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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-26
(54)【発明の名称】ディスプレイパネル用のパターン化バックライト
(51)【国際特許分類】
G02F 1/13357 20060101AFI20231219BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20231219BHJP
G09F 9/00 20060101ALI20231219BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20231219BHJP
【ＦＩ】
G02F1/13357
G02B27/02 Z
G09F9/00 336D
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023530558
(86)(22)【出願日】2021-12-04
(85)【翻訳文提出日】2023-07-18
(86)【国際出願番号】 US2021061916
(87)【国際公開番号】W WO2022120250
(87)【国際公開日】2022-06-09
(31)【優先権主張番号】63/121,494
(32)【優先日】2020-12-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/321,121
(32)【優先日】2021-05-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515046968
【氏名又は名称】メタ プラットフォームズ テクノロジーズ， リミテッド ライアビリティ カンパニー
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＴＡ ＰＬＡＴＦＯＲＭＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】110002974
【氏名又は名称】弁理士法人Ｗｏｒｌｄ ＩＰ
(72)【発明者】
【氏名】ペン， フェンリン
(72)【発明者】
【氏名】ゲン， イン
(72)【発明者】
【氏名】コシェレフ， アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】カラフィオレ， ジュゼッペ
(72)【発明者】
【氏名】ラオ， リンホイ
(72)【発明者】
【氏名】ゴーリエ， ジャック
(72)【発明者】
【氏名】リー， ユン－ハン
(72)【発明者】
【氏名】ルー， ルー
【テーマコード（参考）】
2H199
2H391
5G435
【Ｆターム（参考）】
2H199CA04
2H199CA12
2H199CA23
2H199CA42
2H199CA45
2H199CA46
2H199CA47
2H199CA53
2H199CA62
2H199CA67
2H199CA69
2H391AA15
2H391AB40
2H391AC14
2H391AC25
2H391AC26
2H391AC30
2H391EB02
2H391FA06
5G435AA03
5G435AA18
5G435BB12
5G435BB19
5G435FF02
5G435FF05
5G435FF06
5G435FF08
5G435GG01
5G435GG02
5G435LL07
(57)【要約】
ディスプレイパネル（１０２）は、ライトガイド（１０６）および複数のアウトカップリング格子（１１２）を含むバックライト（１０４）によってバックライトされるピクセル（１０３）のアレイを有する。アウトカップリング格子（１１２）の位置は、ピクセルのアレイ（１０３）内のピクセルの位置と調整される。バックライト（１０４）は、導光透明スラブ（１０６）またはピクセルアレイ（１０３）の行に平行に延びる線形導波路（２０７）のアレイを含んでもよく、格子（１１２）はスラブ（１０６）内または導波路（２０７）内に形成される。導波路によって放射された光の波長成分および偏光は、ディスプレイパネル（１０２）の透過スペクトル帯域および透過偏光と一致され得る。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の平面において配置されたピクセルのアレイであって、前記ピクセルが光の可変透過率を有する、前記ピクセルのアレイと、前記光を前記ピクセルのアレイに供給するように光学的に結合されたバックライトとを含み、前記バックライトが、
前記第１の平面に沿って前記光を拡散させるためのライトガイドと、
前記第１の平面に垂直に、前記ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するように前記ライトガイド内の前記光の一部を方向転換するように、前記ライトガイドに光学的に結合された格子のアレイと
を含み、
前記格子のアレイの格子の位置が、前記ピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させるように、前記ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整されている、ディスプレイパネル。
【請求項2】
前記ライトガイドが、前記第１の平面に平行な第１の方向に沿って前記光を拡散するための第１の部分と、前記第１の平面に平行な第２の異なる方向に沿って前記光を拡散するための第２の部分とを含み、前記格子のアレイの格子が、前記ライトガイドの前記第２の部分に光学的に結合されている、請求項１に記載のディスプレイパネル。
【請求項3】
前記ライトガイドが、前記第１の平面に平行な複数の方向に前記ライトガイド内を伝搬するように前記光を方向転換するように構成された格子を含む、請求項１または２に記載のディスプレイパネル。
【請求項4】
前記格子のアレイの格子が、前記ピクセルを通って前記方向転換された光部分を集束させるように構成されている、請求項１、２または３に記載のディスプレイパネル。
【請求項5】
前記バックライトに対向する前記ピクセルのアレイに光学的に結合され、前記ピクセルを通って伝搬する前記方向転換された光部分を拡散するように構成されたマイクロレンズのアレイをさらに含み、好ましくは、前記マイクロレンズのアレイが、パンチャラートナム・ベリー位相（ＰＢＰ）マイクロレンズを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項6】
前記格子のアレイが、前記格子のアレイの異なる格子の回折次数が前記ピクセルのアレイの同じピクセルを通って伝搬するように、前記光部分を複数の回折次数に分割し、前記複数の回折次数の異なる回折次数を前記ピクセルのアレイの異なるピクセルを通って集束させるように構成された多回折次数格子を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項7】
前記格子のアレイの格子が、外部制御信号を印加することによって可変的な回折効率を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項8】
前記格子のアレイのピッチが、前記ピクセルのアレイのピッチに等しい、請求項１から７のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項9】
前記ピクセルのアレイが、液晶ライトバルブのアレイを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルを含み、好ましくは、前記ＬＣＤパネルが、一対の基板間に液晶層を含み、前記基板の一方が、前記バックライトを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項10】
前記バックライトの前記ライトガイドが、基板と、
前記基板によって支持され、前記ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイと
を含み、
前記格子のアレイが、前記線形導波路内を伝搬する前記光部分を取り出して前記ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬させるように、前記線形導波路のアレイに光学的に結合されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項11】
請求項１０に記載のディスプレイパネルであって、ｉ．前記格子のアレイの格子が、前記線形導波路のアレイの線形導波路内に形成され、かつ／または、
ｉｉ．前記格子のアレイの格子が、前記格子のアレイの格子によって前記方向転換された光を少なくとも部分的に集束させて前記ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬させるようにチャープされ、かつ／または、
ｉｉｉ．前記ディスプレイパネルが、前記格子のアレイの格子によって前記方向転換された光を少なくとも部分的に集束させて前記ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬させるように、前記格子のアレイと前記ピクセルのアレイとの間の光路内にマイクロレンズのアレイをさらに含む、ディスプレイパネル。
【請求項12】
前記バックライトの前記ライトガイドが、スラブの対向する面からの一連の連続反射によって前記光を内部で伝搬させるための透明材料の前記スラブを含み、前記格子のアレイが前記スラブによって支持され、好ましくは、前記格子のアレイの格子が、第１の偏光の光を回折し、前記第１の偏光に直交する第２の偏光の光を実質的に回折しないように構成され、前記バックライトが、前記スラブと前記格子のアレイとの間の光路において前記スラブに光学的に結合された調整可能な偏光回転子のアレイをさらに含み、前記調整可能な偏光回転子のアレイの個々の調整可能な偏光回転子が、外部制御信号を印加することによって、前記第１の偏光と前記第２の偏光との間の前記光部分の偏光を調整するように構成され、それによって、前記格子のアレイの格子によって方向転換された前記光部分の光パワーを、前記ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように制御する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のディスプレイパネル。
【請求項13】
第１の平面において配置されたピクセルのアレイを含むディスプレイパネル用のバックライトであって、前記ピクセルが光の可変透過率を有し、前記バックライトが、基板と、
前記基板によって支持され、前記ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイと、
前記線形導波路のアレイに光学的に結合された格子のアレイであって、前記線形導波路のアレイ内を伝搬する前記光を、前記第１の平面に垂直に、前記ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するように方向転換する、格子のアレイと
を含み、
前記格子のアレイの格子の位置が、前記ピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させるように、前記ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整されている、ディスプレイパネル用のバックライト。
【請求項14】
バックライトによって放射され、ディスプレイパネルのピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させる方法であって、前記バックライトの光方向転換素子のアレイの光方向転換素子の空間分布を選択して、前記ディスプレイパネルの前記ピクセルのアレイ内のピクセルの空間分布と一致させ、前記ピクセルのアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように前記光を方向転換することを含む、方法。
【請求項15】
前記ピクセルのアレイのピクセルのカラーフィルタ素子のスペクトル透過と一致するように、前記光方向転換素子によって方向転換された前記光のスペクトル成分と、または、前記ピクセルのアレイのピクセルの透過偏光と一致するように、前記光方向転換素子によって方向転換された前記光の偏光と、
のうちの少なくとも１つを選択することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学デバイスに関し、特に、視覚ディスプレイパネル、視覚ディスプレイデバイス、視覚ディスプレイシステム、および関連する方法をバックライトするためのライトガイドに関する。
【背景技術】
【0002】
視覚ディスプレイは、静止画像、映像、データなどを含む情報を視聴者に提供するために使用される。視覚ディスプレイは、ほんの数例を挙げると、娯楽、教育、エンジニアリング、科学、専門訓練、広告を含む様々な分野のアプリケーションを有する。テレビ受像機などのいくつかの視覚ディスプレイは、いくつかのユーザに画像を表示し、いくつかの視覚ディスプレイシステムは、個々のユーザ向けである。個々のユーザにコンテンツを表示するために、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）などがますます使用されている。ＨＭＤ／ＮＥＤによって表示されるコンテンツは、仮想現実（ＶＲ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ）コンテンツなどを含む。表示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、体験を向上させるために３次元（３Ｄ）とすることができ、ＡＲ／ＭＲアプリケーションの場合、仮想オブジェクトをユーザによって観察された実オブジェクトに一致させることができる。
【0003】
ヘッドマウントディスプレイには、小型で効率的なディスプレイデバイスが望まれる。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは通常、ユーザの頭に装着されるため、大きく、かさばり、バランスが悪く、非効率的であり、かつ／または重いディスプレイデバイスは扱いにくく、ユーザが装着するのに不快である場合がある。小型で効率的なディスプレイデバイスは、小型で効率的なライトガイドおよびディスプレイパネルを必要とする。
【発明の概要】
【0004】
本開示の第１の態様によれば、第１の平面に配置されたピクセルのアレイであって、ピクセルが光の可変透過率を有する、ピクセルのアレイと、光をピクセルのアレイに供給するようにピクセルのアレイに光学的に結合されたバックライトとを含み、バックライトが、第１の平面に沿って光を拡散させるためのライトガイドと、第１の平面に垂直に、ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するようにライトガイド内の光の一部を方向転換するように、ライトガイドに光学的に結合された格子のアレイとを含み、格子のアレイの格子の位置が、ピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させるように、ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整される、ディスプレイパネルが提供される。
【0005】
いくつかの実施形態では、ライトガイドは、第１の平面に平行な第１の方向に沿って光を拡散するための第１の部分と、第１の平面に平行な第２の異なる方向に沿って光を拡散するための第２の部分とを含んでもよく、格子のアレイの格子は、ライトガイドの第２の部分に光学的に結合される。
【0006】
いくつかの実施形態では、ライトガイドは、第１の平面に平行な複数の方向にライトガイド内を伝搬するように光を方向転換するように構成された格子を含んでもよい。
【0007】
いくつかの実施形態では、格子のアレイの格子は、ピクセルを通って方向転換された光部分を集束させるように構成されてもよい。
【0008】
いくつかの実施形態では、ディスプレイパネルは、バックライトに対向するピクセルのアレイに光学的に結合され、ピクセルを通って伝搬された方向転換された光部分を拡散するように構成されたマイクロレンズのアレイをさらに含んでもよい。
【0009】
いくつかの実施形態では、マイクロレンズのアレイは、パンチャラートナム・ベリー位相（ＰＢＰ）マイクロレンズを含んでもよい。
【0010】
いくつかの実施形態では、格子のアレイは、格子のアレイの異なる格子の回折次数はピクセルのアレイの同じピクセルを通って伝搬するように、光部分を複数の回折次数に分割し、複数の回折次数の異なる回折次数をピクセルのアレイの異なるピクセルを通って集束させるように構成された多回折次数格子を含んでもよい。
【0011】
いくつかの実施形態では、格子のアレイの格子は、外部制御信号を印加することによって可変的な回折効率を有してもよい。
【0012】
いくつかの実施形態では、格子のアレイのピッチは、ピクセルのアレイのピッチに等しくてもよい。
【0013】
いくつかの実施形態では、ピクセルのアレイは、液晶ライトバルブのアレイを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルを含んでもよい。
【0014】
いくつかの実施形態では、ＬＣＤパネルは、一対の基板間に液晶層を含んでもよく、基板の一方はバックライトを含む。
【0015】
いくつかの実施形態では、バックライトのライトガイドは、基盤と、基板によって支持され、ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイとを含んでもよく、格子のアレイは、線形導波路内を伝搬する光部分を取り出して（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｅ）ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬させるように、線形導波路のアレイに光学的に結合される。
【0016】
いくつかの実施形態では、格子のアレイの格子は、線形導波路のアレイの線形導波路に形成されてもよい。
【0017】
いくつかの実施形態では、格子のアレイの格子は、格子のアレイの格子によって方向転換された光を少なくとも部分的に集束させてピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬させるようにチャープされてもよい。
【0018】
いくつかの実施形態では、ディスプレイパネルは、格子のアレイの格子によって方向転換された光をピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように少なくとも部分的に集束させるように、格子のアレイとピクセルのアレイとの間の光路にマイクロレンズのアレイをさらに含んでもよい。
【0019】
いくつかの実施形態では、バックライトのライトガイドは、スラブの対向する面からの一連の連続反射によって光を内部で伝搬するための透明材料のスラブを含んでもよく、格子のアレイはスラブによって支持される。
【0020】
いくつかの実施形態では、格子のアレイの格子は、第１の偏光の光を回折し、第１の偏光に直交する第２の偏光の光を実質的に回折しないように構成されてもよく、バックライトは、スラブと格子のアレイとの間の光路においてスラブに光学的に結合された調整可能な偏光回転子のアレイをさらに含み、調整可能な偏光回転子のアレイの個々の調整可能な偏光回転子は、外部制御信号を印加することによって、第１の偏光と第２の偏光との間の光部分の偏光を調整するように構成され、それによって、格子のアレイの格子によって方向転換された光部分の光パワーを、ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように制御してもよい。
【0021】
本開示のさらなる態様によれば、第１の平面において配置されたピクセルのアレイを含むディスプレイパネル用のバックライトであって、ピクセルが光の可変透過率を有し、バックライトが、基板と、基板によって支持され、ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイと、線形導波路のアレイに光学的に結合された格子のアレイであって、線形導波路のアレイ内を伝搬する光を、第１の平面に垂直に、ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するように方向転換する、格子のアレイとを含み、格子のアレイの格子の位置が、ピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させるように、ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整される、ディスプレイパネル用のバックライトが提供される。
【0022】
本開示のさらなる態様によれば、バックライトによって放射され、ディスプレイパネルのピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させる方法であってバックライトの光方向転換素子のアレイの光方向転換素子の空間分布を選択して、ディスプレイパネルのピクセルのアレイにおけるピクセルの空間分布と一致させ、ピクセルのアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように光を方向転換することを含む、方法が提供される。
【0023】
いくつかの実施形態では、本方法が、ピクセルのアレイのピクセルのカラーフィルタ素子のスペクトル透過と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光のスペクトル成分と、または、ピクセルのアレイのピクセルの透過偏光と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光の偏光と、のうちの少なくとも１つを選択することをさらに含んでもよい。
【0024】
本発明の１つ以上の態様または実施形態に組み込むのに適しているとして本明細書に記載された任意の特徴は、本開示の任意のおよびすべての態様および実施形態にわたって一般化可能であることが意図されていることが理解されよう。本開示の他の態様が、本開示の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、および図面に照らして当業者によって理解され得る。上記の概略的な説明および以下の発明を実施するための形態は、例示的および説明的なものにすぎず、特許請求の範囲を限定しない。
【0025】
ここで、以下の図面と共に、例示的な実施形態を説明することにする。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1A】本開示のバックライトに結合されたライトバルブピクセルのアレイを含む視覚ディスプレイデバイスの側面断面図である。
【図2A】本開示のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）バックライトの上面概略図である。
【図3A】複数の格子出力カプラに結合されたスラブライトガイドを含むバックライトの側面断面図である。
【図3C】支持導波路から格子によって抽出され、液晶アレイのピクセルを通って向けられた光ビームの集束を示すディスプレイパネルの側面断面図である。
【図3D】本開示のバックライトを使用するディスプレイパネルの側面断面図であり、バックライトは、液晶ピクセルのアレイの下流にマイクロレンズのアレイを含む。
【図3E】本開示のバックライトを使用するディスプレイパネルの側面断面図であり、バックライトは、多次の回折格子を含む。
【図3F】本開示のバックライトを使用するディスプレイパネルの側面断面図であり、バックライトは、多次の回折格子を含む。
【図5A】電圧制御アウトカップリング格子を含む調光可能なパターン化バックライトの側面断面図である。
【図5B】アウトカップリング格子に結合された調整可能な液晶波長板のアレイを含む調光可能なパターン化バックライトの側面断面図である。
【図6】一体型バックライト基板を有する液晶（ＬＣ）ディスプレイパネルの分解側面断面図である。
【図7】偏光ベースのカラーフィルタを使用するＬＣＤパネルの側面断面図である。
【図9】バックライト効率を増加させる方法のフローチャートである。
【図10A】本開示のバックライトを利用する半透明ディスプレイの概略図である。
【図11】本開示のヘッドマウントディスプレイの図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本教示について様々な実施形態および実施例と併せて説明しているが、本教示をそのような実施形態に限定することを意図するものではない。むしろ、本教示は、当業者によって理解されるような様々な代替物および均等物を包含する。本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの特定の実施例を列挙する本明細書のすべての記述は、それらの構造的均等物と機能的均等物の両方を包含することを意図している。さらに、このような均等物には、現在知られている均等物と将来開発される均等物の両方、すなわち、構造に関係なく同じ機能を実行する開発されたあらゆる要素が含まれることを意図している。
【0028】
「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書で使用される場合、連続した順序付けを意味するものではなく、明記されていない限り、ある要素と別の要素を区別するものである。同様に、方法ステップの連続した順序付けは、明記されていない限り、方法ステップの実行の連続した順序を意味するものではない。図１、図３Ａ～図３Ｂ、および図５Ａ～図５Ｂにおいて、同様の参照番号は同様の要素を示す。
【0029】
バックライトに結合された透過ピクセルのパネルを含む視覚ディスプレイでは、光利用効率は、ディスプレイパネルの全面積に対するピクセルによって占有される幾何学的面積の比に依存する。ニアアイおよび／またはヘッドマウントディスプレイでよく使用される小型ディスプレイの場合、比率は５０％未満であり得る。効率的なバックライトの利用は、平均して入射光の３０％以下を透過するディスプレイパネル上のカラーフィルタによってさらに妨げられ得る。その上、液晶（ＬＣ）ディスプレイパネルなどの偏光ベースのディスプレイパネルには、５０％の偏光損失が存在し得る。これらの要因はすべて、ディスプレイの光利用効率および全体的なウォールプラグ効率を大幅に低減させ、これは望ましくない。
【0030】
本開示によれば、バックライト付きディスプレイの光利用効率およびウォールプラグ効率は、ディスプレイパネルの個々のピクセルと位置合わせされた光点のアレイを含むバックライトを供給することによって改善され得る。たとえば、ＲＧＢディスプレイパネルの各ピクセル、さらには各カラーサブピクセルに、点光源を設けてもよい。点光源のアレイは、バックライトの導波路によって運ばれる光の一部を取り出してディスプレイパネルの個々のピクセルを通って伝搬するリフレクタ、たとえば小さな回折格子のアレイを含んでもよい。
【0031】
バックライトによって放射される光の中心波長は、対応するカラーフィルタの透過波長と一致するように選択されて、スループットを増加し得る。バックライトが、たとえば、赤色、緑色、および青色などの原色の光を放射するディスプレイでは、カラーフィルタ層を省略してもよい。さらに、偏光ベースのディスプレイの場合、放射光の偏光は、ディスプレイパネルのピクセルによって透過された偏光と一致し得る。言い換えれば、ディスプレイパネルのピクセルの空間分布、透過波長、および透過偏光特性を一致させることにより、視聴者の眼に向かう途中でディスプレイパネルによって吸収または反射されない光部分を大幅に改善することを可能にする。
【0032】
本開示によれば、第１の平面に配置されるピクセルのアレイであって、ピクセルが、光の可変透過率を有する、ピクセルのアレイと、光をピクセルのアレイに供給するようにピクセルのアレイに光学的に結合されたバックライトとを含む、ディスプレイパネルが提供される。バックライトは、第１の平面に沿って光を拡散させるためのライトガイドと、ライトガイドに光学的に結合された格子のアレイであって、ライトガイド内の光の一部を第１の平面に垂直に、ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するように方向転換する、格子のアレイとを含む。格子のアレイの格子の位置は、ピクセルのアレイを伝搬する光の一部を増加させるように、ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整される。
【0033】
いくつかの実施形態では、ライトガイドは、第１の平面に平行な第１の方向に沿って光を拡散するための第１の部分と、第１の平面に平行な第２の異なる方向に沿って光を拡散するための第２の部分とを含む。格子のアレイの格子は、ライトガイドの第２の部分に光学的に結合される。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、第１の平面に平行な複数の方向にライトガイド内を伝搬するように光を方向転換するように構成された格子を含む。格子のアレイの格子は、ピクセルを通って方向転換された光部分を集束させるように構成されてもよい。
【0034】
ディスプレイパネルは、バックライトに対向するピクセルのアレイに光学的に結合され、ピクセルを通って伝搬された方向転換された光部分を拡散するように構成されたマイクロレンズのアレイをさらに含んでもよい。マイクロレンズのアレイは、パンチャラートナム・ベリー位相（ＰＢＰ）マイクロレンズを含む。いくつかの実施形態では、格子のアレイは、格子のアレイの異なる格子の回折次数がピクセルのアレイの同じピクセルを通って伝搬するように、光部分を複数の回折次数に分割し、複数の回折次数の異なる回折次数をピクセルのアレイの異なるピクセルを通って集束させるように構成された多回折次数格子を含む。
【0035】
格子のアレイの格子は、外部制御信号を印加することによって可変的な回折効率を有してもよい。格子のアレイのピッチは、ピクセルのアレイのピッチと等しくてもよい。いくつかの実施形態では、ピクセルのアレイは、液晶ライトバルブのアレイを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルを含む。ＬＣＤパネルは、一対の基板間に液晶層を含んでもよい。基板の一方は、バックライトを含んでもよい。
【0036】
本開示のディスプレイパネルのバックライトは、基板と、基板によって支持され、ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイとを含んでもよい。格子のアレイは、線形導波路内を伝搬する光部分を取り出してピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように、線形導波路のアレイに光学的に結合されてもよい。格子のアレイの格子は、線形導波路のアレイの線形導波路に形成されてもよい。格子のアレイの格子は、ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように格子のアレイの格子によって方向転換された光を少なくとも部分的に集束させるようにチャープされてもよい。マイクロレンズのアレイは、格子のアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように格子のアレイの格子によって方向転換された光を少なくとも部分的に集束させるように、格子のアレイとピクセルのアレイとの間の光路に設けられてもよい。
【0037】
本開示のディスプレイパネルのバックライトは、スラブの対向する面からの一連の連続反射によってスラブ内で光を伝搬するための透明材料のスラブを含んでもよい。格子のアレイは、スラブによって支持されてもよい。格子のアレイの格子は、第１の偏光の光を回折し、第１の偏光に直交する第２の偏光の光を実質的に回折しないように構成されてもよい。バックライトは、スラブと格子のアレイとの間の光路においてスラブに光学的に結合された調整可能な偏光回転子のアレイをさらに含んでもよい。調整可能な偏光回転子のアレイの個々の調整可能な偏光回転子は、外部制御信号を印加することによって第１の偏光と第２の偏光との間の光部分の偏光を調整するように構成されてもよく、それによって、ピクセルのアレイの対応するピクセルを通って伝搬するように格子のアレイの格子によって方向転換された光部分の光パワーを制御する。
【0038】
本開示によれば、第１の平面に配置されたピクセルのアレイを含むディスプレイパネル用のバックライトであって、ピクセルが光の可変透過率を有する、ディスプレイパネル用のバックライトが提供される。バックライトは、基板と、基板によって支持され、ピクセルのアレイのピクセルに沿って延びる線形導波路のアレイと、線形導波路のアレイに光学的に結合された格子のアレイであって、線形導波路のアレイ内を伝搬する光を第１の平面に垂直に、ピクセルのアレイのピクセルを通って伝搬するように方向転換する、格子のアレイとを含む。格子のアレイの格子の位置は、ピクセルのアレイを通って伝搬する光の一部を増加させるように、ピクセルのアレイのピクセルの位置と調整されてもよい。
【0039】
本開示によれば、第１の平面に配置されたピクセルのアレイを含むディスプレイパネルのための方法であって、ピクセルが光の可変透過率を有する、方法がさらに提供される。本方法は、バックライトの光方向転換素子のアレイの光方向転換素子の空間分布を選択して、ディスプレイパネルのピクセルのアレイ内のピクセルの空間分布と一致させ、ピクセルのアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように光を方向転換することを含む。本方法は、ピクセルのアレイのピクセルのカラーフィルタ素子のスペクトル透過と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光のスペクトル成分を選択すること、および／またはピクセルのアレイのピクセルの透過偏光と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光の偏光を選択することをさらに含んでもよい。
【0040】
ここで図１Ａを参照すると、ディスプレイ１００は、バックライト１０４に結合されたディスプレイパネル１０２を含む。ディスプレイパネル１０２は、上部基板１１４と底部基板１１１との間のＸＹ平面において配置されたライトバルブピクセル１０３（すなわち、可変透過率を有するピクセル）のアレイを含む。ディスプレイパネル１０２は、たとえば、液晶ライトバルブ１０３のアレイを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルであってもよい。バックライト１０４は、光源１１０によって放射された光１０８をＸＹ平面に平行に、すなわちディスプレイパネル１０２の幅寸法および長さ寸法に沿って拡散するように構成されたライトガイド１０６を含む。バックライト１０４は、ライトガイド１０６に光学的に結合された格子１１２のアレイをさらに含む。格子１１２は、ライトガイド１０６内を伝搬する光１０８を方向転換し、ピクセルのアレイのピクセル１０３を伝搬する光ビーム１０９のアレイを形成する。ピクセル１０３の光透過率は、ディスプレイパネル１０２によって必要な画像を表示するように制御可能に変化してもよい。光ビーム１０９は、主にＸＹ平面に垂直に、すなわち、主に図１のＺ方向に伝搬する。
【0041】
アレイ内の格子１１２の位置は、格子１１２によって取り出された光ビーム１０９がほとんどピクセル１０３を通って伝搬し、ピクセル１０３間の境界１１５によって実質的に遮断されないように、ピクセルのアレイのピクセル１０３の位置と調整される。ピクセル１０３および格子１１２のアレイは、たとえばＸ軸またはＹ軸に沿って延びる１次元、または２次元、すなわち、Ｘ軸およびＹ軸の両方に沿って延びてもよい。格子１１２の空間位置は、ディスプレイパネル１０２のピクセル１０３の空間位置と一致するように選択されてもよい。たとえば、格子１１２のアレイのピッチは、ピクセル１０３のアレイのピッチの整数倍であってもよい。図１に示す実施形態では、両方のピッチは等しく、各格子１１２は対応するピクセル１０３の真下に配置される。
【0042】
光源１１０によって放射された光１０８から個々の格子１１２によって分割された個々の光部分または光ビーム１０９は、図示のように個々のピクセル１０３を通って集束され、ピクセル１０３間の境界１１５における光損失をさらに低減してもよい。ディスプレイパネル１０２の下流（図１ではより高い）にある拡散する光円錐１０９は、破線で概略的に示されている接眼レンズ１１７によってコリメートされ、各ピクセル１０３に固有の角度でアイボックス１１６に向けられてもよい。したがって、アイボックス１１６に角度領域の画像が形成される。本明細書では、「アイボックス」という用語は、許容可能な品質の画像をディスプレイのユーザが見ることができる幾何学的面積を意味する。
【0043】
アイボックス１１６のサイズは、光円錐１０９の円錐幅に比例する。ディスプレイの幾何学的形状により、格子１１２と対応するピクセル１０３との間の距離が低減すると、光円錐幅が増加する。格子１１２と対応するピクセル１０３との間の距離を低減することによって、光円錐をより広くしてもよく、したがって、たとえばバックライト１０４をディスプレイパネル１０２の底部基板１１１に一体化することによって、アイボックス１１６をより大きくしてもよい。一体型バックライトに関するさらなる詳細は、以下でさらに提供される。
【0044】
個々のピクセル１０３の透過値は、ディスプレイ１００が表示する画像に応じて設定されてもよい。画像の明るいピクセルは、対応するディスプレイパネルピクセル１０３のより高い透過値に対応し、画像の暗いピクセルは、対応するディスプレイパネルピクセル１０３のより低い透過値に対応する。いくつかの実施形態では、格子１１２は、外部制御信号を印加することによって可変的な回折効率を有してもよい。格子１１２の回折効率の変動性を使用して、画像の全体的なコントラストまたはダイナミックレンジを改善し得る。たとえば、高透過率のピクセル１０３の下の格子１１２の回折効率を上げて、画像の明るい領域をさらに明るく見せてもよく、高透過率のピクセル１０３の下の格子１１２の回折効率を下げて、画像の暗い領域をさらに暗く見せてもよい。制御可能な格子に関するさらなる詳細は、以下にさらに提供される。
【0045】
図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａのバックライト１０４のスラブ型ライトガイド実装形態を示す。図１Ｂのバックライト１２４は、透明スラブ基板の外側平行面からの光１０８の一連の連続反射によって２つの非平行方向に沿って光１０８を拡散する２つのスラブライトガイド部を含むライドガイドに結合された光源１１０を含む。第１の１Ｄビーム拡散器１３１および第２の１Ｄビーム拡散器１３２は、それぞれＹ方向およびＸ方向に光１０８を拡散する。第１の１Ｄビーム拡散器は、光源１１０から光ビーム１０８を受け取り、Ｙ軸に平行な縁部１２７に沿って第２の１Ｄビーム拡散器１３２に結合されるＹ拡散光ビーム１２６を生成する。次いで、Ｙ拡散光ビーム１２６は、Ｘ軸に沿って第２の１Ｄビーム拡散器１３２によって拡散され、光ビーム部分１０９は、第２の１Ｄビーム拡散器１３２に光学的に結合された格子１１２を通って伝搬され、格子によって部分的に取り出される。したがって、第１の１Ｄビーム拡散器１３１および第２の１Ｄビーム拡散器１３２は、ディスプレイパネル１０２（図１Ａ）の平面に平行なＸＹ平面に沿って光１０８を拡散する。
【0046】
特に図１Ｃを参照すると、バックライト１４４は、スラブライトガイドに基づく図１Ａのバックライト１０４の例示的な実装形態である。図１Ｃのバックライト１４４は、スラブライトガイド１３０に結合された光源１１０を含む。スラブライトガイド１３０は、光部分を取り出して、図示されていないピクセルアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように構成された第１の格子１４１を含む。スラブライトガイド１３０は、ＸＹ平面内で拡散するようにライトガイド１３０内を伝搬するように光１０８を方向転換するように構成された第２の格子１４２をさらに含む。光１０８は、スラブライトガイド１３０の外側平行面からの一連の全内部反射によって、ＸＹ平面内で拡散する、すなわちＸＹ平面内で伝搬することを理解されたい。
【0047】
図１Ａのバックライト１０４の線形導波路の実装形態を図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す。最初に図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）バックライト２０４は、基板２０６と、基板２０６によって支持され、図示されていないディスプレイパネルのピクセルのアレイに沿って延びる線形導波路２０７のアレイとを含む。本明細書において、「線形導波路」という用語は、光ワイヤのように、光伝搬を２次元で境界付ける導波路を示す。線形導波路は、直線、曲線などであってもよく、言い換えれば、線形とは、直線状の導波管部を意味するものではない。線形導波路の一例は、リッジ型導波路である。
【0048】
図２Ａに示されるＰＩＣバックライト２０４において、線形導波路２０７は、赤色波長の光を搬送するための「赤色導波路」２０７Ｒと、緑色波長の光を搬送するための「緑色導波路」２０７Ｇと、青色波長の光を搬送するための「青色導波路」２０７Ｂとを含む。異なる波長の光２０８は、多波長光源２１０によって生成され、ＰＩＣの一部である光ディスパッチ回路２１９によって異なる導波路２０７Ｒ、２０７Ｇ、および２０７Ｂに分配され得る。ディスパッチ回路２１９の機能は、光をＹ方向に沿って拡散することである。ディスプレイパネルの１行のピクセルは、それぞれ赤色、緑色、および青色のカラーチャネルのすべての線形導波路２０７Ｒ、２０７Ｇ、および２０７Ｂにわたって配置されてもよく、線形導波路は図２Ａでは垂直に延びる。ピクセルの行は、図２Ａにおいて破線の矩形２１３で囲まれている。
【0049】
図２Ｂは、ディスプレイパネルの単一ピクセル下の３つのカラーチャネル導波路の拡大図である。３つのカラーサブピクセルの各々は、画像の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）のカラーチャネルのうちの１つにそれぞれ対応する。３つより多くのカラーサブピクセルが、たとえばＲＧＧＢ方式で提供されてもよい。光部分は、図２Ｃに示されるそれぞれの格子２１２Ｒ、２１２Ｇ、および２１２Ｂによってリッジ導波路２０７Ｒ、２０７Ｇ、および２０７Ｂから取り出されるか、または方向転換されてもよい。格子２１２Ｒ、２１２Ｇ、および２１２Ｂは、取り出された光ビームを導波路に沿った方向、すなわち図２Ａおよび図２Ｂでは垂直に（Ｘ軸に沿って）集束させるようにチャープされてもよい。さらに、格子溝は、図２Ａおよび図２Ｂにおいて、光を水平方向に集束させるように（すなわち、Ｙ軸に沿って）湾曲させることができる。図２Ｃの例では、格子２１２Ｒ、２１２Ｇ、および２１２Ｂは、それぞれ線形導波路２０７Ｒ、２０７Ｇ、および２０７Ｂに形成されているが、いくつかの実施形態では、格子のアレイは別個に形成され、線形導波路２０７のアレイに光学的に結合されてもよい。
【0050】
図２Ｂの水平方向に取り出された光ビームを集束させるように、図示のように１Ｄマイクロレンズ２１８を設けてもよい。本明細書では、「１Ｄレンズ」という用語は、光を主に１次元に集束させるレンズ、たとえばシリンドリカルレンズを示す。１Ｄレンズの代わりに、２Ｄレンズ、すなわち２つの直交する平面に光を集束させるレンズを設けてもよい。格子２１２Ｒ、２１２Ｇ、および２１２Ｂとピクセル２０３Ｒ、２０３Ｇ、および２０３Ｂとの間の光路に配置されたマイクロレンズ２１８のアレイは、対応するピクセル２０３Ｒ、２０３Ｇ、および２０３Ｂを伝搬するように格子２１２Ｒ、２１２Ｇ、および２１２Ｂによって方向転換された光を少なくとも部分的に集束させるように使用され得る。図２Ｂには、白色ピクセル２０３の構成が示されている。白色ピクセル構成は、ディスプレイパネルの白色ピクセルの各々について繰り返されてもよい。
【0051】
図３Ａを参照すると、図３Ａのバックライト３０４は、図１Ａのディスプレイ１００のバックライト１０４のスラブ型ライトガイド実装形態である。図３Ａのバックライト３０４は、導光基板として作用するガラスまたはプラスチックなどの透明材料のスラブ３０６を含む。光３０８（斜めの矢印で示す）は、一連の連続反射、典型的にはスラブ３０６の外側の対向する平行面からの全内部反射によってスラブライトガイド内を伝搬する。スラブ３０６上に設けられた格子構造３１２は、対応するカラーチャネルの光を取り出す。非限定的な例として、格子構造３１２は、表面レリーフ格子（ＳＲＧ）、体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）、偏光体積ホログラム（ＰＶＨ）格子などを含んでもよい。格子構造３１２は、図３Ｂに示すように、Ｘ軸に沿ってチャープされ、ディスプレイパネルの基板３１１およびピクセル３０３を通る取り出された光ビーム３０９の（ＸＺ平面における）１Ｄ集束を提供してもよい。（ＸＺ平面およびＹＺ平面の両方における）２Ｄ集束はまた、格子溝のチャープおよび／または湾曲によって提供されてもよい。基板３１１を薄くすることにより、光ビーム３０９の円錐角θを増加し、アイボックスのサイズを効果的に増加することを可能にする。取り出された光ビーム３０９を１Ｄ／２Ｄ集束または他の様態で調整するように、追加のレンズ（単数または複数）を使用してもよい。
【0052】
格子構造および／または格子構造の上部の追加のマイクロレンズによる光ビーム３０９の集束が、ディスプレイ３００を断面図で示す図３Ｃにさらに示されている。ディスプレイ３００は、光ビーム３０９を集束させるように構成されたＰＶＨ格子構造３１３のアレイを支持するライトガイドスラブ３０６を含む。簡潔にするために、１つの格子構造３１３のみが示されている。任意選択の１／４波長板（ＱＷＰ）３４４は、ＰＶＨ格子構造３１３を、偏光子３５０を担持する基板（図示せず）によって上面が境界付けられたＬＣ層３４８内のピクセルを画定するＴＦＴグリッド３４６を有する基板３１１（薄膜トランジスタまたは「ＴＦＴ」基板）に結合する。
【0053】
動作中、ＰＶＨ格子構造３１３は、光３０８の一部を取り出し、取り出された部分を集束させ、光ビーム３０９を形成する。各光ビーム３０９は、ライトバルブピクセルを画定するＴＦＴグリッド３４６の対応する開口部を通って伝搬するように収束する。ディスプレイ３００の射出瞳サイズを画定する焦点の後のビームの収束およびその後の発散の最大角度は、基板３１１の厚さに対するＰＶＨ格子構造３１３の幅の比に依存する。ディスプレイ３００のより大きな射出瞳サイズは、ユーザにより快適な観察状態を提供する。収束角／発散角および関連する射出瞳サイズは、ＰＶＨ格子構造３１３の幅を増加させること、基板３１１の厚さを低減させること、またはその両方によって増加させてもよい。しかしながら、ＰＶＨ格子構造３１３の幅は、ディスプレイ３００のピクセルピッチによって制限され、基板３１１の厚さは、基板３１１の構造強度および／または平坦要件によって制限される。
【0054】
ビーム発散および関連する射出瞳サイズの制限を克服する１つの方法は、バックライトの反対側のディスプレイパネルピクセルにマイクロレンズのアレイを設けることである。非限定的な例について図３Ｄを参照すると、ディスプレイ３６０は、格子構造３１５のアレイを支持するライトガイドスラブ３０６を含み、この例では、集束することなく、または中程度の集束で光ビーム３０９を取り出するように構成されたＰＶＨである。任意選択の１／４波長板（ＱＷＰ）３４４は、格子構造３１５を、ＬＣ層３４８内のピクセルを画定するＴＦＴグリッド３４６を有する基板３１１（この例ではＴＦＴ基板）に結合する。ＬＣ層３４８は、線形偏光子３５０を担持する基板によって上面が境界付けられている。任意選択の第２のＱＷＰ３４４は、線形偏光子３５０上に配置されてもよい。パンチャラートナム・ベリー位相（ＰＢＰ）マイクロレンズ３５２のアレイを第２のＱＷＰ３４４の上に配置して、線形偏光子３５０および第２のＱＷＰ３４４によって画定される偏光で光ビーム３０９に所望の発散を提供してもよい。第２のＱＷＰ３４４およびＰＢＰマイクロレンズアレイ３５２の代わりに、屈折性または回折性マイクロレンズのアレイが使用されてもよい。
【0055】
ピクセル平面における焦点の前の集束ビーム収束およびピクセル平面の後の発散を改善する別の方法は、多回折を使用することである。非限定的な例について図３Ｅを参照すると、ディスプレイ３８０は、格子構造のアレイを支持するライトガイドスラブ３０６を含む。簡潔にするために、図３Ｅにはそのような格子構造３１８が１つだけ示されている。格子構造３１８は、衝突光３０８を、たとえば０次３６０、＋１次３６１、および－１次３６２を含む複数の回折次数に分割するように構成された多回折次数格子である。異なる回折次数３６０、３６１、３６２は、ＬＣ層３４８を制御するＴＦＴグリッド３４６によって画定されるピクセルのアレイの異なるピクセル３６４においてＴＦＴ基板３１１を介して集束される。
【0056】
図３Ｆは、全体的な収束角および発散角を増加させる格子構造のアレイの複合効果を示す。図３Ｆは、格子構造のアレイの３つの隣接する格子構造、具体的には、中央格子構造３１８と同じ方法で、すなわち少なくとも３つの回折次数を生成するように構成された２つの格子構造３８１および３８２によって囲まれた格子構造３１８を示す。中央格子構造３１８の回折次数は３７２で実線で示され、左格子構造３８１の回折次数は３７１で短破線で示され、右格子構造３８３の回折次数は３７３で長破線で示されている。格子のアレイの異なる格子の回折次数は、ピクセルのアレイの同じピクセルを通って伝搬し得、それによってピクセルにおける収束角が３倍になり得ることが分かる。たとえば、中央格子構造３１８に対応する中央ピクセル３６４＊の場合、左格子構造３７１の－１次の回折次数は、中央格子構造３１８の０次の次数および右格子構造３７３の１次の回折次数を加算する。収束角は、ピクセル３６４の各々について３倍にされ、ピクセル３６４を出る光ビームの全体的な発散角を３倍にし、ディスプレイ３８０の結果として生じる射出瞳サイズをほぼ３倍にする。
【0057】
格子構造３１２、３１３、３１５、３１８は、偏光選択性であってもよい。言い換えれば、格子構造３１２は、第１の偏光の光を回折し、第１の偏光に直交する第２の偏光の光を実質的に回折しないように構成されてもよい。たとえば、ＰＶＨ格子は偏光選択性であってもよい。図４に示すように、ＰＶＨ格子は色選択性であってもよい。各ＰＶＨ格子は、図示のように、特定の波長帯域、たとえば、０．６から０．６４マイクロメートルの間の赤色波長帯域４００Ｒ、０．５２５から０．５７５マイクロメートルの間の緑色波長帯域４００Ｇ、および０．４２５から０．４６５マイクロメートルの間の青色波長帯域４００Ｂ内の光のみを回折するように構成されてもよい。ＰＶＨ格子の偏光選択性は、バックライト利用効率をさらに改善し得る。
【0058】
ここで図５Ａを参照すると、バックライト５０４Ａは、１Ｄまたは２Ｄでピクセル化され得る、すなわち、ＸＹ平面に配置されたアウトカップリング（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子５４２の１Ｄまたは２Ｄアレイを含み得る、活性格子構造５１２を支持するライトガイドプレートまたはスラブ５０６を含む。光源５１０によって提供される照明光５０８は、スラブ５０６内を、その対向する上面および底面からの一連のジグザグ反射によって伝搬する。照明光はアウトカップリング格子５４２に衝突し、アウトカップリング格子は照明光５０８の一部を取り出して光ビーム５０９を形成する。アウトカップリング格子５４２は、光ビーム５０９を収束させるようにチャープおよび／または湾曲されてもよい。格子構造５４２による取り出し効率は、外部制御信号、たとえば格子構造５１２の個々のアウトカップリング格子５４２にわたる電圧を印加することによって制御可能であり得る。電圧は、たとえば、スラブ５０６によって支持されたピクセル化透明電極層５３０とバックプレーンの上部透明電極層５３２との間に印加されてもよい。これにより、格子構造５１２の各アウトカップリング格子によって取り出される光の量を独立して制御すること、言い換えれば、ディスプレイパネルのカラーサブピクセル、ピクセル、またはピクセルのサブアレイを照明する光ビームの輝度を制御することを可能にする。
【0059】
図５Ｂを参照すると、バックライト５０４Ｂは、図５Ａのバックライト５０４Ａの変形形態であり、同様の要素を含む。図５Ｂのバックライト５０４Ｂは、個々に調整可能なＬＣ偏光回転子５６４を含むピクセル化活性液晶（ＬＣ）波長板５３４を含む。活性ピクセル化ＬＣ波長板５３４の上部に偏光選択性アウトカップリング格子５５２を配置してもよい。ＬＣ波長板５３４は、たとえば、ピクセル化透明電極層５３０とバックプレーン上部透明電極層５３２との間にＬＣ層を含んでもよい。偏光選択性アウトカップリング格子５５２は、特定の所定の偏光状態（「第１の偏光状態」）の光を取り出し、直交偏光（「第２の偏光状態」）の光を実質的に取り出さないように構成されてもよい。ライトガイドプレート内を伝搬する光５０８は、２つの偏光状態の一方を有してもよい。活性ピクセル化ＬＣ波長板５３４は、空間選択的に光５０８の偏光を切り替えるか、または調整するように構成される。ＬＣ偏光回転子５６４を伝搬する光が第１の偏光状態にあるとき、光５０８は光ビーム５０９として取り出される。ＬＣ偏光回転子５６４を伝搬する光５０８が第２の偏光状態にあるとき、光５０８は取り出されない。ＬＣ偏光回転子を伝搬する光５０８が何らかの中間偏光状態にあるとき、その光の一部のみが光ビーム５０９として取り出される。
【0060】
本開示のいくつかの実施形態では、パターン化バックライトをディスプレイパネル自体に一体化し得る。たとえば、図６は、カラーフィルタ層６２２および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ６２４によって境界付けられたツイストネマティック（ＴＮ）ＬＣ層６２０を含むアクティブマトリクス（ＡＭ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル６００を示す。カラーフィルタ層６２２および上部偏光子６２６は、上部基板６１４の内面に配置される。ＴＦＴアレイ６２４および底部偏光子６２８は、本明細書に開示されるように、アレイ状格子を含むライトガイドパネル（ＬＧＰ）６０４の内面によって支持される。ＬＣＤパネル６００に別個の底部基板がないことにより、ＬＣ層６２０からＬＧＰ６０４の格子までの距離を低減することを可能にし、格子によってＬＣピクセル上に方向転換された光のより緊密な集束を可能にし、集束された光の円錐角が増加する。円錐角が増加すると、ディスプレイ１００のアイボックス１１６が広くなる。これは、図１を参照して上記で説明された。
【0061】
ここで図７を参照すると、視覚ディスプレイ７００は、ライトバルブピクセルのアレイ、たとえば、その外側に偏光子７５４を支持する離間した基板間にＬＣ層７５２を含むＬＣパネル７０２に結合されたバックライト７０４、たとえば本明細書に開示される任意のバックライトを含む。色選択性波長板７５６のアレイ、たとえば、赤色、緑色、および青色のうちの一方の色用の半波長板であり、他の２色用の１波長板である厚い波長板は、ＬＣパネル７０２の下流に配置される。ここで、「半波長板」とは、対応する波長の光の半波の数が奇数の光位相差を有する波長板を含み、「１波長板」とは、光の半波の数が偶数の光位相差を有する波長板を含む。アレイ内の個々の色選択性波長板７５６の位置は、ＬＣパネル７０２の個々のピクセルの位置に対応する。出力偏光子７５８は、色選択性波長板７５６のアレイの下流に配置されている。
【0062】
動作中、バックライト７０４は、ＬＣパネル７０２の個々のピクセルの位置に対応する光点のアレイを提供する。光点は、たとえば上述のＰＬＣ導波路またはスラブ型導波路などのライトガイド７０６上のアウトカップリング格子７１２によって提供される。アウトカップリング格子のアレイによって反射された光は、ＬＣパネル７０２によって空間的に変調される。ＬＣパネル７０２の光バルブアレイの異なるサブピクセルは、異なる色選択性波長板に対応する。色選択性波長板は、光の線形偏光を色選択的に９０度回転させる偏光位相差を提供する。出力偏光子７５８は、特定の偏光、たとえばＬＣパネル７０２を出る光の偏光に直交する偏光の光のみを選択する。色選択性波長板７５６のアレイおよび出力偏光子７５８は共に、偏光ベースのカラーフィルタアレイを形成する。
【0063】
図８は、赤色ピクセル透過帯域８００Ｒ、緑色ピクセル透過帯域８００Ｇ、および青色ピクセル透過帯域８００Ｂを含む、図７の視覚ディスプレイ７００の個々の色選択性波長板７５６の透過スペクトルを示す。透過帯域８００Ｒ、８００Ｇ、および８００Ｂのスペクトル形状は、色選択性波長板７５６の各々における複屈折層の厚さ、ならびに任意選択的に、数および向きによって決定される。
【0064】
図９を参照すると、方法９００は、バックライトによって放射され、ディスプレイパネルのピクセルのアレイを伝搬する光の一部を増加させることを可能にし、それによって、バックライト付きディスプレイパネルを使用する表示システムによるバックライト利用の効率を改善する。方法９００は、ピクセルのアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように光を方向転換するように、ディスプレイパネルのピクセルのアレイ内のピクセルの空間分布と一致するように、バックライトの光方向転換素子のアレイの光方向転換素子の空間分布を選択すること（９０２）を含む。図１、図３Ａ～図３Ｂ、および図７を参照して上述したように、これにより、（たとえば格子）方向転換素子によって取り出された個々の光ビームを、ライトバルブピクセルアレイの個々のピクセルを通って伝搬するように方向転換することを可能にする。方法９００はまた、ピクセルのアレイのピクセルのカラーフィルタ素子のスペクトル透過と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光のスペクトル成分を選択すること（９０４）を含んでもよい。たとえば、光のスペクトル成分は、図８に示す透過スペクトルの赤色８００Ｒ、緑色８００Ｇ、および／または青色８００Ｂ透過帯域の透過波長の光を含むように選択されてもよい。これにより、カラーフィルタ素子による光の吸収を低減し、バックライトの全体的な利用効率の改善を可能にする。方法９００は、ピクセルのアレイのピクセルの透過偏光と一致するように、光方向転換素子によって方向転換された光の偏光を選択すること（９０６）をさらに含んでもよい。また、ディスプレイパネルの光損失を低減しやすくなり、バックライトの全体的な利用効率が改善する。
【0065】
本開示のバックライトおよびディスプレイは、光を少なくとも部分的に透過するように構成されてもよく、これにより、それらは拡張現実（ＡＲ）ディスプレイに適したものになる。図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、ＡＲ表示システム１０００（図１０Ａ）は、たとえば、図１のディスプレイ１００またはその変形形態のいずれか、図６のＬＣディスプレイ６００、図７の視覚ディスプレイ７００などのディスプレイデバイス１０７２を含む。ディスプレイデバイス１０７２は、線形偏光子（ＬＰ）１００４（図１０Ｂ）を介してパンケーキレンズ１０７４に光学的に結合されている。パンケーキレンズ１０７４は、反射偏光子（ＲＰ）１００６、１／４波長板（ＱＷＰ）１００８、５０／５０ミラー１０１０が順に配置されて構成される。
【0066】
動作中、ディスプレイデバイス１０７２によってパンケーキレンズ１０７４の方向に放射された画像光１０８２は、線形偏光子１００４、反射偏光子１００６を伝搬し、５０／５０ミラー１０１０によって反射される。５０／５０ミラー１０１０は凹面であるため、反射された画像光１０８２は部分的にコリメートされ、ＱＷＰ１００８を伝搬して戻り、その偏光を直交偏光に変化させる。次いで、反射偏光子１００６で反射された画像光１０８２は、再び５０／５０ミラー１０１０に向かって伝搬し、反射されてコリメートされ、元の偏光に戻るように偏光を変化させる。次いで、画像光１０８２は、反射偏光子１００６、線形偏光子１００４およびディスプレイデバイス１０７２を介して、ユーザの眼１０８０に向かって伝搬する。図１０Ｂの偏光構成は、画像光１０８２の光路が２回屈折することを保証し、ディスプレイデバイス１０７２のための非常に小型の接眼レンズを提供する。適切な偏光の周囲光１０８４は、パンケーキレンズ１０７４およびディスプレイデバイス１０７２を直接伝搬することができる。
【0067】
図１１を参照すると、ＨＭＤ１１００は、ＡＲ／ＶＲ環境への没入の程度を高めるための、ユーザの顔を取り囲むウェアラブルディスプレイシステムの一例である。ＨＭＤ１１００は、ＡＲ／ＶＲシステムの一部としてコンテンツをユーザに提示することができる。システムは、ユーザ位置および向き追跡システム、外部カメラ、ジェスチャ認識システム、ユーザ入力および制御をシステムに提供するための制御手段、ならびにＡＲ／ＶＲ環境と対話するためにユーザと対話するためのソフトウェアプログラムおよび他のデータを格納するための中央コンソールをさらに含んでもよい。ＨＭＤ１１００の機能は、物理的な実世界の環境のビューを、コンピュータで生成された画像で拡張すること、または完全に仮想の３Ｄ画像を生成することである。
【0068】
ＨＭＤ１１００は、前部本体１１０２と、バンド１１０４とを含み得る。前部本体１１０２は、安定性が高く快適な方法でユーザの眼の前に配置されるように構成され、バンド１１０４は、前部本体１１０２をユーザの頭に固定するように伸ばされ得る。ディスプレイシステム１１８０は、本明細書に記載のディスプレイおよび／またはバックライトのいずれかを含んでもよい。ディスプレイシステム１１８０は、ＡＲ／ＶＲ画像をユーザに提示するために、前部本体１１０２に配置され得る。前部本体１１０２の側面１１０６は、不透明または透明であり得る。
【0069】
いくつかの実施形態では、前部本体１１０２は、ＨＭＤ１１００の加速度を追跡するためのロケータ１１０８と、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１１１０と、ＨＭＤ１１００の位置を追跡するための位置センサ１１１２とを含む。ロケータ１１０８が、仮想現実システムの外部画像化デバイスによって追跡され、その結果、仮想現実システムは、ＨＭＤ１１００全体の位置および向きを追跡することができる。ＩＭＵおよび位置センサ１１１２によって生成された情報は、ＨＭＤ１１００の位置および向きの追跡を改善するために、ロケータ１１０８を追跡することによって得られた位置および向きと比較され得る。正確な位置および向きは、ユーザが３Ｄ空間を移動および回転するときにユーザに適切な仮想風景を提示するために重要である。
【0070】
ＨＭＤ１１００は、リアルタイムでユーザの眼の向きおよび位置を判定する、目線追跡システム１１１４をさらに含んでもよい。取得された眼の位置および向きはまた、ＨＭＤ１１００が、ユーザの注視方向を判定し、それに応じてディスプレイシステム１１８０によって生成された画像を調整することを可能にする。一実施形態において、ユーザの視線の輻輳角、すなわち収束角度が決定される。決定された注視方向および輻輳角は、画角および眼の位置に応じて視覚的アーチファクトをリアルタイムで補正するためにも使用され得る。さらに、判定された輻輳角および視線角度は、ユーザとの対話、オブジェクトの強調、オブジェクトの前面への移動、追加のオブジェクトまたはポインタの作成などに使用されてもよい。たとえば、前部本体１１０２に内蔵されている小さなスピーカーのセットを含む音声システムが提供されてもよい。
【0071】
本開示の実施形態は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムと組み合わせて実装され得る。人工現実システムは、視覚情報、音声、触覚（体性感覚）情報、加速度、バランスなどの感覚から得られる外界についての感覚情報を、ユーザに提示する前に何らかの方法で調整する。非限定的な例として、人工現実には、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組合せおよび／もしくは派生物が含まれ得る。人工現実コンテンツには、完全に生成されたコンテンツ、または補足された（たとえば、実世界の）コンテンツと組み合わせて生成されたコンテンツが含まれ得る。人工現実コンテンツには、映像、音声、体性または触覚的フィードバック、またはそれらの組合せが含まれ得る。このコンテンツはいずれも、視聴者に３次元効果をもたらすステレオ映像など、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る。
【0072】
さらに、いくつかの実施形態において、人工現実はまた、たとえば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用される、かつ／または人工現実において他の方法で使用される（たとえば、アクティビティを実行する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組合せに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたＨＭＤなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロンＨＭＤ、眼鏡のフォームファクタを有するニアアイディスプレイ、モバイルデバイスもしくはモバイルコンピューティングシステム、または１人以上の視聴者に人工現実コンテンツを提供できる任意の他のハードウェアプラットフォームを含む様々なプラットフォーム上に実装され得る。
【0073】
本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際、前述の説明および添付の図面から、本明細書に記載したものに加えて他の様々な実施形態および修正形態が当業者には明らかであろう。したがって、このような他の実施形態および修正形態は、本開示の範囲内に入ることが意図されている。さらに、本開示は、本明細書において特定の目的のための特定の環境内での特定の実装形態の文脈で記載されているが、当業者には、本開示の有用性がその文脈に限定されないこと、および本開示が任意の数の目的のために任意の数の環境内で有利に実装され得ることが認識されよう。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A-B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【国際調査報告】