(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性バックライトであって、
入力端を含む導波路と、
前記導波路の前記入力端にわたる横方向の異なる入力位置に配置された光源のアレイであって、
前記導波路が、前記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された前記光を反射して前記導波路を通して戻すための前記入力端に対向する反射端と、を更に含み、前記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう配置され、前記第２の誘導面が、
前記入力位置にしたがって、前記反射端からの反射後に、前記第１の誘導面に対する法線に対する横方向に分配された複数の出力方向に、前記第１の誘導面を通して複数の光学窓内に、前記光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットと、
前記導波路を通して光を誘導するよう配置された前記複数のファセット間の中間領域と、
を含む段付き形状を有する、光源のアレイと、
前記導波路の前記複数のファセットを通過し、前記導波路を通して戻り、前記第１の誘導面を通して前記複数の光学窓内へ退出するために、前記光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットの線形アレイを含む後部反射器と、
を備える指向性バックライト。
【請求項２】
前記第１の誘導面を通して出力された光を受光するよう配置された拡散器を更に備える、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項３】
前記拡散器は、前記横方向よりも、前記横方向に直交する方向に、より大きい角度分散を提供するよう配置された非対称拡散器である、請求項２に記載の指向性バックライト。
【請求項４】
前記導波路の前記第１の誘導面と前記拡散器との間に配置された、少なくとも前記横方向への屈折力を有するフレネルレンズを更に備える、請求項２に記載の指向性バックライト。
【請求項５】
前記第１の誘導面を通して出力された光を受光するよう配置された、少なくとも前記横方向への屈折力を有するフレネルレンズを更に備える、請求項１から３の何れか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項６】
前記導波路の前記ファセット及び前記後部反射器の前記反射ファセットが、前記横方向に直交する共通面と同じ方向に傾斜している、請求項１から５のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項７】
前記導波路の前記ファセットが、前記第１の誘導面に対する前記法線に対して角度（π／２−α）にて傾斜されており、前記後部反射器の前記反射ファセットが、前記第１の誘導面に対する前記法線に対して角度βにて傾斜されており、２β＞π／２−ｓｉｎ−１（ｎ．ｓｉｎ（α−θｃ））であり、θｃは前記導波路の前記ファセットの臨界角であり、ｎは前記導波路の材料の屈折率である、請求項６に記載の指向性バックライト。
【請求項８】
前記後部反射器は、前記導波路の個別のファセットからの前記光が、前記後部反射器の複数の反射ファセット上に入射するよう、前記導波路から離れており、前記後部反射器は、前記後部反射器の前記反射ファセット間に延在する中間ファセットを更に含み、前記中間ファセットは、前記後部反射器の前記反射ファセットから反対方向に、前記導波路の前記複数のファセットを通過した前記光源からの前記光が、前記中間ファセット上に入射しないような角度にて傾斜されている、請求項１から７の何れか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項９】
前記後部反射器の前記反射ファセットが、不規則なピッチを有する、請求項１から８のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１０】
前記後部反射器の前記反射ファセットが、不規則な、ランダム化されたピッチを有する、請求項９に記載の指向性バックライト。
【請求項１１】
前記後部反射器の前記反射ファセットが、前記反射ファセットのアレイにわたって変化する傾斜を有する、請求項１から１０のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１２】
前記後部反射器の前記反射ファセットが線形である、請求項１から１１のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１３】
前記後部反射器の前記反射ファセットが湾曲している、請求項１から１１のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１４】
前記後部反射器の前記反射ファセットが凹面であり、前記導波路の前記ファセットと位置合わせされて配置されている、請求項１から１１のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１５】
前記後部反射器の前記反射ファセットが、その長さに沿って起伏している、請求項１から１１のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１６】
前記後部反射器が、前記反射ファセットの少なくともいくらかの上に粗い拡散面を更に含む、請求項１から１５のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１７】
前記後部反射器の前記ファセットが、前記導波路の前記ファセットの各１つの後ろに配置され、前記導波路の前記ファセットの前記各１つを通過する前記光源から入射する前記光のすべてを反射するよう配置されている、請求項１から１６のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１８】
前記反射端が、前記導波路にわたる横方向に正の屈折力を有する、請求項１から１７のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項１９】
前記後部反射器が、互いに直交する各偏光方向に偏光された光を反射するよう配置された少なくとも２つの偏光反射器シートにより形成されており、前記偏光反射器シートは、反射ファセットの前記線形アレイを形成するよう成形されている、請求項１から１８のいずれか１つに記載の指向性バックライト。
【請求項２０】
指向性表示装置であって、前記指向性表示装置が、
指向性バックライトであって、
入力端を含む導波路と、
前記導波路の前記入力端にわたる横方向の異なる入力位置に配置された光源のアレイであって、
前記導波路が、前記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された前記光を反射して前記導波路を通して戻すための前記入力端に対向する反射端と、を更に含み、前記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう配置され、前記第２の誘導面が、
前記入力位置にしたがって、前記反射端からの反射後に、前記第１の誘導面に対する法線に対する横方向に分配された複数の出力方向に、前記第１の誘導面を通して複数の光学窓内に、前記光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットと、
前記導波路を通して光を誘導するよう配置された前記複数のファセット間の中間領域と、を含む段付き形状を有する、光源のアレイと、
前記導波路の前記複数のファセットを通過し、前記導波路を通して戻り、前記第１の誘導面を通して前記複数の光学窓内へ退出するために、前記光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットの線形アレイを含む後部反射器と、を含む指向性バックライトと、
前記第１の誘導面を通して出力された前記光を受光するよう構成され、第１の偏光を有する光の第１の偏光コンポーネントを変調するよう構成された透過型空間光変調器と、
前記導波路の前記第１の誘導面と前記空間光変調器との間に配置され、前記第１の偏光コンポーネントを伝送し、前記第１の偏光に直交する偏光を有する前記出力された光の第２の偏光コンポーネントを不要光として反射するよう配置された反射偏光器と、
を備え、
前記後部反射器が、前記後部反射器の前記反射ファセット間に延在し、単一の反射ファセット及び単一の中間ファセットの複数の対がともに、前記空間光変調器へ供給し戻すために不要光を反射するよう配置されたコーナーファセットを形成するよう、共通面内の前記後部反射器の前記反射ファセットから反対方向に傾斜された中間ファセットを更に含み、前記後部反射器が、空間光変調器へ供給し戻された不要光の前記偏光を、反射における前記第１の偏光へ変換するよう、単一の反射ファセット及び単一の中間ファセットの前記複数の対が、前記空間光変調器に対する前記法線の周囲に配向された面内に傾斜されている指向性表示装置。
【請求項２１】
前記反射偏光器と前記空間光変調器との間に配置され、前記第１の偏光コンポーネントを回転するよう構成された偏光回転器を更に備える、請求項２０に記載の指向性表示装置。
【請求項２２】
前記第１の誘導面から前記出力された光を受光するよう配置された透過型空間光変調器を更に備える、請求項２０または２１に記載の指向性表示装置。
【請求項２３】
ディスプレイ装置であって、前記ディスプレイ装置が、
指向性バックライトであって、
入力端を含む導波路と、
前記導波路の前記入力端にわたる横方向の異なる入力位置に配置された光源のアレイであって、
前記導波路が、前記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された前記光を反射して前記導波路を通して戻すための前記入力端に対向する反射端と、を更に含み、前記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう配置され、前記第２の誘導面が、
前記入力位置にしたがって、前記反射端からの反射後に、前記第１の誘導面に対する法線に対する横方向に分配された複数の出力方向に、前記第１の誘導面を通して複数の光学窓内に、前記光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットと、
前記導波路を通して光を誘導するよう配置された前記複数のファセット間の中間領域と、を含む段付き形状を有する、光源のアレイと、
前記導波路の前記複数のファセットを通過し、前記導波路を通して戻り、前記第１の誘導面を通して前記複数の光学窓内へ退出するために、前記光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットの線形アレイを含む後部反射器と、を含む指向性バックライトと、
前記第１の誘導面を通して出力された前記光を受光するよう構成され、第１の偏光を有する光の第１の偏光コンポーネントを変調するよう構成された透過型空間光変調器と、
前記導波路の前記第１の誘導面と前記空間光変調器との間に配置され、前記第１の偏光コンポーネントを伝送し、前記第１の偏光に直交する偏光を有する前記出力された光の第２の偏光コンポーネントを不要光として反射するよう配置された反射偏光器であって、
前記後部反射器が、前記後部反射器の前記反射ファセット間に延在し、単一の反射ファセット及び単一の中間ファセットの複数の対がともに、前記空間光変調器へ供給し戻すために不要光を反射するよう配置されたコーナーファセットを形成するよう、共通面内の前記後部反射器の前記反射ファセットから反対方向に傾斜された中間ファセットを更に含み、前記後部反射器が、空間光変調器へ供給し戻された不要光の前記偏光を、反射における前記第１の偏光へ変換するよう、単一の反射ファセット及び単一の中間ファセットの前記複数の対が、前記空間光変調器に対する前記法線の周囲に配向された面内に傾斜されており、
前記反射端が、前記導波路にわたる横方向に正の屈折力を有する、反射偏光器と、
前記複数の出力方向に対応する複数の光学窓内に光を方向づけるように前記光源を選択的に動作させるように配置された制御システムと、
を備えるディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記ディスプレイ装置が自動立体ディスプレイ装置であり、前記制御システムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、前記表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置において複数の光学窓内に同期して方向づけるよう表示装置を制御するよう更に配置されている、請求項２３に記載のディスプレイ装置。
【請求項２５】
前記制御システムが、前記表示装置にわたって観察者の前記位置を検出するよう配置されたセンサーシステムを更に含み、
前記制御システムが、前記出力された光を、前記観察者の検出された前記位置にしたがって選択された複数の光学窓内へ方向づけるよう配置されている、請求項２４に記載のディスプレイ装置。
【請求項２６】
指向性バックライトであって、
入力端を含む導波路と、
前記導波路の前記入力端にわたる横方向の予め定められた入力位置に配置された単一光源であって、
前記導波路は、前記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された前記光を反射して前記導波路を通して戻すための、前記入力端に対向する反射端と、を更に含み、前記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう配置され、前記第２の誘導面が、（ａ）前記反射端からの反射後、前記第１の誘導面を通し、前記光源の前記入力位置にしたがって横方向に配置された出力方向にある光学窓内へ、前記光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットと、（ｂ）前記導波路を通して光を誘導するよう配置された前記複数のファセット間の中間領域と、を含む段付き形状を有する、単一光源と、
前記導波路の前記複数のファセットを通過し、前記導波路を通して戻り、前記第１の誘導面を通して前記光学窓内に退出するために、前記光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットのアレイを含む後部反射器と、
を備える指向性バックライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、発明の名称が「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」であり、２０１３年２月２２日に出願の米国仮特許出願第６１／７６８，３７１号（弁護士参照番号第９５１９４９３６．３５５０００号）と、発明の名称が「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」であり、２０１３年３月１５日に出願の米国仮特許出願第６１／７９１，１１２号（弁護士参照番号第９５１９４９３６．３５５０００Ａ号）と、発明の名称が「Ｅｎｅｒｇｙ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」であり、２０１３年１０月１４日出願の米国仮特許出願第６１／８９０，４５６（弁護士参照番号第９５１９４９３６．３５５０００Ｂ号）に対する優先権を主張し、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。本出願はまた、発明の名称が「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｉｎ  ａ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｄｅｖｉｃｅ」であり、２０１３年３月１５日に出願の米国特許出願第１３／８３７，４６６号（弁護士参照番号第９５１９４９３６．３２５００１号）に関連し、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、一般的に、光変調素子の照明に関し、より詳しくは、二次元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】
【０００３】
空間多重化された自動立体ディスプレイは、通常、例えばＬＣＤ等の空間光変調器の上の少なくとも第１のセット及び第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、又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、それぞれ異なる各方向に方向づけて、ディスプレイの正面に第１の視野窓及び第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の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の視野窓内にある観察者は、第２の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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらディスプレイは、空間光変調器の元来の解像度と比較して低い空間解像度を有し、更に視野窓の構造は、画素のアパーチャ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。画素間に、例えば電極用に、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、ディスプレイの視覚的自由度を制限して都合が悪い。フリッカは、光学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、観察者の視覚疲労が増す。このようなフリッカは、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、ディスプレイの明るさを低減させる可能性があり、空間光変調器にアドレス指定電子機器を組み込む必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の第１の態様によると、視野窓が提供され得る。視野窓は、導波路の光抽出特徴部の通過により提供され得る。光抽出特徴部は、光抽出特徴部からの光の全反射により提供される視野窓と位置合わせされ得る。明るく、電力効率のよいディスプレイが達成され得る。
【０００６】
本開示の別の態様によると、導波路と、導波路の入力端にわたる横方向の異なる入力位置に配置された光源のアレイと、を含んでもよい指向性バックライトが提供され得る。導波路は、入力端と、導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された光からの光を反射して導波路を通して戻すための、入力端に対向する反射端と、を含んでもよい。第１の誘導面は、全反射により光を誘導するよう配置されてもよく、第２の誘導面は、段付き形状を有してもよい。段付き形状は、光源からの光を、反射端からの反射後、第１の誘導面を通して光学窓内に出力方向に反射するよう配向された複数のファセットを含んでもよい。出力方向は、第１の誘導面に対する法線に対して横方向に、入力位置と、光を、抽出することなく導波路を通して方向づけるよう配置されてもよい複数のファセット間の中間領域と、に主にしたがって分配されてもよい。指向性バックライトはまた、光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットの線形アレイを含んでもよい後部反射器を含んでもよい。光は、導波路の複数のファセットを通過し、導波路を通して戻り、第１の誘導面を通してこの光学窓内に退出してもよい。
【０００７】
指向性バックライトは、第１の誘導面を通して出力される光を受光するよう配置された拡散器を含んでもよい。拡散器は、横方向におおよそ直交する方向に、横方向よりも大きい角度分散を提供するよう配置されてもよい非対称拡散器とされてもよい。指向性バックライトは、少なくとも横方向への屈折力を有してもよく、導波路の第１の誘導面と拡散器との間に配置されてもよいフレネルレンズを含んでもよい。別の例では、フレネルレンズは、第１の誘導面を通して出力される光を受光するよう配置された、少なくとも横方向への屈折力を有してもよい。
【０００８】
指向性バックライトの導波路は、後部反射器の反射ファセットとされてもよく、横方向におおよそ直交する共通面と同じ方向に傾斜されてもよいファセットを含んでもよい。導波路のファセットは、第１の誘導面に対する法線に対しておおよその角度（π／２−α）にて傾斜されてもよく、後部反射器の反射ファセットは、第１の誘導面に対する法線に対して角度βにて傾斜されてもよく、２β＞π／２−ｓｉｎ−１（ｎ．ｓｉｎ（α−θｃ））であり、ここでθｃは導波路のファセットの臨界角であり、ｎは導波路の材料の屈折率である。
【０００９】
指向性バックライトの後部反射器は、導波路の個別のファセットからの光が、後部反射器の複数の反射ファセット上に入射するよう、導波路から離れていてもよい。後部反射器は、後部反射器の反射ファセット間に延在してもよい中間ファセットを更に含んでもよい。中間ファセットは、導波路の複数のファセットを通過した光源からの光が、中間ファセット上に入射できない角度にて、後部反射器の反射ファセットから反対方向に傾斜されてもよい。後部反射器の反射ファセットは、不規則なピッチを有してもよい。後部反射器の反射ファセットは、不規則な、ランダム化されたピッチを有する。後部反射器の反射ファセットは、反射ファセットのアレイにわたって変化する傾斜を有してもよい。後部反射器の反射ファセットは、線形でもよい。後部反射器の反射ファセットは、湾曲していてもよい。後部反射器の反射ファセットは、反射ファセットの長さに沿って起伏していてもよい。後部反射器は、反射ファセットの少なくともいくつかの上に拡散面を更に備えてもよい。
【００１０】
一例では、後部反射器のファセットは、導波路のファセットの各１つの後ろに配置されてもよく、導波路のファセットの各１つを通過する光源からの光の実質的にすべてを反射するよう配置されてもよい。反射端は、導波路にわたる横方向への正の屈折力を有してもよい。互いに直交する各偏光方向に偏光された光を反射するよう配置された少なくとも２つの偏光反射器シートであって、反射ファセットのこの線形アレイを形成するよう成形されたこの偏光反射器シートにより、後部反射器は形成されてもよい。後部反射器の費用は低減されることができ、好適である。
【００１１】
本開示の別の態様によると、前述の指向性バックライトと、第１の誘導面から出力された光を受光するよう配置されてもよい透過型空間光変調器と、を含んでもよい指向性表示装置が提供されてもよい。
【００１２】
本開示の別の態様によると、前述の指向性表示装置を含んでもよいディスプレイ装置と、出力方向に対応する光学窓内へ光を方向づけるよう、光源を選択的に操作するよう配置されてもよい制御システムと、が提供されてもよい。ディスプレイ装置は、自動立体ディスプレイ装置であってもよく、その制御システムは、時間多重化された左右の画像を表示するとともに、それと実質的に同期して、表示画像を観察者の左右の目に対応する位置にある複数の視野窓内へと方向づけるため、表示装置を制御するように更に配置されてもよい。自動立体ディスプレイ装置の制御システムは、表示装置にわたって観察者の位置を検出するように配置されてもよいセンサーシステムを含んでもよい。更に、制御システムは、観察者の検出された位置にしたがって選択された光学窓内へ出力された光を方向づけるよう構成されてもよい。
【００１３】
本開示の別の態様によると、指向性バックライトは、入力端を備える導波路と、導波路の入力端にわたる横方向の予め定められた入力位置に配置された単一光源であって、導波路は、導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された光を反射して導波路を通して戻すための、入力端に対向する反射端と、を更に備え、第１の誘導面は、全反射により光を誘導するよう配置されており、第２の誘導面は、（ａ）反射端からの反射後、第１の誘導面を通し、光源の入力位置にしたがって横方向に配置された出力方向にある光学窓内へ、光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットと、（ｂ）導波路を通して光を誘導するよう配置された複数のファセット間の中間領域と、を備える段付き形状を有する、単一光源と、導波路の複数のファセットを通過し、導波路を通して戻り、第１の誘導面を通してこの光学窓内に退出するために、光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットのアレイを備える後部反射器と、を備えてもよい。
【００１４】
光源の費用が低減され、トラッキング技術が不要となり、更に費用を低減し、装置の寿命を延ばし、好適である。更に、高いゲインの光出力が、高い光学効率とともに達成され得る。
【００１５】
本開示の他の態様によると、結像指向性バックライトは、光を誘導するための導波路を含んでもよい。導波路は、照明アレイからの光を第１の方向に方向づけるように機能する第１の光誘導面と、光が導波路を出て行くことができるように機能する第２の光誘導面と、照明アレイからの光を受光するように機能する光入力面と、を含むことができる。
【００１６】
ディスプレイのバックライトには、一般的に、導波路及び端部発光源が用いられる。特定の結像指向性バックライトは、ディスプレイパネルを通して照明を視野窓に方向づける追加機能を有する。結像システムは、複数の光源とそれぞれの窓画像との間に形成することができる。結像指向性バックライトの１つの例として折りたたみ式光学システムを用いることができる光弁が挙げられ、したがってこれは、折りたたみ式結像指向性バックライトの１つの例でもあり得る。光は実質的に、光弁を通して一方向に損失を伴わずに伝搬することができ、同時に対向伝搬光は、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願１３／３００，２９３号に記述されるように、反射傾斜ファセットによって抽出することができる。
【００１７】
本明細書の実施形態は、大面積及び薄型構造の自動立体ディスプレイを提供することができる。更に、以降に記述されるように、本開示の導波路は、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。これら部品は指向性バックライトで使用されて、自動立体ディスプレイを含む指向性ディスプレイを提供することができる。更に、実施形態は、効率的な自動立体ディスプレイ、及び、効率的な二次元ディスプレイ、高輝度の二次元ディスプレイ、又はプライバシー機能を達成する二次元ディスプレイを目的として、制御された照明を提供することができる。
【００１８】
本開示の実施形態は、種々の光学システムに使用されてもよい。実施形態は、種々のプロジェクタ、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、自己内蔵型プロジェクタシステム、ビジュアルシステム及び／又はオーディオビジュアルシステム、並びに電気機器及び／又は光学機器を含んでよく、又はこれらとともに動作してもよい。本開示の態様は、光学機器及び電気機器、光学システム、プレゼンテーションシステム、又は任意の種類の光学システムを包含してもよい任意の装置に関連する、多種多様な装置に実質的に使用されてもよい。したがって、本開示の実施形態は、視覚的な及び／又は光学的なプレゼンテーション、視覚的な周辺機器などにおいて、並びに多数のコンピュータ環境において使用される、光学システム、光学機器で用いられてもよい。
【００１９】
詳細に開示する種々の実施形態に進む前に、本開示は、他の実施形態例が可能であるので、用途又は作製において示す特定の構成の詳細に限定されないことを理解するべきである。更に、本開示の態様は、独自の固有の実施形態を規定するために様々な組み合わせ及び構成で述べられてもよい。また、本明細書で使用する用語は、説明の目的のためのものであって、限定するためのものではない。
【００２０】
指向性バックライトは、通常、光学導波路の入力アパーチャ側に配置された独立したＬＥＤ光源を調整することによって制御された、実質的に出力表面全体から発散される照明にわたる制御を提示する。照射光指向性分布の制御は、角度が限定された範囲から１人の視聴者のみによってディスプレイを見ることができる場合のセキュリティ機能の１人での閲覧、小さい角度の指向性分布にわたって照明が提供され得る場合の高い電気的効率、左右の目を交互に入れ替えての時系列立体及び自動立体ディスプレイの閲覧、並びに低コストを実現できる。
【００２１】
本開示の前述及び他の利点並びに特徴は、本開示をその全体にわたって読むことで、当業者にとって明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
例示のために、実施形態が添付の図面に示され、図面において、類似する参照符号は、同様の部分を示す。
【００２３】
【図１Ａ】本開示による、指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の正面図を示す概略図である。
【００２４】
【図１Ｂ】本開示による、図１Ａの指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の側面図を示す概略図である。
【００２５】
【図２Ａ】本開示による、指向性表示装置の別の実施形態における光伝搬の上面図を示す概略図である。
【００２６】
【図２Ｂ】本開示による、図２Ａの指向性表示装置の光伝搬を正面図で示す概略図である。
【００２７】
【図２Ｃ】本開示による、図２Ａの指向性表示装置の光伝搬を側面図で示す概略図である。
【００２８】
【図３】本開示による、指向性表示装置の側面図を示す概略図である。
【００２９】
【図４Ａ】本開示による、湾曲した光抽出特徴部を含む指向性表示装置における視野窓の生成を正面図で示す概略図である。
【００３０】
【図４Ｂ】本開示による、湾曲した光抽出特徴部を含む指向性表示装置における第１の視野窓及び第２の視野窓の生成を正面図で示す概略図である。
【００３１】
【図５】本開示による、線光抽出特徴部（linear light extraction features）を含む指向性表示装置における第１の視野窓の生成を示す概略図である。
【００３２】
【図６Ａ】本開示による、時分割多重化された指向性表示装置における第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図である。
【００３３】
【図６Ｂ】本開示による、第２のタイムスロットにおける、時分割多重化された指向性表示装置における第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。
【００３４】
【図６Ｃ】本開示による、時分割多重化された指向性表示装置における第１の視野窓及び第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。
【００３５】
【図７】本開示による、観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置を示す概略図である。
【００３６】
【図８】本開示による、マルチビューアー指向性表示装置を示す概略図である。
【００３７】
【図９】本開示による、プライバシー指向性表示装置を示す概略図である。
【００３８】
【図１０】本開示による、指向性表示装置の構造の側面図を示す概略図である。
【００３９】
【図１１】本開示による、観察者トラッキング指向性ディスプレイ装置のための制御システムを示す概略図である。
【００４０】
【図１２】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う指向性表示装置の側面図を示す概略図である。
【００４１】
【図１３】本開示による、線光抽出特徴部を伴う導波路及び線形反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う指向性表示装置の正面図を示す概略図である。
【００４２】
【図１４】本開示による、湾曲した光抽出特徴部を伴う導波路及び線形反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う指向性表示装置の正面図を示す概略図である。
【００４３】
【図１５Ａ】本開示による、湾曲した光抽出特徴部を伴う導波路及び湾曲した反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う指向性表示装置の正面図を示す概略図である。
【００４４】
【図１５Ｂ】本開示による、図１５Ａの導波路及び後部反射器を含む指向性バックライトの正面図を示す概略図である。
【００４５】
【図１５Ｃ】本開示による、ランダム化された反射ファセットを備える後部反射器の正面図を示す概略図である。
【００４６】
【図１６】本開示による、導波路を伴う指向性表示装置の側面図を示す概略図である。
【００４７】
【図１７】本開示による、導波路内外での伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００４８】
【図１８】本開示による、導波路を伴う指向性表示装置の更なる側面図を示す概略図である。
【００４９】
【図１９Ａ】本開示による、非対称拡散器の正面図及び側面図を示す概略図である。
【００５０】
【図１９Ｂ】本開示による、非対称拡散器の正面図及び側面図を示す概略図である。
【００５１】
【図１９Ｃ】本開示による、非対称拡散器の正面図及び側面図を示す概略図である。
【００５２】
【図２０】本開示による、銀の光抽出特徴部を伴う導波路の更なる側面図を示す概略図である。
【００５３】
【図２１】本開示による、図２０の導波路内外での伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００５４】
【図２２】本開示による、非対称拡散器の前の光抽出特徴部からの反射によって、図１６の導波路を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００５５】
【図２３】本開示による、非対称拡散器の後の光抽出特徴部からの反射によって、図１６の導波路を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００５６】
【図２４Ａ】本開示による、光抽出特徴部の通過による導波路内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。
【００５７】
【図２４Ｂ】本開示による、光抽出特徴部の通過によって図２４Ａの導波路を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００５８】
【図２５Ａ】本開示による、光抽出特徴部の通過、及び反射ファセットからの相互作用による導波路内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。
【００５９】
【図２５Ｂ】本開示による、光抽出特徴部の通過、及び光誘導部及び反射ファセットとの更なる相互作用による導波路内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。
【００６０】
【図２５Ｃ】本開示による、光抽出特徴部の通過、及び光誘導部との相互作用による、導波路と反射部との間に配置された層を更に備える、導波路内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。
【００６１】
【図２６】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【００６２】
【図２７】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【００６３】
【図２８Ａ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【図２８Ｂ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【図２８Ｃ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【図２８Ｄ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【図２８Ｅ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の側面図の詳細を示す概略図である。
【００６４】
【図２８Ｆ】本開示による、後部反射器を形成する方法の側面図を示す概略図である。
【図２８Ｇ】本開示による、後部反射器を形成する方法の側面図を示す概略図である。
【図２８Ｈ】本開示による、後部反射器を形成する方法の側面図を示す概略図である。
【図２８Ｉ】本開示による、後部反射器を形成する方法の側面図を示す概略図である。
【００６５】
【図２８Ｊ】本開示による、後部反射器の正面図を示す概略図である。
【図２８Ｋ】本開示による、後部反射器の正面図を示す概略図である。
【００６６】
【図２９】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路の更なる側面図の詳細を示す概略図である。
【００６７】
【図３０】本開示による、非対称拡散器の前の、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００６８】
【図３１】本開示による、非対称拡散器の後の、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００６９】
【図３２Ａ】本開示による、非対称拡散器の後の、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００７０】
【図３２Ｂ】本開示による、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００７１】
【図３２Ｃ】本開示による、非対称拡散器の後の、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００７２】
【図３２Ｄ】本開示による、テーブル面上に配置されたディスプレイ内の、本実施形態の光出力の使用の側面図を示す概略図である。
【００７３】
【図３２Ｅ】本開示による、後部反射器のファセットが凹面であり、光弁の各位置合わせされた光抽出特徴部から光を結像するよう配置されている、後部反射器の側面図を示す概略図である。
【００７４】
【図３２Ｆ】本開示による、図３２Ｅの配置を含む指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。
【００７５】
【図３３Ａ】本開示による、反射ファセットのアレイと、フレネルレンズと、非対称拡散器と、を伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性表示装置の側面図を示す概略図である。
【００７６】
【図３３Ｂ】本開示による、光抽出特徴部及び後部反射器ファセットの曲率間の関係を決定するために使用される例示的な光線路を示す概略図である。
【００７７】
【図３３Ｃ】本開示による、図３３Ｂに示されるような入射光線角度に対する、抽出された光線角度のグラフを示す概略図である。
【００７８】
【図３３Ｄ】本開示による、照明システム設計を最適化するようトレースされた光線路を示す概略図である。
【００７９】
【図３３Ｅ】本開示による、照明システム設計を最適化するようトレースされた、オフ抽出特徴部（off-extraction feature）及びオフ反射ファセット（off-reflection facet）の光線路を示す概略図である。
【００８０】
【図３３Ｆ】本開示による、抽出特徴部又は反射器ファセットのいずれかを反射する、単一の視点から発散するそれら光線についての、光線放射位置と水平画面位置のグラフを示す概略図である。
【００８１】
【図３４】本開示による、偏光回復を伴う指向性表示装置の一実施形態の側面図を示す概略図である。
【００８２】
【図３５Ａ】本開示による、図３４の偏光回復を伴う指向性表示装置の一実施形態の側面図を示す概略図である。
【００８３】
【図３５Ｂ】本開示による、図３４の偏光回復構成の詳細の更なる側面図を示す概略図である。
【００８４】
【図３５Ｃ】本開示による、図３４の偏光回復構成の正面図を示す概略図である。
【００８５】
【図３５Ｄ】本開示による、図３６Ａの構成に使用するための対称拡散器の正面図を示す概略図である。
【００８６】
【図３５Ｅ】本開示による、光弁と、後部反射器と、光学制御層と、空間光変調器と、を備える光学スタックアップの斜視図を示す概略図である。
【００８７】
【図３５Ｆ】本開示による、光学制御層と、空間光変調器と、を備える光学スタックアップの側面図を示す概略図である。
【図３５Ｇ】本開示による、光学制御層と、空間光変調器と、を備える光学スタックアップの側面図を示す概略図である。
【図３５Ｈ】本開示による、光学制御層と、空間光変調器と、を備える光学スタックアップの側面図を示す概略図である。
【図３５Ｉ】本開示による、光学制御層と、空間光変調器と、を備える光学スタックアップの側面図を示す概略図である。
【００８８】
【図３６Ａ】本開示による、偏光回復構成の更なる側面図を示す概略図である。
【図３６Ｂ】本開示による、偏光回復構成の更なる側面図を示す概略図である。
【００８９】
【図３７Ａ】本開示による、偏光回復構成の側面図を示す概略図である。
【図３７Ｂ】本開示による、偏光回復構成の側面図を示す概略図である。
【００９０】
【図３７Ｃ】本開示による、光散乱特徴部と、後部反射器と、を備える光弁の側面図を示す概略図である。
【００９１】
【図３７Ｄ】本開示による、光散乱特徴部と、後部反射器と、を備える光弁の外観の正面図を示す概略図である。
【００９２】
【図３７Ｅ】本開示による、光散乱特徴部と、光散乱ファセット面を更に備える後部反射器と、を備える光弁の側面図を示す概略図である。
【００９３】
【図３７Ｆ】本開示による、光散乱特徴部と、光散乱ファセット面を更に備える後部反射器と、を備える光弁の外観の正面図を示す概略図である。
【００９４】
【図３７Ｇ】本開示による、起伏構造を備える光弁の光抽出特徴部の斜視図を示す概略図である。
【００９５】
【図３７Ｈ】本開示による、起伏構造を備える後部反射器の斜視図を示す概略図である。
【図３７Ｉ】本開示による、起伏構造を備える後部反射器の斜視図を示す概略図である。
【００９６】
【図３８Ａ】本開示による、湾曲したファセットを備える、偏光回復の一実施形態の正面図を示す概略図である。
【００９７】
【図３８Ｂ】本開示による、バックライト設計を最適化するようトレースされた再循環光線路を示す概略図である。
【００９８】
【図３９】本開示による、反射器フィルムファセットを二重に反射する再循環光線を示す概略図である。
【００９９】
【図４０】本開示による、単一の視点から発散し、再循環又は非再循環のいずれかが行われ、続いて抽出特徴部又は反射器ファセットのいずれを反射するそれら光線について、光線放射位置と水平画面位置のグラフを示す概略図である。
【０１００】
【図４１】本開示による、水平の二次元視野窓を提供するよう縦置き方向に配置された光弁の正面図を示す概略図である。
【０１０１】
【図４２Ａ】本開示による、垂直の二次元視野窓を提供するよう横置き方向に配置された光弁の正面図を示す概略図である。
【０１０２】
【図４２Ｂ】本開示による、発光素子アレイに位置する発光素子の光束のグラフを示す概略図である。
【図４２Ｃ】本開示による、発光素子アレイに位置する発光素子の光束のグラフを示す概略図である。
【図４２Ｄ】本開示による、発光素子アレイに位置する発光素子の光束のグラフを示す概略図である。
【０１０３】
【図４３Ａ】本開示による、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう、入力側にて反射器を伴って配置された光弁の正面図及び側面図を示す概略図である。
【図４３Ｂ】本開示による、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう、入力側にて反射器を伴って配置された光弁の正面図及び側面図を示す概略図である。
【０１０４】
【図４３Ｃ】本開示による、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう、入力側面にて反射器を伴って配置された光弁の更なる正面図を示す概略図である。
【図４３Ｄ】本開示による、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう、入力側面にて反射器を伴って配置された光弁の更なる正面図を示す概略図である。
【０１０５】
【図４３Ｅ】本開示による、図４３Ａの構成からの光度分布のグラフを示す概略図である。
【０１０６】
【図４４Ａ】本開示による、出力均一性を向上するよう反射端付近に配置された非対称拡散器を更に備える光弁の正面図及び側面図を示す概略図である。
【図４４Ｂ】本開示による、出力均一性を向上するよう反射端付近に配置された非対称拡散器を更に備える光弁の正面図及び側面図を示す概略図である。
【０１０７】
【図４４Ｃ】本開示による、光弁を形成する方法の正面図を示す概略図である。
【図４４Ｄ】本開示による、光弁を形成する方法の正面図を示す概略図である。
【０１０８】
【図４５Ａ】本開示による、第１の装置フレーム上に配置されたＬＥＤアレイと、第２の装置フレーム上に配置されたフレネルミラーと、を備える、第１の組み立て工程における光弁の正面図を示す概略図である。
【０１０９】
【図４５Ｂ】本開示による、第１の装置フレーム上に配置されたＬＥＤアレイと、第２の装置フレーム上に配置されたフレネルミラーと、を備える、第２の組み立て工程における光弁の正面図を示す概略図である。
【０１１０】
【図４６Ａ】本開示による、反射フィルムを備える表示装置のためのバッテリの正面図を示す概略図である。
【０１１１】
【図４６Ｂ】本開示による、反射フィルムを備える表示装置のためのバッテリの側面図を示す概略図である。
【図４６Ｃ】本開示による、反射フィルムを備える表示装置のためのバッテリの側面図を示す概略図である。
【０１１２】
【図４７】本開示による、楔形バッテリ上に配置された反射フィルムを備える表示装置の側面図を示す概略図である。
【０１１３】
【図４８】本開示による、低減されたベゼル幅を達成するよう、ＬＥＤ配置のためのスロット状の側壁を備える表示装置の側面図を示す概略図である。
【０１１４】
【図４９】本開示による、低減されたベゼル幅を達成するよう、ミラー配置のためのスロット状の側壁を備える表示装置の側面図を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１５】
時分割多重化された自動立体ディスプレイは、空間光変調器のすべての画素からの光を、第１のタイムスロットの第１の視野窓へと方向づけて、すべての画素を、第２のタイムスロットの第２の視野窓に方向づけることで、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の視野窓にて光を受けるよう目を向けた観察者は、複数のタイムスロットからディスプレイにわたって完全な解像度画像を見る。時分割多重化されたディスプレイは、指向性光学素子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、指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、指向性のある照明を実現することができるという利点を有する。
【０１１６】
視野窓の均一性は、空間光変調器内の画素の配置とは独立したものとすることができ、好適である。また、このようなディスプレイが、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、好適である。
【０１１７】
窓平面で高い均一性を実現するためには、高い空間均一性を有する照明素子アレイを提供することが望ましい。時系列的な照明システムの照明素子は、例えば、約１００マイクロメートル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ができる。しかし、このような画素は、空間多重化されたディスプレイと同様の問題を抱える。更に、このような装置は効率が低くコストが高い場合があり、追加の表示部材を必要とする場合がある。
【０１１８】
巨視的照明器（例えば、通常はサイズが１ｍｍ以上の均質化及び拡散化光学素子と組み合わせたＬＥＤアレイ）を利用することで、高い窓平面の均一性は都合よく実現でき得る。しかし、照明素子のサイズの拡大は、指向性光学素子のサイズが比例して拡大することを意味する。例えば、６５ｍｍ幅の視野窓に結像される１６ｍｍ幅の照明器が、２００ｍｍの後方作動距離になる場合がある。したがって、光学素子の厚みを大きくすると、例えば、移動体ディスプレイ、又は大面積のディスプレイなどへの有益な用途が妨げられてしまう可能性がある。
【０１１９】
前述の欠点への対処として、共通に保有された米国特許出願第１３／３００，２９３号に記載されている光弁は、同時にフリッカのない観察者トラッキング及び低クロストークレベルを有する高解像度画像を提供する、薄いパッケージでの時分割多重化された自動立体照明を実現するために、高速で切り替わる透過型空間光変調器と組み合わせて配置することができ、好適である。記述されるものは視野の位置又は窓の一次元アレイであり、これは異なる画像を通常は水平の第１の方向に表示できるが、通常は垂直の第２の方向に移動する場合も同じ画像を含む。
【０１２０】
従来の非結像ディスプレイバックライトは、一般的に光学導波路を用いており、ＬＥＤ等の光源から端部照明を有する。しかし、当然のことながら、このような従来の非結像ディスプレイバックライトと、本開示に記載される結像指向性バックライトとの間には、機能、設計、構造、及び作用における多くの基本的相違がある。
【０１２１】
一般的には、例えば、本開示によれば、結像指向性バックライトは、複数の光源からの照明を、ディスプレイパネルを通して、少なくとも１軸における複数の各視野窓に方向づけるよう配置されている。各視野窓は、結像指向性バックライトの結像システムによって、光源の少なくとも１軸における１画像として実質的に形成されている。結像システムは、複数の光源と個々の窓画像との間に形成されてもよい。このようにして、複数の光源それぞれからの光は実質的に、各視野窓外にある観察者の目からは不可視である。
【０１２２】
対比的に、従来の非結像バックライト又は導光プレート（ＬＧＰ）は二次元ディスプレイの照明用に使用されている。例えば、Ｋａｌｉｌ  Ｋａｌａｎｔａｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ  Ｕｎｉｔ  Ｗｉｔｈ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｉｎｆ．Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｉｓｓｕｅ  ４，ｐｐ．３７９〜３８７（Ｄｅｃ．２００４）を参照されたい。非結像バックライトは通常、複数の光源からの照明を、ディスプレイパネルを通して、複数の光源それぞれに対して実質的に共通の視覚帯に方向づけ、広い視野角及び高い表示均一性を実現するよう配置されている。したがって、非結像バックライトは視野窓を形成しない。このようにして、複数の光源それぞれからの光は、視覚帯にわたる実質的にすべての位置にある観察者の目から見ることができる。このような従来の非結像バックライトは、３ＭのＢＥＦ（商標）等の輝度上昇フィルムによって提供することができる、例えばランバート照明に比較してスクリーンゲインを上げるなどの、いくらかの指向性を有することができる。しかし、このような指向性は、各光源それぞれに対して実質的に同じとなり得る。したがって、前記理由その他により、従来の非結像バックライトは結像指向性バックライトとは異なることは当業者にとって明白であろう。端部点灯非結像バックライト照明構造は、二次元ラップトップ、モニター、及びＴＶに見られるような液晶表示システムに使用することができる。光は、光の伝搬方向に関わらず光を消失させるガイドの表面における、通常は局所的な刻み目であるスパース特徴部を含んでもよい、損失の多い導波路の端部から伝搬する。
【０１２３】
本明細書に使用されるように、光弁は、例えば、ライトバルブ、光弁指向性バックライト、及び弁指向性バックライト（「ｖ−ＤＢＬ」）と称される、光誘導構造又はデバイスの１種類とすることができる光学構造である。本開示では、（当技術分野では空間光変調器は一般的に「ライトバルブ」と称される場合があるが）光弁は空間光変調器とは異なっている。結像指向性バックライトの１つの例は、折りたたみ式光学システムを用いることができる光弁である。光は、光弁を通して実質的に損失を伴わずに一方向に伝搬することができ、結像反射器に入射することができ、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるように、光が反射傾斜光抽出特徴部によって抽出され、視野窓に方向づけられ得るよう、対向伝搬することができる。
【０１２４】
本明細書に使用されるように、結像指向性バックライトの例は、段付き導波路結像指向性バックライト、折りたたみ式結像指向性バックライト、楔形指向性バックライト、又は光弁を含む。
【０１２５】
更に、本明細書に使用されるように、段付き導波路結像指向性バックライトは光弁であってよい。段付き導波路は、光を誘導するための導波路を含み、第１の光誘導面、及び第１の光誘導面に対向する第２の光誘導面を更に含み、段として配置された、複数の抽出特徴部を含む複数の光誘導部を更に含む結像指向性バックライト用の導波路である。
【０１２６】
更に、使用されるように、折りたたみ式結像指向性バックライトは、楔形指向性バックライト及び光弁のうちの少なくとも１つとすることができる。
【０１２７】
作動中に、光は、例示的な光弁内で、入力側面から反射側面への第１の方向に、実質的に損失を伴わずに伝搬してよい。光は反射側面で反射されて、第１の方向とは実質的に反対の第２の方向に伝搬してよい。光が第２の方向に伝搬されると、光は光抽出特徴部に入射してよく、光抽出特徴部は、光弁の外へと光を再方向づけするように機能する。つまり、光弁は一般的に光を第１の方向に伝搬し、及び第２の方向に伝搬されている間に光を抽出することができる。
【０１２８】
光弁は、大きな表示面積を有する時系列的な指向性照明器を実現することができる。更に、光を巨視的照明器から窓面へ方向づけるよう、光学素子の後方作動距離より薄い光学素子を用いることができる。このようなディスプレイは、実質的に平行な導波路内に対向伝搬する光を抽出するよう構成された一連の光抽出特徴部を使用することができる。
【０１２９】
ＬＣＤとともに使用する薄型結像指向性バックライトの実装は、３Ｍによる例えば米国特許第７，５２８，８９３号、ＲｅａｌＤによって本明細書においては「楔形指向性バックライト」と称される、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔによる例えば米国特許第７，９７０，２４６号、本明細書において「光弁」又は「光弁指向性バックライト」と称される、例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号において提示及び実証されており、これらはすべてその全体を参照目的で本明細書に引用されている。
【０１３０】
本開示は、光が、第１の側面及び特徴部の第１のセットを含むことができる例えば段付き導波路の内側面間を前後に反射することができる、段付き導波路結像指向性バックライトを提供する。光が段付き導波路の長さに沿って移動するとき、光は、第１の側面及び表面の第１のセットに対して入射角を実質的に変化させることができず、そのため、これらの内面にて媒体の臨界角に達することができない。光抽出は、表面（ステップ「トレッド」）の第１のセットに傾斜している表面（ステップ「ライザー」）の第２のセットにより、達成することができ、好適である。表面の第２のセットは、段付き導波路の光誘導作用の一部とすることはできないものの、構造から光抽出を提供できるよう配置することができることに留意されたい。一方、楔形結像指向性バックライトは、連続的な内側表面を有する楔形のプロフィールが施された導波路内に光を誘導可能にすることができる。したがって、光弁はつまり、楔形結像指向性バックライトではない。
【０１３１】
図１Ａは、指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の正面図を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａの指向性表示装置における光伝搬の側面図を示す概略図である。
【０１３２】
図１Ａは、指向性表示装置の指向性バックライトのｘｙ面における正面図を示し、段付き導波路１を照明するために使用することができる照明アレイ１５を含む。照明アレイ１５は、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）を含む。一例では、図１Ａの段付き導波路１は、段付きの、ディスプレイサイズの導波路１とすることができる。照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎは光源であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。ＬＥＤは本明細書において照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎとして記載されているが、他の光源、例えば、これらに限定されないが、ダイオード源、半導体源、レーザー源、局所的電界放出源、有機エミッターアレイなどを使用することができる。更に、図１Ｂは、ｘｚ面における側面図を示し、図示のとおりに配置された照明アレイ１５、空間光変調器（ＳＬＭ）４８、抽出特徴部１２、誘導部１０、及び段付き導波路１を含む。図１Ｂに提供された側面図は、図１Ａに示す正面図の代替的な図である。したがって、図１Ａ及び図１Ｂの照明アレイ１５は互いに対応し、図１Ａ及び図１Ｂの段付き導波路１は互いに対応することができる。
【０１３３】
更に、図１Ｂでは、段付き導波路１は、薄い入力端２及び厚い反射端４を有することができる。したがって、導波路１は、入力された光を受光する入力端２と、入力された光を反射して導波路１を通して戻す反射端４との間に延在する。入力端２の導波路にわたる横方向の長さは、入力端２の高さより大きい。照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎは、入力端２にわたる横方向の異なる入力位置に配置されている。
【０１３４】
導波路１は、入力端２と反射端４との間に延在する、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面を有し、全反射により光を導波路１に沿って前後に誘導する。第１の誘導面は平面である。第２の誘導面は、反射端４に対向し、反射端から導波路１を通して誘導されて戻される少なくともいくらかの光を、第１の誘導面における全反射を遮断し、ＳＬＭ  ４８に供給されている、例えば、図１Ｂにおける上方の第１の誘導面を通した出力を可能にする方向に反射するために傾斜された複数の光抽出特徴部１２を有する。
【０１３５】
この例では、他の反射機能を使用することもできるが、光抽出特徴部１２は反射ファセットである。光抽出特徴部１２は導波路を通して光を誘導しないことに対し、光抽出特徴部１２の中間の第２の誘導面の中間領域は、光を抽出することなく誘導する。第２の誘導面のこれらの領域は平面であり、第１の誘導面に平行、又は相対的に低い傾斜で延在してもよい。光抽出特徴部１２は、第２の誘導面が光抽出特徴部１２及び中間領域を含む段付き形状を有することができるように、それら領域に横方向に延在する。光抽出特徴部１２は、光源からの光を、第１の誘導面を通して、反射端４からの反射後に反射するよう配向されている。
【０１３６】
光抽出特徴部１２は、入力位置によって決まる第１の誘導面に対して異なる方向の入力端にわたる横方向の異なる入力位置からの入力された光を方向づけるよう配置されている。照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎは異なる入力位置に配置されているため、各照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎからの光はそれらの異なる方向に反射されている。このようにしてそれぞれの照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎは、光を各光学窓に、入力位置にしたがって横方向に分配された出力方向に方向づける。入力位置が分配されている入力端２にわたる横方向は、第１の誘導面に対する法線に対して横方向に、出力された光に関して対応する。入力端２にて、及び出力された光に関して定義されるような横方向は、反射端４及び第１の誘導面での偏向が一般的に横方向に対して直交している本実施形態では平行に維持される。制御システムの制御下では、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎは、光を選択可能な光学窓に方向づけるよう選択的に操作することができる。光学窓は、視野窓として、単独又はグループで使用することができる。
【０１３７】
反射端４は、導波路にわたる横方向への正の屈折力を有することができる。反射端４が正の屈折力を通常有する実施形態においては、光軸は、例えば反射端４の曲率の中心を通り、ｘ軸周りの端部４の鏡映対称の軸に一致するラインであるといった、反射端４の形状を参照して定義することができる。反射面４が平面である場合は、光軸は、例えば湾曲されている場合の光抽出特徴部１２等の屈折力を有する他の部材、又は以下に記述するフレネルレンズ６２に関して同様に定義することができる。光軸２３８は通常、導波路１の機械軸と一致する。
【０１３８】
導波路にわたって延在するＳＬＭ  ４８は透過型であり、そこを通る光を変調する。ＳＬＭ  ４８は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とすることができるが、これは単に例を表すものであり、ＬＣＯＳ、ＤＬＰデバイスなどを含む、他の空間光変調器又はディスプレイを、この照明器が反射して作用できるように使用することができる。この例では、ＳＬＭ  ４８は導波路の第１の誘導面にわたって配置されており、光抽出特徴部１２からの反射後に第１の誘導面を通して出力された光を変調する。
【０１３９】
視野窓の一次元アレイを提供することができる指向性表示装置の動作を図１Ａの正面図に示し、その側面プロフィールを図１Ｂに示す。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、作動中に、光は、段付き導波路１の薄い端部側面２、ｘ＝０、の表面に沿って異なる位置、ｙ、に配置された一連の照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ等の照明アレイ１５から放出され得る。光は、段付き導波路１内を第１の方向における＋ｘに沿って伝搬することができ、同時に、光はｘｙ面において扇状に展開することができ、離れた、湾曲された端部側面４に到達すると、実質的に又は全体的に湾曲された端部側面４を満たすことができる。伝搬中、光は、ｘｚ面において誘導材料の臨界角以下の一連の角度に広がることができる。段付き導波路１の底部側の誘導部１０をリンクする抽出特徴部１２は、臨界角を超える傾斜角度を有することができ、したがって、第１の方向における＋ｘに沿って伝搬する実質的にすべての光によって除外されることができ、実質的に損失を伴わない順方向伝搬を確保する。
【０１４０】
図１Ａ及び１Ｂの説明を続けると、段付き導波路１の湾曲された端部側面４は、通常は例えば銀等の反射材を被覆することによって反射性を付することができるが、他の反射技術も用いることができる。したがって、光は第２の方向に再方向づけられ、−ｘの方向のガイドに戻り、実質的にｘｙ又はディスプレイ面にコリメートされてもよい。角拡散は実質的にｘｚ面における主伝搬方向に対して維持され、これにより光はライザーの端部に当たり、ガイドの外に反射することができる。約４５度の傾斜抽出特徴部１２を有する一実施形態においては、光は、実質的に伝搬方向に対して維持されたｘｚ角拡散を有するｘｙディスプレイ面に対しておよそ垂直に効果的に方向づけることができる。この角拡散は、光が屈折を通して段付き導波路１を出ることで増大することができるが、抽出部１２の反射特性によって多少減少する場合がある。
【０１４１】
被覆されていない抽出特徴部１２を有する実施形態においては、全反射（ＴＩＲ）の失敗により反射が減少する場合があり、ｘｚ角度プロフィールを狭め、法線からのずれが生じる。しかし、銀で覆われた又は金属化された抽出特徴部を有する他の実施形態においては、広い角拡散及び中央法線方向を保持することができる。銀で覆われた抽出特徴部を有する実施形態の記述を続けると、ｘｚ面では、ほぼコリメーションされた光は段付き導波路１から放出することができ、入力端の中心から、照明アレイ１５内の各照明素子１５ａ〜１５ｎのｙ位置に比例して、法線からずれて方向づけられ得る。入力端面２に沿って独立した照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎを有することにより、図１Ａに示すように、光は第１の光方向づけ側面６の全体から放出可能となり、異なる外角に伝搬可能となる。
【０１４２】
そのようなデバイスを有する高速液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル等の空間光変調器（ＳＬＭ）４８を照明することにより、図２Ａにおける上面図すなわち照明アレイ１５の端部から見たｙｚ面、図２Ｂにおける正面図、及び図２Ｃにおける側面図に示すような自動立体三次元を実現することができる。図２Ａは、光の指向性表示装置内での伝搬を上面図に示す概略図であり、図２Ｂは、光の指向性表示装置内での伝搬を正面図に示す概略図であり、図２Ｃは、光の指向性表示装置内での伝搬を側面図に示す概略図である。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃに示すように、段付き導波路１は、連続的な右目画像及び左目画像を表示する高速（例えば１００Ｈｚ超）ＬＣＤパネルＳＬＭ  ４８の背後に配置することができる。これに同期して、照明アレイ１５の特定の照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）は選択的にオン及びオフにすることができ、システムの指向性によって実質的に独立して右目及び左目に入る照明光を提供する。最も簡単な場合には、照明アレイ１５の照明素子のセットはともにオンとなり、水平方向に離れた両目が左目画像を見ることができる、一次元の視野窓２６、又は、水平方向であるものの垂直方向に延在する限定幅の光学瞳孔、及び、両目、並びに両目が異なる画像を見ることができる中央位置により右目画像を主に見ることができる別の視野窓４４を提供する。このようにして、視聴者の頭部がほぼ中央に位置合わせされた場合に三次元画像を見ることができる。中央位置から側方へ離れる動作により、シーンを二次元画像に収縮することができる。
【０１４３】
反射端４は、導波路にわたる横方向への正の屈折力を有することができる。反射端４が正の屈折力を通常有する実施形態においては、光軸は、例えば反射端４の曲率の中心を通り、ｘ軸周りの端部４の鏡映対称の軸に一致するラインであるといった、反射端４の形状を参照して定義することができる。反射面４が平面である場合は、光軸は、例えば湾曲されている場合の光抽出特徴部１２等の屈折力を有する他の部材、又は以下に記述するフレネルレンズ６２に関して同様に定義することができる。光軸２３８は通常、導波路１の機械軸と一致している。端部４での円筒状の反射表面は通常、軸上及び軸をずれた視野の位置に対する性能を最適化するために、球状プロフィールとすることができる。他のプロフィールも使用することができる。
【０１４４】
図３は、指向性表示装置の側面図を示す概略図である。更に、図３は、透過的材料とすることができる段付き導波路１の作用の側面図を更に詳細に示す。段付き導波路１は、照明器入力側面２、反射側面４、実質的に平面とすることができる第１の光方向づけ側面６、並びに誘導部１０及び光抽出特徴部１２を含む第２の光方向づけ側面８を含むことができる。作動中に、例えばＬＥＤのアドレス指定可能なアレイであってよい、照明アレイ１５（図３では不図示）の照明素子１５ｃからの光線１６は、第１の光方向づけ側面６による全反射及び誘導部１０による全反射によって、段付き導波路１を通り、鏡面であってよい反射側面４に誘導されてよい。反射側面４は鏡面であってよく、光を反射することができるが、実施形態によっては、光を反射側面４に通すことも可能である。
【０１４５】
図３の説明を続けると、光線１８は、反射側面４によって反射されて、更に反射側面４の全反射によって段付き導波路１内に誘導されてよく、抽出特徴部１２により反射されてよい。抽出特徴部１２に入射する光線１８は、段付き導波路１の誘導モードから実質的に離れるように偏向されてよく、光線２０が示すように、側面６を通り、自動立体ディスプレイの視野窓２６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２６の幅は、側面４及び抽出特徴部１２における少なくとも照明器のサイズ、出力設定距離、及び屈折力によって決定されてよい。視野窓の高さは、主に、抽出特徴部１２の反射円錐角、及び入力側面２の照明円錐角入力よって決定されてよい。したがって、それぞれの視野窓２６は、名目上の視覚距離での面と交差する空間光変調器４８の表面法線方向に対して個別の出力方向の範囲を表す。
【０１４６】
図４Ａは、第１の照明素子により照明され、湾曲した光抽出特徴部を含む、指向性表示装置を正面図で示す概略図である。更に、図４Ａは、光軸２８を有する段付き導波路１内の照明アレイ１５の照明素子１５ｃからの光線が更に誘導されている様子を示す正面図である。図４Ａでは、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明アレイ１５を含むことができる。各出力光線が入力側面２から、それぞれの照明器１５ｃから同じ視野窓２６に向けて方向づけられている。図４Ａの光線は、段付き導波路１の反射側面４から放出することができる。図４Ａに示すように、光線１６は、照明素子１５ｃから反射側面４に向けて方向づけることができる。その後、光線１８は光抽出特徴部１２から反射して、反射側面４を視野窓２６に向けて放出することができる。したがって、光線３０は視野窓２６の光線２０を横切ってよく、又は光線３２が示すように視野窓の内部で異なる高さを有していてもよい。加えて、種々の実施形態において、導波路１の側面２２及び側面２４は、透過面、鏡面、又は黒化した表面とすることができる。図４Ａの説明を続けると、光抽出特徴部１２は細長くてよく、光方向づけ側面８（光方向づけ側面８は図３に示されているが、図４Ａには示されていない）に方向づけられた第１の領域３４の光抽出特徴部１２の配向が、光方向づけ側面８の第２の領域３６における光抽出特徴部１２の配向とは異なっていてもよい。本明細書にて説明する他の実施形態と同様に、例えば図３に示すように、図４Ａの光抽出特徴部は、誘導部１０と交互になってよい。図４Ａに示すように、段付き導波路１は、反射表面を反射側面４上に含むことができる。一実施形態においては、段付き導波路１の反射端は、段付き導波路１にわたり横方向に正の屈折力を有することができる。
【０１４７】
別の実施形態においては、それぞれの指向性バックライトの光抽出特徴部１２は、導波路にわたり横方向に正の屈折力を有することができる。
【０１４８】
別の実施形態では、それぞれの指向性バックライトは、第２の誘導面のファセットとすることができる光抽出特徴部１２を含むことができる。第２の誘導面は、実質的に光を抽出することなく、導波路を通して光を方向づけるよう配置することができるファセットと交互となる領域を有することができる。
【０１４９】
図４Ｂは、第２の照明素子が照明する指向性表示装置の正面図を示す概略図である。更に、図４Ｂは、照明アレイ１５の第２の照明素子１５ｈからの光線４０、４２を示す。側面４の反射表面の曲率と光抽出特徴部１２とが協働して、照明素子１５ｈからの光線を有する視野窓２６から横方向に分離された第２の視野窓４４を形成する。
【０１５０】
図４Ｂに示す配置は、照明素子１５ｃの視野窓２６における実際の画像を提供することができ、実際の画像は、図４Ａに示すように、反射側面４における屈折力及び領域３４と領域３６との間の細長い光抽出特徴部１２の異なる方向から生じ得る屈折力との間の協働によって形成することができ、好都合である。図４Ｂの配置は、照明素子１５ｃの視野窓２６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る。向上した収差によって、自動立体ディスプレイの視覚的自由度が広がり、且つ、低いクロストークレベルを実現することができる。
【０１５１】
図５は、実質的に線光抽出特徴部を有する指向性表示装置の一実施形態の正面図を示す概略図である。更に、図５は、光抽出特徴部１２が線形であり、実質的に互いに平行であるという違いの１つを有する、（同様の対応する素子を有する）図１と同様の部材の配置を示す。このような配置は、表示面にわたり実質的に均一な照明を提供でき、図４Ａ及び図４Ｂの湾曲した抽出特徴部よりも製造しやすく、好適である。指向性導波路１の光軸３２１は、側面４での表面の光軸方向とすることができる。側面４の屈折力は、光軸方向にわたるよう配置されており、したがって、側面４上に入射する光線は、光軸３２１からの入射光線の横方向オフセット３１９にしたがって変化する角偏向を有することとなる。
【０１５２】
図６Ａは、第１のタイムスロットにおける時分割多重化された結像指向性表示装置内の第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図であり、図６Ｂは、第２のタイムスロットにおける時分割多重化された結像指向性バックライト装置内の第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図であり、図６Ｃは、時分割多重化された結像指向性表示装置内の第１の視野窓及び第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。更に、図６Ａは、段付き導波路１からの視野窓２６の生成を模式的に示す。照明アレイ１５内の照明素子グループ３１は、視野窓２６に向かって方向づけられた光円錐１７を提供できる。図６Ｂは、視野窓４４の生成を模式的に示す。照明アレイ１５内の照明素子グループ３３は、視野窓４４に向かって方向づけられた光円錐１９を提供することができる。時分割多重化されたディスプレイとの協働によって、窓２６及び窓４４は、図６Ｃに示すような順序で提供され得る。空間光変調器４８（図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃでは不図示）上の画像が光方向出力に応じて調整される場合、適切に配置された視聴者に対して自動立体画像を実現することができる。同様の作用は、本明細書に記述するすべての結像指向性バックライトを用いて実現することができる。照明素子グループ３１、３３はそれぞれ、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）からの１つ又は複数の照明素子を含むことに注意されたい。
【０１５３】
図７は、時分割多重化された指向性表示装置を含む観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置の一実施形態を示す概略図である。図７に示すように、軸２９に沿った照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎを選択的にオン及びオフすることにより、視野窓の指向性制御を提供する。頭部４５の位置は、カメラ、モーションセンサー、モーションディテクター、又は任意の他の適切な光学的、機械的、若しくは電気的手段を用いてモニターすることができ、照明アレイ１５の適切な照明素子は、頭部４５の位置に関わりなく、それぞれの目に実質的に独立した画像を提供するようオン及びオフすることができる。頭部トラッキングシステム（又は第２の頭部トラッキングシステム）は、頭部４５、４７（頭部４７は図７には不図示）の１つを超えるモニタリングを提供することができ、同じ左目画像及び右目画像をそれぞれの視聴者の左右の目に提供し、すべての視聴者に三次元画像を提供することができる。繰り返すが、同様の作用は、本明細書に記載するすべての結像指向性バックライトを用いて実現することができる。
【０１５４】
図８は、結像指向性バックライトを含む１つの例として、マルチビューアー指向性表示装置の一実施形態を示す概略図である。図８に示すように、少なくとも２つの二次元画像を、視聴者４５、４７のペアに向けて方向づけることができ、それによりそれぞれの視聴者は異なる画像を空間光変調器４８上に見ることができる。図８の２つの二次元画像は、２つの画像が２人の視聴者に向けて方向づけられる光を有する光源に同期させて順番に表示される、図７に関する記述と同様に生成することができる。第１の画像が、第１のフェーズにある空間光変調器４８上に提示されており、第２の画像が、第１のフェーズとは異なる第２のフェーズにある空間光変調器４８上に提示されている。第１のフェーズ及び第２のフェーズに対応して、第１の視野窓２６及び第２の視野窓４４をそれぞれ提供するよう出力照明は調整されている。両目が視野窓２６にある観察者は第１の画像を認識し、同時に両目が視野窓４４にある観察者は第２の画像を認識する。
【０１５５】
図９は、結像指向性バックライトを含むプライバシー指向性表示装置を示す概略図である。二次元表示システムもまた、図９に示すように光が第１の視聴者４５の両目に主に方向づけられ得る指向性バックライティングを、安全性及び効率の目的で使用することができる。更に、図９に示すように、第１の視聴者４５はデバイス５０の画像を見ることができるが、光は第２の視聴者４７に向けて方向づけられていない。したがって、第２の視聴者４７は、デバイス５０上の画像を見ることができない。本開示のそれぞれの実施形態は、自動立体、デュアル画像、又はプライバシーディスプレイ機能を提供することができ、好適である。
【０１５６】
図１０は、結像指向性バックライトを含む１つの例として、時分割多重化された指向性表示装置の構造の側面図を示す概略図である。更に、図１０は、段付き導波路１の出力表面にわたる実質的にコリメートされた出力のための視野窓２６を提供するよう構成された段付き導波路１及びフレネルレンズ６２を含むことができる自動立体指向性ディスプレイデバイスを側面図にて示す。垂直拡散器６８は、視野窓２６の高さを更に高くするよう配置することができる。光はこれにより、空間光変調器４８を通して結像され得る。照明アレイ１５は、例えば、蛍光体変換青色ＬＥＤ又は個別のＲＧＢ  ＬＥＤとすることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。代替的に、照明アレイ１５内の照明素子は、個別の照明領域を提供するよう配置された均一の光源及び空間光変調器を含むことができる。代替的に、照明素子は（単数又は複数の）レーザー光源を含むことができる。レーザー出力は、スキャニングによって、例えばガルバノスキャナー又はＭＥＭＳスキャナーを使用して、拡散器上に方向づけることができる。一例では、レーザー光はしたがって、適切な出力角度を有する実質的に均一な光源を提供し、更に、スペックルの減少を提供するために、照明アレイ１５の適切な照明素子を提供するのに、使用することができる。代替的に、照明アレイ１５は一連のレーザー発光素子とすることができる。加えて一例では、拡散器は、照明を可視出力光までの異なる波長にすることができる波長変換蛍光体であってよい。
【０１５７】
図１〜図１０の構造に基づいたものであり、かつこれらを内含するいくつかの導波路、指向性バックライト及び指向性表示装置について以下に記述する。以降に記述する修正及び／又は追加的機能を除き、上の記述は、以下の導波路、指向性バックライト、及び表示装置に等しく適用するが、簡潔にするために繰り返さない。以下で説明する導波路は、上述のように指向性バックライト又は指向性表示装置、二次元表示装置、又は三次元表示装置に組み込むことができる。同様に、以下で説明する指向性バックライトは、上述のように指向性表示装置に組み込むことができる。
【０１５８】
図１１は、表示装置１００と、制御システムと、を含む指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。制御システムの配置及び作動を以降に記述し、適切な方法で変更を施した上で、本明細書に開示されるそれぞれの表示装置に適用することができる。
【０１５９】
指向性表示装置１００は、導波路１及び、上に記述するように配置された照明素子１５のアレイを備える指向性バックライトを備える。制御システムは、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎを選択的に操作し、光を選択可能な視野窓に方向づけるよう配置されている。
【０１６０】
導波路１は、上に記述するように配置されている。反射端４は、反射した光を収束させる。フレネルレンズ６２は、反射端４と協働するように配置することができ、観察者９９によって観察される視野面１０６に視野窓２６を実現する。透過型空間光変調器（ＳＬＭ）４８は、指向性バックライトから光を受光するよう配置することができる。更に、拡散器６８は、導波路１とＳＬＭ  ４８並びにフレネルレンズ６２の画素との間のモワレ干渉を実質的に除去するために提供することができる。
【０１６１】
図１１に示すように、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明アレイ１５を含むことができる。図１１に示すように、段付き導波路１は、光方向づけ側面８、反射側面４、誘導部１０、及び光抽出特徴部１２を含む。
【０１６２】
制御システムは、表示装置１００に対する観察者９９の位置を検出するよう配置されたセンサーシステムを含むことができる。センサーシステムは、カメラ等の位置センサー７０、及び、例えばコンピュータービジョン画像処理システムを含むことができる頭部位置測定システム７２を含む。制御システムは更に、頭部位置測定システム７２から供給された観察者の検出された位置が双方に供給される照明コントローラ７４及び画像コントローラ７６を含む。
【０１６３】
照明コントローラ７４は照明素子１５を選択的に操作し、導波路１と協働して光を視野窓２６内に方向づける。照明コントローラ７４は、光が方向づけられる視野窓２６が観察者９９の左右の目に対応する位置に配置されるよう、頭部位置測定システム７２によって検知された観察者の位置にしたがって操作される照明素子１５を選択する。このように、導波路１の横方向の出力指向性は観察者の位置に対応する。
【０１６４】
画像コントローラ７６は、ＳＬＭ  ４８を制御して画像を表示する。自動立体ディスプレイを提供するため、画像コントローラ７６及び照明コントローラ７４は以下のように作動することができる。画像コントローラ７６はＳＬＭ  ４８を制御し、時間多重化された左目画像及び右目画像を表示する。照明コントローラ７４は光源１５を操作し、左目画像及び右目画像の表示に同期して観察者の左右の目に対応する位置にあるそれぞれの視野窓に光を方向づける。このようにして、自動立体効果が時分割多重化技術を使用して実現される。
【０１６５】
上の記述は、以降に記述するそれぞれ又はすべての装置、修正、及び／又は追加的機能に、個別に、又はそれらの任意の組み合わせで適用することができる。
【０１６６】
別の実施形態では、指向性表示装置は、先に説明したように出力方向に対応する視野窓に光を方向づけるために、光源を選択的に操作可能に配置することができる制御システムを更に含むことができる。本実施形態はまた、本明細書に記述するように、任意の指向性バックライト、指向性表示装置、指向性ディスプレイ装置等と合わせて使用することもできる。
【０１６７】
別の実施形態では、指向性ディスプレイ装置は、制御システムを有する自動立体ディスプレイ装置であってよい。制御システムは、多重化された左右の画像を一時的に表示し、表示された画像を、観察者の少なくとも左右の目に対応する位置にある視野窓に実質的に同期して方向づけるよう指向性表示装置を制御するよう更に構成することができる。制御システムは、表示装置にわたって観察者の位置を検出するよう配置することができ、また、表示画像を、観察者の少なくとも左右の目に対応する位置にある視野窓に方向づけるよう配置することもできるセンサーシステムを含むことができる。視野窓の位置は主に、観察者の検出された位置に依存する。
【０１６８】
図１２は、後部反射器３００を伴う指向性表示装置の側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。後部反射器３００は、反射ファセット３１０のアレイを含んでもよい。アレイは線形アレイであるため、線形方向に繰り返す（例えば、図１２では垂直）。導波路１の光抽出特徴部１２から反射された光線３０４は、視野窓２６内の垂直の視覚位置に、χ方向の角度分布を伴って方向づけられている。特徴部１２を通過した、光抽出３０６から反射された光線は、システムへ失われるか、又は、ディスプレイ背後の材料と相互作用し、望ましくないクロストークを各視野窓間に生成するよう散乱する場合がある。
【０１６９】
本開示において、光学窓は、窓平面における単一光源の画像を指す。比較として、視野窓２６は、光が提供され、表示エリア全体からの実質的に同じ画像の画像データを含んでもよい窓平面１０６内の領域である。したがって、視野窓は複数の光学窓から形成することができる。通常は、光学窓は、小さい横方向の範囲（ｙ軸方向）と、この横方向の範囲に直交する垂直方向の大きい範囲（ｘ軸方向）と、を有する。
【０１７０】
本実施形態では、特徴部１２を通過した光線３０６は、後部反射器３００の反射ファセット上に入射する。光線３０６はしたがって、視野窓２６に向けて再方向づけられる。アレイ１５の所与の光源については、光線３０４、３０６に対する各光学窓の横方向の範囲及び位置は実質的に同じであるが、しかし、垂直方向の光の分布は、特徴部１２での反射又は通過により方向づけられた光線束に対して異なってもよい。
【０１７１】
指向性バックライトはしたがって、導波路と、導波路の入力端にわたる横方向の異なる入力位置に配置された光源のアレイと、を含んでもよい。導波路は入力端を有してもよく、導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面及び第２の誘導面と、入力された光からの光を反射して導波路を通して戻すための、入力端に対向する反射端と、を含んでもよい。第１の誘導面は、全反射により光を誘導するよう配置されてもよく、第２の誘導面は、反射端からの反射後に、第１の誘導面を通して光学窓内に出力方向に、光源からの光を反射するよう配向された複数のファセットを含んでもよい段付き形状を有してもよい。出力方向は、第１の誘導面に対する法線に対して横方向に、入力位置、及び、光を、抽出することなく導波路を通して方向づけるよう配置されている複数のファセット間の中間領域、にしたがって分配されてもよい。指向性バックライトはまた、導波路の複数のファセットを通過し、導波路を通して戻り、第１の誘導面を通して光学窓内へ退出するために、光源からの光を反射するよう配置された反射ファセットの線形アレイを備えてもよい後部反射器を含んでよい。
【０１７２】
指向性表示装置はしたがって、指向性バックライトと、第１の誘導面からの出力された光を受光するよう配置された透過型空間光変調器と、を含んでもよい。ディスプレイ装置はしたがって、指向性表示装置と、光源を選択的に操作し、出力方向に対応する視野窓内へ光を方向づけるよう構成された制御システムと、を含んでもよい。ディスプレイ装置は、自動立体ディスプレイ装置であってもよく、その制御システムは、時間多重化された左右の画像を表示するとともに、それと同期して、表示画像を観察者の左右の目に対応する位置にある複数の視野窓内へと方向づけるため、ディスプレイデバイスを制御するように更に構成されている。制御システムは、表示装置にわたって観察者の位置を検出するように配置されたセンサーシステムを更に含むことができる。制御システムは、観察者の検出された位置にしたがって、表示された画像を観察者の左及び右目に対応する位置にて視野窓内に方向づけるよう構成されてもよい。
【０１７３】
光線３０４、３０６により達成される光学窓及び視野窓２６は、実質的に横方向に重複することができ、好適である。したがって、ディスプレイのクロストークが実質的に維持され得る。更に、視野窓２６に方向づけられた光線の合計強度は増大されることができ、ディスプレイの輝度も増大されることができる。移動体表示装置のバッテリ寿命が延長され得、光源の費用とその数を、所望する輝度レベルに対して低減することができる。更に、特徴部１２を通過する不必要な光からのクロストークが低減又は削減される。更に、反射器３００は、ディスプレイシステムの場合に搭載され得る薄いフィルム内に形成されてもよく、したがって費用及び厚さを最小化する。代替的に、反射器３００の構造は、例えば、反射器３００の構造をディスプレイケースの一部として成形し、続いて金属化層にてコーティングすることにより、バックライトの後部ケース上に形成されてもよい。これは、堅牢で平らな構造を提供することができ、反射器３００から反射された視野窓２６に対する高い窓品質を達成し、好適である。
【０１７４】
図１３は、線光抽出特徴部１２を伴う導波路１と、線形反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器３００と、を含む指向性表示装置の正面図を示す概略図である。アレイは線形アレイであるため、例えば、図１３では垂直に、線形方向に繰り返す。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。特徴部１２は、反射ファセット３１０の方向に実質的に平行に配置されてもよく、各光線３０４、３０６に対して同じ方向に実質的に位置合わせされている視野窓を達成し、好適である。
【０１７５】
導波路１２のファセット及び、後部反射器３００の反射ファセット３１０は、横方向に直交する共通面と同じ方向に傾斜されてもよい。この例では、反射ファセット３１０は線形であり、つまり、例えば、図１３では水平に、後部反射器３００にわたり直線的に延在する。反射端４は、導波路１にわたる横方向への正の屈折力を有してもよい。したがって、光源アレイ１５からの光は、導波路１からの光により空間光変調器４８のエリアを満たすことを達成するよう低減されているダイバージェンスを有してもよい。正の屈折力は、導波路１内の実質的に光をコリメートするよう構成されてもよく、反射端４の正の屈折力と同じ方向の屈折力を伴うフレネルレンズ６２は、窓平面内に視野窓を形成するよう配置されてもよい。主な拡散軸方向６９を伴う非対称拡散器６８は、光学窓及び視野窓が配置されている（ｙ軸）、横方向に直交する方向（ｘ軸）への高い拡散を達成するよう配置されてもよい。視野窓２６は直交方向に拡散され得る一方で、横方向への低クロストークが達成され、好適である。
【０１７６】
図１４は、湾曲した光抽出特徴部１２を伴う導波路１と、線形反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器３００と、を含む指向性表示装置の正面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。湾曲した特徴部１２は、フレネルレンズを伴わない窓平面１０６にて視野窓２６を達成するよう配置されてもよく、実質的に均一の第１の曲率半径をｘ−ｙ面内に有してもよい。更なる表面によるシステムの厚さ及び光損失は低減され、好適である。更に、反射器３００は、反射ファセット３１０は湾曲されている構成に比較して大型の連続シート材料から切除され得、したがって、以下に説明されるように、費用を低減する。
【０１７７】
図１５Ａは、ｘ−ｙ面に第１の半径を伴う、湾曲した光抽出特徴部１２を伴う導波路１と、湾曲した反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器３００と、を含む指向性表示装置の正面図を示す概略図である。アレイは線形アレイであるため、例えば、図１５Ａでは垂直に、線形方向に繰り返す。この例では、反射ファセット３１０は、例えば、図１５Ａでは水平に、後部反射器３００にわたって延在するが、湾曲しており、線形ではない。特に、反射ファセット３１０は、第１の半径の約２倍であってもよい第２の半径をｘ−ｙ面に有し、図１２の光線３０６を、フレネルレンズ６２を伴わない光線３０４と同じ視野窓へ方向づけるよう配置されている。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。反射ファセット３１０は、反射ファセット３１０からの光線３０６の反射の横方向が、特徴部１２からの光線３０４の反射の横方向と実質的に同じとなるよう、湾曲した光抽出特徴部１２と協働するよう配置されてもよい。このように、光線３０４、３０６により生成される光学窓２６は、実質的に重複していてもよい。クロストークが低減される得る一方で、ディスプレイの輝度が増大され、好適である。
【０１７８】
図１５Ｂは、図１５Ａの導波路１及び後部反射器３００を、重複として示されるコンポーネントを伴って含む指向性表示装置の正面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。領域３０３では、反射器３００の高いポイントが、導波路１の光抽出特徴部１２に接触している。接触のエリアは小さくなり、領域３０３における全反射の損失による光漏れは最小化される。したがって、反射器３００は、導波路１に接触して配置されてもよい。構造の厚さが低減され得、反射器３００の均一の平坦度が、導波路１の構造サポートにより達成され、好適である。
【０１７９】
後部反射器３００と、抽出特徴部１２と、空間光変調器４８の画素と、の間に生じ得るモワレ干渉を低減させることが望ましい。
【０１８０】
上記の例では、後部反射器は、反射ファセット３１０の、一定のピッチを伴う規則的なアレイを備える。対照的に、図１５Ｃは、不規則な、ランダム化されたピッチを有する反射ファセット３１０の、ランダム化された、不規則なアレイを備える後部反射器３００の正面図を示す概略図である。ファセット３１０は、表示装置内のモワレ干渉の出現を途絶させるよう配置されてもよい。ファセット３１０間の領域３１３は、直接反射、通過、又は吸収するよう構成されてもよい。
【０１８１】
図１６は、導波路１を含む指向性表示装置の側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。例えばＬＥＤでもよい光源２０２は、軸上の光線２０６が、法線方向への角度φ  ２１０に傾斜した光線２０８よりも大きな強度を有するよう、極強度プロフィール２０４にて示される、実質的なランバーシアン光出力を空中に生成するよう配置されてもよい。導波路１の入力側面２を通過後、導波路１内の光線２１４に対する極強度プロフィール２１２は、入力側面２での屈折により極強度プロフィール２０４から修正されている。したがって、最大角度範囲φ  ２１０は、導波路１の導波路の材料の臨界角θｃとなるようセットされている。光線２１４は、全反射により導波路１に沿って伝搬し、導波路１の側面４（不図示）にて反射後、光線束２１６は、光抽出特徴部１２に向かって戻る。
【０１８２】
例示としての一例では、４５°の、光抽出フィルタの水平からの傾斜角α  ２３８について、導波路１内を水平（ｘ軸に平行）に伝搬する光線２１８は、垂直方向（ｚ軸に平行）に、導波路１の側面６を通して非対称拡散器６８へ再方向づけられている。拡散器６８は、傾斜角δ  ２２７及び円錐角γ  ２２５を伴う極強度プロフィール２１７を伴って平行ビームを再方向づけるよう配置されてもよい光学機能を含んでもよい。円錐角γ  ２２５は、例えば、ｚ−ｘ面における拡散器６８のピーク光線２１３の半分の強度を伴う、光線２１９の半分の角度とされてもよい。例示としての更なる一例では、傾斜角δ  ２２７は１５°にセットされてもよく、円錐角γ  ２２５は１０°にセットされてもよい。同様に、光線２２０は、ｘ−ｚ面に再方向づけられ、拡散されており、示すように、半分の強度の光線２２１の方向を生成している。
【０１８３】
更に、いくらかの光線２２６は、光線２３１を形成するよう散乱する、（ディスプレイの背面ケースなどの）表面２２９上に入射するよう、光抽出特徴部１２により通過されてもよい。そのような光線２３１は、光源２０２に対して所望する視野窓外となるように散乱される場合があり、不必要な画像クロストークを生成し得る。更に、光線２２４は側面１０にて部分的に反射され、表面２２９に向かって再方向づけられる場合があり、ここで更に光を散乱する。屈折された光線２３７は、ディスプレイ内に高い角度を有し、不必要な、軸をずれた照明を生じさせ、ディスプレイの端部にて散乱し、クロストークを増加させ、ディスプレイの均一性を低減させる場合がある。更に、そのような光線は、表面２２９にて吸収され、ディスプレイの明るさを低減させる場合がある。
【０１８４】
以下に更に詳述されるように、反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器３００によって、画像クロストークを低減させ、ディスプレイの輝度を増大させることが望ましい。
【０１８５】
表示装置の光度は、表示装置により単位立体角あたりの特定の方向に放射されるパワーの計量である。観察者９９により知覚される表示装置１００の輝度は、所与の方向に伝搬する光の単位エリアあたりの光度の測光計量である輝度により導き出される。アレイ１５の照明素子は、各光束を提供する。
【０１８６】
図１７は、導波路１内外の伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。したがって、ランバーシアン強度プロフィールを伴う光源２０２については、強度２１１は、角度φ２１０に対して描画されることができ、空中の光円錐に対して強度曲線２３０を提供し、光弁内の屈折された光円錐に対して曲線２３２を提供する。
【０１８７】
図１８は、導波路１を含む指向性表示装置の更なる側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。したがって、ｚ−ｙ面では、光線２１８は、ｚ軸に平行となる特徴部１２により再方向づけられている。この軸での非対称拡散器では、極強度プロフィール２１５における半分の強度の光線２２３に対する拡散角ε  ２２７は、ｙ軸における光の拡散が制限されていることを意味する。本目的として、ｙ軸は横方向と呼ばれ、アレイ１５における光源２０２のアレイの方向に関連する。したがって、この横方向は、光学窓のアレイが配置される方向である。
【０１８８】
図１９Ａ〜図１９Ｃは、非対称拡散器の正面図及び側面図を示す概略図である。非対称拡散器６８は、例えば、図１９Ａの正面図に示すような、非対称構造２５９を伴う表面特徴部を含む表面レリーフ拡散器を含んでもよい。図１９Ｂは、小さい拡散角ε  ２３５が、横（ｙ軸）方向に達成されるような、ｙ−ｚ面内の側面図を示す。図１９Ｃは、ｘ−ｚ面内の側面図を示し、ここで層２６３内の表面レリーフ構造２５９は、拡散円錐傾斜δ  ２２７及び拡散円錐角γ  ２３３を縦（ｘ軸）方向に達成するよう、名目上の傾斜角φ  ２５７を伴うプリズム構造のアレイを更に含んでもよい。拡散角γ  ２３３は、例えば、コリメートされた入力からの光円錐の半値全幅とされてもよい。自動立体ディスプレイなどの用途では、角度ε  ２３５は、相対的に低い、例えば、低クロストークを達成するための１〜３度とされてもよい。しかし、角度ε  ２３５は、低パワーモード、高輝度モード、プライバシーモードなどの、二次元の用途に使用されているディスプレイ内にて、広い角度での使用に対する視野角を伴う輝度での、均一な出力と、望ましいドロップオフと、を好適に達成するよう、例えば、３度〜２０度以上に、大きくされてもよい。
【０１８９】
拡散器６８は、例えば、ガラス基板、又は、ＰＥＴ若しくはＰＭＭＡなどのポリマー基板とされてもよい、基板２６１上に形成されたＵＶ硬化層２６３を含んでもよいが、これに限定されない。代替的に、表面レリーフは、成形により単一の材料内に形成されてもよい。構造は、ダイヤモンド加工、フォトポリマへのレーザー書き込み、又は他の既知のマスタリング技術によってマスタされてもよい。代替的に、拡散器６８は、非対称フォトマスクを通して吹き込まれたフォトポリマ材料などのボリューム拡散器を含んでもよい。
【０１９０】
指向性バックライトは、第１の誘導面６を通して出力された光を受光するよう配置された非対称拡散器６８を更に含んでもよく、非対称拡散器６８は、横方向に直交する方向に、横方向よりも大きい角度分散を提供するよう配置されてもよい。
【０１９１】
図２０は、銀の光抽出特徴部１２を伴う導波路１の更なる側面図を示す概略図である。本実施形態と比較して、光抽出特徴部を、反射材料２４０にてコーティングすることにより、出力された光を増大させ得ることを考慮してもよい。したがって、全反射単独により達成されてもよい光線２１８、２５４に加えて、光線２５０、２５２は観察者に向かって方向づけられてもよく、ｘ−ｚ面の空中に実質的なランバーシアン出力を達成する。
【０１９２】
図２１は、図２０の導波路１内外の伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。強度曲線２４２は、特徴部１２での反射損失により、曲線２３２よりも低い最大を有する。例示としての一例では、銀コーティングは、全反射した光線に対する実質的に１００％に比較して、９２％未満の反射率を有する場合がある。更に、材料２４０へ特徴部１２を適用するプロセス単独では、複雑かつ高価となり得る。特徴部１２及び特徴部１０の双方が被覆され、費用及び複雑性を低減させることが考慮されてもよい。しかし、特徴部１０に適用された際の材料２４０の吸収は、導波路１の導波路内に誘導された光に対して実質的な損失をもたらす場合がある。
【０１９３】
図２２は、曲線２７０での４５°、曲線２７２での３５°、及び曲線２７４での５５°の傾斜角α  ２３８についての、非対称拡散器６８の前の、光抽出特徴部からの反射による、図１６の導波路１を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。したがって、特徴部１２にて全反射する光線の幅及び角度のカットオフポイントは異なり得る。通常は、ピーク強度の輝度を増大し、軸上のピーク強度を、０°、又は０°付近、例えば、横方向の軸上の光学窓について、空間光変調器４８に対する法線を超えて１０°、に置くことが望ましい。
【０１９４】
図２３は、４５°の光抽出特徴部角度を想定しての、示すような様々な光学特性を伴う非対称拡散器の後の、光抽出特徴部からの反射によって、図１６の導波路１を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。したがって、ピークは、均一性が向上したディスプレイ照明を達成するよう不鮮明にされてもよい。
【０１９５】
図２４Ａは、光抽出特徴部１２の通過及び反射による、導波路１内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。したがって、円錐２８０、２８１内の光線２１８は反射し、円錐２８２、２８３内の光線２２４は特徴部１２により通過し、特徴部１０から部分的に反射し、円錐２８４、２８５、２８６内の光線２２６は特徴部１２により直接通過している。
【０１９６】
図２４Ｂは、光抽出特徴部の通過による、図２４Ａの導波路１を退出する光についての伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。したがって、空中の角度を出力するよう換算されると、円錐２８３内の光線束に対する強度曲線２９２、及び円錐２８５内の光線束に対する強度曲線２９４は、ｓ及びｐの偏光状態でのフレネル反射係数の分析から計算され得る。例示的な本例について、光は弁内で偏光されておらず、角度α  ２３８は４５°であり、導波路１の屈折率は１．５であることが想定されている。２つの光円錐内の合計強度は、曲線２９６により与えられる。
【０１９７】
図２５Ａは、光抽出特徴部１２の通過及び反射ファセット３１０との相互作用による、導波路１内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。光線２２６は、導波路１を通して光を戻すよう方向づけられ、ディスプレイシステムのＳＬＭ  ４８に向かって方向づけられる光線２３９を達成するよう、角度β  ３０５を伴って配置された反射ファセット３１０上に入射してもよい。反射ではなく、ファセット１２を通して方向づけられた光線２２６は、ディスプレイシステムの視野窓２６に向かって方向づけられてもよく、輝度及び効率を増大させ、好適である。
【０１９８】
図２５Ｂは、光抽出特徴部１２の通過、並びに光誘導部１０及び反射ファセット３１０の更なる相互作用による、導波路１内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。そのような光線は反射され、導波路からの光線２４１として退出する。反射ではなく、ファセット１２を通して方向づけられた光線２２４は、ディスプレイシステムの視野窓２６に向かって方向づけられてもよく、輝度及び効率を増大させ、好適である。
【０１９９】
図２５Ｃは、導波路と反射部との間に配置された層２４３を更に備える、光抽出特徴部１２及び光反射ファセット３１０の通過による導波路１内の光線伝搬経路の側面図を示す概略図である。更なる層２４３は、例えば、波長板、拡散器、デフレクタ、又はこれらの組み合わせを備えてもよい。光線２２４は、層２４３への入力にて相対的に高い入射角度を有し、したがって、更なる光線２３７が生成される。一般的には、したがって、導波路１と反射ファセット３１０との間には更なる層２４３が導入されないことが好ましい。
【０２００】
図２６は、反射ファセットのアレイを含む後部反射器を含む導波路１の側面図の詳細を示す概略図である。したがって、反射器３００は、反射ファセット３１０及びドラフト又は中間ファセット３１２を伴う鋸歯構造を含んでもよい。ファセット３１０の垂直からの傾斜角β  ３０５は、以下に説明されるように決定されてもよい。したがって、特徴部１２（若しくは、本明細書にて呼ばれるファセット１２）を通過した光線２２６は、導波路１を通して戻されるよう方向づけられている。光線２２６は、視野窓の輝度を増大させる一方で、視野窓の方向性を維持し、画像クロストークを低減させ、好適である。
【０２０１】
反射器は、エンボス加工フィルムから形成されてもよい。反射器３００は、例えば、ガラス基板又は、ＰＥＴ若しくはＰＭＭＡなどのポリマー基板とされてもよい、又はディスプレイ装置のケースとされてもよい基板３１１上に形成されたＵＶ硬化層３０９を含んでもよいが、これらに限定されない。望ましくは、反射器３００の平坦度は、特徴部１２での全反射により生じる光線３０４により形成された視野窓２６と位置合わせされる、反射器フィルムからの光線３０６により形成される視野窓２６の位置合わせを維持するよう配置される。代替的に、表面レリーフは、成形により単一の材料内に形成されてもよい。構造は、ダイヤモンド加工、フォトポリマへのレーザー書き込み、又は他の既知のマスタリング技術によってマスタされてもよい。代替的に、拡散器６８は、非対称フォトマスクを通して吹き込まれたフォトポリマ材料などのボリューム拡散器とされてもよい。反射材料３１５は、既知のコーティング方法により、反射器の反射ファセット３１０に適用されてもよく、又は、反射ファセット３１０及び中間ファセット３１２に適用されてもよい。反射材料３１５は、望ましい反射率、低散乱、低費用、及び堅牢性を達成するよう、アルミニウム、銀、クロム、酸化シリコン、又は、基板コーティングにて使用される他の既知の材料を含んでもよい。
【０２０２】
光線３２５により例示されるように、ファセット３１０からの光のごく一部は、導波路１の特徴部１２上に入射する。特徴部１２上に入射する光の量は少なく、例示としての一例では、特徴部１２は、ファセット３１０からの光の約２％が特徴部１２上に入射するよう、０．５ｍｍのピッチ上に０．０１ｍｍの幅を有してもよい。しかし、光線３２５は、これらの光線が光学性能を著しく低下させないよう、光線２２６として実質的に同じ視野窓２６へ方向づけられてもよい。
【０２０３】
図２７は、反射ファセットのアレイを含む後部反射器を含む導波路１の側面図の詳細を示す概略図である。この実施形態では、中間ファセット３１２は、特徴部１２から通過した光が、反射ファセット３１０により提供された遮蔽により、中間ファセット３１２から反射しないように配置されるよう構成される、垂直からの傾斜角κ  ３０７を伴って配置されてもよい。
【０２０４】
後部反射器は、導波路１の個別のファセットからの光が、後部反射器３００の複数の反射ファセット３１０上に入射するよう、導波路１から離れていてもよく、後部反射器３００は、後部反射器の反射ファセット間に延在する中間ファセット３１２を更に含んでもよく、中間ファセットは、後部反射器の反射ファセットから反対方向に、導波路の複数のファセットを通過した光源からのこの光が、中間ファセット上に入射しないような角度にて傾斜されている。
【０２０５】
図２７の構成は、均一の反射率を伴ってより便利に製造されてもよく、ディスプレイの組み立てプロセス中の間違った取り付けを受けにくく、好適である。
【０２０６】
図２８Ａは、反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器を含む導波路１の側面図の詳細を示す概略図である。ファセットは、導波路１の特徴部１２に位置合わせされており、被覆してもしなくともよい平面領域３１４は、ファセット３１０と中間ファセット３１２との間に配置されている。
【０２０７】
後部反射器３００のファセット３１０はしたがって、導波路１のファセット１２の各１つの背後に配置されてもよく、導波路１のファセット１２の各１つを通過する光源からの、そこで入射する光の、大部分からすべてまでを反射するよう配置されてもよい。光弁の導波路１の抽出特徴部１２間のモワレパターニングは、図２６及び図２７の実施形態と比較して、最小化されてもよく、好適である。ファセットを通過した光のいくらかは、図３２Ｂに関連して記述されるように、領域１０を通して戻され、後部反射器上に入射することなく、軸をずれた視覚位置に向かって方向づけられることに注意されたい。
【０２０８】
図２８Ａに示すように、後部反射器３００は、中間ファセット３１２と、平面領域３１４と、反射ファセット３１０と、を含む。別の例では、後部反射器３００は、平面領域３１４と、反射ファセット３１０と、を含み、中間ファセット３１２を排除するよう構成されてもよい。この例では、反射ファセット３１０はおおよそ同じ傾斜を維持してもよく、平面領域３１４の傾斜は、平面領域３１４が反射ファセット３１０に結合できるよう、より急な、正の傾斜になってもよい。更に、平面領域３１４は、一般的に上方向に傾斜してもよく、反射ファセット３１０の上端につながってもよい。この例を続けると、後部反射器３００のファセットは、導波路１の特徴部１２に依然としておおよそ位置合わせされてもよい。
【０２０９】
図２８Ｂは、反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器を含む導波路１の側面図を示す詳細概略図である。ファセットは等しく傾斜されているが、好適にランダムに離れているか、又は繰り返し構造を伴って離れており、導波路１の任意の断続的な抽出特徴部１２、及びＳＬＭ  ４８とのモワレ干渉を最小化する。
【０２１０】
図２８Ｃは、導波路１及び後部反射器３００の側面図を示す更なる概略図であり、導波路は、導波路の誘導面６と平行でない光誘導部２２７を備え、反射ファセット３１０のアレイを含む後部反射器と組み合わせて使用されてもよい。ファセット１０により達成される偏向角度は、導波路１の非平行誘導面に対して補正されるよう修正されてもよい。導波路１の厚さは低減することができ、したがって、光学スタックの厚さは最小化することができ、好適である。
【０２１１】
入力端２と反射端４との間に伝搬し、導波路１のテーパにより抽出される光線２５１は、側面６に平行して実質的に方向づけられてもよく、したがって、装置内に吸収されてもよいか、又は、高い角度にて出力されてもよく、そのような光線は観察者によって見ることができなくともよい。
【０２１２】
抽出されたいくらかの光線２５３は後部反射器上に入射し、観察者に向かって方向づけられる場合があり、光源アレイ１５から反射端４への導波路内を伝搬する光のための光学窓の不必要な照明を達成する。この光は削減することが望ましい。
【０２１３】
図２８Ｄは、導波路１、並びに反射ファセット３１０及び非反射ファセット３１２を備える後部反射器３００の側面図を示す概略図である。したがって、光線２５３は、後部反射器３００を通して方向づけられてもよく、光線２５１は光学窓へ方向づけられる。ファセット３１０、３１２に対して異なる反射率を提供するよう、指向性コーティング技術が構成されてもよい。光線２５３に対する迷光視認性は低減されるか、又は削減され、好適である。
【０２１４】
図２８Ｅは、導波路１及び後部反射器３００の側面図を示す概略図である。光抽出特徴部１２は、横方向に直交するｘ軸方向にて変化する、傾斜角α  ３８０、３８２及び反射器ファセット角β  ３８４、３８６を有してもよい。そのような配置は、ディスプレイ幅にわたって変化する出力光線３８８、３９０の方向づけを達成してもよく、したがって、この方向へのいくらかの瞳孔調整（pupillation）を提供し、ｘ方向への視野窓内の光のいくらかの集束を達成する。更に、後部反射器の反射ファセットは、反射ファセットのアレイにわたって変化する傾斜を有する。ピーク光強度はしたがって、導波路１内に伝搬する光経路に沿う異なる位置から、窓平面１０６にて光学窓２６０に向かって方向づけられてもよい。使用においては、光源アレイは、光が、ディスプレイの上又は下のそれぞれに向かう下向きのバイアス又は上向きのバイアスのいずれかに方向づけられ得るよう、指向性バックライトの一側面に配置されてもよい。ディスプレイの輝度及び均一性が増大され得、好適である。
【０２１５】
後部反射器３００の反射率は、図２６に示す反射率と比較して、例えば、費用を低減させる一方で、増大させることが望ましい。高い反射率の平面反射器は、単軸重合体材料などの、異なる複屈折特性を伴うサンドイッチ状の材料を延ばして形成されてもよい。各層間の屈折率ステップは、１つの電気ベクトルの方向に対する通過、及び直交ベクトルに対する反射を達成してもよい。そのような反射器を直交して位置合わせすることで、高い反射率の反射器が、金属化構造に対する反射率を超える、例えば９５％の反射率を超える反射率を伴って達成されてもよい。
【０２１６】
図２８Ｆ〜図２８Ｉは、後部反射器を形成する方法の側面図を示す概略図である。反射層５７１、５７２を交差する反射器シート５６９は、図２８Ｆ〜図２８Ｇに示すように、表面レリーフ反射器５７１、５７２を達成するよう、スタンピングツール５７０による圧力の下で加熱され、エンボス加工されてもよい。構造が確実に双方の反射器に形成されるようにするため、マッチングスタンピングツール５８４が層の裏面に提供されてもよい。代替的に、第１の反射器５７１及び第２の反射器５７２は、図２８Ｉに示すように、個別に形成されてもよく、後部反射器のスタックとして配置されてもよい。後部反射器の反射率は、例えば、図２６に示すように、金属化構造に比較して増大され得、好適である。
【０２１７】
図２８Ｊ〜図２８Ｋは、後部反射器の正面図を示す概略図である。互いに直交する各偏光方向５８０、５８２に偏光された光を反射するよう配置された少なくとも２つの偏光反射器シート５７６、５７８であって、反射ファセットのこの線形アレイを形成するよう成形されたこの偏光反射器シートにより、後部反射器３００は形成されている。湾曲した反射ファセット３１０の方向は、図２８Ｊに示すように、偏光方向５８０の１つに実質的に平行とされてもよく、又は図２８Ｋに示すように、４５度とされてもよい。上部反射器５７２の方向は、好適な入射偏光状態に対して最大の反射率を好適に達成するために位置合わせするよう配置されてもよい。
【０２１８】
図２９は、反射ファセットのアレイを含む後部反射器を含む導波路１の更なる側面図の詳細を示す概略図である。ｙ−ｚ面の断面図を示す。したがって、導波路１の導波路１から通過した光線３２１は、反射器３００の反射ファセット３１０に向かって方向づけられている。反射された光は、導波路１のファセット１２での全反射により方向づけられた光線２１８に平行となるよう、導波路１を通過する。このように、光線３２１は、光線２１８と同じ光学窓へ方向づけられ、したがって、クロストークが最小化される一方で、輝度が増大する。
【０２１９】
図３０は、非対称拡散器の前に、反射ファセットのアレイを含む後部反射器を伴う導波路１を含む指向性バックライト装置からの伝搬角度３２０に対する光度２１１のグラフを示す概略図である。図２４Ｂからの曲線２９６は、空間光変調器４８に対する法線を中心とする方向に偏向され、図２３からのＴＩＲ光曲線２７０に加えられており、非対称拡散器６８の前の、空中での合計強度分布３２４を達成する。ピーク強度が、ＴＩＲ曲線２７０単独からのピーク強度の２倍を超え得ることが観察され得る。輝度におけるそのような所望する増大は、曲線２９６が、曲線２７０と重複するよう配置された際に達成され得る。
【０２２０】
光線３０４について、そのような条件の限度は、屈折率ｎの材料及び臨界角θｃを伴う、導波路１内に伝搬する誘導光線が、（π／２−α）の第１の誘導面６に対する法線への傾斜角を有する特徴部１２上に臨界角にて入射する際に生じ得る。そのような光線３０４は、空中での出力角度χ１を、
χ１＝ｓｉｎ−１（ｎ．ｓｉｎ（α−θｃ））                    式１
にて有する。
【０２２１】
後部反射器の反射ファセット３１０は、第１の誘導面に対する法線への角度νにて、第１の誘導面に実質的に平行に伝搬することに続いてファセット３１０により反射される光線３０６について、空中での出力角度χ２が、
χ２＝π／２−２β                                          式２
により与えられるよう、傾斜されてもよい。
【０２２２】
したがって、角度β  ３０５は、光線３０４及び光線３０６が視野窓２６内に角度重複を達成し、増大した輝度を達成するよう、以下の条件により配置されてもよい。
２β＞π／２−ｓｉｎ−１（ｎ．ｓｉｎ（α−θｃ））            式３
【０２２３】
したがって、導波路１のファセット１２は、第１の誘導面６に対する法線に対して角度（π／２−α）にて傾斜されてもよく、後部反射器３００の反射ファセット３１０は、第１の誘導面６に対する法線に対して角度β  ３０５にて傾斜されてもよく、２β＞π／２−ｓｉｎ−１（ｎ．ｓｉｎ（α−θｃ））であり、ここでθｃは導波路のファセットの臨界角であり、ｎは導波路の材料の屈折率である。第１の誘導面６と光誘導部１０との間に傾斜がある構成では、式３の式はそれに応じて変化してもよい。
【０２２４】
例示としての一例では、導波路１の屈折率は１．５とされてもよく、臨界角はしたがって４１．８°とされてもよく、ファセットの角度αは４５°とされてもよく、図１２にて光線３０４、３０６により表される光線ファンの角度強度プロフィール間に実質的な空隙を伴うことなく、増大された輝度ゲインを達成するよう、ファセット３１０の角度β  ３０５は４２．６°以上となるようにセットされてもよい。
【０２２５】
図３１は、後部反射器を伴う導波路１を含んでもよい指向性バックライト装置からの伝搬角度３２０に対する光度２１１のグラフを示す概略図である。後部反射器は、非対称拡散器の後に反射ファセットのアレイを含んでもよい。前述のように、非対称拡散器６８は、ディスプレイに対して横方向に直交する方向に観察者が動くにしたがい、出力ピークを不鮮明にし、ディスプレイにわたる照明の不均一性を低減する。
【０２２６】
図３２Ａは、後部反射器を伴う導波路１を含んでもよい指向性バックライト装置からの伝搬角度３２０に対する光度２１１のグラフを示す概略図である。後部反射器は、非対称拡散器の後に反射ファセットのアレイを含んでもよい。ファセット１２の傾斜角α  ２３８、反射ファセット３１０の傾斜角β  ３０５、及び、角度γ  ２３３及び角度δ  ２２７を含む非対称拡散器の特性の様々な構成３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０が示されている。中央の輝度は、許容可能な視野角にわたり、広い強度分布を伴って実質的に増大され得、好適である。
【０２２７】
図３２Ｂは、角度α  ２３８及び角度β  ３０５の構成３４４、３４６、３４８に対する、反射ファセットのアレイを伴う後部反射器を伴う導波路を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度３２０に対する光度２１１のグラフを示す概略図である。グラフは、図３２Ａに対するものより広い角度にわたって示されており、例えば、図２５Ｂに示すように光線２３７及び光線２４１からの光度を含む。したがって、軸をずれた照明ピーク３４９は、高い、軸をずれた視覚位置に対して観察され得る。
【０２２８】
図３２Ｃは、非対称拡散器６８の後に、反射ファセット３１０のアレイを伴う後部反射器を伴う導波路１を伴う指向性バックライト装置からの伝搬角度３２０に対する光度２１１のグラフを示す概略図である。構成３５４は、ランバーシアン分布３５０に比較して約２のゲインを有するプロフィール３５２と同様のプロフィールである光度分布を提供してもよい。拡散角γ  ２３３を、例えば１５°に更に増大することは、ピーク形状の類似性を更に増大し得る。ピーク光度は、軸上の視覚に対して実質的に最大化されてもよく、そのような構成は、装置が、横置き作動モードと縦置き作動モードとの間を回転する必要がある移動体表示装置に対して特に有利である。構成３５６は、例えば、図２５Ｃに示すように、更なる層２４３に対して示されており、層２４３での光線２３７の増大された反射に関連する損失を示す。
【０２２９】
図３２Ｄは、アレイ１５が導波路１の長端部に沿って配置されている際に、テーブル面３６６上に配置され、横置き配置にて閲覧されたディスプレイ１００における、本指向性バックライトの実施形態の光出力の使用の側面図を示す概略図である。ピーク３４９は、１／ｃｏｓχにて変化する輝度を提供し、ここで角度χ  ３２０はディスプレイの視野角である。例えば、４５°を超える高い視野角３６４では、観察者３６２に対するディスプレイの輝度は、小さく分解された表示エリアにより、実質的に増大してもよく、ディスプレイは、そのような高い角度での低電力消費に対して、高い輝度の画像を達成するよう使用されることができ、好適である。
【０２３０】
図３２Ｅは、後部反射器のファセットが、抽出ファセット１２を伴う導波路１を備える光弁の各位置合わせされた光抽出特徴部からの光を結像するよう配置されている、後部反射器の側面図を示す概略図である。後部反射器７００の反射ファセット７１０は凹面であり、導波路１のファセット１２と位置合わせされるよう配置されている。光抽出ファセット１２からの光線７１４は、後部反射器７００の湾曲した反射器７１０上に入射する。ドラフト領域７１２は、凹面反射器７１０を連結するよう提供されている。作動において、反射器７１０は、導波路１の抽出特徴部１２での実質的な集束を伴って配置されている。特徴部１２からの光はしたがって、実質的にコリメートされており、導波路１を通過する。抽出特徴部のピッチ７１６は、反射器７１０のピッチ７１８と実質的に同じにセットされている。
【０２３１】
図３２Ｆは、図３２Ｅの構成を含む指向性バックライト装置からの伝搬角度に対する光度のグラフを示す概略図である。したがって、光度プロフィール７２０は、例えば、図２７の配置により達成されるピークよりも鋭いピークを有する。
【０２３２】
本実施形態では、凹面は、図３２Ｅに示すように、ｘ−ｚ面における反射ファセット７１０の曲率とみなし、湾曲は、例えば、図１５Ａに示すように、ｘ−ｙ面における反射ファセット３１０の曲率とみなす。後部反射器のファセットは、ｘ軸及びｙ軸の双方にて非常に高いゲイン特性を伴う視野窓を好適に達成するよう、凹面及び湾曲とされてもよい。更に、拡散器層は、所望する出力特性を調律するよう配置されてもよい。後部反射器ファセット７１０からの反射は、導波路１のファセット１２からの直接反射と重複するよう配置され得る。そのような構成は、非常に高い輝度ディスプレイを低電力消費にて好適に達成し得る。配向角度α  ２３８は、ファセット１２上の光入射の大部分が、後部反射器ファセット７１０へ通過するよう、高い値を伴って構成されてもよい。
【０２３３】
ファセット７１０とファセット７１２との間の角度は、本実施形態の各所で説明するように、偏光再循環を達成するよう実質的に９０°にセットされ得る。
【０２３４】
図３３Ａは、後部反射器を伴う導波路１を含んでもよい指向性表示装置の側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。後部反射器は、反射ファセットのアレイと、フレネルレンズと、非対称拡散器と、を含んでもよい。フレネルレンズ６２は、ｘ−ｚ面での屈折力を伴って配置されてもよい。このように、光の角度強度は、例えば、図３２に示すように変化することができる一方で、フレネルレンズ６２は、窓平面１０６にて視野窓２６に方向づけられた光の瞳孔調整を達成してもよい。したがって、位置３５４での観察者の目については、実質的に均一の強度が、空間光変調器４８の高さにわたって見られてもよく、好適である。
【０２３５】
指向性バックライトはしたがって、少なくとも横方向の屈折力を有し、導波路の第１の誘導面と非対称拡散器との間に配置されたフレネルレンズ６２を更に含んでもよく、少なくとも横方向の屈折力を有し、第１の誘導面を通して出力された光を受光するよう配置されたフレネルレンズを更に含んでもよい。更に、フレネルレンズは、横方向に直交する方向に屈折力を有してもよい。
【０２３６】
輝度、視覚的自由度、及びクロストークを最適化するため、光抽出特徴部１２及び反射ファセット３１０の双方から反射された光に対して、単一の視野面１０６内に重複窓２６を達成することが望ましい。更に、湾曲した光抽出特徴部１２を使用することにより、装置の厚さ及び複雑性を低減させることが望ましい。光抽出特徴部１２の所与の曲率半径に対する、反射ファセット３１０の曲率半径を計算する方法をここで説明する。
【０２３７】
図３３Ｂは、面内（ｘ−ｙ面内）角度１５５０を有する誘導入射光線１５００の任意の経路を示す概略図である。その面外角度１５５２に応じて、光線は、抽出特徴部１２を反射し、光線１５１０として閲覧者に向かってガイドを退出するか、又は、特徴部１２を通過し、反射ファセット３１０を反射し、光線１５２０として退出するか、のいずれでもよい。光線トレーシングは、偏向角度１５６０及び偏向角度１５７０を、抽出特徴部１２の面内の方向１５８０と、反射器ファセット３１０の面内の方向１５９０と、に関連させ得る。
【０２３８】
図３３Ｃは、軸１６３０に沿う反射器面内の配向角度１５８０及び反射器面内の配向角度１５９０の関数として、軸１６２０に沿う光線の退出角度１５６０及び退出角度１５７０の一例を示すグラフの概略図である。トレース１６１０は、抽出特徴部を反射する、−ｘ伝搬光線（図３３Ｂにてゼロに等しい角度１５５０）のトレースであり、トレース１６００は、反射器ファセットを反射する同様の入射光線のトレースである。これら２つのトレース間の勾配における約１０％の差異は、２つの光線路に対して同じ退出角度又は焦点を提供するために必要な方向における差異を決定してもよい。これは、湾曲した反射フィルムのファセット半径が、焦点を合わせるために、光弁の湾曲した抽出特徴部の曲率半径よりも約１０％短くともよいことを示す。代替的に、反射器ファセット及び光抽出特徴部の半径は、実質的に同じとされてもよい。代替的に、半径は、視野窓が、異なる窓平面内に異なるサイズにて生成されるよう異なってもよい。ディスプレイの均一性及び縦方向の視覚的自由度は増大されてもよく、好適である。更に、モワレは、２つの構造とＳＬＭ  ４８の画素の構造間にて低減されてもよい。
【０２３９】
例示としての一例では、サイズが７５×５０ｍｍのディスプレイは、導波路１及び後部反射器３００を備える光弁により照明されてもよい。窓平面１０６の距離は、３００ｍｍとなるようセットされてもよい。導波路の１．５の屈折率について、光抽出特徴部１２の曲率半径は、約４５０ｍｍとされてもよい。半径は、特徴部１２の径方向のピッチが、横方向に直交するｘ方向に一定に維持され得ながらも、横位置に若干変化してもよいように、固定されてもよい。後部反射器３００の反射ファセット３１０の半径は、約４００ｍｍとされてもよい。
【０２４０】
例示としての更なる一例では、構造のピッチは、様々な構造間のモワレ干渉を最小化するよう、異なってセットされてもよい。後部反射器ファセットのピッチは、例えば、４０マイクロメートルとされてもよく、導波路１の特徴部１２の特徴部のピッチは、２００マイクロメートルとされてもよく、拡散器の特徴部のピッチは、１０マイクロメートル以下のオーダーとされてもよく、空間光変調器の画素のピッチは、２５×７５マイクロメートルとされてもよい。導波路１と反射器３００との間に、２５０マイクロメートルの間隔が導入されてもよい。モワレは、実質的に削減されることができる。
【０２４１】
図３３Ｄは、側面２のエントランスアパーチャに沿う位置１６３０に向かう光線１６７０として伝搬する前の、単一の名目上の視覚ポイント１６００から発散し、位置１６１２にて抽出特徴部１２又は反射器ファセット３１０のいずれかに入射し、光線１６６０としての光弁１内に誘導され、湾曲した端部４に反射する、光線１６５０の光線路を示す概略図である。
【０２４２】
図３３Ｅは、同様の入射光線１６５０及び入射光線１６５１からの２つの任意の経路を示す概略図である。システムを通してのこれら光線のトレーシングは、システムの最適化を可能にする。同じ位置１６００から発散する光線に対する、図３３Ｄ内の位置１６３０の局所化が望ましい。
【０２４３】
図３３Ｆは、光弁を二分する水平線に沿う、ｍｍでの異なるエントランス位置１７１２に対する、側面２でのエントランスアパーチャに沿う、ミリメートル（ｍｍ）でのトレースされた光線位置１７１０を示す、結果としてのグラフを示す概略図である。このグラフでは、視覚位置１６００は、４００ｍｍの視覚距離にある弁に直角に、中心に置かれている。グラフに示す２つのトレースは、図３３Ｅに描かれた２つの光線路オプションに対するトレースである（抽出特徴部を反射する光線については１７５０であり、反射器ファセットを反射する光線についてはトレース１７６０）。湾曲した反射部の半径、及び結像表面４の半径は、側面２のエントランスアパーチャに沿う最良の局所化のために調整されている。この結果は、弁の抽出特徴部の曲率半径よりも１０％小さい反射器ファセットの曲率半径と一致している。異なる軸をずれた視覚位置及び視覚距離について最適化することは、より小さい半径を有する反射フィルムを伴う、最良の性能のための、互いに０〜１２％内に収まる抽出特徴部及び反射ファセットの相対半径値を提示する。
【０２４４】
言い換えれば、窓平面１０６への導波路及び反射器３００からの距離は、特徴部１２から直接反射された光に対して、及び、特徴部１２を通して方向づけられ、反射ファセット３１０から反射されて、導波路１を通って戻る光に対して、実質的に同じとされてもよい。視野窓は、増大された輝度及び視覚的自由度を達成する一方で、画像クロストークを低減するよう、実質的に位置合わせされることができ、好適である。
【０２４５】
液晶ディスプレイなどの透過型空間光変調器４８は通常、所与の第１の偏光の、偏光された入力された光を必要とする。輝度及び効率を最適化するため、以下に説明するように、第１の偏光の光と、光反射ファセット３１０を備える本実施形態での第１の偏光状態に直交する、第２の偏光の光と、の双方を使用することが望ましい。
【０２４６】
図３４は、偏光回復を伴う指向性表示装置の一実施形態の側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。指向性表示装置は、上記のように構成されている、導波路１及び照明アレイ１５を含み、並びに、導波路１からの出力された光を受光するＳＬＭ  ４８を含む。表示装置は更に次のコンポーネント、すなわち、フレネルレンズ６２、半波長リターダ４０４などのオプションのフェーズリターダ、非対称拡散器６８、反射偏光器４０２、及び、空間光変調器４８への入力におけるクリーンアップ偏光器４０６を直列に、導波路１とＳＬＭ  ４８との間に含む。プリズム反射フィルム３００はＳＬＭ  ４８の第２の誘導面の背後に配置されており、後部反射器として機能する。
【０２４７】
作動中において、導波路１の第１の誘導面と、第１の偏光コンポーネントを通過させるよう配置されているＳＬＭ  ４８との間に配置されている反射偏光器４０２により、導波路１内に伝搬する無偏光光線４０８は、反射偏光器４０２及びクリーンアップ偏光器４０６を通過する第１の偏光を伴って、上述のように、光線４１０として視野窓２６に方向づけられている。第１の偏光に直交する偏光を有する第２の偏光コンポーネントの光線４１０は、不要光として反射偏光器４０２によって反射され、導波路１を通してプリズム反射フィルム３００に伝送され、ここでそれらの光は反射し、光線４１２として方向づけられてＳＬＭ  ４８に戻る。窓２６における光線４１２の垂直位置はしたがって、光線４１０の位置と異なることができる。しかし、そのような光線は、同じ光学窓指向性を横（ｙ軸）方向に含むことができる。
【０２４８】
プリズム反射フィルム３００は、以下に記述するように、不要光の偏光を第１の偏光に変換する。
【０２４９】
反射器３００のプリズム表面上に配置された反射コーティング３１５は、例えば、その厚さを制御することにより、低い強度を伴う光線４５４が、ディスプレイ構造の後部へ方向づけられ、部分的に通過するよう配置されてもよい。マスク４５０は、例えば、製品のブランディングを目的として、ディスプレイの後部へ光を方向づけるよう構成されたアパーチャ４５２を伴って配置されてもよい。
【０２５０】
図３５Ａは、図３４の偏光回復を伴う指向性表示装置の詳細の側面図を示す概略図である。指向性表示装置は、指向性バックライトと、透過型空間光変調器と、を含んでもよい。図３５Ｂは、例示としての一例での、反射器３００と、導波路１と、拡散器６８と、の配置の側面図を示す。図３５Ｃは、図３４の偏光回復実施形態の模式的な正面図を示す概略図である。明確にするため、フレネルレンズ６２及び拡散器６８は図３５Ａ〜図３５Ｃに示していない。
【０２５１】
導波路１の導波路内を伝搬する光線４０８は、無偏光の光状態４３０を含む。上に記述するように、光抽出特徴部１２からの全反射により反射した光線は実質的に無偏光であり、反射偏光器４０２に入射する。
【０２５２】
反射偏光器４０２を通過した光線４１０は、空間光変調器４８のクリーンアップ入力偏光器４０６の伝送軸上に第１の偏光コンポーネント４３６を方向づけるよう配置された、適切に配向された光軸方向４３７を伴う半波長リターダとされてもよい、オプションのリターダ４０４を通して方向づけられている。望ましくは、偏光器４０２及び偏光器４０６の偏光伝送軸は、リターダのスタックとされてもよいリターダ４０４内の軸をずれた遅延バリエーションの視認性を最小化するよう、実質的に平行である。
【０２５３】
拡散器６８は、垂直（ｘ軸）拡散角γ  ２２３及び水平（ｙ軸）拡散角ε  ２３５を伴ってスタック内に挿入されてもよく、必要に応じて、偏向δ  ２２７を垂直（ｘ軸）方向に更に提供する。拡散器６８は、導波路１とＳＬＭ  ４８の入力偏光器４０６との間に配置されてもよい。望ましくは、拡散器は、実質的に反射偏光器４０２の前の光線路を変えず、したがって、反射偏光器とクリーンアップ偏光器との間に配置されている。更に、拡散器は、導波路１と反射ファセット３１０との間に組み込まれてもよいが、しかし、例えば、高い入射角度に関連する、図３２Ｃに示す損失が見られる場合がある。
【０２５４】
空間光変調器４８は更に、ガラス基板、液晶層４２２、及び出力偏光器４２６等の基板４２０、４２４を含むことができる。
【０２５５】
不要光として反射偏光器４０２により反射された光線４１２は、導波路１を通過し、プリズム反射フィルム３００上に入射する。プリズム反射フィルム３００は、複数の対の反射コーナーファセット３１０、３１２の線形アレイを含んでもよい。コーナーファセット３１０、３１２は、個別の光線４１２が一対のコーナーファセット３１０、３１２から反射するように、共通面において反対方向に傾斜している。コーナーファセット３１０、３１２が傾斜しているその共通面は、後部反射器が、空間光変調器に供給し戻された、不要光の偏光を、一対のコーナーファセットからの反射における第１の偏光に変換するよう、ＳＬＭ  ４８に対する法線の周囲に配向されている。これは、反射器２００での第２の偏光コンポーネントの偏光に対して４５°で延在する共通面によって実現されてもよい。
【０２５６】
したがって、図２０に示すように、光線４１２はプリズム反射フィルム３００の両ファセット３１０、３１２によって反射される。光線４３４は、図３５Ｃに示すように、プリズム反射フィルム３００の細長いプリズムファセット３１０、３１２に対して４５°の角度で、偏光状態４３４を伴って入射する。ファセット３１０、３１２での反射後、各傾斜ファセット３１０、３１２での反射におけるそれぞれの相変化によって、偏光状態４３４が偏光状態４３６に回転されるよう、偏光状態回転が実現されている。したがって、空間光変調器４８を通して出力される光線４１２は、光線４１２の偏光状態４３２と実質的に同じである偏光状態４３６を有する。
【０２５７】
例示としての一例では、図３５Ｂに示す頂角４０５が９０°にセットされ、ファセット３１０、３１２が、ｘ−ｚ面での光線４１２の逆反射を達成し、状態４３４の、反射における状態４３６への偏光反射を達成するように配置されるよう、導波路１の特徴部１２の角度α  ２３８は４５°にセットされてもよく、角度β  ３０５は６０°にセットされてもよく、角度κ  ３０７は３０°にセットされてもよい。頂角４０５が９０°とは異なる角度にセットされている場合、入射偏光状態４３４の角度は、偏光状態４３４の完全な回転が達成されない場合でも、偏光再循環を最適化するよう、ｙ方向におけるファセット３１２、３１０の範囲に比較して、調整されてもよい。図３２の曲線３３２により示されるように、拡散器角度γ  ２２５及び拡散器角度δ  ２２７は、それぞれ１５°及び−１５°にセットされてもよく、これは、光線４１１を光線４１０へ加えることで、２倍に増大して、輝度を増大させることができる。更に、光線４１１、４１２は、ディスプレイの輝度が、最大で２倍に更に増大され得るよう、偏光再循環されてもよい。したがって、ディスプレイの合計輝度は、光線４１０により達成される輝度と比較して、最大で４倍に増大されてもよい。
【０２５８】
図３５Ｄは、図３５Ｃの配置にて代替的に使用されてもよい対称拡散器の正面図を示す概略図である。そのような対称拡散器は、ｙ軸での望ましい拡散の量が、ｘ軸での望ましい拡散の量と同等である構成にて使用されてもよい。例示としての一例では、ｙ軸における、１２度の半値全幅の拡散角は、３００ｍｍ×６０ｍｍの窓平面１０６での、名目上の幅を有する、（複数の光学窓により構成されてもよい）視野窓を達成するよう、高い輝度の二次元ディスプレイ、又は低電力消費の二次元ディスプレイを伴って構成されてもよい。同様の拡散角は、図３２Ｃに示すプロフィール３５２と同様の光度のバリエーションを達成するよう、ｘ軸にあることが望ましい。
【０２５９】
図３５Ｅは、導波路１と、後部反射器３００と、光学制御層５０４と、空間光変調器４８と、を備える光弁を備える光学スタックアップの斜視図を示す概略図である。導波路１の反射端４は、フレネルミラーを備えてもよく、テーパ領域５００は、発光素子アレイ１５から導波路１内への増大された光の連結を達成するよう、導波路１に導入されてもよい。アパーチャ領域５０３を伴う遮光層５０２は、バックライトの端部をディスプレイの観察者に対して隠すように配置されてもよい。光学制御層５０４は、本実施形態の各所で説明するように、反射偏光器と、リターダと、拡散器層と、を備えてもよい。空間光変調器４８は、入力偏光器４０６と、ＴＦＴガラス基板４２０と、液晶層４２２と、カラーフィルタガラス基板４２４と、出力偏光器４２６と、を備えてもよい。赤い画素５１６と、緑の画素５１８と、青い画素５２０は、液晶層内に配置されてもよい。
【０２６０】
図３５Ｆ〜図３５Ｉは、光学制御層５０４と、空間光変調器４８と、を備える光学スタックアップの側面図を示す概略図である。図３５Ｆは、反射偏光器４０２と、半波長リターダ４０４と、拡散器６８と、を備えてもよい光学制御層５０４を示す。偏光器４０６、４２６は、ヨウ素及び延伸ＰＶＡなどの偏光吸収層５３２をそれぞれ備えてもよく、封止層５３０、５３４を更に備える。図３５Ｇは、光学制御層５０４が、例えば、感圧接着剤層（不図示）によって、入力偏光器４０６に取り付けられている、更なる実施形態を示す。拡散器６８は、層５０４の入力側面に形成されてもよい。光学損失は、図３５Ｆの構成に比較して低減されており、ディスプレイの効率を増大させ、好適である。
【０２６１】
層の数を更に低減させることが望ましい。図３５Ｈは、入力偏光器４０６の入力封止層５３６が、例えば、図３８Ａ〜図３８Ｂに説明するように、偏光回転を達成するために、更なるリターダ機能を備えてもよいことを示す。層５３４は、ＴＡＣ（セルローストリアセテート（Cellulose triacetate））を備えてもよく、層５３６は、例えば、ＴＡＣ−Ｒを備えてもよく、半波長遅延機能を更に備える。したがって、空間光変調器の入力偏光器は、光学リターダである封止層を備えてもよい。
【０２６２】
拡散器６８は、偏光再循環の効率を増大するよう、反射偏光器４０２と空間光変調器４８との間に提供されることが更に望ましい。そのような構成は、図３５Ｉに示すように達成され得、ここで拡散接着剤層５３８は、反射層４０２と画素面４２２との間の位置に組み込まれている。拡散接着剤層は、例えば、接着剤層５３８内の偏光解消効果を最小化する一方で、望ましい拡散特性を達成するよう、高い屈折率及び低い屈折率の異なる領域により提供されるよう組み込まれてもよい。光学制御層及び空間光変調器の組み合わせの費用及び複雑性は低減され得る一方で、光学効率は増大され得、好適である。
【０２６３】
図３６Ａ〜図３６Ｂは、拡散器層６８を更に備える、図３５Ａに示すものと同様の偏光回復構成の更なる側面図を示す概略図である。拡散器６８は、低い複屈折率を有してもよく、リターダ４０４を伴って配置されてもよく、図３６Ａに示すように、リターダ４０４の表面上に形成されてもよい。反射偏光器４０２により反射された光線４０３は、後部反射器の領域上に入射し、特徴部１２によって導波路１内に再方向づけられてもよい。（ファセット３１０、３１２を備える）後部反射器のコーナー反射器のエントランスアパーチャ内の光線４０１は、拡散器６８により逆反射され、円錐４０７内に方向づけられる。
【０２６４】
図３６Ｂでは、拡散器６８は、導波路１と反射偏光器４０２との間に配置されており、反射偏光器４０２上に形成されてもよい。したがって、光線４０９の拡散は、導波路内に戻されて方向づけられる光線４０３の割合を変更し得る。偏光再循環特性は異なることができ、好適である。
【０２６５】
図３７Ａ〜図３７Ｂは、位置合わせされた後部反射器を使用する偏光回復構成の側面図を示す概略図である。更に、図３７Ｂは、図２８Ｃに示す導波路と同様の導波路と、図２８Ａに示す後部反射器と同様の後部反射器と、を使用する。光線４１７は、平面反射領域３１４により実質的に反射されることができ、好適である。反射された光線４１７が反射偏光器４０２を通過するよう、反射された光線４１７の偏光状態を回転するための更なる１／４波長プレート３９８が配置されてもよい。ディスプレイの光度が特定の視野角に対して増大され得、好適である。
【０２６６】
図３７Ｃは、光散乱特徴部と、後部反射器３００と、を更に備える導波路１を備える光弁の側面図を示す概略図である。作動において、反射端４に位置合わせされた発光素子アレイ１５を備える入力端２から伝搬する光は、例えば、モード連結損失、又は、スクラッチ若しくはツーリングマークの場合がある散乱特徴部５４０により、散乱損失が生じる場合がある。したがって、光線５４２は、導波路１を退出してもよく、後部反射器３００、特にドラフトファセット３１２上に入射してもよい。
【０２６７】
図３７Ｄは、光散乱特徴部５４０と、後部反射器３００と、を備える光弁の外観の正面図を示す概略図である。作動において、アレイ１５の光源は、特徴部５４０の濃度及び形態に依存して、アレイ１５から導波路１の反射端４へ伝搬するよう出現する光の暗い領域５４４内に、帯領域５４６の出現を生成する。領域５４６の視認性を低減させることが望ましい。
【０２６８】
図３７Ｅは、導波路１と、光散乱特徴部５４０と、粗い反射表面とされてもよい光散乱ファセット面３１２を更に備える後部反射器と、を備える光弁の側面図を示す概略図である。ファセット３１０は通常、鏡面反射する反射表面とされてもよいが、若干粗い表面でもよい。粗さは、少なくともｙ−ｚ面に提供されてもよく、また、図３７Ｅに示すように、ｘ−ｚ面であってもよい。したがって、ファセット３１２上に入射する光線５４３は、図３７Ｃの光線よりも広い円錐に散乱される。
【０２６９】
図３７Ｆは、光散乱特徴部と、光散乱ファセット３１２表面を更に備える後部反射器３１０と、を備える光弁の外観の正面図を示す概略図である。したがって、領域５４８は、図３７Ｄの領域５４６と比較して低いピーク輝度を伴う三角形状を有してもよい。そのような出現は、拡散器６８により実質的に隠されてもよい。
【０２７０】
図３７Ｇは、起伏構造を備える光弁の光抽出特徴部の斜視図を示す概略図である。そのような起伏構造は、線光抽出ファセット１２に適用され得、光抽出ファセット１２と、ＳＬＭ  ４８の画素との間のモワレの出現を低減させる。起伏は、例えば、表面形状のダイヤモンド加工中に、カッティング工程中のダイヤモンドの高さ及び横位置を制御することにより、提供されてもよい。
【０２７１】
図３７Ｈ〜図３７Ｉは、鏡面及び粗い反射ファセット３１２のそれぞれに対する、ファセット３１０のピークの起伏軌跡５６０を備える起伏構造を備える後部反射器の斜視図を示す概略図である。更に、モワレは、ファセット１２と、ファセット３１０、３１２との間に存在する場合がある。起伏は、モワレの出現を低減させるよう配置され得る。
【０２７２】
本明細書にて使用されるように、ファセットのアレイ又は特徴部に適用される形容詞「線形（linear）」は、アレイが線形アレイである、又はアレイ内のファセットが線形方向に繰り返すことを意味する。対照的に、ファセット又は特徴部に適用される形容詞「線形（linear）」は、ファセット又は特徴部それら自体が線形であることを意味する。しかし、一般的に、線形アレイにおけるファセット又は特徴部は、線形、又は湾曲などの別の形状とされてもよい。同様に、ファセット又は特徴部は平面とされてもよく、又は、例えば、それらの長さに沿って起伏している、若しくは粗い、不均一な形状を有してもよい。
【０２７３】
図３８Ａは、例えば、図１５Ａに説明するものと同様に、更なるフレネルレンズを必要とすることなく集束を提供するために、湾曲した抽出特徴部１２と、湾曲した反射ファセット３１０と、を更に備える図３４の偏光回復実施形態の更なる模式的な正面図を示す概略図である。反射器フィルムファセットの異なる方向は、入射線形偏光状態４３４を、横方向（ｙ軸）での位置にしたがって、４３６及び４３７などの異なる偏光方向の１つに回転させる。例示的な例を続けると、ｘ−ｙ面における抽出特徴部１２の曲率半径は約４４０ｍｍとされてもよい一方で、ｘ−ｙ面における後部反射器３００の反射ファセット３１０の曲率半径は〜とされてもよい。偏光再循環は薄い構造内に達成され、増大された輝度と、効率と、低電力消費と、を達成し、好適である。
【０２７４】
図３８Ｂは、図３３Ｄに示す光の修正された光線路を示す概略図であり、これにより、単一の視点１６００（閲覧者９９の目の位置を表す）から発散される光線１６５０は、対向伝搬光線１６８０を生成する前に、反射器フィルムから領域１６１０にて反射する。これは、抽出特徴部１２又は反射器ファセット３１０のいずれかに、実質的に同じ位置１６１０にて当たる前に、反射偏光器４０２から反射されて戻り、続いて導波路１内を光線１６６０として誘導され、湾曲した端部表面４を反射し、最後に光線１６７０として、側面２のエントランスアパーチャに沿う位置１６３０に向かって伝搬する。したがって、ポイント１６００からの光線は、側面２のエントランスアパーチャ内の実質的に同じ位置、したがって、アレイ１５ａ〜アレイ１５ｎの同じ光源に方向づけられ得ることが示され得る。このように、ファセット３１０は、反射偏光器を第１の入射にて通過した光として、同じ方向に偏光変換光を生成するよう構成されてもよい。ディスプレイの視野窓は、増大された輝度及び低クロストークを有することができ、好適である。
【０２７５】
図３９は、入射光線１６５０の、対向伝搬光線１６８０を生成するプリズム反射器フィルムの表面３１０及び表面３１２の二重反射を更に詳細に示す。したがって、ファセット３１０、３１２は、直交面内では鏡面反射であるが、表面３１０、３１２の表面法線に平行する第１の面内に分解される光線１６５０に対する逆反射を提供する、９０°の挟角１６８１を伴って配置されてもよい。
【０２７６】
図４０は、光弁（軸１７１２）を二分する水平線に沿う、ｍｍでの異なるエントランス位置に対する、側面２（軸１７１０）のエントランスアパーチャに沿って（ミリメートルにて）トレースされた光線位置を示すグラフを示す。この例示的な場合での視覚位置１６００は、導波路１の中央からの法線から、（図１２に示すように）表面１０６に対する４００ｍｍの視覚距離での、垂直寸法及び水平寸法の双方において、軸をずれて６５ｍｍである。グラフ内に示す４つのトレースは、再循環光線路オプション（１７７０、１７８０）又は非再循環光線路オプション（１７５０、１７６０）のいずれかと組み合わせられる、図３３Ｅ（１７５０、１７７０は抽出特徴部で反射、トレース１７６０、１７８０は反射器ファセットで反射）に描かれる、２つの光線路オプションに対するものである。湾曲した反射部の半径、及び結像表面４の半径は、軸上視野に対する最適化された局所化のために調整されてもよい。この結果は、再循環光が、正確な照明制御のために必要な原位置と閲覧者位置との間のマッピングを維持する非再循環光の位置に近い原位置にて発散することを提示する。
【０２７７】
例えば、２５，０００ｌｕｘでの輝度照明条件での視覚が可能なディスプレイ、又は、例えば、５００ｃｄ／ｍ２（５００ｎｉｔ）での、望ましい輝度のために、高い効率にて作動し得るディスプレイを達成することが望ましい。本実施形態の指向性バックライトは、従来の二次元バックライトシステムと比較して、狭い角度範囲内へ光を効率的に方向づけ得、したがって、所与の電力消費に対して高い輝度を、又は所与の輝度に対して高い効率を達成することができる。
【０２７８】
図４１は、高い輝度又は高い効率のディスプレイ装置での使用のために、垂直のＬＥＤアレイ１５にて照明される縦置きに配向された光弁導波路１とともに水平の視野窓８００を生成するバックライト構成の正面図を示す概略図である。座標軸は、観察者の空間ではなく、導波路の方向に参照され、したがって、水平の視野窓８００が、左目位置８０４及び右目位置８０６を伴う観察者９９に提供されることに注意されたい。
【０２７９】
反射端４は、反射ファセット８１３からのアレイ１５のソースからの実質的に光をコリメートするよう構成されたフレネルミラーを備えてもよい。抽出特徴部１２及びオプションの光反射ファセット３１０（不図示）との協働が、視野窓８００を形成する。フレネルミラーは、例えば、図３５Ｃに示す半球状の表面４に比較して、小さいベゼルを達成することができ、好適である。フレネルミラーのドラフトファセット８０３は、光学システム内に散乱を提供することができる。そのような高い輝度又は高い効率の二次元ディスプレイでの散乱は、自動立体ディスプレイに望ましい低い画像クロストークの制約なく、視野窓の望ましいレベルの均一性を達成することができる。更に、拡散特性は、ファセット８０３から反射された光の不均一性効果を最小化するために、ドラフトファセット８０３内に組み込まれてもよい。
【０２８０】
入力拡散器８０１は、ｘ−ｙ面での拡散を伴う非対称拡散器とされてもよく、ｘ−ｚ面にて導波路内に連結される光の損失を実質的に増大させることなく、アレイ１５のＬＥＤ間の空隙の視認性を低減させるよう配置されてもよい。入力拡散器８０１は、例えば、グループ８１０の領域内とは異なるグループ８１２の領域内での拡散特性を伴って配置されてもよい。
【０２８１】
ＬＥＤアレイなどの発光素子アレイ１５は、高い輝度出力性能を有してもよいＬＥＤの第１のグループ８０８と、グループ８０８のＬＥＤのピッチ８１４と同様のピッチ８１６を有するＬＥＤの第２のグループ８１０と、グループ８０８のＬＥＤのピッチ８１４よりも大きいピッチ８１８を有してもよいＬＥＤの第３のグループ８１２と、を備えてもよい。更に、グループは組み込まれてもよく、又は、例えば、アレイ１５の中央から、外部領域へ段階的に増大するピッチであってもよい。グループ８０８のＬＥＤは、グループ８１０、８１２のＬＥＤよりも高い輝度出力でありながらも低い効率を有することができる。
【０２８２】
作動において、高輝度作動モードでは、第１のグループ８０８のＬＥＤ  ８０９は、２つの光学窓及びサイズ８０２を含む視野窓８００への光弁配置によって方向づけられてもよい。したがって、位置８０４、８０６に目が位置する観察者９９は、ＳＬＭ  ４８（不図示）の領域にわたる画像を見ることができる。観察者９９の目の動きにしたがい、光学窓は、視野窓が観察者の位置に対応して動き、したがって視覚的自由度を増大するよう調整されてもよい。
【０２８３】
例示としての一例では、斜めのディスプレイは、３．５ｍｍのピッチでの２．６×１ｍｍのサイズの第１のグループ８０８内のＬＥＤによって照明されてもよい。ＬＥＤの出力は６００ｍＷでの５０ルーメンとされてもよく、したがって、窓８００を提供するために１．２Ｗの合計電力が用意されてもよい。携帯電話の用途に適した高さ５０ｍｍの光弁は、視野窓を３００ｍｍの視覚距離にて、約６０ｍｍの窓の高さ８０２を伴って提供するよう構成されてもよい。偏光再循環及びファセット反射フィルム３００の協働では、ディスプレイの軸上の出力輝度は、無偏光の光に対して６．５％の通過のＬＣＤと協働して使用される際に、おおよそ少なくとも２０００ｃｄ／ｍ２（２０００ｎｉｔ）とされてもよい。ディスプレイ前面からの反射は、例えば、５％とされてもよい。２５，０００ｌｕｘの画面照度では、５００ｃｄ／ｍ２（５００ｎｉｔ）の輝度のディスプレイに対する１．３：１の明度比に比較して、５：１の明度比が達成されてもよい。したがって、ディスプレイの明度比は、輝度の高い環境では実質的に向上されることができ、好適である。
【０２８４】
５００ｃｄ／ｍ２（５００ｎｉｔ）のディスプレイ輝度での作動について、３００ｍＷの電力消費が達成されてもよい。ディスプレイの輝度は、従来のバックライト、例えば、３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの、ＥＳＲ（商標）、ＢＥＦ  ＩＩ（商標）、及びＤＢＥＦ（商標）を備えるディスプレイ、及び拡散器での同じ入力電力に対して達成され得るものより実質的に高く、好適である。
【０２８５】
本明細書にて例示としての例を続けると、グループ８０８のＬＥＤは、ワットあたり６０ルーメンの発光効率（ｌｍ／Ｗ）を有してもよい一方で、グループ８１０、８１２のＬＥＤの発光効率は、２０ルーメンのピーク駆動光束にて８０ｌｍ／Ｗであってもよい。ピッチ８１８は、５ｍｍ以上であってもよい。入力拡散器８０１は、変化するＬＥＤ間隔に適合させるために、エントランスアパーチャに沿うその拡散特性において異なってもよい。グループ８１０、８１２内のＬＥＤの費用及び数を低減することができ、好適である。
【０２８６】
例示としての更なる一例では、高さ５０ｍｍのディスプレイは、ミリメートルあたり７ルーメンのアレイパッケージ光束発散度を伴う発光素子アレイ１５を伴って提供されてもよい。軸上の視覚位置に対する１５００ｃｄ／ｍ２（１５００ｎｉｔ）のディスプレイ出力輝度は、約５％の通過のディスプレイとともに達成されてもよい。作動において、５０％の通常の背景ホワイトレベル反射率を伴う、２５，０００ｌｕｘの屋外環境では、順応された目のホワイトレベルは約４０００ｃｄ／ｍ２（約４０００ｎｉｔ）である。順応された目のホワイトレベルに比較された相対ディスプレイ輝度は３７％であり、既知の高い反射率の白黒の電気泳動ディスプレイの反射率に近い。これは、標準的なディスプレイに対して、１５％未満に比較する。したがって、本実施形態の画像の判読率は、高い周囲照明環境において実質的により高い。更に、フルカラーの動画が、屋外での作動に対して達成される。
【０２８７】
図４２Ａは、グループ８１１のＬＥＤにより照明された際に４つの光学窓を含む垂直の視野窓８００を達成する、観察者９９に対して横置き方向に配置された図４１のシステムと同様の照明システムを示す。例示的な例を続けると、視野窓の幅は、４つの光学窓を備える、約１２０ｍｍに増大されることができる。更に、図４２は、高い電流要求を伴うグループ８０８のＬＥＤと、低い電流要求を伴うグループ８１０のＬＥＤと、を個別に駆動するよう配置されてもよいＬＥＤ駆動回路８３０、８３２、８３４及びコントローラ７４を示す。更に、グループ８１２のＬＥＤは、ドライバ８３４の費用を、ドライバ８３０、８３２に比較して低減させるよう、ドライバ８３４により単一のストリングとして駆動されてもよい。このように、ディスプレイの軸に近い角度は、高輝度環境での作動を提供するよう構成され得る一方で、より軸をずれた角度は、観察者を追跡する低電力モードの作動を提供するよう構成され得、ＬＥＤストリング８１２は、ディスプレイが、標準的な二次元ディスプレイと同様の指向性分布である、広い角度モードにて作動する必要がある際に駆動され得る。
【０２８８】
図４２Ｂ〜図４２Ｄは、複数の発光素子アレイの１つのアレイにわたる位置２６１を伴う発光素子の光束２６３のグラフを示す概略図である。図４２Ｂは、ＬＥＤのグループ８０８がそれぞれ、アレイのグレースケール軌跡プロフィール９０２を伴う光束９００により照明されている図４１の構成を示す。出力光度機能は、導波路１内、並びに反射器フィルム３００構成及び拡散器６８構成での光の伝搬による光束分布に関連されてもよい。そのような光束分布は、例えば、２５，０００ｌｕｘなどの高い照度を伴う環境での、望ましい明度比を伴う画像の視覚のための高い輝度のディスプレイを達成するよう構成されてもよい。屋内などの低照度環境では、光束分布９０８は、図４２Ｃに示すように構成されてもよい。したがって、ディスプレイ効率は、屋内での視覚に対する望ましい輝度を達成する一方で、更に増大されてもよい。
【０２８９】
更に、ディスプレイの視覚的自由度を増大させることが望ましい。図４２Ａに示すように、光束分布９１０が提供されてもよい。ＬＥＤ領域９０４、９１２、９１４は、図４２ＡのＬＥＤグループ８１１、８１０、８１２のそれぞれにより提供されてもよい。広い視野角のディスプレイは、従来の二次元バックライト、例えば、図３２Ｃのプロフィール３５２の分布と同様の光度分布を伴って提供されることができ、好適である。そのような配置は、広い角度の視野に対する窓の位置の更なる制御又は構造を必要としない。
【０２９０】
ディスプレイは、高い照度レベルを伴う環境にて高いコントラストを達成できるよう構成され得、好適である。更に、ディスプレイは、許容可能な明度比のために、屋内環境での非常に低いレベルの電力消費を達成し得る。更に、ディスプレイは、同様の電力作動に対して、従来の二次元バックライトと同様の角度光度分布を達成し得る。更に、そのようなディスプレイは、横置き作動モード及び縦置き作動モードにて動作し得る。更に、ピーク輝度は、実質的にディスプレイ表面の法線の方向にあるディスプレイの最適の閲覧のために構成され得、したがって、横置き作動モード及び縦置き作動モードの双方にて動作するよう構成されたディスプレイに適している。
【０２９１】
図４３Ａは、入力側面に反射器を伴って配置された光弁の正面図を示す概略図であり、図４３Ｂは、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう配置された入力側面２に反射器を伴って配置された光弁の側面図を示す概略図である。反射器８４２は、金属製の反射器、又は、重合体、例えば、ＥＳＲ（商標）の反射器を備えてもよく、反射器８４２上に入射する光線８４１が、ｘ−ｚ面内ではなく、ｘ−ｙ面内に拡散し、拡散光線８３９、並びに、直接反射光線８３７を提供するよう、光を拡散するよう配置された非対称拡散器とされてもよい拡散器８４３を伴って更に配置されてもよい。作動において、特徴部１２にて抽出されていない、ＬＥＤからの光のいくらかは入力側面２上に入射し、そして反射される。この光は続いてシステム内を再循環し、したがって、実質的に光弁の幅であるソースを達成する。入力アパーチャ高さ８４５の、ミラーアパーチャ高さ８４７に対する比率は、入力アパーチャに当たる増大された光を達成するよう調整されてもよく、したがって、広い角度範囲にわたって方向づけられてもよい光の量を増大し、背景照明レベルを増大する。アレイ１５は、高い輝度のＬＥＤの単一のグループ８４４を含んでもよく、したがって、ディスプレイの費用を低減させ、好適である。そのようなディスプレイは、可動視野窓を達成するよう追跡されてもよいか、又は、高い中央ピークの輝度を伴って追跡されなくともよい。
【０２９２】
図４３Ｃ〜図４３Ｄは、本開示による、幅広の視覚円錐及び一体化フレネルミラー内へ戻り光を再方向づけるよう、入力側面に反射器を伴って配置された光弁の更なる正面図を示す概略図である。図４３Ｅは、図４３Ｄの配置からの光度分布のグラフを示す概略図である。
【０２９３】
図４３Ｃは、単一のコントローラ８８２により駆動される単一の光源８８０が、ディスプレイ照明を提供するよう配置されている構成を示す。指向性バックライトはしたがって、入力端２を備える導波路１と、導波路１の入力端２にわたる横方向の予め定められた入力位置に配置された単一光源８８０であって、導波路１は、導波路１に沿って光を誘導するための、相対する第１の誘導面６及び第２の誘導面８と、入力された光を反射して導波路１を通して戻すための、入力端２に対向する反射端４と、を更に備え、第１の誘導面６は、全反射により光を誘導するよう配置されており、第２の誘導面８は、（ａ）反射端４からの反射後、第１の誘導面６を通し、光源８８０の入力位置にしたがって横方向（ｙ軸）に配置された出力方向にある光学窓内へ、光源８８０からの光を反射するよう配向された複数のファセット１２と、（ｂ）導波路１を通して光を誘導するよう配置されたファセット１２間の中間領域１０と、を備える段付き形状を有し、指向性バックライトは、導波路１の複数のファセット１２を通過する、単一光源８８０と、導波路１を通して戻り、第１の誘導面６を通してこの光学窓内に退出するために、光源８０８からの光を反射するよう配置された反射ファセット３０１のアレイを備える後部反射器３００と、を備えてもよい。
【０２９４】
装置の費用及び複雑性は低減され、広い角度の照明プロフィールが達成され得、好適である。図４３Ｄは、単一の高い輝度のＬＥＤ  ８８６及び、２つの、低い輝度であるものの、高い効率のＬＥＤ  ８８４、８８８が、ＬＥＤからの直接の光を伴う中央領域８１５と、反射器８４２から反射された光を伴う外部領域８１７と、を含む窓平面１０６内の位置２６７にて視野窓の光度２６５プロフィールを提供するよう配置されている更なる構成を示す。反射端４の高さの、入力端２に対する比率は、領域８１５及び領域８１７内の光の比率を決定するようにセットされてもよい。出力の効率はしたがって最適化され得、一方で広い視野角モード及び高い輝度の二次元モードを達成する。
【０２９５】
図４４Ａ〜図４４Ｂは、出力均一性を向上するよう反射端４付近に配置された非対称拡散器８４８を更に備える光弁の正面図及び側面図をそれぞれ示す概略図である。拡散器８４８は、ｘ−ｙ面内に伝搬する光線８４５に対して実質的に低い拡散を提供するよう配置されてもよく、一方で、ｘ−ｚ面内に伝搬する光線に対して少量の拡散された光線８４７を提供する。そのような拡散器は、ｘ−ｚ面内の光線の不均一な角度分布により、増大された表示エリアの均一性を達成することができ、好適である。そのような光線の不均一な角度分布は、光弁の導波路１内の回折効果及びモード連結効果から生じる場合がある。例示としての一例では、０．１°×３°の角度拡散特性を伴う拡散器は、端部４にて配置されてもよい。そのような拡散器は、構造の表面からのフレネル反射を低減させるよう、異なる屈折率を伴う材料内に埋め込まれてもよい。
【０２９６】
図４４Ｃ〜図４４Ｄは、導波路１を備える光弁を形成する方法の正面図を示す概略図である。導波路１は、湾曲したファセット１２を備える一体化された本体内に成形されることで形成されてもよい。この本体は、平面端６１０を備えてもよい。フレネルミラーアセンブリ６００は、金属化され、封止層６０４、６０６間に形成されているフレネル表面６０２を備えてもよい。代替的に、フレネルミラーは、図２８Ｆ〜図２８Ｉに示すものと同様に形成された、エンボス加工された反射器を備えてもよく、保護層６０４、６０６が更に提供されてもよい。図４４Ｂに示す機能と同様のいくらかの拡散機能を備えてもよい接着剤層６０８は、フレネルミラーアセンブリを導波路１の一体化された本体の端部６１０に取り付けるよう提供されてもよい。更に、反射層６１２、６１４は、軸をずれた空間の視認性を低減させるよう、導波路１の側壁に取り付けられてもよい。フレネルミラーアセンブリは、高い精度及び高い反射率を伴って、一体化された本体とは別のプロセスにて形成され得、増大された光学性能を達成し、好適である。
【０２９７】
ディスプレイシステム、例えば、携帯電話、ファブレット又はタブレットの構造、をバックライトのコンポーネントを一体化することにより、装置のサイズを低減させることが望ましい。
【０２９８】
図４５Ａは、第１の装置フレーム上に配置されたＬＥＤアレイと、第２の装置フレーム上に配置されたフレネルミラーと、を備える、第１の組み立て工程における光弁の正面図を示す概略図であり、図４５Ｂは、第２の組み立て工程中の配置を示す。第１の工程では、ＬＥＤアレイなどの光源アレイ１５が、電極及び絶縁体層８５１と、携帯電話又はタブレットなどの表示装置の外枠とされてもよい金属枠８５０と、を備える基板上に組み立てられる。更に、ＥＳＲ  ８４２などのフィルムが、図４４Ａ〜図４４Ｂに示すように、導波路１内の光をリサイクルするために、アレイ１５の領域内に貼付されてもよい。更に、フレネルミラー８５４は、装置の枠８５２上に、又は装置の内部に形成されてもよい。そのようなフレネルミラーは、枠自体の内部に直接作られるか、又は、枠上に形成されてもよい。組み立て工程中は、フレネルミラーは、インデックスマッチング材８５６によって導波路１に取り付けられてもよく、一体化コンポーネントを形成する。更に、光源アレイは、組み立て工程中に、導波路１の入力側面に近接してもたらされてもよい。更に、電子部品及び基板８５８は、バックライト周囲に配置されてもよい。
【０２９９】
表示装置のベゼルのサイズは低減されてもよく、個別のコンポーネント数は更に減らされてもよく、費用を最小化し、好適である。更に、枠８５０は、アレイ１５のＬＥＤ用にヒートシンクを提供してもよく、したがって、外部環境に対する熱接触を改善し、ＬＥＤの効率及び寿命を向上させる。
【０３００】
図４６Ａ〜図４６Ｃは、反射層を備える表示装置用のバッテリ８６０の正面図及び側面図を示す概略図である。ファセット３１０、３１２を備える反射フィルムは、バッテリへの外部接点８６２を伴うバッテリ８６０上に配置されてもよい。断面８６４に沿って、図４６Ｂは、フィルム３００が、バッテリ材料８７０及び下部カバー８６８とともにバッテリの上部カバー８６６に貼付されてもよいことを示す。バッテリは、反射層３００からの光出力窓が、ディスプレイのエリアにわたって位置合わせされるよう、実質的に平らなサポーティング層として配置されることができ、好適である。代替的に、図４６Ｃに示すように、反射層は、バッテリのカバー８７２内に配置されてもよく、より一体化された、より薄い構造を、結像窓に対する望ましい平坦度とともに達成する。
【０３０１】
ディスプレイの輝度は、プリズム反射フィルム３００及び反射偏光器４０２を使用しない配置に比較して、実質的に増大することができる。光源の費用を低減させることができ、バッテリの寿命を延ばすことができる。
【０３０２】
図４７は、導波路１のテーパ角度に合わせた楔角８７１を伴う楔形バッテリ８７０上に配置された反射フィルムを備える表示装置の側面図を示す概略図である。後部反射器３００はバッテリ上に一体化され得、バッテリのボリュームを最適化し、好適である。
【０３０３】
図４８は、低減されたベゼル幅を達成するよう、ＬＥＤ配置のためのスロット状の側壁を備える表示装置の側面図を示す概略図である。液晶ディスプレイなどの透過型空間光変調器４８は、アドレス指定電子装置と、シーリング材と、を含んでもよく、ＳＬＭ  ４８の有効エリア外である境界領域４２７を更に含んでもよい。遮光層５０２は、指向性バックライトの端部領域の視界を隠すよう配置されている。放射領域６２４を伴うＬＥＤパッケージ６２２と、電子接続領域６２６と、は、電気的扇状（electrical fan-out）に構成されてもよく、移動体装置の側壁８５０、任意でくぼみ領域８５１内に取り付けられてもよい。例示としての一例では、２．５ｍｍ未満のサイドベゼル幅が達成され得、ここで、有効エリアの端部と領域６２４との間の空隙が、導波路１の入力端２の高さの約３倍である。
【０３０４】
図４９は、低減されたベゼル幅を達成するよう、ミラー配置のためのスロット状の側壁を備える表示装置の側面図を示す概略図である。遮光層５０２は、側壁８５２内のオプションのカットアウト８５３内に部分的に配置されており、ミラー６００の端部からの散乱をあいまいにする。例示的な例を続けると、２．５ｍｍ未満のサイドベゼル幅が達成され得、ここで、有効エリアの端部とミラー６００との間の空隙が、ミラー６００の高さの約３倍である。
【０３０５】
本明細書で使用されるとき、「実質的に」及び「およそ（ほぼ）」という用語は、それに対応する用語及び／又は項目間の相対性に対して、業界で受け入れられる許容範囲を付与するものである。このような、業界で受け入れられる許容範囲は、０パーセント〜１０パーセントの範囲であり、成分値、角度などが該当するが、これらに限定されない。このような、項目間の相対性は、約０パーセント未満〜１０パーセントの範囲である。
【０３０６】
本明細書に開示される原理による様々な実施形態を上記に記載してきたが、それらは限定としてではなく単なる一例として提示されていることを理解されたい。それ故、この開示の広さ及び範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても制限されてはならず、請求項のいずれか、及び本開示に由来するそれらの均等物にしたがってのみ規定されるべきである。更に、上述の利点及び特徴が記載された実施形態において提供されるが、かかる公開される特許請求の範囲の用途を、上述の利点のいずれか又はすべてを達成する方法及び構造に限定するものではない。
【０３０７】
加えて、本明細書においてセクションの見出しは、米国特許規則１．７７の規定するところにしたがって、さもなくば、編成上の目印（organizational cue）として提供されるものである。これらの見出しは、本開示から生じ得る請求項に定める（単数又は複数の）実施形態を限定したり又は特徴付けたりしないものとする。具体的には、単に例示ではあるが、「技術分野」という見出しがあるが、いわゆる分野を説明するためにこの見出しの下に選択された表現によって、特許請求の範囲が限定されることはない。更に、「背景技術」に記載された技術に関する記述が、特定の技術が、本開示における任意の（単数又は複数の）実施形態に対する先行技術であることの承認として、解釈されるべきではない。「発明の概要」についても、公開される請求項で述べられる（単数又は複数の）実施形態を特徴付けるものとして考慮されるべきでない。更に、本開示においては、単数形での「発明」に対するいずれの言及も、本開示における新規な点が１つのみである、ということを主張するために使用されるべきではない。複数の実施形態は、本開示により、公開される複数の請求項の限定にしたがって、述べられる場合がある。したがって、これらの請求項は、この（単数又は複数の）実施形態及びそれらの均等物を定義することによって、それらを保護している。すべての場合において、これらの特許請求項の範囲は、本開示に照らして、固有の利点が考慮されるべきであり、本明細書に述べる見出しによって制約されてはならない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0006584008.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0006584008.tif 000021
【図１５Ａ】
0006584008.tif 000022
【図１５Ｂ】
0006584008.tif 000023
【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
0006584008.tif 000026
【図１８】
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【図１９Ａ】
0006584008.tif 000028
【図１９Ｂ】
0006584008.tif 000029
【図１９Ｃ】
0006584008.tif 000030
【図２０】
0006584008.tif 000031
【図２１】
0006584008.tif 000032
【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
0006584008.tif 000035
【図２４Ｂ】
0006584008.tif 000036
【図２５Ａ】
0006584008.tif 000037
【図２５Ｂ】
0006584008.tif 000038
【図２５Ｃ】
0006584008.tif 000039
【図２６】
0006584008.tif 000040
【図２７】
0006584008.tif 000041
【図２８Ａ】
0006584008.tif 000042
【図２８Ｂ】
0006584008.tif 000043
【図２８Ｃ】
0006584008.tif 000044
【図２８Ｄ】
0006584008.tif 000045
【図２８Ｅ】
0006584008.tif 000046
【図２８Ｆ】
0006584008.tif 000047
【図２８Ｇ】
0006584008.tif 000048
【図２８Ｈ】
0006584008.tif 000049
【図２８Ｉ】
0006584008.tif 000050
【図２８Ｊ】
0006584008.tif 000051
【図２８Ｋ】
0006584008.tif 000052
【図２９】
0006584008.tif 000053
【図３０】
0006584008.tif 000054
【図３１】
0006584008.tif 000055
【図３２Ａ】
0006584008.tif 000056
【図３２Ｂ】
0006584008.tif 000057
【図３２Ｃ】
0006584008.tif 000058
【図３２Ｄ】
0006584008.tif 000059
【図３２Ｅ】
0006584008.tif 000060
【図３２Ｆ】
0006584008.tif 000061
【図３３Ａ】
0006584008.tif 000062
【図３３Ｂ】
0006584008.tif 000063
【図３３Ｃ】
0006584008.tif 000064
【図３３Ｄ】
0006584008.tif 000065
【図３３Ｅ】
0006584008.tif 000066
【図３３Ｆ】
0006584008.tif 000067
【図３４】
0006584008.tif 000068
【図３５Ａ】
0006584008.tif 000069
【図３５Ｂ】
0006584008.tif 000070
【図３５Ｃ】
0006584008.tif 000071
【図３５Ｄ】
0006584008.tif 000072
【図３５Ｅ】
0006584008.tif 000073
【図３５Ｆ−３５Ｉ】
0006584008.tif 000074
【図３６Ａ】
0006584008.tif 000075
【図３６Ｂ】
0006584008.tif 000076
【図３７Ａ】
0006584008.tif 000077
【図３７Ｂ】
0006584008.tif 000078
【図３７Ｃ】
0006584008.tif 000079
【図３７Ｄ】
0006584008.tif 000080
【図３７Ｅ】
0006584008.tif 000081
【図３７Ｆ】
0006584008.tif 000082
【図３７Ｇ−３７Ｉ】
0006584008.tif 000083
【図３８Ａ】
0006584008.tif 000084
【図３８Ｂ】
0006584008.tif 000085
【図３９】
0006584008.tif 000086
【図４０】
0006584008.tif 000087
【図４１】
0006584008.tif 000088
【図４２Ａ】
0006584008.tif 000089
【図４２Ｂ】
0006584008.tif 000090
【図４２Ｃ】
0006584008.tif 000091
【図４２Ｄ】
0006584008.tif 000092
【図４３Ａ】
0006584008.tif 000093
【図４３Ｂ】
0006584008.tif 000094
【図４３Ｃ】
0006584008.tif 000095
【図４３Ｄ】
0006584008.tif 000096
【図４３Ｅ】
0006584008.tif 000097
【図４４Ａ】
0006584008.tif 000098
【図４４Ｂ】
0006584008.tif 000099
【図４４Ｃ】
0006584008.tif 000100
【図４４Ｄ】
0006584008.tif 000101
【図４５Ａ】
0006584008.tif 000102
【図４５Ｂ】
0006584008.tif 000103
【図４６Ａ】
0006584008.tif 000104
【図４６Ｂ】
0006584008.tif 000105
【図４６Ｃ】
0006584008.tif 000106
【図４７】
0006584008.tif 000107
【図４８】
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【図４９】
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