特許 5964500 変調層を有する指向性バックライト

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5964500

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】変調層を有する指向性バックライト

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/22 20060101AFI20160721BHJP

   G02F 1/13357 20060101ALI20160721BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20160721BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20160721BHJP

   H04N 13/04 20060101ALI20160721BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20160721BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/22

   G02F1/13357

   G02F1/13 505

   G09F9/00 324

   H04N13/04 180

   G02B5/18

   G02B5/32

【請求項の数】24

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-514974(P2015-514974)

(86)(22)【出願日】2012年6月1日

(65)【公表番号】特表2015-530604(P2015-530604A)

(43)【公表日】2015年10月15日

(86)【国際出願番号】US2012040607

(87)【国際公開番号】WO2013180737

(87)【国際公開日】20131205

【審査請求日】2015年4月28日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514274546

【氏名又は名称】レイア、インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＬＥＩＡ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】デイビッド、エイ．ファタル

(72)【発明者】

【氏名】ジェームズ、エイ．ブルグ

(72)【発明者】

【氏名】チャールズ、エム．サントリ

(72)【発明者】

【氏名】マルコ、フィオレンティーノ

(72)【発明者】

【氏名】ペン、ゼン

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２３７４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／００３８１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−０８３５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８４８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７０１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０７７８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２２１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１５２４３６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／２２ − ２７／２６

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３２

Ｇ０２Ｆ １／１３ ５０５

Ｇ０２Ｆ １／１３３５７

Ｇ０９Ｆ ９／００

Ｈ０４Ｎ １３／０４

Ｇ０３Ｈ １／００ − ５／００

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ８／００

Ｇ０９Ｆ １３／００ − １３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の入力平面光ビームを導波するよう構成された透明材料のスラブを備える指向性バックプレーンであって、前記指向性バックプレーンは、前記導波された複数の入力平面光ビームの一部を、前記透明材料のスラブの表面から、３次元（３Ｄ）画像の異なる視界の方向に対応する複数の指向性光ビームへと回折させるよう構成された複数の指向性画素を有し、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
前記複数の指向性光ビームを変調するよう構成された複数の変調器を有する変調層と、
を備え、
前記複数の指向性画素の１つの指向性画素は、前記透明材料スラブの表面内及び表面上の一方または両方に、パターニングされた回折格子を備える、指向性バックライト。

【請求項2】

前記指向性バックプレーンの上に位置するスペーサ層を更に備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項3】

前記変調層は、前記スペーサ層の上に位置する、請求項２に記載の指向性バックライト。

【請求項4】

前記指向性バックプレーンの前記透明材料スラブは、実質的に平面状であり、前記複数の入力平面光ビームは、前記実質的に平面状の透明材料スラブの面の中を伝播するよう構成されている、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項5】

前記パターニングされた回折格子は、複数の実質的に平行な溝を有する、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項6】

１つの指向性画素の前記特性は、前記パターニングされた回折格子における回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及び回折格子のデューティサイクルを含む、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項7】

前記パターニングされた回折格子における前記回折格子のピッチ及び前記回折格子の配向は、前記１つの指向性画素により回折出射される指向性光ビームの前記方向を制御する、請求項６に記載の指向性バックライト。

【請求項8】

前記パターニングされた回折格子における前記回折格子の長さ及び前記回折格子の幅は、前記１つの指向性画素により回折出射される指向性光ビームの前記角拡散を制御する、請求項６に記載の指向性バックライト。

【請求項9】

前記複数の変調器からの単一の変調器は、単一の指向性画素からの指向性光ビームを変調する、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項10】

前記複数の変調器からの単一の変調器は、１組の複数の指向性画素からの指向性光ビームを変調する、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項11】

前記指向性バックプレーンは、透明材料の多角形のスラブを備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項12】

前記指向性バックプレーンは、透明材料の円形のスラブを備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項13】

前記複数の指向性画素は、複数の多角形の指向性画素を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項14】

前記複数の指向性画素は、複数の円形の指向性画素を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項15】

前記変調層は、ＬＣＤベースの変調層を備え、前記複数の変調器は、複数のＬＣＤセルを備える、請求項１に記載の指向性バックライト。

【請求項16】

変調層を有する指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成する方法であって、
複数の指向性画素の複数の特性を規定し、各指向性画素は、パターニングされた回折格子を含み、
透明材料のスラブを備える指向性バックプレーンを作製し、前記指向性バックプレーンは、前記指向性バックプレーンに設けられた前記複数の指向性画素を有し、前記透明部材スラブは、光ビームを導波するよう構成され、
前記指向性バックプレーンの上に、複数の変調器を有する変調層を付加し、
前記指向性バックプレーンに複数の入力平面光ビームを照射し、前記複数の入力平面光ビームは、前記透明部材スラブ内で導波され、かつ前記透明材料スラブから前記複数の指向性画素により複数の指向性光ビームへと回折され、
前記複数の変調器を用いて前記複数の指向性光ビームを変調して、３Ｄ画像の複数の視界を生成する、
ことを含む方法。

【請求項17】

各指向性光ビームは、１つの指向性画素の特性により制御される、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

１つの指向性画素の前記特性は、前記パターニングされた回折格子における回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及び回折格子のデューティサイクルを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

前記複数の変調器からの単一の変調器は、単一の指向性画素からの指向性光ビームを変調する、請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

前記複数の変調器からの単一の変調器は、１組の複数の指向性画素からの指向性光ビームを変調する、請求項１６に記載の方法。

【請求項21】

前記変調層は、ＬＣＤベースの変調層を備え、前記複数の変調器は、複数のＬＣＤセルを備える、請求項１６に記載の方法。

【請求項22】

３次元（３Ｄ）画像形成指向性バックライトであって、
材料層を備える指向性バックプレーンであって、前記材料層は、光を平面光ビームとして前記材料層内に導波するよう構成され、前記指向性バックプレーンは、前記材料層内に導波された複数の入力平面光ビームの一部を、前記指向性バックプレーンの表面から離れるように配向された複数の指向性光ビームへと明視野として回折させるよう構成された複数の指向性画素を有し、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
前記複数の指向性光ビームを変調するよう構成された複数の変調器を有する変調層であって、前記変調層は、前記指向性バックプレーンの表面に隣接している、変調層と、
を備え、
前記複数の指向性画素の対応する組からの変調された複数の指向性光ビームの組は、３Ｄ画像を形成する複数の異なる視界の１つの視界を表す、３Ｄ画像形成指向性バックライト。

【請求項23】

前記変調層の各変調器は、単一の指向性画素からの単一の光ビームを変調するよう構成されている、請求項２２に記載の３Ｄ画像形成指向性バックライト。

【請求項24】

１つの指向性画素のパターニングされた回折格子における回折格子のピッチ及び回折格子の配向は、前記１つの指向性画素により回折出射される指向性光ビームの方向を制御する、請求項２２に記載の３Ｄ画像形成指向性バックライト。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年４月２７日に出願された“Directional Pixel for Use in a Display Screen”という名称のＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０３５５７３（代理人整理番号８２９６３２３８）と、２０１２年５月３１日に出願された“Directional Backlight”という名称のＰＣＴ特許出願番号 （代理人整理番号８３０１１３４８）とに関連するものであり、いずれも本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

表示画面に明視野（light field）を再生する能力は、画像処理及び表示技術における主要な探究であった。明視野は、空間内の各点を通って各方向に進むすべての光線の組である。いかなる自然な実際の光景も、その光景を通過するすべての光線の強度、色、及び方向に関する情報をもたらすその明視野により十分に特徴付けることができる。目標は、表示画面の閲覧者が、光景を、本人が直接経験するかのように経験することを可能にすることである。

【0003】

テレビ、パーソナルコンピュータ、ラップトップ機、及び携帯機器の現在利用可能な表示画面は、概して２次元のままであり、従って明視野を正確に再生することができない。３次元（“３Ｄ”）ディスプレイが最近出現したが、与える視界（view）の数が限られることに加えて、角度分解能及び空間分解能が不足するという欠点がある。例は、ホログラム、パララックスバリア、又はレンチキュラレンズに基づく３Ｄディスプレイを含んでいる。

【0004】

これらのディスプレイの間での共通の課題は、広範囲の視野角及び空間分解能にわたって優れた画質を達成するために、画素レベルで正確に制御される明視野を生成することが困難なことである。

【発明の概要】

【0005】

本出願は、添付の図面とともに以下の詳細な説明と関連付けてより十分に理解することができ、添付の図面では、全体にわたって同様の参照符号は同様の部分を指している。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】様々な例による指向性バックライト（directional backlight）の概略図を示す。

【図2A】図１による指向性バックライトの例示の上面図を示す。

【図2B】図１による指向性バックライトの例示の上面図を示す。

【図3A】図１による指向性バックライトのさらなる上面図を示す。

【図3B】図１による指向性バックライトのさらなる上面図を示す。

【図4】三角形の形状を有する指向性バックライトを示す。

【図5】六角形の形状を有する指向性バックライトを示す。

【図6】円形の形状を有する指向性バックライトを示す。

【図7】様々な例による指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

変調層（modulation layer）を有する指向性バックライトが開示される。本明細書で一般に用いられるように、指向性バックライトは、複数の指向性光ビームの形で明視野を提供するために使用される表示画面（例えばＬＣＤ表示画面）の層である。これらの指向性光ビームは、指向性バックライトの複数の指向性画素により散乱される。各指向性光ビームは、各種の１つの指向性画素から生じ、この指向性画素の特性に基づく所定の方向及び角拡散を有する。この顕著な指向性は、複数の指向性ビームを、複数の変調器（modulator）を使用して変調することを可能にする（即ち、オン／オフされるか又は明度が変化される）。これらの変調器は、例えば（複数の偏光器を有する又は有しない）液晶ディスプレイ（“ＬＣＤ”）の複数のセルでもよい。微小電気機械（“ＭＥＭＳ”）の機構、流体の機構、磁気の機構、電気泳動の機構、又は電気信号を印加すると光の強度を変調するその他の機構を含む各種の機構に基づくものなど、その他のタイプの変調器が使用されてもよい。

【0008】

様々な例において、複数の指向性画素は、複数の入力平面光ビーム（input planar lightbeam）が照射される指向性バックプレーン（directional backplane）に設けられている。これらの指向性画素は、複数の入力平面光ビームを受け取り、これらの一部（fraction）を複数の指向性光ビームへと散乱させる。必要に応じてこれらの指向性光ビームを変調するために、これらの指向性画素の上に変調層が配置される。変調層は、複数の変調器（例えば複数のＬＣＤセル）を含み、各変調器は、単一の指向性画素からの単一の指向性光ビーム、又は１組の複数の指向性画素からの１組の複数の指向性光ビームを変調する。変調層は、多数の異なる視界を有する３Ｄ画像を生成することを可能とし、各視界は、１組の複数の指向性光ビームにより提供される。

【0009】

様々な例において、指向性バックプレーンのこれらの指向性画素は、指向性バックプレーンの内部又は上部（top）に設けられた実質的に平行な複数の溝のパターニングされた複数の回折格子（grating）を有している。指向性バックプレーンは、例えば、入力平面光ビームを指向性画素内に導波（guide）する透明材料のスラブ（slab）でもよく、とりわけ例えば、窒化シリコン（“ＳｉＮ”）、ガラス又は水晶、プラスチック、インジウムスズ酸化物（“ＩＴＯ”）などの透明材料のスラブでもよい。パターニングされた回折格子は、指向性バックプレーン又は導波管（waveguide）に直接エッチングされた溝、又は指向性バックプレーン又は導波管の上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成された溝から成り得る。これらの溝は、傾斜していてもよい。

【0010】

本明細書でより詳細に以下で説明されるように、各指向性画素は、回折格子の長さ（即ち、入力平面光ビームの伝播軸に沿った寸法）、回折格子の幅（即ち、入力平面光ビームの伝播軸を横切る寸法）、溝の配向、ピッチ、及びデューティサイクルにより規定することができる。各指向性画素は、溝の配向及び回折格子のピッチにより決定される方向と、回折格子の長さ及び幅により決定される角拡散とを有する１つの指向性光ビームを放射することができる。５０％程度のデューティサイクルを用いることにより、パターニングされた回折格子の２番目のフーリエ係数が消滅し、これにより付加的な望ましくない方向への光の散乱を防止する。これは、各指向性画素から、その出力角度とは無関係に一方向の光ビームだけが出現することを保証する。

【0011】

本明細書でより詳細に以下で説明されるように、指向性バックライトは、所定の３Ｄ画像を生成するように選択された特定の回折格子の長さ、回折格子の幅、溝の配向、ピッチ、及びデューティサイクルを有する複数の指向性画素を用いて設計することができる。この３Ｄ画像は、複数の指向性画素により放射された複数の指向性光ビームから生成されて変調層により変調され、１組の複数の指向性画素からの変調された複数の指向性光ビームが所定の画像の視界を生成する。

【0012】

以下の説明において、実施形態の十分な理解をもたらすために、多数の特定の詳細が説明されることが理解される。しかしながら、これらの実施形態は、これらの特定の詳細に限定されることなく実施できることが理解される。他の例では、これらの実施形態の説明が不必要に不明瞭になることを回避するために、周知の方法及び構造は詳細には説明されないことがある。また、これらの実施形態は互いに組み合わされて用いられてもよい。

【0013】

次に図１を参照して、様々な例による指向性バックライトの概略図が説明される。指向性バックライト１００は、複数の光源から１組の複数の入力平面光ビーム１１０を受け取る指向性バックプレーン１０５を含む。これらの複数の光源は、例えば発光ダイオード（“ＬＥＤ”）及びレーザなど、約３０ｎｍ以下のスペクトル帯域幅を有する１つ又は複数の狭帯域幅（narrow-bandwidth）の光源を含んでいてもよい。これらの入力平面光ビーム１１０は、実質的に平面状に設計されている指向性バックプレーン１０５と実質的に同一の面を伝播する。

【0014】

指向性バックプレーン１０５は、指向性バックプレーン１０５の内部又は上部に設けられた複数の指向性画素１１５ａ〜ｄを有する透明材料（例えば、ＳｉＮ、ガラス又は水晶、プラスチック、ＩＴＯなど）のスラブからなり得る。指向性画素１１５ａ〜ｄは、複数の入力平面光ビーム１１０の一部を複数の指向性光ビーム１２０ａ〜ｄへと散乱させる。様々な例において、各指向性画素１１５ａ〜ｄは、実質的に平行な複数の溝（例えば指向性画素１１５ａ用の溝１２５ａ）のパターニングされた複数の回折格子を有している。回折格子の溝の厚さは、すべての溝に関して実質的に同一とすることができ、実質的に平面状の設計をもたらす。これらの溝は、指向性バックプレーンにエッチング可能であり、又は指向性バックプレーン１０５の上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成可能である。

【0015】

各指向性光ビーム１２０ａ〜ｄは、対応する指向性画素１１５ａ〜ｄを形成するパターニングされた回折格子により決定される所定の方向及び角拡散を有する。具体的には、各指向性光ビーム１２０ａ〜ｄの方向は、パターニングされた回折格子の配向及び格子ピッチにより決定される。また、各指向性光ビームの角拡散は、パターニングされた回折格子の、回折格子の長さ及び幅により決定される。例えば、指向性光ビーム１１５ａの方向は、パターニングされた回折格子１２５ａの配向及び格子ピッチにより決定される。

【0016】

この実質的に平面状の設計及び入力平面光ビーム１１０からの指向性光ビーム１２０ａ〜ｄの形成は、従来の回折格子（diffraction grating）よりも実質的に小さいピッチを有する回折格子を必要とすることが理解される。例えば、従来の回折格子は、実質的に回折格子の面にわたって伝播する光ビームが照射されると、光を散乱させる。本願において、各指向性画素１１５ａ〜ｄの回折格子は、指向性光ビーム１２０ａ〜ｄを生成する場合、入力平面光ビーム１１０と実質的に同一の平面上にある。

【0017】

指向性光ビーム１２０ａ〜ｄは、回折格子の長さＬ、回折格子の幅Ｗ、溝の配向θ、及び回折格子のピッチΛを有する指向性画素１１５ａ〜ｄの回折格子の特性により正確に制御される。具体的には、次式のように、回折格子１２５ａの長さＬが、入力光の伝播軸に沿った指向性光ビーム１２０ａの角拡散ΔΘを制御し、回折格子の幅Ｗが、入力光の伝播軸を横切る指向性光ビーム１２０ａの角拡散ΔΘを制御する、

【数1】

ただし、λは指向性光ビーム１２０ａの波長である。回折格子の配向角θにより規定される溝の配向と、Λにより規定される回折格子のピッチ又は周期とが、指向性光ビーム１２０ａの方向を制御する。

【0018】

回折格子の長さＬ及び回折格子の幅Ｗは、０．１〜２００μｍの範囲のサイズで変化し得る。溝の配向角θ及び回折格子のピッチΛは、指向性光ビーム１２０ａの所望の方向を満たすように設定してもよく、例えば、溝の配向角θは約−４０〜＋４０度であり、回折格子のピッチΛは約２００〜７００ｎｍである。

【0019】

様々な例において、指向性画素１１５ａ〜ｄにより散乱された指向性光ビーム１２０ａ〜ｄを変調するために、複数の変調器（例えば複数のＬＣＤセル）を有する変調層１３０が、指向性画素１１５ａ〜ｄの上に位置している。指向性光ビーム１２０ａ〜ｄの変調は、それらの明度を変調器で制御すること（例えば、オン／オフすること、又は明度を変化させること）を伴う。例えば、変調層１３０内の変調器は、指向性光ビーム１２０ａ及び１２０ｄをオンにして、指向性光ビーム１２０ｂ及び１２０ｃをオフにすることに使用されてもよい。指向性光ビーム１２０ａ〜ｄを変調する能力は、多数の異なる画像視界を生成することを可能にする。

【0020】

変調層１３０は、スペーサ層１３５の上部に配置されてもよく、スペーサ層１３５は、１つの材料で形成されてもよいし、又は単に指向性画素１１５ａ〜ｄと変調層１３０の変調器との間の間隔（即ち空気）からなるものでもよい。スペーサ層１３５は、例えば約０〜１００μｍといった幅を有していてもよい。

【0021】

指向性バックプレーン１０５は、単に説明の目的のために、４つの指向性画素１１５ａ〜ｄを有して示されていることが理解される。様々な例による指向性バックプレーンは、指向性バックプレーンが使用される様子（例えば３Ｄの表示画面、３Ｄの腕時計、携帯機器など）に依存して、多数の（例えば１００個より多くの）指向性画素を有して設計可能である。指向性画素が、例えば円、楕円、多角形、又は他の幾何学的形状を含む任意の形状を有していてもよいことも理解される。

【0022】

次に、図２Ａ〜図２Ｂが注目され、図２Ａ〜図２Ｂは、図１による指向性バックライトの上面図を示す。図２Ａでは、指向性バックライト２００が、透明なスラブ内に設けられた複数の多角形の指向性画素（例えば指向性画素２１０）を含む指向性バックプレーン２０５を有して示されている。各指向性画素は、複数の入力平面光ビーム２１５の一部を１つの出力指向性光ビーム（output directional lightbeam）（例えば指向性光ビーム２２０）へと散乱させることができる。各指向性光ビームは、１つの変調器（例えば指向性光ビーム２２０用のＬＣＤセル２２５）により変調される。指向性バックプレーン２０５のすべての指向性画素により散乱されて複数の変調器（例えばＬＣＤセル２２５）により変調された複数の指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像を形成する複数の視界を表すことができる。

【0023】

同様に、図２Ｂでは、指向性バックライト２３０が、透明なスラブ内に設けられた複数の円形の指向性画素（例えば指向性画素２４０）を含む指向性バックプレーン２３５を有して示されている。各指向性画素は、複数の入力平面光ビーム２４５の一部を１つの出力指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム２５０）へと散乱させることができる。各指向性光ビームは、１つの変調器（例えば指向性光ビーム２５０用のＬＣＤセル２５５）により変調される。指向性バックプレーン２３５のすべての指向性画素により散乱されて複数の変調器（例えばＬＣＤセル２５５）により変調された指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像を形成する複数の視界を表すことができる。

【0024】

様々な例において、単一の変調器は、１組の複数の指向性画素からの１組の複数の指向性光ビームを変調することに使用されてもよい。即ち、所定の変調器が、図２Ａ〜図２Ｂに示すように指向性画素ごとに単一の変調器を有する代わりに、１組の複数の指向性画素の上に配置されていてもよい。

【0025】

次に図３Ａ〜図３Ｂを参照して、図１による指向性バックライトの上面図が説明される。図３Ａでは、指向性バックライト３００が、透明なスラブ内に設けられた複数の多角形の指向性画素（例えば指向性画素３１０ａ）を含む指向性バックプレーン３０５を有して示されている。各指向性画素は、複数の入力平面光ビーム３１５の一部を１つの出力指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム３２０ａ）へと散乱させることができる。１組の複数の指向性光ビーム（例えば指向性画素３１０ａ〜ｄにより散乱された指向性光ビーム３２０ａ〜ｄ）が、１つの変調器（例えば指向性光ビーム３２０ａ〜ｄを変調するためのＬＣＤセル３２５ａ）により変調される。例えば、ＬＣＤセル３２５ａは、指向性画素３１０ａ〜ｄをオンにするように使用され、ＬＣＤセル３２５ｄは、指向性画素３３０ａ〜ｄをオフにするように使用される。指向性バックプレーン３０５のすべての指向性画素により散乱されてＬＣＤセル３２５ａ〜ｄにより変調された複数の指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像を形成する複数の視界を表すことができる。

【0026】

同様に、図３Ｂでは、指向性バックライト３４０は、透明なスラブ内に設けられた複数の円形の指向性画素（例えば指向性画素３５０ａ）を含む指向性バックプレーン３４５を有して示されている。各指向性画素は、複数の入力平面光ビーム３５５の一部を１つの出力指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム３６０ａ）へと散乱させることができる。１組の複数の指向性光ビーム（例えば指向性画素３５０ａ〜ｄにより散乱された指向性光ビーム３６０ａ〜ｄ）が、１つの変調器（例えば指向性光ビーム３６０ａ〜ｄを変調するためのＬＣＤセル３７０ａ）により変調される。例えば、ＬＣＤセル３７０ａは、指向性画素３５０ａ〜ｄをオンにするように使用され、ＬＣＤセル３７０ｄは、指向性画素３６５ａ〜ｄをオフにするように使用される。指向性バックプレーン３４５のすべての指向性画素により散乱されてＬＣＤセル３７０ａ〜ｄなどの複数の変調器により変調された複数の指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像を形成する複数の視界を表すことができる。

【0027】

指向性バックプレーンは、例えば（図４に示すような）三角形、（図５に示すような）六角形、又は（図６に示すような）円形などの様々な形状を有するように設計してもよいことが理解される。図４において、指向性バックプレーン４０５は、３つの異なる空間方向からの複数の入力平面光ビーム（例えば入力平面光ビーム４１０〜４２０）を受け取る。この構成は、これらの入力平面光ビームが異なる色の光を表す（例えば、入力平面光ビーム４１０が赤色を表し、入力平面光ビーム４１５が縁色を表し、入力平面光ビーム４２０が青色を表す）ときに使用され得る。入力平面光ビーム４１０〜４２０の各々は、それらの光を１組の複数の指向性画素に合焦するように、三角形の指向性バックプレーン４０５の辺に配置されている。例えば、入力平面光ビーム４１０は、１組の指向性画素４２５〜４３５により複数の指向性光ビームへと散乱される。指向性画素４２５〜４３５のこのサブセット（subset）は、入力平面光ビーム４１５〜４２０からの光も受け取ってよい。しかしながら、設計により、この光は指向性バックライト４００の意図された視界ゾーンでは散乱されない。

【0028】

例えば、複数の入力平面光ビーム４１０は、指向性画素４２５〜４３５のサブセットＧ_Ａにより、意図された視界ゾーンへと散乱されると想定する。意図された視界ゾーンは、法線から指向性バックライト４００へと測定された最大光線角度θ_ｍａｘにより規定されてもよい。また、これらの入力平面光ビーム４１０は、指向性画素Ｇ_Ｂ４４０〜４５０のサブセットにより散乱され得るが、それらの望ましくない光線は、次式が満たされる限り、意図された視界ゾーンの外にある、

【数2】

ただし、λ_Ａは入力平面光ビーム４１０の波長であり、ｎ_ｅｆｆ^Ａは指向性バックプレーン４０５における入力平面光ビーム４１０の水平伝播の実効屈折率であり、λ_Ｂは（指向性画素４４０〜４５０により散乱される）入力平面光ビーム４２０の波長であり、ｎ_ｅｆｆ^Ｂは指向性バックプレーン４０５における入力平面光ビーム４２０の水平伝播の実効屈折率である。実効屈折率及び波長が実質的に同一であれば、式２は次式へと変形される。

【0029】

【数3】

２を上回る屈折率ｎの指向性バックプレーンについては、入力平面光ビームが視射角（grazing angle）の近くで伝播すると、ディスプレイの意図された視界ゾーンは、全空間へと拡張され得る（ｎ_ｅｆｆ≧２及びｓｉｎθ_ｍａｘ≒ｌ）ことが分かる。ガラス（例えばｎ＝１．４６）などのより低い屈折率の指向性バックプレーンについては、意図された視界ゾーンはほぼθ_ｍａｘ＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ／２）（ガラスについては±４５°）に限定される。

【0030】

各指向性光ビームは、１つの変調器（例えばＬＣＤセル４５５など）により変調されてもよいことが理解される。複数の指向性光ビームの方向及び角度の正確な制御が、指向性バックプレーン４０５の各指向性画素を用いて達成可能であり、かつ、複数の指向性光ビームが、複数のＬＣＤセルなどの複数の変調器により変調可能であるため、指向性バックライト４０５は、３Ｄ画像の多数の異なる視界を生成するように設計可能である。

【0031】

図４に示す指向性バックプレーン４０５は、三角形のスラブの先端をカットして図５に示すような六角形の形状を実現できることで、よりコンパクトな設計に成形できることが更に理解される。指向性バックプレーン５０５は、３つの別々の空間方向から複数の入力平面光ビーム（例えば入力平面光ビーム５１０〜５２０）を受け取る。入力平面光ビーム５１０〜５２０の各々は、その光を指向性画素（例えば指向性画素５２５〜５３５）のサブセットに合焦するように、六角形の指向性バックプレーン５０５の１つおきの辺（alternating sides）に配置されている。様々な例において、六角形の指向性バックプレーン５０５は約１０〜３０ｍｍの範囲にあり得る辺長を有し、指向性画素のサイズは１０〜３０μｍ程度である。

【0032】

指向性バックライト５００は、複数の変調器の多数の構成と共に示されていることが理解される。例えば、１組の複数の指向性画素からの複数の指向性光ビームを変調するために、単一の変調器が使用されてもよいし（例えば指向性画素５２５〜５３５に対してＬＣＤセル５４０）、又は単一の指向性画素を変調するために、単一の変調器が使用されてもよい（例えば指向性画素５６０に対してＬＣＤセル５５５）。当業者は、複数の指向性画素により散乱された複数の指向性光ビームを変調するために、複数の指向性画素とともに使用される複数の変調器の任意の構成が使用可能であることを理解する。

【0033】

また、カラー入力平面光ビームとともに用いられる指向性バックライトは、三原色からの光が３つの別々の方向からもたらされる限り、三角形（図４）又は六角形（図５）の形状の他に任意の形状を有し得ることが理解される。例えば、指向性バックライトは、多角形、円、楕円、又は３つの異なる方向からの光を受け取ることができる別の形状でもよい。次に図６を参照して、円形の形状を有する指向性バックライトが説明される。指向性バックライト６００の指向性バックプレーン６０５は、３つの異なる方向からの入力平面光ビーム６１０〜６２０を受け取る。各指向性画素は、円形の形状を有し（例えば指向性画素６２０）、１つの指向性光ビームを散乱させ、この指向性光ビームは、１つの変調器（例えばＬＣＤセル６２５）により変調される。各ＬＣＤセルは長方形の形状を有し、円形の指向性バックプレーン６０５は、複数の円形の指向性画素用（又は必要に応じて複数の多角形の指向性画素用）の複数の長方形のＬＣＤセルを収容（accommodate）するように設計されている。

【0034】

本出願による指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成するためのフローチャートが、図７に示されている。最初に、指向性バックライトの複数の指向性画素の特性が規定される（７００）。特性は、例えば回折格子の長さ、回折格子の幅、配向、ピッチ、及びデューティサイクルなどといった、複数の指向性画素のパターニングされた複数の回折格子の特性を含んでいてもよい。前述のように、指向性バックライトの各指向性画素は、特性により正確に制御される方向及び角拡散を有する１つの指向性光ビームを生成するように、特性の所定の組を用いて規定可能である。

【0035】

次に、複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンが作製される（７０５）。指向性バックプレーンは、透明材料で形成され、任意の適切な作製技術（とりわけ例えば、光リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、ロールトゥロール（roll-to-roll）インプリントリソグラフィ、インプリント型を用いた直接エンボス加工など）を用いて作製してもよい。これらの指向性画素は、指向性バックプレーンにエッチングされてもよいし、又は指向性バックプレーンの上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）を有するパターニングされた複数の格子で形成されてもよい。

【0036】

次に、変調層（例えばＬＣＤベースの変調層）が指向性バックプレーンに付加される（７１０）。変調層は、指向性バックプレーンの上のスペーサ層の上部に（図１に示すように）配置された複数の変調器（例えば複数のＬＣＤセル）を含む。前述のように、変調層は、単一の指向性画素用の単一の変調器、又は１組の複数の指向性画素用の単一の変調器を有するように設計されていてもよい。上記で更に説明されたように、指向性バックプレーン（及び複数の指向性画素）は、長方形の変調器で形成された変調層を収容するように、様々な形状（例えば多角形、三角形、六角形、円形など）を有していてもよい。

【0037】

複数の狭帯域幅の光源からの光が、複数の入力平面光ビームの形で指向性バックプレーンに入力される（７１５）。最後に、指向性バックプレーンの複数の指向性画素により散乱されて変調された複数の指向性光ビームから３Ｄ画像が生成される（７２０）。

【0038】

有利には、複数の指向性画素を用いて達成される正確な制御と、指向性バックライトの変調は、実質的に平面な構造を容易に作製することを可能にするとともに、３Ｄ画像を生成することを可能とする。複数の指向性画素の別々の構成は、別々の３Ｄ画像を生成する。加えて、複数の指向性画素により生成された複数の指向性光ビームは、生成された画像に任意の所望の効果をもたらすように変調可能である。本明細書で説明された指向性バックライトは、表示画面（例えば、テレビ、携帯機器、タブレット、ビデオゲーム装置など）に３Ｄ画像を提供するように使用可能であり、他の用途（とりわけ例えば、３Ｄ腕時計、３Ｄ芸術のデバイス、３Ｄの医療機器など）にも使用可能である。

【0039】

開示された実施形態のこれまでの説明は、あらゆる当業者が本開示を製造又は使用することができるように提供されていることが理解される。これらの実施形態に対する様々な修正形態が当業者には容易に明らかになるはずであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。従って、本開示は、本明細書で示された実施形態に限定されるように意図されたものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴と整合する最も広い範囲を与えられるように意図されている。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】