(57)【要約】  付加的な偏光変換及び再方向づけ素子を有する、少なくとも高偏光感度反射コンポーネントを有する結像指向性バックライトを含む結像指向性バックライト偏光回復装置が開示されている。視野窓は、結像個別光源を通して形成されることができ、したがってシステム素子及び光線路の相対位置を定義する。ベースの結像指向性バックライトシステムは、主に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の照明に対して実質的に無偏光の光を提供し、従来のシート偏光器をディスプレイへの入力として使用した場合に、少なくとも５０％の損失を光出力にもたらす。本明細書の発明は、反射光を変換及び再方向づけして使用可能な照明にする目的のために、所望する偏光状態及び所望しない偏光状態を分離する高偏光感度反射素子を導入する。偏光変換及び再方向づけは、リターダフィルム及び鏡面等の追加的コンポーネントによって提供することができる。
2015520415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端を有する導波路と、
前記導波路の前記入力端にわたり横方向の異なる入力位置に配置された一連の複数の光源であって、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及び第２の誘導面を更に有し、前記第１の誘導面は全反射によって光を誘導するよう構成されており、前記第２の誘導面は、出力光として前記第１の誘導面を通して放出可能な方向に前記導波路を通して誘導された光を反射するよう配向された複数の光抽出機能、及び光を抽出することなく前記導波路を通して光を方向づけるよう構成されている前記複数の光抽出機能間の複数の中間領域を含み、前記導波路は、異なる複数の光源からの入力光を前記出力光として、入力位置にしたがって前記横方向に分布する出力方向に、前記第１の誘導面を通してそれぞれの光学窓内に方向づけるよう構成されている、一連の複数の光源と、
前記第１の誘導面からの前記出力光を受光するよう構成されており、第１の偏光を有する前記出力光の第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、不要光として前記第１の偏光に直交する偏光を有する前記出力光の第２の偏光コンポーネントを反射するよう構成された反射偏光器と、
前記不要光を反射して、前記空間光変調器へ供給し戻すよう構成された前記第２の誘導面の背後に配置された後部反射器と、を備える指向性表示装置であって、
前記空間光変調器に供給し戻された前記不要光の前記偏光を前記第１の偏光に変換するよう、前記指向性表示装置が更に構成されている、指向性表示装置。
【請求項２】
前記反射偏光器と前記後部反射器との間に配置され、前記空間光変調器に供給し戻された場合に前記不要光の前記偏光を前記第１の偏光に変換するよう構成されたフェーズリターダを更に備える、請求項１に記載の指向性表示装置。
【請求項３】
前記フェーズリターダが、前記導波路と前記反射偏光器との間に配置されている、請求項２に記載の指向性表示装置。
【請求項４】
前記後部反射器が、前記第２の誘導面上に形成された層である、請求項３に記載の指向性表示装置。
【請求項５】
前記フェーズリターダが、前記導波路と前記後部反射器との間に配置されている、請求項２に記載の指向性表示装置。
【請求項６】
前記後部反射器が、前記空間光変調器に供給し戻された前記不要光の前記偏光を、一対のコーナーファセットからの反射における前記第１の偏光に変換できるよう、前記後部反射器が、前記空間光変調器に対する法線周囲に配向されている面において反対の向きに傾斜した一対の反射コーナーファセットの線形配置を有する、請求項１に記載の指向性表示装置。
【請求項７】
前記反射偏光器が多層複屈折フィルムである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の指向性表示装置。
【請求項８】
前記反射偏光器が、ガラス上に提供された周期的金属ワイヤーグリッド構造である、請求項７に記載の指向性表示装置。
【請求項９】
前記反射偏光器が、フィルム積層上に提供された金属グリッド構造である、請求項７に記載の指向性表示装置。
【請求項１０】
前記反射偏光器と前記空間光変調器との間に配置されており、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１〜９のいずれか一項に記載の指向性表示装置。
【請求項１１】
前記導波路が、前記入力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を更に有し、前記複数の光抽出機能が、前記出力光として前記第１の誘導面を通して放出可能な前記方向に、前記反射端から反射後に前記導波路を通して誘導された光を反射するよう配向されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の指向性表示装置。
【請求項１２】
前記複数の光抽出機能が前記第２の誘導面の複数の反射ファセットであり、前記第２の誘導面が前記複数の反射ファセット及び前記複数の中間領域を含む段付き形状を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の指向性表示装置。
【請求項１３】
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１１に記載の指向性表示装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の指向性表示装置を備え、前記複数の光源を選択的に操作し、前記出力方向に対応する視野窓内に光を方向づけるよう構成されている制御システムを更に備えるディスプレイ装置。
【請求項１５】
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視野窓内に同期して方向づけるよう前記表示装置を制御するよう更に構成されている、自動立体ディスプレイ装置である、請求項１４に記載のディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記制御システムが、前記表示装置にわたり観察者の前記位置を検出するよう構成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、前記表示された画像を、前記観察者の左右の目に対応する位置における視野窓内へ、前記観察者の検出位置にしたがって方向づけるよう構成されている、請求項１５に記載の自動立体ディスプレイ装置。
【請求項１７】
光を誘導するための導波路を含み、
照明アレイからの光を第１の方向に方向づけるよう作用可能な第１の光誘導面と、
光が前記導波路を放出することを可能にする第２の光誘導面と、
前記照明アレイからの光を受光することができる光入力面と、
前記導波路の前記第１の光誘導面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器と、を更に含む結像指向性バックライトを備える偏光指向性照明装置。
【請求項１８】
前記高偏光感度反射器が高偏光感度の伝送を提供する、請求項１７に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項１９】
前記導波路の前記第２の光誘導面に近接し、反射光の前記偏光の状態を変更するリターダフィルムを更に備える、請求項１７に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２０】
前記導波路が楔形指向性バックライトである、請求項１７に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２１】
前記楔形指向性バックライトが、高屈折率材料及び低屈折率材料で交互にコーティングされている、請求項２０に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２２】
前記楔形指向性バックライトの前記第１の光誘導面が反射層でコーティングされている、請求項２０に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２３】
前記導波路が光弁である、請求項１７に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２４】
前記光弁が、反射材料でコーティングされた段付き表面を有する、請求項２３に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２５】
前記光弁が実質的に透明である、請求項２３に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２６】
前記高偏光感度反射器が多層複屈折フィルムである、請求項１７に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２７】
前記高偏光感度反射器が、ガラス上に提供された周期的金属ワイヤーグリッド構造である、請求項２６に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２８】
前記高偏光感度反射器が、フィルム積層上に提供された金属グリッド構造である、請求項２６に記載の偏光指向性照明装置。
【請求項２９】
導波路の第１の端部に配置された入力側面であって、前記入力側面は少なくとも照明アレイからの光を受光することができる、入力側面と、
前記導波路の第２の端部に配置された反射側面と、
前記導波路の前記入力側面と前記反射側面との間に配置された第１の光方向づけ側面及び第２の光方向づけ側面であって、前記第２の光方向づけ側面は、光が前記導波路を出て行くことを許すように機能する、第１の光方向づけ側面及び第２の光方向づけ側面と、
前記導波路の前記第１の光方向づけ側面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器と、を含む結像指向性バックライト。
【請求項３０】
光を誘導するための導波路を含み、前記導波路が、
第１の光誘導面と、
前記第１の光誘導面に対向し、少なくとも１つの誘導部及び複数の抽出機能を更に含む第２の光誘導面であって、前記複数の抽出機能が、光が第１の方向に伝搬する場合に実質的に低い損失を伴って前記光を通過可能にし、前記複数の抽出機能の少なくとも第１の抽出機能に直面した際に前記光が前記導波路を放出可能にする、第２の光誘導面と、
前記導波路に近接する空間光変調器と、
前記導波路の前記第１の光方向づけ側面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器と、を更に含む、偏光回復を提供する光弁システム。
【請求項３１】
前記導波路と前記高偏光感度反射器との間に配置された１／４波長リターダプレートを更に含む、請求項３０に記載の偏光回復を提供する光弁システム。
【請求項３２】
クリーンアップ偏光器として機能することができ、前記高偏光感度反射器の光路内に配置されたシート偏光器を更に含む、請求項３１に記載の偏光回復を提供する光弁システム。
【請求項３３】
前記光弁が、反射材料でコーティングされた段付き表面を更に含む、請求項３２に記載の偏光回復を提供する光弁システム。
【請求項３４】
前記反射材料が銀である、請求項３３に記載の偏光回復を提供する光弁システム。
【請求項３５】
前記高偏光感度反射器が前記段付き表面に対しておおよそ平行である、請求項３３または請求項３４に記載の偏光回復を提供する光弁システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、三次元表示装置、及び／又は自動立体表示装置における利用向けの、局所的な光源から大面積用の照明を提供するための光ガイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間多重化された自動立体ディスプレイは、通常、例えばＬＣＤ等の空間光変調器の上の少なくとも第１及び第２のセットの画素として配置された画像アレイに、レンチキュラースクリーン、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。
【０００３】
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て、ディスプレイの視野の自由度を制限して、都合が悪い。フリッカを、光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、ディスプレイの輝度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回路を組み込む必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の第１の態様によると、入力端を有する導波路を含むことができる指向性表示装置が提供されている。指向性表示装置はまた、導波路の入力端にわたり異なる入力位置に配置された一連の複数の光源も含むことができる。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及び第２の誘導面を更に有することができる。第１の誘導面は、全反射によって光を誘導するよう構成することができる。第２の誘導面は、出力光として第１の誘導面を通して放出可能な方向に導波路を通して誘導された光を反射するよう配向された複数の光抽出機能、及び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構成された複数の光抽出機能間の複数の中間領域を含むことができる。導波路は、異なる光源からの入力光を出力光として、入力にしたがって横方向に分布する出力方向に、第１の誘導面を通してそれぞれの光学窓内に方向づけるよう構成することができる。指向性表示装置はまた、第１の誘導面からの出力光を受光するよう構成することができ、第１の偏光を有する出力光の第１の偏光コンポーネントを変調するよう構成することができる透過型空間光変調器も含むことができる。指向性表示装置はまた、導波路の第１の誘導面と空間光変調器との間に配置することができ、第１の偏光コンポーネントを伝送し、不要光として第１の偏光に直交する偏光を有する出力光の第２の偏光コンポーネントを反射するよう構成することができる反射偏光器も含むことができる。更に、指向性表示装置は、不要光を反射して、空間光変調器へ供給し戻すよう構成された第２の誘導面の背後に配置することができる後部反射器も含むことができ、指向性表示装置は更に、空間光変調器に供給し戻された不要光の偏光を第１の偏光に変換するよう構成されている。
【０００５】
本実施形態は、偏光入力光を必要とする透過型空間光変調器を使用して、システム内の光の更なる利用を実現することができ、好適である。ディスプレイの輝度を上げることができ、バッテリーの寿命を延ばすことができ、より明るい周囲環境でディスプレイを使用することができる。更に、ディスプレイが指向性動作モードにおいて高い輝度を有するよう、両入射偏光状態であるバックライトからの光に対して視野窓を提供することができる。したがって、高い輝度を有する効率のよい指向性ディスプレイは、自動立体三次元ディスプレイ、プライバシーディスプレイ、及び高効率の二次元ディスプレイに提供することができる。
【０００６】
本開示の更なる態様によると、結像指向性バックライトを含むことができる、偏光指向性照明装置を提供することができる。結像指向性バックライトは、光を誘導する導波路を含むことができる。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、光が導波路を出て行くことを許すように機能する第２の光誘導面、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、及び導波路の第１の光誘導面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器を含むことができる。
【０００７】
本開示の更なる態様によると、導波路の第１の端部に配置された入力側面を含み、入力側面は少なくとも照明アレイ、入力側面、導波路の第２の端部に配置された反射側面、及び導波路の入力側面と反射側面との間に配置された第１の光方向づけ側面及び第２の光方向づけ側面からの光を受光するように機能する、結像指向性バックライトを提供することができる。第２の光方向づけ側面は、光が導波路を出て行くことを許すように機能することができる。結像指向性バックライトは、導波路の第１の光方向づけ側面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器も含むことができる。
【０００８】
本開示の更なる態様によると、光を誘導するための導波路を含むことができる、偏光回復を提供する光弁システムを提供することができる。導波路は、第１の光誘導面、及び第１の光誘導面に対向する第２の光誘導面を含むことができる。導波路は更に、少なくとも１つの誘導部及び複数の抽出機能を含むことができる。この複数の抽出機能は、光が第１の方向に伝搬する場合に、実質的に低い損失を伴って光を通過可能にし、複数の抽出機能のうちの少なくとも第１の抽出機能に直面した際に光が導波路を出て行くことを許すように機能する。光弁システムは、導波路に近接することができる空間光変調器、及び導波路の第１の光方向づけ側面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための高偏光感度反射器を含むことができる。
【０００９】
本開示の他の態様によると、偏光指向性照明装置は、結像指向性バックライト、及び導波路の第１の光誘導面に近接し、少なくとも偏光の選択的反射を提供するための反射偏光器を含むことができる。結像指向性バックライトは、光を誘導する導波路を含むことができる。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、光が導波路を出て行くことを許すように機能する第２の光誘導面、及び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を含むことができる。
【００１０】
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、照明をディスプレイパネルを通して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、米国特許出願１３／３００，２９３号（この全体を本明細書に援用する）に記載されるように、反射傾斜ファセットによって抽出することができる。
【００１１】
指向性バックライトシステムでは一般的に照明光は無偏光であり、ＬＣＤシステムの従来のシート前偏光器においては、少なくとも５０％の光の損失をもたらす。いくつかの従来のバックライト装置においては、不正な偏光の光は、反射シート偏光器を使用して光を方向づけ、構造の拡散反射偏光合成素子内に戻すことによって回復され得る。光の伝搬の制御された特性によって偏光を回復するよう修正された結像指向性バックライトシステムでは、非常に高い効率を期待することができる。
【００１２】
一実施形態では、反射偏光器層が望ましくない偏光状態の光を方向づけ、結像指向性バックライトの導波路部分を通して戻す。この光は、反射偏光器を通して反射して、戻される前に偏光に変換されることができ、実質的に均一に偏光された照明光線に加えられる。
【００１３】
本発明の別の態様では、無偏光の光源は独立して、反射偏光器層、偏光操作手段、及び指向性反射器を含むことができる局所的偏光回復システムに結合することができる。
【００１４】
偏光変換素子及び再方向づけ素子を付加的に有する少なくとも高偏光感度反射コンポーネントを有する結像指向性バックライトを含む結像指向性バックライト偏光回復装置が開示されている。対象結像指向性バックライトは、楔形指向性バックライト、光学直列指向性バックライト、又は光弁を含むことができる。光弁は、導波路、光源アレイ、及び集束光学素子を含むことができ、局所的な光源から大面積に方向づけられた照明を提供する。導波路は、第１の順方向に伝搬する誘導された光に隠された抽出機能をステップが更に含む段付き構造を含むことができる。第２の逆方向に伝搬する回帰光は、機能で屈折、回折、又は反射して、導波路の上面から放射される離散照明ビームが提供される。視野窓は、結像個別光源を通して形成することができ、したがってシステム素子及び光線路の相対位置を定義する。ベースの結像指向性バックライトシステムは、主に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の照明に対して実質的に無偏光の光を提供し、従来のシート偏光器をディスプレイへの入力として使用する場合に、少なくとも５０％の損失を光出力にもたらす。本明細書の実施形態は、反射光を変換及び再方向づけして使用可能な照明にする目的ために、所望する偏光状態及び所望しない偏光状態を分離する高偏光感度反射素子を導入する。偏光変換及び再方向づけは、リターダフィルム及び反射鏡面といった追加の部材によって提供することができる。
【００１５】
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、本開示の光弁は、大きな後方作動距離を有する薄型の光学部品を達成することができる。これら部品は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、効率のよい自動立体ディスプレイのために制御された照明器を提供することができる。
【００１６】
本開示の実施形態は、種々の光学システムに使用することができる。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、又はこれらと共に動作してもよい。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得る任意の装置に関連する、多種多様な装置に実質的に使用できる。したがって、本開示の実施形態は、視覚的なかつ／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、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、光学機器で用いることができる。
【００１７】
詳細に開示する種々の実施形態に進む前に、開示は、他の実施形態が可能であるので、用途又は作成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、開示の態様が、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。
【００１８】
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。放射光の指向性分布を制御することによって、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のみ照明が提供されている場合の高い電気的効率、左右の目を交互に入れ替えて逐次的な立体ディスプレイ並びに自動立体ディスプレイの閲覧、及び低コストを実現できる。
【００１９】
本発明の種々の態様及びそれらの種々の特徴は共に、任意の組み合わせで適用することができる。
【００２０】
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】
【００２１】
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。
【００２２】
【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を示す概略図である。
【００２３】
【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を示す概略図である。
【００２４】
【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を示す概略図である。
【００２５】
【図２Ｂ】本開示による、図２Ａの指向性表示装置の正面の光伝搬を示す概略図である。
【００２６】
【図２Ｃ】本開示による、図２Ａの指向性表示装置の側面における光伝搬を示す概略図である。
【００２７】
【図３】本開示による、指向性表示装置の側面を示す概略図である。
【００２８】
【図４Ａ】本開示による、屈曲した光抽出機能を含む指向性表示装置における視野窓の生成の正面を示す概略図である。
【００２９】
【図４Ｂ】本開示による、屈曲した光抽出機能を含む指向性表示装置における第１及び第２の視野窓の生成の正面を示す概略図である。
【００３０】
【図５】本開示による、線光抽出機能（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。
【００３１】
【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。
【００３２】
【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結像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。
【００３３】
【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。
【００３４】
【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。
【００３５】
【図８】本開示による、マルチビューアー向けの指向性表示装置を示す概略図である。
【００３６】
【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。
【００３７】
【図１０】本開示による、指向性表示装置の構造の側面を示す概略図である。
【００３８】
【図１１Ａ】本開示による、楔形指向性バックライトの正面を示す概略図である。
【００３９】
【図１１Ｂ】本開示による、楔形指向性表示装置の側面を示す概略図である。
【００４０】
【図１２】本開示による、観察者トラッキング指向性バックライト装置用の制御システムを示す概略図である。
【００４１】
【図１３Ａ】本開示による、楔形導波路構造と共に用いられる偏光回復アプローチを示す概略図である。
【００４２】
【図１３Ｂ】本開示による、偏光回復システムの素子を示す概略図である。
【００４３】
【図１４Ａ】本開示による、偏光回復アプローチを用いる指向性バックライトを示す概略図である。
【００４４】
【図１４Ｂ】本開示による、図１４Ａの指向性バックライトの側面を示す概略図である。
【００４５】
【図１５Ａ】本開示による、偏光回復アプローチを用いる指向性バックライトの別のシステムを示す概略図である。
【００４６】
【図１５Ｂ】本開示による、図１５Ａの指向性バックライトのシステムの側面を示す概略図である。
【００４７】
【図１６Ａ】本開示による、偏光回復アプローチを用いる別の指向性バックライトを示す概略図である。
【００４８】
【図１６Ｂ】本開示による、偏光回復アプローチを用いる更に別の指向性バックライトを示す概略図である。
【００４９】
【図１７】本開示による、約４５°に配向された出力偏光が提供される代替的な導波路構造を用いる更に別の指向性バックライトを示す概略図である。
【００５０】
【図１８Ａ】本開示による、偏光反射層が、楔形指向性バックライトシステム内の光線偏向機能を有する単一フィルムに一体化されている実施形態を示す概略図である。
【００５１】
【図１８Ｂ】本開示による、図１８Ａの偏光回復実施形態の拡大断面図である。
【００５２】
【図１８Ｃ】本開示による、偏光反射層が、楔形指向性バックライトシステム内の光線偏向機能を有する単一フィルムに一体化されている別の実施形態を示す概略図である。
【００５３】
【図１８Ｄ】本開示による、図１８Ｃの偏光回復実施形態の拡大断面図である。
【００５４】
【図１９】本開示による、偏光回復実施形態の側面を示す概略図である。
【００５５】
【図２０】本開示による、図１９の偏光回復実施形態の詳細の側面を示す概略図である。
【００５６】
【図２１】本開示による、図１９の偏光回復実施形態の模式的正面を示す概略図である。
【００５７】
【図２２】本開示による、更なる偏光回復実施形態の詳細の側面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
時分割多重化された自動立体ディスプレイは、空間光変調器の全ての画素からの光を、第１のタイムスロットの第１の視野窓へと方向づけて、全ての画素を、第２のタイムスロットの第２の視野窓に方向づけることで、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及び第２の視野窓において光を受けるような位置に目を置いている観察者は、複数のタイムスロットによってディスプレイ全体で全解像度の画像を見ることができる。時分割多重化されたディスプレイは、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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。逐次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、このようなデバイス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。
【００６１】
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るかもしれない。しかし、照明素子の寸法を大きくすると、指向性光学素子の寸法もそれに比例して大きくなることが想定される。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。
【００６２】
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の配置であり、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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構成されている。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、複数の光源と各窓画像との間に形成することができる。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。
【００６５】
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構成されている。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全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（商標）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、これらの理由その他により、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。光は損失導波路の端部から伝搬することができ、この損失導波路はスパース機能（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典型的な局所的刻み目）を含むことができる。
【００６６】
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、光弁を通して一方向に実質的に損失を伴わず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、米国特許出願第１３／３００，２９３号（この全体を本明細書に援用する）に記載されるように、光が反射傾斜光抽出機能によって抽出され、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。
【００６７】
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。
【００６８】
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、ステップとして配置された、複数の抽出機能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。
【００６９】
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。
【００７０】
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送してよい。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、光は光抽出機能に入射してよく、光抽出機能から、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。
【００７１】
光弁は、大きな表示面積を有する逐次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機能を使用することができる。
【００７２】
ＬＣＤと共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、これらは全てその全体を本明細書に援用する。
【００７３】
本開示は、光が、例えば第１の側面及び機能の第１のセットを含むことができる段付き導波路の、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。光は段付き導波路の長さに沿って伝達するが、光は第１及び第２の誘導面に対する入射角度を実質的に変化させず、これら内側面での媒体の臨界角には到達できない。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構成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。
【００７４】
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。
【００７５】
図１Ａは、指向性表示装置の指向性バックライトのｘｙ面における正面を示し、段付き導波路１を照射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、表示サイズの導波路１とすることができる。照明素子１５ａ〜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〜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、抽出機能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１Ｂの照明アレイ１５は互いに対応し、図１Ａ及び１Ｂの段付き導波路１は互いに対応することができる。
【００７６】
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、入力光を受光する入力端２と、入力光を反射して導波路１を通して戻す反射端４との間に延びる。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〜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。
【００７７】
導波路１は、入力端２と反射端４との間に延びる、相対する第１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機能１２を有する。
【００７８】
この例では、他の反射機能を使用することもできるが、光抽出機能１２は反射ファセットである。光抽出機能１２は導波路を通して光を誘導しないことに対し、光抽出機能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びてもよい。光抽出機能１２は、第２の誘導面が光抽出機能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びる。光抽出機能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。
【００７９】
光抽出機能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光を方向づけるよう構成されている。照明素子１５ａ〜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〜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〜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、出力光に関して対応する。入力端２において、及び出力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〜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。
【００８０】
導波路にわたって延びる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、光抽出機能１２からの反射後に第１の誘導面を通して光出力を変調する。
【００８１】
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器素子１５ａ〜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をリンクする抽出機能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全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。
【００８２】
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コーティング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集束することができる。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度の傾斜抽出機能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、抽出機能１２の反射特性によって多少減少する場合がある。
【００８３】
被覆されていない抽出機能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機能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。銀で覆われた抽出機能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、入力エッジの中心から、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器素子１５ａ〜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。
【００８４】
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における上面図即ち照明アレイ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に示す概略図である。図２Ａ、２Ｂ、及び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〜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の照明素子の各セットは共にオンとなり、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び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。
【００８５】
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の湾曲の中心を通り、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、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機能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。
【００８６】
図３は、指向性表示装置の側面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、実質的に平面にすることができる第１の光方向づけ側面６、及び誘導部１０並びに光抽出機能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）の照明器素子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。
【００８７】
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、抽出機能１２により反射されてよい。抽出機能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及び抽出機能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、抽出機能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。
【００８８】
図４Ａは、第１の照明素子により照明され、湾曲した光抽出機能を含む、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の照明器素子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、照明器素子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は光抽出機能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、光抽出機能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領域３４の光抽出機能１２の配向が、光方向づけ側面８の第２領域３６における光抽出機能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の光抽出機能は、誘導部１０の代替とすることができる。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。
【００８９】
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機能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。
【００９０】
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機能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構成することができるファセットの代替となる領域を有することができる。
【００９１】
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機能１２とが協働して、照明器素子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。
【００９２】
図４Ｂに示す配置は、照明器素子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３６との間の細長い光抽出機能１２の異なる配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野の自由度が広がり、且つ、低いクロストークレベルを実現することができる。
【００９３】
図５は、実質的に線光抽出機能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、光抽出機能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の湾曲した抽出機能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にしたがって変動する角偏向を有することとなる。
【００９４】
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協働によって、窓２６及び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、６Ｂ、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全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〜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。
【００９５】
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〜１５ｎを選択的にオン及びオフすることにより、視野窓の方向づけ制御を提供する。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、又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には非表示）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、全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全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。
【００９６】
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の位相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の段階とは異なる第２の位相にある空間光変調器４８上に提示されている。第１及び第２の位相に対応して、第１及び第２の視野窓２６、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。
【００９７】
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。
【００９８】
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の出力表面にわたり実質的に集束された出力のための視野窓２６を提供するよう配置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表示装置の側面図である。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内の照明器素子は、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（単一又は複数の）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。
【００９９】
図１１Ａは、楔形指向性バックライトとして示される別の結像指向性バックライトの正面を示す概略図であり、図１１Ｂは、同楔形指向性表示装置の側面を示す概略図である。楔形指向性バックライトは一般的に、米国特許第７，６６０，０４７号並びに表題「Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｌｅｎｓ」（この全体を本明細書に援用する）において記載されている。構造は、反射層１１０６で優先的にコーティングされることができる底面、及び、同様に反射層１１０６で優先的にコーティングされることができる端部波形面１１０２を有する楔形の導波路１１０４を含むことができる。
【０１００】
図１１Ｂの一実施形態では、指向性表示装置は、入力端、導波路に沿って光を誘導する、相対する第１及び第２の誘導面、及び入力光からの光を反射して導波路を通して戻す、入力端に対向する反射端を有する、楔形導波路１１０４等の導波路を含むことができる。指向性表示装置はまた、導波路の入力端にわたり異なる入力位置に配置された一連の光源も含むことができる。導波路は、光源からの入力光を、反射端からの反射後に第１の誘導面を通り、入力位置によって主に決まり得る第１の誘導面に対する法線に対して横方向に分配された出力方向において、光学窓に入る出力光として方向づけるよう配置することができる。指向性表示装置はまた、第１の誘導面からの出力光を受光するよう配置され、第１の偏光を有する出力光の第１の偏光コンポーネントを変調するよう配置された、ディスプレイパネル１１１０等の透過型空間光変調器も含むことができる。更に、指向性表示装置はまた、導波路の第１の誘導面と空間光変調器との間に配置され、第１の偏光コンポーネントを伝送し、第１の偏光に直交する偏光を有する出力光の第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も含むことができる。指向性表示装置はまた、不要光を反射して空間光変調器に供給し戻すよう配置された第２の誘導面の背後に配置された後部反射器を含むことができる。指向性表示装置は更に、空間光変調器に供給し戻された不要光の偏光を第１の偏光に変換するよう配置することができる。
【０１０１】
楔形指向性バックライトの一実施形態では、第１の誘導面は、全反射によって光を誘導するよう配置することができ、第２の誘導面は、実質的に平面とすることができ、第１の誘導面を通して光を出力するよう全反射を遮断する方向に光を反射する角度に傾斜させることができる。楔形指向性バックライトは、指向性表示装置の一部とすることができる。指向性表示装置はまた、空間光変調器に対する法線に向けて光を偏向させるための導波路の第１の誘導面にわたり延びる偏向素子も含むことができる。
【０１０２】
図１１Ｂに示すように、光は局所的な光源１１０１から楔形の導波路１１０４に入ることができ、光は端面から反射する前に第１の方向に伝搬することができる。光は、その戻り路にある間に楔形の導波路１１０４を出ることができ、ディスプレイパネル１１１０を照明することができる。光弁と比較すると、光が出力表面上に臨界角で入射する場合にその光が放出され得るよう、楔形の導波路は伝搬光の入射角度を減らすテーパー形状による抽出を提供する。楔形の導波路内での臨界角で放出される光は、プリズムアレイ等の再方向づけ層１１０８によって偏向されるまで、実質的に表面に対して平行に伝搬する。楔形の導波路の出力表面上の誤差又は埃は臨界角を変化させる場合があり、迷光及び均一性エラーを生成する。更に、鏡を使用してビーム路を楔形指向性バックライト内に折り返す結像指向性バックライトは、楔形の導波路において光円錐方向に対してバイアスをかけるファセットミラーを用いることができる。このようなファセットミラーは一般的に製造が複雑で、照明均一性エラー、同様に迷光をもたらす場合がある。
【０１０３】
楔形指向性バックライト及び光弁は、光線を異なる方法で更に処理する。楔形の導波路では、適切な角度での光入力は主面上の規定位置で出力するが、光線は実質的に同じ角度及び実質的に主面に対して平行に放出する。これに比較して、光弁の段付き導波路への特定の角度での光入力は、第１の側部にわたる点から、入力角によって決まる出力角で出力する。光弁の段付き導波路は、観察者に向かう光を抽出する光再方向づけフィルムを更に必要とせず、入力の角度不均一性は、ディスプレイ表面にわたる不均一性を提供することができず、好適である。
【０１０４】
図１２は、表示装置１００及び制御システム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、必要に応じて変更を施した上で、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。
【０１０５】
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器素子１５のアレイを含む指向性バックライトを含む。制御システムは、照明素子１５ａ〜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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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位置が双方に供給される照明コントローラー７４及び画像コントローラー７６を含む。
【０１０８】
照明コントローラー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。照明コントローラー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。
【０１０９】
画像コントローラー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、画像コントローラー７６及び照明コントローラー７４は以下のように作動することができる。画像コントローラー７６はＳＬＭ  ４８を制御し、一時的に多重化された左目画像及び右目画像を表示する。照明コントローラー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視野窓に光を方向づける。このようにして、自動立体効果は、時分割多重化技術を用いて実現されている。
【０１１０】
図１２に示すように、指向性バックライト装置は、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１２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、及び光抽出機能１２を含む。
【０１１１】
上の記述は、以降に記述するそれぞれ又は全ての装置、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。制御システムは更に、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、観察者の検出位置に依存する。
【０１１４】
図１１Ａ及び１１Ｂの楔形指向性バックライトシステムに基づく偏光回復アプローチは一般的に、米国特許出願第１３／４７０，２９１号（この全体を本明細書に援用する）において考察されており、これを図１３Ａに模式的に示す。図１３Ａは、図１１Ｂを参照して示され、説明されている配置を有する楔形導波路１１０４を用いる楔形導波路構造に採用されている偏光回復アプローチを示す概略図である。
【０１１５】
図１３Ａに示すように、楔形指向性バックライト１１０４の導波路の上面は、高屈折率材料と低屈折率材料の交互の層１２０２でコーティングすることができ、放出するそれらの光線１２０６及び１２０８に対して偏光による選択的反射及び伝送を提供する。導波路の第１の誘導面上に形成された層１２０２は、（１）導波路の第１の誘導面からの出力光の、第１の偏光を有する第１の偏光コンポーネントを伝送し、（２）出力光の、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を不要光として反射する、ことによって反射偏光器を形成することができる。光がこの楔形指向性バックライトを放出する狭い角度の範囲は、コーティング層１２０２をほとんど有さない高い偏光選択性を可能にする。
【０１１６】
後部反射器として機能する後部反射層１２１２は、導波路の第２の誘導面上に形成される。導波路の底面又は導波路の第２の誘導面に積層されたリターダフィルム１２１４は、反射光の偏光を変換し、反射に続いて反射層１２１２から放出することができる。無偏光の光線１２０４は層１２０２に入射し、これにより光線１２０６が第１の偏光状態で出力され、光線１２１０が第１の偏光状態に直交する第２の偏光状態で反射され、層１２１２によって回転され、第１の偏光状態の光線１２０８として出力される。
【０１１７】
図１３Ａの説明を続けると、リターダフィルム１２１４はフェーズリターダとして機能し、層１２０２によって形成された反射偏光器と、反射層２１２によって形成された後部反射器との間に配置することができる。リターダフィルム１２１４は、空間光変調器に供給し戻すよう、光が楔形導波路１１０４を放出した際に、不要光の偏光を第１の偏光に変換するよう構成することができる。
【０１１８】
図１３Ｂは、偏光回復システムの素子を示す概略図である。更に、図１３Ｂは、本開示の一般的な実施形態を示す。結像指向性バックライトシステムは無偏光の光１３０２で照明することができ、ＬＣＤに対して偏光した光を提供する。この目的に、照明光の少なくとも５０％を吸収することができる偏光シートを使用することができる。この吸収された光の回復は、反射偏光器として機能する反射偏光器層１３０６を導入することで可能となる。反射偏光器層１３０６は、第１の偏光の所望する第１の偏光コンポーネント１３１０の光の伝送を可能にすることと同時に、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１３１４を不要光として反射することができるか、さもなければこれを失う。この反射したコンポーネントは更に、フェーズリターダとして機能する光の偏光軸に対して約４５°に配向された１／４波長リターダ１３０４によって最も効果的に偏光の変換をすることができる。鏡１３０８からの反射を通した光の再方向づけは、光を、第２（の光）が１／４波長リターダ１３０４を通過することを完了可能とし、したがって実質的に偏光変換を完了し、反射偏光器１３０６を通した効率的な伝送を可能にし、同様に光１３１２を、元々伝送された光１３１０におおよそ平行に伝搬させる。光はほとんど若しくは全く失われず、組み合わされた照明の指向性を実質的に保持できることが理想である。反射したコンポーネントの偏光変換及び再方向づけは、バックライト照明器に内在する特性とすることができる散乱等の他の手段によって実現することができる。したがって、偏光回復のいくつかの方策を実現するには、最低限の反射偏光素子を用いることができる。
【０１１９】
以前開示された米国特許出願第１３／４７０，２９１号のアプローチから区別すると、本開示の実施形態は偏光放出光線の約２°未満の狭帯域の反射に依存することなく、ディスプレイの視野角の最大約４５°及びこれを超える分散を伴う角度で、光線に作用可能な反射偏光器を用いることができる。
【０１２０】
図１４Ａは、偏光回復アプローチを用いる指向性バックライトを示す概略図であり、図１４Ｂは、図１４Ａの指向性バックライトのシステム側面を示す概略図である。更に、図１４Ａは、以下のように構成された指向性バックライトの導波路構造の実施形態を示し、図１４Ｂにその側面図を示す。段付き導波路１４０６は、後部反射器を形成する銀又はアルミニウム等の、しかしこれに限定しない、反射材料でコーティングされた段付き表面１５０２（第１の誘導面）を有することができる。
【０１２１】
弁１４０６内を伝搬し、表面１５０２の光抽出機能から反射した光線１４０１は、実質的に無偏光であってよい。１／４波長リターダ１４０４等のフェーズリターダを通した伝送後は、光は無偏光のままである。所望する垂直偏光状態１４０３の光線１４０５は、空間光変調器４８を通して伝送するための垂直偏光伝送配向で、反射偏光器１４０８及びクリーンアップシート偏光器１４１０を通して伝送される。そのような光線１４０５は、空間光変調器を通して、光の指向性を実質的に変えることなく伝送することができる。
【０１２２】
本実施形態では、反射偏光器１４０８は段付き導波路１４０６の正面に配置されており、フェーズリターダとして機能する１／４波長リターダ１４０４は、段付き導波路１４０６と反射偏光器１４０８との間、したがって段付き表面１５０２上に形成された後部反射器と反射偏光器１４０８との間に配置することができる。
【０１２３】
所望しない水平直線偏光状態１４０９の光線１４０７は段付き導波路１４０６を放出することができ、反射偏光器１４０８から反射光として反射することができる。反射偏光器１４０８による水平偏光状態１４０９における残留伝送光は、反射偏光器１４０８の前に配置されたシート偏光器１４１０によってクリーンアップすることができる。
【０１２４】
１／４波長リターダ１４０４は、以下のようにシート偏光器１４１０の正面に配置されている空間光変調器（不図示）に供給し戻された場合に、不要光の偏光を第１の偏光に変換するよう構成することができる。水平偏光状態の不要光線１４０７は、約４５°に配向された光軸を有する１／４波長リターダ１４０４を通して戻されることができ、したがって、円偏光状態１４１１に変換されることができる。それぞれの反射光はその後、導波路１４０６の後方段付き表面１５０２から更に反射される前に、透過的光弁１４０６を通して伝送することができる。光線１４０７の円偏光状態１４１１は、直交円偏光状態１４１３への反射に変換され得、第２（の光）が１／４波長リターダ１４０４を通過した後に、大部分が所望する垂直偏光状態１４１７に変換され、反射偏光器１４０８及びクリーンアップ偏光器１４１０を通した伝送を実現する。光線１４１５はその後、偏光器１４１０によって元々伝送されたそれらの光線１４０５と結合することができ、実質的に元の明度の２倍であり、実質的に同じ指向性を有する、実質的に均一に偏光され、方向づけられた光線を効果的に形成する。したがって、視野窓の明度は、低画像クロストークで向上することができる。光線１４１５の明度の少量の損失は、側面１５０２での反射性の減少により提供することができ、他の追加的損失は、反射した光線１４０７のフレネル反射から提供することができる。１／４波長リターダ１４０４は、単一光軸方向を伴う単一層リターダとすることができる。代替的に、層数を増加したリターダ積層、及び位相差と光軸方向の組み合わせは、周知のように、リターダのスペクトル帯域を拡げるよう構成することができる。リターダの積層のそれぞれのリターダの光軸はしたがって、必要に応じて直線から円偏光状態に光を変換するよう構成することができる。偏光状態１４０３、１４１７は、偏光器１４１０の所望する入力偏光方向に位置合わせされるよう構成することができ、ＴＮ型液晶モードに対しては＋／−４５°とすることができ、垂直整列モード等の他の既知の光学モードに対しては垂直又は水平とすることができる。
【０１２５】
元の光線の指向性忠実性を維持するため、反射偏光器１４０８は反射表面１５０２に対しておおよそ平行にすることができ、更に、例えば空間光変調器４８に対する入力に配置することができ、実質的に平坦な表面を提供する。これは、例えばパネルに隣接する、又はパネル直上のクリーンアップ偏光器フィルム上への積層によって取り付けられたフレキシブルフィルムを用いることで実現することができる。クリーンアップ偏光器は通常、ヨウ素及び延伸フィルム等の吸収偏光器を含むことができる。これは、パネルに隣接する、又はパネル直上にクリーンアップ偏光器フィルムが取り付けられた可撓性フィルムを用いることで実現することができる。
【０１２６】
本明細書で説明するように、適切な反射偏光器は、例えば３Ｍによって供給される製品ＤＢＥＦ等の、多層複屈折フィルムであってよい。別の候補としては、Ｍｏｘｔｅｋによって供給されるような、可視光の波長未満の周期性を有するガラス上の周期的金属ワイヤーグリッド構造とすることができる。更に、本明細書にて説明するような反射偏光器としては、Ａｓａｉ  Ｋａｓｅｉによってフィルム素材上に提供可能な同様の金属グリッド構造とすることができる。
【０１２７】
効率的な偏光の変換は、段付き導波路１４０６の材料がほとんど若しくは全く複屈折性を示さない場合に実現することができる。導波路の物理的構造によって主に判定されるように、複屈折性が垂直又は水平方向に沿って配向されている場合は、複屈折性は余剰なリターダフィルムによって補正することができるか、又は、より好ましくは、実質的に平行に位置合わせされた１／４波長リターダから差し引くことができる。この最後の場合では、フィルムの配向は、図１４Ａ及び１４Ｂに示す配向に対して約４５度で光軸に好ましく配向することができる。
【０１２８】
非対称拡散器又はフレネルレンズ等の任意の追加的光学素子は、反射偏光器１４０８とシート偏光器１４１０との間に配置することができる。
【０１２９】
反射偏光器１４０８が非対称散乱を生じ得る場合では、最大散乱の配向は、図１４Ｂに示すように垂直とすることができる。基本形態における光弁は水平面の画像に作用することができ、垂直散乱に対して耐性を有することができる。
【０１３０】
図１５Ａは、導波路に基づく偏光回復アプローチを用いる指向性バックライトの別のシステムを示す概略図であり、図１５Ｂは、図１５Ａの指向性バックライトのシステム側面を示す概略図である。更に、図１５Ａ及び１５Ｂは、本開示の追加的実施形態を示す。
【０１３１】
図１４Ａ及び１４Ｂの実施形態に関連し、この指向性バックライトの導波路構造は、上に記述するように、導波路１４０６、反射偏光器１４０８、及びシート偏光器１４１０を用いることができる。導波路の段付き表面１５０２（第１の誘導面）上の鏡面コーティングの代替として、図１５Ａ及び１５Ｂに示すように、後部反射器として作用する導波路１４０６の背後の別々の反射器層１４０２があり、１／４波長リターダ１４０４は、導波路の背後、特に、導波路と反射器層１４０２との間に配置することができる。一実施形態では、反射偏光器は、高屈折率材料及び低屈折率材料を交互にした層とすることができる。したがって、光線１４１５、１４０５は、実質的に同じ指向性及び偏光状態で実現することができる。本実施形態は、図１４Ａ及び１４Ｂの実施形態と同様に作用する。
【０１３２】
段付き表面をコーティングしないことで、散乱及びコストを削減することができる。また、導波路の背後にリターダ層を配置することで、直線偏光状態の光は段付き導波路を通して後方反射することができ、任意の成形部品に予期され得る、平行に配向されていながらも不均一な複屈折性に対して耐性を提供する。導波路１４０６の複屈折性の光軸の最も共通する方向は、偏光状態１４１７に対して平行又は直交となるよう配置することができ、偏光変換の不均一性の減少、したがって、ディスプレイの不均一性の減少を実現することができ、好適である。
【０１３３】
図１６Ａは、代替的な導波路構造に基づく偏光回復アプローチを用いる別の指向性バックライトを示す概略図である。更に、図１６Ａは、代替的な導波路構造を用いることができる別の実施形態である。図１４Ａと同様に、図に示すように、図１６Ａの導波路構造は、図１４Ａの実施形態と同様に配置されて作用する、段付き導波路１４０６、１／４波長リターダ１４０４、反射偏光器１４０８、及びシート偏光器１４１０を含む。図１６Ａでは、段付き導波路１４０６の湾曲された反射器端部はフレネル反射器と同等の構造に置き換えることができ、湾曲された抽出ステップは、図１２に示すフレネルレンズ６２等のシステム上の外部からの任意の更なる結像素子を提供することができる。導波路１４０６の段付き表面１５０２は、反射コーティングを直接コートすることができ、先の実施形態の記載のように、偏光回復のために光を後方反射する。
【０１３４】
図１６Ｂは、別の代替的な導波路構造に基づく偏光回復アプローチを用いる更に別の指向性バックライトを示す概略図である。更に、図１６Ｂは、追加的偏光回転フィルム１６０２が、反射偏光器１４０８と空間光変調器（不図示）との間に配置されている関連システム実施形態である。偏光回転フィルム１６０２は、反射偏光器１４０８から出力された第１の偏光コンポーネントをＳＬＭに供給する前に回転させる偏光回転器として作用する。これは、出力直線偏光状態１４０５、１４１７を、適切に配向された光軸を有する広帯域リターダ積層であってよい半波長リターダとすることができるリターダ１６０２からの偏光状態１４１９に変換するために使用することができる。偏光器１６０４によるクリーンアップ後、偏光状態１４２１は、ねじれネマティック（ＴＮ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルによる、より適した作用のために、垂直に対して約４５度に配向されている。実質的に平行に４５°に位置合わせされたクリーンアップ偏光器シート１６０４は、シート偏光器１４１０の代わりに、高コントラストな作用のために、強く偏光された光を適切な配向で提供するために使用することができる。
【０１３５】
図１６Ｂに示すように、指向性表示装置は、段付き導波路１４０６、１／４波長リターダ１４０４、高偏光感度層１４０８、及びシート偏光器１４１０を含むことができる。指向性表示装置は、反射偏光器と空間光変調器との間に配置された偏光回転器を更に含むことができる。偏光回転器は、第１の偏光コンポーネントを回転させるよう構成することができる。
【０１３６】
図１７は、約４５°に配向された出力偏光が提供されている代替的な光弁構造を提供するために、図１６Ｂの実施形態と比較して修正された偏光回復アプローチを用いる別の指向性バックライトを示す概略図である。更に、図１７は、ＴＮの所望する偏光された光を直接回復するために約４５°回転されたフィルム配向で偏光回復アプローチを用いる、更に別の指向性バックライトである。したがって、偏光状態１４２３、１４２５は、水平及び垂直以外の角度に配置することができ、リターダ１６０６は、上に記述するような偏光回転を実現するために、入射偏光状態と協働するよう構成されている。上に記述するとおり、１／４波長リターダ１６０６の配向は光弁の物理的側面に実質的に平行にすることができ、任意の残存複屈折性に対して配向させることができる。１／４波長のものと異なる位相差の選択は、任意の残存導波路複屈折性の補正に作用することができる。
【０１３７】
図１８Ａは、偏光反射層が、楔形指向性バックライト内に光線偏向部を有する、単一のフィルムに一体化されている一実施形態を示す概略図であり、その更なる詳細が図１８Ｂに示されている。更に、図１８Ａ及び１８Ｂは、偏光回復が楔形指向性導波路に用いられている一実施形態を示す。高偏光感度反射器層は、再方向づけフィルム１１０８のファセット１８１０上にコーティングすることができる。楔形指向性バックライトは、放出表面から小さい角度で伝搬することができる、無偏光でありながらも方向づけられた放出光線１８０２を提供するよう作用することができる。所望しない偏光状態のこの光線内の光は、ファセット１８１０上の高偏光感度反射器層を下向きに、照明方向から離れて反射させることができる。その一方、所望する偏光状態の光１８０４を伝送し、上方に再方向づけることができる。下方伝搬光線は透過的楔形誘導材料を通過することができ、１／４波長リターダ１８１４及び反射表面１１０６によって変換され、かつ再方向づけされて戻すことができる。この変換された光は導波路１１０４及び再方向づけフィルム１１０８を通して戻すことができ、所望する偏光の初期光線と結合する。
【０１３８】
一実施形態では、指向性表示装置は、全反射によって光を誘導するよう第１の誘導面を構成することができる導波路を含むことができ、第２の誘導面は複数の光抽出機能を含むことができる。光抽出機能は、出力光として第１の誘導面を通して放出可能な方向に導波路を通して誘導された光を反射するよう配向することができる。第２の誘導面はまた、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構成することができる光抽出機能間の中間領域を含む。加えて、光抽出機能は第２の誘導面のファセットとすることができ、第２の誘導面は、反射ファセット及び中間領域を含むことができる段付き形状を有することができる。導波路のこの実施形態及び記述は、指向性表示装置及び／又は導波路を用いる先に記述した任意の実施形態と併せて使用することができる。
【０１３９】
図１８Ｃは、楔形指向性バックライト内の別の偏光回復実施形態を示す略図であり、その更なる詳細が図１８Ｄに示されている。図１８Ｄは、図１８Ｃの偏光回復実施形態の拡大断面図である。更に、図１８Ｂは、１／４波長リターダ１８１４を、導波路と反射層１８１２との間ではなく、導波路の放出表面に配置することができる、図１８Ａの実施形態に関連する実施形態を示す。
【０１４０】
図１９は、偏光回復実施形態の側面を示す概略図である。この実施形態は一般的に図１５Ａの実施形態及び上記と同様であるものの、１／４波長リターダ１４０４を提供する代わりに、後部反射器が、空間光変調器に供給し戻された際に不要光の偏光を第１の偏光に変換するように構成されるよう修正されている。
【０１４１】
本実施形態では、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、同様に、導波路１からの出力光を受光する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２０４等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２０２、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２０６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２００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。
【０１４２】
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伝送するよう構成されているＳＬＭ  ４８との間に配置されている反射偏光器２０２により、光弁１内に伝搬する無偏光光線２０８は、反射偏光器２０２及びクリーンアップ偏光器２０６を通して伝送される第１の偏光で、上記実施形態と同様に、光線２１０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２１０は、不要光として反射偏光器２０２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２００に伝送され、ここでそれらは反射し、光線２１２として方向づけられてＳＬＭ  ４８に戻る。窓２１６における光線２１２の垂直位置はしたがって、光線２１０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。
【０１４３】
プリズム反射フィルム２００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。
【０１４４】
図２０は、図１９の偏光回復実施形態の詳細の側面を示す概略図であり、図２１は、図１９の偏光回復実施形態の模式的正面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は示していない。
【０１４５】
光弁１の導波路内を伝搬する光線２０８は、無偏光の光状態２３０を含む。上に記述するように、光抽出機能１２から反射した光線は実質的に無偏光であり、反射偏光器２０２に入射する。第１の偏光コンポーネントの伝送された光線２１０は、空間光変調器４８のクリーンアップ偏光器２０６の伝送軸上に第１の偏光コンポーネント状態２３６を方向づけるよう構成された、適切に配向された光軸を有する半波長リターダとすることができるオプションのリターダ２０４を通して方向づけられている。
【０１４６】
空間光変調器４８は更に、ガラス基板、液晶層２２２、及び出力偏光器２２６等の基板２２０、２２４を含むことができる。
【０１４７】
不要光として反射偏光器２０２により反射した光線２１２は、光弁１を通して伝送され、アルミニウム又は銀材料等の反射層２０１を含むことができるプリズム反射フィルム２００に入射する。プリズム反射フィルム２００は、複数の対の反射コーナーファセット２０３と２０５の線形アレイである。コーナーファセット２０３、２０５は、個別の光線２１２が一対のコーナーファセット２１２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２０３、２０５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に対する法線周囲に配向されている。これは、プリズム反射フィルム２００での第２の偏光コンポーネントの偏光に対して４５°で延びる共通面によって実現される。
【０１４８】
したがって、図２０に示すように、光線２１２はプリズムフィルムの両ファセット２０３、２０５によって反射され、図に示すように実質的に逆反射することができる。光線２３４は、プリズムフィルム２００の細長いプリズムファセット２０３、２０５に対して４５°の角度で入射する。二重反射の後に、各傾斜ファセットでの反射におけるそれぞれの相変化によって、偏光状態２３４が偏光状態２３６に回転されるよう、偏光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２１２は、光線２１２の偏光状態と実質的に同じである偏光状態２３６を有する。本実施形態は、複雑なリターダ積層に対する要件を伴わずに、向上した広帯域偏光回転を実現し、したがって、コストを削減した、高い輝度出力の視野窓を実現することができ、好適である。
【０１４９】
図２２は、更なる偏光回復実施形態の詳細の側面を示す概略図である。本実施形態は図２０の実施形態と同様であるが、プリズムフィルム２００が反転されている。そのような構成は、フィルム２００の前面での屈折により、より広い照明角度にわたって偏光回転を実現することができる。更に、リターダ層はフィルム２００内に包含することができ、偏光回転の更なる制御を実現する。
【０１５０】
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〜１０パーセントの範囲である。
【０１５１】
本明細書に開示される原理による、様々な実施形態が上述されてきたが、これらの実施形態は、ただ例示の目的のためにのみ示されたのであり、限定するために示されたのではないことに留意されたい。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同等物にしたがってのみ規定されるべきである。更に、上記有利な点及び特徴は、記載された実施形態で提供されるが、かかる公開される特許請求の範囲の用途を、上記有利な点の一部又は全部を実現する方法及び構造に、制限するものではない。
【０１５２】
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実施形態を制限したりかつ特徴づ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（field）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（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（複数の）実施形態を特徴づ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（invention）」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（複数の）実施形態及びそれらの同等物を定義することによって、それらを保護している。全ての例において、これらの請求項の範囲は、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】
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【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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