 표면(1126)을 통해 광을 출력하기 위해 내부 전반사를 파괴하는 방향으로 광을 반사하도록 비스듬히 경사지며, 디스플레이 디바이스는 광을 공간 광 변조기(1110)에 대한 법선을 향해 편향시키기 위해 도파관(1100)의 제1 안내 표면(1126)을 가로질러 연장되는 편향 요소(1108)를 추가로 포함한다. 입력 개구가 소면(1320)에 의해 제공되고, 적어도 하나의 광원의 어레이(1315)가 광선(1322)을 관찰 윈도우(260)로 지향시키도록 배열된다. 도파관(1100)의 제1 부분(1306)에는 평면 미러(planar mirror)(1300)가 제공될 수 있고, 제2 부분(1306)에 또한 평면 미러(1302)가 제공될 수 있다. 미러는 도파관(1100)의 후부를 통해 투과된 광을 다시 광 편향 요소(1108)의 방향으로 그리고 광학 윈도우(260)로 지향시키도록 작동할 수 있다. 작동 시에, 미러(1302)는 어레이(1315)의 적어도 하나의 광원과 관찰 윈도우(260)에 있는 관찰자 사이에 차광체를 추가로 제공할 수 있다. 광 흡수 차폐체(light absorbing shield)가 어레이(1315)로부터의 미광을 추가로 감소시키기 위해 어레이(1315)와 미러(1302) 사이에 배열될 수 있다.

도 16a 내지 도 16e는 광 주입을 위한 입력 개구의 영역에 있는 밸브-중간 광 입력 표면의 측면도를 예시한 개략도이다. 도시된 바와 같은 배열은 밸브-중간 주입 실시예에 관한 것이지만, 웨지-중간 주입 실시예에 또한 적용될 수 있다. 도 16a에 도시된 바와 같이, 어레이(201)는, 실질적으로 평탄한 그리고 평탄한 광 안내 표면(6)에 직교하는 입력 개구에서 입력 소면을 갖도록 배열될 수 있다. 원칙적으로 고각(high angle) 광선(241)은 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 그러나, 결함(imperfection) 및 피처 둥글기(feature roundness)를 갖는 특징부(243)가 광학 윈도우(260)를 향해 지향될 수 있는 미광 광선(245)을 제공하고 입력 개구의 영역 내에 시임 아티팩트를 생성할 수 있다.

도 16b 및 도 16c는 축외 광선이 약간 축외로 지향되도록 소면(242, 246)이 회전될 수 있는 것을 예시하는데, 이는 유리하게도 시스템 내의 미광의 위치를 최적 관찰 위치로부터 멀어지는 쪽으로 이동시킬 수 있어, 바람직한 관찰 각도에 대해 시임 가시성이 감소된다.

도 16d 및 도 16e는 지향성 백라이트가 입력 개구를 통한 입력 광의 주입을 위해 입력 광을 적어도 하나의 광원으로부터 입력 개구로 안내하도록 적어도 하나의 광원의 어레이(201)와 입력 개구 사이에 배열된 주입 도파관 부분(236)을 추가로 포함하는 것을 예시한다. 주입 도파관 부분(236)은 도파관(1)과는 별개의 요소일 수 있다. 입력 소면(246)은 도파관(236)의 출력 소면(237)의 경사에 정렬되는 경사를 갖고서 배열될 수 있고, 상기 경사는 또한 미광을 관찰 윈도우로부터 멀어지는 쪽으로, 예를 들어 지향성 백라이트의 후부로 지향시키도록 배열될 수 있다. 그러한 배열은 유리하게도 어레이(201)로부터의 미광 시임의 가시성을 추가로 감소시킬 수 있다. 특히, 최고 광원 세기의 영역 및 이에 따라 미광이 차광체(202)에 의해 관찰자(99)로부터 가려진다.

도 17은 베젤 크기를 감소시키도록 배열된 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도이다. 예를 들어 도 2c에 도시된 바와 같이, 광원 어레이(201)가 도파관의 단부(2)에 배열되는 배열과 비교해, 어레이(201)가 도파관(1) 아래에 배치될 수 있으며, 이에 따라 백라이트의 베젤(400)이 더욱 감소될 수 있다. 또한, 어레이(201)가 도파관(1)의 가장 얇은 부분 아래에 배열되어, 모바일 디스플레이와 같은 디스플레이를 위한 콤팩트한 설계를 달성할 수 있다.

도 18a 내지 도 18c는 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이의 측면도 및 후방 반사기의 작동을 예시한 개략도이다. 후방 반사기는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 공계류 중인 미국 특허 출원 제13/939,053호(리얼디 참조 번호: 95194936.335001)에 기술된다. 각자의 후방 반사기(300)가 제2 안내 표면(8)의 부분(208, 210) 각각 뒤에 배열되며, 각각의 후방 반사기(300)는 도파관(1)의 복수의 소면(12)을 통해 투과되는, 적어도 하나의 광원의 어레이(201)로부터의 광선(418)을 다시 도파관(1)을 통해 반사하여 제1 안내 표면(6)을 통해 상기 광학 윈도우(260) 내로 출사하게 하도록 배열된 반사 소면(310)들의 어레이를 포함한다. 도 18b에 예시된 바와 같이, 작동 시에, 광 추출 특징부(12)에 의해 투과되는 광선(418)은 반사 소면(310)에 입사하고, 도파관(1)을 통해 광학 윈도우(260)를 향해 방향 전환된다. 후방 반사기(312)는, 또한 유리하게도 편광 재순환 및 증가된 휘도를 달성하도록 배열될 수 있는 프리즘형 필름 구조체를 달성하기 위한 소면(312)을 추가로 포함할 수 있다. 후방 반사기는 캐스팅(casting) 또는 엠보싱(embossing)을 비롯한 알려진 제조 방법에 의해 형성될 수 있고, 그것의 표면 상에 형성된 금속 층(311)을 가질 수 있다. 그러한 반사기는 유리하게도 후방 반사기를 갖지 않는 배열과 비교해 증가된 디스플레이 휘도를 달성할 수 있다. 또한, 후방 반사기는 차광체(202)의 기능을 제공하고 x-z 평면 내에서의 균일성을 증가시킬 수 있다.

도 18a는 또한 주입 도파관 부분(236)이 도파관(1)과 굴절률 정합될 수 있거나, 도파관(1)과 일체로 형성될 수 있는 것을 도시한다. 따라서, 광 주입을 위한 개구는 물리적 표면을 포함하지 않을 수 있다. 어레이(201)는 커넥터(460) 및 케이블(408)을 갖춘 금속 피복 인쇄 회로 보드(404) 상에 패키지(402) 내에 장착될 수 있다. 보드(404)는 도파관 뒤에 배열될 수 있으며, 따라서 베젤(400) 크기를 증가시킴이 없이 크기가 증가될 수 있다. 보드(404)는 어레이가 도파관(1)의 단부(2)에 배열되는 배열과 비교해 개선된 히트-싱킹(heat-sinking) 특성을 달성하도록 배열될 수 있다. 따라서, 어레이(201)의 광 방출 요소의 효율이 증가될 수 있다.

입력 개구 및 도파관(236)에 가까운 영역(405)에서, 광 추출 특징부(12)들의 공간 밀도는 다른 영역(407) 내의 광 추출 특징부들의 공간 밀도와 비교해 증가될 수 있다. 또한, 광 흡수 특징부(410)가 광 안내 표면(6) 상에 통합될 수 있다. 특징부(410)는 입력 개구 부근으로부터의 미광(412)의 세기를 감소시키도록 배열될 수 있고, 영역(405) 내의 증가된 특징부(12) 밀도는 특징부(12) 및 반사기(300)로부터 지향된 광의 양을 보상하도록 배열될 수 있어, 광 주입 개구에 가까운 영역에서 증가된 디스플레이 균일성을 달성할 수 있다.

도 18c는 축외 특징부에 대한 높은 균일성을 추가로 달성하기 위해 특징부(12)가 도파관(236)까지 연장되는 추가의 실시예를 예시한다. 따라서, 슬롯(415)이 제2 부분(210)을 위한 후방 반사기(300)를 수용하도록 배열된다. 유리하게도, 광 주입 개구의 영역에서의 균일성이 증가될 수 있다.

도 19는 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함할 수 있는 지향성 백라이트를 포함하는 추가의 지향성 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도이다. 제2 안내 표면(8)의 2개의 부분(208, 210)이 도파관(1)을 따른 방향으로 중첩된다. 추가의 차광체(202)가 평평한 후방 반사기(300)를 달성하기 위해, 그리고 제2 부분(210)에서 반사기 필름(300)을 통한 광 투과를 방지하기 위해 배열될 수 있다. 도파관(236)은 확산기, 컬러 필터, 반사기 또는 다른 광 관리 층 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 입력 층(235)을 포함할 수 있다. 그러한 층은 유리하게도 디스플레이 휘도를 증가시키거나, 크로스토크를 감소시키거나, 디스플레이 공간 균일성을 개선하거나, 관찰 윈도우(26) 각도 균일성을 개선하기 위해 조합되어 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 추가의 층(411)이 입력 소면(200)과 도파관(236) 사이의 입력 개구에 배열될 수 있다. 그러한 층은 확산기, 컬러 필터 또는 다른 광 관리 층 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 조명 시임에서 미광의 가시성을 감소시키도록 배열될 수 있다.

도 20 및 도 21은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이다. 광 추출 특징부(12)는 도 4a와 유사한 방식으로 만곡될 수 있으며, 이에 따라 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있어서, 프레넬 렌즈(62)가 지향성 백라이트에서 요구되지 않는다. 도 20은 입력 개구에 있는 입력 소면(200)이 선형일 수 있음을 예시하는 반면, 도 21은 입력 소면(200)이 단부(4) 및 만곡된 추출 특징부(12)의 필드 수차(field aberration)를 보상할 수 있는 만곡된 형상을 가질 수 있음을 도시한다. 유리하게도, 지향성 백라이트의 광학 수차가 축외 광학 윈도우에 대해 감소되어, 디스플레이의 관찰 자유도를 증가시킬 수 있다.

지향성 디스플레이의 종방향 관찰 자유도는 적어도 광학 윈도우(260) 크기, 관찰자(99)의 양안간 간격(interocular separation), 윈도우 평면(106)의 공칭 거리, 디스플레이 폭 및 광학 수차에 의해 결정된다. 지향성 디스플레이의 종방향 관찰 자유도를 더욱 증가시키는 것이 바람직하다.

본 실시예는 광 안내 플레이트(1)를 통한 두 번째 통과 후에 디스플레이 영역을 조명하기 위한 단차형 구조체를 교시한다. 복귀 반사 경로를 갖는 그러한 구조체는 유리하게도 입력 소면(200)으로부터 반사 단부(4)로 전파되는 광의 숨겨진 전개(fan out)로부터 이익을 얻는다. 본 실시예는 유리하게도 입력 소면(200)의 감소된 가시성을 달성한다.

도 22는 추가의 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도이다. 광 조합기(light combiner)(234)가 적어도 하나의 광원의 어레이(232), 주입 도파관 부분(236), 입력 개구, 및 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 적어도 하나의 광원의 추가의 어레이(230) 사이에 배열되며, 추가의 어레이(230)의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 광 조합기를 통해 도파관 내로 주입하도록 배열되고, 적어도 하나의 광원의 추가의 어레이는 적어도 하나의 광원의 첫 번째로 언급된 어레이(232)보다 반사 단부(4)에 더 가깝다. 유리하게도, 적어도 하나의 광원(232)은 반사 단부(4)로부터 2가지 상이한 거리에 배열될 수 있으며, 이에 따라 광학 윈도우가 지향성 백라이트로부터 2가지 상이한 거리에서 달성될 수 있다. 기술될 바와 같이, 그러한 윈도우는 종방향 관찰 자유도를 확장시키는 데 사용될 수 있다.

도 23 및 도 24는 밸브-중간 광 입력 구조체 및 밸브-끝 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도이다. 도 23에서, 도파관(1)은 반사 단부(4)와 대면하는 대면 단부(2)를 갖고, 지향성 백라이트는 추가의 입력 광을 대면 단부(2)를 통해 도파관(1) 내로 주입하도록 배열된 적어도 하나의 광원의 추가의 어레이(215)를 추가로 포함한다. 지향성 백라이트는 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 적어도 하나의 광원의 추가의 어레이(201)를 추가로 포함할 수 있으며, 추가의 어레이(201)의 적어도 하나의 광원은 입력 광을 적어도 하나의 광원의 첫 번째로 언급된 어레이(215)와는 상이한 위치에 있는 도파관(1)을 따른 도중의 위치에서 제2 안내 표면(8)을 통해 도파관(1) 내로 주입하도록 배열된다. 도 24는 입력 광원(220) 및 차광체(221)를 포함하는 추가의 섹션(222)을 포함한다. 따라서, 광학 윈도우가 3개의 상이한 윈도우 평면 내에 그리고 백라이트로부터의 상이한 각자의 거리에 형성될 수 있다.

도 25는 적어도 하나의 광원의 어레이(232)로부터의 광을 도파관 입력 개구에 배열된 소면(200)에 의해 도파관(1)으로 지향시키도록 배열된 도파관(239)을 포함하는 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도이다. 그러한 배열은 도 10 및 도 14a의 배열과 비교해 증가된 휘도를 갖는 중첩 광학 윈도우를 달성할 수 있다. 또한, 광학 윈도우는 주어진 광원 피치에 대한 윈도우 제어의 해상도가 증가될 수 있도록 오프셋될 수 있다. 유리하게도, 움직이는 관찰자에 대한 관찰자 깜박거림 및 크로스토크가 감소될 수 있다.

도 26은 도 23의 배열의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 27은 도 26의 배열에 의해 달성될 수 있는 관찰 윈도우의 평면도를 예시한 개략도이다. 어레이(201)는 공칭 관찰자 위치(506)에 대해 윈도우 평면(500) 내에 광학 윈도우(514)를 달성하도록 배열될 수 있다. 관찰자 위치(508)에 대해, 어레이(215)는 도 23의 지향성 백라이트를 포함하는 디스플레이(100)로부터, z 방향으로, 상이한 종방향 거리에 있는 윈도우 평면(502) 내에 광학 윈도우(518)를 달성하도록 배열될 수 있다. 윈도우(514)로부터 전방으로 최대 종방향 관찰 자유도(510)가 영역(516)에 의해 도시되고, 유사하게 영역(520)이 광학 윈도우(518)에 대한 최대 종방향 관찰 자유도를 나타내어, 선(504)에 의해 지시된 바와 같은 최대 종방향 자유도를 달성한다. 알려진 관찰자 위치에 상응하게 어레이(215)로부터 어레이(201)로 조명을 스위칭함으로써, 총 종방향 관찰 자유도가 이에 따라 거리(510)로부터 거리(512)로 증가될 수 있다. 유리하게도, 그러한 디스플레이는 다양한 관찰 환경에서 보다 편리하게 작동될 수 있다.

도 28은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도이다. 도파관(1) 타일(551, 555, 559)은 각각 반사 단부(4)로부터의 각자의 상이한 거리에 배열된, 그리고 도 27에 도시된 것과 유사한 관찰 윈도우를 달성하는 각자의 제1 광원 어레이(552, 556, 560) 및 제2 광원 어레이(550, 554, 558)를 가질 수 있다.

도 29는 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 평면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 각각의 타일(551, 555, 559)은 도 27의 단일 타일보다 넓은 디스플레이에 걸쳐 확장된 관찰 자유도의 영역(516, 520)을 제공한다. 비교로서, 조합된 타일(551, 555, 559)의 폭을 갖는 단일 타일은 도 29의 배열과 비교해 종방향 관찰 자유도의 실질적으로 1/3을 가질 수 있다. 따라서, 증가된 폭을 갖는 디스플레이, 예를 들어 모니터 및 텔레비전에서 종방향 관찰 자유도가 향상될 수 있다.

도 30은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브를 위한 제어 시스템을 예시한 개략도이다. 도 13의 배열과 비교해, 제어 신호가 관찰자(99)의 측정된 측방향 및 종방향 위치에 상응하게 광원 제어기(74)에 의해 광원 어레이(550, 552, 554, 556, 558, 560)에 제공된다. 유리하게도, 관찰자(99)의 관찰 자유도가 단일 광 주입 개구를 갖는 배열과 비교해 상당히 증가될 수 있다.

지향성 백라이트를 위한 광원으로부터의 광속 발산도(luminous emittance)는 LED와 같은 방출 기술의 달성가능한 출력에 의해 제한된다. 예시적인 예에서, LED의 광속 발산도는 30 lm/㎟으로 제한될 수 있다. 그러한 LED는 전형적으로 바람직한 확산 특성과 조합될 때 대각선 50"의 투과성 TFT-LCD 디스플레이에 대해 500 니트의 디스플레이 휘도를 제공하는 광학 윈도우를 달성할 수 없다. 고 휘도 출력을 유지하면서 디스플레이의 면적을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 연관된 적어도 하나의 광원의 어레이를 각각 갖는 도파관들의 타일링이 대형 디스플레이에서 바람직한 휘도 특성을 전달하는 데 사용될 수 있다. 도파관들 사이의 시임이 보이지 않는 방식으로 도파관들의 타일링된 어레이를 달성하는 것이 바람직할 수 있다.

도 31a는 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 측면도를 예시한 개략도이고, 도 31b는 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 지향성 백라이트는 동일한 방식으로 각각 배열된, 도파관(250, 252) 및 적어도 하나의 광원(258, 259)의 어레이의 복수의 세트를 포함할 수 있으며, 이때 도파관(1)들은 타일링된다. 도파관들은 반사 단부와는 반대편에 있는 단부들이 선(254)에서 맞닿는 상태로 측방향에 수직인 방향으로 타일링된 도파관들을 포함할 수 있다. 광 장벽(light barrier)이 또한 각자의 도파관(250, 252) 사이의 누출을 방지하기 위해 선(254)에서 포함될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 도파관(250, 252)이 일체로 형성될 수 있다. 유리하게도, 도파관들의 타일링된 어레이들 사이의 시임이 감소되거나 제거될 수 있다.

시야 순차 무안경 입체 디스플레이에서, 분리된 상부 및 저부 조명은, 한 라인씩 업데이트된 LCD의 반-높이 영역이 전체 프레임 시간의 상당한 비율 동안 안정적인 형상화를 달성할 수 있기 때문에, 조명 듀티 사이클을 크게 개선할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 시스템 내의 오프셋 적층된 광 방출 요소 어레이의 작동이 도 31a 및 도 31b의 타일링된 배열을 사용하여 도 32에 개략적으로 예시된다. 제1 시간 슬롯에서, SLM(48)은 스위칭 영역(164)을 포함할 수 있는 상부 부분을 제외하고 그것의 높이의 대부분에 걸쳐 우안 이미지(162)를 보여주고 있다. 따라서, 시간 슬롯(154)에서 관찰자는 단지 저부 도파관(250)에 의해 조명되는 우안 윈도우를 가질 수 있다. 다음 시간 슬롯에서, 디스플레이는 우측 이미지(162), 혼합된 이미지(164) 및 좌측 이미지(166)의 혼합체를 보여준다. 시간 슬롯(156)에서, 도파관(252)이 좌안 윈도우를 조명할 수 있고 광학 밸브(104)가 비-조명될 수 있도록 저부에 혼합된 영역을 갖는 디스플레이의 상부에서 좌측 이미지가 나타난다. 시간 슬롯(157)에서, 둘 모두의 광학 밸브가 비-조명될 수 있도록 디스플레이의 상부 및 저부 둘 모두가 혼합된 이미지를 보여준다. 시간 슬롯(158)에서, 저부 밸브가 좌측 윈도우를 조명할 수 있다. 시간 슬롯(159, 161)에서, 어느 광학 밸브도 조명되지 않을 수 있고, 시간 슬롯(160)에서, 상부 광학 밸브(100)가 우안 윈도우를 위해 조명될 수 있다. 따라서, 타이밍 시퀀스를 통해, 각각의 눈이 광학 밸브들의 어레이의 상부 및 저부로부터 좌안 및 우안을 볼 수 있다. 유리하게도, 디스플레이 휘도가 보다 큰 조명 슬롯 시간을 사용함으로써 증가될 수 있고, 디스플레이 크로스토크가 감소될 수 있다.

도 33은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 추가의 타일링된 지향성 광 밸브의 정면도를 예시한 개략도이다. 도파관(1)들은 이에 따라 측방향으로 타일링된 도파관들을 포함한다. 도파관(270, 272 및 274, 276)은 측방향으로 쌍들로서 각각 타일링될 수 있고, 이러한 쌍들은 도 31b에 도시된 것과 유사한 방식으로 직교 방향으로 타일링될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 대안적으로 만곡될 수 있다. 유리하게도, 대형 디스플레이가 낮은 시임 가시성을 갖고서 배열될 수 있다.

도 34는 미국 특허 출원 제13/939,053호 및 제14/186,862호에 기술된 바와 같은 후방 반사기를 포함하는 타일링된 지향성 광 밸브의 일부분의 측면도를 예시한 개략도이며, 이들 미국 특허 출원 둘 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 부분(250, 252) 각각 뒤에 배열된 각자의 후방 반사기(300)를 추가로 포함할 수 있으며, 각각의 후방 반사기(300)는 도파관(1)의 복수의 소면(12)을 통해 투과된, 적어도 하나의 광원으로부터의 광선(304, 308)을 다시 도파관(1)을 통해 반사하여 제1 안내 표면(6)을 통해 상기 광학 윈도우(260) 내로 출사하게 하도록 배열된 반사 소면(312, 310)의 어레이를 포함하고, 후방 반사기(300)는 영역(254) 내의 맞닿는 단부들 뒤에서 연속적으로 연장된다. 광 추출 특징부(12)에서 내부 전반사에 의해 반사되는 광선(302, 306)은 각각 광선(304, 308)과 조합되어, 비대칭 확산기일 수 있는 확산기(68)와 조합하여 관찰 윈도우(260)를 생성한다. 유리하게도, 후방 반사기(300)는 부분(250, 252) 사이의 시임 가시성의 추가 감소를 달성할 수 있다. 또한, 디스플레이의 휘도가 증가될 수 있다.

도 35는 밸브-중간 광 입력 표면을 포함하고 도 14b에 관하여 기술된 바와 같이 반사 단부의 효율적인 조명을 달성하도록 배열된 폴딩가능 지향성 디스플레이의 정면도를 예시한 개략도이다. 측방향으로 타일링된 도파관(422, 426)은 도파관(422, 426)의 폴딩을 허용하는 힌지(425)에 의해 연결된다. 특히, 2개의 도파관이 서로 바로 옆에 배열될 때 총 종횡비가 대략 16:9이도록 개별 도파관(422, 426)의 종횡비는 대략 8:9일 수 있다.

도 36은 폴딩된 배열의 폴딩가능 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도이다. 도파관(422, 426)은 각각 공간 광 변조기(420, 424)를 조명하도록 배열되고, 조립체에는 힌지(425)가 제공된다. 유리하게도, 예를 들어 모바일 디스플레이 응용에서, 와이드 스크린 작업이 제공되지 않을 때 작은 디스플레이 면적이 제공될 수 있다. 힌지의 배향은 SLM(420, 424)이 폴딩된 모드에서 보호되도록 플리핑(flipping)될 수 있다.

도 37은 디스플레이의 평면 내에 2D 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 측면도를 예시한 개략도이다. 이에 따라, 각각 좌안(430) 및 우안(432)을 갖는 관찰자(99)는 힌지 영역(440)에서 베젤(400)을 볼 수 있고, 영역(440)에서는 어느 눈에도 이미지가 보이지 않는다.

도 38은 무안경 입체 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 관찰의 측면도를 예시한 개략도이다. 무안경 입체 이미지는, 좌안 및 우안 이미지 데이터 사이의 모든 픽셀 포인트의 측방향 차이(439)를 갖고서, 실질적으로 동일한 2D 이미지를 각각의 눈에 제공하도록 배열된다. 따라서, 각각 공간 광 변조기(424, 420)로부터, 좌안(430)이 위치(436, 437)에 있는 2D 이미지를 보고 우안이 위치(438, 439)에 있는 2D 이미지를 본다. 이러한 방식으로, 힌지 뒤에 있는 영역(442)이 각각의 눈에 대해 상이한 위치에 표시되고, 관찰자는 힌지 영역(440)을 가로질러 연속 이미지 데이터를 인지할 수 있다. 유리하게도, 감소된 힌지 가시성을 갖는 폴딩가능 디스플레이가 달성된다.

도 39는 축외 관찰자 위치에 대한 무안경 입체 이미지를 포함하는 폴딩되지 않은 배열의 폴딩가능 디스플레이의 관찰의 측면도를 예시한 개략도이다. 폴딩되지 않은 디스플레이의 힌지는 SLM(420, 424)이 관찰자(99)에 대해 상이한 평면들에 제공되도록 조절될 수 있다. 각각 무안경 입체 디스플레이(420, 422 및 424, 426)의 차이는 생성된 무안경 입체 이미지가 동일 평면 상에 있도록 조절될 수 있다. 또한, 관찰자(99)의 위치(450)가 추적될 수 있고, 그에 맞춰 차이 데이터가 업데이트되어 생성된 2D 이미지를 관찰하기 위한 룩-어라운드(look-around) 기능성을 달성할 수 있다.

도 40은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이다. 입력 소면(200)은 출력 조명의 증가된 균일성을 달성하도록 배열된 특징부(801)를 포함할 수 있다. 특징부(801)는 특히 x-y 평면 내에서, 그러나 또한 x-z 평면 내에서 출력 지향성의 변경을 달성하도록 배열된, 프리즘, 렌즈, 회절 요소 또는 다른 광 분배 요소를 포함할 수 있다. 반사기와 같은 추가의 광학 요소가 휘도 균일성을 개선하기 위해 측부(22, 24) 상에 통합될 수 있다. 유리하게도, 밸브-중간 주입에 대한 디스플레이 균일성이 증가될 수 있다. 또한, 측부(4)가 예를 들어 도 20의 배열과 비교해 유리하게도 감소된 베젤 폭을 갖는 프레넬 미러를 포함할 수 있다. 유리하게도, 본 실시예는 예를 들어 도 11의 배열과 비교해 감소된 베젤 폭을 달성할 수 있다.

도 41은 밸브-중간 광 입력 구조체를 포함하는 지향성 백라이트를 포함하는 지향성 디스플레이를 사시도로 예시한 개략도이다. 후방 반사기(81)는 광 안내 플레이트(1)의 특징부(12)를 통해 투과되는 광에 대한 증가된 반사율, 및 반사 편광기를 포함하는 광학 스택(254)으로부터 반사되는 광에 대한 편광 재순환을 달성하도록 배열된 미세구조화된 표면(83)을 포함할 수 있다. 스택(254)은 확산기 및 지연기 층을 추가로 포함할 수 있다. 셰이딩 층(shading layer)(110)이 에지 영역을 가리도록 배열될 수 있다. 공간 광 변조기(48)는 편광기(118), 기판(120), 픽셀 영역(130, 132, 134)을 갖는 액정 층(122), 기판(124) 및 출력 편광기(126)를 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로" 및 "대략"은 그것의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대한 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 해당하지만 이로 제한되지 않는다. 항목들 사이의 그러한 상대성은 대략 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이다.

본 발명의 실시예들은 다양한 광학 시스템에 사용될 수 있다. 실시예는 다양한 프로젝터, 프로젝션 시스템, 광학 구성요소, 디스플레이, 마이크로디스플레이, 컴퓨터 시스템, 프로세서, 자급식(self-contained) 프로젝터 시스템, 시각 및/또는 시청각 시스템, 및 전기 및/또는 광학 디바이스를 포함하거나 그것과 함께 작동할 수 있다. 본 발명의 태양들은 광학 및 전기 디바이스, 광학 시스템, 프리젠테이션 시스템, 또는 임의의 유형의 광학 시스템을 포함할 수 있는 임의의 장치에 관련된 사실상 임의의 장치와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 광학 시스템, 시각 및/또는 광학 프리젠테이션에 사용되는 디바이스, 시각 주변 장치 등에 그리고 다수의 컴퓨팅 환경에 채용될 수 있다.

본 발명은 다른 실시예가 가능하게 하기 때문에, 본 발명은 그것의 응용 또는 생성에 있어서 도시된 특정 배열의 상세 사항으로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 태양들은 그 자체로 특유한 실시예를 한정하기 위해 상이한 조합들 및 배열들로 기재될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 제한이 아닌 설명의 목적을 위한 것이다.

본 명세서에 개시된 원리에 따른 다양한 실시예가 상기에 기술되었지만, 그것은 제한이 아닌 단지 예로서 제시되었음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 범위 및 범주는 상기에 기술된 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 청구항 및 그것의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점 및 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점들 중 임의의 것 또는 모두를 성취하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 청구항의 적용을 제한하지 않을 것이다.

또한, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77하의 제안과의 정합성을 위해 또는 달리 구성상의 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이들 표제는 본 개시 내용으로부터 유래될 수 있는 임의의 청구항에 기재된 실시예(들)를 제한하거나 특성화하지 않을 것이다. 구체적으로 그리고 예로서, 표제가 "기술분야"를 지칭하더라도, 청구범위는 그렇게 불리는 분야를 설명하기 위해 이러한 표제하에 선택된 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "배경기술"에서의 기술의 설명은 소정 기술이 본 개시에서의 임의의 실시예(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "발명의 내용"도 또한 유래된 청구항에 기재된 실시예(들)의 특성화로 간주되지 않아야 한다. 또한, 단수형으로의 "발명"에 대한 본 명세서에서의 임의의 언급은 본 발명에 단지 하나의 신규성의 사항만이 존재하는 것으로 주장하는 데 사용되지 않아야 한다. 다수의 실시예가 본 개시 내용으로부터 유래되는 다수의 청구항의 제한에 따라 기재될 수 있으며, 따라서 그러한 청구항은 그에 의해 보호되는 실시예(들) 및 그것의 등가물을 한정한다. 모든 경우에, 그러한 청구항의 범주는 본 개시 내용을 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려될 것이지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.

Claims (31)

1. 지향성 백라이트(directional backlight)로서,
   도파관(waveguide)으로서, 상기 도파관은 상기 도파관을 따라 입력 광을 안내하기 위한 대향된 제1 안내 표면 (6) 및 제2 안내 표면(8)을 포함하고, 상기 제2 안내 표면(8)은 상기 도파관을 따라 도중까지 각각 연장되는 적어도 2개의 부분들(208, 210)을 포함하고, 입력 개구(input aperture)(200)에 의해 측방향에 수직으로 분리되는, 상기 도파관;
   상기 입력 광을 발생시키고, 상기 도파관(1)을 가로질러 상기 측방향으로 각각의 입력 위치들에서 상기 입력 개구(200)를 통해 상기 도파관(1)으로 상기 입력 광을 주사하도록 배열된 광원들의 어레이(201)를 포함하며,
   상기 도파관(1)은 상기 입력 광을 다시 상기 도파관(1)을 통해 상기 제2 안내 표면(8)의 부분들(208, 210) 각각으로 반사하기 위해 배열된 반사 단부(4)를 추가로 포함하고,
   상기 제1 안내 표면(6)은 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 광을 안내하도록 배열되고,
   상기 제2 안내 표면(8)의 부분들(208, 210) 각각은, 출력 광으로서 상기 제1 안내 표면(6)을 통한 출사를 허용하는 방향들로 상기 반사 단부(4)로부터의 반사 후에 상기 도파관(1)을 통해 안내되는 광을 반사시키도록 배향된 복수의 광 추출 소면들(light extraction facets)(12) 및 광을 추출함이 없이 상기 도파관(1)을 통해 광을 지향시키도록 배열된 상기 광 추출 소면들 사이의 중간 영역들(10)을 포함하는 단차형 형상(stepped shape)을 갖고,
   상기 반사 단부는 상기 측방향으로 양의 광파워를 가져서, 상기 도파관은 상기 입력 광의 입력 위치에 의존하여 상기 광원들로부터 측방향으로 위치되는 출력 방향들로 상기 출력 광을 광학 윈도우들(optical windows) 내로 지향시키도록 하는, 지향성 백라이트.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원들의 어레이(201)는 상기 제2 안내 표면(8)의 상기 부분들 중 하나의 부분(210) 뒤에 배치되는, 지향성 백라이트.
3. 제2항에 있어서, 상기 광원들의 어레이(201)와 상기 광원들의 어레이(201)가 뒤에 배치되는 상기 제2 안내 표면(8)의 상기 부분들 중 상기 하나의 부분(210) 사이에 배열된 차광체(light shield)(202)를 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 지향성 백라이트는 상기 제2 안내 표면(8)의 상기 부분들(208, 210) 각각의 뒤에 배열된 각각의 후방 반사기(300)를 추가로 포함하며,
   각각의 후방 반사기(300)는 상기 도파관(1)의 복수의 소면(facet)들을 통해 투과되는, 상기 광원들의 어레이(201)로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하여, 상기 제1 안내 표면(6)을 통해 상기 광학 윈도우들(260) 내로 출사하게 하도록 배열된 반사 소면들(312)의 어레이를 포함하는, 지향성 백라이트.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 개구는 상기 제2 안내 표면(8)의 상기 2개의 부분들(208, 210) 사이에서 연장되는 입력 소면(200)을 포함하며, 상기 광원들의 어레이(201)는 상기 입력 소면(200)을 따라 배열되는, 지향성 백라이트.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지향성 백라이트는
   상기 입력 개구(200)를 통한 상기 입력 광의 주입을 위해 상기 광원들의 어레이(201)로부터의 상기 입력 광을 상기 입력 개구(200)로 안내하도록, 상기 광원들의 어레이(201)와 상기 입력 개구(200) 사이에 배열된 주입 도파관 부분(236)을 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
7. 제6항에 있어서, 상기 주입 도파관 부분(236)은 상기 도파관(1)과는 별개의 요소이고, 상기 도파관과 선택적으로 굴절률 정합(index matched)되는, 지향성 백라이트.
8. 제6항에 있어서, 상기 주입 도파관 부분(236)은 상기 도파관(1)과 일체로 형성되는, 지향성 백라이트.
9. 제6항에 있어서, 상기 제2 안내 표면(8)의 상기 2개의 부분들(208, 210)은 상기 도파관(1)을 따른 방향으로 중첩되는, 지향성 백라이트.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지향성 백라이트는 상기 도파관(1)을 가로질러 상기 측방향으로 사전결정된 입력 위치에서 입력 광을 발생시키도록 배열된 광원들의 추가 어레이(220)를 추가로 포함하며,
    상기 광원들의 추가 어레이(220)는 상기 입력 광을 상기 첫 번째로 언급된 광원들의 어레이(201)와는 상이한 위치에서 상기 도파관(1)을 따라 도중까지 상기 제2 안내 표면(8)을 통해 상기 도파관(1) 내로 주입하도록 배열되는, 지향성 백라이트.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관(1)은 상기 반사 단부(4)와 대면하는 대면 단부(facing end)(2)를 갖고,
    상기 광원들은 상기 대면 단부(2)를 통해 도파관(1)으로 입력 광을 주사하도록 배열되지 않는, 지향성 백라이트.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관(1)은 상기 반사 단부(4)와 대면하는 대면 단부(facing end)(2)를 갖고,
    상기 지향성 백라이트는 추가의 입력 광을 상기 대면 단부(2)를 통해 상기 도파관(1) 내로 주입하도록 배열된 광원들의 추가 어레이(215)를 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일한 방식으로 각각 배열된 도파관(250, 252) 및 광원들의 어레이(258, 259)의 복수의 세트들을 포함하고,
    상기 도파관은 상기 반사 단부(256)와는 반대편에 있는 단부들(254)이 맞닿는 상태로 상기 측방향에 수직인 방향으로 타일링된, 지향성 백라이트.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 추출 특징부들(12)은 상기 측방향으로 양의 광파워를 갖는, 지향성 백라이트.
15. 디스플레이 장치로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 지향성 백라이트;
    상기 제1 안내 표면으로부터 상기 출력 광을 수광하도록, 그리고 이미지를 디스플레이하기 위해 상기 출력 광을 변조시키도록 배열된 투과성 공간 광 변조기(48); 및
    상기 출력 방향들에 대응하는 다양한 광학 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 상기 광원들(201)을 선택적으로 작동시키도록 배열된 제어 시스템(74)을 포함하는, 디스플레이 장치.
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