(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子カップリング型ライトガイドであって、
平板ライトガイドの第１の表面と第２の表面との間において非ゼロ伝播角度で光を導波する前記平板ライトガイドと、
前記第１および第２の表面の一方または両方にあり、前記平板ライトガイドの入力端に隣接した格子カプラであって、前記第１の表面に隣接した光源から光を受け、前記光を、導波光として、前記非ゼロ伝播角度で前記平板ライトガイド内に回折により方向変更する、格子カプラと、
を備え、
前記格子カプラの特性は、前記導波光の前記非ゼロ伝播角度、第１の拡がり角および第２の拡がり角のそれぞれを決定することであり、前記第１の拡がり角は、前記第１及び第２の表面の一方または両方に対し垂直な面における角度であり、前記第２の拡がり角は、前記第１及び第２の表面の一方または両方に対し平行な面における角度である、格子カップリング型ライトガイド。
【請求項２】
前記格子カプラは、前記光源に隣接した透過モード回折格子を備える透過性格子カプラであり、前記透過性格子カプラは、前記透過モード回折格子を通じて透過される光を回折により方向変更するように構成されている、請求項１に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項３】
前記格子カプラの格子材料は窒化シリコンを含む、請求項２に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項４】
前記透過モード回折格子は、前記第１の表面内に溝を含み、前記溝は、格子材料で充填されている、請求項２に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項５】
格子材料が、前記第１の表面上に堆積され、前記透過モード回折格子は、前記堆積された格子材料において形成される複数の隆線を含む、請求項２に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項６】
前記格子カプラは、前記光源に隣接した前記第１の表面の反対側の前記第２の表面において反射モード回折格子を備える反射性格子カプラであり、前記反射性格子カプラの前記反射モード回折格子は、前記第１の表面を通して前記光を受け、反射回折を用いて前記受けた光を前記平板ライトガイド内に回折により方向変更するように構成されている、請求項１に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項７】
前記反射性格子カプラは、前記反射モード回折格子による反射を容易にする反射金属の層をさらに含む、請求項６に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項８】
前記光源をさらに備え、前記光源によってもたらされる光の円錐角は、約６０°よりも大きく、前記光源によってもたらされる前記光の中心光線は、前記平板ライトガイドの前記第１の表面に対し実質的に直交する角度で前記格子カプラ上に入射するように構成されている、請求項１に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項９】
前記第１の表面に隣接した前記光源をさらに備え、前記導波光として前記平板ライトガイド内に回折により方向変更される前記光は実質的にコリメートされ、前記光源は前記光を前記平板ライトガイドの前記第１の表面を通して導波されるように提供するように構成されたコリメートされていない光源である、請求項１に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項１０】
前記平板ライトガイドはタッチ検知パネルであり、前記平板ライトガイドの表面のタッチは、前記平板ライトガイド内の前記導波光の漏れ内部全反射を用いて検知される、請求項１に記載の格子カップリング型ライトガイド。
【請求項１１】
請求項１の格子カップリング型ライトガイドを備えるマルチビーム回折格子ベースのバックライトであって、
前記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出す、前記第２の表面に隣接したマルチビーム回折格子であって、前記複数の光ビームのうちの１つの光ビームの主極大角度方向は、前記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向と異なる、マルチビーム回折格子、
をさらに備える、マルチビーム回折格子ベースのバックライト。
【請求項１２】
格子カップリング型ライトガイドシステムであって、
コリメートされていない光を提供する光源であって、前記コリメートされていない光は第１の方向において提供される、光源と、
前記第１の方向に実質的に直交する第２の方向において非ゼロ伝播角度で光を導波する平板ライトガイドと、
前記光源から前記第１の方向において前記コリメートされていない光を受け、前記光を、導波光として、前記平板ライトガイド内に前記非ゼロ伝播角度で前記第２の方向に回折により方向変更する格子カプラと、
を備え、
前記格子カプラの特性は、前記導波光の前記非ゼロ伝播角度および拡がり角を決定することである、格子カップリング型ライトガイドシステム。
【請求項１３】
前記平板ライトガイドのエッジにおいて、前記導波光を検出する複数の光センサであって、前記導波光の漏れ内部全反射を用いて、前記平板ライトガイドの表面がタッチされる場所を特定する、複数の光センサ、
をさらに備え、
前記格子カップリング型ライトガイドシステムは、タッチ検知パネルシステムである、請求項１２に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
【請求項１４】
前記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記アレイの各マルチビーム回折格子は、前記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出し、前記複数の光ビームのうちの１つの光ビームの主極大角度方向は、前記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向と異なる、マルチビーム回折格子のアレイ、
をさらに備え、
前記格子カップリング型ライトガイドシステムは、マルチビーム格子ベースのバックライトである、請求項１２に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
【請求項１５】
前記マルチビーム回折格子のアレイは、線形チャープ回折格子を含む、請求項１４に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
【請求項１６】
前記アレイのマルチビーム回折格子は、互いに離間された、前記平板ライトガイド表面における曲線状の溝、および前記平板ライトガイド表面上の曲線状の隆線のうちの一方を含む、請求項１４に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
【請求項１７】
３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、
非ゼロ伝播角度において光を導波する平板ライトガイドと、
前記非ゼロ伝播角度で所定の拡がり角を有する導波光のビームとして光を前記平板ライトガイド内に回折によりカップリングする格子カプラと、
前記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出し、前記光ビームを、前記平板ライトガイドから離れる複数の異なる主極大角度方向に方向付ける、マルチビーム回折格子のアレイと、
前記複数の光ビームを変調するライトバルブアレイであって、前記変調された複数の光ビームは、前記３Ｄ電子ディスプレイの画素を表す、３Ｄ電子ディスプレイ。
【請求項１８】
前記マルチビーム回折格子のアレイは、曲線状の回折特徴部を有するチャープ回折格子を含み、前記ライトバルブアレイは複数の液晶ライトバルブを含む、請求項１７に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
【請求項１９】
光を平板ライトガイド内にカップリングする方法であって、
前記平板ライトガイドの第１の表面に隣接した光源を用いて光を生成することと、
前記平板ライトガイドの前記第１および第２の表面の一方または両方において格子カプラを用いて前記光源からの前記光を前記平板ライトガイド内にカップリングすることと、
前記カップリングされた光を、導波光として、前記平板ライトガイド内において入力端から離れるように前記第１及び第２の表面の間において非ゼロ伝播角度で導波することと、
を含み、
前記導波光は、前記格子カプラによって前記非ゼロ伝播角度に方向付けられ、前記第１および第２の表面の一方または両方に対し垂直な面において所定の第１の拡がり角を有し、前記第１および第２の表面の一方または両方に実質的に平行な面において所定の第２の拡がり角を有する伝播光ビームを含み、前記所定の第１の拡がり角および前記所定の第２の拡がり角は、前記格子カプラの特性によって決定される、方法。
【請求項２０】
前記格子カプラは、前記平板ライトガイドの第１の表面において透過性格子を備える、請求項１９に記載の光をライトガイド内にカップリングする方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の光をライトガイド内にカップリングする方法を含む電子ディスプレイの方法であって、
前記平板ライトガイドの前記第１および第２の表面の一方または両方においてマルチビーム回折格子を用いて前記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出し、複数の異なる主極大角度方向において前記平板ライトガイドから離れる方向に向けられた複数の光ビームを生成することと、
前記複数の光ビームを、対応する複数のライトバルブを用いて変調することであって、前記変調された光ビームは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの画素を形成することと、
を含む、電子ディスプレイの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
該当なし
【０００２】
連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし
【背景技術】
【０００３】
スラブ光導波路とも呼ばれる平板ライトガイドは、多岐にわたる光学的用途およびフォトニック用途において用いられる。例えば、平板ライトガイドは、電子ディスプレイのバックライトにおいて用いられてもよい。具体的には、平板ライトガイドは、電子ディスプレイの画素に光を分散させるのに用いられてもよい。例えば、画素は、３次元ディスプレイのマルチビュー画素であってもよい。別の例では、平板ライトガイドは、タッチ検知パネル（touch-sensitive panel）として用いられてもよい。平板ライトガイドの表面にタッチすることに関連付けられた漏れ内部全反射（frustrated total internal reflection）を用いて、例えば、平板ライトガイドのどの場所がどの程度の圧力でタッチされたかを検出することができる。
【０００４】
平板ライトガイドの様々な光学的用途およびフォトニック用途において、光源からの光は、導波光として伝播するために、平板ライトガイド内に導入またはカップリングされなくてはならない。さらに、多くの用途において、光の導入またはカップリングは、ある所定の伝播特性を有する導波光を平板ライトガイド内にもたらすように構成される。例えば、光カップリングによって生じる導波光は、特定のまたは所定の伝播角度で、特定のまたは所定の伝播方向に伝播することができる。さらに、導波光または導波光のビームは、所定の拡がり角を有することができる。例えば、導波光は、平板ライトガイドの入力エッジから出力エッジまで伝播する光の実質的にコリメートされたビームとすることができる。加えて、導波光のビームは、平板ライトガイドの平面に対して所定の伝播角度で平板ライトガイド内を進行することができ、それによって、光ビームは平板ライトガイドの前面と後面との間で効果的に「跳ね返る（bounce）」。
【０００５】
光源から平板ライトガイド内に光を導入またはカップリングするための様々な光カプラの中には、レンズ、バッフル、ミラーおよび様々な関連反射鏡（例えば、パラボラ反射鏡、成形反射鏡等）ならびにそれらの組み合わせがある。不都合なことに、そのような光カプラを用いることは、多くの場合、導波光の所望の伝播特性が得られるような光カプラを作製し、厳密に実現する厳しい製造動作を必要とする。さらに、光カプラ製造は、多くの場合に、平板ライトガイドの作製と別個である。さらに複雑なことに、これらの別個に製造された光カプラは、通常、所望の光カップリングをもたらすには、平板ライトガイドに厳密に位置合わせされ、そしてこの平板ライトガイドに固定されなくてはならず、この結果、コストおよび製造の複雑度が増す。
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、以下の［１］から［２１］を含む。
［１］格子カップリング型ライトガイドであって、
非ゼロ伝播角度で光を導波する平板ライトガイドと、
上記平板ライトガイドの入力における格子カプラであって、光源から光を受け、上記光を、導波光として、上記非ゼロ伝播角度で上記平板ライトガイド内に回折により方向変更する、格子カプラと、
を備え、
上記格子カプラの特性は、上記導波光の上記非ゼロ伝播角度、第１の拡がり角および第２の拡がり角を決定することであり、上記第１の拡がり角は、上記平板ライトガイドの表面に対し垂直な面における角度であり、上記第２の拡がり角は、上記平板ライトガイド表面に対し平行な面における角度である、格子カップリング型ライトガイド。
［２］上記格子カプラは、上記光源に隣接した上記平板ライトガイドの表面において透過モード回折格子を備える透過性格子カプラであり、上記透過モード回折格子は、上記回折格子を通じて透過される光を回折により方向変更する、上記［１］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［３］上記格子カプラの格子材料は窒化シリコンを含む、上記［２］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［４］上記透過モード回折格子は、上記平板ライトガイド表面内に溝を含み、上記溝は、上記格子材料で充填されている、上記［３］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［５］上記格子材料は、上記平板ライトガイド表面上に堆積され、上記透過モード回折格子は、上記堆積された格子材料において形成される複数の隆線を含む、上記［３］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［６］上記格子カプラは、上記光源に隣接した平板ライトガイド表面の反対側の上記平板ライトガイドの表面において反射モード回折格子を備える反射性格子カプラであり、上記反射モード回折格子は、反射回折を用いて光を上記平板ライトガイド内に回折により方向変更する、上記［１］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［７］上記反射性格子カプラは、上記反射モード回折格子による反射を容易にする反射金属の層をさらに含む、上記［６］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［８］上記光源をさらに備え、上記光源によってもたらされる光の円錐角は、約６０°よりも大きく、上記光源によってもたらされる光の中心光線は、上記平板ライトガイドの表面に対し実質的に直交する角度で上記格子カプラ上に入射する、上記［１］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［９］上記光源をさらに備え、上記導波光として上記平板ライトガイド内に回折により方向変更される上記光は実質的にコリメートされ、上記光源はコリメートされていない光源である、上記［１］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［１０］上記平板ライトガイドはタッチ検知パネルであり、上記平板ライトガイドの表面のタッチは、上記平板ライトガイド内の上記導波光の漏れ内部全反射を用いて検知される、上記［１］に記載の格子カップリング型ライトガイド。
［１１］上記［１］の格子カップリング型ライトガイドを備えるマルチビーム回折格子ベースのバックライトであって、
上記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出す、上記平板ライトガイド表面に隣接したマルチビーム回折格子であって、上記複数の光ビームのうちの１つの光ビームの主極大角度方向は、上記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向と異なる、マルチビーム回折格子、
をさらに備える、マルチビーム回折格子ベースのバックライト。
［１２］格子カップリング型ライトガイドシステムであって、
コリメートされていない光を提供する光源であって、上記コリメートされていない光は第１の方向において提供される、光源と、
上記第１の方向に実質的に直交する第２の方向において非ゼロ伝播角度で光を導波する平板ライトガイドと、
上記光源から上記第１の方向において上記コリメートされていない光を受け、上記光を、導波光として、上記平板ライトガイド内に上記非ゼロ伝播角度で上記第２の方向に回折により方向変更する格子カプラと、
を備え、
上記格子カプラの特性は、上記導波光の上記非ゼロ伝播角度および拡がり角を決定することである、格子カップリング型ライトガイドシステム。
［１３］上記平板ライトガイドのエッジにおいて、上記導波光を検出する複数の光センサであって、上記導波光の漏れ内部全反射を用いて、上記平板ライトガイドの表面がタッチされる場所を特定する、複数の光センサ、
をさらに備え、
上記格子カップリング型ライトガイドシステムは、タッチ検知パネルシステムである、上記［１２］に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
［１４］上記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、上記アレイの各マルチビーム回折格子は、上記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出し、上記複数の光ビームのうちの１つの光ビームの主極大角度方向は、上記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向と異なる、マルチビーム回折格子のアレイ、
をさらに備え、
上記格子カップリング型ライトガイドシステムは、マルチビーム格子ベースのバックライトである、上記［１２］に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
［１５］上記マルチビーム回折格子のアレイは、線形チャープ回折格子を含む、上記［１４］に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
［１６］上記アレイのマルチビーム回折格子は、互いに離間された、上記平板ライトガイド表面における曲線状の溝、および上記平板ライトガイド表面上の曲線状の隆線のうちの一方を含む、上記［１４］に記載の格子カップリング型ライトガイドシステム。
［１７］３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、
非ゼロ伝播角度において光を導波する平板ライトガイドと、
上記非ゼロ伝播角度で所定の拡がり角を有する導波光のビームとして光を上記平板ライトガイド内に回折によりカップリングする格子カプラと、
上記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、上記導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出し、上記光ビームを、上記平板ライトガイドから離れる複数の異なる主極大角度方向に方向付ける、マルチビーム回折格子のアレイと、
上記複数の光ビームを変調するライトバルブアレイであって、上記変調された複数の光ビームは、上記３Ｄ電子ディスプレイの画素を表す、３Ｄ電子ディスプレイ。
［１８］上記マルチビーム回折格子のアレイは、曲線状の回折特徴部を有するチャープ回折格子を含み、上記ライトバルブアレイは複数の液晶ライトバルブを含む、上記［１７］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１９］光を平板ライトガイド内にカップリングする方法であって、
光源を用いて光を生成することと、
格子カプラを用いて上記光源からの上記光を上記平板ライトガイド内にカップリングすることと、
上記カップリングされた光を、導波光として、上記平板ライトガイド内において入力端から離れるように非ゼロ伝播角度で導波することと、
を含み、
上記導波光は、上記格子カプラによって上記非ゼロ伝播角度に方向付けられ、上記平板ライトガイドの表面に対し垂直な面において所定の第１の拡がり角を有し、上記平板ライトガイド表面に実質的に平行な面において所定の第２の拡がり角を有する伝播光ビームを含み、上記所定の第１の拡がり角および上記所定の第２の拡がり角は、上記格子カプラの
特性によって決定される、方法。
［２０］上記格子カプラは、上記平板ライトガイドの光源に隣接する表面において透過性格子を備える、上記［１９］に記載の光をライトガイド内にカップリングする方法。
［２１］上記［１９］に記載の光をライトガイド内にカップリングする方法を含む電子ディスプレイの方法であって、
上記平板ライトガイドの上記表面においてマルチビーム回折格子を用いて上記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出し、複数の異なる主極大角度方向において上記平板ライトガイドから離れる方向に向けられた複数の光ビームを生成することと、
上記複数の光ビームを、対応する複数のライトバルブを用いて変調することであって、上記変調された光ビームは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの画素を形成することと、
を含む、電子ディスプレイの方法。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を参照することにより、より容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一例による格子カップリング型ライトガイドの断面図である。図１Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の例による格子カップリング型ライトガイドの断面図である。
【図２】図２Ａは、本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カプラの上面図を示す。図２Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する別の例による、格子カプラの上面図を示す。
【図３】図３Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一例による格子カップリング型ライトガイドの一部分の断面図である。図３Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイドの一部分の断面図を示す。
【図４】図４Ａは、本明細書で説明する原理と一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイドの一部分の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理と一致するまた別の例による、格子カップリング型ライトガイドの一部分の断面図を示す。
【図５】本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カップリング型ライトガイドシステムのブロック図を示す。
【図６】本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カップリング型ライトガイドシステムの斜視図を示す。
【図７】本明細書で説明する原理と一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイドシステムの斜視図を示す。
【図８】本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カップリング型ライトガイドシステムのマルチビーム回折格子の断面図を示す。
【図９】本明細書で説明する原理と一致した一例による３Ｄ電子ディスプレイのブロック図である。
【図１０】本明細書で説明する原理と一致した一例による平板ライトガイド内に光をカップリングする方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
いくつかの例および実施形態は、上記で参照した図に示される特徴の追加または代替の１つである他の特徴を有している。これらおよび他の特徴は、上記で参照した図を参照して以下で詳述される。
【０００９】
本明細書で説明する原理による例は、平板ライトガイドへの光の回折カップリングを提供する。具体的には、光は、回折格子を備える格子カプラを用いて平板ライトガイド内にカップリングされる。さらに、格子カプラは、様々な例によれば、実質的にコリメートされていない場合がある光源からの光をカップリングするように構成され、所定の伝播特性を有する平板ライトガイド内で導波光を生成するように構成される。例えば、導波光は、平板ライトガイド内の所定の伝播角度を有することができ、光源からの光は、格子カプラに対し、約９０度の入射角および比較的広いビーム角または大きい円錐角を有することができる。加えて、導波光は、所定の拡がり角を有する平板ライトガイド内の光のビームとすることができる。例えば、導波光ビームの水平拡がり角（例えば、平板ライトガイドの表面に対し平行）および導波光ビームの垂直拡がり角（例えば、平板ライトガイド表面に対し直交）の双方を、光のビームがコリメートされた光ビームになるように、約ゼロにすることができる。別の例では、格子カプラは、扇形のビームパターン（例えば、約３０度の拡がり角〜約９０度よりも大きな拡がり角を有するビーム）に対応する水平拡がり角および垂直拡がり角の一方または双方を有する導波光ビームを生成するように構成されてもよい。本明細書で説明する原理の例によれば、格子カプラ（例えば、格子カップリング型ライトガイド）を用いる平板ライトガイドへの光カップリングは、電子ディスプレイのバックライト（例えば、マルチビーム回折格子ベースのバックライト）およびタッチ検知パネルを含むがこれらに限定されない、多岐にわたる用途において有用とすることができる。さらに、様々な例によれば、格子カプラを、平板ライトガイドの一部として製造し、光を平板ライトガイド内にカップリングするための他のタイプの光カップリング構造（例えば、レンズ、ミラー、パラボラ反射鏡等）の別個の潜在的にコストのかかる製造および組立の必要性を回避してもよい。
【００１０】
本明細書では「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造体として定義される。特に、ライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実質的に透明なコアを含んでもよい。様々な例では、「ライトガイド」という用語は全般的に、ライトガイドの誘電体材料と、そのライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するために内部全反射を使用する誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のための条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率より大きいことである。いくつかの例では、ライトガイドは、内部全反射をさらに容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んでもよい。コーティングは、例えば反射コーティングであってもよい。様々な例によれば、ライトガイドは、平板ガイドまたはスラブガイドおよびストリップガイドの一方または双方を含むがこれらに限定されないいくつかのライトガイドのうちの任意のものとすることができる。
【００１１】
本明細書ではさらに、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイドに適用された場合は、区分的（piece-wise）または個別的（differentially）に平面状の層またはシートとして定義される。特に、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面と下面（すなわち、対向する表面）により境界を画された２つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガイドとして定義される。さらに、本明細書における定義上、上面および下面はともに互いに隔てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行であり得る。すなわち、平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行であるかまたは同一平面にある。いくつかの例では、平板ライトガイドは、実質的に平坦（例えば平面に制限される）であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドとなる。他の例では、平板ライトガイドは、１つまたは２つの直交する寸法において曲線状であってもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成するように、単一の寸法において曲線状であってもよい。しかしながら、様々な例では、いずれの曲率も、光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするように、十分大きな曲率半径を有する。
【００１２】
様々な例によれば、格子カプラを用いて、平板ライトガイド内に光をカップリングする。本明細書における定義上、格子カプラは回折格子を備え、この回折格子において、その特性および特徴（すなわち、「回折特徴部」）を用いて、入射光から回折格子によって生成される光ビームの角度方向性および角度拡がりの一方または双方を制御することができる。角度方向性および角度拡がりを制御するのに用いることができる特性は、回折格子の長さ、回折格子のピッチ（特徴間隔）、回折特徴部の形状（例えば、正弦波、矩形、三角形、鋸歯状等）、回折特徴部のサイズ（例えば、溝または隆線の幅）、および回折格子の向きのうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、生成された光ビームの原点、および回折格子に対する光の１つまたは複数の入射点の近傍の局所的な特性とすることができる。
【００１３】
本明細書において、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現するように配置された複数の特徴部（すなわち、回折特徴部）として全般的に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置されてもよい。例えば、回折格子は、１次元（１Ｄ）アレイに配置された複数の特徴部（例えば、材料表面における複数の溝）を含んでもよい。他の例では、回折格子は、特徴部の２次元（２Ｄ）アレイであってもよい。例えば、回折格子は、材料表面の突起の２Ｄアレイであってもよい。
【００１４】
このように、また本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現する構造体である。平板ライトガイドと併せて用いられるとき、回折格子は、入射光を平板ライトガイド内にカップリングするか、平板ライトガイドからカップリングして外へ出すことができる。したがって、回折格子によってカップリングすることは、回折により光カップリングがもたらされるという意味で、「回折カップリング」と呼ぶことができる。回折格子はまた、回折により光の角度（すなわち、回折角度）を方向変更し得る、または変化させ得る。特に、回折の結果として、回折格子を出る光（すなわち、回折された光）は、概して入射光の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による光の伝播方向の変化は、「回折的方向変更（diffractive redirection）」と呼ばれる。このため、回折格子は、回折格子上に入射する光を回折により方向変更し、さらに、回折により、平板ライトガイド内に光をカップリングするか、平板ライトガイドから光をカップリングして外へ出すことができる回折特徴部を含む構造であると理解することができる。
【００１５】
さらに、本明細書における定義上、回折格子の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面（例えば２つの材料間の境界）で、表面内、および表面上（at, in and on）のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる。この表面は、例えば平板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、表面で、表面内、または表面上の溝、隆線、穴、および突起のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうちの任意のものを含むことができる。例えば回折格子は、材料表面における複数の平行な溝を含むことができる。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がった複数の平行な隆線を含むことができる。回折特徴部（例えば溝、隆線、穴、突起など）は、長方形輪郭、三角形輪郭、および鋸歯状輪郭（例えば、ブレーズ化格子）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、回折を実現する様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができる。
【００１６】
いくつかの例では、例えば、電子ディスプレイの画素として、平板ライトガイドから光をカップリングして外へ出すために、マルチビーム回折格子が用いられる。具体的には、平板ライトガイドは、「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、「ホログラフィック」電子ディスプレイとも呼ばれる）等であるがこれらに限定されない電子ディスプレイのバックライトの一部であってもよく、またはこの電子ディスプレイと併せて用いられてもよい。
【００１７】
本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含むカップリングして外へ出される光を生成する回折格子である。さらに、マルチビーム回折格子により生成される複数の光ビームは、本明細書における定義上、互いに異なる主極大角度方向（principal angular direction）を有する。特に、定義上、マルチビーム回折格子による入射光の回折カップリングおよび回折的方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの１つの光ビームは、複数の光ビームのうちの別の光ビームとは異なる所定の主極大角度方向を有する。例えば、複数の光ビームは、８つの異なる主極大角度方向を有する８つの光ビームを含んでもよい。例えば、組み合わされた８つの光ビーム（すなわち、複数の光ビーム）が、光照射野（light field）を表してもよい。様々な例によれば、様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、それぞれの光ビームの原点でマルチビーム回折格子の回折特徴部の格子ピッチまたは間隔と、向きまたは回転とを組み合わせることによって、マルチビーム回折格子に入射する光の伝播方向に対して決定される。
【００１８】
本明細書で説明する様々な例によれば、マルチビーム回折格子は、例えば、電子ディスプレイの画素として、平版ライトガイドから光をカップリングして外へ出すために、マルチビーム回折が用いられる。特に、異なる角度方向を有する複数の光ビームを生成するためのマルチビーム回折格子を有する平板ライトガイドは、「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、マルチビューもしくは「ホログラフィック」電子ディスプレイ、またはオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる）などであるがこれらに限定されない電子ディスプレイのバックライト、またはそれらの電子ディスプレイと併せて用いられるバックライトの一部とすることができる。したがって、マルチビーム回折格子を用いて導波光をライトガイドからカップリングして外へ出すことにより生成される異なる方向に向けられた光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイの「画素」とすることができる、または「画素」を表すことができる。
【００１９】
本明細書において、「光源」は、光の発生源（例えば、光を生成し放射する装置またはデバイス）として定義される。例えば、光源は、作動させると光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。本明細書において、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマを用いた光学エミッタ、蛍光ランプ、白熱ランプ、および事実上任意の他の光の発生源のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない実質的に任意の光の発生源または光学エミッタとすることができる。光源により生成される光は色を有してもよく、または光の特定の波長を含んでもよい。
【００２０】
さらに、本明細書で用いられるとき、冠詞「ａ（１つ）」は、特許技術における通常の意味、すなわち、「１つまたは複数（one or more）」を有することを意図するものである。本明細書では例えば、「（１つの）格子（a grating）」は１つまたは複数の格子を意味し、したがって「その（１つの）格子（the grating）」は「その１つまたは複数の格子（the grating(s)）」を意味する。また、本明細書における「上部（top）」、「下部（bottom）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「上向き（up）」、「下向き（down）」、「前面（front）」、「背面（back）」、「第１の」、「第２の」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは全般的にその値を生成するために用いられる機器の許容差範囲内を意味し、またはいくつかの例では他に明示的に指定されない限り、±１０％、または±５％、または±１％を意味する。さらに、本明細書で用いられるとき「実質的に」という用語は、大多数、またはほとんどすべて、またはすべて、または例えば約５１％〜約１００％の範囲内の量を意味する。さらに本明細書における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。
【００２１】
本明細書で説明する原理のいくつかの例によれば、格子カップリング型ライトガイドが提供される。図１Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一例による格子カップリング型ライトガイド１００の断面図を示す。図１Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の例による格子カップリング型ライトガイド１００の断面図を示す。格子カップリング型ライトガイド１００は、光１０２を導波光１０４として格子カップリング型ライトガイド１００内にカップリングするように構成される。光１０２は、例えば、光源１０６（例えば、実質的にコリメートされていない光源１０６）によって提供されてもよい。様々な例によれば、格子カップリング型ライトガイド１００は、比較的高いカップリング効率を提供することができる。さらに、様々な例によれば、格子カップリング型ライトガイド１００は、光１０２を、格子カップリング型ライトガイド１００内の所定の拡がり角を有する導波光１０４（例えば、導波光のビーム）に変換することができる。
【００２２】
具体的には、いくつかの例によれば、約２０パーセント（２０％）を超えるカップリング効率を達成することができる。例えば、（以下で説明される）透過構成において、格子カップリング型ライトガイド１００のカップリング効率は、約３０パーセント（３０％）を超えるか、またはさらには約３５パーセント（３５％）を超えることができる。例えば、最大約４０パーセント（４０％）のカップリング効率を達成することができる。反射構成において、格子カップリング型ライトガイド１００のカップリング効率は、例えば、約５０パーセント（５０％）または約６０パーセント（６０％）またはさらには約７０パーセント（７０％）とすることができる。
【００２３】
様々な例によれば、格子カップリング型ライトガイド１００によって提供され、格子カップリング型ライトガイド１００内にある所定の拡がり角は、制御されたまたは所定の伝播特性を有する導波光１０４のビームを提供することができる。具体的には、格子カップリング型ライトガイド１００は、「垂直」方向、すなわち、格子カップリング型ライトガイド１００の表面の面に対し垂直な面において、制御されたまたは所定の第１の拡がり角を提供することができる。同時に、格子カップリング型ライトガイド１００は、水平方向、すなわち、格子カップリング型ライトガイド表面に平行な面において、制御されたまたは所定の第２の拡がり角を提供することができる。さらに、光１０２を、格子カップリング型ライトガイド面に実質的に垂直な角度で光源１０６から受信し、次に、格子カップリング型ライトガイド１００内の非ゼロ伝播角度、例えば、格子カップリング型ライトガイド１００内の内部全反射の臨界角に一致する非ゼロの伝播角度を有する導波光１０４のビームに変換することができる。
【００２４】
示されるように、格子カップリング型ライトガイド１００はライトガイド１１０を含む。特に、様々な例によれば、ライトガイド１１０は平板ライトガイド１１０であり得る。平板ライトガイド１１０は、（例えば光源１０６からの）光を、平板ライトガイド１１０の長さまたは範囲に沿って導波するように構成される。さらに、様々な例によれば、平板ライトガイド１１０は、光（すなわち、導波光１０４）を非ゼロの伝播角度で導波するように構成される。本明細書において定義される非ゼロの伝播角度は、平板ライトガイド１１０の表面（例えば、上面または下面）に対する角度である。
【００２５】
いくつかの例によれば、非ゼロの伝播角度は、約１０度〜約６０度とすることができる。いくつかの例では、非ゼロの伝播角度は、約２０度〜約４０度、または約２５度〜約３５度とすることができる。例えば、非ゼロの伝播角度は約３０度とすることができる。他の例において、非ゼロ伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約２８度、または約３５度とすることができる。様々な例によれば、非ゼロ伝播角度は、平板ライトガイド１１０の長さ全体にわたって実質的に一定にすることができる。
【００２６】
いくつかの例によれば、具体的には、平板ライトガイド１１０は、内部全反射を用いて導波光１０４を導波するように構成することができる。例えば、平板ライトガイド１１０は、光導波路として構成される誘電材料を含むことができる。誘電材料は、誘電光導波路を取り囲む媒体の屈折率よりも大きい屈折率を有することができる。誘電材料の屈折率と周囲媒体の屈折率との差は、平板ライトガイド１１０の１つまたは複数の導波モードに従った、平板ライトガイド１１０内の導波光１０４の内部全反射を容易にする。様々な例によれば、非ゼロ伝播角度は、内部全反射のための臨界角未満の角度に対応することができる。
【００２７】
いくつかの例において、平板ライトガイド１１０は、（例えば、図１Ａおよび図１Ｂの断面図に示されるように）光学的に透明な材料の拡張された実質的に平坦なシートを備えるスラブ光導波路またはプレート光導波路とすることができる。誘電材料の実質的に平坦なシートは、内部全反射を用いて導波光１０４を導波するように構成される。平板ライトガイド１１０の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば、シリカガラス、アルカリ−アルミノシリケートガラス、ホウ素シリケートガラス等）および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（例えばポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネート等）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない多岐にわたる誘電体材料のうちの任意のものを含むか、またはこれらから作製することができる。いくつかの例では、平板ライトガイド１１０は、平板ライトガイド１１０の表面（例えば、上面および／または下面）の少なくとも一部分の上にクラッディング層（図示せず）をさらに含むことができる。いくつかの例によれば、クラッディング層を用いて、内部全反射をさらに容易にすることができる。
【００２８】
導波光１０４は、平板ライトガイド１１０内に導入されると、平板ライトガイド１１０の入力端から概ね離れる方向に平板ライトガイド１１０に沿って伝播する。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、導波光１０４は、概して水平な方向に、平板ライトガイド１１０に沿って伝播する。導波光１０４の伝播は、図１Ａおよび図１Ｂにおいて、左から右に、水平軸（例えば、ｘ軸）に沿う方向を向き、平板ライトガイド１１０内を伝播する光ビームを表す中空の水平矢印として示される。例えば、伝播する光ビームは、平板ライトガイド１１０の光モードのうちの１つまたは複数を表すことができる。様々な例によれば、導波光１０４の伝播する光ビームは、内部全反射に起因した、ライトガイド１１０の材料（例えば、誘電体）と、周囲の媒体との間の境界面におけるライトガイド１１０の壁面（例えば、上面または前面および下面または背面）からの「跳ね返り」または反射により伝播することができる。図１Ａおよび図１Ｂにおける反射に対する角度は、導波光１０４の非ゼロ伝播角度に対応する。
【００２９】
様々な例によれば、格子カップリング型ライトガイド１００は、格子カプラ１２０をさらに備える。格子カプラ１２０は、平板ライトガイド１１０の入力に（例えば、平板ライトガイド１１０の入力エッジに隣接して）配置される。格子カプラ１２０は、光源１０６からの光を、回折を用いて平板ライトガイド１１０内にカップリングするように構成される。具体的には、格子カプラ１２０は、（例えば、光源１０６から）光１０２を受け取り、光１０２を導波光１０４として非ゼロ伝播角度で平板ライトガイド１１０内に回折により方向変更する（すなわち、回折によりカップリングする）ように構成される。様々な例によれば、上述したように、格子カプラ１２０によって平板ライトガイド１１０内に回折により方向付けられるかまたはカップリングされる導波光１０４は、制御されたまたは所定の伝播特性を有する。
【００３０】
具体的には、格子カプラ１２０の特性は、導波光１０４または導波光１０４の光ビームの伝播特性を決定するように構成される。格子カプラ１２０によって決定される伝播特性は、導波光１０４の非ゼロ伝播角度、第１の拡がり角、および第２の拡がり角のうちの１つまたは複数を含むことができる。「第１の拡がり角」は、本明細書における定義上、平板ライトガイド１１０の表面に対し実質的に垂直な面内の導波光１０４の所定の拡がり角である。さらに、第１の拡がり角は、本明細書における定義上、導波光１０４の光ビームが非ゼロ伝播角度によって定義される方向に伝播するときのビーム拡がり（例えば、垂直面におけるビーム拡がり）の角度を表す。「第２の拡がり角」は、本明細書における定義上、ライトガイド表面に実質的に平行な面内の角度である。第２の拡がり角は、導波光１０４が平板ライトガイド表面（例えば、水平面）に実質的に平行な方向（すなわち、面）に伝播するときの導波光ビームの所定の拡がり角を表す。
【００３１】
様々な例によれば、格子カプラ１２０は、複数の離間された回折特徴部を有する回折格子１２２を含む。いくつかの例によれば、導波光１０４の第１の拡がり角および非ゼロ伝播角度を、ピッチによって、およびある程度まで、回折格子１２２の回折特徴部の横方向の形状によって制御または決定することができる。すなわち、導波光１０４の一般的な伝播方向に対応する方向において格子のピッチを選択することによって、回折構成１２２の回折角を用いて、非ゼロ伝播角度を生成することができる。加えて、いくつかの例によれば、格子カプラ１２０の回折格子１２２の長さに沿ってまたは幅にわたって回折特徴部のピッチおよび他の態様を変更することによって、導波光１０４の第１の角度拡がりを制御することができ、すなわち、所定の第１の角度拡がりを提供することができる。
【００３２】
さらに、いくつかの例によれば、導波光１０４の所定の第２の拡がり角は、格子カプラ１２０の回折格子１２２の横方向の形状または幅の変更によって制御することができる。例えば、回折格子１２２（すなわち、扇形の格子の）第１の端部から第２の端部まで幅が増大する回折格子１２２は、方向変更された導波光１０４（すなわち、扇形の光ビーム）の比較的大きな第２の拡がり角を生成することができる。具体的には、いくつかの例によれば、所定の第２の拡がり角は、格子カプラ１２０の回折格子１２２の幅の増大の角度に実質的に比例することができる。別の例において、幅（例えば、実質的に平行な側面を有する）における変動が比較的小さい回折格子１２２は、導波光１０４の光ビームの比較的小さい第２の拡がり角を提供することができる。比較的小さい第２の拡がり角（例えば、実質的にゼロである拡がり角）は、例えば、平板ライトガイド表面に平行であるかまたは平板ライトガイド表面と同一平面の水平方向においてコリメートされるかまたは少なくとも実質的にコリメートされる導波光ビームを提供することができる。
【００３３】
図２Ａは、本明細書で説明する原理に一致する例による、格子カプラ１２０の平面図を示す。図２Ｂは、本明細書で説明する原理に一致する別の例による、格子カプラ１２０の平面図を示す。具体的には、図２Ａは、平板ライトガイド１１０の表面（例えば、上面または下面）から見たときに扇形である回折格子１２２を有する格子カプラ１２０を示す。扇形の回折格子１２２は、回折格子１２２の第１の端部から第２の端部に向かって幅が増大する。ここで、幅の増大はファン角度φを定義する。図示のように、回折格子ファン角度φは約８０度である。様々な例によれば、扇形の回折格子１２２は、ファン角度φに比例する所定の第２の拡がり角を有する導波光１０４の扇形の光ビーム（例えば、太線の矢印を用いて示される）を提供することができる。
【００３４】
他方で、図２Ｂは、平板ライトガイド表面から見たとき、矩形形状の回折格子１２２（例えば、約ゼロに等しいファン角度φを有する）を有する格子カプラ１２０を示す。矩形形状の回折格子１２２は、導波光１０４の実質的にコリメートされた光ビーム、すなわち、約ゼロの所定の第２の拡がり角を有する導波光１０４の光ビームを生成することができる。導波光１０４の実質的にコリメートされた光ビームは、図２Ｂの平行な太線の矢印を用いて示されている。したがって、様々な例によれば、回折格子１２２のファン角度φを用いて、導波光１０４の第２の拡がり角を制御または決定することができる。
【００３５】
再び図１〜図１Ｂを参照すると、いくつかの例によれば、格子カプラ１２０は、透過性格子カプラ１２０（すなわち、透過モード回折格子カプラ）とすることができるのに対し、他の例では、格子カプラ１２０は、反射性格子カプラ１２０（すなわち、反射モード回折格子カプラ）とすることができる。具体的には、図１Ａに示されるように、格子カプラ１２０は、光源１０６に隣接した平板ライトガイド１１０の表面１１２において、透過モード回折格子１２２’を備えることができる。例えば、格子カプラ１２０の透過モード回折格子１２２’は、平板ライトガイド１１０の下面（または第１の面）１１２上にあることができ、光源１０６は、底部から格子カプラ１２０を照明することができる。図１Ａに示されるように、格子カプラ１２０の透過モード回折格子１２２’は、回折格子１２２を透過または通過する光１０２を回折により方向変更するように構成される。
【００３６】
代替的に、図１Ｂに示されるように、格子カプラ１２０は、光源１０６に隣接する表面の反対側にある平板ライトガイド１１０の表面１１４において反射モード回折格子１２２”を有する反射性格子カプラ１２０であってもよい。例えば、格子カプラ１２０の反射モード回折格子１２２”は、平板ライトガイド１１０の上面（第２の面）１１４上にあることができ、光源１０６は、平板ライトガイド１１０の下面（または第１の面）１１２の一部を通じて格子カプラ１２０を照明することができる。図１Ｂに示すように、反射モード回折格子１２２”は、反射性回折（すなわち、反射および回折）を用いて平板ライトガイド１１０内に光１０２を回折により方向変更するように構成される。
【００３７】
様々な例によれば、格子カプラ１２０の回折格子１２２は、平板ライトガイド１１０の表面１１２、１１４上またはこの表面内に形成されるかまたは他の形で設けられる回折格子の溝、隆線または同様の回折特徴部を含むことができる。例えば、溝または隆線は、透過性格子カプラ１２０の透過モード回折格子１２２’としての役割を果たすために、平板ライトガイド１１０の光源に隣接した表面１１２（例えば、下面または第１の表面）内またはこの表面上に形成されてもよい。同様に、溝または隆線は、例えば、反射性格子カプラ１２０の反射モード回折格子１２２”としての役割を果たすために、光源に隣接した表面１１２の反対側の平板ライトガイド１１０の表面１１４内またはこの表面上に形成されてもよく、または他の形で設けられてもよい。
【００３８】
いくつかの例によれば、格子カプラ１２０は、平板ライトガイド表面上または平板ライトガイド表面内に格子材料（例えば、格子材料の層）を含むことができる。いくつかの例では、格子材料は、平板ライトガイド１１０の材料と実質的に同様であってもよく、他の例では、格子材料は、平板ライトガイド材料と異なっていてもよい（例えば、異なる屈折率を有する）。いくつかの例では、平板ライトガイド表面内の回折格子溝は、格子材料で充填することができる。例えば、透過性格子カプラ１２０または反射性格子カプラ１２０のいずれかの回折格子１２２の溝は、平板ライトガイド１１０の材料と異なる誘電材料（すなわち、格子材料）で満たすことができる。いくつかの例によれば、格子カプラ１２０の格子材料は、例えば、窒化シリコンを含んでもよく、平板ライトガイド１１０は、ガラスであってもよい。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含むがこれらに限定されない他の格子材料も用いられてもよい。
【００３９】
他の例において、透過性格子カプラ１２０または反射性格子カプラ１２０は、特定の回折格子１２２としての役割を果たす平板ライトガイド１１０のそれぞれの表面上に堆積されるか、形成されるか、または他の形で設けられる隆線、バンプまたは同様の回折特徴部を含むことができる。隆線または類似の回折特徴部は、例えば、平板ライトガイド１１０のそれぞれの表面上に堆積された誘電材料層（すなわち、格子材料）内に（例えば、エッチング、成形等によって）形成することができる。いくつかの例では、反射性格子カプラ１２０の格子材料は、反射金属を含むことができる。例えば、反射性格子カプラ１２０は、反射モード回折格子１２２”による反射を容易にするために、金、銀、アルミニウム、銅およびスズ等であるがこれらに限定されない反射金属の層であってもよく、またはこの層を含んでもよい。
【００４０】
様々な例によれば、格子カプラ１２０（すなわち、透過性格子カプラまたは反射性格子カプラ）は、導波光１０４の出力位相プロファイルと、光源１０６から入射する光１０２の入力位相プロファイルとの間の差である格子特殊位相関数（grating special phase function）を生成するように構成される。例えば、光源１０６が透過性格子カプラ１２０から距離ｆにある点光源を近似する場合、光の入力位相プロファイルφｉｎは、式（１）によって以下のように与えることができる。
【００４１】
【数１】
0006507250.tif 000002
ここで、ｘおよびｙは、透過性格子カプラ１２０の空間座標であり、λは、自由空間（すなわち、真空）における波長である。透過性格子カプラ１２０は、角度θで格子カプラ１２０の任意の中心点（ｘ０，ｙ０）から離れるように伝播する導波光１０４のビームを生成するように構成することができる。したがって、透過性格子カプラ１２０によって生成される導波光１０４の出力位相プロファイルφｏｕｔは、式（２）によって以下のように与えることができる。
【００４２】
【数２】
0006507250.tif 000003
ここで、ｎは、平板ライトガイド１１０の屈折率である。透過性格子カプラ１２０の回折空間位相関数は、式（１）と式（２）との差から求めることができる。加えて、様々な例によれば、（例えば、ｘ−ｙ面における）水平拡がり角を、透過性格子カプラ１２０の回折格子のエンベロープ関数によって決定することができる。反射性格子カプラ１２０を検討するとき、平板ライトガイド１１０の光源に隣接した表面（例えば、下面）を通る光源光１０２の伝播（すなわち、屈折）、および平板ライトガイド１１０の材料を通る光源光１０２の伝播の双方も考慮に入れられる。さらに、反射性格子カプラ１２０では、任意選択の金属化（例えば、金属または金属層の使用）により、（例えば、反射性格子カプラ１２０の回折格子のゼロ次透過屈折次数を効果的に排除することによって）格子効率を改善することができる。
【００４３】
図３Ａは、本明細書で説明する原理に一致する例による、格子カップリング型ライトガイド１００の一部分の断面図を示す。図３Ｂは、本明細書で説明する原理に一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイド１００の一部分の断面図を示す。具体的には、図３Ａおよび図３Ｂの双方が、格子カプラ１２０を含む図１Ａの格子カップリング型ライトガイド１００の一部分を示す。さらに、図３Ａ〜図３Ｂに示す格子カプラ１２０は、透過モード回折格子１２２’を備える透過性格子カプラ１２０である。
【００４４】
図３Ａに示されるように、透過性格子カプラ１２０は、透過モード回折格子１２２’を形成するように平板ライトガイド１１０の下面（または光源に隣接した表面）１１２に形成された溝（すなわち、回折特徴部）を含む。さらに、図３Ａに示される透過性格子カプラ１２０の透過モード回折格子１２２’は、同様に溝内に堆積される格子材料１２４（例えば、窒化シリコン）の層を含む。図３Ｂは、平板ライトガイド１１０の下面または光源に隣接した表面１１２上に、透過モード回折格子１２２’を形成する格子材料１２４の隆線（すなわち、回折特徴部）を含む透過性格子カプラ１２０を示す。格子材料１２４の堆積された層のエッチングまたは成形は、例えば、隆線を生成することができる。いくつかの例では、図３Ｂに示す隆線を構成する格子材料１２４は、平板ライトガイド１１０の材料と実質的に同様の材料を含んでいてもよい。他の例では、格子材料１２４は、平板ライトガイド１１０の材料と異なっていてもよい。例えば、平板ライトガイド１１０は、ガラスまたはプラスチック／ポリマーシートを含んでいてもよく、格子材料１２４は、平板ライトガイド１１０上に堆積される、窒化シリコン等であるがこれらに限定されない異なる材料であってもよい。
【００４５】
図４Ａは、本明細書で説明する原理に一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイド１００の一部分の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理に一致するまた別の例による、格子カップリング型ライトガイド１００の一部分の断面図を示す。具体的には、図４Ａおよび図４Ｂの双方が、格子カプラ１２０を含む図１Ｂの格子カップリング型ライトガイド１００の一部分を示し、ここで、格子カプラ１２０は、反射モード回折格子１２２”を有する反射性格子カプラ１２０である。示されるように、反射性格子カプラ１２０（すなわち、反射モード回折格子カプラ）は、光源、例えば、図１Ｂに示す光源１０６に隣接する表面１１２と反対側の平板ライトガイド１１０の表面１１４（すなわち、光源と反対側の表面１１４）にまたはこの表面１１４上にある。
【００４６】
図４Ａにおいて、反射性格子カプラ１２０の反射モード回折格子１２２”は、平板ライトガイド１１０を通じて光源１０６から入射光１０２を反射により回折し方向変更するように平板ライトガイド１１０の光源と反対側の表面１１４または「上面」に形成された溝（回折特徴部）を含む。図示のように、溝は、図示される反射性格子カプラ１２０の更なる反射をもたらし、回折効率を改善するように、金属材料の層１２６によって充填され、さらに裏打ちされる。換言すれば、図示のように、格子材料１２４は金属層１２６を含む。他の例（図示せず）では、溝は、格子材料（例えば、窒化シリコン）で充填され、そして、例えば、金属層によって裏打ちされるかまたは実質的に覆われてもよい。
【００４７】
図４Ｂは、反射モード回折格子１２２”を生成するように平板ライトガイド１１０の上面１１４上に格子材料１２４で形成された隆線（回折特徴部）を含む反射性格子カプラ１２０を示す。隆線は、例えば、窒化シリコン（すなわち、格子材料）の層からエッチングすることができる。いくつかの例では、金属層１２６は、例えば、増大した反射をもたらし、反射効率を改善するように、反射モード回折格子１２２”の隆線を実質的に覆うように設けられる。
【００４８】
いくつかの例では、格子カップリング型ライトガイド１００は、（例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように）光源１０６をさらに備えてもよい。上述したように、いくつかの例では、光源１０６は、コリメートされていない光源１０６であってもよい。例えば、光源１０６は、回路基板上に搭載され、回路基板上のＬＥＤチップに隣接した（例えば、ＬＥＤチップ上の）空間を照明するように構成された、面発光ＬＥＤであってもよい。いくつかの例では、光源１０６は、点光源に近似していてもよい。具体的には、光源１０６は、広い円錐角によって特徴付けられた照明を有するかまたは呈してもよい。例えば、光源１０６の円錐角は、約９０°よりも大きくてもよい。他の例では、円錐角は、約８０°よりも大きくてもよく、約７０°よりも大きくてもよく、約６０°よりも大きくてもよい。例えば、円錐角は、約４５°であってもよい。様々な例によれば、光源１０６からの光１０２の中心光線は、平板ライトガイド１１０の表面に対し実質的に直交する角度で格子カプラ１２０上に入射するように構成されてもよい。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、光源１０６は、平板ライトガイド１１０の下面より下にあってもよく、図示のように、例えば、上方向に、平板ライトガイド１１０に向かって方向付けられた光１０２を生成するように構成されてもよい。
【００４９】
いくつかの例において、コリメートされていない光源１０６によって生成される実質的にコリメートされていない光１０２は、格子カプラ１２０によってもたらされる回折による方向変更によって、コリメートされた導波光１０４として実質的にコリメートされる。他の例では、回折により方向変更された導波光１０４は、実質的にコリメートされていない（例えば、扇形のビームが生成されるとき）。また他の例では、導波光１０４は、第１の方向（例えば、非ゼロの伝播角度の近くの第１の拡がり角に対応する）において格子カプラ１２０によって実質的にコリメートされていてもよく、第２の方向（例えば、第２の拡がり角に対応する）において格子カプラ１２０によって実質的にコリメートされてなくてもよい。例えば、格子カプラ１２０は、平板ライトガイド表面に対し平行な水平方向に扇形のビームをもたらしてもよく、平板ライトガイド表面に直交する垂直方向または面において実質的にコリメートされたビーム（すなわち、約ゼロに等しい拡がり角）をもたらしてもよい。
【００５０】
本明細書で説明する原理のいくつかの例において、格子カップリング型ライトガイドシステムが提供される。格子カップリング型ライトガイドシステムは、多岐にわたる使用を有する。例えば、格子カップリング型ライトガイドシステムは、マルチビーム格子ベースのバックライトにおいて用いられてもよい。マルチビーム格子ベースのバックライトは、例えば、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイにおいて用いられてもよい。別の例では、格子カップリング型ライトガイドシステムの平板ライトガイド等の格子カップリング型ライトガイドシステムの一部分は、タッチパネルがタッチされる場所およびタッチが加えられる圧力のうちの一方または双方を漏れ内部全反射（ＦＴＩＲ）を用いて検知するためにタッチ検知パネルにおいて用いられてもよい。
【００５１】
図５は、本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カップリング型ライトガイドシステム２００のブロック図を示す。格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、コリメートされていない光を提供するための光源２１０を備える。様々な例によれば、コリメートされていない光は、第１の方向（例えば、垂直方向）において提供される。光源２１０は、上記で格子カップリング型ライトガイド１００に関して説明した光源１０６と実質的に同様としてもよい。例えば、光源２１０は、点源（例えば、点光源）を近似していてもよい。
【００５２】
格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、平板ライトガイド２２０をさらに備える。平板ライトガイド２２０は、第２の方向において非ゼロ伝播角度で光を導波するように構成される。様々な例によれば、第２の方向は、第１の方向に実質的に直交する。いくつかの例では、平板ライトガイド２２０は、上記で説明した格子カップリング型ライトガイド１００の平板ライトガイド１１０に実質的に同様である。平板ライトガイドは、例えば、複数のエッジを有していてもよい。
【００５３】
図５に示す格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、格子カプラ２３０をさらに備える。格子カプラ２３０は、例えば、平板ライトガイド２２０のエッジ（例えば、入力エッジ）に隣接してまたはこのエッジに配置することができる。格子カプラ２３０は、光源２１０からコリメートされていない光を受け、受けた光を、導波光として、平板ライトガイド２２０内に非ゼロ伝播角度で第２の方向に回折により方向変更するように構成される。さらに、格子カプラ２３０によって回折により方向変更された導波光は、所定の拡がり角を有する。例えば、回折により方向変更された導波光は、所定である第１の拡がり角および第２の拡がり角の一方または双方を有していてもよい。例えば、第１の拡がり角は、平板ライトガイド２２０の表面に垂直な面にあってもよく、第２の拡がり角は、平板ライトガイド表面に実質的に平行な面にあってもよい。
【００５４】
様々な例によれば、格子カプラ２３０の特性は、導波光の非ゼロ伝播角度および拡がり角を決定するように構成される。例えば、格子ピッチおよび格子形状を含むがこれらに限定されない格子カプラ２３０の特性によって、非ゼロ伝播角度、（例えば、垂直面における）第１の拡がり角、および（例えば、水平面における）第２の拡がり角を決定することができる。いくつかの例によれば、格子カプラ２３０は、実質的に、格子カップリング型ライトガイド１００に関して上記で説明した格子カプラ１２０に実質的に同様である。さらに、格子カプラ２３０の回折格子は、上記で説明した格子カップリング型ライトガイド１００の回折格子１２２と実質的に同様としてもよい。
【００５５】
具体的には、いくつかの例において、格子カプラ２３０は、透過モード回折格子を備え、透過性格子カプラ２３０として機能する。透過モード回折格子は、光源２１０に隣接した平板ライトガイド２２０の下面上に配置されてもよい。他の例において、格子カプラ２３０は、反射モード回折格子を備え、反射性格子カプラ２３０として機能する。反射モード回折格子は、光源に隣接した下面の反対側にある平板ライトガイド２２０の上面上に配置されてもよい。いくつかの例では、格子カプラ２３０は、透過モード回折格子および反射モード回折格子の双方を含んでもよい。
【００５６】
いくつかの例では、図５に示す格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、導波光を検出するために平板ライトガイド２２０の別のエッジにおける複数の光センサをさらに備える。例えば、光センサは、格子カプラ２３０が配置されるエッジ（入力エッジ）と反対側にあるエッジ（例えば、出力エッジ）にあってもよい。いくつかの例では、光センサは、平板ライトガイド２２０の複数のエッジのうちの任意のエッジに配置されてもよい。例えば、格子カプラ２３０は、入力エッジまたは矩形平板ライトガイド２２０に配置されてもよく、光センサは、その３つの他のエッジに配置されてもよい。複数の光センサは、導波光の漏れ内部全反射（ＦＴＩＲ）を用いて、平板ライトガイドの表面がタッチされた場所を特定するように構成される。タッチの場所の特定は、光センサによって受けた導波光と併せて透過トモグラフィック再構成または三角測量も用いてもよい。様々な例によれば、光センサを備える格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、タッチ検知パネルシステムである。
【００５７】
図６は、本明細書で説明する原理に一致する例による格子カップリング型ライトガイドシステム２００の斜視図を示す。図示のように、格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、タッチ検知パネルシステムとして構成される。具体的には、図６は、平板ライトガイド２２０の第１のエッジ２２２の下の（例えば、ドット光源または点光源としての）複数の光源２１０を示す。平板ライトガイドの第１のエッジ２２２には複数の格子カプラ２３０も示され、平板ライトガイド２２０の第２のエッジ２２４には複数の光センサ２４０が示される。この例において、第２のエッジ２２４は、第１のエッジ２２２の反対側にあることに留意されたい。複数の光源２１０は、複数の格子カプラ２３０を照明するように構成される。格子カプラ２３０は、複数の光源２１０からの光を、導波光として、平板ライトガイド２２０の導波モードに回折により方向変更する。導波光は、第２のエッジ２２４において複数の光センサ２４０によって受けられ、処理される。平板ライトガイド２２０の表面をタッチすることによって生じる（例えば、ＦＴＩＲに起因する）導波光の外乱を、複数の光センサ２４０によって検出して、場所を特定し、いくつかの例では、表面タッチの圧力を特定することができる。
【００５８】
いくつかの例では、図５に示す格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、平板ライトガイド２２０の表面におけるマルチビーム回折格子のアレイをさらに備える。様々な例によれば、マルチビーム回折格子のアレイは、複数の光センサの代わりに、または複数の光センサに加えて含めることができる。様々な例によれば、アレイの各マルチビーム回折格子は、回折カップリングを用いて、導波光の一部分を複数の光ビームとしてカップリングして外へ出すように構成される。複数の光ビームのうちの１つの光ビームの主極大角度方向は、複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向と異なる。様々な例によれば、マルチビーム回折格子のアレイを含む格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、マルチビーム格子ベースのバックライトである。
【００５９】
具体的には、マルチビーム格子ベースのバックライトとして構成された格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、平板ライトガイド２２０の表面から外へ出て離れるように方向付けられた複数の光ビームを提供または生成することができる。光ビームは、様々な所定の方向に出て離れるように方向付けられる。いくつかの例では、様々な方向を有する複数の光ビームは、電子ディスプレイの複数の画素を形成する。いくつかの例では、電子ディスプレイは、いわゆる「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、マルチビューディスプレイ）である。さらに、いくつかの例では、光ビームは、（例えば、以下で説明するようなライトバルブによって）個々に変調されてもよい。例えば、マルチビーム回折格子のアレイによって格子カップリング型ライトガイドシステム２００から離れる様々な方向に方向付けられた光ビームの個々の変調は、３Ｄ電子ディスプレイ用途にとって特に有用とすることができる。
【００６０】
様々な例によれば、アレイのマルチビーム回折格子は、回折をもたらすように構成された複数の回折特徴部を備える。もたらされた回折は、導波光を回折によりカップリングして平板ライトガイド２２０から外へ出すことを担当する。例えば、マルチビーム回折格子は、平板ライトガイド２２０の表面における溝および回折特徴部としての役割を果たす平板ライトガイド表面から突出する隆線のうちの一方または双方を含むことができる。溝および隆線は、互いに平行に、および少なくともある点で導波光の伝播方向に対して垂直に配置することができ、導波光は、マルチビーム回折格子によってカップリングして外へ出される。いくつかの例では、溝および隆線は、表面内へエッチング、ミリング、またはモールドしてもよく、または表面上に貼り付けてもよい。したがって、マルチビーム回折格子の材料は、平板ライトガイド２２０の材料を含むことができる。他の例（図示せず）では、マルチビーム回折格子は、ライトガイド表面に貼り付けられたまたは固定された膜または層としてもよい。回折格子は、例えば、ライトガイド表面上に堆積されてもよい。
【００６１】
様々な例によれば、アレイのマルチビーム回折格子は、平板ライトガイド２２０の表面に、この表面上に、またはこの表面内に、様々な構成で配置することができる。例えば、アレイのマルチビーム回折格子は、平板ライトガイド表面にわたって行および列で配置されてもよい。マルチビーム回折格子の行および列は、例えば、マルチビーム回折格子の矩形アレイを表してもよい。別の例では、マルチビーム回折格子のアレイは、円形アレイを含むがこれらに限定されない別のアレイとして配置されてもよい。また別の例では、マルチビーム回折格子アレイは、平板ライトガイド２２０の表面にわたって実質的にランダムに分配してもよい。
【００６２】
いくつかの例によれば、マルチビーム回折格子のアレイは、（例えば、以下で説明する図８に示されるような）チャープ回折格子（chirped diffraction grating）を含むことができる。定義上、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の範囲または長さにわたって変動する回折特徴部の回折ピッチまたは間隔を呈する（exhibit）かまたは有する回折格子である。ここで、様々な回折間隔が「チャープ」と呼ばれる。その結果、平板ライトガイド２２０から回折によりカップリングして外へ出された導波光は、チャープ回折格子にわたる異なる原点に対応する異なる回折角の光ビームとしてチャープ回折格子から出射するかまたは放出される。チャープによって、チャープ回折格子は、異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームを生成することができる。いくつかの例では、チャープ回折格子は、距離とともに線形に変化する回折間隔のチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープ回折格子は、「線形チャープ」回折格子と呼ぶことができる。
【００６３】
別の例では、チャープ回折格子は、回折間隔の非線形チャープを呈することができる。チャープ回折格子を実現するために用いることができる様々な非線形チャープは、指数チャープ、対数チャープ、または別の実質的に不均一またはランダムであるが依然として単調に変化するチャープを含むがこれらに限定されない。正弦波チャープまたは三角形（または鋸歯状）チャープ等であるがこれらに限定されない非単調チャープも用いられてもよい。これらのタイプのチャープのうちの任意のものの組み合わせも用いられてもよい。
【００６４】
いくつかの例によれば、アレイのマルチビーム回折格子内の回折特徴部は、導波光の入射方向に対し様々な向きを有することができる。具体的には、マルチビーム回折格子内の第１の点または場所における回折特徴部の向きは、別の点における回折特徴部の向きと異なっていてもよい。いくつかの例では、マルチビーム回折格子は、曲線状であるかまたは概ね曲線状の構成で配置される回折特徴部を含んでいてもよい。いくつかの例では、回折特徴部（例えば、溝、隆線等）の曲線は、円の一区画を表していてもよい。円は、平板ライトガイド表面と同一平面であってもよい。他の例では、曲線は、例えばライトガイド表面と同一平面である、楕円または別の曲線状形状の一区間を表していてもよい。他の例では、アレイのマルチビーム回折格子は、「区分的に」曲線状である回折特徴部を含んでいてもよい。具体的には、回折特徴部は、それ自体で実質的に滑らかなまたは連続した曲線を表さなくてもよいが、マルチビーム回折格子内のその回折特徴部に沿った異なる点において、その回折特徴部は、曲線を近似するように、依然として導波光の入射方向に対して異なる角度に向けられてもよい。
【００６５】
図７は、本明細書で説明する原理と一致する別の例による、格子カップリング型ライトガイドシステム２００の斜視図を示す。図示のように、格子カップリング型ライトガイドシステム２００は、マルチビーム回折格子ベースのバックライトとして構成される。具体的には、図７は、平板ライトガイド２２０の第１のエッジ２２２の下の複数の光源２１０（例えば、例として、ドットの行として示される）を示す。図示のように、光源２１０は、ｚ方向に方向付けられた光で平板ライトガイド２２０の下面を照明するように構成される。平板ライトガイドの第１のエッジ２２２において複数の格子カプラ２３０も（例として、破線の長方形として）示され、複数の平板ライトガイド２２０の上面（すなわち、ｘ−ｙ面）上に配置されたマルチビーム回折格子２５０のアレイが（例として、円のアレイとして）示される。複数の光源２１０は、複数の格子カプラ２３０を照明するように構成される。格子カプラ２３０は、複数の光源２１０からの光を、導波光として、平板ライトガイド２２０の導波モードに回折により方向変更する。様々な例によれば、導波光は、アレイのマルチビーム回折格子２５０によって回折によりカップリングして外へ出され、異なる主極大方向を有する複数の光ビーム（図７に図示せず）を生成する。様々な例によれば、アレイの各マルチビーム回折格子２５０が、異なる複数の光ビームを生成することに留意されたい。
【００６６】
図８は、本明細書で説明する原理と一致する例による、格子カップリング型ライトガイドシステム２００のマルチビーム回折格子２５０の断面図を示す。具体的には、マルチビーム回折格子２５０は、平板ライトガイド２２０の上面に示される。マルチビーム回折格子２５０は、平板ライトガイド２２０の表面に複数の溝２５２を含むが、図示のように、溝２５２の代わりにまたは溝２５２に加えて隆線または他の回折特徴部が用いられてもよい。さらに、図示のように、マルチビーム回折格子２５０は、マルチビーム回折格子２５０の第１の端部２５０’から第２の端部２５０”まで増大する溝間隔ｄを有するチャープ回折格子である。導波光１０４の一部分を回折によりカップリングして外へ出すことによって生成される様々な主極大角度方向を有する光ビーム２５４が図８において矢印として示される。
【００６７】
本明細書で説明する原理のいくつかの例によれば、電子ディスプレイが提供される。電子ディスプレイは、変調された光ビームを電子ディスプレイの画素として放射するように構成される。さらに、様々な例では、変調された光ビームは、複数の異なる方向に向けられた変調された光ビームとして、電子ディスプレイの視認方向に向かって優先的に方向付けられてもよい。いくつかの例では、電子ディスプレイは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば裸眼の３Ｄ電子ディスプレイ）である。様々な例によれば、変調され、異なる方向に向けられた光ビームのうちの異なる光ビームは、３Ｄ色電子ディスプレイに関連する異なる「視像（view）」に対応し得る。例えば、異なる「視像」は、３Ｄ電子ディスプレイにより表示される情報の「裸眼の」（例えばオートステレオスコピックな）表現を実現することができる。
【００６８】
図９は、本明細書で説明する原理と一致した一例による３Ｄ電子ディスプレイ３００のブロック図を示す。図９に示される３Ｄ電子ディスプレイ３００は、光を導波するための平板ライトガイド３１０を含む。平板ライトガイド３１０内の導波光は、３Ｄ電子ディスプレイ３００によって放射される変調された光ビーム３０２になる光の発生源である。いくつかの例によれば、平板ライトガイド３１０は、格子カップリング型ライトガイド１００に関して上記で説明したライトガイド１１０と実質的に同様であってもよい。例えば平板ライトガイド３１０は、内部全反射により光を導波するように構成された誘電体材料の平面状のシートであるスラブ光導波路とすることができる。
【００６９】
３Ｄ電子ディスプレイ３００は、格子カプラ３２０をさらに備える。格子カプラ３２０は、光源からの光を、導波光として、平板ライトガイド３１０内に回折によりカップリングするように構成される。いくつかの例によれば、格子カプラ３２０は、格子カップリング型ライトガイド１００に関して上記で説明した格子カプラ１２０と実質的に同様としてもよい。具体的には、格子カプラ３２０は、所定の拡がり角を有する平板ライトガイド３１０内で導波光のビームを生成するように構成される。例えば、導波光のビームは、上記で格子カプラ１２０に関して説明したように、所定の第１の拡がり角および所定の第２の拡がり角の双方を有していてもよい。
【００７０】
図９に示される３Ｄ電子ディスプレイ３００は、さらにマルチビーム回折格子３３０のアレイを含む。様々な例によれば、マルチビーム回折格子３３０のアレイは、平板ライトガイド３１０の表面に配置され、導波光の一部分を複数の光ビーム３０４としてカップリングして外へ出し、さらに、平板ライトガイド３１０から離れる複数の異なる主極大角度方向に光ビーム３０４を方向付ける。いくつかの例では、アレイのマルチビーム回折格子３３０は、上記で説明したように、マルチビーム回折格子ベースのバックライトとして構成された格子カップリング型ライトガイドシステム２００のマルチビーム回折格子２５０と実質的に同様としてもよい。
【００７１】
特に、いくつかの例では、マルチビーム回折格子３３０は、チャープ回折格子を含む。いくつかの例では、マルチビーム回折格子３３０の回折特徴部（例えば、溝、隆線など）は、曲線状の回折特徴部である。さらに他の例では、アレイのマルチビーム回折格子３３０は、曲線状の回折特徴部も有するチャープ回折格子を含む。例えば、曲線状の回折特徴部は、曲線状の（すなわち、連続的に曲線状または区分的に曲線状の）隆線または溝と、マルチビーム回折格子３３０にわたって距離の関数として変化し得る曲線状の回折特徴部間の間隔とを含んでもよい。
【００７２】
さらに、図９に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイ３００は、ライトバルブアレイ３４０をさらに含む。様々な例によれば、ライトバルブアレイ３４０は、複数の光ビームのうちの異なる方向に向けられた光ビーム３０４を変調するように構成された複数のライトバルブを含む。特に、ライトバルブアレイ３４０のライトバルブは、異なる方向に向けられた光ビーム３０４を変調して、３Ｄ電子ディスプレイ３００の画素である変調された光ビーム３０２をもたらす。さらに、変調された、異なる方向に向けられた光ビーム３０２のうちの異なる光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイ３００の異なる視像に対応し得る。様々な例では、液晶ライトバルブ、および電気泳動ライトバルブを含むがこれらに限定されないライトバルブアレイ３４０の異なるタイプのライトバルブが用いられてもよい。図９では、光ビーム３０２の変調を強調するために破線が用いられている。
【００７３】
本明細書において説明する原理のいくつかの例によれば、平板ライトガイド内に光をカップリングする方法が提供される。図１０は、本明細書で説明する原理と一致する例による、平板ライトガイド内に光をカップリングする方法４００のフローチャートを示す。図１０に示すように、平板ライトガイド内に光をカップリングする方法４００は、光源を用いて光を生成すること（４１０）を含む。いくつかの例では、光源は、コリメートされていない光源であり、生成される（４１０）光は、実質的にコリメートされていない光である。例えば、光源は、点光源を近似していてもよい。いくつかの例では、光を生成する（４１０）のに用いられる光源は、格子カップリング型ライトガイド１００に関して上記で説明した光源１０６と実質的に同様である。
【００７４】
さらに、図１０に示されるように、平板ライトガイド内に光をカップリングする方法４００は、回折カプラを用いて平板ライトガイド内に光源からの光をカップリングすること（４２０）と、カップリングされた光を、導波光として、非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド内に導波すること（４３０）とを含む。様々な例によれば、導波光は、平板ライトガイドの表面に垂直な面において所定の第１の拡がり角を有し、平板ライトガイドの表面に実質的に平行な面において所定の第２の拡がり角を有する、格子カプラによって非ゼロの伝播角度に方向付けられた伝播光ビームを含む。様々な例によれば、所定の第１の拡がり角および所定の第２の拡がり角は、格子カプラの特性によって決定される。
【００７５】
いくつかの例において、光をカップリングする（４２０）際に用いられる格子カプラは、格子カップリング型ライトガイド１００に関して上記で説明した格子カプラ１２０と実質的に同様である。具体的には、いくつかの例では、格子カプラは、光源に隣接した、平板ライトガイドの表面における透過性格子を含む。いくつかの例では、格子カプラは、平板ライトガイドの光源に隣接した表面の反対側の平板ライトガイドの表面に反射格子を含む。
【００７６】
いくつかの例では、非ゼロ角度において光を導波する（４３０）際に用いられる平板ライトガイドは、上記で説明した格子カップリング型ライトガイド１００の平板ライトガイド１１０と実質的に同様である。具体的には、いくつかの例では、平板ライトガイドは、内部全反射に従って導波光を導波する（４３０）。さらに、いくつかの例では、平板ライトガイドは、実質的に平坦な誘電光導波路（例えば、平坦な誘電体シート）であってもよい。
【００７７】
いくつかの例では、光をライトガイド内にカップリングする方法４００は、タッチ検知パネル（例えば、図６に示すパネル）と共に用いられる。具体的には、平板ライトガイドは、タッチ検知パネルであってもよく、導波される（４３０）光を用いて、タッチ検知パネルのタッチの場所および圧力のうちの一方または双方を特定してもよい。
【００７８】
いくつかの例では、光をライトガイド内にカップリングする方法４００は、電子ディスプレイ（例えば、図９に示すディスプレイ）の動作において用いられる。具体的には、いくつかの例（図示せず）によれば、光をライトガイド内にカップリングする方法４００は、マルチビーム回折格子を用いて導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すことをさらに含む。様々な例によれば、マルチビーム回折格子が平板ライトガイドの表面に配置される。例えば、マルチビーム回折格子は、溝、隆線等として、平板ライトガイドの表面に形成されてもよい。他の例では、マルチビーム回折格子は、平板ライトガイドの表面上に膜を含んでもよい。いくつかの例では、マルチビーム回折格子は、格子カップリング型ライトガイドシステム２００に関して上記で説明したマルチビーム回折格子２５０と実質的に同様である。
【００７９】
具体的には、マルチビーム回折格子によって平板ライトガイドから回折によりカップリングして外へ出された導波光の部分は、複数の光ビームを生成する。複数の光ビームは、平板ライトガイド表面から離れるように方向変更される。さらに、複数の光ビームのうちの、表面から離れるように方向変更された光ビームは、複数の他のビームと異なる主極大角度方向を有する。いくつかの例では、複数光ビームのうちの各方向変更された光ビームは、複数光ビームのうちの他の光ビームに対し異なる主極大角度方向を有する。
【００８０】
いくつかの例（図示せず）によれば、光をライトガイド内にカップリングする方法４００は、対応する複数のライトバルブを用いて複数の光ビームを変調することをさらに含む。例えば、複数の光ビームのうちの光ビームは、対応する複数のライトバルブを通過することによって、または別のやり方でそれと相互作用することによって、変調され得る。変調された光ビームは、３次元（３Ｄ）色電子ディスプレイの画素を形成することができる。例えば、変調された光ビームは、３Ｄ色電子ディスプレイ（例えば、裸眼の３Ｄ色電子ディスプレイ）の複数の視像を提供することができる。様々な例によれば、変調する際に用いられるライトバルブは、上記で説明した３Ｄ電子ディスプレイ３００のライトバルブアレイのライトバルブと実質的に同様としてもよい。例えば、ライトバルブは、液晶ライトバルブを含んでもよい。別の例では、ライトバルブは、エレクトロウェッティング・ライトバルブ、または電気泳動ライトバルブを含むがこれらに限定されない別のタイプのライトバルブであってもよい。
【００８１】
このように、格子カップリング型ライトガイドと、格子カップリング型ライトガイドシステムと、３Ｄ電子ディスプレイと、回折カプラを用いて、非ゼロ伝播角度で伝播し、所定の拡がり角を有する導波光を生成する、ライトガイド内に光をカップリングする方法との例を説明した。上述の例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、添付の特許請求の範囲により定義される範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１００  格子カップリング型ライトガイド
１０２  光
１０４  導波光
１１０  ライトガイド
１１２  表面
１２０  格子カプラ
１２２  回折格子
１２４  格子材料
２００  格子カップリング型ライトガイドシステム
２１０  光源
２２０  平板ライトガイド
２３０  格子カプラ
２４０  光センサ
【図１】
0006507250.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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