特許 6166180 方向性を有する表示装置

(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】6166180

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】方向性を有する表示装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 2/00 20160101AFI20170710BHJP

   G02B 27/22 20060101ALI20170710BHJP

   H04N 13/04 20060101ALI20170710BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20170710BHJP

   G02F 1/13357 20060101ALI20170710BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20170710BHJP

【ＦＩ】

   F21S2/00 435

   G02B27/22

   F21S2/00 437

   F21S2/00 433

   H04N13/04

   G02F1/13 505

   G02F1/13357

   F21Y115:10

【請求項の数】28

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2013-540083(P2013-540083)

(86)(22)【出願日】2011年11月18日

(65)【公表番号】特表2014-504427(P2014-504427A)

(43)【公表日】2014年2月20日

(86)【国際出願番号】US2011061511

(87)【国際公開番号】WO2012068532

(87)【国際公開日】20120524

【審査請求日】2014年10月29日

(31)【優先権主張番号】61/415,810

(32)【優先日】2010年11月19日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/300,293

(32)【優先日】2011年11月18日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516384542

【氏名又は名称】リアルディー スパーク エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ロビンソン、ミカエル、ジー．

(72)【発明者】

【氏名】ウッドゲート、グラハム、ジョン

(72)【発明者】

【氏名】ハロルド、ジョナサン

【審査官】 鈴木 重幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２１５３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００４８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２１１３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１０２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０２２３４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｖ ８／００

Ｇ０２Ｂ ２７／２２

Ｇ０２Ｆ １／１３３５７

Ｈ０４Ｎ １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

方向性を有する表示装置であって、
光を誘導する光弁と、
第１の方向に前記光弁へ光を入射すべく形成された複数の照明素子を有するアレイと、
前記光弁から射出された光により照明されるべく配された透過型空間光変調器と
を備え、
前記光弁は、
第１の光誘導面、
前記第１の光誘導面の反対側にある第２の光誘導面、および、
凹状の湾曲した反射面、および、凹状の湾曲した反射面と等価なフレネルレンズのいずれかであり、光の伝播方向を前記第１の方向から反転して前記光弁を伝播する第２の方向に転換する反射端
を有し、
前記第２の光誘導面は、長手方向に沿って湾曲した、複数の誘導部と細長い複数の抽出部とを有し、前記複数の抽出部および前記複数の誘導部は互いに接続されて交互に配置され、
前記複数の抽出部は、光が前記第１の方向に伝播するときに、実質的に損失無く光を透過させ、光が第２の方向に伝播するときに、光を反射させて前記第１の光誘導面を通じて前記光弁から視野平面へ向けて放出させ、
前記複数の抽出部および前記反射端における前記湾曲は協働して、前記視野平面における複数の視野窓のそれぞれへ集められた光を導く
表示装置。

【請求項2】

更に、前記光弁に入射する入射光が通過する入射端を備える請求項１に記載の表示装置。

【請求項3】

前記入射端は、前記反射端よりも薄い、請求項２に記載の表示装置。

【請求項4】

前記アレイをなす照明素子はＬＥＤである、請求項１から３のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項5】

前記複数の抽出部それぞれが、実質的に互いに平行である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項6】

前記複数の抽出部それぞれが、実質的に同じ距離で分離されている、
請求項１から５のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項7】

前記複数の抽出部は、約１０から９０度の範囲の傾き角度を有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項8】

前記複数の抽出部は、約２０から５０度の範囲の傾き角度を有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項9】

前記複数の抽出部は、約３０から４８度の範囲の傾き角度を有する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項10】

前記複数の誘導部は、実質的に平面形状である、
請求項１から９のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項11】

前記複数の誘導部は、前記第１の光誘導面に実質的に平行である、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項12】

前記複数の誘導部は、前記第１の光誘導面に比べて楔形の角度を有している、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項13】

前記反射端は、反射被膜で覆われている、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項14】

前記反射端の光軸は、第１の光誘導面の表面の法線方向に実質的に直交する、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項15】

前記複数の抽出部の配向は、前記第１の方向について前記光弁全体にわたって変化する、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項16】

前記光弁と前記透過型空間光変調器との間にフレネルレンズをさらに備える、
請求項１から１５のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項17】

前記フレネルレンズの形状が球形である、
請求項１６に記載の表示装置。

【請求項18】

前記フレネルレンズの軸は、前記光弁の中央からオフセットされている、
請求項１６に記載の表示装置。

【請求項19】

垂直拡散器をさらに備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項20】

前記垂直拡散器は、非対称な散乱面を含む、
請求項１９に記載の表示装置。

【請求項21】

前記複数の抽出部の前記光弁の端部における密度は、前記複数の抽出部の前記光弁の中央における密度より低い、
請求項１から２０のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項22】

前記複数の抽出部は、互いに対して可変の勾配及び高さを有し、
前記勾配は、垂直拡散特性を変化させるべく調整され、
前記高さは、前記光弁から抽出される光量を変化させるべく調整される、
請求項１から２１のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項23】

前記複数の抽出部の高さは、前記光弁の幅方向に変化する、
請求項１から２２のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項24】

前記複数の抽出部は、実質的に所定の水平方向及び垂直方向の角度の組み合わせに光を偏向するための面変調を有する、
請求項１から２３のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項25】

前記第１の光誘導面は、実質的に平面形状である請求項１から２４のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項26】

前記複数の照明素子のいずれが照明するかを制御する照明制御器を更に備える、請求項１から２５のいずれか一項に記載の表示装置。

【請求項27】

前記複数の視野窓の近くにいる観察者を検知するセンサを備え
前記照明制御器は、前記センサが検知した前記観察者の位置に応じて前記複数の照明素子の設定を決定する
請求項２６に記載の表示装置。

【請求項28】

前記設定は、左目画像が前記空間光変調器に表示される場合に、左目の視野窓に対応した第１セットの照明素子に対する第１の照明段階を決定して、
前記設定は、右目画像が前記空間光変調器に表示される場合に、右目の視野窓に対応した第２セットの照明素子に対する第２の照明段階を決定する、
請求項２７に記載の表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般的に光変調デバイスの照明に関しており、より詳しくは、二次元表示装置、三次元表示装置、及び、自動立体表示装置における利用向けの、局所的な光源から大面積用の照明を提供するための光ガイドに関する。

【背景技術】

【0002】

空間多重化された自動立体ディスプレイは、通常、空間光変調器の上の第１及び第２のセットの画素として配置された画像アレイに、レンチキュラースクリーンまたは視差バリア等の視差コンポーネントを位置合わせする。視差コンポーネントは、各画素セットからの光を、それぞれ異なる方向に方向づけて、ディスプレイの正面に第１及び第２の視野窓を提供する。目が第１の視野窓内にある観察者は、第１セットの画素からの光で第１の画像を見ることができ、目が第２の視野窓にある観察者は、第２セットの画素からの光で第２の画像を見ることができる。

【0003】

これらディスプレイは、空間光変調器の自然の解像度と比較して低い空間解像度を有しており、視野窓の構造は、画素のアパーチャの形状及び視差コンポーネントの結像機能によって決定される。たとえば電極用の画素の間に空隙があると、通常の場合、視野窓は不均一になる。これらディスプレイは、ディスプレイに対して横方向に観察者が動くと画像のフリッカを生じさせて、ディスプレイの視野の自由度を制限して、都合が悪い。フリッカを、光素子の焦点をぼかすことによって低減させることはできるが、焦点をぼかしてしまうと、今度は画像のクロストークが強度になり、観察者にとっては視野がひずむ。フリッカは、画素アパーチャの形状を調整することで低減することもできるが、このように変更することは、ディスプレイの輝度を低減させる可能性があり、空間光変調器に電子部品を組み込む必要がある。

【発明の概要】

【0004】

本開示によると、光弁を利用して光を誘導する方法が、光弁により、実質的に光伝播の損失が小さい第１の方向に光線を伝播させる段階を含む。加えて、光弁の端面に光線を相互作用させる段階、および、光弁を通して、光線を第２の方向に伝播させ、光線の少なくとも一部が少なくとも１つの抽出部に当たり、光弁から抽出される段階も含まれてよい。

【0005】

本開示の別の態様によると、実質的に平面形状の第１の光誘導面と、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面とを備えるライトバルブが提供される。複数の抽出部と複数の誘導部とは、互いに接続されて交互に配置されており、複数の抽出部は、光が第１の方向に伝播するときに、実質的に損失低く光を透過させ、光が第２の方向に伝播するときに、光を反射させてライトバルブから放出させる。

【0006】

本開示のまた別の態様によると、光弁システムであって、光弁の第一端に少なくとも動作可能に連結された複数の照明素子を備え、光弁は、実質的に平面形状の第１の光誘導面を含む。光弁はさらに、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面も含む。複数の抽出部と複数の誘導部とは、互いに接続されて交互に配置されており、複数の抽出部は、光が第１の方向に伝播するときに、実質的に損失低く光を透過させ、光が第２の方向に伝播するときに、光を反射させて光弁から放出させる。

【0007】

本開示の別の態様によると、光弁であって、光弁の第一端に位置する入力側面と、光弁の第二端に位置する反射側面と、光弁の反射側面と入力側面との間に位置する第１の光方向づけ側面と第２の光方向づけ側面とを備える光弁が提供される。第２の光方向づけ側面は、複数の誘導部と複数の抽出部とを有してよい。複数の誘導部は複数の抽出部をそれぞれ接続してよい。

【0008】

本開示の別の態様によると、光線を光弁に提供する照明アレイを備える、方向性を持つ表示システムが提供される。光弁は、実質的に平面形状の第１の光誘導面を含んでよい。光弁はさらに、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面を含んでよい。複数の抽出部は、第１の領域と第２の領域とを有してよい。第１の領域及び第２の領域における複数の抽出部は、第１の照明器からの光線の少なくとも一部が、光弁の外の第１の視野窓に方向づけられるように、且つ、第２の照明器からの光線の少なくとも一部が、光弁の外の第１の視野窓と異なる第２の視野窓に方向づけられるように、それぞれの配向を有していてよい。

【0009】

本開示の別の態様によると、観察者トラッキング自動立体ディスプレイであって、光弁と、光弁に光を提供する照明素子のアレイと、光弁の視野窓の近くにいる観察者を検知するセンサと、照明素子のアレイの設定を決定する照明制御器とを備え、設定は、第１の視野窓に対応した第１セットの照明素子に対する第１の照明段階を決定して、設定は、第２の視野窓に対応した第２セットの照明素子に対する第２の照明段階を決定する、観察者トラッキング自動立体ディスプレイが提供されてよい。

【0010】

一般的には、ライトバルブ（light valve）または光弁（optical valve）は、局所的な光源から大面積の照明を提供することができる。ライトバルブまたは光弁という呼称は、本明細書では交換可能な概念として利用されてよい、とする。ライトバルブは、一例では導波路であってよく、ステップを持つ（stepped）構造を含んでよく、この構造では、各ステップが、効果的、光学的に、第１の方向に伝播する導波に対しては隠される抽出部であってよい。抽出部は、第２の方向に伝播する戻り光に対して、屈折、回折、及び、反射の少なくとも１つを行い、光弁の上面から照明を提供することができる。このように制御された照明は、効率なマルチユーザの自動立体ディスプレイとともに、二次元表示機能を提供することができる。

【0011】

当業者であれば、本開示を読めば、本開示のこれら、及びその他の利点を理解するだろう。

【0012】

添付図面は実施形態を例示しているが、図面中、同様の参照番号は同様の部材を示す。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１の（Ａ）は、従来の導波路バックライト照明器の上面の概略図である。

【0014】

図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）に示す従来の導波路バックライト照明器の側面の概略図である。

【0015】

【図2】図２の（Ａ）は、公知の自動立体ディスプレイの上面を示す概略図である。

【0016】

図２の（Ｂ）は、図２の（Ａ）に示す自動立体ディスプレイの側面を示す概略図である。

【0017】

【図3】図３の（Ａ）は、公知の楔形の導波路構造の上面を示す概略図である。

【0018】

図３の（Ｂ）は、図３の（Ａ）に示す公知の楔状の導波路構造の側面を示す概略図である。

【0019】

【図4】図４の（Ａ）は、本開示による、ライトバルブの上面を示す概略図である。

【0020】

図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）に示す本開示による光弁構造の側面を示す概略図である。

【0021】

【図5】図５の（Ａ）は、本開示による、ｙｚ平面に方向づけられた出力を示す光弁構造の上面を示す概略図である。

【0022】

図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）に示す本開示による光弁構造の第１の側面を示す概略図である。

【0023】

図５の（Ｃ）は、図５の（Ａ）に示す本開示による光弁構造の第２の側面を示す概略図である。

【0024】

【図6】本開示による、光弁の断面を示す概略図である。

【0025】

【図7A】本開示による、第１の照明素子により照明を受けてよく、湾曲した光抽出部を含む光弁の概略平面である。

【0026】

【図7B】本開示により、第２の照明素子により照明を受けてよい光弁の概略平面である。

【0027】

【図7C】本開示による、線形光抽出部を含んでよい光弁の概略平面である。

【0028】

【図8】本開示による、光弁を利用する自動立体表示装置を示す概略図である。

【0029】

【図9】本開示による、平面反射側面を含む光弁の概略図である。

【0030】

【図10A】本開示によるフレネルレンズを含む光弁の概略図である。

【0031】

【図10B】本開示による別のフレネルレンズを含む光弁の概略図である。

【0032】

【図10C】本開示の別のフレネルレンズを含む別の光弁の概略図である。

【0033】

【図11】本開示の、フレネルに相当する反射面を有する光弁を示す概略図である。

【0034】

【図12】本開示の垂直拡散器を含む光弁を示す概略図である。

【0035】

【図13】本開示の自動立体ディスプレイの断面を示す概略図である。

【0036】

【図14】本開示による、分離した細長い光抽出部を含む光弁の概略図である。

【0037】

【図15】本開示による、勾配及び高さが可変である光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0038】

【図16A】本開示による、光抽出部のための複数の反射ファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0039】

【図16B】本開示による、光抽出部のための複数の凸形状のファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0040】

【図16C】本開示による、光抽出部のための複数の凹形状及び凸形状のファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0041】

【図16D】本開示による、光抽出部のための複数の不定形なファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0042】

【図16E】本開示による、結像方向に限定された散乱を提供するよう配置された光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。

【0043】

【図17】本開示による、横方向の厚みが可変である光弁の概略図を示す。

【0044】

【図18】本開示による、モアレパターンを低減させるよう配置された、複数の分離した光抽出部を有する光弁を含む方向性を有するディスプレイの概略平面である。

【0045】

【図19】本開示による反射側面についての選択肢の概略図を示す。

【0046】

【図20】本開示による光弁の光路の概略図を示す。

【0047】

【図21】本開示による、第１の光方向づけ面と第２の光方向づけ面の導光部とがさらに傾けられた光弁の概略図である。

【0048】

【図22】本開示による、実質的に平行な側面を有する光弁の光線の断面の概略図である。

【0049】

【図23】本開示による、テーパ形状の光弁の光線の断面の概略図である。

【0050】

【図24】本開示による、光弁の光抽出部の屈折によって光が抽出されうる自動立体ディスプレイの概略図である。

【0051】

【図25】本開示による、空隙を含む光弁の概略図である。

【0052】

【図26A】本開示による、光弁構造の上面の概略図である。

【0053】

【図26B】本開示による、図２６Ａの光弁構造の側面の概略図である。

【0054】

【図27】本開示による、ｘ個の異なるオフセットのための抽出特徴曲線を示すグラフである。

【0055】

【図28】本開示による、ある部に沿ったｙの位置の関数として、抽出部の反射ファセットのｚ軸から離れた傾斜角を示すグラフである。

【0056】

【図29】本開示による、平面の端面から分岐する光伝播を示す。

【0057】

【図30A】本開示における、平面形状の上面を有する分岐した光弁の抽出曲線とファセット角度（facet angle）とを示すグラフである。

【0058】

【図30B】本開示による、平面形状の上面を有する分岐した光弁の抽出曲線とファセット角度とを示すグラフである。

【0059】

【図31】本開示において、左目画像及び右目画像が、第１の照明源及び第２の照明源とそれぞれ同期されてどのように表示されるかを示す立体表示実施形態の概略図である。

【0060】

【図32】本開示において、どのように、ある画像が他者ではなくユーザに選択的に提示されるかを示す表示実施形態の概略図である。

【0061】

【図33】本開示において、搭載されているデバイスが検知したデバイス及び頭部または目の位置が、どのように自動立体ディスプレイ上の左目画像及び右目画像の表示を実質的に自動で同期させる制御システムに入力を提供するかを示す概略図である。

【0062】

【図34】本開示において、目の位置を特定して、右目ビュー及び右目ビュー用にＬＥＤ照明を同期させる検知器を利用して、複数の観察者に対して立体視が提供される様子を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0063】

一般的には、本開示では、光弁を利用して光を誘導する方法が、光弁を通して、実質的に光伝播の損失が小さい第１の方向に光線を伝播させる段階を含む。加えて、光弁の端面に光線を相互作用させる段階、および、光弁を通して、光線を第２の方向に伝播させ、光線の少なくとも一部が少なくとも１つの抽出部に当たり、光弁から抽出される段階も含まれてよい。

【0064】

本開示の別の態様によると、実質的に平面形状の第１の光誘導面と、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面とを備えるライトバルブが提供される。複数の抽出部と複数の誘導部とは、互いに接続されて交互に配置されており、複数の抽出部は、光が第１の方向に伝播するときに、実質的に損失低く光を透過させ、光が第２の方向に伝播するときに、光を反射させてライトバルブから放出させる。

【0065】

本開示のまた別の態様によると、光弁システムであって、光弁の第一端に少なくとも動作可能に連結された複数の照明素子を備え、光弁は、実質的に平面形状の第１の光誘導面を含む。光弁はさらに、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面も含む。複数の抽出部と複数の誘導部とは、互いに接続されて交互に配置されており、複数の抽出部は、光が第１の方向に伝播するときに、実質的に損失低く光を透過させ、光が第２の方向に伝播するときに、光を反射させて光弁から放出させる。

【0066】

本開示の別の態様によると、光弁であって、光弁の第一端に位置する入力側面と、光弁の第二端に位置する反射側面と、光弁の反射側面と入力側面との間に位置する第１の光方向づけ側面と第２の光方向づけ側面とを備える光弁が提供される。第２の光方向づけ側面は、複数の誘導部と複数の抽出部とを有してよい。複数の誘導部は複数の抽出部をそれぞれ接続してよい。

【0067】

本開示の別の態様によると、光線を光弁に提供する照明アレイを備える、方向性を持つ表示システムが提供される。光弁は、実質的に平面形状の第１の光誘導面を含んでよい。光弁はさらに、第１の光誘導面の反対側にあり、複数の誘導部と複数の抽出部とを有する第２の光誘導面を含んでよい。複数の抽出部は、第１の領域と第２の領域とを有してよい。第１の領域及び第２の領域における複数の抽出部は、第１の照明器からの光線の少なくとも一部が、光弁の外の第１の視野窓に方向づけられるように、且つ、第２の照明器からの光線の少なくとも一部が、光弁の外の第１の視野窓と異なる第２の視野窓に方向づけられるように、それぞれの配向を有していてよい。

【0068】

本開示の別の態様によると、観察者トラッキング自動立体ディスプレイであって、光弁と、光弁に光を提供する照明素子のアレイと、光弁の視野窓の近くにいる観察者を検知するセンサと、照明素子のアレイの設定を決定する照明制御器とを備え、設定は、第１の視野窓に対応した第１セットの照明素子に対する第１の照明段階を決定して、設定は、第２の視野窓に対応した第２セットの照明素子に対する第２の照明段階を決定する、観察者トラッキング自動立体ディスプレイが提供されてよい。

【0069】

一般的には、ライトバルブまたは光弁は、局所的な光源から大面積の照明を提供することができる。ライトバルブまたは光弁という呼称は、本明細書では交換可能な概念として利用されてよい、とする。光弁は、一例では導波路であってよく、ステップを持つ（stepped）構造を含んでよく、この構造では、各ステップが、効果的、光学的に、第１の方向に伝播する導波に対しては隠される抽出部であってよい。抽出部は、第２の方向に伝播する戻り光に対して、屈折、回折、及び、反射の少なくとも１つを行い、光弁の上面から照明を提供することができる。このように制御された照明は、効率なマルチユーザの自動立体ディスプレイとともに、改善された二次元表示機能を提供することができる。

【0070】

一般的には、光弁は、光を導き、及び、方向付ける、のうち片方または両方を行うことができる光学構造、または、任意の種類の光学素子であってよい。光は、光弁内で、入力側から反射側への第１の方向に、実質的に損失を伴わずに伝播してよい。光は、反射側で反射されて、第１の方向とは実質的に反対の第２の方向に伝播してよい。光が第２の方向に伝播されると、光は光抽出部に入射してよく、光抽出部から、光弁の外へと、光が抽出され、または、方向づけ直されてよい。言い換えると、光弁は、光を第１の方向に伝播して、及び、第２の方向に伝播されている間に光を抽出することができる。

【0071】

一実施形態では、光弁は、光弁指向性バックライトとして機能することができ、大きな表示面積を有する逐次的な（time sequential）方向性照明器を達成することができる。時分割多重化された自動立体ディスプレイは、空間光変調器の実質的に全ての画素からの光を、第１のタイムスロットの第１の視野窓へと方向付けて、後で、全ての画素を、第２のタイムスロットの第２の視野窓に方向付けることで、自動立体ディスプレイの空間解像度を向上させることができる、という利点を有する。したがって、第１の視野窓及び第２の視野窓で光を受けるような位置に目を置いている観察者は、複数のタイムスロットによってディスプレイ全体で全解像度の画像を見ることができる。時分割多重化されたディスプレイは、方向性光学素子（directional optical element）を利用して実質的に透明な時分割多重化された空間光変調器内を通るように照明アレイを方向づけて、方向性光学素子が実質的に窓平面の照明アレイの画像を形成するようにすることで、方向性のある照明を達成することができる。さらに、視野窓の均一性は、空間光変調器の画素の配置とは独立したものとすると好適である。また、これらディスプレイが、フリッカが少なく、移動中の観察者に対してクロストークが低レベルであるように、観察者にトラッキング表示を提供することができると、好適である。

【0072】

窓平面で高い均一性を達成するためには、高い空間均一性を有する照明素子アレイを提供すると好適であろう。逐次的な照明システムの照明素子は、たとえば、約１００μｍの空間光変調器の画素をレンズアレイと組み合わせて提供することもできる。しかし、この画素は、空間多重化されたディスプレイと同じ問題を抱える可能性もある。さらに、これらデバイスは、効率が低くコストが高い場合がり、他の表示部材を必要とする場合もある。

【0073】

巨視的照明器（たとえば、約１ｍｍ以上であってよい光学素子）を利用することで、高い窓平面の均一性は都合よく達成されるかもしれない。しかし、照明素子の寸法を大きくすると、方向性光学素子の寸法も、それに比例して大きくなることが想定される。たとえば、約６５ｍｍの幅の視野窓に結像される約１６ｍｍの幅の照明器が、約２００ｍｍの後方作動距離（back working distance）になる場合がある。したがって、光学素子の厚みを大きくすると、移動体ディスプレイまたは大きな面積のディスプレイへの用途が妨げられてしまう可能性がある。

【0074】

加えて、光学素子は、光学素子の後方作動距離より薄いものを利用することで、巨視的照明器からの光を窓平面に方向づけることができる。ここで「薄い」とは、ｚ方向の光弁の厚みに関係しうる光弁照明器に対してのものであってよく、約０．１ｍｍから２５ｍｍの範囲であってよい。これらディスプレイは、実質的に平行な光弁の第２の方向に伝播する光を抽出するよう構成されたファセットのアレイを利用してよい。

【0075】

本明細書に記載する実施形態は、面積が大きく薄型の構造の自動立体ディスプレイを提供することができる。さらに、以下で記載するように、本開示の光弁は、大きな後方作動距離を有する薄型の光学部品を達成することができる。これら部品は、方向性バックライトで利用されて、自動立体ディスプレイを含む方向性ディスプレイを提供することができる。さらに、一実施形態では、効率のよい自動立体ディスプレイを達成するために制御可能な照明器が提供されてもよい。加えて一実施形態は、方向性バックライト装置、及び、方向性バックライト装置が組み込まれた方向性ディスプレイに関したものであってよい。これらの装置は、自動立体ディスプレイ、プライバシー保護の可能なディスプレイ（privacy displays）、またはその他の方向性ディスプレイの用途への応用が可能である。

【0076】

一実施形態では、光弁構造に統合可能な非線形の光抽出部によって方向性バックライトの光学的機能を提供することで、コストと複雑性とを低減させることもできる。光学的機能の組み合わせを抽出部に提供することで、照明構造から視野窓を提供するために追加が必要な光学膜の数を低減させることができる。線形の抽出部よりも、ディスプレイの照明の均一性を向上させることができる。さらに、端部反射器の下垂部（sag）は、方向性バックライトのベゼルの寸法が小さくなるように小さくすることができ、こうすることで、ベゼルの外観をよくすることができる。方向性バックライトとパネルとの間のモワレを低くすると好適である。加えて、ディスプレイの収差を、視野位置の範囲に合うよう好適化することができ、これにより視野の自由度を向上させることができる。

【0077】

本開示の実施形態は、様々な光学系、ディスプレイシステム、及び、投影システムに利用することができる。実施形態は、様々なプロジェクタ、投影システム、光学部品、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、内蔵式プロジェクタシステム、視覚システム、聴視覚システム、電気機器、及び、光学機器に利用することができる。本開示の態様は、光学機器及び電気機器光学システム、表示システム、娯楽システム、プレゼンテーションシステム、または任意の種類の光学システムを含むことができるいずれの装置を含んでもよく、またはこれらとともに利用することができる。したがって本開示の実施形態は、光学システム、視覚提示及び光学提示に利用されるデバイス、視覚周辺機器等で、及び、複数のコンピューティング環境で利用することができる。

【0078】

本開示を詳細に説明する前に、本開示は他の実施形態を含んでもよく、ここに示す特定の構成の詳細に、その用途または成り立ちが限定されない点を理解されたい。さらに、本開示の態様は、享受すべき権利に固有の実施形態を定義するために、異なる組み合わせ及び配置で説明することもできる点を理解されたい。さらに、ここで利用する用語は、あくまで説明を目的としたものであり、限定として捉えられるべきではない。

【0079】

図１の（Ａ）及び図１の（Ｂ）は、従来の導波路バックライト照明器の上面と側面とをそれぞれ示す概略図である。図１の（Ａ）の上面１５０は、楔形の導波路（wedged waveguide）１６０を照明するために利用することができるＬＥＤ１５５を含んでいる。散乱部を有する楔形の導波路が通常ＬＣＤ照明に利用される。上面１５０は、ｘｙ平面に示されている。

【0080】

図１の（Ｂ）の側面１００は、ｘｚ平面に示されており、ＬＥＤ１０５、導波路１１０、ＬＣＤ１２０、拡散器１３０、及び反射素子１４０を含む。図１の（Ｂ）の側面１００は、図１の（Ａ）の上面１５０の代替図である。したがって図１の（Ｂ）のＬＥＤ１０５は、ＬＥＤ１５５に対応しており、図１の（Ｂ）の導波路１１０は、図１の（Ａ）の導波路１６０に対応していてよい。

【0081】

図１の（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０５は、導波路１１０の、分厚いほうの端部１０７を照明してよく、光が導波路１１０内で伝播してよい。伝播光の比率は、点１４５等の反射素子１４０に定期的に当たり、この点１４５から、光線が散乱される。導波路１１０の臨界角を超える伝播角度を有する散乱光線は、外へ放射されて拡散器１３０を通過してから、ＬＣＤ１２０を照らす。残りの散乱光線は、光線が導波路１１０の薄いほうの端部１０９に向かう際に、楔形のプロフィールによって徐々に圧縮される。光線は、ますます多い散乱部（導波路１１０の点１４６及び１４７に示すように）に当たり、ついには、照明光の大半が導波路１１０から放出される。このようにして徐々に光が漏れて、局所的な光源からの光が導波路１１０のｘ軸沿いに拡散して、ＬＣＤ１２０が照らされる。ＬＥＤ１５５は、互いに隣接して設けられてよく（図１の（Ａ）参照）、光は、その楔形プロフィールに直交する導波路の方向に、ｙ軸沿いに伝播してよい。拡散器１３０はさらに、照明を拡散させる用途にも利用される（図１の（Ｂ）参照）。

【0082】

この従来の方法でも照明は提供されるが、光の退出角度が制御も方向づけもされていない。照明を制御することができないと、効率化、プライバシー確保、及び自動的立体化を実現することができない。

【0083】

図２の（Ａ）及び図２の（Ｂ）は、公知の自動立体ディスプレイの上面及び側面を示す概略図である。図２の（Ａ）の上面２５０は、ｘｙ平面に示されており、導波路２１０を照明するために利用することができるＬＥＤ２５５ａ及び２５５ｂを含んでいる。加えて、図２の（Ｂ）の側面２００は、ｘｚ平面に示されており、ＬＥＤ２０５ａ及び２０５ｂ、ＬＣＤ２２０、３Ｍフィルム２３０、導波路２１０、並びに、反射素子２４０を含む。図２の（Ｂ）の側面２００は、図２の（Ａ）の上面２５０の代替図である。したがって図２の（Ｂ）のＬＥＤ２０５ａ及びｂは、図２の（Ａ）のＬＥＤ２５５ａ及び２５５ｂに対応しており、図２の（Ｂ）の導波路２１０は、図２の（Ａ）の導波路２６０に対応している。

【0084】

より近年になって、Ｎｅｌｓｏｎらに対する米国特許第７，７５０，９８２号明細書に記載する、角度制御が可能な出力照明が開発され、これを参照としてここに組み込む。この公知の例では、図２の（Ａ）及び図２の（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ２５５ａ、２５５ｂ、及び、２０５ａ、２０５ｂが、それぞれ導波路の左側及び右側に配置され、個々に変調することができる。図２の（Ｂ）に示すように、右側のＬＥＤ２０５ｂから放出された光は、二重楔形の導波路２１０へと伝播され、徐々に光線角度を上げて、ついには、その一部が、全反射（ＴＩＲ）がなくなることにより、臨界角を超える。これらの光線は、ガイドから外側に出て、ガイドの法線（guide normal）またはＺ軸に対して９０度に近い狭い範囲の角度で、ディスプレイに向かう。統合されたレンズが導波路２１０とＬＣＤ２２０との間に位置しているマイクロプリズムフィルム（図２の（Ｂ）では３Ｍフィルム２３０として示されている）が、この光をｚ軸沿いに、且つ、通常の伝播を超えない拡散角度で方向づける。

【0085】

図２の（Ｂ）の説明を続けると、ＬＣＤ２２０が３Ｍフィルム２３０のすぐ上に位置されることで、完全に照明されたＬＣＤは、ディスプレイを通常に見たとき、左目によってのみみられることとなる。表示は、垂直線の周りに時計回りに回転されるために、この画像は、左目のみで見えつづけ、最終的には右目に見えるようになる。この時点では、表示は従来の二次元表示にみえる。図２の（Ｂ）の左側のＬＥＤ２０５ａから放射される光について右目において対称の状況が得られる。次に左目及び右目のＬＥＤ２０５ａ及び２０５ｂを、ディスプレイに供給される交互する左目画像及び右目画像に変調することにより、通常の見方をしたとき、観察者は、高い解像度の立体画像を見ることができるようになる。表示を法線から離れるよう（away from the normal）回転させることで、二次元画像が提供され、従来のレンチキュラースクリーンまたは視差バリア法で生成されるような、不快な擬似の感覚が回避される（たとえば、左目の立体画像が右目で見えたり、この逆であったりするような感覚）。さらに、三次元画像が、従来の方法とはことなり完全な解像度となり、すべてのＬＥＤをＯＮにすると従来の二次元表示になるよう初期設定することができる。この公知の立体表示の解決方法は、２つのビームのみしか個々に制御できないので、プライバシーを考慮に入れた効率のよい照明モードを達成することができず、さらに、複数の独立した変調ビームが含まれうる自動立体システムにおける頭部の移動の自由度に制約を課す。

【0086】

図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）は、別の公知の自動立体ディスプレイの上面及び側面を示す概略図である。図３の（Ａ）の上面３５０は、ｘｙ平面に示されており、楔形の導波路３６０を照明するために利用することができるＬＥＤ３５５を含んでいる。図３の（Ａ）に示すように、楔形の導波路３６０は、波型反射面（reflecting corrugated surface）３６２を有していてよい。加えて、図３の（Ｂ）の側面３００は、ｘｚ平面に示されており、ＬＥＤ３０５、ＬＣＤ３２０、再方向づけフィルム３３０、及び、導波路３１０を含む。図３の（Ｂ）の側面３００は、図３の（Ａ）の上面３５０の代替図である。したがって図３の（Ｂ）のＬＥＤ３０５は、図３の（Ａ）のＬＥＤ３５５に対応しており、図３の（Ｂ）の導波路３１０は、図３の（Ａ）の導波路３６０に対応している。図１の（Ａ）、図１の（Ｂ）、図２の（Ａ）、及び図２の（Ｂ）の導波路と同様に、図３の（Ｂ）の楔形の導波路３１０も、薄い端部３０７と分厚い端部３０９とを有している。

【0087】

Ｔｒａｖｉｓに対する米国特許第７，６６０，０４７号明細書（この全体をここに参照目的で組み込む）にも教示されている楔形の導波路を、図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）に示すように利用することができる。図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）の方法は、光の範囲または面積が小さい１つのＬＥＤ放射器を利用することができる。

【0088】

楔形の導波路は、導波路のｘｙ平面に従来のコリメーションを行い、ＴＩＲに失敗することにより徐々に楔形の導波路から漏れることによるｘｚのコリメーションを利用することができる。さらに、ｘｙのコリメーションは反射において行うことができ、ビームの拡張については順方向の伝播を利用して、同じ導波路から下方に漏れる光については、逆方向にコリメーションされた伝播ビームを利用する。傾いた、曲線状の反射端面がコリメーションと角度バイアスとを反射に与える（図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）参照）。

【0089】

図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）の楔形導波路に関する問題の１つは、導波路の表面から放射される照明ビームを偏向せねばならないという要件である。これは、複雑なフィルムを利用して効率的かつ均一に行われる。さらに、自した楔形手段の対称特性は、上面及び底面両方に生じる可能性がある。加えて、内部伝播光の角度の拡がりは小さくなり、最終的には任意のＬＥＤ光源において楔の厚みは大きくなる。また別の課題の１つに、この端部付近の照明が不均一になるのを避けるために、反射端部を波型にせねばならない、というものがある。タイトな設計許容度に合わせる必要があるために、波型にする処理はコストがかかる。

【0090】

一般的には、楔形導波路は、弁としての機能は有さなくてよい。楔形の導波路の薄い端部から分厚い端部へと伝播する光は、分厚い端部から直接反射された場合には抽出されずに戻ると想定される。主に、傾いた、または、波型の端部を有する鏡から反射させることによる角度調整により、光を抽出するために十分高い角度で光が後方に伝播する。

【0091】

一般的には、光弁及び楔形の導波路照明ディスプレイ両方について、出願人が同じ「Intra-pixel illumination system」なる名称の米国特許公開第２００９／０１６０７５７号明細書（ここのその全体を組み込む）に教示されている局所的に制御された色照明を画素に提供することで、または、観察者の目がある領域にのみ照明を集約させることにより、効率を上げて、色フィルタアレイ（「ＣＦＡ」）を設ける必要がなくなるようにする。照明を観察者の目がある領域にのみ照明を集約させることで、照明光が潜在的な盗聴者の目に達することがなくなるために、プライバシーを保護する用途も遂行することができる。左目画像及び右目画像の提示と同期させて、左目及び右目に別々に到達する照明ビームを変調させることで、さらに、メガネを必要とせずに立体情報を配信することもできるようになる。後者のほうのこの自動立体による方法は、ハンドヘルド型の三次元デバイスにも利用可能である。

【0092】

図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）は、光弁の上面及び側面をそれぞれ示す概略図である。一般的には、図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）の実施形態は、光弁としての動作が可能である。図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）の光弁４１０は、説明のために言及されているのであり、限定として捉えられるべきではない。

【0093】

図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）は、光弁の上面及び側面をそれぞれ示す概略図である。図４の（Ａ）の上面４５０は、ｘｙ平面に示されており、光弁４１０を照明するために利用することができる４０５を含んでいる。ＬＥＤは、ここで記載する実施形態に関する光源として説明されているが、任意の光源（レーザ光源、局所的な電界放射光源、有機的な放射アレイ等であってよいがこれらに限定もされない）を利用することもできる。加えて、図４の（Ｂ）の側面４００は、ｘｚ平面に示されており、ＬＥＤ４０５、ＬＣＤ４２０、抽出部４３０、及び、光弁４１０を含む。図４の（Ｂ）の側面４００は、図４の（Ａ）の上面４５０の代替図である。したがって図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）のＬＥＤ４０５が互いに対応していてよく、図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）の光弁４１０が互いに対応していてよい。さらに図４の（Ｂ）では、光弁４１０が、薄い端部４０７と分厚い端部４０９とを有している。ここでは説明をしやすくするためにＬＣＤ４２０を言及しているが、これらに限定はされないがＬＣＯＳ，ＤＬＰデバイス等の他のディスプレイをこの照明器からの反射が作用する対象として利用することができる。

【0094】

図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）の実施形態では、第１の方向に伝播する光が、実質的に損失を伴わずに光弁４１０内を誘導され、第２の方向に伝播する光が、抽出部４３０を利用して光弁４１０から抽出されてよい。抽出部４３０については本文書で詳述する。図４の（Ｂ）に示すように、光弁４１０の薄い端部４０７から分厚い端部４０９へであってよい第１の方向に伝播してよい。加えて、光弁４１０の端部から反射された後に、光は、分厚い端部４０９から薄い端部４０７へであってよい第２の方向に伝播してよい。光が第２の方向に向かうとき、光は抽出部４３０に当たり、光弁４１０から抽出されて、ＬＣＤ４２０に向かってよい。加えて、抽出部は、第１の方向に伝播する光から光弁のライザーに光学的に隠れていてよい。

【0095】

図４の（Ｂ）の光弁４１０の説明を続けると、光は第１の端部（図４の（Ｂ）の薄い端部４０７等）に当たり、光弁の長さに沿って伝播して、第２の端部（図４の（Ｂ）の分厚い端部４０９等）で反射されて、第１の端部に向けて光弁の長さ沿いに伝播して、光弁の長さ沿いのある点で、抽出部４３０との相互作用によって光弁から光が抽出されてよい。

【0096】

本実施形態の説明を続けると、光は、平面形状ではない表面から反射され、第２の方向で伝播中に抽出される前に、第１の方向に伝播しているときには均一であり拡張されてよい。平面形状ではない表面は、光に窓平面の原画像を形成させる円柱レンズの機能を果たしてよい。一例では、原画の画像化（source imaging）は、同様の円柱状反射端面を楔形の導波路に利用することで、コストの高い波型形状のものを利用しなくても行うことができる。これと比較すると、Ｔｒａｖｉｓに対する米国特許第７，６６０，０４７号明細書では、楔形の導波路の反射端を波型形状にする必要がある。

【0097】

光弁は、様々に異なるディスプレイのプラットフォームに適切に調整可能な厚みを有する、独立型の、単一の成形ユニットであってよい。さらに、トレードオフは、薄型にすることによる光学効率の損失であろう。加えて、比較的薄型で、低コストの自動立体ディスプレイを達成することができ、光学品質を向上させつつ自動立体ディスプレイで利用される光学部品の数を減らすことができるようになる。さらに、一実施形態では、端部のベゼル領域のサイズ、または、適切だった光弁の幅広を小さくして、嵩張らないようにすることができる。抽出部は、実質的に光弁の第１の入力側から第２の反射側への、光の光方向づけ機能を実質的に有さないので、光の反射側の後方作動距離を長くして、光弁の厚みを小さくすることができる。加えて、湾曲した表面を抽出部に持たせることで、湾曲した端面を機能的に置き換えることができるようになり、光弁構造の最終的な広がりを、小型のハンドヘルドデバイスに応じたものとすることができる。湾曲した表面を有する抽出部はここで詳述する。

【0098】

前に述べたように、１つの実施形態の構造は、図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）に示されており、薄い端部４０７側に２以上のＬＥＤ放射器を有し、他の分厚い方の端部４０９または反射端に湾曲した反射表面を有する光弁を含む。光弁構造に入射する光は、ｘ方向に伝播して、ｙ方向に広がってよい（図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）を参照）。抽出部４３０は臨界角θｃを超えることができない光線から光学的に隠れていてよいので、抽出部４３０は、光に影響を及ぼさず、光が導かれる方法に影響を与えなくてよく、ここでｚ軸に対してθｃ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）であり、ｎは光弁材料の屈折率である。光のｘｚの角度プロフィールは、図３の（Ａ）及び図３の（Ｂ）に対して記載した楔形の導波路構造と対照的に、実質的に不変であってよい。光弁４１０の分厚い端部４０９または光源から遠く離れた端部では、ｚ軸に実質的に平行であってよく、しかしｘｙ平面で湾曲していてよい端面に光が入射する。湾曲部は、同じｘｙ平面での角度に沿った光を結像しつつ、同時に、直交するｘｚの角度プロフィールを維持することができる。光は、分岐ビームを形成してよく、光を失い、または、収束ビームを形成して、端部を照明できないことがあるので、大きなベゼルまたは幅を大きくすることが適切である。

【0099】

構造の対称軸から入力される元の光源のｙ軸沿いのオフセットは、ほぼ第２の方向にコリメーションされた戻り光線を、−ｘ軸に対して〜ψまでの角度で伝播させる。戻り光線は、抽出部の表面で反射されて、ｚ軸方向に偏向され、ガイドから抽出される。抽出部の約４５度に配向された表面からの反射は、誘導される光のオフセット角度ψが光を、−ｘ軸ではなくてｚ軸に近づくように伝播するとはいえ、ｘｚ角度広がりθ／ｎ（空気では

【数13】

及び誘導される光のオフセット角度ψを維持する。約４５度の反射も、また、ｘｚ平面の退出面の法線の周りに光を集約させる（Φ＝約０度であってよい）。抽出部の表面に入射する高い角度の光線はＴＩＲの失敗によって減衰される可能性があることから、ｘｚ角度プロフィールはわずかに修正される可能性がある。一例では、ｘ軸から約−５０度と約５度との間であってよい光線が良好な効率で反射することができ、約５度であってよい光線は、抽出表面を通るとき破壊され（break）、光学的に失われる可能性がある。光学的に失われた光線は、高い角度の光線であってよい。底部を銀とすること（silvering the bottom）によって、高い角度の光線の抽出効率を高めることができるが、これは、光を誘導する際に伝播が損失する、という犠牲を伴う。誘導される光のオフセット角度ψは、少なくとも図５の（Ａ）及び図５の（Ｂ）、及び図５の（Ｃ）を参照して詳述する。

【0100】

図５の（Ａ）は、ｙｚ平面に方向づけられた出力を示す光弁構造の上面を示す概略図であり、図５の（Ｂ）は、図５の（Ａ）に示す光弁の第１の側面を示す概略図であり、図５の（Ｃ）は、図５の（Ａ）に示す光弁の第２の側面を示す概略図である。

【0101】

図５の（Ａ）の上面５５０は、ｘｙ平面に示されており、光弁５１０を照明するために利用することができるＬＥＤ５０５を含んでいる。図５の（Ｃ）の第２の側面５００は、ｘｚ平面に示されており、ＬＥＤ５０５、ＬＣＤ５２０、及び、光弁５１０を含んでいる。図５の（Ｂ）の側面５２５は、図５の（Ａ）の上面５５０の代替図であり、これもＬＥＤ５０５、ＬＣＤ５２０、抽出部５３０、及び、光弁５１０を含んでいる。したがって、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）、及び図５の（Ｃ）のＬＥＤ５０５が互いに対応していてよく、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）、及び図５の（Ｃ）の光弁５１０が互いに対応していてよい。さらに図５の（Ｂ）に示すように、光弁５１０が、薄い端部５０７と分厚い端部５０９とを有していてよい。分厚い端部５０９は、凹型のミラーまたは凸型のミラーのいずれかを形成してよい。

【0102】

図５の（Ｃ）に示すように、光弁５１０の入口の厚みｔ、及び、光弁５１０の厚みＴは、システムの面積及び効率それぞれにより少なくとも決定されてよい。ｙｚ平面のシステムの面積は、図５の（Ｂ）に示すように、出口の瞳孔またはアイボックス（eyebox）の垂直ｙ方向の面積によって決定されてよい。一例を挙げると、垂直窓の広がりは、約Δ／２であると好適であると思われ、ここでΔは、目とディスプレイとの間の距離にほぼ等しくてよい（通常は３００ｍｍ）。ｘｚ角度広がりθは、約２．ｔａｎ^−１（１／４）または約３０度であってよい（これは、ｘ軸の周りに約２０度の実質的にθ／ｎの広がりの内部ｘｚ角度に変換される）。空気中のＬＥＤの通常の出力の広がりは、約１００度であってよく、ガイド中では約６５度であってよい。したがって適切に適合させるためには、ＬＥＤの角度の範囲を約半分にする必要がある。適切なビーム拡張器（たとえばテーパ状の導波路等）を利用するという前提で、面積を維持することで、約ｔのガイドの入口のサイズを、ＬＥＤ放出領域のサイズの約２倍にすることができる。小さなプラットフォームの通常のＬＥＤの幅は、約０．５ｍｍであってよく、こうすることで、約ｔ＝〜１ｍｍのサイズの入口アパーチャを提供することができる。

【0103】

出口アパーチャのサイズＴの入口サイズｔに対する割合を利用して、効率の損失を判断することができるが、これは、入口アパーチャに当たる戻り光が、システムから効果的に損失されることに起因している。最小のサイズは、約５０％の効率について約２ｍｍであってよいが、３ｍｍまでのＴによって、より良い効率と厚みとの間のトレードオフが達成されるだろう。

【0104】

抽出部の数は、主に、製造後の抽出部の形状によって限定されてよい。現実的な抽出部は、現実的な製造方法を利用する際の製造誤差を含む場合がある。これらの誤差は通常、たとえば型を形成する際の切断ツールのサイズに関連する有限のサイズを有していてよい。抽出部が小さい場合には、誤差は、抽出部全体からみて大きな割合を占める場合があり、最適な性能とならない場合がある。したがって抽出部に見合うサイズを選択して、抽出部のサイズが予期される最終形態または忠実度と合致するようにするとよい。抽出部の数が少ないほど、部のサイズが大きくなり、端部があまり丸くならなくなる。丸い端部は、光弁内の光の伝播の角度範囲を広げるので、不要な漏れを生じさせる傾向がある。実現可能なステップのサイズ(が約１０μｍであると想定すると、ステップの数Ｎｓは、約（(T-t)δ〜２００であってよい。立体風景モードの移動電話機のディスプレイを例にとると、ステップのピッチｐはｄ／Ｎｓ〜２５０μｍである。通常の移動体電話機は、画素ピッチが７８μｍであることから、ｘ沿いの出力光の拡散を行ってモワレ効果を防ぐことができる。出口瞳孔の垂直方向の広がりを一次（first order）にほぼ維持しつつ、しかも出口の光場をスクランブルするためには、約３０度の拡散角度で十分であろう。たとえばＬｕｍｉｎｉｔ社（カリフォルニア州トランス在住の会社）製の一次元のホログラフィック拡散器を利用して、この効果を達成することができる。

【0105】

湾曲した鏡面は、一次元結像部材と同様の機能を行うことができる。局所的な光ボックスまたは出口瞳孔を、別個のＬＥＤの一次元結像によって観察者の平面に形成することができる。結像条件は、通常の公式である１／ｕ＋１／ｖ＝１／ｆで求めることができる（湾曲した反射面の下垂部が最少であると想定した場合（薄いレンズの前提としても知られている））。ｆが湾曲した反射面の焦点距離である場合（ほぼ曲率半径ｒの半分に等しくてよく、ｕはＬＥＤの端面までの距離ｄであり、ｖは、観察者までの光路長さであり、約ｎ．Δであってよい）。曲率半径は以下のようになる。

【数1】

通常の移動体電話機の値を想定すると、ｒは約９０ｍｍであってよい。

【0106】

湾曲面の下垂部が大きいような別の場合には、曲率半径は以下のようになる。

【数2】

【0107】

図５の（Ａ）、図５の（Ｂ），及び図５の（Ｃ）に示す実施形態では、アイボックスが生成されてよく、これは、実質的にＬＥＤの拡大バージョンであってよい。この場合にも、アイボックスのサイズの比率Σ／ｓが、公比ｎΔ／ｄ〜５にほぼ等しくてよい。アイボックスの位置は、Ω／ω＝Σ／ｓ〜５により決定されてよいＬＥＤの近似位置から同様にスケーリングされてよい。ヘッド部分に可撓性をもたせるために、アイボックスは、瞳孔間隔の幅または６５ｍｍにほぼ等しくなるようにして、２つのＬＥＤの放射領域間の間隔が最少になるようにしてよい。この例の場合には、各ＬＥＤ放射領域が薄い端部の中間から、約６５／５または約１３ｍｍ延びていてよい。湾曲した円柱状のレンズ表面は、フレネルの均等物で置き換えることができ（図１１参照）、これに関しても本明細書でさらに詳述する。しかしこれにより端面が最終的な表示領域を超える度合いを減らすことができるとしても、追加コストがかかるだろう。

【0108】

図６は、光弁の断面の別の実施形態を示す概略図である。図６は、透明な材料であってよい光弁６０１を含む一実施形態の断面を示す。図６の実施形態では、光弁６０１が、照明入力側面６０２、反射側面６０４、第１の光が方向づけられる側面６０６（平面である）、及び、誘導部６１０及び光抽出部６１２を含む第２の光が方向づけられる側６０8を含む。図６に示すように、照明素子のアレイ６１５の照明素子６１４からの光線６１６は、側面６０６による全反射と誘導部６１０による全反射によって、光弁６０１内を通り、鏡面であってよい反射側面６０４に誘導されてよい。照明素子のアレイ６１５は、一例では、ＬＥＤのアドレス可能なアレイであってよい。一般的には、図６から図２５では、同様の符号を付された部材同市は互いに対応したものであってよい。たとえば、図６の光弁が符号６０１を付されており、図７Ａの光弁が符号７０１を付されており、図１３の光弁は１３０１を付されている、等である。

【0109】

図６の説明を続けると、光線６１８は、側面６０４により反射されて、さらに、側面６０４の全反射によって光弁６０１内を実質的に誘導されてよく、誘導部６１２により反射されてよい。抽出部６１２に入射する光線６１８は、光弁の誘導モードから離れるように偏向されてよく、光線６２０が示すように、側面６０４を通り、自動立体ディスプレイの視野窓６２６を形成することができる光学瞳孔へと方向づけられてよい。視野窓６２６の幅は、主に、照明器のサイズ、及び、側面６０４と部６１２における出力設定距離及び光強度（optical power）によって主に決定されてよい。視野窓の高さは、主に、部６１２の反射円錐角と、入力側の照明円錐角の入力とによって決定されてよい。

【0110】

図６の光弁は、たとえば一体的に形成される型によって、または、部６１０、５１２を含む成型されたフィルムを、端部６０２、６０４を有する楔形の構造に取り付けることによって形成されてよい。光弁６０１は、ガラスまたはポリマー材料（これらに限定はされないがアクリルまたはＰＥＴを含む）単体または組み合わせを利用して形成されてよい。本実施形態において光弁は、低コストで高い透過率で形成することができて好適である。

【0111】

図７Ａは、第１の照明素子により照明され、湾曲した光抽出部を含む光弁の概略平面である。図７Ａは、光弁７０１内の発光素子７１４からの光線がさらに誘導されている様子を示す平面である。各出力光線がそれぞれの照明器７１４から同じ視野窓７２６の方向に方向づけられていてよい。したがって図７Ａの光線７３０は、窓７２６の光線７２０を横切ってよく、または、光線７３２が示すように窓の内部で異なる高さを有していてもよい。光弁の側面７２２、７２４は、これらに限定はされないが、たとえば透明、鏡面状、鋸場状、黒い表面などであってよい。

【0112】

図７Ａの説明を続けると、光抽出部７１２は、細長くて湾曲していてよく、光方向づけ面７０８の第１の領域７３４の光抽出部７１２の配向が、光方向づけ面７０８の第２の領域７３６の光抽出部７１２の配向と異なっていてもよい。

【0113】

図７Ｂは、第２の照明素子が照明する光弁の概略平面である。図７Ｂは、アレイ７１５の第２の照明素子７３８からの光線７４０、７４２を含んでいる。側面７０４の鏡の曲率と光抽出部とが協働して、照明器７３８からの光線を有する視野窓７２６から横方向に分離されていてよい第２の視野窓７４４を形成してよい。

【0114】

図７Ａ及び図７Ｂの実施形態は、照明素子７１４の視野窓７２６における実際の画像を提供してよく、一方で、実際の画像は、反射側面７０４における光強度と、領域７３４と７３６との間の細長い光抽出部７１２の異なる配向から生じうる光強度との間の協働によって形成されてよい。さらに図７Ａ及び図７Ｂの実施形態は、発光素子７１４の視野窓７２６の横方向の位置に対する結像の収差を向上させることができてよい。向上した収差によって、自動立体ディスプレイの視野の自由度が広がり、且つ、低いクロストークレベルを達成することができる。一例としては、視野の自由度が広がることには、三次元が良好な性能で、または低いクロストークで（約５％未満）見ることができるような、より大きな角度を含んでよい。

【0115】

図７Ｃは、線形光抽出部を含んでよい光弁の概略平面である。図７Ｃは、光抽出部が線形であり実質的に互いに平行である図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）と同様の配置を示している。図７Ｃの実施形態は、表示面にわたり実質的に均一な照明を提供することができ、図７Ａ及び図７Ｂの湾曲した部よりも製造しやすい。

【0116】

図８は、光弁を利用する自動立体表示装置を示す概略図である。図８は、観察者トラッキング自動立体表示装置を示している。図８に示すように、照明素子のアレイ８１５及び光弁８０１は、視野窓のアレイ８４６を提供するよう配置されていてよい。センサ８５０（たとえばＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ）を利用して、窓の付近の観察者を検知してよく、観察者トラッキングシステム８５２を利用して、観察者の位置を計算することもできる。照明コントローラ８５４は、照明アレイの正確な設定を判断して、視野窓セット８５６に対応する照明素子を、第１の照明ステップ中に照明して、視野窓セット８５８に対応する照明素子を、第２の照明ステップ中に照明してよい。コントローラ８５４は、観察者の位置に応じて、アレイ８１５のどの照明素子を照明するかを調整することができる。画像表示は、ＬＣＤ等の透過型空間光変調ディスプレイ８４８によって提供されてよく、光弁８０１と視野窓アレイ８４６との間に位置させてよい。窓のアレイ８５６の照明に対応してよい第１の照明ステップ中には、左目画像がディスプレイ８４８上に提示されてよく、窓アレイ８５８の照明に対応してよい第２のステップ中には、右目画像がディスプレイ８４８上に提示されてよい。

【0117】

図８の実施形態は、移動中の観察者に対してフリッカレベルを下げることのできる、幅広い視野自由度のある観察者トラッキング自動立体ディスプレイを達成することができる。アレイ８４６の窓の光学品質は、光弁全体において抽出部８１２の配向を異ならせることにより向上させることができる。したがって、窓平面の照明の均一性及び観察者に対するクロストークを最適化することができる。実施形態は、薄型パッケージにおけるＬＣＤを有する方向性のバックライトとして構成することができる薄型の光弁を提供することができる。さらに図８の実施形態は、出力が実質的に順方向に方向づけられることから、さらなる光ステアリングフィルムを利用する必要がない。加えて、金属化表面からの反射ではなくて主にＴＩＲ反射を利用することで光弁の効率を変化させることができる。光側面８０８からの光損失光が実質的に低いことから、光の抽出は実質的に光方向づけ側面８０４から行われる。

【0118】

図９は、平面反射側面を含む光弁を示す概略図である。図９は、平面形状の反射側面９０４を含む光弁のさらなる実施形態を示している。光抽出部９１２は、発光素子アレイ９１５から窓アレイ９４６に光線９６０を実質的に直接方向づけるよう構成されてよい。しかし側面は、光強度をほとんどまたはまったく含まない反射面（鏡等）とすることで、光強度は光抽出部９１２から提供されるようにしてよい。図９の実施形態は、空間光変調器の面積にもほぼ匹敵するような光弁の小さな全面積を達成することができる。これにより表示サイズ全体を低減することができる。特に、側面９０４の曲率の下垂部の下の面積を実質的になくすことができる。

【0119】

図１０Ａは、フレネルレンズを含む光弁の概略図であり、図１０Ｂは、別のフレネルレンズを含む光弁を示す概略図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、さらなるフレネルレンズ１０６２が平面及び曲面１００４をそれぞれ含む光弁の出力側に配置されていてよいさらなる実施形態を示している。フレネルレンズは、側面１００４と光抽出部１０１２と協働して、光を実質的に照明素子のアレイ１０１５から視野窓アレイ（図面には不図示）に方向づけてよい。フレネルレンズは、球形または円柱形状をしていてよく、形状は、窓（図面には不図示）の垂直方向の高さに応じて決定されてよい。加えて光弁の光強度を側面１００４、光偏向部１０１２、及びフレネルレンズ間で拡散するようにしてもよく、こうすることで窓のアレイ（図面には不図示）における窓構造の劣化を低減させることができ、視野の自由度が上がり、画像のクロストークが低減されつつ、同時に、移動している観察者にとっては窓の平面におけるフリッカレベルを低く維持することができる。

【0120】

図１０Ｃは、別のフレネルレンズを含む別の光弁の概略図である。図１０Ｃでは、フレネルレンズ１０６２の軸が、光弁の中央に対してオフセットされており、表示中央の軸１０６４がレンズの中央の軸１０６６に対して異なる位置にあるようにされている。図１０Ｃの実施形態は、さもなくば行うことができない公称出力光方向を、抽出部から、より軸上の方向にシフトさせることができる。さらに図１０Ｃの実施形態では、適切な軸上の輝度を達成するために垂直方向の拡散を利用しないことからより明るい表示を提供することができる。

【0121】

図１１は、代替の反射端を有する光弁を示す概略図である。図１１に示すように、光弁は、湾曲した表面または従来のコリメーション楔１１１０（フレネルの均等物１１２０と置き換えることもできる）を有してよい。

【0122】

図１２は、垂直拡散器を含む光弁の概略図である。図１２は、垂直拡散器１２６８が配置されて、入力光線１２２０を円錐角１２７０に拡散させ、こうすることで、顕著に水平方向の拡散を増加させることなく、窓を垂直方向に高くすることができるさらなる実施形態を示している。加えて、垂直方向の視野角を、アレイ１２４６の隣接する窓の間のクロストークを上げることなく高めることができる。垂直拡散器は、これらに限定はされないが非対称散乱面、リリーフ構造、レンチキュラースクリーン等を含む様々な種類の材料であってよい。垂直拡散器は、水平軸の周りを回転したときに表示を高度に均一にすることができるフレネルレンズと協働するよう配置されていてよい。

【0123】

図１３は、自動立体ディスプレイの断面の概略図である。図１３は、光弁１、フレネルレンズ１３６２、垂直拡散器１３６８、及び、透過型の空間光変調器１３４８を含む自動立体ディスプレイを示しており、照明アレイ１３１４の照明素子から自動立体視野窓１３２６を提供するよう配置されていてよい。拡散器１３６８とフレネルレンズ１３６２との間には間隙が設けられていてよく、これにより空間光変調器１３４８とフレネルレンズ１３６２及び光抽出部１３１２の構造の間のモワレ干渉（Moire beating）を低減させることができる。

【0124】

一部の実施形態では、光弁１３０１の端部の領域における光抽出部１３１２の密度は、光弁１３０１の中央における密度より低くてよい。このような配置によって、表示装置の面積にわたり不均一な強度になってよい。図１４は、分離された細長い光抽出部を含む光弁を示す概略図である。図１４では、さらなる分離された細長い光抽出部１４７２をたとえば連続した光抽出部１４７４の間に配置して、より高い表示強度の均一性を達成することができて好適である。

【0125】

図１５は、勾配及び高さが可変である光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。図１５は、光抽出部及び誘導部１５７６、１５７８の大まかな配置の断面を示しており、ここでは、光抽出部の高さと勾配とが、第２の光方向づけ側面１５０８に沿って変動していることがわかる。ここでは勾配が垂直方向の拡散特性を提供するべく調整可能であってよく、高さも、特定の領域の光弁から抽出可能な光量を調整するために可変であってよい。

【0126】

図１６Ａは、光抽出部のための複数の反射ファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。図１６Ａは、光抽出部１６７３が複数の平面形状の表面により提供されてよい一実施形態である。図１６Ｂは、光抽出部のための凸状のファセット面を有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。図１６Ｂは、凸形状の光抽出部１６７５の１つの構成を示しており、図１６Ｃは、凸部１６７５及び凹部１６７７光抽出部の組み合わせを示している。図１６Ｃは、光抽出部の凹形状および凸形状のファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。図１６Ｄは、光抽出部のための複数の不定形なファセットを有する光抽出部を含む光弁の断面を示す概略図である。図１６Ｄは、不定形な部１６１２形状を提供する１つの実施形態を示している。図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、及び図１６Ｄの実施形態は、垂直拡散器１６６８を利用せずに垂直方向の拡散特性を提供することができるので、コストと複雑性とが低減される。

【0127】

図１６Ｅは、結像方向に限定された散乱を提供するよう配置された光抽出部を含む光弁１６９０の断面を示す概略図である。図１６Ｅは、光を拡散させるために、及び水平方向の拡散を窓平面で達成するように、光抽出部が面変調器１６９５を抽出器の面に有しているさらなる実施形態を示している。拡散の円錐角によって、窓構造の横方向に一定のぼけを生じる可能性があるが、これは、垂直方向の拡散によるものよりかなり低い。このような配置を利用することで、窓の均一性が高まり、移動する観察者に対する表示のフリッカが低減する。

【0128】

図１７は、横方向の厚みが可変である光弁の概略図を示す。図１７は、側面１７０６の面積にわたり高い抽出均一性を提供することができる光弁１７０１の幅にわたり抽出部１７１２の高さが変化してよい光弁１７０１（マークされていない）の概略図を示している。したがって、光弁１７０１の端部の部１７１２の高さ１７７８は、光弁１７０１の中央の高さ１７８０より大きくてよい。図１７の実施形態では、光誘導部１７２４は、互いに、または、表面１７０６に対して平行ではなくてよい。部１７１２の配向は、光誘導部１７１０の表面の法線方向（surface normal direction）の変更を保証するよう調整されてよい。

【0129】

図１８は、モアレパターンを低減させるよう配置されてよい、複数の分離した光抽出部を有してよい光弁を含む方向性を有するディスプレイの概略平面である。図１８は、複数の細長い光抽出部を無作為に配置して、部が光抽出部と画素化された空間光変調器（pixelated spatial light modulator）との間のモワレを低減させることができるようになっている構成の概略図を示す。モワレパターンは、２つの周期的な半透過性の構造を互いに近づけて配置したときに見られる可能性がある。複数の抽出部を無作為な位置に導入することで、周期性を壊し、および／または、妨害して、眼に見えるモワレ効果を低減させることができる。

【0130】

図１９は、湾曲した反射面の選択肢の概略図を示す。図１９は、主光線の光コリメーションの３つの異なる例を示す。図１９の例ａでは、収束する主光線が示されており、例ｂでは、コリメーションされた主光線が示されており、例ｃでは、分岐した主光線が示されており、これら全てが、反射面から反射された後は第２の方向に伝播してよい。加えて図１９は、反射面１９０４の曲率を調整して、光弁１９０１内で反射する光のコリメーション及びコリメーション解除の片方または両方を実質的に制御してよい。こうすることで、図１９（ｃ）に示す分岐ビームが、光弁１９０１の軸をずれた視野について最大の面積利用を達成することができる。

【0131】

図２０は、光弁の光路の概略図を示す。図２０の配置を利用して、視野面ａ、及びディスプレイからの距離Ｖで近似された点に、コリメーションされた主光線を集光する光弁２００１の抽出部の曲率及び勾配を決定することができる。加えて、図２０は、本実施形態の光弁２００１構造の表面の法線方向及び光線の方向を大まかに示している。

【0132】

図２１は、第１の光方向づけ面と第２の光方向づけ面の導光部との間でさらなるチルトを有する光弁の概略図である。

【0133】

図２２は、実質的に平行な側面を有する光弁の光線の断面の概略図である。図２２は、第１の光方向づけ面２２０６及び第２の光方向づけ面の誘導部２２１０の間に傾き角度がない場合の一実施形態の断面である。

【0134】

図２３は、テーパ形状の光弁の光線の断面の概略図である。図２２の実施形態は、側面２２０６が誘導部２２１０に平行であってよい光方向づけ面２３０８（部２３１０、２３１２を含む）の光抽出部２２１２に入射してよい、光弁内の誘導光線を含んでいる。光線２２８２は、抽出部２２１２に入射して、ファセットにより偏向され、次いで光弁２２０１のＴＩＲにより面２２０６でとらえられてよい。光線２２８４は、示されているように抽出されてよいが、光線２２８６はさらに、光抽出部を透過することができるので、この結果光学的に失われる場合がある。部２３１０と側面２３０６との間の楔によって、図２３に示すような出力が連結した光がさらに提供される場合がある。この場合には、勾配がより緩やかな光抽出部２３１２が、３つの入射光線すべてに対する光を、光弁へと実質的に戻すように構成されてよい。光弁は、図２３に示す方向に向かう光線用に、幅の狭いテーパ形状であってよいので、側面２３０６に入射しうる光線は、臨界角を超えず、従い光弁から出力されてよい。さらに出力連結フィルム２３８８は、側面２３０６の表面に近い光を、ディスプレイの軸上の方向に向かうように、方向づけ直すことができてよい。このような配置によって、平行な側面の光弁よりもより勾配のきつい部を得ることができるので好適である。これら部は、さらなる金属皮膜を利用せずとも光弁内の導波された（waveguided）円錐角を大部分反射することができるので、より効率が高い。

【0135】

図２４は、光弁の光抽出部の屈折によって光が抽出されうる自動立体ディスプレイの概略図である。図２４は、光抽出部２４１２が光弁２４０１に光を屈折させるよう配置されてよいさらなる実施形態を示す。光偏向構造２４９２は、抽出された光線２４９０を、パネルの出力方向の実質的な法線方向であってよい方向に方向づけるよう配置されていてよいプリズムのアレイを含んでよい。フレネルレンズ２４６２及び拡散器２４６８はさらに、光をパネル２４４８に方向づけて、前述したように視野窓２４２６が形成されるように配置されていてよい。一例では、ファセットの角度を約９０度とすることができる。このような実施形態によって部２４１２から高いレベルの光抽出が可能となるので好適である。

【0136】

図２５は、空隙を含む光弁を示す概略図である。図２５は、光弁が第１及び第２の光方向づけ側面２５０６及び２５０８を有する空隙２５９８を含んでよい別の実施形態を示す。第１及び第２の光方向づけ側面２５０６及び２５０８は、それぞれ基板２５９４及び２５９６を支持するよう配置されてよい。側面２５０６及び部２５１０は、抽出部２５１２を除いて金属としてよく、こうすることで、光が第１の方向ではなく第２の方向に伝播しているときに抽出されるようにする。この配置は、図２４の全反射する導波路光弁２４０１よりも、処理中に損傷しにくいので好適である。

【0137】

図２６Ａ及び図２６Ｂは、光弁構造の上面及び側面の概略図である。図２６Ａ及び図２６Ｂは、平面形状の反射端面を許容することができる湾曲した抽出部を利用することができる別の実施形態を示す。さらにまた別の実施形態では、コリメーションを行わずに端部における過度な光損失を防止しつつ、裏面の端部の外向きの湾曲（back edge outer curve）を低減させることができる、反り返った（curved back）反射裏面及び湾曲した抽出部２６１０が含まれてよい。さらに他の実施形態では、抽出部をより小さな分離された部に分けて、パネルに対するエイリアシングの問題を実質的になくすことができる。各部は、依然として設計されたファセットを構成しており、これが、実質的に順方向の伝播誘導光に影響を与えることなく結像条件に対して反射角を大まかに補正することができる。

【0138】

光弁システムの抽出部は、一連の分離したファセットを形成することもできる。分離したファセットは、誘導された光の伝播角を変更して、光弁面の全反射を失わせ、光が抽出されるようにしてよい。一例では、傾いた部が第１の勾配を有し、第２の勾配を有する誘導部とは一定の間隔を置いて分離されるように抽出部を分離させてよく、ここで第２の勾配は、傾いた部の第１の勾配とは異なっていてよい。

【0139】

別の機能は、光を実質的に規定された方法で方向づけて、角度制御された照明について最適化させてよい。少なくとも図５及び図６を参照して行った説明では、抽出部が、実質的に線形であり、均一な勾配のステップを持ち、ステップが勾配の角度に応じて−ｘから〜ｚまで伝播方向を変更するよう機能することを想定している。集光、方向づけ直し処理、拡散等の機能は、１以上の外部フィルムにより行われ、これには、これらに限定はされないが、拡散器及びフレネルレンズ等が含まれる。なるべく多くの機能を抽出部に組み込むことで、コストが低減されて性能を高めることができる。

【0140】

また別の実施形態では、拡散器は、ここで説明する光弁のいずれの変形例に組み込むこともできる。表面変調器を図５に示すように抽出ファセットに組み込むことにより、光をほぼ規定された水平及び垂直角度のセットに偏向することができ、これにより、効果的に照明光を拡散させることができる。拡散を利用して、ＬＥＤ放射領域間の物理的間隙の結像をぼかすことができる。さらに、隣接するＬＥＤ源の間で光を混合して、色の不均一性を最小限に抑える際にも有用である。この拡散表面変調器の空間的大きさは、十分小さくすることで、面変調がシステムにより解消されたり、照明ディスプレイの周期的な画素に空間的に干渉したりしないようにする。空間干渉は、一部には変調を非周期的にしたり、疑似乱数的にしたりすることで軽減することができる場合がある。

【0141】

ライトバルブの方向性のバックライトシステムの抽出部は、一連の分離して、傾いたファセットを形成し、これにより、誘導された光の伝播角度は、誘導面における全反射が実質的に失敗して、光を外部に放出させるように変更される。分離、傾き、切り離す、引き離す、等の用語は、本明細書では抽出部の互いに対する構成を記載するために利用される。一例では、抽出部それぞれを、誘導部によって互いから分離させてよい。二次的な機能としては、光を規定されたように方向づけて、実質的に角度を制御された照明に合わせて最適化することが含まれてよい。少なくとも図４の（Ａ）、図４の（Ｂ）、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）、及び図５の（Ｃ）を参照して記載したように、抽出部は、勾配角度に応じて−ｘから〜ｚまでの伝播方向を変更させることができる、実質的に線形で、均一な傾きのステップとして想定される。集光、方向づけ直し処理、拡散等の機能は、１以上の外部フィルムにより行われてよく、これには、これらに限定はされないが、拡散器及びフレネルレンズ等が含まれる。または、これら機能は、抽出特徴プロフィールの設計により提供されてもよい。

【0142】

一実施形態では、抽出部は、実質的にシステムの主光線を視野平面に集光して、これにより、より小さな拡散器を利用できなくするさらなるフィルムの利用を妨げてよい。システムの主光線は、システムの任意の位置に設定された光学光線の実質的な中央にある光線であってよい。たとえば、光弁の一端にある物理的に小型であるＬＥＤ源から伝播した光が、ｘｙ平面の主光線の扇状の広がり（a fan of principal rays）を提供して、端部の反射器に向かって伝播させられてもよい。端部の反射器から反射されると、これら光線は、ｘｙ平面を修正された角度で伝播されて戻り、収束、コリメーション、または分岐を提供する（図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）。図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、湾曲した反射側面が提供する光結像に関する選択肢を示す概略図である。

【0143】

図１９（ａ）に例えば示すような主光線の収束は、端部から離れ、光弁の表面積を照明できないが、実質的に線形の抽出部で、視野平面で抽出された光線の実質的な水平方向の局所化を実現することができる。ディスプレイを均一に照明することで、導波路の水平方向のサイズを大きくする必要が出てくる。図１９（ｃ）に示すような分岐した光線は、局所的な目の瞳孔に光を提供するために方向づけ直されるが、軸からずれたＬＥＤからのものであっても所望の照明面積を実質的に満たすことができる。光線の分岐量が増えることで、光が光弁の端部に向かって光学的に失われていくので、照明器の輝度の損失量も増える。図１９（ｂ）に示すような、ほぼコリメーションされた伝播主光線であれば適当な妥協点を探ることができる。

【0144】

図２０の実施形態は、例示であり限定ではないが、ｘ及びｙ次元についてほぼ１５０ｘ２００ｍｍの照明面積を想定している。加えて、座標の原点が、図２０に示すように表示領域の中間にほぼ集約していると想定して計算を行う。

【0145】

コリメーションされた主光線を観察者の平面の一転に集光するために利用することができる抽出部の曲率及び勾配を、図２０に示す構成から導出することができる。コリメーションされた光線は、位置（ｘ，ｙ）で抽出特徴に遭遇する前に、以下の伝播ベクトルでｘ軸沿いに伝播して戻ることができる。

【数3】

この点における抽出部の面は、表面の法線のベクトルｎ（ｘ，ｙ）を有して、反射光が実質的に集光点（０，０，Ｖ）に対して、以下の正規化された伝播ベクトルで実質的に直接移動することができる。

【数4】

【0146】

Ｖは、約５００ｍｍであってよい視野距離と、導波路の約１．５であってよい屈折率との積である。この例ではＶが約７５０ｍｍであってよい。

【0147】

反射の法則では、ｋｉで伝播する光線をｋ０の光線に屈折させる表面の法線であるｎ（ｘ，ｙ）を以下のように近似することができるだろう。

【数5】

【0148】

連続した抽出特徴曲線は、この面の法線に直交してよいｘｙ平面上のある経路を通ってよい。数学的に表すと以下となる。

【数6】

上の式では、ｄｘとｄｙとが、曲線に沿って非常にわずかにシフトしてよい。この式を解くと、ｘｙ平面における曲線の局所的な勾配が求まる。

【数7】

【0149】

図２７は、ガイドの中央（ｙ＝０）から端部（ｙ＝１００ｍｍ）までの抽出特徴曲線ｘ（ｘ０，ｙ）を示しており、これは、上述した局所的な勾配に関する等式から求めることができる。ｙの負の値をカバーする完全な曲線は、ｙ軸に対して物理的対称であることから、利用できない。

【0150】

抽出部の表面の法線ｎは、ｘｙ平面に対する傾き角度により記述することができるが、これは、同じｘｙ平面における表面の法線の方向が、抽出部の曲率により決定されることに起因している。ｚ軸からの表面の傾き角度θは、以下のように与えられてよい。

【数8】

本式中、ｋは従来のｘ軸方向のベクトルであってよい。

【0151】

ｎを規定した上述した一実施形態では、以下のようになる。

【数9】

【0152】

図２８は、ｘ＝−５０，０及び５０ｍｍに略集まる３つの抽出部についての傾き角度を示している。

【0153】

別の実施形態では、分岐して伝播する主光線に焦点を当てた設計であってよい。一例では、設計に湾曲した端面が含まれていなくてよい。この実施形態では、平らな銀の表面が光を反射して、元のＬＥＤ放射のｘｙ平面で分岐を実質的に維持していてよい。この実施形態の利点には、製造しやすさ、曲線の下垂部があって不完全な照明になるため領域が無駄になることが少ないこと、入射端部をＬＥＤ光源でポピュレートして、すべての光源をＯＮにしたときに、より大きな角度偏向と実質的に均一な「あたかも二次元のような」パフォーマンスを達成することができること、等が挙げられる。図２９は、平面の端面から分岐する光伝播を示す。図２９に示す配置では、任意の位置（ｘ，ｙ）における主要光線の伝播ｋｉが以下のように与えられる。

【数10】

本式においてＬは光弁のｘ次元であってよい。この実施形態では、Ｌが約１５０ｍｍである。

【0154】

上述した分析の説明を続けると、この場合の抽出曲線の局所的な勾配は以下のように表すことができる。

【数11】

【0155】

ここでも、曲線プロフィールｘ（ｘ０，ｙ）が、ｘ０でｘ軸を横切る曲線について求められる。

【0156】

すると、ｚ軸に対する抽出ファセットの法線は以下のように求められる。

【数12】

【0157】

求められた抽出プロフィール及び表面の傾きの値を図３０Ａ及び図３０Ｂに示す。

【0158】

記載してきた実施形態は、軸上の光源を、観察者の平面の単一の点に向けて光を方向づけることができる。これらの設計は、さらに、Ｚｅｍａｘ，ＦＲＥＤ， ＡＳＡＰ社等の光学設計パッケージを利用する複数の光源に対応することができるよう最適化することもできる。

【0159】

図３１は、制御されたバックライトを利用する立体表示システムの概略図である。図３１には、観察者３１０５、右目画像３１１０、左目画像３１２０、及び表示システム３１３０が示されている。図３１では、右目画像３１１０及び左目画像３１２０が、ＬＥＤ等の第１の照明源及び第２の照明源にそれぞれ実質的に同期されて表示されてよい。加えて、ここで説明する表示システム３１３０及びディスプレイは、様々な種類のデバイスであってよく、あくまで例であってこれらに限定はされないが、携帯電話機、スマートフォン、ＰＤＡ，ゲームシステム、ノートブック、ラップトップ、テレビシステム、ディスプレイ等が含まれる。図３１の例では、２つのＬＥＤがそれぞれ、観察者により各目を照らすように位置合わせされる出口瞳孔または光ボックスを提供してよい。ＬＥＤを、交互に右目立体画像及び左目立体画像を提供する表示システム３１３０に実質的に同期するように変調することで、三次元の画像観察が可能となる。表示ユニットの材料のコストは、二次元ディスプレイのものと同じくらいである。加えて、二次元モードの表示システム３１３０の効率またはディスプレイが従来のように更新された場合の効率は、光が観察者３１０５の目から離れた無駄な照明領域とならないために、顕著に向上すると考えられる。

【0160】

図３２は、どのように、ある画像が他者ではなくユーザに選択的に提示されるかを示す表示実施形態の概略図である。図３２には、第１の観察者３２１０、第２の観察者３２２０、及びディスプレイ３２３０が示されている。図３２の実施形態では、ディスプレイ３２３０が、他人が、照明光が実質的にないディスプレイ３２３０を見ることができないことから、プライバシー保護を行うことができる。図３２の例では、第１の観察者３２１０は、立体画像または従来の二次元画像を見ることができ、第２の観察者３２２０は、異なる位置におり（たとえば公共交通機関を利用しているときの隣の席など）、第１の観察者３２１０が見ることのできるディスプレイ３２３０の内容を見ることができない。

【0161】

２以上のＬＥＤを導入することで、複数のアイボックスが提供され、頭部及びデバイスの両方または片方の動きを解放して、観察者に対して複数の選択肢を提供することができる。一例では、観察者の目の位置を、内蔵されており外向きの（out facing）ＣＣＤ検知器を利用して取得することができる（ＣＣＤ検知器はハンドヘルドデバイス及びラップトップなどによく利用されているものであってよい）。これら２つのシステムの機能を、図式的に図３３及び図３４に示す。

【0162】

図３３は、内蔵デバイスがどのようにデバイス及び頭部または目の位置を検知するかを示す概略図である。図３３には、デバイス３３１０、第１の向き３３２０、第２の向き３３３０、第１セットの照明瞳孔３３２５、及び、第２セットの照明瞳孔３３３５が示されている。図３３に示すように、第１セットの照明瞳孔３３２５は、右目に同期されうる画像を示しており、さらに、左目に同期されうる画像を示している。この場合には、デバイス３３１０が、第１の向き３３２０に配置されていてよく、第１セットの照明瞳孔３３２５が含む画像のうち、左目に同期されうる画像のほうが、右目に同期されうる画像よりも多くてよい。同様に、図３３に示す他の例では、デバイス３３１０が第２の向き３３３０に配置されていてよく、第２セットの照明瞳孔３３３５含む画像のうち、右目に同期されうる画像のほうが、左目に同期されうる画像よりも多くてよい。

【0163】

図３３の説明を続けると、内蔵デバイスはＣＣＤカメラであってよく、自動立体ディスプレイ３３１０上の左目画像及び右目画像の表示を自動的かつ実質的に同期させる制御システムに入力を提供することができる。ＬＥＤの同期は、内蔵されているＣＣＤカメラを利用して、目のトラッキングによる入力（eye tracking inputs）により判断されてよい。図３３の例では、デバイス及び頭部の両方または片方の位置の入力を、交互に表示される右目画像及び左目画像と実質的に同期させることができる複数のＬＥＤ照明器を制御する制御システムに提供することができる。加えて、立体画像を視野角に応じて変更して、表示帯域幅を増加させることなく移動視差を達成することができる。

【0164】

図３４は、目の位置を特定して、右目ビュー及び右目ビュー用にＬＥＤ照明を同期させる検知器を利用して、複数の観察者に対して立体視が提供される様子を示す概略図である。図３４は、デバイス３４１０、第１の観察者３４２０、及び、第２の観察者３４３０を示す。図３４に示すように、デバイス３４１０がある位置にあり、少なくとも第１の観察者３４２０及び第２の観察者３４３０がデバイス３４１０を見ている。この例では、デバイス３４１０内に位置していてよいＣＣＤカメラが、観察者３４２０及び３４３０の目の位置を特定することができる。図３４の例の説明を続けると、コントローラは次に、デバイス３４１０のＬＥＤの照明を制御して、第１の観察者３４２０の左目及び第２の観察者３４３０の左目方向である特定の方向に光弁を介して左目画像を提供する。加えて、第１の観察者３４２０の右目及び第２の観察者３４３０の右目方向である別の特定の方向に右目画像を提供する。図３４では２人の観察者しか示されていないが、これより多い数の観察者がデバイス３４１０を見ていてもよく、２人の観察者といったのは単に説明を目的としたものであり、限定ではない。

【0165】

記載したシステムの実施形態は、ハンドヘルド移動プラットフォームを想定したが、この例は限定と捉えられるべきではない。この制御された照明方法は、ラップトップ、テレビアプリケーションなどを含む小型及び大型のＬＣＤプラットフォームに同様に適用することができる。

【0166】

ここで利用される「実質的」及び「略」といった用語は、アイテム間の対応する用語及び相対性産業で許されている許容範囲を示すために利用される。これら産業で許されている許容範囲は、１パーセントから１０パーセント未満の範囲であり、これらに限定はされないが、成分値、角度等に対応している。これらアイテム間の相対性は、１パーセントから１０パーセント未満の間である。

【0167】

本明細書で開示した原理に応じたさまざまな実施形態を上述したが、上述した実施形態は本発明を例示するに過ぎず、本発明を限定するものではないと理解されたい。このため、本開示の範囲は、上述した実施形態例のいずれによっても限定されるべきではなく、本開示内容から明らかとなる請求項及びその均等物によってのみ定義されるべきものである。また、実施形態を説明する際には利点及び特徴を挙げたが、上述した利点及び特徴は、請求項の適用を、上述した利点の一部または全てを持つ処理及び構造に限定するものではない。

【0168】

また、本明細書のセクション名は、米国特許法施行規則第１．７７条で規定されている内容に従って記載されたものであるか、または、読みやすさを考えて記載されている。本明細書のセクション名は、本開示内容から明らかとなる請求項に記載される発明を限定または特徴化するものではない。具体的に一例として説明すると、「技術分野」というセクション名があるが、請求項は、いわゆる技術分野を説明するためにこのセクションにおいて用いられている用語によって限定されるべきではない。さらに、「背景技術」のセクションで技術を説明しているが、所与の技術を本開示内容の発明に対する先行技術として認めたものと解釈されるべきではない。また、「発明の概要」も、請求項に記載されている発明の特徴を記載したものと解釈されるべきではない。さらに、本開示において「発明」を単数形で記載していても、本開示の新規性が１つのみであるという主張の根拠とされるべきではない。本開示から明らかとなる複数の請求項の限定事項によって複数の発明を記載することができるので、請求項は、１または複数の発明を定義しており、それらの均等物も保護される。いずれにしても、請求項の範囲は、本開示を鑑みて独立して考慮すべきであり、本明細書に記載したセクション名によって制限されるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図16D】

【図16E】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26A-26B】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30A】

【図30B】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】